WO2025192016A1 - Imaging device and imaging method - Google Patents
Imaging device and imaging methodInfo
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- WO2025192016A1 WO2025192016A1 PCT/JP2025/001023 JP2025001023W WO2025192016A1 WO 2025192016 A1 WO2025192016 A1 WO 2025192016A1 JP 2025001023 W JP2025001023 W JP 2025001023W WO 2025192016 A1 WO2025192016 A1 WO 2025192016A1
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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- H04N25/57—Control of the dynamic range
- H04N25/59—Control of the dynamic range by controlling the amount of charge storable in the pixel, e.g. modification of the charge conversion ratio of the floating node capacitance
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
Definitions
- This technology relates to an imaging device and an imaging method. More specifically, this technology relates to an imaging device and an imaging method that are provided with multiple floating diffusions.
- multiple floating diffusions may be provided in a pixel.
- an imaging device has been disclosed that generates an autofocus signal in response to a row driver activation signal for half or less of the light-receiving elements included in one pixel that includes first to fourth subpixels (see, for example, Patent Document 1).
- This technology was developed in light of these circumstances, and aims to improve the efficiency of charge transfer between floating diffusions.
- This technology has been developed to solve the above-mentioned problems, and its first aspect is an imaging device that includes a first floating diffusion to which charge is transferred from a photoelectric conversion unit, a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, and an assist electrode that assists the transfer of charge between the first floating diffusion and the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
- the assist electrode may be disposed on the first floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer via the first floating diffusion.
- the assist electrode may be disposed on the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer via the second floating diffusion.
- the device may further comprise a plurality of pixels sharing the first floating diffusion, a reset transistor that resets the first floating diffusion and the second floating diffusion, an amplification transistor that outputs a signal according to the potential of the first floating diffusion, and a selection transistor that selects the output of the amplification transistor.
- a switching transistor may be further provided that switches the conversion efficiency of the amplifying transistor. This brings about the effect of realizing DCG (Dual Conversion Gain)-HDR.
- an assist control unit may be provided that increases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and decreases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when luminance information is acquired. This reduces conversion efficiency, enabling the acquisition of phase difference information, while enabling charge to be transferred from the second floating diffusion to the first floating diffusion.
- a capacitor may be provided for storing the charge photoelectrically converted by the pixel. This has the effect of holding the charge transferred from the photoelectric conversion unit.
- an assist control unit may be provided that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of making it possible to read out the charge accumulated for each subframe from the capacitor for each frame.
- the device may further include an assist control unit that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode and transfers the charge that has overflowed into the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of causing the charge that has overflowed into the first floating diffusion to be held in the capacitor.
- an assist control unit may be provided that increases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, and decreases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the second floating diffusion. This provides the effect of retaining charge that has overflowed from the photoelectric conversion unit, emptying the first floating diffusion of charge, and then transferring charge from the photoelectric conversion unit to the first floating diffusion.
- the assist control unit may lower the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring a luminance signal, and transfer the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of causing the charge that has overflowed to the second floating diffusion to be held in the capacitor.
- the pixels may be arranged in a quad-Bayer array. This has the effect of achieving HDR while increasing the resolution of color images.
- an overflow control transistor may be further provided that controls overflow from the pixel to the capacitor. This has the effect of retaining charge that overflows from the pixel without passing through the first floating diffusion and the second floating diffusion.
- the second aspect is an imaging method that controls the potential of the first floating diffusion or the second floating diffusion via an assist electrode provided on the first floating diffusion to which charge is transferred from a photoelectric conversion unit or on a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, thereby assisting the transfer of charge between the first floating diffusion and the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
- the potential of the second floating diffusion may be increased via the assist electrode, and a pixel signal used for phase difference information may be read from the pixel when the conversion efficiency of converting charge to voltage is reduced; the potential of the second floating diffusion may be decreased via the assist electrode, and charge may be transferred from the second floating diffusion to the first floating diffusion; and a pixel signal used for luminance information may be read from the first floating diffusion when the conversion efficiency is increased.
- the potential of the first floating diffusion may be lowered via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, the charge accumulated in the first floating diffusion may be transferred to a capacitor, and the charge transferred to the capacitor may be read out for each frame. This brings about the effect that the charge accumulated for each subframe can be read out from the capacitor for each frame.
- the potential of the first floating diffusion may be increased via the assist electrode when charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, and the potential of the first floating diffusion may be decreased via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the charge accumulated in the first floating diffusion may be transferred to the second floating diffusion. This results in the effect that the charge accumulated in the first floating diffusion is held in the second floating diffusion.
- FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the configuration of an imaging apparatus according to a first embodiment.
- 1 is a block diagram illustrating an example of the configuration of a solid-state imaging device according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a cell provided in the solid-state imaging device according to the first embodiment.
- 4 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a plan view showing a first example of a cell layout according to the first embodiment; FIG.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first example of a cell configuration according to the first embodiment.
- FIG. 10 is a plan view showing a second example of a cell layout according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second example of the configuration of the cell according to the first embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a pixel provided in a solid-state imaging device according to a second embodiment. 10 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of the solid-state imaging device according to the second embodiment.
- FIG. 10 is a plan view showing an example of a pixel layout according to a second embodiment.
- FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a pixel according to a second embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to a third embodiment. 10 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the third embodiment.
- FIG. 11 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of a solid-state imaging device according to a third embodiment.
- FIG. 10 is a plan view showing an example of a pixel layout according to a second embodiment.
- FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a pixel according to a second embodiment.
- FIG. 10 is
- FIG. 11 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of a solid-state imaging device according to a third embodiment.
- FIG. 11 is a plan view showing an example of a layout of cells according to a third embodiment.
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of a cell according to a third embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to a fourth embodiment.
- 13 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
- FIG. 13 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a diagram illustrating an example of potential during a readout period of a solid-state imaging device according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a plan view showing an example of a layout of cells according to a fourth embodiment;
- FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of a cell according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to a fifth embodiment.
- FIG. 13 is a plan view showing a first layout example of a cell according to a fifth embodiment;
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing a first configuration example of a cell according to a fifth embodiment.
- FIG. 13 is a plan view showing a second layout example of the cell according to the fifth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing a second configuration example of the cell according to the fifth embodiment.
- FIG. 13 is a perspective view showing an example of a stack of layers in a solid-state imaging device according to a sixth embodiment.
- 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration example of a vehicle control system.
- FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an installation position of an imaging unit.
- First embodiment an example in which an assist electrode is provided to control the potential of the floating diffusion, and the potential of the floating diffusion is increased via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the potential of the floating diffusion is decreased via the assist electrode when luminance information is acquired
- Second embodiment an example in which the potential of the floating diffusion is lowered via an assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and the charge accumulated in the floating diffusion is transferred to a capacitor
- Third embodiment (example in which the potential of the floating diffusion is lowered via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the charge overflowing into the floating diffusion is transferred to the capacitor) 4.
- FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an imaging apparatus according to the first embodiment.
- the imaging device 100 includes an optical system 101, a solid-state imaging device 102, an imaging control unit 103, an image processing unit 104, a memory unit 105, a display unit 106, and an operation unit 107.
- the imaging device 100 also includes a drive control unit 109.
- the imaging control unit 103, the image processing unit 104, the memory unit 105, the display unit 106, the operation unit 107, and the drive control unit 109 are connected to one another via a bus 108.
- the imaging device 100 may be used standalone, or may be incorporated into a mobile terminal such as a smartphone, an authentication device or a monitoring device, or a vehicle or drone.
- the optical system 101 allows light from a subject to be incident on the solid-state imaging device 102, and forms an optical image on the light-receiving surface of the solid-state imaging device 102.
- the optical system 101 may include, for example, a focus lens, a zoom lens, and an aperture.
- the optical system 101 may also include multiple lenses, such as a wide-angle lens, a standard lens, and a telephoto lens.
- the solid-state imaging device 102 converts the optical image formed on the light-receiving surface into an electrical signal for each pixel, digitizes the electrical signal, and outputs it. At this time, the solid-state imaging device 102 can perform HDR by switching the conversion efficiency of the pixels.
- the solid-state imaging device 102 can also include multiple floating diffusions to which charges are transferred from the pixels.
- the solid-state imaging device 102 may also include multiple pixels per column that can acquire phase difference information.
- the solid-state imaging device 102 may also acquire luminance information from the multiple pixels used to acquire the phase difference information.
- the solid-state imaging device 102 is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
- the CMOS image sensor may be a back-illuminated image sensor or a front-illuminated image sensor.
- the imaging control unit 103 controls imaging by the solid-state imaging device 102 based on commands from the operation unit 107. At this time, the imaging control unit 103 can control the exposure time, exposure amount, imaging timing, etc. of the solid-state imaging device 102.
- the image processing unit 104 performs image processing based on the output from the solid-state imaging device 102.
- Image processing includes, for example, gamma correction, white balance processing, sharpness processing, and tone conversion processing.
- the image processing unit 104 may include a processor that executes processing based on software.
- the image processing unit 104 includes an HDR processing unit 104A.
- HDR processing unit 104A performs HDR processing based on pixel signals read out from solid-state imaging device 102.
- HDR processing unit 104A can generate an HDR image based on a combination of pixel signals read out from solid-state imaging device 102 with low conversion efficiency and pixel signals read out from solid-state imaging device 102 with high conversion efficiency.
- the storage unit 105 stores images captured by the solid-state imaging device 102, as well as imaging parameters of the solid-state imaging device 102.
- the storage unit 105 can also store programs that operate the imaging device 100 based on software.
- the storage unit 105 may include ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and a memory card.
- the display unit 106 displays captured images and various information that supports the capture operation.
- the display unit 106 may be a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, or a micro LED display.
- the operation unit 107 provides a user interface for operating the imaging device 100.
- the operation unit 107 may include, for example, buttons, dials, and switches provided on the imaging device 100.
- the operation unit 107 may also be configured as a touch panel together with the display unit 106.
- the drive control unit 109 controls the drive of the optical system 101 based on pixel signals read out from the solid-state imaging device 102 and operation information operated by the operation unit 107.
- the drive control unit 109 can obtain phase difference information based on pixel signals read out from the solid-state imaging device 102, and control autofocus based on the phase difference information.
- the drive control unit 109 can also perform manual focus and control zoom magnification based on operation information operated by the operation unit 107.
- FIG. 2 is a block diagram showing an example configuration of a solid-state imaging device according to the first embodiment.
- the solid-state imaging device 102 includes a pixel array section 111, a vertical scanning circuit 112, a column readout circuit 113, a column signal processing section 114, a horizontal scanning circuit 115, and a control circuit 116.
- the pixel array section 111 includes a plurality of cells 120.
- the cells 120 are arranged in a matrix along the row direction (also referred to as the horizontal direction) and the column direction (also referred to as the vertical direction).
- a cell 120 may share two pixels with one floating diffusion, four pixels with one floating diffusion, eight pixels with one floating diffusion, or may be composed of a single pixel. Multiple pixels included in a cell 120 may be used as phase difference pixels.
- a cell 120 may also include a capacitor that stores charge transferred from the pixel.
- the capacitor may be an MIM (Metal Insulation Metal) capacitor.
- a cell 120 can form a source follower with the column readout circuit 113 when reading out a signal.
- Each cell 120 is connected to a horizontal drive line 131 in the row direction and to a vertical signal line 132 in the column direction.
- the horizontal drive line 131 drives each cell 120 horizontally when reading out a signal from the cell 120.
- the vertical signal line 132 vertically transmits a potential based on the current that flows when a signal is read from the cell 120 to the column signal processing unit 114.
- the pixels included in the cell 120 may be arranged in a Bayer array or a quad-Bayer array.
- the light received by each pixel included in each cell 120 may be visible light, near-infrared light (NIR: Near Infrared), short-wave infrared light (SWIR: Short Wavelength Infrared), ultraviolet light, or X-rays.
- NIR Near Infrared
- SWIR Short Wavelength Infrared
- ultraviolet light or X-rays.
- the vertical scanning circuit 112 vertically scans each pixel included in the cell 120 to be read.
- the vertical scanning circuit 112 may be configured using a vertical register.
- the vertical scanning circuit 112 may include an address decoder, or may include a driver that drives the horizontal drive lines 131 selected via the address decoder for each row.
- the vertical scanning circuit 112 includes an assist control unit 112A.
- the assist control unit 112A assists in the transfer of charge between the multiple floating diffusions included in the cell 120.
- the assist control unit 112A can control the potential of the floating diffusion of each cell 120 to assist in the transfer of charge between the multiple floating diffusions.
- the assist control unit 112A can form a potential gradient between the floating diffusions of each cell 120.
- the column readout circuit 113 When reading out a signal from a cell 120, the column readout circuit 113 can form a source follower with each cell 120. At this time, the column readout circuit 113 can change the potential of the vertical signal line 132 based on the charge held in the cell 120.
- the column signal processing unit 114 processes signals transmitted vertically from the cells 120.
- the column signal processing unit 114 can perform correlated double sampling (CDS) processing based on the signals transmitted vertically from the cells 120.
- CDS correlated double sampling
- the column signal processing unit 114 can also perform AD (Analog to Digital) conversion processing based on the signals transmitted vertically from each cell 120, and output the imaging signal Gout.
- AD Analog to Digital
- the column signal processing unit 114 includes a column ADC unit 114A.
- the column ADC unit 114A can perform AD conversion processing in parallel for each column. At this time, the column ADC unit 114A can perform AD conversion for each column based on the results of comparing the pixel signal read from the cell 120 with a reference signal.
- the horizontal scanning circuit 115 scans each pixel included in the cell 120 to be read in the row direction.
- the horizontal scanning circuit 115 may be configured using a horizontal register.
- the control circuit 116 controls the vertical scanning circuit 112, column readout circuit 113, column signal processing unit 114, and horizontal scanning circuit 115.
- the control circuit 116 can control the scanning timing in the column direction, the scanning timing in the row direction, the operation timing of the column readout circuit 113, and the processing timing of the column signal processing unit 114.
- the control circuit 116 can coordinate the vertical scanning circuit 112, column readout circuit 113, column signal processing unit 114, and horizontal scanning circuit 115 so that the accumulation operation, shutter operation, and read operation are performed for each row in each frame.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the first embodiment.
- cell 120 includes photodiodes PD1 and PD2, transfer transistors TG1 and TG2, reset transistor 121, amplification transistor 122, selection transistor 123, switching transistor 124, assist electrode 125, and floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer transistors TG1 and TG2, reset transistor 121, amplification transistor 122, selection transistor 123, and switching transistor 124 may be MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors.
- Each photodiode PD1, PD2 performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge. At this time, the photodiodes PD1, PD2 can be used to acquire phase difference information or brightness information. Each photodiode PD1, PD2 can constitute a pixel. Each transfer transistor TG1, TG2 transfers the charge accumulated in each photodiode PD1, PD2 to the floating diffusion FD1. The reset transistor 121 resets the floating diffusions FD1, FD2. At this time, the floating diffusion FD2 can be provided between the reset transistor 121 and the switching transistor 124. The amplification transistor 122 outputs a signal according to the potential of the floating diffusion FD1. The selection transistor 123 selects the output of the amplification transistor 122.
- the switching transistor 124 switches the conversion efficiency of the amplification transistor 122. At this time, the switching transistor 124 can switch the capacitance added to the gate of the amplification transistor 122.
- the assist electrode 125 assists in the transfer of charges between the floating diffusions FD1 and FD2.
- the assist electrode 125 can be placed on the floating diffusion FD2. In this case, the assist electrode 125 can control the potential of the floating diffusion FD2.
- Each transfer transistor TG1, TG2 is connected between the cathode of each photodiode PD1, PD2 and the floating diffusion FD1.
- the floating diffusion FD1 is shared by the photodiodes PD1 and PD2.
- the amplification transistor 122 and selection transistor 123 are connected in series.
- the drain of the amplification transistor 122 is connected to the power supply voltage VDD.
- the gate of the amplification transistor 122 is connected to the floating diffusion FD1.
- the source of the selection transistor 123 is connected to the vertical signal line 132.
- the switching transistor 124 is connected between the floating diffusions FD1 and FD2.
- the reset transistor 121 is connected between the floating diffusion FD2 and the power supply voltage VDD.
- Transfer signals TGL1 and TGL2 are applied to the gates of the transfer transistors TG1 and TG2.
- a reset signal RST is applied to the gate of the reset transistor 121.
- a selection signal SEL is applied to the gate of the selection transistor 123.
- a switching signal FDG is applied to the gate of the switching transistor 124.
- An assist signal AST1 is applied to the assist electrode 125.
- the transfer signals TGL1 and TGL2, the reset signal RST, the selection signal SEL, the switching signal FDG, and the assist signal AST1 can be transmitted to the cell 120 via the horizontal drive line 131.
- FIG. 4 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
- this signal readout process includes a high conversion efficiency P-phase readout period T1, a low conversion efficiency P-phase readout period T2, a low conversion efficiency first D-phase readout period T3, a low conversion efficiency second D-phase readout period T4, and a high conversion efficiency D-phase readout period T5.
- the assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set by these periods T1 to T5.
- the high conversion efficiency P-phase readout period T1 and the low conversion efficiency P-phase readout period T2 can acquire reset signals used in CDS processing for high and low conversion efficiencies, respectively.
- the low conversion efficiency first D-phase readout period T3 and the low conversion efficiency second D-phase readout period T4 can acquire phase difference information used for autofocus.
- the high conversion efficiency D-phase readout period T5 can acquire brightness information used for captured images. Note that the P phase is the period during which the reset level is AD converted, and the D phase is the period during which the reset level + pixel signal is AD converted.
- the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusion FD1. Thereafter, the reset signal RST falls and the reset transistor 121 turns off. Also, before the high conversion efficiency P-phase read period T1, the switch signal FDG rises, turning on the switch transistor 124 and setting the conversion efficiency of the cell 120 to low conversion efficiency. Furthermore, before the high conversion efficiency P-phase read period T1, the assist signal AST1 rises and the potential of the floating diffusion FD2 is lowered via the assist electrode 125.
- the switching signal FDG is set to a low level.
- the switching transistor 124 is turned off, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to high conversion efficiency.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
- the switching signal FDG is set to a high level.
- the switching transistor 124 is turned on, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to a low conversion efficiency.
- the floating diffusions FD1 and FD2 are connected.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency P-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency P-phase level, and the low conversion efficiency P-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency first D-phase level, and the low conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusions FD1 and FD2. Then, the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency second D-phase level, and the low conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
- the assist signal AST1 falls, and the potential of the floating diffusion FD2 rises via the assist electrode 125.
- the switching signal FDG is set to a low level. At this time, the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to high conversion efficiency. If the potential of the floating diffusion FD2 rises before the switching signal FDG falls, a potential gradient is formed from the floating diffusion FD2 to the floating diffusion FD1. The charge stored in the floating diffusion FD2 is then transferred to the floating diffusion FD1.
- the switching signal FDG may be gradually lowered to improve the efficiency of the transfer from the floating diffusion FD2 to the floating diffusion FD1.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency D-phase level, and the high conversion efficiency D-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
- FIG. 5 is a diagram showing an example of potentials during a readout period of the solid-state imaging device according to the first embodiment. Note that a to e in FIG. 5 show an example of potentials at timings P1 to P5 in FIG. 4. Also, a to e in FIG. 5 show an example of potentials of the photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer transistor TG1 and switching transistor 124 are turned off. At this time, the charge EL1 photoelectrically converted by the photodiode PD1 is stored in the photodiode PD1. In addition, the potential of the floating diffusion FD2 is lowered via the assist electrode 125.
- the transfer transistor TG1 and switching transistor 124 are turned on.
- the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2.
- the conversion efficiency of the amplification transistor 122 is set to low. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, left-side phase difference information can be obtained from the cell 120.
- the transfer transistor TG2 is turned on.
- the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2.
- the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusions FD1 and FD2.
- the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 120.
- the right-side phase difference information can be obtained.
- left-side phase difference information and right-side phase difference information can be obtained based on pixel signals read out with low conversion efficiency. Therefore, even when the signal strength is so large that the charge photoelectrically converted by photodiode PD1 cannot be contained within the capacity of floating diffusion FD1, saturation of the left-side phase difference information can be prevented, preventing autofocus failures.
- the switching transistor 124 is turned off.
- the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to high conversion efficiency.
- a luminance signal can be obtained from the cell 120 by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122.
- the charges accumulated in the two photodiodes PD1 and PD2 can be detected with high conversion efficiency, improving sensitivity.
- FIG. 6 is a plan view showing a first example of a cell layout according to the first embodiment
- FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first example of a pixel configuration according to the first embodiment. Note that FIG. 7 shows an example configuration cut along line A1-A2 in FIG. 6.
- the solid-state imaging device 102 includes a semiconductor substrate SUB.
- a P-type semiconductor substrate can be used for the semiconductor substrate SUB.
- the semiconductor substrate SUB is separated into cells 120 by pixel isolation regions ISG1.
- the pixel isolation regions ISG1 may be, for example, rear deep trench isolation (RDTI).
- RDTI rear deep trench isolation
- the pixel isolation regions ISG1 can be formed in the depth direction from the back surface side of the semiconductor substrate SUB.
- the pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the cells 120.
- An active region AK1 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK1 is isolated by an isolation region ISA1.
- the isolation region ISA1 may be STI (Shallow Trench Isolation).
- Photodiodes PD1 and PD2, a channel region, and impurity diffusion layers DF1 to DF4 are formed in the active region AK1.
- the photodiodes PD1 and PD2 are arranged symmetrically.
- Floating diffusions FD1 and FD2 and source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF1 to DF4.
- the pixel transistors may include transfer transistors TG1 and TG2, a reset transistor 121, an amplification transistor 122, a selection transistor 123, and a switching transistor 124.
- the impurity diffusion layer DF1 can be an N - type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF1 can be disposed at the position of the photodiodes PD1 and PD2.
- the impurity diffusion layer DF2 can be an N-type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF2 can be disposed within the impurity diffusion layer DF1.
- the impurity diffusion layer DF2 can be disposed at the position of the channel regions of the photodiodes PD1 and PD2 and the transfer transistors TG1 and TG2.
- the impurity diffusion layer DF3 can be an N-type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF3 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, and the switching transistor 124. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF3.
- the impurity diffusion layer DF4 can be an N + type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF4 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor.
- Gate electrodes E1, E2, G1 to G4 and an assist electrode 125 are formed on the active region AK1, with a gate insulating film GZ interposed between them. Gate electrodes E1 and E2 can be arranged symmetrically. Each gate electrode E1 and E2 can be arranged at the corner of photodiode PD1 and PD2, respectively. An impurity diffusion layer DF2 is formed below gate electrodes E1 and E2, and an impurity diffusion layer DF3 is formed below gate electrodes G1 to G4 and the assist electrode 125. The assist electrode 125 is arranged between gate electrodes G1 and G4. Gate electrodes G2 and G3 are arranged adjacent to each other. Gate electrode E1 is used for transfer transistor TG1. Gate electrode E2 is used for transfer transistor TG2. Gate electrode G1 is used for reset transistor 121. Gate electrode G2 is used for amplification transistor 122. Gate electrode G3 is used for selection transistor 123. Gate electrode G4 is used for switching transistor 124.
- Contact CN1 is arranged at the corner between photodiodes PD1 and PD2.
- Contact CN2 is arranged next to gate electrode G3.
- Contact CN3 is arranged next to gate electrode G1.
- Ground potential is applied to contact CN1.
- the potential VSL of vertical signal line 132 is applied to contact CN2.
- Power supply potential VDD is applied to contact CN3.
- the semiconductor substrate SUB may be made of Si, InGaAs, InP, InSb, HgCdTe, or the like.
- the gate electrodes E1, E2, G1 to G4 and the assist electrode 125 may be made of, for example, polycrystalline silicon.
- the pixel isolation region ISG1 and the element isolation region ISA1 may be made of, for example, an insulator such as SiO2 .
- a light-shielding material such as carbon black may be embedded in the pixel isolation region ISG1 to prevent color mixing, etc.
- FIG. 8 is a plan view showing a second example of a cell layout according to the first embodiment
- FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second example of a cell configuration according to the first embodiment.
- this solid-state imaging device 102 has an element isolation region ISA2, an active region AK2, and contacts CN4 and CN5 instead of the element isolation region ISA1, active region AK1, and contact CN3 of Figures 6 and 7.
- the rest of the configuration of this solid-state imaging device 102 is the same as the configuration of the solid-state imaging device 102 of Figures 6 and 7.
- the semiconductor substrate SUB is separated into cells 120 by pixel isolation regions ISG2.
- the pixel isolation regions ISG2 may be, for example, FFTI (Full-thickness Front Deep Trench Isolation). In this case, the pixel isolation regions ISG2 can penetrate the semiconductor substrate SUB in the depth direction.
- the pixel isolation regions ISG2 can be arranged on the boundaries of the cells 120.
- An active region AK2 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK2 is isolated by an element isolation region ISA2.
- the element isolation region ISA2 may be STI.
- the active region AK2 can be bent at right angles at both ends of the cell 120.
- Photodiodes PD1 and PD2, channel regions, and impurity diffusion layers DF1 to DF4 are formed in the active region AK2.
- Floating diffusions FD1 and FD2, and source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF1 to DF4.
- Contact CN4 is arranged adjacent to gate electrode G2 in the column direction.
- Contact CN5 is arranged adjacent to gate electrode G1 in the column direction.
- the power supply potential VDD is applied to contacts CN4 and CN5.
- an assist electrode 125 that controls the potential of floating diffusion FD2, and floating diffusions FD1 and FD2 are connected to acquire phase difference information with low conversion efficiency.
- the potential of floating diffusion FD2 is then controlled via assist electrode 125 to transfer the charge of floating diffusion FD2 to floating diffusion FD1, and floating diffusions FD1 and FD2 are separated to acquire luminance information with high conversion efficiency.
- DCG Direct Conversion Gain
- Second embodiment In the first embodiment described above, it is possible to acquire phase difference information at low conversion efficiency by controlling the potential of the floating diffusion FD2 via the assist electrode 125. In this second embodiment, it is possible to control the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode, and transfer the charge accumulated in the floating diffusion FD1 to a capacitor for each subframe obtained by dividing a frame.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a pixel provided in a solid-state imaging device according to the second embodiment.
- pixel 220 has a photodiode PD, a transfer transistor TG, and an assist electrode 225 instead of the photodiodes PD1 and PD2, transfer transistors TG1 and TG2, and assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, pixel 220 has a capacitor 221 added to cell 120 of the first embodiment described above. The other configuration of pixel 220 of the second embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
- the photodiode PD performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge.
- the transfer transistor TG transfers the charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD1.
- the assist electrode 225 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2.
- the assist electrode 225 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 225 can control the potential of the floating diffusion FD1.
- Capacitor 221 holds the charge accumulated in photodiode PD. At this time, the charge accumulated in photodiode PD can be transferred to capacitor 221 via floating diffusions FD1 and FD2.
- Capacitor 221 can be a MOM (Metal Oxide Metal) capacitor or an MIM capacitor. Capacitor 221 can be connected in series to switching transistor 124. At this time, floating diffusion FD2 can be connected between capacitor 221 and switching transistor 124. The other end of capacitor 221 can be connected to control potential MVDD. Control potential MVDD can control the voltage applied to capacitor 221 during the shutter period, accumulation period, etc. At this time, capacitor 221 can be pulse-driven based on control potential MVDD to reduce dark current. Note that control potential MVDD may be power supply potential VDD.
- a transfer signal TGL is applied to the gate of the transfer transistor TG.
- An assist signal AST2 is applied to the assist electrode 225.
- the transfer signal TGL and the assist signal AST2 can be transmitted to the pixel 220 via the horizontal drive line 131.
- FIG. 11 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the second embodiment. While the diagram shows an example in which one frame is divided into eight subframes, one frame may also be divided into a number of subframes other than eight.
- the assist control unit 112A can assist in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set for each subframe.
- the reset signal RST falls. After that, the transfer signal TGL1 rises, and the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL1 falls.
- the assist signal AST2 falls, and then the switching signal FDG rises.
- a potential gradient is formed from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2, and the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 221 via the floating diffusion FD2.
- the charge accumulated in the photodiode PD in one subframe is held in the capacitor 221.
- the switching signal FDG falls, the assist signal AST2 rises, and the reset signal RST rises.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the potential based on the charge held in the capacitor 221 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 at this time, and the pixel signal read from the pixel 220 is AD converted for each frame.
- the subject includes an LED (Light Emitting Diode) light source.
- the brightness of LED light sources is adjusted using PWM (Pulse Width Modulation) control. As a result, they repeatedly turn on and off.
- PWM Pulse Width Modulation
- the LED light source is on during the eight subframes, charge accumulates in the photodiode PD.
- no charge accumulates in the photodiode PD.
- at least one of the eight subframes can include a period during which the LED light source is on.
- FIGS. 12 and 13 are diagrams showing an example of potential during the readout period of a solid-state imaging device according to the second embodiment. Note that a to e in FIG. 12 and a to e in FIG. 13 show an example of potential at timings P21 to P25 in FIG. 11 in each of two consecutive subframes. Also, a to e in FIG. 12 and 13 show an example of potential of the photodiode PD, transfer transistor TG, and floating diffusions FD1 and FD2. Also, FIGS. 12 and 13 show a state in which the LED light source is lit.
- the transfer transistor TG is turned off.
- the photodiode PD and the floating diffusion FD1 are separated from each other.
- the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode 225.
- the switching transistor 124 is turned on. At this time, a potential gradient is formed from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2, and the charge EL1 stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 221 via the floating diffusion FD2. As a result, the charge EL1 stored in the photodiode PD in one subframe is held in the capacitor 221.
- switching transistor 124 is turned on. At this time, a potential gradient is formed from floating diffusion FD1 to floating diffusion FD2, and charge EL2 accumulated in floating diffusion FD1 is transferred to capacitor 221 via floating diffusion FD2. As a result, charge EL2 accumulated in photodiode PD in one subframe is held in capacitor 221.
- FIG. 14 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the second embodiment
- FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the second embodiment. Note that FIG. 15 shows an example of a configuration cut along line B1-B2 in FIG. 14.
- the semiconductor substrate SUB is separated into pixels 220 by pixel isolation regions ISG1.
- the pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the pixels 220.
- An active region AK2 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK2 is isolated by an element isolation region ISA2.
- a photodiode PD, a channel region, and impurity diffusion layers DF23 and DF24 are formed in the active region AK2.
- Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF23 and DF24.
- the impurity diffusion layer DF23 can be an N-type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF23 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, and the switching transistor 124.
- the impurity diffusion layer DF24 can be an N + type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF24 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF24.
- Gate electrodes E21, G21 to G24, and assist electrode 225 are formed on active region AK2, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween.
- Gate electrode E21 can be arranged at the center of a side of photodiode PD.
- An impurity diffusion layer DF23 is formed below gate electrodes G21 to G24 and assist electrode 225.
- Assist electrode 225 is arranged between gate electrodes G21 and G24.
- Gate electrode E21 is used for transfer transistor TG1.
- Gate electrode G21 is used for reset transistor 121.
- Gate electrode G22 is used for amplification transistor 122.
- Gate electrode G23 is used for selection transistor 123.
- Gate electrode G24 is used for switching transistor 124.
- a contact CN21 is arranged in the center of one side of the photodiode PD.
- a contact CN23 is arranged between the gate electrodes G21 and G22.
- a contact CN22 is arranged next to the gate electrode G23.
- a floating diffusion FD2 is arranged next to the gate electrode G24.
- a ground potential is applied to the contact CN21.
- a potential VSL of the vertical signal line 132 is applied to the contact CN22.
- a power supply potential VDD is applied to the contact CN23.
- a capacitor 221 is connected to the floating diffusion FD2.
- pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
- the potential of the floating diffusion FD1 is controlled via the assist electrode 225, making it possible to transfer the charge accumulated in the floating diffusion FD1 to the capacitor 221 for each subframe into which a frame is divided.
- This allows the charge accumulated in the photodiode PD and floating diffusion FD1 to be transferred to the capacitor 221 for each subframe without leaving any signal charge in the photodiode PD and floating diffusion FD1. Therefore, the charge generated based on intermittent exposure can be transferred to the capacitor 221 for each subframe, while the charge accumulated in the capacitor 221 can be read out for each frame, making it possible to suppress flicker that occurs when photographing an LED light source.
- FIG. 16 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the third embodiment.
- cell 320 has an assist electrode 325 instead of the assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, cell 320 has a capacitor 321 added to cell 120 of the first embodiment described above. The rest of the configuration of cell 320 of the third embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
- the assist electrode 325 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2.
- the assist electrode 325 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 325 can control the potential of the floating diffusion FD1.
- Capacitor 321 holds the charge accumulated in photodiodes PD1 and PD2. At this time, the charge accumulated in photodiodes PD1 and PD2 can be transferred to capacitor 321 via floating diffusions FD1 and FD2.
- a lateral overflow integration capacitor (LOFIC) can be used as capacitor 321.
- Capacitor 321 can be connected in series with switching transistor 124. At this time, floating diffusion FD2 can be connected between capacitor 321 and switching transistor 124.
- the switching transistor 124 and the reset transistor 121 can be connected in parallel to the floating diffusion FD1.
- FIG. 17 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the third embodiment.
- this signal readout process includes a high conversion efficiency P-phase readout period T31, a high conversion efficiency first D-phase readout period T32, a high conversion efficiency second D-phase readout period T33, a D-phase batch readout period T34, and a P-phase batch readout period T35.
- the assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set in these periods T31 to T35.
- the high conversion efficiency P-phase readout period T31 can acquire a reset signal used for CDS processing for high conversion efficiency.
- the high conversion efficiency first D-phase readout period T32 and the high conversion efficiency second D-phase readout period T33 can acquire phase difference information used for autofocus.
- the D-phase batch readout period T34 can acquire brightness information used for captured images.
- the P-phase batch readout period T35 can acquire a reset signal used for DDS (Double Data Sampling) processing.
- the reset signal RST and transfer signals TGL1 and TGL2 are set to low level, and the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 and TG2 are turned off. Furthermore, the switching signal FDG and assist signal AST3 are set to high level, turning on the switching transistor 124 and lowering the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 325. At this time, charge is accumulated in each of the photodiodes PD1 and PD2 based on the incident light, and charge overflowing from each of the photodiodes PD1 and PD2 is accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
- the switching signal FDG falls, the switching transistor 124 turns off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other.
- the assist signal AST3 falls, and the potential of the floating diffusion FD1 rises via the assist electrode 325.
- the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2.
- the switching signal FDG rises, the switching signal FDG falls, and the charge remaining in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2.
- the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 320 is set to high conversion efficiency.
- the assist signal AST3 rises, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 325.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 320 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first D-phase level, and the high conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 320 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusion FD1.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency second D-phase level, and the high conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
- the switching signal FDG rises, the switching transistor 124 turns on, and the conversion efficiency of cell 320 is set to low.
- the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, the transfer transistors TG1 and TG2 turn on, and the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, and the transfer transistors TG1 and TG2 turn off.
- the D-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the charge accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this D-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122.
- a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the D-phase collective level, and the D-phase collective level read from the cell 320 is AD converted for each column.
- the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. After that, the reset signal RST falls, turning off the reset transistor 121.
- the P-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the reset state of the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this P-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the P-phase batch level, and the P-phase batch level read out from the cell 320 is AD converted for each column.
- FIGS. 18 and 19 are diagrams showing an example of potentials during the readout period of a solid-state imaging device according to the third embodiment. Note that a to d in FIG. 18 and a to c in FIG. 19 show an example of potentials at timings P31 to P37 in FIG. 17. Also, a to d in FIG. 18 and a to c in FIG. 19 show an example of potentials of photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer transistor TG1 is turned on and the switching transistor 124 is turned off.
- the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to high conversion efficiency. In this state, by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122, it is possible to obtain left-side phase difference information from the cell 320.
- the charges EL1 and EL2 in the floating diffusion FD1 empty, the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 can be transferred to the floating diffusion FD1. Therefore, even when the intensity of the incident light is strong, it is possible to prevent the charge transferred to the floating diffusion FD1 from overflowing, and to prevent failure to obtain phase difference information.
- the transfer transistor TG2 is turned on.
- the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusion FD1.
- the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 320.
- the right-side phase difference information can be obtained.
- the switching transistor 124 is turned on.
- the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to low.
- a luminance signal can be obtained from the cell 320 by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122.
- the charges accumulated in the two photodiodes PD1 and PD2 and the charges overflowing from the photodiodes PD1 and PD2 can be detected with low conversion efficiency, improving the dynamic range.
- the charges overflowing from the photodiodes PD1 and PD2 can be stored in the capacitor 321. This makes it possible to use long exposure times while achieving HDR, and suppress flicker that occurs when photographing an LED light source.
- FIG. 20 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the third embodiment
- FIG. 21 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the third embodiment. Note that FIG. 21 shows an example of a configuration cut along line B1-B2 in FIG. 20.
- the semiconductor substrate SUB is separated into cells 320 by pixel isolation regions ISG1.
- the pixel isolation regions ISG1 can be arranged on the boundaries of the cells 320.
- An active region AK3 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK3 is isolated by an element isolation region ISA3.
- Photodiodes PD1 and PD2, a channel region, and impurity diffusion layers DF23 and DF24 are formed in the active region AK3.
- Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF23 and DF24.
- Gate electrodes E1, E2, G21 to G24 and an assist electrode 325 are formed on the active region AK3, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween.
- the assist electrode 325 is disposed between the gate electrodes G21 and G24.
- pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
- the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 325, and the charge that has overflowed into the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 321.
- This allows overflow from the photodiodes PD1 and PD2 to the capacitor 321 via the floating diffusions FD1 and FD2, while also emptying the charge in the floating diffusion FD1 when phase difference information is acquired.
- This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and also enables DCG-HDR to be achieved.
- FIG. 22 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
- cell 420 has an assist electrode 425 instead of the assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, cell 420 has photodiodes PD3 to PD8, transfer transistors TG3 to TG8, pass transistor 127, and capacitor 321 added to cell 120 of the first embodiment described above. The rest of the configuration of cell 420 of the fourth embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
- Each photodiode PD1 to PD8 performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge.
- photodiodes PD1 to PD8 can be used to acquire phase difference information or brightness information.
- photodiodes PD1 and PD2 can be paired to acquire phase difference information
- photodiodes PD3 and PD4 can be paired to acquire phase difference information
- photodiodes PD5 and PD6 can be paired to acquire phase difference information
- photodiodes PD7 and PD8 can be paired to acquire phase difference information.
- Each photodiode PD1 to PD8 can form a pixel. These eight pixels can be pixels of the same color.
- a quad Bayer array can be formed with four cells 420 arranged in two rows and two columns. Each transfer transistor TG1 to TG8 transfers the charge accumulated in each photodiode PD1 to PD8 to the floating diffusion FD1.
- the assist electrode 425 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2.
- the assist electrode 425 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 425 can control the potential of the floating diffusion FD1.
- Pass transistor 127 establishes a charge transfer path between each of photodiodes PD1 to PD8 and capacitor 321 in cell 420. Pass transistor 127 is connected in series with capacitor 321. In this case, pass transistor 127 can be connected between capacitor 321 and floating diffusion FD2.
- Each transfer transistor TG1 to TG8 is connected between the cathode of each photodiode PD1 to PD8 and the floating diffusion FD1.
- the floating diffusion FD1 is shared by the photodiodes PD1 to PD8.
- Transfer signals TGL1 to TGL8 are applied to the gates of the transfer transistors TG1 to TG8.
- An assist signal AST4 is applied to the assist electrode 425.
- the transfer signals TGL1 to TGL8 and the assist signal AST4 can be transmitted to the cell 420 via the horizontal drive line 131.
- FIG. 23 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
- this signal readout process includes high conversion efficiency first to fourth P-phase readout periods T41, T44, T47, and T50, high conversion efficiency first to eighth D-phase readout periods T42, T43, T45, T46, T48, T49, T51, and T52, a D-phase batch readout period T53, and a P-phase batch readout period T54.
- the assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set in these periods T41 to T54.
- reset signals used in CDS processing for high conversion efficiency can be obtained.
- phase difference information used for autofocus can be obtained.
- D-phase batch readout period T53 brightness information used for captured images can be obtained.
- P-phase batch readout period T54 a reset signal used for DDS processing can be obtained.
- the reset signal RST and transfer signals TGL1 to TGL8 are set to low level, and the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 to TG8 are turned off. Furthermore, the switching signal FDG and assist signal AST4 are set to high level, turning on the switching transistor 124 and lowering the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. At this time, charge is accumulated in each of the photodiodes PD1 to PD8 based on the incident light, and charge that overflows from each of the photodiodes PD1 to PD8 is accumulated in the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321.
- the switching signal FDG falls, the switching transistor 124 turns off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other.
- the assist signal AST4 falls, and the potential of the floating diffusion FD1 rises via the assist electrode 425. At this time, the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2.
- the switching signal FDG rises, the switching signal FDG falls, and the charge remaining in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2.
- the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 420 is set to high conversion efficiency.
- the assist signal AST4 rises, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 425.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first D-phase level, and the high conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusion FD1.
- the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency second D-phase level, and the high conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first P-phase level, and the high conversion efficiency first P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL3 rises, the transfer transistor TG3 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD3 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL3 falls, and the transfer transistor TG3 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency third-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency third-phase level, and the high conversion efficiency third-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL3 and TGL4 rise, turning on the transfer transistors TG3 and TG4 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD3 and PD4 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL3 and TGL4 fall, turning off the transfer transistors TG3 and TG4. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency fourth-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency fourth-phase level, and the high conversion efficiency fourth-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency third P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency third P-phase level, and the high conversion efficiency third P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL5 rises, the transfer transistor TG5 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD5 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL5 falls, and the transfer transistor TG5 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 5D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 5D phase level, and the high conversion efficiency 5D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL5 and TGL6 rise, turning on the transfer transistors TG5 and TG6 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD5 and PD6 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL5 and TGL6 fall, turning off the transfer transistors TG5 and TG6.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 6D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 6D phase level, and the high conversion efficiency 6D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency fourth P phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency fourth P phase level, and the high conversion efficiency fourth P phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signal TGL7 rises, the transfer transistor TG7 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD7 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the transfer signal TGL7 falls, and the transfer transistor TG7 turns off.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 7D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 7D phase level, and the high conversion efficiency 7D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the transfer signals TGL7 and TGL8 rise, turning on the transfer transistors TG7 and TG8 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD7 and PD8 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL7 and TGL8 fall, turning off the transfer transistors TG7 and TG8.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 8D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 8D phase level, and the high conversion efficiency 8D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
- the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425.
- the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124 and setting the conversion efficiency of the cell 420 to low conversion efficiency.
- the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other.
- the transfer signals TGL1 to TGL8 rise, turning on the transfer transistors TG1 to TG8, and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 to PD8 to the floating diffusions FD1 and FD2. Thereafter, the transfer signals TGL1 to TGL8 fall, turning off the transfer transistors TG1 to TG8.
- the D-phase batch level applied to the gate of the amplification transistor 122 is set based on the charge accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when this D-phase collective level is applied to the gate of the amplification transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the D-phase collective level, and the D-phase collective level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. After that, the reset signal RST falls, turning off the reset transistor 121.
- the P-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the reset state of the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321.
- the potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this P-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122.
- the column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the P-phase batch level, and the P-phase batch level read from the cell 420 is AD converted for each column.
- FIGS. 24 and 25 are diagrams showing an example of potential during the readout period of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment. Note that a to d in FIG. 24 and a to d in FIG. 25 show an example of potential at the timings of P41 to P48 in FIG. 23. Also, a to d in FIG. 24 and a to d in FIG. 25 show an example of potential at the photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
- the transfer transistor TG1 is turned on and the switching transistor 124 is turned off.
- the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the conversion efficiency of the amplification transistor 122 is set to high conversion efficiency. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, left-side phase difference information can be obtained from the cell 420.
- the transfer transistor TG2 is turned on.
- the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusion FD1.
- the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusion FD1.
- the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 320.
- the right-side phase difference information can be obtained.
- FIG. 26 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the fourth embodiment
- FIG. 27 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the fourth embodiment. Note that FIG. 27 shows an example of a configuration cut along line C1-C2 in FIG. 26.
- the semiconductor substrate SUB is separated into cells 420 by pixel isolation regions ISG1.
- the pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the cells 420.
- An active region AK4 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK4 is isolated by an element isolation region ISA4. Photodiodes PD1 to PD8, channel regions, and impurity diffusion layers DF41 to DF44 are formed in the active region AK4. Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF43 and DF44.
- Photodiodes PD1 and PD2 can be arranged line-symmetrically, photodiodes PD3 and PD4 can be arranged line-symmetrically, photodiodes PD5 and PD6 can be arranged line-symmetrically, and photodiodes PD7 and PD8 can be arranged line-symmetrically.
- the planar shape of each photodiode PD1 to PD8 can be a right-angled triangle.
- photodiodes PD1 and PD2 can be paired to form a square region
- photodiodes PD3 and PD4 can be paired to form a square region
- photodiodes PD5 and PD6 can be paired to form a square region
- photodiodes PD7 and PD8 can be paired to form a square region. It is also possible to form one larger square region to include these four square regions.
- each photodiode PD1 and PD8 can face each other in the diagonal direction
- the ends of each photodiode PD2 and PD7 can face each other in the diagonal direction
- the ends of each photodiode PD3 and PD6 can face each other in the diagonal direction
- the ends of each photodiode PD4 and PD5 can face each other in the diagonal direction.
- the impurity diffusion layer DF41 can be an N - type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF41 can be disposed at the position of the photodiodes PD1 to PD8.
- the impurity diffusion layer DF42 can be an N-type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF42 can be disposed within the impurity diffusion layer DF41.
- the impurity diffusion layer DF42 can be disposed at the position of the channel regions of the photodiodes PD1 to PD8 and the transfer transistors TG1 to TG8.
- the impurity diffusion layer DF43 can be an N-type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF43 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, the switching transistor 124, and the pass transistor 127. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF43.
- the impurity diffusion layer DF44 can be an N + type impurity diffusion layer.
- the impurity diffusion layer DF44 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor.
- Gate electrodes E41 to E48, G41 to G45, and assist electrode 425 are formed on active region AK4, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween. Assist electrode 425 is arranged in a position surrounded by photodiodes PD1 to PD8. Each gate electrode E41 to E48 can be arranged at the end of each photodiode PD1 to PD8. Here, gate electrodes E41 to E48 can be arranged adjacent to assist electrode 425. In this case, each gate electrode E41 to E48 can be arranged between each photodiode PD1 to PD8 and assist electrode 425.
- An impurity diffusion layer DF42 is formed below gate electrodes E41 to E48, and an impurity diffusion layer DF43 is formed below gate electrodes G41 to G45 and assist electrode 425.
- Gate electrodes G42 and G43 are arranged adjacent to each other.
- Gate electrodes G41 and G44 are arranged adjacent to each other.
- Gate electrodes E41 to E48 are used for transfer transistors TG1 to TG8, respectively.
- Gate electrode G41 is used for the reset transistor 121.
- Gate electrode G42 is used for the amplification transistor 122.
- Gate electrode G43 is used for the selection transistor 123.
- Gate electrode G44 is used for the switching transistor 124.
- Gate electrode G45 is used for the pass transistor 127.
- a contact CN41 is arranged between photodiodes PD2 and PD3.
- a contact CN42 is arranged next to gate electrode G43.
- a contact CN43 is arranged next to gate electrode G41.
- a contact CN44 is arranged next to gate electrode G45.
- a ground potential is applied to contact CN41.
- a potential VSL of vertical signal line 132 is applied to contact CN42.
- a power supply potential VDD is applied to contact CN43.
- a capacitor 321 is connected to contact CN44.
- pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
- the potential of the floating diffusion FD1 is boosted via the assist electrode 425 when charge is accumulated in the photodiodes PD1 to PD8, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 425 when phase difference information is acquired, transferring charge between the floating diffusions FD1 and FD2.
- This allows overflow from the photodiodes PD1 to PD8 to the capacitor 321 via the floating diffusions FD1 and FD2, while also emptying the charge in the floating diffusion FD1 when phase difference information is acquired. This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and achieves DCG-HDR.
- FIG. 28 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the fifth embodiment.
- cell 520 is the same as cell 420 of the fourth embodiment described above, with overflow control transistors TF1 and TF2 added.
- the rest of the configuration of cell 520 of the fifth embodiment is the same as the configuration of cell 420 of the fourth embodiment described above.
- the overflow control transistor TF1 controls the overflow of charge from the photodiodes PD1 to PD4 to the capacitor 321.
- the overflow control transistor TF2 controls the overflow of charge from the photodiodes PD5 to PD8 to the capacitor 321.
- the overflow control transistor TF1 is connected between the drain of each transfer transistor TG1 to TG4 and the capacitor 321.
- the overflow control transistor TF2 is connected between the drain of each transfer transistor TG5 to TG8 and the capacitor 321.
- the overflow control transistors TF1 and TF2 may be MOS transistors. Overflow control voltages OFG1 and OFG2 are applied to the gates of each overflow control transistor TF1 and TF2.
- the overflow control voltages OFG1 and OFG2 may be fixed potentials. By providing the overflow control transistors TF1 and TF2, charge can be overflowed from the photodiodes PD1 to PD8 to the capacitor 321 without passing through the floating diffusions FD1 and FD2.
- cell 520 can be performed in the same way as the read operation of cell 420. At this time, cell 520 can perform the read operation according to the timing shown in Figure 23.
- FIG. 29 is a plan view showing a first example layout of a pixel according to the fifth embodiment
- FIG. 30 is a cross-sectional view showing a first example configuration of a pixel according to the fifth embodiment
- FIG. 31 is a plan view showing a second example layout of a pixel according to the fifth embodiment
- FIG. 32 is a cross-sectional view showing the second example configuration of a pixel according to the fifth embodiment.
- the difference between FIG. 29 and FIG. 31 is that a cutout is provided in the assist electrode 525.
- providing a cutout in the assist electrode 525 reduces the parasitic capacitance of FD1, thereby improving conversion efficiency.
- FIGS. 30 and 32 show example configurations cut along lines C1-C2 in FIGS. 29 and 31, respectively.
- the semiconductor substrate SUB is separated into cells 520 by pixel isolation regions ISG1.
- the pixel isolation regions ISG1 can be arranged on the boundaries of the cells 520.
- An active region AK5 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK5 is isolated by an element isolation region ISA5. Photodiodes PD1 to PD8, channel regions, and impurity diffusion layers DF41 to DF44 are formed in the active region AK5.
- Gate electrodes E41 to E48, G41 to G45, F1, F2, and an assist electrode 525 are formed on the active region AK5, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween.
- the assist electrode 525 is disposed in a position surrounded by the photodiodes PD1 to PD8.
- an opening K5 is formed in the assist electrode 525.
- the opening K5 can be disposed in the center of the assist electrode 525.
- a floating diffusion FD1 can be disposed in the opening K5.
- Gate electrode F1 can be arranged between photodiodes PD2 and PD3.
- contact CN41 can be arranged between gate electrode F1 and assist electrode 525.
- Gate electrode F2 can be arranged between photodiodes PD6 and PD7.
- contact CN44 can be arranged between gate electrodes F2 and G45.
- pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
- overflow control transistors TF1 and TF2 are added to the fifth embodiment described above. This makes it possible to control overflow from photodiodes PD1 to PD8 to capacitor 321, while also emptying the charge in floating diffusion FD1 when acquiring phase difference information. This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and also enables DCG-HDR to be achieved.
- Figure 33 is a perspective view showing an example of the stacking of a pixel array unit according to the sixth embodiment.
- the solid-state imaging device includes semiconductor chips 921 and 922.
- Semiconductor chip 922 is stacked on semiconductor chip 921.
- a pixel array section 923 is formed in the semiconductor chip 922.
- pixels 931 are arranged in a matrix in the row and column directions.
- the pixel 931 may be cell 120 of FIG. 3, pixel 220 of FIG. 10, cell 320 of FIG. 16, cell 420 of FIG. 22, or cell 520 of FIG. 28.
- Pad electrodes 932 and via electrodes 933 are formed around the periphery of the pixel array section 923.
- the via electrodes 933 pass through the semiconductor chip 922 and can electrically connect the semiconductor chips 921 and 922 to each other.
- a peripheral circuit 924 is formed on the semiconductor chip 921.
- a column readout circuit 925, a column ADC 926, a communication interface 927, and an oscillator circuit 928 are formed in the peripheral circuit 924.
- the column readout circuit 925 and the column ADC 926 may be formed so as to correspond to positions on both sides of the pixel array unit 923 in the column direction.
- the column ADC 926 can be provided with an AD conversion unit according to any of the first to eleventh embodiments described above.
- the semiconductor chips 921 and 922 may be directly bonded. Hybrid bonding can be used to directly bond the semiconductor chips 921 and 922. In this case, the semiconductor chips 921 and 922 may be electrically connected based on a Cu-Cu connection.
- the material of the semiconductor substrate used for the semiconductor chips 921 and 922 may be Si, InGaAs, or InP.
- the semiconductor chip 922 on which the pixel array section 923 is formed is stacked on the semiconductor chip 921 on which the peripheral circuit 924 is formed. This makes it possible to increase the sensitivity of the solid-state imaging device while suppressing an increase in the mounting area of the semiconductor chip on which the solid-state imaging device is formed.
- the technology according to the present disclosure can be applied to various products.
- the technology according to the present disclosure may be realized as a device mounted on any type of moving body, such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, personal mobility, an airplane, a drone, a ship, or a robot.
- Figure 34 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.
- the vehicle control system 12000 includes multiple electronic control units connected via a communication network 12001.
- the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside vehicle information detection unit 12030, an inside vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050.
- the functional configuration of the integrated control unit 12050 also includes a microcomputer 12051, an audio/video output unit 12052, and an in-vehicle network I/F (interface) 12053.
- the drivetrain control unit 12010 controls the operation of devices related to the vehicle's drivetrain in accordance with various programs.
- the drivetrain control unit 12010 functions as a control device for a driveforce generating device such as an internal combustion engine or drive motor that generates vehicle driveforce, a driveforce transmission mechanism that transmits driveforce to the wheels, a steering mechanism that adjusts the vehicle's steering angle, and a braking device that generates vehicle braking force.
- the body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs.
- the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, backup lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps.
- radio waves transmitted from a portable device that serves as a key or signals from various switches can be input to the body system control unit 12020.
- the body system control unit 12020 accepts these radio waves or signal inputs and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.
- the outside vehicle information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000.
- the outside vehicle information detection unit 12030 is connected to an imaging unit 12031.
- the outside vehicle information detection unit 12030 causes the imaging unit 12031 to capture images outside the vehicle and receives the captured images.
- the outside vehicle information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing for people, cars, obstacles, signs, characters on the road surface, etc. based on the received images.
- the imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received.
- the imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information.
- the light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.
- the in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle. Connected to the in-vehicle information detection unit 12040 is, for example, a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state.
- the driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's level of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.
- the microcomputer 12051 can calculate control target values for the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output control commands to the drive system control unit 12010.
- the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including vehicle collision avoidance or impact mitigation, following driving based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.
- ADAS Advanced Driver Assistance System
- the microcomputer 12051 controls the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the vehicle's surroundings acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, thereby enabling cooperative control aimed at autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
- the microcomputer 12051 can output control commands to the body system control unit 12020 based on information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030.
- the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the vehicle exterior information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching from high beams to low beams.
- the audio/video output unit 12052 transmits at least one audio and/or video output signal to an output device capable of visually or audibly notifying vehicle occupants or the outside of the vehicle of information.
- an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices.
- the display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.
- Figure 35 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.
- the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
- the imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 are provided, for example, on the front nose, side mirrors, rear bumper, back door, and the top of the windshield inside the vehicle cabin of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12101 provided on the front nose and the imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin mainly capture images of the front of the vehicle 12100.
- the imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors mainly capture images of the sides of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door mainly captures images of the rear of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin is mainly used to detect leading vehicles, pedestrians, obstacles, traffic lights, traffic signs, lanes, etc.
- Imaging range 12111 indicates the imaging range of imaging unit 12101 provided on the front nose
- imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively
- imaging range 12114 indicates the imaging range of imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door.
- At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may have a function for acquiring distance information.
- at least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple image capturing elements, or an image capturing element having pixels for phase difference detection.
- the microcomputer 12051 can calculate the distance to each three-dimensional object within the imaging ranges 12111 to 12114 and the change in this distance over time (relative speed with respect to the vehicle 12100), thereby extracting as a preceding vehicle, in particular, the closest three-dimensional object on the path of the vehicle 12100 that is traveling in approximately the same direction as the vehicle 12100 at a predetermined speed (e.g., 0 km/h or higher). Furthermore, the microcomputer 12051 can set the inter-vehicle distance that should be maintained in advance in front of the preceding vehicle, and perform automatic braking control (including follow-up stop control) and automatic acceleration control (including follow-up start control). In this way, cooperative control can be performed for the purpose of autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
- automatic braking control including follow-up stop control
- automatic acceleration control including follow-up start control
- the microcomputer 12051 can classify and extract three-dimensional object data regarding three-dimensional objects into categories such as motorcycles, standard vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects, and use this data for automatic obstacle avoidance. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into those that are visible to the driver of the vehicle 12100 and those that are difficult to see.
- the microcomputer 12051 determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and a collision is possible, it can provide driving assistance to avoid a collision by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by performing forced deceleration or evasive steering via the drivetrain control unit 12010.
- At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays.
- the microcomputer 12051 can recognize pedestrians by determining whether or not a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104. Such pedestrian recognition is performed, for example, by extracting feature points in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 as infrared cameras, and performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the outline of an object to determine whether or not the object is a pedestrian.
- the audio/video output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular outline on the recognized pedestrian for emphasis.
- the audio/video output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating the pedestrian in a desired position.
- the foregoing describes an example of a vehicle control system to which the technology disclosed herein can be applied.
- the technology disclosed herein can be applied to the imaging unit 12031 of the configuration described above.
- the imaging devices of the first to tenth embodiments described above can be applied to the imaging unit 12031.
- the present technology can also be configured as follows. (1) a first floating diffusion to which charges are transferred from the photoelectric conversion unit; a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion; an assist electrode that assists the transfer of charges between the first floating diffusion and the second floating diffusion. (2) The imaging device according to (1), wherein the assist electrode is disposed on the first floating diffusion. (3) The imaging device according to (1) or (2), wherein the assist electrode is disposed on the second floating diffusion. (4) a plurality of pixels sharing the first floating diffusion; a reset transistor that resets the first floating diffusion and the second floating diffusion; an amplifying transistor that outputs a signal according to the potential of the first floating diffusion; The imaging device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a selection transistor that selects an output of the amplification transistor.
- the imaging device according to (4) further comprising a switching transistor that switches the conversion efficiency of the amplifying transistor.
- the imaging device described in (5) further includes an assist control unit that increases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and decreases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when brightness information is acquired.
- the imaging device according to (5) further comprising a capacitor that stores electric charges photoelectrically converted by the pixel.
- the imaging device described in (7) further includes an assist control unit that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
- the imaging device described in (7) further comprising an assist control unit that lowers the potential of the first floating diffusion via the assist electrode and transfers charge that has overflowed into the first floating diffusion to the capacitor.
- the imaging device described in (7) further includes an assist control unit that increases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when accumulating charge in the photoelectric conversion unit, decreases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring phase difference information, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the second floating diffusion.
- the assist control unit lowers the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring a luminance signal, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
- An imaging method that controls the potential of the first floating diffusion or the second floating diffusion via an assist electrode provided on the first floating diffusion to which charges are transferred from a photoelectric conversion unit or on a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, thereby assisting the transfer of charges between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
- Imaging device 101 Optical system 102 Solid-state imaging device 103 Imaging control unit 104 Image processing unit 105 Memory unit 106 Display unit 107 Operation unit 108 Bus 111 Pixel array unit 112 Vertical scanning circuit 112A Assist control unit 113 Column readout circuit 114 Column signal processing unit 115 Horizontal scanning circuit 116 Control circuit 120 Cell PD1, PD2 Photodiode FD1, FD2 Floating diffusion TG1, TG2 Transfer transistor 121 Reset transistor 122 Amplification transistor 123 Selection transistor 124 Switching transistor 125 Assist electrode 131 Horizontal drive line 132 Vertical signal line
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
Description
本技術は、撮像装置および撮像方法に関する。詳しくは、本技術は、複数のフローティングディフュージョンが設けられた撮像装置および撮像方法に関する。 This technology relates to an imaging device and an imaging method. More specifically, this technology relates to an imaging device and an imaging method that are provided with multiple floating diffusions.
画素の変換効率を切り替えてHDR(High Dynamic Range)を実現するために、複数のフローティングディフュージョンが画素に設けられることがある。例えば、第1~第4のサブピクセルを含む画素のうちの1つの画素に含まれる半分以下の受光素子の行ドライバ活性化信号に応答してオートフォーカス信号を生成する撮像装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In order to achieve HDR (High Dynamic Range) by switching the pixel's conversion efficiency, multiple floating diffusions may be provided in a pixel. For example, an imaging device has been disclosed that generates an autofocus signal in response to a row driver activation signal for half or less of the light-receiving elements included in one pixel that includes first to fourth subpixels (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述の従来技術では、フローティングディフュージョン間での電荷の転送効率を十分に確保できないことがあり、フローティングディフュージョンを介した信号の転送が困難になるおそれがあった。 However, with the above-mentioned conventional technology, it is sometimes not possible to ensure sufficient charge transfer efficiency between floating diffusions, which can make it difficult to transfer signals via the floating diffusions.
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、フローティングディフュージョン間での電荷の転送効率を向上させることを目的とする。 This technology was developed in light of these circumstances, and aims to improve the efficiency of charge transfer between floating diffusions.
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、光電変換部から電荷が転送される第1フローティングディフュージョンと、前記第1フローティングディフュージョンに接続可能な第2フローティングディフュージョンと、前記第1フローティングディフュージョンと前記第2フローティングディフュージョンとの間の電荷の転送をアシストするアシスト電極とを備える撮像装置である。これにより、第1フローティングディフュージョンと第2フローティングディフュージョンとの間での電荷の転送が効率化されるという作用をもたらす。 This technology has been developed to solve the above-mentioned problems, and its first aspect is an imaging device that includes a first floating diffusion to which charge is transferred from a photoelectric conversion unit, a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, and an assist electrode that assists the transfer of charge between the first floating diffusion and the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
また、第1の側面において、前記アシスト電極は、前記第1フローティングディフュージョン上に配置されてもよい。これにより、第1フローティングディフュージョンを介した電荷の転送が効率化されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the assist electrode may be disposed on the first floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer via the first floating diffusion.
また、第1の側面において、前記アシスト電極は、前記第2フローティングディフュージョン上に配置されてもよい。これにより、第2フローティングディフュージョンを介した電荷の転送が効率化されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the assist electrode may be disposed on the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer via the second floating diffusion.
また、第1の側面において、前記第1フローティングディフュージョンを共有する複数の画素と、前記第1フローティングディフュージョンおよび前記第2フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタと、前記第1フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、前記増幅トランジスタの出力を選択する選択トランジスタとをさらに備えてもよい。これにより、画素トランジスタを共有しつつ、複数の画素から信号が読出されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the device may further comprise a plurality of pixels sharing the first floating diffusion, a reset transistor that resets the first floating diffusion and the second floating diffusion, an amplification transistor that outputs a signal according to the potential of the first floating diffusion, and a selection transistor that selects the output of the amplification transistor. This provides the effect of allowing signals to be read out from a plurality of pixels while sharing pixel transistors.
また、第1の側面において、前記増幅トランジスタにおける変換効率を切り替える切替トランジスタをさらに備えてもよい。これにより、DCG(Dual Conversion Gain)-HDRが実現されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, a switching transistor may be further provided that switches the conversion efficiency of the amplifying transistor. This brings about the effect of realizing DCG (Dual Conversion Gain)-HDR.
また、第1の側面において、位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、輝度情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を降圧するアシスト制御部をさらに備えてもよい。これにより、変換効率を低下させて位相差情報の取得を可能としつつ、第2フローティングディフュージョンから第1フローティングディフュージョンに電荷が転送可能となるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, an assist control unit may be provided that increases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and decreases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when luminance information is acquired. This reduces conversion efficiency, enabling the acquisition of phase difference information, while enabling charge to be transferred from the second floating diffusion to the first floating diffusion.
また、第1の側面において、前記画素で光電変換された電荷を蓄積するキャパシタをさらに備えてもよい。これにより、光電変換部から転送された電荷が保持されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, a capacitor may be provided for storing the charge photoelectrically converted by the pixel. This has the effect of holding the charge transferred from the photoelectric conversion unit.
また、第1の側面において、フレームを分割したサブフレームごとに前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記キャパシタに転送するアシスト制御部をさらに備えてもよい。これにより、サブフレームごとに蓄積された電荷がフレームごとにキャパシタから読出し可能になるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, an assist control unit may be provided that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of making it possible to read out the charge accumulated for each subframe from the capacitor for each frame.
また、第1の側面において、前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷を前記キャパシタに転送するアシスト制御部をさらに備えてもよい。これにより、第1フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷がキャパシタに保持されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the device may further include an assist control unit that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode and transfers the charge that has overflowed into the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of causing the charge that has overflowed into the first floating diffusion to be held in the capacitor.
また、第1の側面において、前記光電変換部の電荷の蓄積時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記第2フローティングディフュージョンに転送するアシスト制御部をさらに備えてもよい。これにより、光電変換部からオーバーフローした電荷を保持しつつ、第1フローティングディフュージョンの電荷を空にしてから光電変換部から第1フローティングディフュージョンに電荷が転送されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, an assist control unit may be provided that increases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, and decreases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the second floating diffusion. This provides the effect of retaining charge that has overflowed from the photoelectric conversion unit, emptying the first floating diffusion of charge, and then transferring charge from the photoelectric conversion unit to the first floating diffusion.
また、第1の側面において、前記アシスト制御部は、輝度信号の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記キャパシタに転送してもよい。これにより、第2フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷がキャパシタに保持されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the assist control unit may lower the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring a luminance signal, and transfer the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor. This has the effect of causing the charge that has overflowed to the second floating diffusion to be held in the capacitor.
また、第1の側面において、前記画素はクワッドベイヤ配列でもよい。これにより、カラー画像の高解像度化を図りつつ、HDRが実現されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, the pixels may be arranged in a quad-Bayer array. This has the effect of achieving HDR while increasing the resolution of color images.
また、第1の側面において、前記画素から前記キャパシタへのオーバーフローを制御するオーバーフロー制御トランジスタをさらに備えてもよい。これにより、第1フローティングディフュージョンおよび第2フローティングディフュージョンを介することなく、画素からオーバーフローした電荷が保持されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the first aspect, an overflow control transistor may be further provided that controls overflow from the pixel to the capacitor. This has the effect of retaining charge that overflows from the pixel without passing through the first floating diffusion and the second floating diffusion.
また、第2の側面は、光電変換部から電荷が転送される第1フローティングディフュージョン上または前記第1フローティングディフュージョンに接続可能な第2フローティングディフュージョン上に設けられたアシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンまたは前記第2フローティングディフュージョンの電位を制御し、前記第1フローティングディフュージョンと前記第2フローティングディフュージョンとの間の電荷の転送をアシストする撮像方法である。これにより、第1フローティングディフュージョンと第2フローティングディフュージョンとの間での電荷の転送が効率化されるという作用をもたらす。 The second aspect is an imaging method that controls the potential of the first floating diffusion or the second floating diffusion via an assist electrode provided on the first floating diffusion to which charge is transferred from a photoelectric conversion unit or on a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, thereby assisting the transfer of charge between the first floating diffusion and the second floating diffusion. This has the effect of improving the efficiency of charge transfer between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
また、第2の側面において、前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、電荷を電圧に変換する変換効率の低下時に位相差情報に用いられる画素信号を前記画素から読出し、前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を降圧して前記第2フローティングディフュージョンから前記第1フローティングディフュージョンに電荷を転送し、前記変換効率の上昇時に輝度情報に用いられる画素信号を前記第1フローティングディフュージョンから読出してもよい。これにより、変換効率を低下させて位相差情報の取得を可能としつつ、第2フローティングディフュージョンから第1フローティングディフュージョンに電荷が転送可能となるという作用をもたらす。 Furthermore, in the second aspect, the potential of the second floating diffusion may be increased via the assist electrode, and a pixel signal used for phase difference information may be read from the pixel when the conversion efficiency of converting charge to voltage is reduced; the potential of the second floating diffusion may be decreased via the assist electrode, and charge may be transferred from the second floating diffusion to the first floating diffusion; and a pixel signal used for luminance information may be read from the first floating diffusion when the conversion efficiency is increased. This provides the effect of enabling charge to be transferred from the second floating diffusion to the first floating diffusion while reducing the conversion efficiency and enabling the acquisition of phase difference information.
また、第2の側面において、フレームを分割したサブフレームごとに前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷をキャパシタに転送し、前記キャパシタに転送された電荷を前記フレームごとに読出してもよい。これにより、サブフレームごとに蓄積された電荷がキャパシタからフレームごとに読出し可能になるという作用をもたらす。 Furthermore, in the second aspect, the potential of the first floating diffusion may be lowered via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, the charge accumulated in the first floating diffusion may be transferred to a capacitor, and the charge transferred to the capacitor may be read out for each frame. This brings about the effect that the charge accumulated for each subframe can be read out from the capacitor for each frame.
また、第2の側面において、前記光電変換部の電荷の蓄積時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記第2フローティングディフュージョンに転送してもよい。これにより、第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷が第2フローティングディフュージョンに保持されるという作用をもたらす。 Furthermore, in the second aspect, the potential of the first floating diffusion may be increased via the assist electrode when charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, and the potential of the first floating diffusion may be decreased via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the charge accumulated in the first floating diffusion may be transferred to the second floating diffusion. This results in the effect that the charge accumulated in the first floating diffusion is held in the second floating diffusion.
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.第1の実施の形態(フローティングディフュージョンのポテンシャルを制御するアシスト電極を設け、位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を昇圧し、輝度情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を降圧する例)
2.第2の実施の形態(フレームを分割したサブフレームごとにアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を降圧し、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷をキャパシタに転送する例)
3.第3の実施の形態(位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を降圧し、フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷をキャパシタに転送する例)
4.第4の実施の形態(フォトダイオードの電荷蓄積時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を昇圧し、位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を降圧し、フローティングディフュージョン間で電荷を転送する例)
5.第5の実施の形態(フォトダイオードの電荷蓄積時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を昇圧し、位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンの電位を降圧し、フローティングディフュージョン間で電荷を転送するとともに、オーバーフローを制御するオーバーフロー制御トランジスタを設けた例)
6.第6の実施の形態(画素アレイ部を積層した例)
7.移動体への応用例
Hereinafter, modes for carrying out the present technology (hereinafter referred to as embodiments) will be described in the following order.
1. First embodiment (an example in which an assist electrode is provided to control the potential of the floating diffusion, and the potential of the floating diffusion is increased via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the potential of the floating diffusion is decreased via the assist electrode when luminance information is acquired)
2. Second embodiment (an example in which the potential of the floating diffusion is lowered via an assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and the charge accumulated in the floating diffusion is transferred to a capacitor)
3. Third embodiment (example in which the potential of the floating diffusion is lowered via the assist electrode when phase difference information is acquired, and the charge overflowing into the floating diffusion is transferred to the capacitor)
4. Fourth embodiment (example in which the potential of the floating diffusion is increased via the assist electrode when charge is accumulated in the photodiode, and the potential of the floating diffusion is decreased via the assist electrode when phase difference information is acquired, and charge is transferred between the floating diffusions)
5. Fifth embodiment (an example in which the potential of the floating diffusion is increased via the assist electrode when charge is accumulated in the photodiode, the potential of the floating diffusion is decreased via the assist electrode when phase difference information is acquired, charge is transferred between the floating diffusions, and an overflow control transistor is provided to control overflow)
6. Sixth embodiment (example in which pixel array sections are stacked)
7. Mobile application examples
<1.第1の実施の形態>
図1は、第1の実施の形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。
1. First embodiment
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an imaging apparatus according to the first embodiment.
同図において、撮像装置100は、光学系101、固体撮像装置102、撮像制御部103、画像処理部104、記憶部105、表示部106および操作部107を備える。また、撮像装置100は、駆動制御部109を備える。撮像制御部103、画像処理部104、記憶部105、表示部106、操作部107および駆動制御部109は、バス108を介して互いに接続されている。なお、撮像装置100は、単体としても用いられてもよいし、スマートフォンなどの携帯端末に組み込まれてもよいし、認証装置や監視装置に組み込まれてもよいし、車両やドローンに組み込まれてもよい。 In the figure, the imaging device 100 includes an optical system 101, a solid-state imaging device 102, an imaging control unit 103, an image processing unit 104, a memory unit 105, a display unit 106, and an operation unit 107. The imaging device 100 also includes a drive control unit 109. The imaging control unit 103, the image processing unit 104, the memory unit 105, the display unit 106, the operation unit 107, and the drive control unit 109 are connected to one another via a bus 108. The imaging device 100 may be used standalone, or may be incorporated into a mobile terminal such as a smartphone, an authentication device or a monitoring device, or a vehicle or drone.
光学系101は、被写体からの光を固体撮像装置102に入射させ、光学像を固体撮像装置102の受光面に結像させる。光学系101は、例えば、フォーカスレンズ、ズームレンズおよび絞りなどを備えることができる。光学系101は、広角レンズ、標準レンズおよび望遠レンズなどの複数のレンズを備えてもよい。 The optical system 101 allows light from a subject to be incident on the solid-state imaging device 102, and forms an optical image on the light-receiving surface of the solid-state imaging device 102. The optical system 101 may include, for example, a focus lens, a zoom lens, and an aperture. The optical system 101 may also include multiple lenses, such as a wide-angle lens, a standard lens, and a telephoto lens.
固体撮像装置102は、受光面に結像された光学像を画素ごとに電気信号に変換し、その電気信号をデジタル化して出力する。このとき、固体撮像装置102は、画素の変換効率を切り替えてHDRを実施することができる。また、固体撮像装置102は、画素から電荷が転送される複数のフローティングディフュージョンを備えることができる。また、固体撮像装置102は、位相差情報を取得可能な複数の画素をカラムごとに備えてもよい。また、固体撮像装置102は、位相差情報の取得に用いた複数の画素から輝度情報を取得してもよい。固体撮像装置102は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサである。CMOSイメージセンサは、裏面照射型イメージセンサでもよいし、表面照射型イメージセンサでもよい。 The solid-state imaging device 102 converts the optical image formed on the light-receiving surface into an electrical signal for each pixel, digitizes the electrical signal, and outputs it. At this time, the solid-state imaging device 102 can perform HDR by switching the conversion efficiency of the pixels. The solid-state imaging device 102 can also include multiple floating diffusions to which charges are transferred from the pixels. The solid-state imaging device 102 may also include multiple pixels per column that can acquire phase difference information. The solid-state imaging device 102 may also acquire luminance information from the multiple pixels used to acquire the phase difference information. The solid-state imaging device 102 is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor. The CMOS image sensor may be a back-illuminated image sensor or a front-illuminated image sensor.
撮像制御部103は、操作部107からの指令に基づいて固体撮像装置102による撮像を制御する。このとき、撮像制御部103は、固体撮像装置102の露光時間、露光量および撮像タイミングなどを制御することができる。 The imaging control unit 103 controls imaging by the solid-state imaging device 102 based on commands from the operation unit 107. At this time, the imaging control unit 103 can control the exposure time, exposure amount, imaging timing, etc. of the solid-state imaging device 102.
画像処理部104は、固体撮像装置102からの出力に基づいて画像処理を実施する。画像処理は、例えば、ガンマ補正、ホワイトバランス処理、シャープネス処理、階調変換処理である。画像処理部104は、ソフトウェアに基づいて処理を実行するプロセッサを備えてもよい。画像処理部104は、HDR処理部104Aを備える。 The image processing unit 104 performs image processing based on the output from the solid-state imaging device 102. Image processing includes, for example, gamma correction, white balance processing, sharpness processing, and tone conversion processing. The image processing unit 104 may include a processor that executes processing based on software. The image processing unit 104 includes an HDR processing unit 104A.
HDR処理部104Aは、固体撮像装置102から読出された画素信号に基づいて、HDR処理を実施する。例えば、HDR処理部104Aは、固体撮像装置102から低変換効率で読出された画素信号と、固体撮像装置102から高変換効率で読出された画素信号との合成に基づいてHDR画像を生成することができる。 HDR processing unit 104A performs HDR processing based on pixel signals read out from solid-state imaging device 102. For example, HDR processing unit 104A can generate an HDR image based on a combination of pixel signals read out from solid-state imaging device 102 with low conversion efficiency and pixel signals read out from solid-state imaging device 102 with high conversion efficiency.
記憶部105は、固体撮像装置102で撮像された撮像画像を記憶したり、固体撮像装置102の撮像パラメータなどを記憶したりする。また、記憶部105は、ソフトウェアに基づいて撮像装置100を動作させるプログラムを記憶することができる。記憶部105は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)およびメモリカードを含んでもよい。 The storage unit 105 stores images captured by the solid-state imaging device 102, as well as imaging parameters of the solid-state imaging device 102. The storage unit 105 can also store programs that operate the imaging device 100 based on software. The storage unit 105 may include ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and a memory card.
表示部106は、撮像画像を表示したり、撮像操作をサポートする各種情報を表示したりする。表示部106は、液晶ディスプレイでもよいし、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイでもよいし、マイクロLEDディスプレイでもよい。 The display unit 106 displays captured images and various information that supports the capture operation. The display unit 106 may be a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, or a micro LED display.
操作部107は、撮像装置100を操作するユーザインターフェースを提供する。操作部107は、例えば、撮像装置100に設けられたボタン、ダイヤルおよびスイッチを含んでもよい。操作部107は、表示部106とともにタッチパネルで構成してもよい。 The operation unit 107 provides a user interface for operating the imaging device 100. The operation unit 107 may include, for example, buttons, dials, and switches provided on the imaging device 100. The operation unit 107 may also be configured as a touch panel together with the display unit 106.
駆動制御部109は、固体撮像装置102から読出された画素信号および操作部107で操作された操作情報に基づいて光学系101の駆動を制御する。例えば、駆動制御部109は、固体撮像装置102から読出された画素信号に基づいて位相差情報を取得し、その位相差情報に基づいてオートフォーカスを制御することができる。また、駆動制御部109は、操作部107で操作された操作情報に基づいて、マニュアルフォーカスを実施したり、ズーム倍率を制御したりすることができる。 The drive control unit 109 controls the drive of the optical system 101 based on pixel signals read out from the solid-state imaging device 102 and operation information operated by the operation unit 107. For example, the drive control unit 109 can obtain phase difference information based on pixel signals read out from the solid-state imaging device 102, and control autofocus based on the phase difference information. The drive control unit 109 can also perform manual focus and control zoom magnification based on operation information operated by the operation unit 107.
なお、撮像装置100の形態によっては、上述の機能の一部がなくてよいし、逆に開示していない機能をさらに有してもよい。 Depending on the configuration of the imaging device 100, some of the above functions may not be present, or conversely, it may have additional functions that are not disclosed.
図2は、第1の実施の形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing an example configuration of a solid-state imaging device according to the first embodiment.
同図において、固体撮像装置102は、画素アレイ部111、垂直走査回路112、カラム読出し回路113、カラム信号処理部114、水平走査回路115および制御回路116を備える。 In the figure, the solid-state imaging device 102 includes a pixel array section 111, a vertical scanning circuit 112, a column readout circuit 113, a column signal processing section 114, a horizontal scanning circuit 115, and a control circuit 116.
画素アレイ部111は、複数のセル120を備える。セル120は、ロウ方向(水平方向とも言う)およびカラム方向(垂直方向とも言う)に沿ってマトリックス状に配列される。セル120は、1つのフローティングディフージョンで2画素を共有してもよいし、1つのフローティングディフージョンで4画素を共有してもよいし、1つのフローティングディフージョンで8画素を共有してもよいし、単一画素で構成されてもよい。また、セル120に含まれる複数の画素を位相差画素として用いてもよい。また、セル120は、画素から転送された電荷を蓄積するキャパシタを備えてもよい。キャパシタは、MIM(Metal Insulation Metal)容量を用いてもよい。セル120は、信号の読出し時にカラム読出し回路113との間でソースフォロワを構成することができる。各セル120は、ロウ方向に水平駆動線131に接続され、カラム方向に垂直信号線132に接続される。水平駆動線131は、各セル120からの信号の読出し時に各セル120を水平に駆動する。垂直信号線132は、セル120からの信号読出し時に流れる電流に基づく電位を垂直にカラム信号処理部114に伝送する。 The pixel array section 111 includes a plurality of cells 120. The cells 120 are arranged in a matrix along the row direction (also referred to as the horizontal direction) and the column direction (also referred to as the vertical direction). A cell 120 may share two pixels with one floating diffusion, four pixels with one floating diffusion, eight pixels with one floating diffusion, or may be composed of a single pixel. Multiple pixels included in a cell 120 may be used as phase difference pixels. A cell 120 may also include a capacitor that stores charge transferred from the pixel. The capacitor may be an MIM (Metal Insulation Metal) capacitor. A cell 120 can form a source follower with the column readout circuit 113 when reading out a signal. Each cell 120 is connected to a horizontal drive line 131 in the row direction and to a vertical signal line 132 in the column direction. The horizontal drive line 131 drives each cell 120 horizontally when reading out a signal from the cell 120. The vertical signal line 132 vertically transmits a potential based on the current that flows when a signal is read from the cell 120 to the column signal processing unit 114.
セル120に含まれる各画素は、ベイヤ配列を構成してもよいし、クワッドベイヤ配列を構成してもよい。各セル120に含まれる各画素で受光される光は、可視光であってもよいし、近赤外光(NIR:Near InfraRed)、短波赤外光(SWIR:Short Wavelength InfraRed)、紫外光またはX線などでもよい。 The pixels included in the cell 120 may be arranged in a Bayer array or a quad-Bayer array. The light received by each pixel included in each cell 120 may be visible light, near-infrared light (NIR: Near Infrared), short-wave infrared light (SWIR: Short Wavelength Infrared), ultraviolet light, or X-rays.
垂直走査回路112は、読出し対象となるセル120に含まれる各画素を垂直に走査する。垂直走査回路112は、垂直レジスタを用いて構成してもよい。垂直走査回路112は、アドレスデコーダを含んでもよいし、アドレスデコーダを介して選択された水平駆動線131をロウごとに駆動するドライバを含んでもよい。垂直走査回路112は、アシスト制御部112Aを備える。 The vertical scanning circuit 112 vertically scans each pixel included in the cell 120 to be read. The vertical scanning circuit 112 may be configured using a vertical register. The vertical scanning circuit 112 may include an address decoder, or may include a driver that drives the horizontal drive lines 131 selected via the address decoder for each row. The vertical scanning circuit 112 includes an assist control unit 112A.
アシスト制御部112Aは、セル120に含まれる複数のフローティングディフュージョン間の電荷の転送をアシストする。ここで、アシスト制御部112Aは、複数のフローティングディフュージョン間の電荷の転送をアシストするために、各セル120のフローティングディフュージョンのポテンシャルを制御することができる。例えば、アシスト制御部112Aは、各セル120のフローティングディフュージョン間にポテンシャル勾配を形成することができる。 The assist control unit 112A assists in the transfer of charge between the multiple floating diffusions included in the cell 120. Here, the assist control unit 112A can control the potential of the floating diffusion of each cell 120 to assist in the transfer of charge between the multiple floating diffusions. For example, the assist control unit 112A can form a potential gradient between the floating diffusions of each cell 120.
カラム読出し回路113は、セル120からの信号の読出し時に、各セル120との間でソースフォロワを構成することができる。このとき、カラム読出し回路113は、セル120に保持された電荷に基づいて垂直信号線132の電位を変化させることができる。 When reading out a signal from a cell 120, the column readout circuit 113 can form a source follower with each cell 120. At this time, the column readout circuit 113 can change the potential of the vertical signal line 132 based on the charge held in the cell 120.
カラム信号処理部114は、セル120から垂直方向に伝送された信号を処理する。例えば、カラム信号処理部114は、セル120から垂直方向に伝送された信号に基づいて、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)処理を実施することができる。また、カラム信号処理部114は、各セル120から垂直方向に伝送された信号に基づいて、AD(Analog to Digital)変換処理を実施し、撮像信号Goutを出力することができる。 The column signal processing unit 114 processes signals transmitted vertically from the cells 120. For example, the column signal processing unit 114 can perform correlated double sampling (CDS) processing based on the signals transmitted vertically from the cells 120. The column signal processing unit 114 can also perform AD (Analog to Digital) conversion processing based on the signals transmitted vertically from each cell 120, and output the imaging signal Gout.
カラム信号処理部114は、カラムADC部114Aを備える。カラムADC部114Aは、AD変換処理をカラムごとに並列に実施することができる。このとき、カラムADC部114Aは、セル120から読出された画素信号と参照信号との比較結果に基づいてカラムごとにAD変換することができる。 The column signal processing unit 114 includes a column ADC unit 114A. The column ADC unit 114A can perform AD conversion processing in parallel for each column. At this time, the column ADC unit 114A can perform AD conversion for each column based on the results of comparing the pixel signal read from the cell 120 with a reference signal.
水平走査回路115は、読出し対象となるセル120に含まれる各画素をロウ方向に走査する。水平走査回路115は、水平レジスタを用いて構成してもよい。 The horizontal scanning circuit 115 scans each pixel included in the cell 120 to be read in the row direction. The horizontal scanning circuit 115 may be configured using a horizontal register.
制御回路116は、垂直走査回路112、カラム読出し回路113、カラム信号処理部114および水平走査回路115を制御する。例えば、制御回路116は、カラム方向の走査タイミング、ロウ方向の走査タイミング、カラム読出し回路113の動作タイミングおよびカラム信号処理部114の処理タイミングを制御することができる。このとき、制御回路116は、各フレームにおいて、蓄積動作、シャッタ動作およびリード動作がロウごとに実施されるように、垂直走査回路112、カラム読出し回路113、カラム信号処理部114および水平走査回路115を連携させることができる。 The control circuit 116 controls the vertical scanning circuit 112, column readout circuit 113, column signal processing unit 114, and horizontal scanning circuit 115. For example, the control circuit 116 can control the scanning timing in the column direction, the scanning timing in the row direction, the operation timing of the column readout circuit 113, and the processing timing of the column signal processing unit 114. In this case, the control circuit 116 can coordinate the vertical scanning circuit 112, column readout circuit 113, column signal processing unit 114, and horizontal scanning circuit 115 so that the accumulation operation, shutter operation, and read operation are performed for each row in each frame.
図3は、第1の実施の形態に係る固体撮像装置に設けられたセルの回路構成例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the first embodiment.
同図において、セル120は、フォトダイオードPD1、PD2、転送トランジスタTG1、TG2、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123、切替トランジスタ124、アシスト電極125およびフローティングディフュージョンFD1、FD2を備える。転送トランジスタTG1、TG2、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123および切替トランジスタ124は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタでもよい。 In the same figure, cell 120 includes photodiodes PD1 and PD2, transfer transistors TG1 and TG2, reset transistor 121, amplification transistor 122, selection transistor 123, switching transistor 124, assist electrode 125, and floating diffusions FD1 and FD2. The transfer transistors TG1 and TG2, reset transistor 121, amplification transistor 122, selection transistor 123, and switching transistor 124 may be MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors.
各フォトダイオードPD1、PD2は、光電変換を実施し、光電変換した電荷を蓄積する。このとき、フォトダイオードPD1、PD2は、位相差情報の取得に用いたり、輝度情報の取得に用いたりすることができる。各フォトダイオードPD1、PD2は、画素を構成することができる。各転送トランジスタTG1、TG2は、各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFD1に転送する。リセットトランジスタ121は、フローティングディフュージョンFD1、FD2をリセットする。このとき、フローティングディフュージョンFD2は、リセットトランジスタ121と切替トランジスタ124との間に設けることができる。増幅トランジスタ122は、フローティングディフュージョンFD1の電位に応じた信号を出力する。選択トランジスタ123は、増幅トランジスタ122の出力を選択する。切替トランジスタ124は、増幅トランジスタ122における変換効率を切り替える。このとき、切替トランジスタ124は、増幅トランジスタ122のゲートに付加される容量を切り替えることができる。アシスト電極125は、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストする。アシスト電極125は、フローティングディフュージョンFD2上に配置することができる。このとき、アシスト電極125は、フローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御することができる。 Each photodiode PD1, PD2 performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge. At this time, the photodiodes PD1, PD2 can be used to acquire phase difference information or brightness information. Each photodiode PD1, PD2 can constitute a pixel. Each transfer transistor TG1, TG2 transfers the charge accumulated in each photodiode PD1, PD2 to the floating diffusion FD1. The reset transistor 121 resets the floating diffusions FD1, FD2. At this time, the floating diffusion FD2 can be provided between the reset transistor 121 and the switching transistor 124. The amplification transistor 122 outputs a signal according to the potential of the floating diffusion FD1. The selection transistor 123 selects the output of the amplification transistor 122. The switching transistor 124 switches the conversion efficiency of the amplification transistor 122. At this time, the switching transistor 124 can switch the capacitance added to the gate of the amplification transistor 122. The assist electrode 125 assists in the transfer of charges between the floating diffusions FD1 and FD2. The assist electrode 125 can be placed on the floating diffusion FD2. In this case, the assist electrode 125 can control the potential of the floating diffusion FD2.
各転送トランジスタTG1、TG2は、各フォトダイオードPD1、PD2のカソードとフローティングディフュージョンFD1との間に接続される。このとき、フローティングディフュージョンFD1は、フォトダイオードPD1、PD2にて共有される。増幅トランジスタ122と選択トランジスタ123とは、直列に接続されている。増幅トランジスタ122のドレインは、電源電圧VDDに接続されている。増幅トランジスタ122のゲートは、フローティングディフュージョンFD1に接続されている。選択トランジスタ123のソースは、垂直信号線132に接続されている。 Each transfer transistor TG1, TG2 is connected between the cathode of each photodiode PD1, PD2 and the floating diffusion FD1. In this case, the floating diffusion FD1 is shared by the photodiodes PD1 and PD2. The amplification transistor 122 and selection transistor 123 are connected in series. The drain of the amplification transistor 122 is connected to the power supply voltage VDD. The gate of the amplification transistor 122 is connected to the floating diffusion FD1. The source of the selection transistor 123 is connected to the vertical signal line 132.
切替トランジスタ124は、フローティングディフュージョンFD1、FD2の間に接続されている。リセットトランジスタ121は、フローティングディフュージョンFD2と電源電圧VDDとの間に接続されている。 The switching transistor 124 is connected between the floating diffusions FD1 and FD2. The reset transistor 121 is connected between the floating diffusion FD2 and the power supply voltage VDD.
各転送トランジスタTG1、TG2のゲートには、転送信号TGL1、TGL2が印加される。リセットトランジスタ121ゲートには、リセット信号RSTが印加される。選択トランジスタ123のゲートには、選択信号SELが印加される。切替トランジスタ124のゲートには、切替信号FDGが印加される。アシスト電極125には、アシスト信号AST1が印加される。転送信号TGL1、TGL2、リセット信号RST、選択信号SEL、切替信号FDGおよびアシスト信号AST1は、水平駆動線131を介してセル120に伝送することができる。 Transfer signals TGL1 and TGL2 are applied to the gates of the transfer transistors TG1 and TG2. A reset signal RST is applied to the gate of the reset transistor 121. A selection signal SEL is applied to the gate of the selection transistor 123. A switching signal FDG is applied to the gate of the switching transistor 124. An assist signal AST1 is applied to the assist electrode 125. The transfer signals TGL1 and TGL2, the reset signal RST, the selection signal SEL, the switching signal FDG, and the assist signal AST1 can be transmitted to the cell 120 via the horizontal drive line 131.
図4は、第1の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 4 is a timing chart showing an example of a readout operation of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
同図において、この信号読出し処理では、高変換効率P相読出し期間T1、低変換効率P相読出し期間T2、低変換効率第1D相読出し期間T3、低変換効率第2D相読出し期間T4および高変換効率D相読出し期間T5が設けられる。アシスト制御部112Aは、これらの期間T1からT5で設定されるタイミングに基づいて、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストすることができる。高変換効率P相読出し期間T1および低変換効率P相読出し期間T2は、高変換効率および低変換効率のそれぞれについてCDS処理に用いるリセット信号を取得することができる。低変換効率第1D相読出し期間T3および低変換効率第2D相読出し期間T4は、オートフォーカスに用いる位相差情報を取得することができる。高変換効率D相読出し期間T5は、撮像画像に用いる輝度情報を取得することができる。なお、P相はリセットレベルをAD変換する期間、D相はリセットレベル+画素信号をAD変換する期間である。 In the figure, this signal readout process includes a high conversion efficiency P-phase readout period T1, a low conversion efficiency P-phase readout period T2, a low conversion efficiency first D-phase readout period T3, a low conversion efficiency second D-phase readout period T4, and a high conversion efficiency D-phase readout period T5. The assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set by these periods T1 to T5. The high conversion efficiency P-phase readout period T1 and the low conversion efficiency P-phase readout period T2 can acquire reset signals used in CDS processing for high and low conversion efficiencies, respectively. The low conversion efficiency first D-phase readout period T3 and the low conversion efficiency second D-phase readout period T4 can acquire phase difference information used for autofocus. The high conversion efficiency D-phase readout period T5 can acquire brightness information used for captured images. Note that the P phase is the period during which the reset level is AD converted, and the D phase is the period during which the reset level + pixel signal is AD converted.
高変換効率P相読出し期間T1前では、リセット信号RSTが立ち上がり、リセットトランジスタ121がオンしてフローティングディフュージョンFD1がリセットされる。その後、リセット信号RSTが立ち下がり、リセットトランジスタ121がオフする。また、高変換効率P相読出し期間T1前では、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンしてセル120の変換効率は低変換効率に設定される。さらに、高変換効率P相読出し期間T1前では、アシスト信号AST1が立ち上がり、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルが低下される。 Before the high conversion efficiency P-phase read period T1, the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusion FD1. Thereafter, the reset signal RST falls and the reset transistor 121 turns off. Also, before the high conversion efficiency P-phase read period T1, the switch signal FDG rises, turning on the switch transistor 124 and setting the conversion efficiency of the cell 120 to low conversion efficiency. Furthermore, before the high conversion efficiency P-phase read period T1, the assist signal AST1 rises and the potential of the floating diffusion FD2 is lowered via the assist electrode 125.
次に、高変換効率P相読出し期間T1では、切替信号FDGがロウレベルに設定される。このとき、切替トランジスタ124がオフし、セル120の変換効率は高変換効率に設定される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された高変換効率P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency P-phase read period T1, the switching signal FDG is set to a low level. At this time, the switching transistor 124 is turned off, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to high conversion efficiency. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
次に、低変換効率P相読出し期間T2では、切替信号FDGがハイレベルに設定される。このとき、切替トランジスタ124がオンし、セル120の変換効率は低変換効率に設定される。ここで、切替トランジスタ124がオンすると、フローティングディフュージョンFD1、FD2が接続される。そして、フローティングディフュージョンFD1、FD2の低変換効率P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、低変換効率P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された低変換効率P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the low conversion efficiency P-phase read period T2, the switching signal FDG is set to a high level. At this time, the switching transistor 124 is turned on, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to a low conversion efficiency. When the switching transistor 124 is turned on, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency P-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency P-phase level, and the low conversion efficiency P-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
次に、低変換効率第1D相読出し期間T3では、転送信号TGL1が立ち上がり、転送トランジスタTG1がオンしてフォトダイオードPD1に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。その後、転送信号TGL1が立ち下がり、転送トランジスタTG1がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2の低変換効率第1D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、低変換効率第1D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された低変換効率第1D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the low conversion efficiency first D-phase readout period T3, the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2. After that, the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency first D-phase level, and the low conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
次に、低変換効率第2D相読出し期間T4では、転送信号TGL1、TGL2が立ち上がり、転送トランジスタTG1、TG2がオンして各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。その後、転送信号TGL1、TGL2が立ち下がり、転送トランジスタTG1、TG2がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2の低変換効率第2D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、低変換効率第2D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された低変換効率第2D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the low conversion efficiency second D-phase readout period T4, the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusions FD1 and FD2. Then, the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the low conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusions FD1 and FD2 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the low conversion efficiency second D-phase level, and the low conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
その後、アシスト信号AST1が立ち下がり、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルが上昇される。また、切替信号FDGがロウレベルに設定される。このとき、切替トランジスタ124がオフし、セル120の変換効率は高変換効率に設定される。ここで、切替信号FDGが立ち下がる前に、フローティングディフュージョンFD2のポテンシャルが上昇されると、フローティングディフュージョンFD2からフローティングディフュージョンFD1へのポテンシャル勾配が形成される。そして、フローティングディフュージョンFD2に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。なお、フローティングディフュージョンFD2からフローティングディフュージョンFD1への転送を効率化するために、切替信号FDGを段階的に立ち下げてもよい。 Then, the assist signal AST1 falls, and the potential of the floating diffusion FD2 rises via the assist electrode 125. The switching signal FDG is set to a low level. At this time, the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 120 is set to high conversion efficiency. If the potential of the floating diffusion FD2 rises before the switching signal FDG falls, a potential gradient is formed from the floating diffusion FD2 to the floating diffusion FD1. The charge stored in the floating diffusion FD2 is then transferred to the floating diffusion FD1. The switching signal FDG may be gradually lowered to improve the efficiency of the transfer from the floating diffusion FD2 to the floating diffusion FD1.
次に、高変換効率D相読出し期間T5では、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された高変換効率D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency D-phase read period T5, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency D-phase level, and the high conversion efficiency D-phase level read from the cell 120 is AD converted for each column.
図5は、第1の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し期間のポテンシャルの一例を示す図である。なお、図5におけるaからeでは、図4のP1からP5のタイミングのポテンシャルの一例を示した。また、図5におけるaからeでは、フォトダイオードPD1、転送トランジスタTG1およびフローティングディフュージョンFD1、FD2のポテンシャルの一例を示した。 FIG. 5 is a diagram showing an example of potentials during a readout period of the solid-state imaging device according to the first embodiment. Note that a to e in FIG. 5 show an example of potentials at timings P1 to P5 in FIG. 4. Also, a to e in FIG. 5 show an example of potentials of the photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
同図におけるaにおいて、図4のタイミングP1では、転送トランジスタTG1および切替トランジスタ124はオフされる。このとき、フォトダイオードPD1にて光電変換された電荷EL1はフォトダイオードPD1に蓄積される。また、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルが低下される。 At a in the figure, at timing P1 in Figure 4, the transfer transistor TG1 and switching transistor 124 are turned off. At this time, the charge EL1 photoelectrically converted by the photodiode PD1 is stored in the photodiode PD1. In addition, the potential of the floating diffusion FD2 is lowered via the assist electrode 125.
次に、同図におけるbにおいて、図4のタイミングP2では、転送トランジスタTG1および切替トランジスタ124はオンされる。このとき、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷EL1がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。また、増幅トランジスタ122における変換効率が低変換効率に設定される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報をセル120から取得することができる。 Next, at b in the figure, at timing P2 in Figure 4, the transfer transistor TG1 and switching transistor 124 are turned on. At this time, the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2. In addition, the conversion efficiency of the amplification transistor 122 is set to low. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, left-side phase difference information can be obtained from the cell 120.
次に、同図におけるcにおいて、図4のタイミングP3では、転送トランジスタTG2がオンされる。このとき、フォトダイオードPD2に蓄積された電荷EL2がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。このため、フローティングディフュージョンFD1、FD2には、各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷EL1、EL2が保持される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果をセル120から取得することができる。そして、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果から左側の位相差情報を減算することにより、右側の位相差情報を取得することができる。 Next, at c in the figure, at timing P3 in Figure 4, the transfer transistor TG2 is turned on. At this time, the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2. As a result, the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusions FD1 and FD2. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 120. Then, by subtracting the left-side phase difference information from the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information, the right-side phase difference information can be obtained.
ここで、低変換効率で読出された画素信号に基づいて、左側の位相差情報および右側の位相差情報を取得することができる。このため、フォトダイオードPD1で光電変換された電荷がフローティングディフュージョンFD1の容量に収まらない程度に信号強度が大きい場合においても、左側の位相差情報の飽和を防止することができ、オートフォーカスの失敗を防止することができる。 Here, left-side phase difference information and right-side phase difference information can be obtained based on pixel signals read out with low conversion efficiency. Therefore, even when the signal strength is so large that the charge photoelectrically converted by photodiode PD1 cannot be contained within the capacity of floating diffusion FD1, saturation of the left-side phase difference information can be prevented, preventing autofocus failures.
次に、同図におけるdにおいて、図4のタイミングP4では、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD2に保持されていた電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。 Next, at d in the figure, at timing P4 in Figure 4, the potential of floating diffusion FD2 is increased via assist electrode 125. At this time, the charge held in floating diffusion FD2 is transferred to floating diffusion FD1.
次に、同図におけるeにおいて、図4のタイミングP5では、切替トランジスタ124はオフされる。このとき、増幅トランジスタ122における変換効率が高変換効率に設定される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、セル120から輝度信号を取得することができる。ここで、2つのフォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷を高変換効率で検出することができ、感度を向上させることができる。 Next, at e in the figure, at timing P5 in Figure 4, the switching transistor 124 is turned off. At this time, the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to high conversion efficiency. In this state, a luminance signal can be obtained from the cell 120 by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122. Here, the charges accumulated in the two photodiodes PD1 and PD2 can be detected with high conversion efficiency, improving sensitivity.
図6は、第1の実施の形態に係るセルのレイアウトの第1の例を示す平面図、図7は、第1の実施の形態に係る画素の構成の第1の例を示す断面図である。なお、図7では、図6のA1-A2線に沿って切断した構成例を示した。 FIG. 6 is a plan view showing a first example of a cell layout according to the first embodiment, and FIG. 7 is a cross-sectional view showing a first example of a pixel configuration according to the first embodiment. Note that FIG. 7 shows an example configuration cut along line A1-A2 in FIG. 6.
図6および図7において、固体撮像装置102は、半導体基板SUBを備える。半導体基板SUBは、P型半導体基板を用いることができる。半導体基板SUBは、画素分離領域ISG1にてセル120ごとに分離される。画素分離領域ISG1は、例えば、RDTI(Rear Deep Trench Isolation)でもよい。このとき、画素分離領域ISG1は、半導体基板SUBの裏面側から深さ方向に形成することができる。画素分離領域ISG1は、セル120の境界に配置することができる。 In Figures 6 and 7, the solid-state imaging device 102 includes a semiconductor substrate SUB. A P-type semiconductor substrate can be used for the semiconductor substrate SUB. The semiconductor substrate SUB is separated into cells 120 by pixel isolation regions ISG1. The pixel isolation regions ISG1 may be, for example, rear deep trench isolation (RDTI). In this case, the pixel isolation regions ISG1 can be formed in the depth direction from the back surface side of the semiconductor substrate SUB. The pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the cells 120.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK1が設けられ、アクティブ領域AK1は素子分離領域ISA1にて素子分離される。素子分離領域ISA1は、STI(Shallow Trench Isolation)でもよい。アクティブ領域AK1には、フォトダイオードPD1、PD2、チャンネル領域および不純物拡散層DF1からDF4が形成される。フォトダイオードPD1、PD2は、左右対称に配置される。不純物拡散層DF1からDF4には、フローティングディフュージョンFD1、FD2、画素トランジスタのソース層およびドレイン層が形成される。画素トランジスタは、転送トランジスタTG1、TG2、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123および切替トランジスタ124を含むことができる。 An active region AK1 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK1 is isolated by an isolation region ISA1. The isolation region ISA1 may be STI (Shallow Trench Isolation). Photodiodes PD1 and PD2, a channel region, and impurity diffusion layers DF1 to DF4 are formed in the active region AK1. The photodiodes PD1 and PD2 are arranged symmetrically. Floating diffusions FD1 and FD2 and source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF1 to DF4. The pixel transistors may include transfer transistors TG1 and TG2, a reset transistor 121, an amplification transistor 122, a selection transistor 123, and a switching transistor 124.
不純物拡散層DF1は、N-型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF1は、フォトダイオードPD1、PD2の位置に配置することができる。不純物拡散層DF2は、N型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF2は、不純物拡散層DF1内に配置することができる。不純物拡散層DF2は、フォトダイオードPD1、PD2および転送トランジスタTG1、TG2のチャンネル領域の位置に配置することができる。不純物拡散層DF3は、N型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF3は、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123および切替トランジスタ124のチャンネル領域の位置に配置することができる。また、不純物拡散層DF3には、フローティングディフュージョンFD1、FD2を形成することができる。不純物拡散層DF4は、N+型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF4は、画素トランジスタのソース層やドレイン層の位置に配置することができる。 The impurity diffusion layer DF1 can be an N - type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF1 can be disposed at the position of the photodiodes PD1 and PD2. The impurity diffusion layer DF2 can be an N-type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF2 can be disposed within the impurity diffusion layer DF1. The impurity diffusion layer DF2 can be disposed at the position of the channel regions of the photodiodes PD1 and PD2 and the transfer transistors TG1 and TG2. The impurity diffusion layer DF3 can be an N-type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF3 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, and the switching transistor 124. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF3. The impurity diffusion layer DF4 can be an N + type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF4 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor.
アクティブ領域AK1上には、ゲート絶縁膜GZをそれぞれ介してゲート電極E1、E2、G1からG4およびアシスト電極125が形成される。ゲート電極E1、E2は、左右対称に配置することができる。各ゲート電極E1、E2は、フォトダイオードPD1、PD2の隅にそれぞれ配置することができる。ゲート電極E1、E2下には、不純物拡散層DF2が形成され、ゲート電極G1からG4およびアシスト電極125下には、不純物拡散層DF3が形成される。アシスト電極125は、ゲート電極G1、G4間に配置される。ゲート電極G2、G3は、互いに隣接して配置される。ゲート電極E1は、転送トランジスタTG1に用いられる。ゲート電極E2は、転送トランジスタTG2に用いられる。ゲート電極G1は、リセットトランジスタ121に用いられる。ゲート電極G2は、増幅トランジスタ122に用いられる。ゲート電極G3は、選択トランジスタ123に用いられる。ゲート電極G4は、切替トランジスタ124に用いられる。 Gate electrodes E1, E2, G1 to G4 and an assist electrode 125 are formed on the active region AK1, with a gate insulating film GZ interposed between them. Gate electrodes E1 and E2 can be arranged symmetrically. Each gate electrode E1 and E2 can be arranged at the corner of photodiode PD1 and PD2, respectively. An impurity diffusion layer DF2 is formed below gate electrodes E1 and E2, and an impurity diffusion layer DF3 is formed below gate electrodes G1 to G4 and the assist electrode 125. The assist electrode 125 is arranged between gate electrodes G1 and G4. Gate electrodes G2 and G3 are arranged adjacent to each other. Gate electrode E1 is used for transfer transistor TG1. Gate electrode E2 is used for transfer transistor TG2. Gate electrode G1 is used for reset transistor 121. Gate electrode G2 is used for amplification transistor 122. Gate electrode G3 is used for selection transistor 123. Gate electrode G4 is used for switching transistor 124.
フォトダイオードPD1、PD2間の隅には、コンタクトCN1が配置される。ゲート電極G3の横には、コンタクトCN2が配置される。ゲート電極G1の横には、コンタクトCN3が配置される。コンタクトCN1には、接地電位が印加される。コンタクトCN2には、垂直信号線132の電位VSLが印加される。コンタクトCN3には、電源電位VDDが印加される。 Contact CN1 is arranged at the corner between photodiodes PD1 and PD2. Contact CN2 is arranged next to gate electrode G3. Contact CN3 is arranged next to gate electrode G1. Ground potential is applied to contact CN1. The potential VSL of vertical signal line 132 is applied to contact CN2. Power supply potential VDD is applied to contact CN3.
半導体基板SUBの材料は、Si、InGaAs、InP、InSb、HgCdTeなどでもよい。ゲート電極E1、E2、G1からG4およびアシスト電極125の材料は、例えば、多結晶シリコンを用いることができる。画素分離領域ISG1および素子分離領域ISA1の材料は、SiO2などの絶縁体を用いることができる。画素分離領域ISG1には、混色などを防止するため、例えば、カーボンブラックなどの遮光材が埋め込まれてもよい。 The semiconductor substrate SUB may be made of Si, InGaAs, InP, InSb, HgCdTe, or the like. The gate electrodes E1, E2, G1 to G4 and the assist electrode 125 may be made of, for example, polycrystalline silicon. The pixel isolation region ISG1 and the element isolation region ISA1 may be made of, for example, an insulator such as SiO2 . A light-shielding material such as carbon black may be embedded in the pixel isolation region ISG1 to prevent color mixing, etc.
図8は、第1の実施の形態に係るセルのレイアウトの第2の例を示す平面図、図9は、第1の実施の形態に係るセルの構成の第2の例を示す断面図である。 FIG. 8 is a plan view showing a second example of a cell layout according to the first embodiment, and FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second example of a cell configuration according to the first embodiment.
図8および図9において、この固体撮像装置102は、図6および図7の素子分離領域ISA1、アクティブ領域AK1およびコンタクトCN3に代えて、素子分離領域ISA2、アクティブ領域AK2およびコンタクトCN4、CN5を備える。この固体撮像装置102のそれ以外の構成は、図6および図7の固体撮像装置102の構成と同様である。 In Figures 8 and 9, this solid-state imaging device 102 has an element isolation region ISA2, an active region AK2, and contacts CN4 and CN5 instead of the element isolation region ISA1, active region AK1, and contact CN3 of Figures 6 and 7. The rest of the configuration of this solid-state imaging device 102 is the same as the configuration of the solid-state imaging device 102 of Figures 6 and 7.
半導体基板SUBは、画素分離領域ISG2にてセル120ごとに分離される。画素分離領域ISG2は、例えば、FFTI(Full-thickness Front deep Trench Isolation)でもよい。このとき、画素分離領域ISG2は、半導体基板SUBを深さ方向に貫通することができる。画素分離領域ISG2は、セル120の境界に配置することができる。 The semiconductor substrate SUB is separated into cells 120 by pixel isolation regions ISG2. The pixel isolation regions ISG2 may be, for example, FFTI (Full-thickness Front Deep Trench Isolation). In this case, the pixel isolation regions ISG2 can penetrate the semiconductor substrate SUB in the depth direction. The pixel isolation regions ISG2 can be arranged on the boundaries of the cells 120.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK2が設けられ、アクティブ領域AK2は素子分離領域ISA2にて素子分離される。素子分離領域ISA2は、STIでもよい。アクティブ領域AK2は、セル120の両端で直角に折り曲げることができる。アクティブ領域AK2には、フォトダイオードPD1、PD2、チャンネル領域および不純物拡散層DF1からDF4が形成される。不純物拡散層DF1からDF4には、フローティングディフュージョンFD1、FD2、画素トランジスタのソース層およびドレイン層が形成される。 An active region AK2 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK2 is isolated by an element isolation region ISA2. The element isolation region ISA2 may be STI. The active region AK2 can be bent at right angles at both ends of the cell 120. Photodiodes PD1 and PD2, channel regions, and impurity diffusion layers DF1 to DF4 are formed in the active region AK2. Floating diffusions FD1 and FD2, and source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF1 to DF4.
コンタクトCN4は、カラム方向にゲート電極G2に隣接して配置される。コンタクトCN5は、カラム方向にゲート電極G1に隣接して配置される。コンタクトCN4、CN5には、電源電位VDDが印加される。 Contact CN4 is arranged adjacent to gate electrode G2 in the column direction. Contact CN5 is arranged adjacent to gate electrode G1 in the column direction. The power supply potential VDD is applied to contacts CN4 and CN5.
このように、上述の第1の実施の形態では、フローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御するアシスト電極125を設け、フローティングディフュージョンFD1、FD2を接続して低変換効率で位相差情報を取得する。そして、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御してフローティングディフュージョンFD2の電荷をフローティングディフュージョンFD1に転送し、フローティングディフュージョンFD1、FD2を切り離して高変換効率で輝度情報を取得する。これにより、位相差情報の飽和を防止しつつ、DCG(Dual Conversion Gain)-HDRを実現することができ、オートフォーカスの失敗を防止しつつ、画質を向上させることができる。 In this way, in the first embodiment described above, an assist electrode 125 is provided that controls the potential of floating diffusion FD2, and floating diffusions FD1 and FD2 are connected to acquire phase difference information with low conversion efficiency. The potential of floating diffusion FD2 is then controlled via assist electrode 125 to transfer the charge of floating diffusion FD2 to floating diffusion FD1, and floating diffusions FD1 and FD2 are separated to acquire luminance information with high conversion efficiency. This makes it possible to achieve DCG (Dual Conversion Gain)-HDR while preventing saturation of phase difference information, thereby preventing autofocus failures and improving image quality.
<2.第2の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御し、低変換効率での位相差情報の取得を可能とした。この第2の実施の形態では、アシスト電極を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルを制御し、フレームを分割したサブフレームごとにフローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷をキャパシタに転送可能とする。
2. Second embodiment
In the first embodiment described above, it is possible to acquire phase difference information at low conversion efficiency by controlling the potential of the floating diffusion FD2 via the assist electrode 125. In this second embodiment, it is possible to control the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode, and transfer the charge accumulated in the floating diffusion FD1 to a capacitor for each subframe obtained by dividing a frame.
図10は、第2の実施の形態に係る固体撮像装置に設けられた画素の回路構成例を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a pixel provided in a solid-state imaging device according to the second embodiment.
同図において、画素220は、上述の第1の実施の形態のフォトダイオードPD1、PD2、転送トランジスタTG1、TG2およびアシスト電極125に代えて、フォトダイオードPD、転送トランジスタTGおよびアシスト電極225を備える。また、画素220は、上述の第1の実施の形態のセル120にキャパシタ221が追加されている。第2の実施の形態の画素220のそれ以外の構成は、上述の第1の実施の形態のセル120の構成と同様である。 In the figure, pixel 220 has a photodiode PD, a transfer transistor TG, and an assist electrode 225 instead of the photodiodes PD1 and PD2, transfer transistors TG1 and TG2, and assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, pixel 220 has a capacitor 221 added to cell 120 of the first embodiment described above. The other configuration of pixel 220 of the second embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
フォトダイオードPDは、光電変換を実施し、光電変換した電荷を蓄積する。転送トランジスタTGは、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFD1に転送する。アシスト電極225は、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストする。アシスト電極225は、フローティングディフュージョンFD1上に配置することができる。このとき、アシスト電極225は、フローティングディフュージョンFD1のポテンシャルを制御することができる。 The photodiode PD performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge. The transfer transistor TG transfers the charge accumulated in the photodiode PD to the floating diffusion FD1. The assist electrode 225 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2. The assist electrode 225 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 225 can control the potential of the floating diffusion FD1.
キャパシタ221は、フォトダイオードPDに蓄積された電荷を保持する。このとき、フォトダイオードPDに蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンFD1、FD2を介してキャパシタ221に転送することができる。キャパシタ221は、MOM(Metal Oxide Metal)容量やMIM容量を用いることができる。キャパシタ221は、切替トランジスタ124に直列に接続することができる。このとき、フローティングディフュージョンFD2は、キャパシタ221と切替トランジスタ124との間に接続することができる。また、キャパシタ221の他端は、制御電位MVDDに接続することができる。制御電位MVDDは、シャッタ期間や蓄積期間などにおいてキャパシタ221にかかる電圧を制御することができる。このとき、暗電流を低減するため、制御電位MVDDに基づいてキャパシタ221をパルス駆動することができる。なお、制御電位MVDDは、電源電位VDDでもよい。 Capacitor 221 holds the charge accumulated in photodiode PD. At this time, the charge accumulated in photodiode PD can be transferred to capacitor 221 via floating diffusions FD1 and FD2. Capacitor 221 can be a MOM (Metal Oxide Metal) capacitor or an MIM capacitor. Capacitor 221 can be connected in series to switching transistor 124. At this time, floating diffusion FD2 can be connected between capacitor 221 and switching transistor 124. The other end of capacitor 221 can be connected to control potential MVDD. Control potential MVDD can control the voltage applied to capacitor 221 during the shutter period, accumulation period, etc. At this time, capacitor 221 can be pulse-driven based on control potential MVDD to reduce dark current. Note that control potential MVDD may be power supply potential VDD.
転送トランジスタTGのゲートには、転送信号TGLが印加される。アシスト電極225には、アシスト信号AST2が印加される。転送信号TGLおよびアシスト信号AST2は、水平駆動線131を介して画素220に伝送することができる。 A transfer signal TGL is applied to the gate of the transfer transistor TG. An assist signal AST2 is applied to the assist electrode 225. The transfer signal TGL and the assist signal AST2 can be transmitted to the pixel 220 via the horizontal drive line 131.
図11は、第2の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、同図では、1フレームを8つのサブフレームに分割した例を示すが、1フレームを8以外の複数のサブフレームに分割してもよい。アシスト制御部112Aは、各サブフレームで設定されるタイミングに基づいて、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストすることができる。 FIG. 11 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the second embodiment. While the diagram shows an example in which one frame is divided into eight subframes, one frame may also be divided into a number of subframes other than eight. The assist control unit 112A can assist in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set for each subframe.
同図において、各サブフレームでは、リセット信号RSTおよびアシスト信号AST2がハイレベル、切替信号FDGがロウレベルのときに、転送信号TGLが立ち上がり、フォトダイオードPDから電荷が排出される。 In the same diagram, in each subframe, when the reset signal RST and assist signal AST2 are at high level and the switching signal FDG is at low level, the transfer signal TGL rises and charge is discharged from the photodiode PD.
次に、転送信号TGL1が立ち下がった後、リセット信号RSTが立ち下がる。その後、転送信号TGL1が立ち上がり、フォトダイオードPDに蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。 Next, after the transfer signal TGL1 falls, the reset signal RST falls. After that, the transfer signal TGL1 rises, and the charge accumulated in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD1.
次に、転送信号TGL1が立ち下がる。その後、アシスト信号AST2が立ち下がった後、切替信号FDGが立ち上がる。このとき、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成され、フローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD2を介してキャパシタ221に転送される。これにより、1つのサブフレームでフォトダイオードPDに蓄積された電荷がキャパシタ221に保持される。そして、切替信号FDGが立ち下がった後、アシスト信号AST2が立ち上がり、リセット信号RSTが立ち上がる。 Next, the transfer signal TGL1 falls. After that, the assist signal AST2 falls, and then the switching signal FDG rises. At this time, a potential gradient is formed from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2, and the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 221 via the floating diffusion FD2. As a result, the charge accumulated in the photodiode PD in one subframe is held in the capacitor 221. Then, after the switching signal FDG falls, the assist signal AST2 rises, and the reset signal RST rises.
以上の動作を8つのサブフレームで連続して実施した後、キャパシタ221に保持された電荷に基づく電位が増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、この時の垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、画素220から読出された画素信号がフレームごとにAD変換される。 After the above operation is performed continuously for eight subframes, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the potential based on the charge held in the capacitor 221 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 at this time, and the pixel signal read from the pixel 220 is AD converted for each frame.
ここで、被写体にLED(Light Emitting Diode)光源が含まれた場合を考える。一般的にLED光源はPWM(Pulse Width Modulation)制御により明るさを調整している。そのため点灯と消灯を繰り返している。8つのサブフレームのうちLED光源が点灯している時には、フォトダイオードPDに電荷が蓄積される。また、8つのサブフレームのうちLED光源が消灯している時には、フォトダイオードPDに電荷が蓄積されない。このとき、8つのサブフレームのうちの少なくとも1つのサブフレームは、LED光源が点灯している期間を含むことができる。このため、8つのサブフレームでキャパシタ221に保持された電荷を一括して検出することにより、LED光源が点灯している時にフォトダイオードPDに蓄積された電荷をフレームごとに検出することができ、LED光源を撮影した際に発生するフリッカを抑制することができる。 Now, consider the case where the subject includes an LED (Light Emitting Diode) light source. Generally, the brightness of LED light sources is adjusted using PWM (Pulse Width Modulation) control. As a result, they repeatedly turn on and off. When the LED light source is on during the eight subframes, charge accumulates in the photodiode PD. Also, when the LED light source is off during the eight subframes, no charge accumulates in the photodiode PD. In this case, at least one of the eight subframes can include a period during which the LED light source is on. Therefore, by detecting the charge held in capacitor 221 in the eight subframes all at once, it is possible to detect the charge accumulated in the photodiode PD for each frame when the LED light source is on, and it is possible to suppress flicker that occurs when photographing an LED light source.
図12および図13は、第2の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し期間のポテンシャルの一例を示す図である。なお、図12におけるaからeおよび図13におけるaからeでは、連続する2つのサブフレームのそれぞれにおいて、図11のP21からP25のタイミングのポテンシャルの一例を示した。また、図12および図13におけるaからeでは、フォトダイオードPD、転送トランジスタTGおよびフローティングディフュージョンFD1、FD2のポテンシャルの一例を示した。また、図12および図13では、LED光源が点灯している状態を示した。 FIGS. 12 and 13 are diagrams showing an example of potential during the readout period of a solid-state imaging device according to the second embodiment. Note that a to e in FIG. 12 and a to e in FIG. 13 show an example of potential at timings P21 to P25 in FIG. 11 in each of two consecutive subframes. Also, a to e in FIG. 12 and 13 show an example of potential of the photodiode PD, transfer transistor TG, and floating diffusions FD1 and FD2. Also, FIGS. 12 and 13 show a state in which the LED light source is lit.
図12におけるaにおいて、図11のタイミングP21では、転送トランジスタTGおよび切替トランジスタ124はオフされる。このとき、フォトダイオードPDにて光電変換された電荷EL1はフォトダイオードPDに蓄積される。また、アシスト電極225を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。 In FIG. 12a, at timing P21 in FIG. 11, the transfer transistor TG and switching transistor 124 are turned off. At this time, the charge EL1 photoelectrically converted by the photodiode PD is accumulated in the photodiode PD. In addition, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 225.
次に、図12におけるbにおいて、図11のタイミングP22では、転送トランジスタTGはオンされ、リセットトランジスタ121はオフされる。このとき、フォトダイオードPDに蓄積された電荷EL1がフローティングディフュージョンFD1に転送される。 Next, in FIG. 12b, at timing P22 in FIG. 11, the transfer transistor TG is turned on and the reset transistor 121 is turned off. At this time, the charge EL1 stored in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD1.
次に、図12におけるcにおいて、図11のタイミングP23では、転送トランジスタTGはオフされる。このとき、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFD1とは互いに分離される。また、アシスト電極225を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。 Next, at c in Figure 12, at timing P23 in Figure 11, the transfer transistor TG is turned off. At this time, the photodiode PD and the floating diffusion FD1 are separated from each other. In addition, the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode 225.
次に、図12におけるdにおいて、図11のタイミングP24では、切替トランジスタ124はオンされる。このとき、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成され、フローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷EL1がフローティングディフュージョンFD2を介してキャパシタ221に転送される。これにより、1つのサブフレームでフォトダイオードPDに蓄積された電荷EL1がキャパシタ221に保持される。 Next, at d in Figure 12, at timing P24 in Figure 11, the switching transistor 124 is turned on. At this time, a potential gradient is formed from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2, and the charge EL1 stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 221 via the floating diffusion FD2. As a result, the charge EL1 stored in the photodiode PD in one subframe is held in the capacitor 221.
次に、図12におけるeにおいて、図11のタイミングP25では、切替信号FDGが立ち下がった後、アシスト信号AST2が立ち上がる。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに分離される。 Next, at e in Figure 12, at timing P25 in Figure 11, the switching signal FDG falls, and then the assist signal AST2 rises. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other.
次に、図13におけるaにおいて、次のサブフレームの図11のタイミングP21では、転送トランジスタTGおよび切替トランジスタ124はオフされる。このとき、フォトダイオードPDにて光電変換された電荷EL2はフォトダイオードPDに蓄積される。また、アシスト電極225を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。 Next, at timing P21 in Figure 11 of the next subframe, as shown in Figure 13a, the transfer transistor TG and switching transistor 124 are turned off. At this time, the charge EL2 photoelectrically converted by the photodiode PD is accumulated in the photodiode PD. In addition, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 225.
次に、図13におけるbにおいて、次のサブフレームの図11のタイミングP22では、転送トランジスタTGはオンされ、リセットトランジスタ121はオフされる。このとき、フォトダイオードPDに蓄積された電荷EL2がフローティングディフュージョンFD1に転送される。 Next, in FIG. 13b, at timing P22 in FIG. 11 of the next subframe, the transfer transistor TG is turned on and the reset transistor 121 is turned off. At this time, the charge EL2 stored in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion FD1.
次に、図13におけるcにおいて、次のサブフレームの図11のタイミングP23では、転送トランジスタTGはオフされる。このとき、フォトダイオードPDとフローティングディフュージョンFD1とは互いに分離される。また、アシスト電極225を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。 Next, at c in Figure 13, at timing P23 in Figure 11 of the next subframe, the transfer transistor TG is turned off. At this time, the photodiode PD and the floating diffusion FD1 are separated from each other. In addition, the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode 225.
次に、図13におけるdにおいて、次のサブフレームの図11のタイミングP24では、切替トランジスタ124はオンされる。このとき、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成され、フローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷EL2がフローティングディフュージョンFD2を介してキャパシタ221に転送される。これにより、1つのサブフレームでフォトダイオードPDに蓄積された電荷EL2がキャパシタ221に保持される。 Next, at d in Figure 13, at timing P24 in Figure 11 of the next subframe, switching transistor 124 is turned on. At this time, a potential gradient is formed from floating diffusion FD1 to floating diffusion FD2, and charge EL2 accumulated in floating diffusion FD1 is transferred to capacitor 221 via floating diffusion FD2. As a result, charge EL2 accumulated in photodiode PD in one subframe is held in capacitor 221.
次に、図13におけるeにおいて、次のサブフレームの図11のタイミングP25では、切替信号FDGが立ち下がった後、アシスト信号AST2が立ち上がる。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに分離される。 Next, at e in Figure 13, at timing P25 in Figure 11 of the next subframe, the switching signal FDG falls, and then the assist signal AST2 rises. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other.
図14は、第2の実施の形態に係る画素のレイアウト例を示す平面図、図15は、第2の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。なお、図15では、図14のB1-B2線に沿って切断した構成例を示した。 FIG. 14 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the second embodiment, and FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the second embodiment. Note that FIG. 15 shows an example of a configuration cut along line B1-B2 in FIG. 14.
図14および図15において、半導体基板SUBは、画素分離領域ISG1にて画素220ごとに分離される。画素分離領域ISG1は、画素220の境界に配置することができる。 In Figures 14 and 15, the semiconductor substrate SUB is separated into pixels 220 by pixel isolation regions ISG1. The pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the pixels 220.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK2が設けられ、アクティブ領域AK2は素子分離領域ISA2にて素子分離される。アクティブ領域AK2には、フォトダイオードPD、チャンネル領域および不純物拡散層DF23、DF24が形成される。不純物拡散層DF23、DF24には、フローティングディフュージョンFD1、FD2、画素トランジスタのソース層およびドレイン層が形成される。 An active region AK2 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK2 is isolated by an element isolation region ISA2. A photodiode PD, a channel region, and impurity diffusion layers DF23 and DF24 are formed in the active region AK2. Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF23 and DF24.
不純物拡散層DF23は、N型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF23は、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123および切替トランジスタ124のチャンネル領域の位置に配置することができる。不純物拡散層DF24は、N+型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF24は、画素トランジスタのソース層やドレイン層の位置に配置することができる。また、不純物拡散層DF24には、フローティングディフュージョンFD1、FD2を形成することができる。 The impurity diffusion layer DF23 can be an N-type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF23 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, and the switching transistor 124. The impurity diffusion layer DF24 can be an N + type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF24 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF24.
アクティブ領域AK2上には、ゲート絶縁膜GZをそれぞれ介してゲート電極E21、G21からG24およびアシスト電極225が形成される。ゲート電極E21は、フォトダイオードPDの辺の中央に配置することができる。ゲート電極G21からG24およびアシスト電極225下には、不純物拡散層DF23が形成される。アシスト電極225は、ゲート電極G21、G24間に配置される。ゲート電極E21は、転送トランジスタTG1に用いられる。ゲート電極G21は、リセットトランジスタ121に用いられる。ゲート電極G22は、増幅トランジスタ122に用いられる。ゲート電極G23は、選択トランジスタ123に用いられる。ゲート電極G24は、切替トランジスタ124に用いられる。 Gate electrodes E21, G21 to G24, and assist electrode 225 are formed on active region AK2, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween. Gate electrode E21 can be arranged at the center of a side of photodiode PD. An impurity diffusion layer DF23 is formed below gate electrodes G21 to G24 and assist electrode 225. Assist electrode 225 is arranged between gate electrodes G21 and G24. Gate electrode E21 is used for transfer transistor TG1. Gate electrode G21 is used for reset transistor 121. Gate electrode G22 is used for amplification transistor 122. Gate electrode G23 is used for selection transistor 123. Gate electrode G24 is used for switching transistor 124.
フォトダイオードPDの辺の中央には、コンタクトCN21が配置される。ゲート電極G21、G22間には、コンタクトCN23が配置される。ゲート電極G23の横には、コンタクトCN22が配置される。ゲート電極G24の横には、フローティングディフュージョンFD2が配置される。コンタクトCN21には、接地電位が印加される。コンタクトCN22には、垂直信号線132の電位VSLが印加される。コンタクトCN23には、電源電位VDDが印加される。フローティングディフュージョンFD2には、キャパシタ221が接続される。 A contact CN21 is arranged in the center of one side of the photodiode PD. A contact CN23 is arranged between the gate electrodes G21 and G22. A contact CN22 is arranged next to the gate electrode G23. A floating diffusion FD2 is arranged next to the gate electrode G24. A ground potential is applied to the contact CN21. A potential VSL of the vertical signal line 132 is applied to the contact CN22. A power supply potential VDD is applied to the contact CN23. A capacitor 221 is connected to the floating diffusion FD2.
なお、上述の第2の実施の形態では、RDTIに基づいて画素分離領域ISG1を形成した例を示したが、FFTIに基づいて画素分離領域ISG2を形成してもよい。 In the second embodiment described above, an example was shown in which pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
このように、上述の第2の実施の形態では、アシスト電極225を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルを制御し、フレームを分割したサブフレームごとにフローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷をキャパシタ221に転送可能とする。これにより、フォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFD1に信号電荷を残すことなく、フォトダイオードPDおよびフローティングディフュージョンFD1に蓄積された電荷をサブフレームごとにキャパシタ221に転送することができる。このため、間欠露光に基づいて生成された電荷をサブフレームごとにキャパシタ221に転送しつつ、キャパシタ221に蓄積された電荷をフレームごとに読出すことができ、LED光源を撮影した際に発生するフリッカを抑制することができる。 In this way, in the second embodiment described above, the potential of the floating diffusion FD1 is controlled via the assist electrode 225, making it possible to transfer the charge accumulated in the floating diffusion FD1 to the capacitor 221 for each subframe into which a frame is divided. This allows the charge accumulated in the photodiode PD and floating diffusion FD1 to be transferred to the capacitor 221 for each subframe without leaving any signal charge in the photodiode PD and floating diffusion FD1. Therefore, the charge generated based on intermittent exposure can be transferred to the capacitor 221 for each subframe, while the charge accumulated in the capacitor 221 can be read out for each frame, making it possible to suppress flicker that occurs when photographing an LED light source.
<3.第3の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御し、低変換効率での位相差情報の取得を可能とした。この第3の実施の形態では、位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1にオーバーフローした電荷をキャパシタに転送する。
3. Third embodiment
In the first embodiment described above, it is possible to acquire phase difference information at low conversion efficiency by controlling the potential of the floating diffusion FD2 via the assist electrode 125. In this third embodiment, when acquiring phase difference information, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode, and the charge that has overflowed into the floating diffusion FD1 is transferred to a capacitor.
図16は、第3の実施の形態に係る固体撮像装置に設けられたセルの回路構成例を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the third embodiment.
同図において、セル320は、上述の第1の実施の形態のアシスト電極125に代えて、アシスト電極325を備える。また、セル320は、上述の第1の実施の形態のセル120にキャパシタ321が追加されている。第3の実施の形態のセル320のそれ以外の構成は、上述の第1の実施の形態のセル120の構成と同様である。 In the same figure, cell 320 has an assist electrode 325 instead of the assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, cell 320 has a capacitor 321 added to cell 120 of the first embodiment described above. The rest of the configuration of cell 320 of the third embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
アシスト電極325は、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストする。アシスト電極325は、フローティングディフュージョンFD1上に配置することができる。このとき、アシスト電極325は、フローティングディフュージョンFD1のポテンシャルを制御することができる。 The assist electrode 325 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2. The assist electrode 325 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 325 can control the potential of the floating diffusion FD1.
キャパシタ321は、フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷を保持する。このとき、フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷は、フローティングディフュージョンFD1、FD2を介してキャパシタ321に転送することができる。キャパシタ321は、LOFIC(Lateral Overflow Integration Capacitor)を用いることができる。キャパシタ321は、切替トランジスタ124に直列に接続することができる。このとき、フローティングディフュージョンFD2は、キャパシタ321と切替トランジスタ124との間に接続することができる。 Capacitor 321 holds the charge accumulated in photodiodes PD1 and PD2. At this time, the charge accumulated in photodiodes PD1 and PD2 can be transferred to capacitor 321 via floating diffusions FD1 and FD2. A lateral overflow integration capacitor (LOFIC) can be used as capacitor 321. Capacitor 321 can be connected in series with switching transistor 124. At this time, floating diffusion FD2 can be connected between capacitor 321 and switching transistor 124.
また、切替トランジスタ124およびリセットトランジスタ121は、フローティングディフュージョンFD1に対して並列に接続することができる。 Furthermore, the switching transistor 124 and the reset transistor 121 can be connected in parallel to the floating diffusion FD1.
図17は、第3の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 17 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the third embodiment.
同図において、この信号読出し処理では、高変換効率P相読出し期間T31、高変換効率第1D相読出し期間T32、高変換効率第2D相読出し期間T33、D相一括読出し期間T34およびP相一括読出し期間T35が設けられる。アシスト制御部112Aは、これらの期間T31からT35で設定されるタイミングに基づいて、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストすることができる。高変換効率P相読出し期間T31は、高変換効率についてCDS処理に用いるリセット信号を取得することができる。高変換効率第1D相読出し期間T32および高変換効率第2D相読出し期間T33は、オートフォーカスに用いる位相差情報を取得することができる。D相一括読出し期間T34は、撮像画像に用いる輝度情報を取得することができる。P相一括読出し期間T35は、DDS(Double Data Sampling)処理に用いるリセット信号を取得することができる。 In the figure, this signal readout process includes a high conversion efficiency P-phase readout period T31, a high conversion efficiency first D-phase readout period T32, a high conversion efficiency second D-phase readout period T33, a D-phase batch readout period T34, and a P-phase batch readout period T35. The assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set in these periods T31 to T35. The high conversion efficiency P-phase readout period T31 can acquire a reset signal used for CDS processing for high conversion efficiency. The high conversion efficiency first D-phase readout period T32 and the high conversion efficiency second D-phase readout period T33 can acquire phase difference information used for autofocus. The D-phase batch readout period T34 can acquire brightness information used for captured images. The P-phase batch readout period T35 can acquire a reset signal used for DDS (Double Data Sampling) processing.
高変換効率P相読出し期間T31前では、リセット信号RSTおよび転送信号TGL1、TGL2はロウレベルに設定され、リセットトランジスタ121および転送トランジスタTG1、TG2はオフされる。また、切替信号FDGおよびアシスト信号AST3がハイレベルに設定され、切替トランジスタ124がオンするとともに、アシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。このとき、入射光に基づいて各フォトダイオードPD1、PD2に電荷が蓄積されるとともに、各フォトダイオードPD1、PD2からオーバーフローした電荷はフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積される。 Before the high conversion efficiency P-phase readout period T31, the reset signal RST and transfer signals TGL1 and TGL2 are set to low level, and the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 and TG2 are turned off. Furthermore, the switching signal FDG and assist signal AST3 are set to high level, turning on the switching transistor 124 and lowering the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 325. At this time, charge is accumulated in each of the photodiodes PD1 and PD2 based on the incident light, and charge overflowing from each of the photodiodes PD1 and PD2 is accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
そして、切替信号FDGが立ち下がり、切替トランジスタ124がオフしてフローティングディフュージョンFD1、FD2が互いに分離される。その後、アシスト信号AST3が立ち下がり、アシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷はフローティングディフュージョンFD2に転送される。さらに、切替信号FDGが立ち上がった後、切替信号FDGが立ち下がり、フローティングディフュージョンFD1に残っていた電荷はフローティングディフュージョンFD2に転送される。このとき、切替トランジスタ124がオフし、セル320の変換効率は高変換効率に設定される。 Then, the switching signal FDG falls, the switching transistor 124 turns off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other. After that, the assist signal AST3 falls, and the potential of the floating diffusion FD1 rises via the assist electrode 325. At this time, the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2. After the switching signal FDG rises, the switching signal FDG falls, and the charge remaining in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2. At this time, the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 320 is set to high conversion efficiency.
次に、高変換効率P相読出し期間T31では、アシスト信号AST3が立ち上がり、アシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル320から読出された高変換効率P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency P-phase read period T31, the assist signal AST3 rises, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 325. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 320 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第1D相読出し期間T32では、転送信号TGL1が立ち上がり、転送トランジスタTG1がオンしてフォトダイオードPD1に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL1が立ち下がり、転送トランジスタTG1がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第1D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第1D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル320から読出された高変換効率第1D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency first D-phase readout period T32, the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first D-phase level, and the high conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 320 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第2D相読出し期間T33では、転送信号TGL1、TGL2が立ち上がり、転送トランジスタTG1、TG2がオンして各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL1、TGL2が立ち下がり、転送トランジスタTG1、TG2がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第2D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第2D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル120から読出された高変換効率第2D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency second D-phase readout period T33, the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency second D-phase level, and the high conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 120 is AD converted for each column.
次に、D相一括読出し期間T34では、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンしてセル320の変換効率は低変換効率に設定される。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに接続される。また、転送信号TGL1、TGL2が立ち上がり、転送トランジスタTG1、TG2がオンして各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。その後、転送信号TGL1、TGL2が立ち下がり、転送トランジスタTG1、TG2がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積された電荷に基づいて増幅トランジスタ122のゲートに印加されるD相一括レベルが設定される。そして、このD相一括レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、D相一括レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル320から読出されたD相一括レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the D-phase batch read period T34, the switching signal FDG rises, the switching transistor 124 turns on, and the conversion efficiency of cell 320 is set to low. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other. In addition, the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, the transfer transistors TG1 and TG2 turn on, and the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 is transferred to the floating diffusions FD1 and FD2. After that, the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, and the transfer transistors TG1 and TG2 turn off. At this time, the D-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the charge accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321. The potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this D-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the D-phase collective level, and the D-phase collective level read from the cell 320 is AD converted for each column.
次に、P相一括読出し期間T35では、リセット信号RSTが立ち上がり、リセットトランジスタ121がオンしてフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321がリセットされる。その後、リセット信号RSTが立ち下がり、リセットトランジスタ121がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321のリセット状態に基づいて増幅トランジスタ122のゲートに印加されるP相一括レベルが設定される。そして、このP相一括レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、P相一括レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル320から読出されたP相一括レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the P-phase batch read period T35, the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. After that, the reset signal RST falls, turning off the reset transistor 121. At this time, the P-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the reset state of the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. The potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this P-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the P-phase batch level, and the P-phase batch level read out from the cell 320 is AD converted for each column.
図18および図19は、第3の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し期間のポテンシャルの一例を示す図である。なお、図18におけるaからdおよび図19におけるaからcでは、図17のP31からP37のタイミングのポテンシャルの一例を示した。また、図18におけるaからdおよび図19におけるaからcでは、フォトダイオードPD1、転送トランジスタTG1およびフローティングディフュージョンFD1、FD2のポテンシャルの一例を示した。 FIGS. 18 and 19 are diagrams showing an example of potentials during the readout period of a solid-state imaging device according to the third embodiment. Note that a to d in FIG. 18 and a to c in FIG. 19 show an example of potentials at timings P31 to P37 in FIG. 17. Also, a to d in FIG. 18 and a to c in FIG. 19 show an example of potentials of photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
図18におけるaにおいて、図17のタイミングP31では、リセットトランジスタ121および転送トランジスタTG1、TG2はオフされるとともに、切替トランジスタ124はオンされる。また、アシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。このとき、入射光に基づいて各フォトダイオードPD1、PD2に電荷EL1、EL2が蓄積されるとともに、各フォトダイオードPD1、PD2からオーバーフローした電荷EL1、EL2はフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積される。 In Figure 18a, at timing P31 in Figure 17, the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 and TG2 are turned off, and the switching transistor 124 is turned on. The potential of the floating diffusion FD1 is also lowered via the assist electrode 325. At this time, charges EL1 and EL2 are accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 based on the incident light, and the charges EL1 and EL2 that overflow from the photodiodes PD1 and PD2 are accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
次に、図18におけるbにおいて、図17のタイミングP32では、切替トランジスタ124がオフされ、フローティングディフュージョンFD1、FD2が互いに分離される。 Next, at b in Figure 18, at timing P32 in Figure 17, the switching transistor 124 is turned off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are isolated from each other.
次に、図18におけるcにおいて、図17のタイミングP33では、アシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1、EL2はフローティングディフュージョンFD2に転送される。 Next, at c in Figure 18, at timing P33 in Figure 17, the potential of floating diffusion FD1 is increased via assist electrode 325. At this time, the charges EL1 and EL2 stored in floating diffusion FD1 are transferred to floating diffusion FD2.
次に、図18におけるdにおいて、図17のタイミングP34では、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1、EL2がフローティングディフュージョンFD2に転送されることにより、フローティングディフュージョンFD1の電荷EL1、EL2は空になる。 Next, at d in Figure 18, at timing P34 in Figure 17, the charges EL1 and EL2 stored in the floating diffusion FD1 are transferred to the floating diffusion FD2, and the charges EL1 and EL2 in the floating diffusion FD1 become empty.
次に、図19におけるaにおいて、図17のタイミングP35では、転送トランジスタTG1はオン、切替トランジスタ124はオフされる。このとき、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷EL1がフローティングディフュージョンFD1に転送される。また、増幅トランジスタ122における変換効率が高変換効率に設定される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報をセル320から取得することができる。ここで、フローティングディフュージョンFD1の電荷EL1、EL2が空の状態で、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷EL1をフローティングディフュージョンFD1に転送することができる。このため、入射光の強度が強い場合においても、フローティングディフュージョンFD1に転送された電荷が溢れるのを抑制することができ、位相差情報の取得の失敗を抑制することができる。 Next, at a in Figure 19, at timing P35 in Figure 17, the transfer transistor TG1 is turned on and the switching transistor 124 is turned off. At this time, the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1. In addition, the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to high conversion efficiency. In this state, by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122, it is possible to obtain left-side phase difference information from the cell 320. Here, with the charges EL1 and EL2 in the floating diffusion FD1 empty, the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 can be transferred to the floating diffusion FD1. Therefore, even when the intensity of the incident light is strong, it is possible to prevent the charge transferred to the floating diffusion FD1 from overflowing, and to prevent failure to obtain phase difference information.
次に、図19におけるbにおいて、図17のタイミングP36では、転送トランジスタTG2はオンされる。このとき、フォトダイオードPD2に蓄積された電荷EL2がフローティングディフュージョンFD1に転送される。このため、フローティングディフュージョンFD1には、各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷EL1、EL2が保持される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果をセル320から取得することができる。そして、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果から左側の位相差情報を減算することにより、右側の位相差情報を取得することができる。 Next, at b in Figure 19, at timing P36 in Figure 17, the transfer transistor TG2 is turned on. At this time, the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusion FD1. As a result, the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusion FD1. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 320. Then, by subtracting the left-side phase difference information from the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information, the right-side phase difference information can be obtained.
次に、図19におけるcにおいて、図17のタイミングP37では、切替トランジスタ124はオンされる。このとき、増幅トランジスタ122における変換効率が低変換効率に設定される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、セル320から輝度信号を取得することができる。ここで、2つのフォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷およびフォトダイオードPD1、PD2からオーバーフローした電荷を低変換効率で検出することができ、ダイナミックレンジを向上させることができる。また、フォトダイオードPD1、PD2からオーバーフローした電荷をキャパシタ321に蓄積することができる。このため、HDRを実現しつつ、長時間露光を採用することが可能となり、LED光源を撮影した際に発生するフリッカを抑制することができる。 Next, at c in Figure 19, at timing P37 in Figure 17, the switching transistor 124 is turned on. At this time, the conversion efficiency of the amplifier transistor 122 is set to low. In this state, a luminance signal can be obtained from the cell 320 by reading out the pixel signal via the amplifier transistor 122. Here, the charges accumulated in the two photodiodes PD1 and PD2 and the charges overflowing from the photodiodes PD1 and PD2 can be detected with low conversion efficiency, improving the dynamic range. In addition, the charges overflowing from the photodiodes PD1 and PD2 can be stored in the capacitor 321. This makes it possible to use long exposure times while achieving HDR, and suppress flicker that occurs when photographing an LED light source.
図20は、第3の実施の形態に係る画素のレイアウト例を示す平面図、図21は、第3の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。なお、図21では、図20のB1-B2線に沿って切断した構成例を示した。 FIG. 20 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the third embodiment, and FIG. 21 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the third embodiment. Note that FIG. 21 shows an example of a configuration cut along line B1-B2 in FIG. 20.
図20および図21において、半導体基板SUBは、画素分離領域ISG1にてセル320ごとに分離される。画素分離領域ISG1は、セル320の境界に配置することができる。 In Figures 20 and 21, the semiconductor substrate SUB is separated into cells 320 by pixel isolation regions ISG1. The pixel isolation regions ISG1 can be arranged on the boundaries of the cells 320.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK3が設けられ、アクティブ領域AK3は素子分離領域ISA3にて素子分離される。アクティブ領域AK3には、フォトダイオードPD1、PD2、チャンネル領域および不純物拡散層DF23、DF24が形成される。不純物拡散層DF23、DF24には、フローティングディフュージョンFD1、FD2、画素トランジスタのソース層およびドレイン層が形成される。 An active region AK3 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK3 is isolated by an element isolation region ISA3. Photodiodes PD1 and PD2, a channel region, and impurity diffusion layers DF23 and DF24 are formed in the active region AK3. Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF23 and DF24.
アクティブ領域AK3上には、ゲート絶縁膜GZをそれぞれ介してゲート電極E1、E2、G21からG24およびアシスト電極325が形成される。アシスト電極325は、ゲート電極G21、G24間に配置される。 Gate electrodes E1, E2, G21 to G24 and an assist electrode 325 are formed on the active region AK3, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween. The assist electrode 325 is disposed between the gate electrodes G21 and G24.
なお、上述の第3の実施の形態では、RDTIに基づいて画素分離領域ISG1を形成した例を示したが、FFTIに基づいて画素分離領域ISG2を形成してもよい。 In the third embodiment described above, an example was shown in which pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
このように、上述の第3の実施の形態では、位相差情報の取得時にアシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1にオーバーフローした電荷をキャパシタ321に転送する。これにより、フォトダイオードPD1、PD2からフローティングディフュージョンFD1、FD2を介したキャパシタ321へのオーバーフローを可能としつつ、位相差情報の取得時にフローティングディフュージョンFD1の電荷を空にすることができる。このため、セルサイズの増大を抑制しつつ、位相差情報を取得することが可能となるとともに、DCG-HDRを実現することができる。 In this way, in the third embodiment described above, when phase difference information is acquired, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 325, and the charge that has overflowed into the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 321. This allows overflow from the photodiodes PD1 and PD2 to the capacitor 321 via the floating diffusions FD1 and FD2, while also emptying the charge in the floating diffusion FD1 when phase difference information is acquired. This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and also enables DCG-HDR to be achieved.
<4.第4の実施の形態>
上述の第3の実施の形態では、位相差情報の取得時にアシスト電極325を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1にオーバーフローした電荷をキャパシタ321に転送した。この第4の実施の形態では、フォトダイオードPD1からPD8の電荷蓄積時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を昇圧した後、位相差情報の取得時にアシスト電極を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1、FD2間で電荷を転送する。
4. Fourth embodiment
In the third embodiment described above, when phase difference information is acquired, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 325, and the charge that has overflowed into the floating diffusion FD1 is transferred to the capacitor 321. In this fourth embodiment, when charge is accumulated in the photodiodes PD1 to PD8, the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode, and then when phase difference information is acquired, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode, and the charge is transferred between the floating diffusions FD1 and FD2.
図22は、第4の実施の形態に係る固体撮像装置に設けられたセルの回路構成例を示す図である。 FIG. 22 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
同図において、セル420は、上述の第1の実施の形態のアシスト電極125に代えて、アシスト電極425を備える。また、セル420は、上述の第1の実施の形態のセル120にフォトダイオードPD3からPD8、転送トランジスタTG3からTG8、パストランジスタ127およびキャパシタ321が追加されている。第4の実施の形態のセル420のそれ以外の構成は、上述の第1の実施の形態のセル120の構成と同様である。 In the figure, cell 420 has an assist electrode 425 instead of the assist electrode 125 of the first embodiment described above. Furthermore, cell 420 has photodiodes PD3 to PD8, transfer transistors TG3 to TG8, pass transistor 127, and capacitor 321 added to cell 120 of the first embodiment described above. The rest of the configuration of cell 420 of the fourth embodiment is the same as the configuration of cell 120 of the first embodiment described above.
各フォトダイオードPD1からPD8は、光電変換を実施し、光電変換した電荷を蓄積する。このとき、フォトダイオードPD1からPD8は、位相差情報の取得に用いたり、輝度情報の取得に用いたりすることができる。ここで、フォトダイオードPD1、PD2をペアとして位相差情報を取得し、フォトダイオードPD3、PD4をペアとして位相差情報を取得し、フォトダイオードPD5、PD6をペアとして位相差情報を取得し、フォトダイオードPD7、PD8をペアとして位相差情報を取得することができる。各フォトダイオードPD1からPD8は、画素を構成することができる。これらの8個の画素は、同色画素を用いることができる。また、2行2列に配列された4つのセル420にてクワッドベイヤ配列を構成することができる。各転送トランジスタTG1からTG8は、各フォトダイオードPD1からPD8に蓄積された電荷をフローティングディフュージョンFD1に転送する。 Each photodiode PD1 to PD8 performs photoelectric conversion and accumulates the photoelectrically converted charge. At this time, photodiodes PD1 to PD8 can be used to acquire phase difference information or brightness information. Here, photodiodes PD1 and PD2 can be paired to acquire phase difference information, photodiodes PD3 and PD4 can be paired to acquire phase difference information, photodiodes PD5 and PD6 can be paired to acquire phase difference information, and photodiodes PD7 and PD8 can be paired to acquire phase difference information. Each photodiode PD1 to PD8 can form a pixel. These eight pixels can be pixels of the same color. Furthermore, a quad Bayer array can be formed with four cells 420 arranged in two rows and two columns. Each transfer transistor TG1 to TG8 transfers the charge accumulated in each photodiode PD1 to PD8 to the floating diffusion FD1.
アシスト電極425は、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストする。アシスト電極425は、フローティングディフュージョンFD1上に配置することができる。このとき、アシスト電極425は、フローティングディフュージョンFD1のポテンシャルを制御することができる。 The assist electrode 425 assists in the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2. The assist electrode 425 can be placed on the floating diffusion FD1. In this case, the assist electrode 425 can control the potential of the floating diffusion FD1.
パストランジスタ127は、各フォトダイオードPD1からPD8とキャパシタ321との間の電荷の転送パスをセル420に設定する。パストランジスタ127は、キャパシタ321に直列に接続される。このとき、パストランジスタ127は、キャパシタ321とフローティングディフュージョンFD2との間に接続することができる。 Pass transistor 127 establishes a charge transfer path between each of photodiodes PD1 to PD8 and capacitor 321 in cell 420. Pass transistor 127 is connected in series with capacitor 321. In this case, pass transistor 127 can be connected between capacitor 321 and floating diffusion FD2.
各転送トランジスタTG1からTG8は、各フォトダイオードPD1からPD8のカソードとフローティングディフュージョンFD1との間に接続される。このとき、フローティングディフュージョンFD1は、フォトダイオードPD1からPD8にて共有される。 Each transfer transistor TG1 to TG8 is connected between the cathode of each photodiode PD1 to PD8 and the floating diffusion FD1. In this case, the floating diffusion FD1 is shared by the photodiodes PD1 to PD8.
各転送トランジスタTG1からTG8のゲートには、転送信号TGL1からTGL8が印加される。アシスト電極425には、アシスト信号AST4が印加される。転送信号TGL1からTGL8およびアシスト信号AST4は、水平駆動線131を介してセル420に伝送することができる。 Transfer signals TGL1 to TGL8 are applied to the gates of the transfer transistors TG1 to TG8. An assist signal AST4 is applied to the assist electrode 425. The transfer signals TGL1 to TGL8 and the assist signal AST4 can be transmitted to the cell 420 via the horizontal drive line 131.
図23は、第4の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し動作の一例を示すタイミングチャートである。 FIG. 23 is a timing chart showing an example of a readout operation of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment.
同図において、この信号読出し処理では、高変換効率第1から第4P相読出し期間T41、T44、T47、T50、高変換効率第1から第8D相読出し期間T42、T43、T45、T46、T48、T49、T51、T52、D相一括読出し期間T53およびP相一括読出し期間T54が設けられる。アシスト制御部112Aは、これらの期間T41からT54で設定されるタイミングに基づいて、フローティングディフュージョンFD1、FD2間の電荷の転送をアシストすることができる。高変換効率第1から第4P相読出し期間T41、T44、T47、T50は、高変換効率についてCDS処理に用いるリセット信号を取得することができる。高変換効率第1から第8D相読出し期間T42、T43、T45、T46、T48、T49、T51、T52は、オートフォーカスに用いる位相差情報を取得することができる。D相一括読出し期間T53は、撮像画像に用いる輝度情報を取得することができる。P相一括読出し期間T54は、DDS処理に用いるリセット信号を取得することができる。 In the figure, this signal readout process includes high conversion efficiency first to fourth P-phase readout periods T41, T44, T47, and T50, high conversion efficiency first to eighth D-phase readout periods T42, T43, T45, T46, T48, T49, T51, and T52, a D-phase batch readout period T53, and a P-phase batch readout period T54. The assist control unit 112A can assist the transfer of charge between the floating diffusions FD1 and FD2 based on the timing set in these periods T41 to T54. During the high conversion efficiency first to fourth P-phase readout periods T41, T44, T47, and T50, reset signals used in CDS processing for high conversion efficiency can be obtained. High conversion efficiency: During the first to eighth D-phase readout periods T42, T43, T45, T46, T48, T49, T51, and T52, phase difference information used for autofocus can be obtained. During the D-phase batch readout period T53, brightness information used for captured images can be obtained. During the P-phase batch readout period T54, a reset signal used for DDS processing can be obtained.
高変換効率P相読出し期間T41前では、リセット信号RSTおよび転送信号TGL1からTGL8はロウレベルに設定され、リセットトランジスタ121および転送トランジスタTG1からTG8はオフされる。また、切替信号FDGおよびアシスト信号AST4がハイレベルに設定され、切替トランジスタ124がオンするとともに、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。このとき、入射光に基づいて各フォトダイオードPD1からPD8に電荷が蓄積されるとともに、各フォトダイオードPD1からPD8からオーバーフローした電荷はフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積される。 Before the high conversion efficiency P-phase readout period T41, the reset signal RST and transfer signals TGL1 to TGL8 are set to low level, and the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 to TG8 are turned off. Furthermore, the switching signal FDG and assist signal AST4 are set to high level, turning on the switching transistor 124 and lowering the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. At this time, charge is accumulated in each of the photodiodes PD1 to PD8 based on the incident light, and charge that overflows from each of the photodiodes PD1 to PD8 is accumulated in the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321.
そして、切替信号FDGが立ち下がり、切替トランジスタ124がオフしてフローティングディフュージョンFD1、FD2が互いに分離される。その後、アシスト信号AST4が立ち下がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷はフローティングディフュージョンFD2に転送される。さらに、切替信号FDGが立ち上がった後、切替信号FDGが立ち下がり、フローティングディフュージョンFD1に残っていた電荷はフローティングディフュージョンFD2に転送される。このとき、切替トランジスタ124がオフし、セル420の変換効率は高変換効率に設定される。 Then, the switching signal FDG falls, the switching transistor 124 turns off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other. After that, the assist signal AST4 falls, and the potential of the floating diffusion FD1 rises via the assist electrode 425. At this time, the charge accumulated in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2. After the switching signal FDG rises, the switching signal FDG falls, and the charge remaining in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2. At this time, the switching transistor 124 turns off, and the conversion efficiency of the cell 420 is set to high conversion efficiency.
次に、高変換効率第1P相読出し期間T41では、アシスト信号AST4が立ち上がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency first P-phase read period T41, the assist signal AST4 rises, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 425. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency P-phase level, and the high conversion efficiency P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第1D相読出し期間T42では、転送信号TGL1が立ち上がり、転送トランジスタTG1がオンしてフォトダイオードPD1に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL1が立ち下がり、転送トランジスタTG1がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第1D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第1D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第1D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency first D-phase readout period T42, the transfer signal TGL1 rises, the transfer transistor TG1 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signal TGL1 falls, and the transfer transistor TG1 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first D-phase level, and the high conversion efficiency first D-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第2D相読出し期間T43では、転送信号TGL1、TGL2が立ち上がり、転送トランジスタTG1、TG2がオンして各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL1、TGL2が立ち下がり、転送トランジスタTG1、TG2がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第2D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第2D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第2D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency second D-phase readout period T43, the transfer signals TGL1 and TGL2 rise, turning on the transfer transistors TG1 and TG2 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 and PD2 to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signals TGL1 and TGL2 fall, turning off the transfer transistors TG1 and TG2. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency second D-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency second D-phase level, and the high conversion efficiency second D-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第2P相読出し期間T44では、アシスト信号AST4が立ち下がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。また、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに接続され、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成される。このため、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFD2に転送され、フローティングディフュージョンFD1の電荷は空になる。その後、アシスト信号AST4が立ち上がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。また、切替信号FDGが立ち下がり、切替トランジスタ124がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに分離される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第1P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第1P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第1P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency second P-phase read period T44, the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency first P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency first P-phase level, and the high conversion efficiency first P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第3D相読出し期間T45では、転送信号TGL3が立ち上がり、転送トランジスタTG3がオンしてフォトダイオードPD3に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL3が立ち下がり、転送トランジスタTG3がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第3D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第3D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第3D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency third-phase readout period T45, the transfer signal TGL3 rises, the transfer transistor TG3 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD3 is transferred to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signal TGL3 falls, and the transfer transistor TG3 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency third-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency third-phase level, and the high conversion efficiency third-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第4D相読出し期間T46では、転送信号TGL3、TGL4が立ち上がり、転送トランジスタTG3、TG4がオンして各フォトダイオードPD3、PD4に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL3、TGL4が立ち下がり、転送トランジスタTG3、TG4がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第4D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第4D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第4D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency fourth-phase readout period T46, the transfer signals TGL3 and TGL4 rise, turning on the transfer transistors TG3 and TG4 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD3 and PD4 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL3 and TGL4 fall, turning off the transfer transistors TG3 and TG4. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency fourth-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency fourth-phase level, and the high conversion efficiency fourth-phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第3P相読出し期間T47では、アシスト信号AST4が立ち下がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。また、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに接続され、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成される。このため、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFD2に転送され、フローティングディフュージョンFD1の電荷は空になる。その後、アシスト信号AST4が立ち上がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。また、切替信号FDGが立ち下がり、切替トランジスタ124がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに分離される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第3P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第3P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第3P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency third P-phase read period T47, the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency third P-phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency third P-phase level, and the high conversion efficiency third P-phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第5D相読出し期間T48では、転送信号TGL5が立ち上がり、転送トランジスタTG5がオンしてフォトダイオードPD5に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL5が立ち下がり、転送トランジスタTG5がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第5D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第5D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第5D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency 5D phase readout period T48, the transfer signal TGL5 rises, the transfer transistor TG5 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD5 is transferred to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signal TGL5 falls, and the transfer transistor TG5 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 5D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 5D phase level, and the high conversion efficiency 5D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第6D相読出し期間T49では、転送信号TGL5、TGL6が立ち上がり、転送トランジスタTG5、TG6がオンして各フォトダイオードPD5、PD6に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL5、TGL6が立ち下がり、転送トランジスタTG5、TG6がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第6D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第6D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第6D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency 6D phase readout period T49, the transfer signals TGL5 and TGL6 rise, turning on the transfer transistors TG5 and TG6 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD5 and PD6 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL5 and TGL6 fall, turning off the transfer transistors TG5 and TG6. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 6D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 6D phase level, and the high conversion efficiency 6D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第4P相読出し期間T50では、アシスト信号AST4が立ち下がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。また、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに接続され、フローティングディフュージョンFD1からフローティングディフュージョンFD2へのポテンシャル勾配が形成される。このため、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷がフローティングディフュージョンFD2に転送され、フローティングディフュージョンFD1の電荷は空になる。その後、アシスト信号AST4が立ち上がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。また、切替信号FDGが立ち下がり、切替トランジスタ124がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに分離される。そして、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第4P相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第4P相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第4P相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency fourth P-phase read period T50, the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other, forming a potential gradient from the floating diffusion FD1 to the floating diffusion FD2. As a result, the charge stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the floating diffusion FD1 becomes empty. Thereafter, the assist signal AST4 rises, decreasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG falls, turning off the switching transistor 124. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are separated from each other. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency fourth P phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency fourth P phase level, and the high conversion efficiency fourth P phase level read from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第7D相読出し期間T51では、転送信号TGL7が立ち上がり、転送トランジスタTG7がオンしてフォトダイオードPD7に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL7が立ち下がり、転送トランジスタTG7がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第7D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第7D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第7D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency 7D phase readout period T51, the transfer signal TGL7 rises, the transfer transistor TG7 turns on, and the charge accumulated in the photodiode PD7 is transferred to the floating diffusion FD1. After that, the transfer signal TGL7 falls, and the transfer transistor TG7 turns off. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 7D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 7D phase level, and the high conversion efficiency 7D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、高変換効率第8D相読出し期間T52では、転送信号TGL7、TGL8が立ち上がり、転送トランジスタTG7、TG8がオンして各フォトダイオードPD7、PD8に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1に転送される。その後、転送信号TGL7、TGL8が立ち下がり、転送トランジスタTG7、TG8がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1の高変換効率第8D相レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、高変換効率第8D相レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出された高変換効率第8D相レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the high conversion efficiency 8D phase readout period T52, the transfer signals TGL7 and TGL8 rise, turning on the transfer transistors TG7 and TG8 and transferring the charge accumulated in each photodiode PD7 and PD8 to the floating diffusion FD1. Then, the transfer signals TGL7 and TGL8 fall, turning off the transfer transistors TG7 and TG8. At this time, the potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when the high conversion efficiency 8D phase level of the floating diffusion FD1 is applied to the gate of the amplification transistor 122. Then, in the column ADC unit 114A, a counting operation is performed based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the high conversion efficiency 8D phase level, and the high conversion efficiency 8D phase level read out from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、D相一括読出し期間T53では、アシスト信号AST4が立ち下がり、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。また、切替信号FDGが立ち上がり、切替トランジスタ124がオンしてセル420の変換効率は低変換効率に設定される。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2は互いに接続される。また、転送信号TGL1からTGL8が立ち上がり、転送トランジスタTG1からTG8がオンして各フォトダイオードPD1からPD8に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンFD1、FD2に転送される。その後、転送信号TGL1からTGL8が立ち下がり、転送トランジスタTG1からTG8がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積された電荷に基づいて増幅トランジスタ122のゲートに印加されるD相一括レベルが設定される。そして、このD相一括レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、D相一括レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出されたD相一括レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the D-phase batch read period T53, the assist signal AST4 falls, increasing the potential of the floating diffusion FD1 via the assist electrode 425. Furthermore, the switching signal FDG rises, turning on the switching transistor 124 and setting the conversion efficiency of the cell 420 to low conversion efficiency. At this time, the floating diffusions FD1 and FD2 are connected to each other. Furthermore, the transfer signals TGL1 to TGL8 rise, turning on the transfer transistors TG1 to TG8, and transferring the charge accumulated in each photodiode PD1 to PD8 to the floating diffusions FD1 and FD2. Thereafter, the transfer signals TGL1 to TGL8 fall, turning off the transfer transistors TG1 to TG8. At this time, the D-phase batch level applied to the gate of the amplification transistor 122 is set based on the charge accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321. The potential VSL of the vertical signal line 132 is set based on the source follower operation when this D-phase collective level is applied to the gate of the amplification transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the D-phase collective level, and the D-phase collective level read from the cell 420 is AD converted for each column.
次に、P相一括読出し期間T54では、リセット信号RSTが立ち上がり、リセットトランジスタ121がオンしてフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321がリセットされる。その後、リセット信号RSTが立ち下がり、リセットトランジスタ121がオフする。このとき、フローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321のリセット状態に基づいて増幅トランジスタ122のゲートに印加されるP相一括レベルが設定される。そして、このP相一括レベルが増幅トランジスタ122のゲートに印加された時のソースフォロワ動作に基づいて垂直信号線132の電位VSLが設定される。そして、カラムADC部114Aにおいて、P相一括レベルに応じた垂直信号線132の電位VSLに基づいてカウント動作が実施され、セル420から読出されたP相一括レベルがカラムごとにAD変換される。 Next, during the P-phase batch read period T54, the reset signal RST rises, turning on the reset transistor 121 and resetting the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. After that, the reset signal RST falls, turning off the reset transistor 121. At this time, the P-phase batch level applied to the gate of the amplifier transistor 122 is set based on the reset state of the floating diffusions FD1, FD2 and capacitor 321. The potential VSL of the vertical signal line 132 is then set based on the source follower operation when this P-phase batch level is applied to the gate of the amplifier transistor 122. The column ADC unit 114A then performs a counting operation based on the potential VSL of the vertical signal line 132 corresponding to the P-phase batch level, and the P-phase batch level read from the cell 420 is AD converted for each column.
図24および図25は、第4の実施の形態に係る固体撮像装置の読出し期間のポテンシャルの一例を示す図である。なお、図24におけるaからdおよび図25におけるaからdでは、図23のP41からP48のタイミングのポテンシャルの一例を示した。また、図24におけるaからdおよび図25におけるaからdでは、フォトダイオードPD1、転送トランジスタTG1およびフローティングディフュージョンFD1、FD2のポテンシャルの一例を示した。 FIGS. 24 and 25 are diagrams showing an example of potential during the readout period of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment. Note that a to d in FIG. 24 and a to d in FIG. 25 show an example of potential at the timings of P41 to P48 in FIG. 23. Also, a to d in FIG. 24 and a to d in FIG. 25 show an example of potential at the photodiode PD1, transfer transistor TG1, and floating diffusions FD1 and FD2.
図24におけるaにおいて、図23のタイミングP41では、リセットトランジスタ121および転送トランジスタTG1からTG8はオフされるとともに、切替トランジスタ124はオンされる。また、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが低下される。このとき、入射光に基づいて各フォトダイオードPD1からPD8に電荷EL1からEL8が蓄積されるとともに、各フォトダイオードPD1からPD8からオーバーフローした電荷EL1からEL8はフローティングディフュージョンFD1、FD2およびキャパシタ321に蓄積される。 In Figure 24a, at timing P41 in Figure 23, the reset transistor 121 and transfer transistors TG1 to TG8 are turned off, and the switching transistor 124 is turned on. In addition, the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 425. At this time, charges EL1 to EL8 are accumulated in each of the photodiodes PD1 to PD8 based on the incident light, and the charges EL1 to EL8 that overflow from each of the photodiodes PD1 to PD8 are accumulated in the floating diffusions FD1 and FD2 and the capacitor 321.
次に、図24におけるbにおいて、図23のタイミングP42では、切替トランジスタ124がオフされ、フローティングディフュージョンFD1、FD2が互いに分離される。 Next, at b in Figure 24, at timing P42 in Figure 23, the switching transistor 124 is turned off, and the floating diffusions FD1 and FD2 are isolated from each other.
次に、図24におけるcにおいて、図23のタイミングP43では、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1はフローティングディフュージョンFD2に転送される。 Next, at c in Figure 24, at timing P43 in Figure 23, the potential of floating diffusion FD1 is increased via assist electrode 425. At this time, the charge EL1 stored in floating diffusion FD1 is transferred to floating diffusion FD2.
次に、図24におけるdにおいて、図23のタイミングP44では、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1がフローティングディフュージョンFD2に転送されることにより、フローティングディフュージョンFD1の電荷EL1は空になる。 Next, at d in Figure 24, at timing P44 in Figure 23, the charge EL1 stored in the floating diffusion FD1 is transferred to the floating diffusion FD2, and the charge EL1 in the floating diffusion FD1 becomes empty.
次に、図25におけるaにおいて、図23のタイミングP45では、転送トランジスタTG1はオン、切替トランジスタ124はオフされる。このとき、フォトダイオードPD1に蓄積された電荷EL1がフローティングディフュージョンFD1に転送される。また、増幅トランジスタ122における変換効率が高変換効率に設定される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報をセル420から取得することができる。 Next, at a in Figure 25, at timing P45 in Figure 23, the transfer transistor TG1 is turned on and the switching transistor 124 is turned off. At this time, the charge EL1 accumulated in the photodiode PD1 is transferred to the floating diffusion FD1. In addition, the conversion efficiency of the amplification transistor 122 is set to high conversion efficiency. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, left-side phase difference information can be obtained from the cell 420.
次に、図25におけるbにおいて、図23のタイミングP46では、転送トランジスタTG2はオンされる。このとき、フォトダイオードPD2に蓄積された電荷EL2がフローティングディフュージョンFD1に転送される。このため、フローティングディフュージョンFD1には、各フォトダイオードPD1、PD2に蓄積された電荷EL1、EL2が保持される。この状態で増幅トランジスタ122を介して画素信号を読出すことにより、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果をセル320から取得することができる。そして、左側の位相差情報と右側の位相差情報との合算結果から左側の位相差情報を減算することにより、右側の位相差情報を取得することができる。 Next, at b in Figure 25, at timing P46 in Figure 23, the transfer transistor TG2 is turned on. At this time, the charge EL2 accumulated in the photodiode PD2 is transferred to the floating diffusion FD1. As a result, the charges EL1 and EL2 accumulated in the photodiodes PD1 and PD2 are held in the floating diffusion FD1. In this state, by reading out the pixel signal via the amplification transistor 122, the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information can be obtained from the cell 320. Then, by subtracting the left-side phase difference information from the sum of the left-side phase difference information and the right-side phase difference information, the right-side phase difference information can be obtained.
次に、図25におけるcにおいて、図23のタイミングP47では、アシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1のポテンシャルが上昇される。このとき、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1、EL2はフローティングディフュージョンFD2に転送される。 Next, at c in Figure 25, at timing P47 in Figure 23, the potential of floating diffusion FD1 is increased via assist electrode 425. At this time, the charges EL1 and EL2 stored in floating diffusion FD1 are transferred to floating diffusion FD2.
次に、図25におけるdにおいて、図23のタイミングP48では、フローティングディフュージョンFD1に蓄積されていた電荷EL1、EL2がフローティングディフュージョンFD2に転送されることにより、フローティングディフュージョンFD1の電荷EL1、EL2は空になる。 Next, at d in Figure 25, at timing P48 in Figure 23, the charges EL1 and EL2 stored in the floating diffusion FD1 are transferred to the floating diffusion FD2, and the charges EL1 and EL2 in the floating diffusion FD1 become empty.
図26は、第4の実施の形態に係る画素のレイアウト例を示す平面図、図27は、第4の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。なお、図27では、図26のC1-C2線に沿って切断した構成例を示した。 FIG. 26 is a plan view showing an example of a pixel layout according to the fourth embodiment, and FIG. 27 is a cross-sectional view showing an example of a pixel configuration according to the fourth embodiment. Note that FIG. 27 shows an example of a configuration cut along line C1-C2 in FIG. 26.
図26および図27において、半導体基板SUBは、画素分離領域ISG1にてセル420ごとに分離される。画素分離領域ISG1は、セル420の境界に配置することができる。 In Figures 26 and 27, the semiconductor substrate SUB is separated into cells 420 by pixel isolation regions ISG1. The pixel isolation regions ISG1 can be arranged at the boundaries of the cells 420.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK4が設けられ、アクティブ領域AK4は素子分離領域ISA4にて素子分離される。アクティブ領域AK4には、フォトダイオードPD1からPD8、チャンネル領域および不純物拡散層DF41からDF44が形成される。不純物拡散層DF43、DF44には、フローティングディフュージョンFD1、FD2、画素トランジスタのソース層およびドレイン層が形成される。 An active region AK4 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK4 is isolated by an element isolation region ISA4. Photodiodes PD1 to PD8, channel regions, and impurity diffusion layers DF41 to DF44 are formed in the active region AK4. Floating diffusions FD1 and FD2, and the source and drain layers of the pixel transistors are formed in the impurity diffusion layers DF43 and DF44.
フォトダイオードPD1、PD2は線対称に配置し、フォトダイオードPD3、PD4は線対称に配置し、フォトダイオードPD5、PD6は線対称に配置し、フォトダイオードPD7、PD8は線対称に配置することができる。ここで、各フォトダイオードPD1からPD8の平面形状は直角三角形とすることができる。このとき、フォトダイオードPD1、PD2をペアとして正方領域を形成し、フォトダイオードPD3、PD4をペアとして正方領域を形成し、フォトダイオードPD5、PD6をペアとして正方領域を形成し、フォトダイオードPD7、PD8をペアとして正方領域を形成することができる。また、これら4つの正方領域を含むように1つのより大きな正方領域を形成することができる。このとき、各フォトダイオードPD1、PD8の端部は、その対角方向に対向し、各フォトダイオードPD2、PD7の端部は、その対角方向に対向し、各フォトダイオードPD3、PD6の端部は、その対角方向に対向し、各フォトダイオードPD4、PD5の端部は、その対角方向に対向することができる。 Photodiodes PD1 and PD2 can be arranged line-symmetrically, photodiodes PD3 and PD4 can be arranged line-symmetrically, photodiodes PD5 and PD6 can be arranged line-symmetrically, and photodiodes PD7 and PD8 can be arranged line-symmetrically. Here, the planar shape of each photodiode PD1 to PD8 can be a right-angled triangle. In this case, photodiodes PD1 and PD2 can be paired to form a square region, photodiodes PD3 and PD4 can be paired to form a square region, photodiodes PD5 and PD6 can be paired to form a square region, and photodiodes PD7 and PD8 can be paired to form a square region. It is also possible to form one larger square region to include these four square regions. In this case, the ends of each photodiode PD1 and PD8 can face each other in the diagonal direction, the ends of each photodiode PD2 and PD7 can face each other in the diagonal direction, the ends of each photodiode PD3 and PD6 can face each other in the diagonal direction, and the ends of each photodiode PD4 and PD5 can face each other in the diagonal direction.
不純物拡散層DF41は、N-型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF41は、フォトダイオードPD1からPD8の位置に配置することができる。不純物拡散層DF42は、N型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF42は、不純物拡散層DF41内に配置することができる。不純物拡散層DF42は、フォトダイオードPD1からPD8および転送トランジスタTG1からTG8のチャンネル領域の位置に配置することができる。不純物拡散層DF43は、N型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF43は、リセットトランジスタ121、増幅トランジスタ122、選択トランジスタ123、切替トランジスタ124およびパストランジスタ127のチャンネル領域の位置に配置することができる。また、不純物拡散層DF43には、フローティングディフュージョンFD1、FD2を形成することができる。不純物拡散層DF44は、N+型不純物拡散層を用いることができる。不純物拡散層DF44は、画素トランジスタのソース層やドレイン層の位置に配置することができる。 The impurity diffusion layer DF41 can be an N - type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF41 can be disposed at the position of the photodiodes PD1 to PD8. The impurity diffusion layer DF42 can be an N-type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF42 can be disposed within the impurity diffusion layer DF41. The impurity diffusion layer DF42 can be disposed at the position of the channel regions of the photodiodes PD1 to PD8 and the transfer transistors TG1 to TG8. The impurity diffusion layer DF43 can be an N-type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF43 can be disposed at the position of the channel regions of the reset transistor 121, the amplification transistor 122, the selection transistor 123, the switching transistor 124, and the pass transistor 127. Furthermore, floating diffusions FD1 and FD2 can be formed in the impurity diffusion layer DF43. The impurity diffusion layer DF44 can be an N + type impurity diffusion layer. The impurity diffusion layer DF44 can be disposed at the position of the source layer or drain layer of the pixel transistor.
アクティブ領域AK4上には、ゲート絶縁膜GZをそれぞれ介してゲート電極E41からE48、G41からG45およびアシスト電極425が形成される。アシスト電極425は、フォトダイオードPD1からPD8で囲まれる位置に配置される。各ゲート電極E41からE48は、各フォトダイオードPD1からPD8の端部にそれぞれ配置することができる。ここで、ゲート電極E41からE48は、アシスト電極425に隣接して配置することができる。このとき、各ゲート電極E41からE48は、各フォトダイオードPD1からPD8とアシスト電極425との間に配置することができる。ゲート電極E41からE48下には、不純物拡散層DF42が形成され、ゲート電極G41からG45およびアシスト電極425下には、不純物拡散層DF43が形成される。ゲート電極G42、G43は、互いに隣接して配置される。ゲート電極G41、G44は、互いに隣接して配置される。各ゲート電極E41からE48は、転送トランジスタTG1からTG8にそれぞれ用いられる。ゲート電極G41は、リセットトランジスタ121に用いられる。ゲート電極G42は、増幅トランジスタ122に用いられる。ゲート電極G43は、選択トランジスタ123に用いられる。ゲート電極G44は、切替トランジスタ124に用いられる。ゲート電極G45は、パストランジスタ127に用いられる。 Gate electrodes E41 to E48, G41 to G45, and assist electrode 425 are formed on active region AK4, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween. Assist electrode 425 is arranged in a position surrounded by photodiodes PD1 to PD8. Each gate electrode E41 to E48 can be arranged at the end of each photodiode PD1 to PD8. Here, gate electrodes E41 to E48 can be arranged adjacent to assist electrode 425. In this case, each gate electrode E41 to E48 can be arranged between each photodiode PD1 to PD8 and assist electrode 425. An impurity diffusion layer DF42 is formed below gate electrodes E41 to E48, and an impurity diffusion layer DF43 is formed below gate electrodes G41 to G45 and assist electrode 425. Gate electrodes G42 and G43 are arranged adjacent to each other. Gate electrodes G41 and G44 are arranged adjacent to each other. Gate electrodes E41 to E48 are used for transfer transistors TG1 to TG8, respectively. Gate electrode G41 is used for the reset transistor 121. Gate electrode G42 is used for the amplification transistor 122. Gate electrode G43 is used for the selection transistor 123. Gate electrode G44 is used for the switching transistor 124. Gate electrode G45 is used for the pass transistor 127.
フォトダイオードPD2、PD3間には、コンタクトCN41が配置される。ゲート電極G43の横には、コンタクトCN42が配置される。ゲート電極G41の横には、コンタクトCN43が配置される。ゲート電極G45の横には、コンタクトCN44が配置される。コンタクトCN41には、接地電位が印加される。コンタクトCN42には、垂直信号線132の電位VSLが印加される。コンタクトCN43には、電源電位VDDが印加される。コンタクトCN44には、キャパシタ321が接続加される。 A contact CN41 is arranged between photodiodes PD2 and PD3. A contact CN42 is arranged next to gate electrode G43. A contact CN43 is arranged next to gate electrode G41. A contact CN44 is arranged next to gate electrode G45. A ground potential is applied to contact CN41. A potential VSL of vertical signal line 132 is applied to contact CN42. A power supply potential VDD is applied to contact CN43. A capacitor 321 is connected to contact CN44.
なお、上述の第4の実施の形態では、RDTIに基づいて画素分離領域ISG1を形成した例を示したが、FFTIに基づいて画素分離領域ISG2を形成してもよい。 In the fourth embodiment described above, an example was shown in which pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
このように、上述の第4の実施の形態では、フォトダイオードPD1からPD8の電荷蓄積時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を昇圧し、位相差情報の取得時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1、FD2間で電荷を転送する。これにより、フォトダイオードPD1からPD8からフローティングディフュージョンFD1、FD2を介したキャパシタ321へのオーバーフローを可能としつつ、位相差情報の取得時にフローティングディフュージョンFD1の電荷を空にすることができる。このため、セルサイズの増大を抑制しつつ、位相差情報を取得することが可能となるとともに、DCG-HDRを実現することができる。 In this way, in the fourth embodiment described above, the potential of the floating diffusion FD1 is boosted via the assist electrode 425 when charge is accumulated in the photodiodes PD1 to PD8, and the potential of the floating diffusion FD1 is lowered via the assist electrode 425 when phase difference information is acquired, transferring charge between the floating diffusions FD1 and FD2. This allows overflow from the photodiodes PD1 to PD8 to the capacitor 321 via the floating diffusions FD1 and FD2, while also emptying the charge in the floating diffusion FD1 when phase difference information is acquired. This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and achieves DCG-HDR.
<5.第5の実施の形態>
上述の第4の実施の形態では、フォトダイオードPD1からPD8の電荷蓄積時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を昇圧し、位相差情報の取得時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1、FD2間で電荷を転送した。この第5の実施の形態では、フォトダイオードPD1からPD8の電荷蓄積時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を昇圧し、位相差情報の取得時にアシスト電極425を介してフローティングディフュージョンFD1の電位を降圧し、フローティングディフュージョンFD1、FD2間で電荷を転送するとともに、オーバーフローを制御するオーバーフロー制御トランジスタを設ける。
5. Fifth embodiment
In the above-described fourth embodiment, when charge is accumulated in the photodiodes PD1 to PD8, the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode 425, and when phase difference information is acquired, the potential of the floating diffusion FD1 is decreased via the assist electrode 425, and charge is transferred between the floating diffusions FD1 and FD2. In this fifth embodiment, when charge is accumulated in the photodiodes PD1 to PD8, the potential of the floating diffusion FD1 is increased via the assist electrode 425, and when phase difference information is acquired, the potential of the floating diffusion FD1 is decreased via the assist electrode 425, and charge is transferred between the floating diffusions FD1 and FD2, and an overflow control transistor is provided to control overflow.
図28は、第5の実施の形態に係る固体撮像装置に設けられたセルの回路構成例を示す図である。 FIG. 28 is a diagram showing an example of the circuit configuration of a cell provided in a solid-state imaging device according to the fifth embodiment.
同図において、セル520は、上述の第4の実施の形態のセル420にオーバーフロー制御トランジスタTF1、TF2が追加されている。第5の実施の形態のセル520のそれ以外の構成は、上述の第4の実施の形態のセル420の構成と同様である。 In the same figure, cell 520 is the same as cell 420 of the fourth embodiment described above, with overflow control transistors TF1 and TF2 added. The rest of the configuration of cell 520 of the fifth embodiment is the same as the configuration of cell 420 of the fourth embodiment described above.
オーバーフロー制御トランジスタTF1は、フォトダイオードPD1からPD4からキャパシタ321への電荷のオーバーフローを制御する。オーバーフロー制御トランジスタTF2は、フォトダイオードPD5からPD8からキャパシタ321への電荷のオーバーフローを制御する。オーバーフロー制御トランジスタTF1は、各転送トランジスタTG1からTG4のドレインとキャパシタ321との間に接続される。オーバーフロー制御トランジスタTF2は、各転送トランジスタTG5からTG8のドレインとキャパシタ321との間に接続される。オーバーフロー制御トランジスタTF1、TF2はMOSトランジスタでもよい。各オーバーフロー制御トランジスタTF1、TF2のゲートには、オーバーフロー制御電圧OFG1、OFG2が印加される。オーバーフロー制御電圧OFG1、OFG2は、固定電位でもよい。オーバーフロー制御トランジスタTF1、TF2を設けることにより、フローティングディフュージョンFD1、FD2を介することなく、フォトダイオードPD1からPD8からキャパシタ321へ電荷をオーバーフローさせることができる。 The overflow control transistor TF1 controls the overflow of charge from the photodiodes PD1 to PD4 to the capacitor 321. The overflow control transistor TF2 controls the overflow of charge from the photodiodes PD5 to PD8 to the capacitor 321. The overflow control transistor TF1 is connected between the drain of each transfer transistor TG1 to TG4 and the capacitor 321. The overflow control transistor TF2 is connected between the drain of each transfer transistor TG5 to TG8 and the capacitor 321. The overflow control transistors TF1 and TF2 may be MOS transistors. Overflow control voltages OFG1 and OFG2 are applied to the gates of each overflow control transistor TF1 and TF2. The overflow control voltages OFG1 and OFG2 may be fixed potentials. By providing the overflow control transistors TF1 and TF2, charge can be overflowed from the photodiodes PD1 to PD8 to the capacitor 321 without passing through the floating diffusions FD1 and FD2.
なお、セル520の読出し動作はセル420の読出し動作と同様に実施することができる。このとき、セル520は、図23のタイミングに従って読出し動作を実施することができる。 Note that the read operation of cell 520 can be performed in the same way as the read operation of cell 420. At this time, cell 520 can perform the read operation according to the timing shown in Figure 23.
図29は、第5の実施の形態に係る画素の第1のレイアウト例を示す平面図、図30は、第5の実施の形態に係る画素の第1の構成例を示す断面図である。また、図31は、第5の実施の形態に係る画素の第2のレイアウト例を示す平面図、図32は第5の実施の形態に係る画素の第2の構成例を示す断面図である。図29と図31の違いはアシスト電極525にくり抜きを設けている点が差分点になる。図31ではアシスト電極525にくり抜きを設けることでFD1の寄生容量を低減し、変換効率を高めることができる。なお、図30および図32では、図29および図31のC1-C2線にそれぞれ沿って切断した構成例を示した。 FIG. 29 is a plan view showing a first example layout of a pixel according to the fifth embodiment, and FIG. 30 is a cross-sectional view showing a first example configuration of a pixel according to the fifth embodiment. Also, FIG. 31 is a plan view showing a second example layout of a pixel according to the fifth embodiment, and FIG. 32 is a cross-sectional view showing the second example configuration of a pixel according to the fifth embodiment. The difference between FIG. 29 and FIG. 31 is that a cutout is provided in the assist electrode 525. In FIG. 31, providing a cutout in the assist electrode 525 reduces the parasitic capacitance of FD1, thereby improving conversion efficiency. Note that FIGS. 30 and 32 show example configurations cut along lines C1-C2 in FIGS. 29 and 31, respectively.
図29から図32において、半導体基板SUBは、画素分離領域ISG1にてセル520ごとに分離される。画素分離領域ISG1は、セル520の境界に配置することができる。 In Figures 29 to 32, the semiconductor substrate SUB is separated into cells 520 by pixel isolation regions ISG1. The pixel isolation regions ISG1 can be arranged on the boundaries of the cells 520.
半導体基板SUBには、アクティブ領域AK5が設けられ、アクティブ領域AK5は素子分離領域ISA5にて素子分離される。アクティブ領域AK5には、フォトダイオードPD1からPD8、チャンネル領域および不純物拡散層DF41からDF44が形成される。 An active region AK5 is provided on the semiconductor substrate SUB, and the active region AK5 is isolated by an element isolation region ISA5. Photodiodes PD1 to PD8, channel regions, and impurity diffusion layers DF41 to DF44 are formed in the active region AK5.
アクティブ領域AK5上には、ゲート絶縁膜GZをそれぞれ介してゲート電極E41からE48、G41からG45、F1、F2およびアシスト電極525が形成される。アシスト電極525は、フォトダイオードPD1からPD8で囲まれる位置に配置される。第2の例では、図31および図32に示すように、アシスト電極525には、開口部K5が形成される。開口部K5は、アシスト電極525の中央に配置することができる。開口部K5には、フローティングディフュージョンFD1を配置することができる。 Gate electrodes E41 to E48, G41 to G45, F1, F2, and an assist electrode 525 are formed on the active region AK5, each with a gate insulating film GZ interposed therebetween. The assist electrode 525 is disposed in a position surrounded by the photodiodes PD1 to PD8. In a second example, as shown in Figures 31 and 32, an opening K5 is formed in the assist electrode 525. The opening K5 can be disposed in the center of the assist electrode 525. A floating diffusion FD1 can be disposed in the opening K5.
ゲート電極F1は、フォトダイオードPD2、PD3間に配置することができる。このとき、コンタクトCN41は、ゲート電極F1とアシスト電極525との間に配置することができる。ゲート電極F2は、フォトダイオードPD6、PD7間に配置することができる。このとき、コンタクトCN44は、ゲート電極F2、G45間に配置することができる。 Gate electrode F1 can be arranged between photodiodes PD2 and PD3. In this case, contact CN41 can be arranged between gate electrode F1 and assist electrode 525. Gate electrode F2 can be arranged between photodiodes PD6 and PD7. In this case, contact CN44 can be arranged between gate electrodes F2 and G45.
なお、上述の第5の実施の形態では、RDTIに基づいて画素分離領域ISG1を形成した例を示したが、FFTIに基づいて画素分離領域ISG2を形成してもよい。 In the fifth embodiment described above, an example was shown in which pixel isolation region ISG1 was formed based on RDTI, but pixel isolation region ISG2 may also be formed based on FFTI.
このように、上述の第5の実施の形態では、上述の第5の実施の形態にオーバーフロー制御トランジスタTF1、TF2を追加する。これにより、フォトダイオードPD1からPD8からキャパシタ321へのオーバーフローを制御可能としつつ、位相差情報の取得時にフローティングディフュージョンFD1の電荷を空にすることができる。このため、セルサイズの増大を抑制しつつ、位相差情報を取得することが可能となるとともに、DCG-HDRを実現することができる。 In this way, in the fifth embodiment described above, overflow control transistors TF1 and TF2 are added to the fifth embodiment described above. This makes it possible to control overflow from photodiodes PD1 to PD8 to capacitor 321, while also emptying the charge in floating diffusion FD1 when acquiring phase difference information. This makes it possible to acquire phase difference information while suppressing an increase in cell size, and also enables DCG-HDR to be achieved.
<6.第6の実施の形態>
上述の第1の実施の形態では、アシスト電極125を介してフローティングディフュージョンFD2のポテンシャルを制御し、低変換効率での位相差情報の取得を可能とした。この第6の実施の形態では、画素がマトリックス状に配列された画素アレイ部が設けられた半導体チップを積層化する。
6. Sixth embodiment
In the first embodiment described above, it is possible to acquire phase difference information at low conversion efficiency by controlling the potential of the floating diffusion FD2 via the assist electrode 125. In this sixth embodiment, semiconductor chips each having a pixel array section in which pixels are arranged in a matrix are stacked.
図33は、第6の実施の形態に係る画素アレイ部の積層例を示す斜視図である。 Figure 33 is a perspective view showing an example of the stacking of a pixel array unit according to the sixth embodiment.
同図において、固体撮像装置は、半導体チップ921、922を備える。半導体チップ922は、半導体チップ921上に積層される。 In the same figure, the solid-state imaging device includes semiconductor chips 921 and 922. Semiconductor chip 922 is stacked on semiconductor chip 921.
半導体チップ922には、画素アレイ部923が形成される。画素アレイ部923には、画素931がロウ方向およびカラム方向にマトリックス状に配置される。画素931は、図3のセル120を設けてもよいし、図10の画素220を設けてもよいし、図16のセル320を設けてもよいし、図22のセル420を設けてもよいし、図28のセル520を設けてもよい。画素アレイ部923の周辺には、パッド電極932およびビア電極933が形成される。ビア電極933は、半導体チップ922を貫通し、半導体チップ921、922同士を電気的に接続することができる。 A pixel array section 923 is formed in the semiconductor chip 922. In the pixel array section 923, pixels 931 are arranged in a matrix in the row and column directions. The pixel 931 may be cell 120 of FIG. 3, pixel 220 of FIG. 10, cell 320 of FIG. 16, cell 420 of FIG. 22, or cell 520 of FIG. 28. Pad electrodes 932 and via electrodes 933 are formed around the periphery of the pixel array section 923. The via electrodes 933 pass through the semiconductor chip 922 and can electrically connect the semiconductor chips 921 and 922 to each other.
半導体チップ921には、周辺回路924が形成される。周辺回路924には、カラム読出し回路925、カラムADC926、通信インタフェース927および発振回路928が形成される。カラム読出し回路925およびカラムADC926は、画素アレイ部923のカラム方向の両側の位置に対応するように形成してもよい。カラムADC926には、上述の第1から第11の実施の形態のいずれかのAD変換部を設けることができる。 A peripheral circuit 924 is formed on the semiconductor chip 921. A column readout circuit 925, a column ADC 926, a communication interface 927, and an oscillator circuit 928 are formed in the peripheral circuit 924. The column readout circuit 925 and the column ADC 926 may be formed so as to correspond to positions on both sides of the pixel array unit 923 in the column direction. The column ADC 926 can be provided with an AD conversion unit according to any of the first to eleventh embodiments described above.
半導体チップ921、922は、直接接合してもよい。半導体チップ921、922の直接接合では、ハイブリッドボンディングを用いることができる。このとき、半導体チップ921、922は、Cu-Cu接続に基づいて電気的に接続してもよい。半導体チップ921、922に用いられる半導体基板の材料は、Siでもよいし、InGaAsでもよいし、InPでもよい。 The semiconductor chips 921 and 922 may be directly bonded. Hybrid bonding can be used to directly bond the semiconductor chips 921 and 922. In this case, the semiconductor chips 921 and 922 may be electrically connected based on a Cu-Cu connection. The material of the semiconductor substrate used for the semiconductor chips 921 and 922 may be Si, InGaAs, or InP.
このように、上述の第6の実施の形態では、画素アレイ部923が形成される半導体チップ922を、周辺回路924が形成される半導体チップ921上に積層する。これにより、固体撮像装置が形成された半導体チップの実装面積の増大を抑制しつつ、固体撮像装置の感度を増大させることが可能となる。 In this way, in the sixth embodiment described above, the semiconductor chip 922 on which the pixel array section 923 is formed is stacked on the semiconductor chip 921 on which the peripheral circuit 924 is formed. This makes it possible to increase the sensitivity of the solid-state imaging device while suppressing an increase in the mounting area of the semiconductor chip on which the solid-state imaging device is formed.
<7.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。
<7. Mobile application examples>
The technology according to the present disclosure (the present technology) can be applied to various products. For example, the technology according to the present disclosure may be realized as a device mounted on any type of moving body, such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, personal mobility, an airplane, a drone, a ship, or a robot.
図34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。 Figure 34 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile object control system to which the technology disclosed herein can be applied.
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34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。 The vehicle control system 12000 includes multiple electronic control units connected via a communication network 12001. In the example shown in FIG. 34, the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside vehicle information detection unit 12030, an inside vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050. The functional configuration of the integrated control unit 12050 also includes a microcomputer 12051, an audio/video output unit 12052, and an in-vehicle network I/F (interface) 12053.
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。 The drivetrain control unit 12010 controls the operation of devices related to the vehicle's drivetrain in accordance with various programs. For example, the drivetrain control unit 12010 functions as a control device for a driveforce generating device such as an internal combustion engine or drive motor that generates vehicle driveforce, a driveforce transmission mechanism that transmits driveforce to the wheels, a steering mechanism that adjusts the vehicle's steering angle, and a braking device that generates vehicle braking force.
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。 The body system control unit 12020 controls the operation of various devices installed in the vehicle body according to various programs. For example, the body system control unit 12020 functions as a control device for a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or various lamps such as headlamps, backup lamps, brake lamps, turn signals, and fog lamps. In this case, radio waves transmitted from a portable device that serves as a key or signals from various switches can be input to the body system control unit 12020. The body system control unit 12020 accepts these radio waves or signal inputs and controls the vehicle's door lock device, power window device, lamps, etc.
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。 The outside vehicle information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000. For example, the outside vehicle information detection unit 12030 is connected to an imaging unit 12031. The outside vehicle information detection unit 12030 causes the imaging unit 12031 to capture images outside the vehicle and receives the captured images. The outside vehicle information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing for people, cars, obstacles, signs, characters on the road surface, etc. based on the received images.
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、可視光であってもよいし、赤外線等の非可視光であってもよい。 The imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electrical signal according to the amount of light received. The imaging unit 12031 can output the electrical signal as an image, or as distance measurement information. Furthermore, the light received by the imaging unit 12031 may be visible light, or may be invisible light such as infrared light.
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。 The in-vehicle information detection unit 12040 detects information inside the vehicle. Connected to the in-vehicle information detection unit 12040 is, for example, a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state. The driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that captures an image of the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 may calculate the driver's level of fatigue or concentration based on the detection information input from the driver state detection unit 12041, or may determine whether the driver is dozing off.
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。 The microcomputer 12051 can calculate control target values for the driving force generating device, steering mechanism, or braking device based on information inside and outside the vehicle acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, and output control commands to the drive system control unit 12010. For example, the microcomputer 12051 can perform cooperative control aimed at realizing the functions of an ADAS (Advanced Driver Assistance System), including vehicle collision avoidance or impact mitigation, following driving based on the distance between vehicles, maintaining vehicle speed, vehicle collision warning, or vehicle lane departure warning.
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。 In addition, the microcomputer 12051 controls the driving force generating device, steering mechanism, braking device, etc. based on information about the vehicle's surroundings acquired by the outside vehicle information detection unit 12030 or the inside vehicle information detection unit 12040, thereby enabling cooperative control aimed at autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
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。 In addition, the microcomputer 12051 can output control commands to the body system control unit 12020 based on information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030. For example, the microcomputer 12051 can control the headlamps according to the position of a preceding vehicle or an oncoming vehicle detected by the vehicle exterior information detection unit 12030, and perform cooperative control aimed at preventing glare, such as switching from high beams to low beams.
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34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。 The audio/video output unit 12052 transmits at least one audio and/or video output signal to an output device capable of visually or audibly notifying vehicle occupants or the outside of the vehicle of information. In the example of FIG. 34, an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices. The display unit 12062 may include, for example, at least one of an on-board display and a head-up display.
図35は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。 Figure 35 shows an example of the installation position of the imaging unit 12031.
図35では、撮像部12031として、撮像部12101,12102,12103,12104,12105を有する。 In Figure 35, the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
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。 The imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105 are provided, for example, on the front nose, side mirrors, rear bumper, back door, and the top of the windshield inside the vehicle cabin of the vehicle 12100. The imaging unit 12101 provided on the front nose and the imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin mainly capture images of the front of the vehicle 12100. The imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors mainly capture images of the sides of the vehicle 12100. The imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door mainly captures images of the rear of the vehicle 12100. The imaging unit 12105 provided on the top of the windshield inside the vehicle cabin is mainly used to detect leading vehicles, pedestrians, obstacles, traffic lights, traffic signs, lanes, etc.
なお、図35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。 Note that Figure 35 shows an example of the imaging ranges of imaging units 12101 to 12104. Imaging range 12111 indicates the imaging range of imaging unit 12101 provided on the front nose, imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively, and imaging range 12114 indicates the imaging range of imaging unit 12104 provided on the rear bumper or back door. For example, by overlaying the image data captured by imaging units 12101 to 12104, an overhead image of vehicle 12100 viewed from above can be obtained.
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。 At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may have a function for acquiring distance information. For example, at least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be a stereo camera consisting of multiple image capturing elements, or an image capturing element having pixels for phase difference detection.
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。 For example, based on distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, the microcomputer 12051 can calculate the distance to each three-dimensional object within the imaging ranges 12111 to 12114 and the change in this distance over time (relative speed with respect to the vehicle 12100), thereby extracting as a preceding vehicle, in particular, the closest three-dimensional object on the path of the vehicle 12100 that is traveling in approximately the same direction as the vehicle 12100 at a predetermined speed (e.g., 0 km/h or higher). Furthermore, the microcomputer 12051 can set the inter-vehicle distance that should be maintained in advance in front of the preceding vehicle, and perform automatic braking control (including follow-up stop control) and automatic acceleration control (including follow-up start control). In this way, cooperative control can be performed for the purpose of autonomous driving, which allows the vehicle to travel autonomously without relying on driver operation.
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。 For example, based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, the microcomputer 12051 can classify and extract three-dimensional object data regarding three-dimensional objects into categories such as motorcycles, standard vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects, and use this data for automatic obstacle avoidance. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into those that are visible to the driver of the vehicle 12100 and those that are difficult to see. The microcomputer 12051 then determines the collision risk, which indicates the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or exceeds a set value and a collision is possible, it can provide driving assistance to avoid a collision by outputting an alarm to the driver via the audio speaker 12061 or the display unit 12062, or by performing forced deceleration or evasive steering via the drivetrain control unit 12010.
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。 At least one of the image capturing units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays. For example, the microcomputer 12051 can recognize pedestrians by determining whether or not a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104. Such pedestrian recognition is performed, for example, by extracting feature points in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 as infrared cameras, and performing pattern matching processing on a series of feature points that indicate the outline of an object to determine whether or not the object is a pedestrian. When the microcomputer 12051 determines that a pedestrian is present in the images captured by the image capturing units 12101 to 12104 and recognizes the pedestrian, the audio/video output unit 12052 controls the display unit 12062 to superimpose a rectangular outline on the recognized pedestrian for emphasis. The audio/video output unit 12052 may also control the display unit 12062 to display an icon or the like indicating the pedestrian in a desired position.
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、例えば、上述の第1から第10の実施の形態の撮像装置は、撮像部12031に適用することができる。車両制御システム12000に本開示に係る技術を適用することにより、ダイナミックレンジを拡大したり、オートフォーカスの信頼性を向上させたり、フリカを抑制したりすることができる。 The foregoing describes an example of a vehicle control system to which the technology disclosed herein can be applied. The technology disclosed herein can be applied to the imaging unit 12031 of the configuration described above. Specifically, for example, the imaging devices of the first to tenth embodiments described above can be applied to the imaging unit 12031. By applying the technology disclosed herein to the vehicle control system 12000, it is possible to expand the dynamic range, improve the reliability of autofocus, and suppress flicker.
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。また、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。 Note that the above-described embodiment is merely an example of how the present technology can be realized, and there is a corresponding relationship between the particulars in the embodiment and the particulars specifying the invention in the claims. Similarly, there is a corresponding relationship between the particulars specifying the invention in the claims and the particulars in the embodiment of the present technology that have the same title. However, the present technology is not limited to the embodiment, and can be realized by making various modifications to the embodiment without departing from the gist of the technology. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present.
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)光電変換部から電荷が転送される第1フローティングディフュージョンと、
前記第1フローティングディフュージョンに接続可能な第2フローティングディフュージョンと、
前記第1フローティングディフュージョンと前記第2フローティングディフュージョンとの間の電荷の転送をアシストするアシスト電極と
を備える撮像装置。
(2)前記アシスト電極は、前記第1フローティングディフュージョン上に配置される
前記(1)に記載の撮像装置。
(3)前記アシスト電極は、前記第2フローティングディフュージョン上に配置される
前記(1)または(2)に記載の撮像装置。
(4)前記第1フローティングディフュージョンを共有する複数の画素と、
前記第1フローティングディフュージョンおよび前記第2フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタと、
前記第1フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択する選択トランジスタと
をさらに備える前記(1)から(3)のいずれか請求項1に記載の撮像装置
。
(5)前記増幅トランジスタにおける変換効率を切り替える切替トランジスタ
をさらに備える前記(4)に記載の撮像装置。
(6)位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、輝度情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を降圧するアシスト制御部
をさらに備える前記(5)に記載の撮像装置。
(7)前記画素で光電変換された電荷を蓄積するキャパシタ
をさらに備える前記(5)に記載の撮像装置。
(8)フレームを分割したサブフレームごとに前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記キャパシタに転送するアシスト制御部
をさらに備える前記(7)に記載の撮像装置。
(9)前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンにオーバーフローした電荷を前記キャパシタに転送するアシスト制御部
をさらに備える前記(7)に記載の撮像装置。
(10)前記光電変換部の電荷の蓄積時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記第2フローティングディフュージョンに転送するアシスト制御部
をさらに備える前記(7)に記載の撮像装置。
(11)前記アシスト制御部は、輝度信号の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記キャパシタに転送する
前記(10)に記載の撮像装置。
(12)前記画素はクワッドベイヤ配列である
前記(11)に記載の撮像装置。
(13)前記画素から前記キャパシタへのオーバーフローを制御するオーバーフロー制御トランジスタ
をさらに備える前記(11)または(12)に記載の撮像装置。
(14)光電変換部から電荷が転送される第1フローティングディフュージョン上または前記第1フローティングディフュージョンに接続可能な第2フローティングディフュージョン上に設けられたアシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンまたは前記第2フローティングディフュージョンの電位を制御し、前記第1フローティングディフュージョンと前記第2フローティングディフュージョンとの間の電荷の転送をアシストする撮像方法。
(15)前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、
電荷を電圧に変換する変換効率の低下時に位相差情報に用いられる画素信号を前記画素から読出し、
前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を降圧して前記第2フローティングディフュージョンから前記第1フローティングディフュージョンに電荷を転送し、
前記変換効率の上昇時に輝度情報に用いられる画素信号を前記第1フローティングディフュージョンから読出す
前記(14)に記載の撮像方法。
(16)フレームを分割したサブフレームごとに前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記キャパシタに転送し、
前記キャパシタに転送された電荷を前記フレームごとに読出す
前記(14)に記載の撮像方法。
(17)前記光電変換部の電荷の蓄積時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を昇圧し、
位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、
前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記第2フローティングディフュージョンに転送する
前記(14)に記載の撮像方法。
The present technology can also be configured as follows.
(1) a first floating diffusion to which charges are transferred from the photoelectric conversion unit;
a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion;
an assist electrode that assists the transfer of charges between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
(2) The imaging device according to (1), wherein the assist electrode is disposed on the first floating diffusion.
(3) The imaging device according to (1) or (2), wherein the assist electrode is disposed on the second floating diffusion.
(4) a plurality of pixels sharing the first floating diffusion;
a reset transistor that resets the first floating diffusion and the second floating diffusion;
an amplifying transistor that outputs a signal according to the potential of the first floating diffusion;
The imaging device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a selection transistor that selects an output of the amplification transistor.
(5) The imaging device according to (4), further comprising a switching transistor that switches the conversion efficiency of the amplifying transistor.
(6) The imaging device described in (5) further includes an assist control unit that increases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and decreases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when brightness information is acquired.
(7) The imaging device according to (5), further comprising a capacitor that stores electric charges photoelectrically converted by the pixel.
(8) The imaging device described in (7) further includes an assist control unit that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
(9) The imaging device described in (7), further comprising an assist control unit that lowers the potential of the first floating diffusion via the assist electrode and transfers charge that has overflowed into the first floating diffusion to the capacitor.
(10) The imaging device described in (7) further includes an assist control unit that increases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when accumulating charge in the photoelectric conversion unit, decreases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring phase difference information, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the second floating diffusion.
(11) The imaging device described in (10), wherein the assist control unit lowers the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring a luminance signal, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
(12) The imaging device according to (11), wherein the pixels are arranged in a quad-Bayer array.
(13) The imaging device according to (11) or (12), further comprising an overflow control transistor for controlling an overflow from the pixel to the capacitor.
(14) An imaging method that controls the potential of the first floating diffusion or the second floating diffusion via an assist electrode provided on the first floating diffusion to which charges are transferred from a photoelectric conversion unit or on a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion, thereby assisting the transfer of charges between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
(15) increasing the potential of the second floating diffusion via the assist electrode;
reading out a pixel signal used for phase difference information from the pixel when conversion efficiency of converting electric charge into voltage is reduced;
a potential of the second floating diffusion is lowered via the assist electrode to transfer charges from the second floating diffusion to the first floating diffusion;
The imaging method according to (14), wherein a pixel signal used for luminance information when the conversion efficiency is increased is read out from the first floating diffusion.
(16) A potential of the first floating diffusion is reduced via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and the charge accumulated in the first floating diffusion is transferred to the capacitor;
The imaging method according to (14), wherein the charge transferred to the capacitor is read out for each frame.
(17) When charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, the potential of the first floating diffusion is increased via the assist electrode;
a potential of the first floating diffusion is lowered via the assist electrode when phase difference information is acquired;
The imaging method according to (14), wherein the charge stored in the first floating diffusion is transferred to the second floating diffusion.
100 撮像装置
101 光学系
102 固体撮像装置
103 撮像制御部
104 画像処理部
105 記憶部
106 表示部
107 操作部
108 バス
111 画素アレイ部
112 垂直走査回路
112A アシスト制御部
113 カラム読出し回路
114 カラム信号処理部
115 水平走査回路
116 制御回路
120 セル
PD1、PD2 フォトダイオード
FD1、FD2 フローティングディフュージョン
TG1、TG2 転送トランジスタ
121 リセットトランジスタ
122 増幅トランジスタ
123 選択トランジスタ
124 切替トランジスタ
125 アシスト電極
131 水平駆動線
132 垂直信号線
100 Imaging device 101 Optical system 102 Solid-state imaging device 103 Imaging control unit 104 Image processing unit 105 Memory unit 106 Display unit 107 Operation unit 108 Bus 111 Pixel array unit 112 Vertical scanning circuit 112A Assist control unit 113 Column readout circuit 114 Column signal processing unit 115 Horizontal scanning circuit 116 Control circuit 120 Cell PD1, PD2 Photodiode FD1, FD2 Floating diffusion TG1, TG2 Transfer transistor 121 Reset transistor 122 Amplification transistor 123 Selection transistor 124 Switching transistor 125 Assist electrode 131 Horizontal drive line 132 Vertical signal line
Claims (17)
前記第1フローティングディフュージョンに接続可能な第2フローティングディフュージョンと、
前記第1フローティングディフュージョンと前記第2フローティングディフュージョンとの間の電荷の転送をアシストするアシスト電極と
を備える撮像装置。 a first floating diffusion to which charges are transferred from the photoelectric conversion unit;
a second floating diffusion connectable to the first floating diffusion;
an assist electrode that assists the transfer of charges between the first floating diffusion and the second floating diffusion.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1 , wherein the assist electrode is disposed on the first floating diffusion.
請求項1に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 1 , wherein the assist electrode is disposed on the second floating diffusion.
前記第1フローティングディフュージョンおよび前記第2フローティングディフュージョンをリセットするリセットトランジスタと、
前記第1フローティングディフュージョンの電位に応じた信号を出力する増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタの出力を選択する選択トランジスタと
をさらに備える請求項1に記載の撮像装置。 a plurality of pixels sharing the first floating diffusion;
a reset transistor that resets the first floating diffusion and the second floating diffusion;
an amplifying transistor that outputs a signal according to the potential of the first floating diffusion;
The imaging device according to claim 1 , further comprising a selection transistor for selecting an output of the amplification transistor.
をさらに備える請求項4に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 4 , further comprising a switching transistor for switching the conversion efficiency of the amplifying transistor.
をさらに備える請求項5に記載の撮像装置。 6. The imaging device according to claim 5, further comprising an assist control unit that increases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and decreases the potential of the second floating diffusion via the assist electrode when luminance information is acquired.
をさらに備える請求項5に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 5 , further comprising a capacitor that stores electric charges photoelectrically converted by the pixel.
をさらに備える請求項7に記載の撮像装置。 8. The imaging device according to claim 7, further comprising an assist control unit that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
をさらに備える請求項7に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 7 , further comprising an assist control section that reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode and transfers the charge that has overflowed into the first floating diffusion to the capacitor.
をさらに備える請求項7に記載の撮像装置。 8. The imaging device according to claim 7, further comprising an assist control unit that increases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when charge is accumulated in the photoelectric conversion unit, decreases the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when phase difference information is acquired, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the second floating diffusion.
請求項10に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 10 , wherein the assist control unit reduces the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when acquiring a luminance signal, and transfers the charge accumulated in the first floating diffusion to the capacitor.
請求項11に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 11 , wherein the pixels are arranged in a quad-bayer array.
をさらに備える請求項11に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 11 , further comprising an overflow control transistor for controlling an overflow from the pixel to the capacitor.
電荷を電圧に変換する変換効率の低下時に位相差情報に用いられる画素信号を前記画素から読出し、
前記アシスト電極を介して前記第2フローティングディフュージョンの電位を降圧して前記第2フローティングディフュージョンから前記第1フローティングディフュージョンに電荷を転送し、
前記変換効率の上昇時に輝度情報に用いられる画素信号を前記第1フローティングディフュージョンから読出す
請求項14に記載の撮像方法。 boosting the potential of the second floating diffusion via the assist electrode;
reading out a pixel signal used for phase difference information from the pixel when conversion efficiency of converting electric charge into voltage is reduced;
a potential of the second floating diffusion is lowered via the assist electrode to transfer charges from the second floating diffusion to the first floating diffusion;
The imaging method according to claim 14, wherein a pixel signal used for luminance information when the conversion efficiency is increased is read out from the first floating diffusion.
前記キャパシタに転送された電荷を前記フレームごとに読出す
請求項14に記載の撮像方法。 a potential of the first floating diffusion is reduced via the assist electrode for each subframe obtained by dividing a frame, and the charge accumulated in the first floating diffusion is transferred to a capacitor;
The imaging method according to claim 14, wherein the charges transferred to the capacitor are read out for each frame.
位相差情報の取得時に前記アシスト電極を介して前記第1フローティングディフュージョンの電位を降圧し、
前記第1フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を前記第2フローティングディフュージョンに転送する
請求項14に記載の撮像方法。 boosting the potential of the first floating diffusion via the assist electrode when charges are accumulated in the photoelectric conversion unit;
a potential of the first floating diffusion is lowered via the assist electrode when phase difference information is acquired;
The imaging method according to claim 14 , further comprising transferring the charge stored in the first floating diffusion to the second floating diffusion.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 25771599 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |