JP5413481B2 - Photoelectric conversion unit connection / separation structure, solid-state imaging device, and imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換部の連結/分離構造、並びに、これを用いた固体撮像素子及び撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a connecting / separating structure for photoelectric conversion units, and a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same.
近年、ビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型や増幅型などの固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子では、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が、マトリクス状に複数配置されている。 In recent years, imaging devices such as video cameras and electronic still cameras have been widely used. These cameras use a solid-state imaging device such as a CCD type or an amplification type. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having photoelectric conversion units that generate signal charges according to the amount of incident light are arranged in a matrix.
増幅型の固体撮像素子では、画素の光電変換部にて生成・蓄積された信号電荷を画素に設けられた増幅部に導き、増幅部で増幅した信号を画素から出力する。そして、増幅型の固体撮像素子には、例えば、増幅部に接合型電界効果トランジスタを用いた固体撮像素子(特許文献1、2)や、増幅部にMOSトランジスタを用いたCMOS型固体撮像素子(特許文献3)などが提案されている。 In an amplification type solid-state imaging device, signal charges generated and accumulated in a photoelectric conversion unit of a pixel are guided to an amplification unit provided in the pixel, and a signal amplified by the amplification unit is output from the pixel. The amplification type solid-state imaging device includes, for example, a solid-state imaging device using a junction field effect transistor in the amplification unit (Patent Documents 1 and 2), or a CMOS type solid-state imaging device using a MOS transistor in the amplification unit ( Patent Document 3) has been proposed.
特許文献1−3に開示されている従来の固体撮像素子では、1つの画素毎に光電変換部及び増幅部と、それらの間において一時的に電荷を蓄積する電荷格納部とが設けられている。そして、このような従来の固体撮像素子では、全画素を同時に露光した後、各光電変換部にて生成された信号電荷を全画素同時に各電荷格納部に転送して一旦蓄積しておき、この信号電荷を所定の読み出しタイミングで順次画素信号に変換するようになっている。これにより、電子シャッタ動作を行ったときの各画素の露光蓄積時間が行毎にずれてしまうこと(いわゆるローリングシャッタ)に起因する画像の歪みを防止することができる。 In the conventional solid-state imaging device disclosed in Patent Literatures 1-3, a photoelectric conversion unit and an amplification unit are provided for each pixel, and a charge storage unit that temporarily accumulates charges between them. . In such a conventional solid-state imaging device, after all the pixels are exposed simultaneously, the signal charges generated in each photoelectric conversion unit are transferred to each charge storage unit at the same time, and are accumulated once. Signal charges are sequentially converted into pixel signals at a predetermined readout timing. Accordingly, it is possible to prevent image distortion caused by the exposure accumulation time of each pixel when the electronic shutter operation is performed being shifted for each row (so-called rolling shutter).
ところで、カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像素子とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用光学系の分だけ、コストが増大したり装置が大型となったりする。 By the way, in an imaging apparatus such as a camera, it is necessary to detect the focus adjustment state of the photographing lens in order to realize automatic focus adjustment. Conventionally, a focus detection element has been provided separately from the solid-state imaging element. However, in that case, the cost increases or the size of the apparatus increases by the amount of the focus detection element and the focus detection optical system that guides light to the focus detection element.
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式(瞳分割方式又は位相差方式などと呼ばれる場合もある。)を採用しつつ、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像素子が提案されている(例えば、下記特許文献4)。瞳分割位相差方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成し、そのパターンズレ(位相シフト量)を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
Therefore, in recent years, a so-called pupil division phase difference method (sometimes called a pupil division method or a phase difference method) is adopted as a focus detection method, and solid-state imaging configured to be used as a focus detection element. An element has been proposed (for example,
特許文献4に開示された固体撮像素子では、2分割された光電変換部を有する複数の画素が、設けられている。2分割された光電変換部の一方部分と他方部分との間にはフローティングディフュージョンが配置され、このフローティングディフュージョンによって光電変換部が2分割されている。このような光電変換部上に、マイクロレンズが画素に対して1対1に設けられている。2分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮影レンズの射出瞳と略結像関係(すなわち、略共役)となる位置に配置されている。したがって、撮影レンズの射出瞳とマイクロレンズとの間の距離はマイクロレンズの大きさに対して十分に長いことから、2分割された光電変換部は、マイクロレンズの略焦点面に配置されていることになる。以上述べた関係から、各画素において、2分割された光電変換部の一方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各画素において、2分割された光電変換部の他方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
In the solid-state imaging device disclosed in
特許文献4に開示された固体撮像素子では、焦点検出時には、2分割された光電変換部を持つ各画素の2分割光電変換部の一方部分の信号及び他方部分の信号が、異なるタイミングで前記フローティングディフュージョンに転送されて、それぞれ個別に読み出される。そして、瞳分割位相差方式の原理に従って、それらの信号に基づいて、撮影レンズの焦点調節状態が検出される。一方、撮影レンズの合焦後等において画像を撮像する場合は、各画素の2分割光電変換部の両部分からの信号が同じタイミングで同じ前記フローティングディフュージョンに転送されて、両信号が画素内で加算されて読み出される。したがって、撮像時に、2分割された光電変換部を有する画素が、画素欠陥と同様の状態を引き起こしてしまうことがないため、画質向上の点で大変優れている。
In the solid-state imaging device disclosed in
しかしながら、特許文献4に開示された固体撮像素子では、前述したように、2分割された光電変換部の一方部分と他方部分との間にはフローティングディフュージョンが配置され、このフローティングディフュージョンによって光電変換部が2分割されている。このため、入射光量が集中する画素中央部に受光感度がないので、撮像時に当該画素を撮像用として使用したときに感度が低くなるという問題があった。
However, in the solid-state imaging device disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、焦点検出が可能でありながら、撮像時に画素欠陥と同様の状態を引き起こすことがなく、しかも、撮像時の感度の低下を抑制することができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. While focus detection is possible, the present invention does not cause a state similar to a pixel defect at the time of imaging and suppresses a decrease in sensitivity at the time of imaging. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of performing imaging and an imaging apparatus using the same.
また、本発明は、このような固体撮像素子などに用いることができる光電変換部の連結/分離構造を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a photoelectric conversion unit connection / separation structure that can be used in such a solid-state imaging device.
ここでは、前記課題を解決する技術手段及びこれに関連する技術手段として、以下の各態様を提示する。 Here, the following aspects are presented as technical means for solving the above problems and technical means related thereto.
第1の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、2次元状に配置された複数の画素を備え、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素は、平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する一方側の光電変換部及び他方側の光電変換部と、制御信号に応じて第1及び第2のモードにそれぞれ設定し得るモード設定手段とを含み、前記第1のモードは、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部とが電気的に連結されるモードであり、前記第2のモードは、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部とが電気的に分離されるモードであり、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部との間の領域は、前記第1のモードにおいて入射光を光電変換する機能を持つ一方、前記第2のモードにおいて入射光を光電変換する機能を持たないものである。 A solid-state imaging device according to a first aspect is a solid-state imaging device that photoelectrically converts a subject image formed by an optical system, and includes a plurality of pixels arranged in a two-dimensional shape, At least some of the pixels exist in one side region and the other side region divided by the dividing line in plan view, respectively, and one side photoelectric conversion unit and the other side photoelectric conversion unit that photoelectrically convert incident light, respectively. And mode setting means that can set the first mode and the second mode in accordance with a control signal, respectively, wherein the first mode includes a photoelectric conversion unit on the one side and a photoelectric conversion unit on the other side. The second mode is a mode in which the photoelectric conversion unit on the one side and the photoelectric conversion unit on the other side are electrically separated from each other, and the photoelectric conversion on the one side is performed. Part and the photoelectric conversion part on the other side Area, while having a function of photoelectric conversion of incident light in the first mode, in which no function of photoelectric conversion of incident light in the second mode.
第2の態様による固体撮像素子は、前記第1の態様において、前記モード設定手段は、前記分割線に沿って配置されたゲート電極を含むものである。 In the solid-state imaging device according to the second aspect, in the first aspect, the mode setting means includes a gate electrode arranged along the dividing line.
本発明の第3の態様による固体撮像素子は、前記第2の態様において、前記ゲート電極は、前記一方側の光電変換部の半導体領域及び前記他方の光電変換部の半導体領域をソース/ドレインとするMOSトランジスタのゲートを構成するものである。 The solid-state imaging device according to a third aspect of the present invention is the solid-state imaging device according to the second aspect, wherein the gate electrode includes a semiconductor region of the photoelectric conversion unit on one side and a semiconductor region of the other photoelectric conversion unit as a source / drain. This constitutes the gate of the MOS transistor.
第4の態様による固体撮像素子は、前記第2又は第3の態様において、前記ゲート電極は、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部との対向端面間の領域に進出していないものである。 In the solid-state imaging device according to a fourth aspect, in the second or third aspect, the gate electrode extends into a region between opposed end surfaces of the photoelectric conversion unit on the one side and the photoelectric conversion unit on the other side. It is not.
第5の態様による固体撮像素子は、前記第2又は第3の態様において、前記ゲート電極は、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部との対向端面間の領域に進出しているものである
第6の態様による固体撮像素子は、前記第2乃至第5のいずれかの態様において、前記ゲート電極は、可視波長域のうちの少なくとも一部の波長域に対して透光性を有する材料で構成されたものである。
The solid-state imaging device according to a fifth aspect is the solid-state imaging device according to the second or third aspect, wherein the gate electrode advances into a region between opposed end surfaces of the one side photoelectric conversion unit and the other side photoelectric conversion unit. In the solid-state imaging device according to the sixth aspect, in any one of the second to fifth aspects, the gate electrode is transparent to at least a part of the visible wavelength range. It is comprised with the material which has property.
第7の態様による固体撮像素子は、前記第6の態様において、前記ゲート電極は、ITO又はポリシリコンで構成されたものである。 The solid-state imaging device according to a seventh aspect is the solid-state imaging device according to the sixth aspect, wherein the gate electrode is made of ITO or polysilicon.
第8の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第7のいずれかの態様において、前記少なくとも一部の画素の各々に対して1対1に設けられ当該画素の前記一方側の光電変換部及び前記他方側の光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、備えたものである。 The solid-state imaging device according to an eighth aspect is the one-to-one photoelectric conversion unit provided on the one side of each of the at least some of the pixels in any one of the first to seventh aspects. And a microlens for guiding incident light to the photoelectric conversion unit on the other side.
第9の態様による固体撮像素子は、前記第1乃至第8のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記少なくとも一部の画素のうちの選択された各画素から、前記第2のモードで得られる信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部とを、備えたことを特徴とする撮像装置。 A solid-state imaging device according to a ninth aspect is obtained in the second mode from the solid-state imaging device according to any one of the first to eighth aspects and each selected pixel of the at least some pixels. A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on the received signal, and an adjustment unit that performs focus adjustment of the optical system based on the detection signal from the detection processing unit. An imaging apparatus characterized by that.
第10の態様による光電変換部の連結/分離構造は、平面視において分割線により分割される一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し各々が入射光を光電変換する一方側の光電変換部及び他方側の光電変換部と、制御信号に応じて第1及び第2のモードにそれぞれ設定し得るモード設定手段とを備え、前記第1のモードは、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部とが電気的に連結されるモードであり、前記第2のモードは、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部とが電気的に分離されるモードであり、前記一方側の光電変換部と前記他方側の光電変換部との間の領域は、前記第1のモードにおいて入射光を光電変換する機能を持つ一方、前記第2のモードにおいて入射光を光電変換する機能を持たないものである。 The connection / separation structure of the photoelectric conversion units according to the tenth aspect exists in one side region and the other side region that are divided by the dividing line in plan view, and each one photoelectric conversion that photoelectrically converts incident light. And a photoelectric conversion unit on the other side, and mode setting means that can be set to the first and second modes according to a control signal, respectively, wherein the first mode includes the photoelectric conversion unit on the one side and the photoelectric conversion unit The second photoelectric conversion unit is a mode in which the photoelectric conversion unit on the other side is electrically connected, and the second mode is a mode in which the photoelectric conversion unit on the one side and the photoelectric conversion unit on the other side are electrically separated. And a region between the photoelectric conversion unit on the one side and the photoelectric conversion unit on the other side has a function of photoelectrically converting incident light in the first mode, while incident light is converted in the second mode. It does not have a photoelectric conversion function That.
本発明によれば、焦点検出が可能でありながら、撮像時に画素欠陥と同様の状態を引き起こすことがなく、しかも、撮像時の感度の低下を抑制することができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a solid-state imaging device capable of detecting a focus, causing no state similar to a pixel defect at the time of imaging, and suppressing a decrease in sensitivity at the time of imaging, and The used imaging device can be provided.
また、本発明によれば、このような固体撮像素子などに用いることができる光電変換部の連結/分離構造を提供することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to provide a photoelectric conversion unit connection / separation structure that can be used for such a solid-state imaging device.
以下、本発明による光電変換部の連結/分離構造、並びに、これを用いた固体撮像素子及び撮像装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a connection / separation structure of photoelectric conversion units according to the present invention, and a solid-state imaging device and an imaging apparatus using the same will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る撮像装置としての電子カメラ1を示す概略ブロック図である。電子カメラ1には、被写体像を結像する光学系としての撮影レンズ2が装着される。この撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ2の像空間には、撮影レンズ2により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子3の撮像面が配置される。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an electronic camera 1 as an imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. The electronic camera 1 is equipped with a photographing
固体撮像素子3は、撮像制御部4の指令によって駆動され、信号を出力する。固体撮像素子3から出力される信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号のいずれかである。いずれにおいても信号は、信号処理部5、及びA/D変換部6を介して処理された後、メモリ7に一旦蓄積される。メモリ7は、バス8に接続される。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部(検出処理部)10、記録部11、画像圧縮部12及び画像処理部13なども接続される。上記マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続される。また、上記の記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着される。この電子カメラ1の動作については、後述する。
The solid-
図2は、図1中の固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子3は、マトリクス状に配置された複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。画素20がマトリクス状に配置されている撮像領域を符号31で示している。図2において、画素数は、横に4行縦に4行の16個の画素を示している。しかし、本実施の形態では、画素数はそれよりもはるかに多くなっている。もっとも、本発明では、画素数は特に限定されるものではない。本実施の形態では、固体撮像素子3は、画素として後述する3種類の画素20V,20H,20Nを有しているが、図2ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号20で示している。その具体的な回路構成や構造は、後述する。これらの画素20は、周辺回路の駆動信号に従って、撮像用信号又は焦点検出用信号を出力する。また、すべての画素20は、同時に光電変換部がリセットされて露光の時間とタイミングが同一にされることが可能となっている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
周辺回路は、垂直走査回路21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動信号線23,24、画素20からの信号を受け取る垂直信号線25、垂直信号線25と接続される定電流源26及び相関二重サンプリング回路(CDS回路)27、CDS回路27から出力される信号を受け取る水平信号線28、出力アンプ29等からなる。
The peripheral circuit includes a
垂直走査回路21及び水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素20は、垂直走査回路21から出力される駆動信号を所定の駆動信号線23から受け取って駆動され、撮像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動配線23も複数ある。これらについては後述する。
The
画素20から出力された信号は、CDS回路27にて所定のノイズ除去が施される。そして、水平走査回路22の駆動信号により水平信号線28及び出力アンプ29を介して外部に信号が出力される。
The signal output from the
図3は、図1中の固体撮像素子3(特にその撮像領域31)を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図3に示すように、固体撮像素子3の撮像領域31には、中央に配置された十字状をなす2つの焦点検出領域32,33と、両側に配置された2つの焦点検出領域34,35と、上下に配置された2つの焦点検出領域36,37とが、設けられている。なお、図3に示すように、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を定義する。また、X軸方向のうち矢印の向きを+X方向又は+X側、その反対の向きを−X方向又は−X側と呼び、Y軸方向についても同様とする。XY平面と平行な平面が固体撮像素子3の撮像面(受光面)と一致している。X軸方向の並びを行、Y軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図3の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。なお、本願明細書では、X軸方向を左右方向、+X側を右側、−X側を左側、Y軸方向を上下方向、+Y側を上側、−Y側を下側と呼ぶ場合がある。
FIG. 3 is a schematic plan view schematically showing the solid-state imaging device 3 (particularly, its imaging region 31) in FIG. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
図4は、図3における焦点検出領域35の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。図5は、図3における焦点検出領域36の付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。前述したように、固体撮像素子3は、画素20として、光電変換部の分割の有無・分割方向の観点から分類した3種類の画素20V,20H,20Nを有している。図4及び図5において、画素20V,20H,20Nには、それぞれ符号「V」、「H」、「N」を付している。カラー用として構成する場合、例えばベイヤー配列等を実現するように、各画素20のカラーフィルタの色が設定される。もっとも、本発明では、白黒用として構成してもよい。
FIG. 4 is a schematic enlarged view in which the vicinity of the
Y軸方向に延びた焦点検出領域35は、図4に示すように、画素20Vが並んだY軸方向の列の一部である。Y軸方向に延びた焦点検出領域33,34は、焦点検出領域35と同様である。X軸方向に延びた焦点検出領域36は、図5に示すように、画素20Hが並んだX軸方向の行の一部である。X軸方向に延びた焦点検出領域32,37は、焦点検出領域36と同様である。
The
図6は、図1中の固体撮像素子3の画素20V,20H(図4及び図5参照)を示す回路図である。これらの画素20V,20Hは、同一の回路構成を有している。
FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the
各画素20V,20Hは、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する2つの光電変換部としての2つの埋め込みフォトダイオード41,42と、各埋め込みフォトダイオード41,42から転送される電荷をそれぞれ独立に蓄積する第1及び第2の電荷格納部43,44と、各埋め込みフォトダイオード41,42から第1及び第2の電荷格納部43,44にそれぞれ電荷を転送する第1及び第2の転送部としての第1及び第2の転送トランジスタ45,46と、所定部位としてのフローティング拡散領域(FD)47と、第1及び第2の電荷格納部43,44からFD47へそれぞれ電荷を転送する第3及び第4の転送ゲート部としての第3及び第4の転送トランジスタ48,49と、FD47の電荷量に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタ50と、FD47の電荷を排出する第1のリセット部としてのFDリセットトランジスタ51と、増幅トランジスタ50の信号を当該画素20V,20Hから出力する選択スイッチとしての選択トランジスタ52と、埋め込みフォトダイオード41,42から電荷(埋め込みフォトダイオード41,42で生成された不要電荷)をそれぞれ排出させる第2及び第3のリセット部(電荷排出ゲート部)としての第1及び第2のPDリセットトランジスタ53,54とを有している。また、各画素20V,20Hは、埋め込みフォトダイオード41,42間の電気的な連結及び分離を行う連結/分離トランジスタ55を有している。
Each of the
第1乃至第4の転送トランジスタ45,46,48,49、増幅トランジスタ50、FDリセットトランジスタ51、選択トランジスタ52、第1及び第2のPDリセットトランジスタ53,54、連結/分離トランジスタ55は、いずれもMOSトランジスタにて構成されている。本実施の形態では、これらのトランジスタ(増幅トランジスタ50を除く。)は、そのゲート電極がハイであればオンし、ローであればオフする(NチャネルMOSトランジスタで例示されている)。
The first to
連結/分離トランジスタ55のゲート電極は、画素行ごと共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号(制御信号)φPDBが供給される。本実施の形態では、φPDBがハイであれば、連結/分離トランジスタ55がオンし、埋め込みフォトダイオード41,42間が電気的に連結される。その結果、埋め込みフォトダイオード41,42は、全体として、1つの分割されていない光電変換部と実質的に等価になる。以下の説明では、この状態を、「PD合体状態」と呼ぶ。一方、φPDBがローであれば、連結/分離トランジスタ55がオフし、埋め込みフォトダイオード41,42間が電気的に分離される。その結果、埋め込みフォトダイオード41,42は2分割されたものとなる。以下の説明では、この状態を、「PD2分割状態」と呼ぶ。
The gate electrodes of the connection /
本実施の形態では、第1及び第2の電荷格納部43,44が設けられ、埋め込みフォトダイオード41,42で生成された電荷が、FD47に転送される前に第1及び第2の電荷格納部43,44にそれぞれ一時的に蓄積される。これにより、全画素の露光時間とそのタイミングを同一にすることが可能となり、画像信号の同時性が保持されるばかりではなく、焦点検出時における信号の同時性さえも保持される。もっとも、本発明では、電荷格納部43,44を設けずに、ローリングシャッタを行うように構成してもよい。この場合、水平方向(H画素)では同時性が保持されるが、垂直方向(V画素)では同時性が保持されない。
In the present embodiment, first and second
第1の転送トランジスタ45は、埋め込みフォトダイオード41から電荷を第1の電荷格納部43に転送する。第2の転送トランジスタ46は、埋め込みフォトダイオード42から電荷を第2の電荷格納部44に転送する。
The
第1及び第2の転送トランジスタ45,46のゲート電極は、共通に接続され更に画素行ごと共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGAが供給される。第1及び第2の転送トランジスタ45,46は、この駆動信号φTGAに従って所定のタイミングで同時にオンとされ、2個の埋め込みフォトダイオード41,42から電荷を同時に各々の電荷格納部43,44に転送する。ただし、本発明では、これに限定されるものではなく、例えば、第1及び第2の転送トランジスタ45,46が同時にオンするように、各々のゲート電極に個別に駆動信号を供給しても構わない。
The gate electrodes of the first and
これに対して、第3及び第4の転送トランジスタ48,49のゲート電極には、それぞれ個別の駆動信号が供給される。すなわち、第3の転送トランジスタ48のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGBが供給され、第4の転送トランジスタ49のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φTGCが供給される。第3及び第4の転送トランジスタ48,49は、これら駆動信号φTGB,φTGCに従って所定のタイミングで個別にオンとされ、第1及び第2の電荷格納部43,44から電荷を個別のタイミングで、又は、同一のタイミングでFD47に転送する。
On the other hand, separate drive signals are supplied to the gate electrodes of the third and
選択トランジスタ52のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φSが供給される。FDリセットトランジスタ51のゲート電極は、画素行ごとに共通接続されて垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φFDRが供給される。また、PDリセットトランジスタ53,54のゲート電極は、共通に接続され更に画素行ごと共通に接続されて、垂直走査回路21から駆動配線23を介して駆動信号φPDRが供給される。もっとも、PDリセットトランジスタ53,54(ただし、画素20Nの場合は、後述する図13中のPDリセットトランジスタ153)のゲート電極は、全有効画素において共通に接続することによって、全有効画素のPDリセットトランジスタ53,54(ただし、画素20Nの場合は、後述する図13中のPDリセットトランジスタ153)を同時にオンオフするようにしてもよい。
The gate electrodes of the
なお、図6において、埋め込みフォトダイオード41,42の一方の端子、電荷格納部43,44の一方の端子、及び、FD47の一方の端子は、便宜的に接地として記載されている。しかし、実際は、後述する図8乃至図10から理解されるとおりP型ウエル61の電位となる。
In FIG. 6, one terminal of the embedded
図7は、画素20Vを模式的に示す概略平面図である。図8は、図7中のA−A’線に沿った概略断面図である。図9及び図10は、図7中のB−B’線に沿った概略断面図である。図9は、ゲート電極67をローにして(すなわち、φPDBをローにして)連結/分離トランジスタ55をオフにした状態を示している。図10は、ゲート電極67をハイにして(すなわち、φPDBをハイにして)連結/分離トランジスタ55をオンにした状態を示している。なお、図8乃至図10において、マイクロレンズ65は省略している。また、図7乃至図10において、駆動配線は省略され、配線は画素20V内の電気的接続関係のみを示している。
FIG. 7 is a schematic plan view schematically showing the
図8乃至図10に示すように、N型のシリコン基板61上にP型ウエル62が設けられている。そして、P型ウエル62にN型の電荷蓄積層63が形成され、さらに電荷蓄積層63の基板表面側にP型の空乏化防止層64を付加することで、埋め込みフォトダイオード41,42が構成されている。なお、ここでは、埋め込みフォトダイオードの構造が採用されているが、これに限られるものではなく、空乏化防止層64を省略しても構わない。
As shown in FIGS. 8 to 10, a P-
図7に示すように、2つの埋め込みフォトダイオード41,42は、Z軸方向から見た平面視においてX軸方向の分割線C−C’により分割される+Y側の領域及び−Y側の領域に、それぞれ配置されている。そして、図7に示すように、入射光を埋め込みフォトダイオード41,42に導く一つのマイクロレンズ65が、配置されている。マイクロレンズ65は、その光軸Oが分割線C−C’と埋め込みフォトダイオード41,42のX軸方向の中心線との交点を通るように、配置されている。このため、マイクロレンズ65から導かれる入射光は、瞳分割されて各埋め込みフォトダイオード41,42に入射される。なお、シェーディングを低減するために、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ65をその光軸Oが前記交点を通るように配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ65をその光軸Oが前記交点からずれた位置を通るように配置してもよい。
As shown in FIG. 7, the two embedded
図7、図9及び図10に示すように、分割線C−C’に沿ってゲート電極67が設けられている。ゲート電極67は、埋め込みフォトダイオード41,42間の上に、薄いシリコン酸化膜66を介して形成されている。これにより、ゲート電極67は、埋め込みフォトダイオード41の電荷蓄積層63及び埋め込みフォトダイオード42の電荷蓄積層63をソース/ドレインとするMOSトランジスタ(連結/分離トランジスタ55)のゲートを構成している。ゲート電極67には、図示しない配線によって、前記駆動信号φPDBが供給されるようになっている。
As shown in FIGS. 7, 9 and 10, the
本実施の形態では、ゲート電極67がローであれば(φPDBがローであれば)、図9に示すように、連結/分離トランジスタ55のチャネル領域に反転層ができないため、連結/分離トランジスタ55はオフする。一方、ゲート電極67がハイであれば(φPDBがハイであれば)、連結/分離トランジスタ55のチャネル領域に反転層69ができ、連結/分離トランジスタ55がオンする。
In this embodiment, if the
なお、連結/分離トランジスタ55は、そのゲートの電位をゼロ電位(基板61の電位)にしたときにオフする一方、ゼロ電位に対する差が大きい電位を与えたときにオンするように構成してもよい。また、連結/分離トランジスタ55は、そのゲートの電位をゼロ電位(基板61の電位)にしたときにオンする一方、ゼロ電位よりも負側の電位を与えたときにオフするように構成してもよい。なお、連結/分離トランジスタ55は、ゲート電圧を印加しない場合に既にオフされている構成にした場合には、ゲート電圧を正側にかけることにてオンさせる構成となり、ゲート電圧を印加しない場合でオンされている場合には、ゲート電圧を負側にかけることにてオフする構成となる。
The connection /
本実施の形態では、ゲート電極67は、ITO膜などの、可視波長域のうちの少なくとも一部の波長域に対して透光性を有する材料で構成されている。したがって、入射光は、ゲート電極67で遮られることなく、ゲート電極67下の埋め込みフォトダイオード41,42間の領域にも到達する。したがって、例えば、図10に示すように連結/分離トランジスタ55がオンしていれば、埋め込みフォトダイオード41,42間にできた反転層69が光電変換機能を持つことから、入射光の利用効率が高まる。一方、図9に示すように連結/分離トランジスタ55がオフしていれば、反転層69ができないのて、埋め込みフォトダイオード41,42間の領域は光電変換機能を持たない。
In the present embodiment, the
ゲート電極67は、ITO膜の代わりに、例えば、ポリシリコンで構成してもよい。ポリシリコンの場合には、ITO膜に比較して透過率が一部低下するが、微細な構造形成が容易であることから総合的に鑑みてポリシリコンの方が光量損失をより低減し得る場合もある。
The
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、ゲート電極67は、制御信号(φPDB)に応じて、PD合体状態(第1のモード)及びPD2分割状態(第2のモード)にそれぞれ設定し得るモード設定手段を構成している。PD2分割状態では、埋め込みフォトダイオード41,42の信号が互いに独立して得られる。PD合体状態では、埋め込みフォトダイオード41,42の信号が加算される。
As can be seen from the above description, in this embodiment, the
また、第1及び第2の電荷格納部43,44と埋め込みフォトダイオード41,42との間の上にはそれぞれ、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極71が形成されている。第1及び第2の転送トランジスタ45,46はそれぞれ、ゲート電極71をゲートとすると共に電荷格納部43,44、及び、埋め込みフォトダイオード41,42の電荷蓄積層63をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。
A
第1の転送トランジスタ45のゲート電極と第2の転送トランジスタ46のゲート電極とが一体的に形成されてゲート電極71となっている。このため、第1及び第2の転送トランジスタ45,46は、駆動信号φTGAに従って同時にオン、オフされる。よって、埋め込みフォトダイオード41,42からのそれぞれの電荷は、それぞれ対応する電荷格納部43,44に同時に転送される。
The gate electrode of the
電荷格納部43,44は、P型ウエル62に形成されたN型層73,74を有している。そして、第1及び第2の転送トランジスタ45,46のゲート電極71は、2つのN型層73、74の上部に覆いかぶさるように配置されている。電荷格納部43,44は、このようにゲート電極71と、N型層73,74によるMOSキャパシタとして構成されている。
The
ところで、ゲート電極71にローの電圧を印加すると、P型ウエル62の電位にピンニングされて電荷格納部43,44の表面の界面準位がホールで満たされる。暗電流の大きさは、界面準位の電子占有確率に大きく影響される。したがって、電荷格納部43,44の暗電流は、ゲート電極71に上記のような電圧を印加して界面準位をホールで満たすことにより、大幅に低減することが可能となる。
By the way, when a low voltage is applied to the
図7においてFD47は、互いに分離してP型ウエル32に形成された2つのN型領域75,76が配線77で電気的に接続されることで実質的に1つのフローティングディフュージョンとして構成されている。FD47は、2つの電荷格納部43,44のいずれからも電荷が転送される。また、FD47のN型領域75と埋め込みフォトダイオード41,42との間に、電荷格納部43,44が配置されている。このように配置すれば、電荷の転送方向が一方向(ここでは、X軸方向)となり、残像が生じにくくなる。
In FIG. 7, the
第1及び第2の電荷格納部43,44とFD47のN型拡散層75との間の上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極78,79が形成されている。第3及び第4の転送トランジスタ48,49は、ゲート電極78,79をゲートとするとともに電荷格納部43,44のN型層73,74及びFD47のN型拡散領域75をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。
第3の転送トランジスタ48のゲート電極78と、第4の転送トランジスタ49のゲート電極79とは個別に形成されており、それぞれ個別の駆動信号φTGB,φTGCが垂直走査回路21から供給される。このため、第3及び第4の転送トランジスタ48,49は、それぞれの駆動信号φTGB、φTGCに従って個別に駆動される。よって、第3及び第4の転送トランジスタ48,49は、第1及び第2の電荷格納部43,44から電荷を異なるタイミングでも、又は、同一のタイミングでもFD47に転送することができる。
The
また、図7に示すように、P型ウエル62中には、N型拡散層81−83が形成されている。N型層81は、図示しない配線により電源VDDに接続されている。N型層81、82の間の上には薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極84が形成されている。増幅トランジスタ50は、ゲート電極84をゲートとするとともにN型層81,82をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。なお、ゲート電極84は、配線77によって、FD47(N型層75,76)と電気的に接続されている。
In addition, as shown in FIG. 7, N-type diffusion layers 81-83 are formed in the P-
N型層82,83の間の上には薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極85が形成されている。選択トランジスタ52は、ゲート電極85をゲートとするとともにN型層82,83をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。
A
また、N型層76,81間の上には、薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極86が形成されている。FDリセットトランジスタ51は、ゲート電極86をゲートとするとともにN型層76,81をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。
A
図7及び図8に示すように、P型ウエル62中には、N型層87が形成されている。N型層87と各埋め込みフォトダイオード41,42との間の上には薄いシリコン酸化膜66を介してゲート電極88,89が形成されている。第1のPDリセットトランジスタ53は、ゲート電極88をゲートとするとともにN型層87及び埋め込みフォトダイオード41の電荷蓄積層63をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。第2のPDリセットトランジスタ54は、ゲート電極89をゲートとするとともにN型層87及び埋め込みフォトダイオード42の電荷蓄積層63をソース又はドレインとするMOSトランジスタとして構成されている。ゲート電極88,89は、配線100によって互いに接続され、更に図示しない配線によって駆動信号φPDRが供給される。ここでは、2つのゲート電極88,89を配線100にて接続したが、2つのゲート電極88,89を一体的に形成してもよい。
As shown in FIGS. 7 and 8, an N-
第2のリセット部(ここではPDリセットトランジスタ53,54)は、埋め込みフォトダイオード41,42で生成された不要電荷を排出させる。この不要電荷には、電子シャッター動作をさせるときのリセット電荷と、強い光が入射されたときのオーバーフロー電荷がある。いずれにせよこの不要電荷をFD47に転送して第1のリセット部(ここではFDリセットトランジスタ51)によって排出させてもよい。このようにするなら、第2のリセット部は、配置させなくてもよい。
The second reset unit (here, PD reset
また、埋め込みフォトダイオード41,42、及び、各N型層の周囲には、厚いシリコン酸化膜70が形成され、それぞれの間は分離されている。
Further, a thick
以上、図1中の固体撮像素子3の画素20V(図4参照)の構成について説明した。画素20Vでは、前述したマイクロレンズ65、埋め込みフォトダイオード41,42並びにゲート電極67の平面視での位置関係は、図7よりも更に抽象化して示すと、図11に示す通りである。
The configuration of the
次に、図1中の固体撮像素子3の画素20H(図5参照)について説明する。図12は、画素20Hにおけるマイクロレンズ65、埋め込みフォトダイオード41,42並びにゲート電極67の平面視での位置関係を示す図であり、図11に対応している。図12において、図11中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
Next, the
画素20Hが画素20Vと異なる所は、画素20Vでは、埋め込みフォトダイオード41,42が、X軸方向に延びた分割線に沿って配置されたゲート電極67に対して+Y側及び−Y側にそれぞれ配置されているのに対し、画素20Hでは、埋め込みフォトダイオード41,42が、Y軸方向に延びた分割線に沿って配置されたゲート電極67に対して−X側及び+X側にそれぞれ配置されている点と、これに伴って、図面には示していないが、各トランジスタ等の配置が変更されている点のみである。
The
したがって、画素20Vでは、埋め込みフォトダイオード41は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−Y側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、埋め込みフォトダイオード42は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+Y側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。これに対し、画素20Hでは、埋め込みフォトダイオード41は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、埋め込みフォトダイオード42は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から−X側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。
Therefore, in the
次に、図1中の固体撮像素子3の画素20N(図4及び図5参照)について説明する。図13は、画素20Nを示す回路図である。図14は、画素20Nにおけるマイクロレンズ65及び埋め込みフォトダイオード141の平面視での位置関係を示す図であり、図11に対応している。図13及び図14において、図6及び図11中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
Next, the
画素20Nは、図6中のゲート電極67を除去して埋め込みフォトダイオード41,42を一体に形成してなる1つの埋め込みフォトダイオード141を有している。これに伴い、画素20Nは、図6中の第1及び第2の電荷格納部43,44に相当する1つの電荷格納部143と、図6中の第1及び第2の転送トランジスタ45,46に相当する1つの転送トランジスタ145と、図6中の第3及び第4の転送トランジスタ48,49に相当する1つの転送トランジスタ148とを有している。以上の説明からわかるように、この画素20Nは、従来の一般的な固体撮像素子の画素と同様の構造を有している。
The
次に、固体撮像素子3から信号を読み出す動作の例について、図15及び図16を参照して説明する。図15は、撮像用信号を読み出す駆動信号(すなわち、PD合体状態で露光した画素からの信号を読み出す駆動信号)を示すタイミングチャートである。図16は、PD2分割状態で露光した画素からの焦点検出用信号を読み出す駆動信号を示すタイミングチャートである。
Next, an example of an operation for reading a signal from the solid-
なお、垂直走査については、1水平行ごとに信号線を選択し順時次の行へと選択動作を移していくが、選択された行毎に次の図15及び図16で示したような動作が行われ、本図の駆動信号が出力される。この走査が垂直方向全画面に渡って繰り返される。最終行について終了した後には垂直帰線期間を経過した後に先頭の行へと選択動作が戻る。図15及び図16では、1行目と2行目の駆動信号のみを示している。 For vertical scanning, a signal line is selected for each horizontal line, and the selection operation is sequentially shifted to the next row. As shown in FIGS. 15 and 16 for each selected row. The operation is performed, and the drive signal of this figure is output. This scanning is repeated over the entire vertical screen. After finishing the last row, the selection operation returns to the first row after the vertical blanking period. 15 and FIG. 16, only the drive signals in the first and second rows are shown.
最初に、図15、図2、図6、図13を参照して、撮像用信号を読み出す動作の例を説明する。この動作では、基本的に、露光時に全ての有効画素20のうちの画素20Nを除く全ての画素20V,20HがPD合体状態とされる。また、この動作では、全画素同時露光が行われる。
First, an example of an operation for reading an imaging signal will be described with reference to FIGS. 15, 2, 6, and 13. In this operation, basically, all the
図15において、期間T1は、全有効画素を同時に駆動する期間である。すなわち、期間T1の駆動パルスは、全行において同一の駆動信号が出力される。また、期間T2は1行目を読み出す期間、期間T3は2行目を読み出す期間、期間T4は3行目を読み出す期間であり、選択された行のみ本図に示すような駆動信号が出力される。この点は、後述する図16についても同様である。 In FIG. 15, a period T1 is a period in which all effective pixels are driven simultaneously. That is, the same drive signal is output in all rows for the drive pulse in the period T1. Further, the period T2 is a period for reading the first row, the period T3 is a period for reading the second row, and the period T4 is a period for reading the third row. Only the selected row outputs a drive signal as shown in FIG. The This also applies to FIG. 16 described later.
まず、期間T11の開始時点から期間T14の終了時点までの期間において、φPDBをハイにして、全ての有効画素20のうちの画素20Nを除く全ての画素20V,20HをPD合体状態にする。よって、画素20V,20Hの埋め込みフォトダイオード41,42は、全体として、1つの分割されていない光電変換部と実質的に等価になる。この期間中に、以下に説明する期間T11〜T14の動作が行われる。
First, in a period from the start time of the period T11 to the end time of the period T14, φPDB is set high, and all the
まず、期間T11において、φPDRをハイにしてPDリセットトランジスタ53,54,153をオンにする。この動作により、すべての有効画素の埋め込みフォトダイオード41,42,141に貯まっている不要な電荷が電源VDDに排出される。すなわち、埋め込みフォトダイオード41,42,141は、リセットされる。そして、全有効画素の埋め込みフォトダイオード41,42,141は、期間T11の終了時点から露光を開始する。このとき、本実施の形態では、前述したように、埋め込みフォトダイオード41,42間の領域においても、入射光の光電変換が行われる。このため、撮像時の感度が向上する。
First, in period T11, φPDR is set high to turn on
期間T12において、φFDRをハイにしてFDリセットトランジスタ51をオンにする。それと同時に期間T13において、φTGB、φTGCをハイにして転送トランジスタ48,49,148を同時にオンにする。この動作により、FD47及び電荷格納部43,44,143に貯まっている電荷が電源VDDに排出される。すなわち、全有効画素のFD47及び電荷格納部43,44,143は、リセットされる。
In a period T12, φFDR is set high to turn on the FD reset
期間T14において、φTGAをハイにして転送トランジスタ45,46,145をオンにする。全有効画素のうちの全ての画素20V,20Hの連結した埋め込みフォトダイオード41,42及びそれらの間に蓄積されている電荷は全て電荷格納部43,44に分かれて転送される。また、全有効画素のうちの全ての画素20Nの埋め込みフォトダイオード141に蓄積されている電荷は電荷格納部143に転送される。期間T14において、第1及び第2の転送トランジスタ45,46のいずれか一方のみをオンにしてもよい。ここで、図15に示された期間T15(φPDRをローにしてからφTGAをオンにするまでの期間)が露光期間となる。露光期間T15は、全有効画素にて同一の期間であり同一のタイミングとなる。このため、全有効画素は、タイミングずれすることなく画像情報を獲得することが可能となる。
In a period T14, φTGA is set to high to turn on the
次いで、期間T16において、1行目のφSをハイにして選択トランジスタ52をオンにする。これにより、1行目の画素が選択され、1行目の画素から信号が垂直信号線25に出力されるようになる。
Next, in a period T <b> 16, φS in the first row is set high to turn on the
それと同時に期間T17において、1行目のφFDRをハイにしてFDリセットトランジスタ51をオンにする。この動作により、FD47がリセットされる。そして、期間T17の終了時点、すなわち、φFDRがローとなってから、期間T19の開始時点までの間(期間T18)において、1行目の増幅トランジスタ50からの、FD47リセット時出力は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。
At the same time, in period T17, φFDR in the first row is set high to turn on the FD reset
期間T19において、φTGB、φTGCをハイにして転送トランジスタ48,49,148を同時にオンにする。これにより、各画素20V,20Hに2つある電荷格納部43,44に蓄積されている電荷は、合算されてFD47に転送される。また、各画素20Nの電荷格納部143に蓄積されている電荷は、FD47に転送される。そして、FD40の電荷量に応じて増幅された電位が、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。CDS回路27では、先ほど保存したリセット時出力との差を1行目の画素の画素信号として出力する。そして、これらの1行目の画素の画素信号は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して出力される。
In a period T19, φTGB and φTGC are set high to turn on the
同様に、期間T3において2行目の読み出しを行う。駆動信号は1行目と同様である。図9中の期間T26〜T29は、期間T16〜T19に相当している。 Similarly, reading of the second row is performed in the period T3. The drive signal is the same as in the first row. Periods T26 to T29 in FIG. 9 correspond to periods T16 to T19.
なお、φPDRは、読み出し終了後(φSオフ後)は、常にハイとしてもよい。 Note that φPDR may always be high after the end of reading (after φS is turned off).
以上の説明から理解されるように、各画素20V,20Hは、期間T11の開始時点から期間T14の終了時点までの期間において、φPDBをハイにして、2つの埋め込みフォトダイオード41,42を合体しているので、画素20Nの場合と同じく、通常どおりに撮像用信号を出力することができる。しかも、分割線に沿って配置されたゲート電極67が入射光を透過するので、入射光の利用効率が増大し、感度を向上させることができる。さらに、全有効画素の露光のタイミングを同一にした電子シャッターが可能であることも、前記説明にて明らかである。なお、勿論、電荷格納部43,44の有無に拘わらず、一行ごとにリセットしたローリングシャッター動作を行うことも可能である。
As understood from the above description, each of the
次に、図16、図2、図6を参照して、PD2分割状態で露光した画素20V、20Hからの焦点検出用信号を読み出す動作の例を説明する。この動作例では、基本的に、露光時に全ての画素20V,20HがPD2分割状態とされる。また、この動作では、全画素同時露光が行われる。なお、焦点検出信号の読み出しの際に画素20Nから得られる信号は、焦点検出信号として用いられないため、以下の説明では、画素20V、20Hについてのみ説明する。
Next, an example of an operation for reading out focus detection signals from the
この動作で読み出された全画素の信号は、一旦、図1中のメモリ7に格納された後、焦点演算部10で焦点検出処理を行う際に、メモリ7内の信号から、所望の画素列に関するもののみが選択的に用いられる。図16に示す動作例では、このように全画素読み出しにより焦点検出用信号を得るが、前記所望の画素列の画素以外の画素については、間引いて読み出し動作を行わなくてもよい。
The signals of all the pixels read out by this operation are temporarily stored in the
まず、期間T31において、φPDRをハイにしてPDリセットトランジスタ51をオンにするとともに、φPDBをハイにしてPD合体状態する。この動作により、すべての画素20V,20Hの埋め込みフォトダイオード41,42に貯まっている不要な電荷が電源VDDに排出される。すなわち、埋め込みフォトダイオード41,42は、リセットされる。そして、全ての埋め込みフォトダイオード41,42は、期間T31の終了時点から露光を開始する。
First, in period T31, φPDR is set high to turn on the PD reset
φPDBは期間T1においてもローのままにされる。よって、期間T35においても、全ての画素20V,20HがPD2分割状態となり、各画素20V,20Hの埋め込みフォトダイオード41,42は、全体として、2分割された光電変換部と実質的に等価になる。この期間中に、以下に説明する期間T32〜T34の動作が行われる。
φPDB remains low during period T1. Therefore, also in the period T35, all the
期間T32において、φFDRをハイにしてFDリセットトランジスタ51をオンにする。それと同時に期間T33において、φTGB、φTGCをハイにして第3及び第4の転送トランジスタ48,49を同時にオンにする。この動作により、FD47及び第1及び第2の電荷格納部43,44に貯まっている電荷が電源VDDに排出される。すなわち、全ての画素20V,20HのFD47及び電荷格納部43,44は、リセットされる。
In a period T32, φFDR is set high to turn on the FD reset
期間T34において、φTGAをハイにして第1及び第2の転送トランジスタ45,46をオンにする。その結果、全の画素20V,20Hの埋め込みフォトダイオード41,42に蓄積されている電荷は、第1及び第2の転送トランジスタ45,46をそれぞれ経由して第1及び第2の電荷格納部43,44にそれぞれ転送される。ここで、図16に示された期間T35(φPDRをローにしてからφTGAをオンにするまでの期間)が露光期間となる。露光期間T35は、全ての画素20V,20Hにて同一の期間であり同一のタイミングとなる。このため、全ての画素20V,20Hは、タイミングずれすることなく焦点検出情報を獲得することが可能となる。ここまでの期間(期間T1)の動作は、PD2分割状態で露光される点を除けば、図15を参照して説明した撮像用信号を得るための動作と同じである。
In a period T34, φTGA is set high to turn on the first and
次いで、期間T36において、1行目のφSをハイにして選択トランジスタ52をオンにする。これにより、1行目の画素が選択され、1行目の画素から信号が垂直信号線25に出力されるようになる。
Next, in a period T36, φS in the first row is set high to turn on the
それと同時に期間T37において、1行目のφFDRをハイにしてFDリセットトランジスタ51をオンにする。この動作により、FD47がリセットされる。そして、期間T37の終了時点、すなわち、φFDRがローとなってから、期間T39の開始時点までの間(期間T38)において、1行目の増幅トランジスタ50からの、FD47リセット時出力は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。
At the same time, in period T37, φFDR in the first row is set high to turn on the FD reset
期間T39において、φTGBをハイにして第3の転送トランジスタ48をオンにする。これにより、第1の電荷格納43に蓄積されている電荷は、FD47に転送される。そして、FD47の電荷量に応じて増幅された電位が、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。CDS回路27では、先ほど保存したリセット時出力との差を1行目の画素の上下方向又は左右方向の一方の側の瞳信号出力として出力する。そして、これらの1行目の画素の上下方向又は左右方向の一方の側の瞳信号出力は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して出力される。
In a period T39, φTGB is set high to turn on the
次いで、期間T40において、1行目のφFDRをハイにしてFDリセットトランジスタ51をオンにする。この動作により、FD47がリセットされる。そして、期間T40の終了時点、すなわち、φFDRがローとなってから、期間T42の開始時点までの間(期間T41)において、1行目の増幅トランジスタ50からの、FD47リセット時出力は、垂直信号線25を介してCDS回路27に保存される。
Next, in period T40, φFDR in the first row is set high to turn on the FD reset
期間T42において、φTGCをハイにして第4の転送トランジスタ49をオンにする。これにより、第2の電荷格納44に蓄積されている電荷は、FD47に転送される。そして、FD47の電荷量に応じて増幅された電位が、垂直信号線25を通してCDS回路27に送られる。CDS回路27では、先ほど保存したリセット時出力との差を1行目の画素の上下方向又は左右方向の他方の側の瞳信号出力として出力する。そして、これらの1行目の画素の上下方向又は左右方向の他方の側の瞳信号出力は、水平走査回路22の駆動信号によって水平信号線28、出力アンプ29を介して出力される。
In a period T42, φTGC is set high to turn on the
これらの動作により、1行目の画素の上下方向又は左右方向の一方の側の瞳信号出力と上下方向又は左右方向の反対側の瞳信号出力を得ることができる。なお、上下方向であるか左右方向であるかは当該画素が画素20Vであるか画素20Hであるかによって定まる。
With these operations, it is possible to obtain a pupil signal output on one side of the pixels in the first row in the vertical direction or the horizontal direction and a pupil signal output on the opposite side in the vertical direction or the horizontal direction. Note that whether the pixel is the vertical direction or the horizontal direction depends on whether the pixel is the
同様に、以降の行の読み出しを行う。駆動信号は1行目と同様である。図16中の期間T46〜T52は、期間T36〜T42に相当している。 Similarly, the subsequent rows are read. The drive signal is the same as in the first row. A period T46 to T52 in FIG. 16 corresponds to a period T36 to T42.
なお、φPDRは、読み出し終了後(φSオフ後)は、常にハイとしてもよい。 Note that φPDR may always be high after the end of reading (after φS is turned off).
以上の説明から理解されるように、各画素は、期間T1においても、φPDBをローのままにして、PD2分割状態にしているので、各画素の上下方向又は左右方向の一方の側の瞳信号出力と上下方向又は左右方向の他方の側の瞳信号出力を得ることができる。さらに、このような焦点検出用信号を得る際にも、全有効画素の露光のタイミングを同一にした電子シャッターが可能であることも、前記説明にて明らかである。また、電荷格納部43,44の有無に拘わらず、一行ごとにリセットしたローリングシャッター動作を行うことも可能である。
As can be understood from the above description, since each pixel remains in the PD2 division state while φPDB remains low even in the period T1, the pupil signal on one side of each pixel in the vertical direction or the horizontal direction is displayed. The output and the pupil signal output on the other side in the vertical direction or the horizontal direction can be obtained. Furthermore, it is clear from the above description that an electronic shutter with the same exposure timing for all effective pixels can be used when obtaining such a focus detection signal. Further, it is possible to perform a rolling shutter operation that is reset for each row regardless of the presence or absence of the
次に、本実施の形態による電子カメラ1の動作の一例について、図1を参照して説明する。 Next, an example of the operation of the electronic camera 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
操作部9aのレリーズ釦の半押し操作が行われると、電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、その半押し操作に同期して撮像制御部4を駆動する。撮像制御部4は、固体撮像素子3に制御信号を送って図16を参照して説明した動作を固体撮像素子3に行わせ、全ての画素20V,20H,20Nからの信号を得て、これらを信号処理部5及びA/D変換部6を介してメモリ7に蓄積する。
When the half-press operation of the release button of the
次に、マイクロプロセッサ9は、現在設定されている焦点調節モードが、例えば図3及び図4に示す焦点検出領域35のみに基づいて焦点調節を行うモード(以下、「焦点検出領域35モード」という。)である場合は、先にメモリ7に蓄積した焦点検出用信号のうちの焦点検出領域35内の全ての画素20Vの各フォトダイオード41,42からの信号をピックアップし、それらの信号に基づいて瞳分割位相差方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点検出演算部10に行わせることで、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる。
Next, the microprocessor 9 determines that the currently set focus adjustment mode is a mode in which focus adjustment is performed only based on, for example, the
また、現在設定されている焦点調節モードが、例えば図3に示す全ての焦点検出領域32〜37に基づいて焦点調節を行うモード(以下、「全焦点検出領域モード」という。)である場合は、前述したように焦点検出領域35に関してデフォーカス量を演算する他、各焦点検出領域32〜34,36,37についても、同様に、当該焦点検出領域に関してデフォーカス量を演算する。
In addition, when the currently set focus adjustment mode is a mode in which focus adjustment is performed based on, for example, all the
その後、マイクロプロセッサ9は、現在設定されている焦点検出モードが焦点検出領域35モードの場合は、先に求めた焦点検出領域35に関するデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。現在設定されている焦点検出モードが全焦点検出領域モードの場合は、マイクロプロセッサ9は、先に求めた各焦点検出領域のデフォーカス量に基づいて決定した調節後の焦点調節状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。引き続いて、マイクロプロセッサ9は、本撮影のための撮影条件(絞り、シャッタ時間等)を設定する。
Thereafter, when the currently set focus detection mode is the
次いで、マイクロプロセッサ9は、先に求めたデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。引き続いて、マイクロプロセッサ9は、本撮影のための撮影条件(絞り、シャッタ時間等)を設定する。
Next, the microprocessor 9 causes the
次に、マイクロプロセッサ9は、設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、操作部9aのレリーズ釦の全押し操作に同期して、ステップS9で設定したシャッタ時間等の条件で撮像制御部4を駆動することで、画像信号を読み出して本撮影を行う。このとき、前述した図15に示す動作によって、画像信号を読み出す。撮像制御部4によって、この画像信号は、メモリ7に蓄積される。
Next, the microprocessor 9 operates the
その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
Thereafter, the microprocessor 9 performs a desired process in the
本実施の形態によれば、画素20V,20Hにおいて、ゲート電極67に与える制御信号によって、PD2分割状態(埋め込みフォトダイオード41,42が電気的に分離された状態)及びPD合体状態(埋め込みフォトダイオード41,42が電気的に連結された状態)にそれぞれ設定することができる。したがって、焦点検出時にPD2分割状態にすることで、画素20V,20Hから焦点検出用信号を得て撮影レンズの焦点調節状態を検出することができるとともに、撮像時にPD合体状態にすることで、画素20V,20Hが画素欠陥と同様の状態を引き起こすことがなく、画質を向上させることができる。
According to the present embodiment, in the
そして、本実施の形態では、前述したように、撮像時のPD合体状態において、ゲート電極67の下の領域にも、入射光に対する感度を有する領域が存在する。したがって、本実施の形態によれば、前記特許文献4に開示された固体撮像素子のように2分割された光電変換部の一方部分と他方部分との間にフローティングディフュージョンを配置する場合に比べて、撮像時の感度を向上させることができる。
In this embodiment, as described above, there is a region having sensitivity to incident light in the region below the
[第2の実施の形態]
図17は、本発明の第2の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子103(特にその撮像領域31)を模式的に示す概略平面図であり、図3に対応している。図18は、図17における撮像領域31の任意の領域を拡大した概略拡大図であり、図4に対応している。図19は、本実施の形態による電子カメラの動作を示す概略フローチャートである。図17及び図18において、図3及び図4中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 17 is a schematic plan view schematically showing a solid-state image sensor 103 (particularly, its imaging region 31) of an electronic camera as an imaging device according to the second embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. . 18 is a schematic enlarged view in which an arbitrary region of the
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、撮像領域31には、特別な焦点検出領域32〜37等は設定されておらず、有効領域の全ての画素20が図6乃至図11に示す画素20Vである点と、本実施の形態による電子カメラが図19に示す動作を行うようになっている点のみである。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that no special
本実施の形態による電子カメラの動作について、図19及び図1を参照して説明する。 The operation of the electronic camera according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
操作部9aのレリーズ釦の半押し操作が行われる(ステップS1)と、電子カメラ1内のマイクロプロセッサ9は、その半押し操作に同期して撮像制御部4を駆動する。撮像制御部4は、被写体の確認を行うために予め定めた公知の手法により、全画素又は所定画素から被写体確認用の撮像信号を読み出し、メモリ7に蓄積する。このとき、全画素を読み出す場合は、例えば、前記図15に示す動作と同様の動作を行う。そして、画像処理部13は、その信号から、画像認識技術を利用して被写体を認識する(ステップS2)。例えば、顔認識モードの場合、被写体として顔を認識する。そして、画像処理部13は、被写体の中心座標を抽出する(ステップS3)。
When the half-press operation of the release button of the
その後、マイクロプロセッサ9は、ステップ3で抽出された被写体の中心座標に従って、被写体に対する焦点調節状態を精度良く検出するのに最適な、焦点検出に用いるべき、オートフォーカス用ラインセンサに相当する画素列(Y軸方向の列)の座標(位置)を設定する(ステップS4)。また、マイクロプロセッサ9は、ステップS2の認識結果等に基づいて、焦点検出用の撮影条件(絞り、焦点調節状態、シャッタ時間等)を設定する(ステップS5)。
Thereafter, the microprocessor 9 is a pixel row corresponding to an autofocus line sensor to be used for focus detection, which is optimal for accurately detecting the focus adjustment state with respect to the subject according to the center coordinates of the subject extracted in
引き続いて、マイクロプロセッサ9は、ステップS5で設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、ステップS5で設定したシャッタ時間等の条件でかつステップS4で設定した画素列の座標に従って、撮像制御部4を駆動することで、オートフォーカス(自動焦点調節)用の信号を読み出し、メモリ7に蓄積する(ステップS6)。このとき、前述した図16に示す動作と同様の動作によって、オートフォーカス用の画像信号を読み出す。
Subsequently, the microprocessor 9 operates the
次に、マイクロプロセッサ9は、ステップS6で取得されメモリ7に格納された全画素の信号のうちから、ステップS4で設定した座標の画素列(Y軸方向の画素列)の各画素の信号をピックアップし、それらの信号に基づいて瞳分割位相差方式に従った演算(焦点調節状態の検出処理)を焦点検出演算部10に行わせることで、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる(ステップS7)。
Next, the microprocessor 9 outputs the signal of each pixel in the pixel row (pixel row in the Y-axis direction) of the coordinates set in step S4 from the signals of all the pixels acquired in step S6 and stored in the
次いで、マイクロプロセッサ9は、ステップS7で算出されたデフォーカス量に応じて合焦状態となるように、レンズ制御部2aに撮影レンズ2を調節させる。引き続いて、マイクロプロセッサ9は、本撮影のための撮影条件(絞り、シャッタ時間等)を設定する(ステップS9)。
Next, the microprocessor 9 causes the
次に、マイクロプロセッサ9は、ステップS9で設定した絞り等の条件となるようにレンズ制御部2aを作動させ、操作部9aのレリーズ釦の全押し操作に同期して、ステップS9で設定したシャッタ時間等の条件で撮像制御部4を駆動することで、画像信号を読み出して本撮影を行う(ステップS10)。このとき、前述した図15に示す動作と同様の動作によって、画像信号を読み出す。撮像制御部4によって、この画像信号は、メモリ7に蓄積される。
Next, the microprocessor 9 operates the
その後、マイクロプロセッサ9は、操作部9aの指令に基づき、必要に応じて画像処理部13や画像圧縮部12にて所望の処理を行い、記録部に処理後の信号を出力させ記録媒体11aに記録する。
Thereafter, the microprocessor 9 performs a desired process in the
本実施の形態による電子カメラ1によれば、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる他、焦点検出領域を被写体に応じて任意に設定することができるので、高い精度でオートフォーカスを行うことができる。 According to the electronic camera 1 according to the present embodiment, advantages similar to those of the first embodiment can be obtained, and the focus detection area can be arbitrarily set according to the subject, so that the autofocus can be performed with high accuracy. It can be performed.
なお、有効領域の全ての画素20を、画素20Vとする代わりに、図12に示す画素20Hとしてもよい。この場合、図19に示す動作において、ステップS4において、オートフォーカス用ラインセンサに相当する画素列(X軸方向の列)の座標(位置)を設定する。また、ステップS7において、ステップS4で設定した座標の画素列(X軸方向の画素列)の各画素の信号をピックアップし、それらの信号に基づいて、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる。
Note that all the
[第3の実施の形態]
図20は、本発明の第3の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子203(特にその撮像領域31)を模式的に示す概略平面図であり、図3及び図17に対応している。図21は、図20における焦点検出領域36の付近を拡大した概略拡大図であり、図4及び図18に対応している。図20及び図21において、図3、図4、図17及び図18中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 20 is a schematic plan view schematically showing a solid-state image sensor 203 (particularly, its imaging region 31) of an electronic camera as an imaging device according to the third embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 3 and FIG. doing. FIG. 21 is a schematic enlarged view in which the vicinity of the
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、撮像領域31において、X軸方向に延びた焦点検出領域32,36,37の画素20のみが図12に示す画素20Hとされ、残りの画素20が図6乃至図11に示す画素20Vである点である。
This embodiment differs from the first embodiment in that only the
本実施の形態によっても、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる他、前記第2の実施の形態とほぼ同様に、被写体に応じた位置のY軸方向の画素列の各画素の信号に基づいて、焦点調節状態を検出することができる。前記第2の実施の形態では、画素20Vのみが用いられているので、瞳分割によるY軸方向の位相シフト量のみしか検出できないので、被写体によっては必ずしも精度良く焦点調節状態を検出することができない。これに対し、焦点検出領域32,36,37において画素20Hが用いられているので、焦点検出領域32,36,37の位置に限定されるものの、X軸方向方向の位相シフト量を検出することが可能である。よって、本実施の形態によれば、前記第2の実施の形態に比べて、種々の被写体に対して高精度で焦点調節状態を検出することができる。
Also in this embodiment, the same advantages as in the first embodiment can be obtained, and each pixel of the pixel column in the Y-axis direction at a position corresponding to the subject is almost the same as in the second embodiment. Based on the signal, the focus adjustment state can be detected. In the second embodiment, since only the
[第4の実施の形態]
図22は、本発明の第4の実施の形態による撮像装置としての電子カメラの固体撮像素子の撮像領域の任意の一部を拡大して模式的に示す概略平面図であり、図4、図5、図18及び図21に対応している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 22 is a schematic plan view schematically showing an enlarged part of an imaging region of a solid-state imaging device of an electronic camera as an imaging device according to the fourth embodiment of the present invention. 5, corresponding to FIG. 18 and FIG.
本実施の形態が前記第1の実施の形態と異なる所は、撮像領域31の全体に渡って、図6乃至図11に示す画素20Vと図12に示す画素20Hとが市松模様状に配置されている点と、基本的に図19に示す動作と同様の動作を行う点のみである。
This embodiment is different from the first embodiment in that the
本実施の形態では、図19に示す動作において、ステップS3において、画像処理部13は、被写体の中心座標のみならず長さ方向も抽出する。ステップS4において、ステップ3で抽出された被写体の中心座標及び長手方向に従って、被写体に対する焦点調節状態を精度良く検出するのに最適な、焦点検出に用いるべき、オートフォーカス用ラインセンサに相当する画素列の座標(位置・長手方向)を設定する(ステップS4)。ただし、この画素列は、Y軸方向の場合は画素20Vの1個おきの画素列を設定し、X軸方向の場合は画素20Hの1個おきの画素列を設定する。また、ステップS7において、ステップS4で設定した座標の画素列の各画素の信号をピックアップし、それらの信号に基づいて、焦点検出演算部10にデフォーカス量を算出させる。
In the present embodiment, in the operation shown in FIG. 19, in step S3, the
本実施の形態によれば、前記第1の実施の形態と同様の利点が得られる他、焦点検出領域の位置のみならず方向も被写体に応じて任意に設定することができるので、より高い精度で種々の被写体の焦点調節状態を検出することができる。 According to the present embodiment, the same advantages as in the first embodiment can be obtained, and not only the position of the focus detection area but also the direction can be arbitrarily set according to the subject, so that higher accuracy can be obtained. Thus, it is possible to detect the focus adjustment state of various subjects.
[変形例]
前述した各実施の形態において、例えば、図6乃至図11に示す画素20Vに代えて、図23に示す画素又は図24に示す画素を用いてもよい。
[Modification]
In each of the above-described embodiments, for example, the pixel shown in FIG. 23 or the pixel shown in FIG. 24 may be used instead of the
図23は、第1の変形例による画素を示す概略断面図であり、図9に対応している。図24は、第2の変形例による画素を示す概略断面図であり、図9に対応している。図23及び図24において、図9中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。図23に示す画素及び図24に示す画素がが図6乃至図11に示す画素20Vと異なる所は、ゲート電極67付近の断面構造のみである。
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing a pixel according to the first modification, and corresponds to FIG. FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing a pixel according to the second modification, and corresponds to FIG. 23 and 24, elements that are the same as or correspond to those in FIG. 9 are given the same reference numerals, and redundant descriptions thereof are omitted. The pixel shown in FIG. 23 and the pixel shown in FIG. 24 differ from the
図23に示す画素及び図24に示す画素では、埋め込みフォトダイオード41,42間においてシリコン基板主表面側にトレンチが形成され、ポリシリコン又はITOからなるゲート電極67が前記トレンチ内にシリコン酸化膜等の絶縁膜90を介して形成されている。これにより、図23に示す画素及び図24に示す画素のいずれにおいても、一方側の埋め込みフォトダイオード41と他方側の埋め込みフォトダイオード42との対向端面間の領域に、ゲート電極67が進出している。
In the pixel shown in FIG. 23 and the pixel shown in FIG. 24, a trench is formed between the embedded
図23に示す画素では、埋め込みフォトダイオード41のN型の電荷蓄積層63と埋め込みフォトダイオード42のN型の電荷蓄積層63との間に、下方寄りの位置で、電荷蓄積層63よりも不純物濃度の低いN型拡散領域91が形成されている。一方、図24に示す画素では、このようなN型拡散領域91は形成されていない。
In the pixel shown in FIG. 23, the impurity is located at a position closer to the lower side than the
図23に示す画素及び図24に示す画素のいずれも、ゲート電極67に印加する電圧を変えることで、埋め込みフォトダイオード41,42間が電気的に連結された状態と電気的に両者の間が電気的に分離された状態とに、設定することができる。そして、いずれの画素においても、両者の間が電気的に連結された状態ではゲート電極67の近傍下部領域が光電変換機能を持ち、両者の間が電気的に分離された状態ではゲート電極67の近傍下部領域は光電変換機能を持たない。
In both the pixel shown in FIG. 23 and the pixel shown in FIG. 24, the voltage applied to the
図23に示す画素や図24に示す画素では、一方側の埋め込みフォトダイオード41と他方側の埋め込みフォトダイオード42との対向端面間の領域に、ゲート電極67が進出しているので、埋め込みフォトダイオード41,42間を分離するのが容易であり、分離ゲート長を短くすることができる。このため、微細化できるという効果があるとともに、撮像時においてゲート電極67部分に入射した光の損失量もより低減させることができ、感度をより向上させることができる。
In the pixel shown in FIG. 23 or the pixel shown in FIG. 24, since the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment.
例えば、CMOS型イメージセンサでは種々の画素構造を有するものが知られているが、本発明はそれらのイメージセンサにも適用することができる。また、本発明は、CMOS型イメージセンサ以外の種々のイメージセンサにも適用することができる。 For example, CMOS image sensors having various pixel structures are known, but the present invention can also be applied to these image sensors. The present invention can also be applied to various image sensors other than the CMOS type image sensor.
また、前記実施の形態では、ゲート電極67が構成する連結/分離トランジスタ55は、MOSトランジスタであったが、例えば、接合型電界効果トランジスタとしてもよい。
In the above embodiment, the connection /
また、前述した各導電型は逆導電型としてもよいことは、言うまでもない。さらに、前述した各実施の形態では、1本の分割線による2分割可能な画素の例を挙げたが、本発明では、複数本の分割線による3つ以上に分割可能な画素を採用してもよい。 Needless to say, each of the conductivity types described above may be a reverse conductivity type. Furthermore, in each of the above-described embodiments, an example of a pixel that can be divided into two by one dividing line has been given. However, in the present invention, a pixel that can be divided into three or more by using a plurality of dividing lines is employed. Also good.
前述した各実施の形態や変形例は、本発明による光電変換部の連結・分離構造を固体撮像素子に用いた例であったが、本発明による光電変換部の連結・分離構造は、例えば、光を利用した計測装置などにも用いることができる。 Each of the above-described embodiments and modifications is an example in which the photoelectric conversion unit connection / separation structure according to the present invention is used in a solid-state imaging device, but the photoelectric conversion unit connection / separation structure according to the present invention is, for example, It can also be used for measuring devices using light.
1 電子カメラ
3 固体撮像素子
20,20V,20H,20N 画素
41,42 埋め込みフォトダイオード(光電変換部)
67 ゲート電極
C−C’ 分割線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
67 Gate electrode CC 'Dividing line
Claims (35)
複数の前記画素のうちの少なくとも一部の画素は、
光を電荷に変換する第1光電変換部及び第2光電変換部と、
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に連結される第1モードと前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に分離され、前記第1光電変換部で光電変換された電荷と前記第2光電変換部で光電変換された電荷とが互いに独立して送り出される第2モードとのうちいずれかを設定するモード設定手段と、を備え、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間の領域は、前記モード設定手段により前記第1モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有し、前記モード設定手段により前記第2モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有さないことを特徴とする撮像素子。 An image sensor having a plurality of pixels,
At least some of the plurality of pixels are
A first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit for converting light into electric charge;
A first mode in which the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically connected to each other, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically separated, and the first photoelectric conversion unit Mode setting means for setting one of the second mode in which the charge photoelectrically converted in step 2 and the charge photoelectrically converted in the second photoelectric conversion unit are sent out independently of each other;
The region between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function of converting light into electric charge when the mode setting unit sets the first mode, and the mode An image pickup device having no photoelectric conversion function for converting light into electric charge when set in the second mode by a setting means.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との対向端面間の領域に進出していることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The mode setting means has a gate electrode,
The image pickup device, wherein the gate electrode extends into a region between opposing end surfaces of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間に形成されたトレンチに設けられていることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 2,
The imaging device, wherein the gate electrode is provided in a trench formed between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との対向端面間の領域に進出していないことを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 1,
The mode setting means has a gate electrode,
The imaging device, wherein the gate electrode does not advance into a region between opposed end surfaces of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部の半導体領域をソースとし、前記第2光電変換部の半導体領域をドレインとするMOSトランジスタのゲートを構成することを特徴とする撮像素子。 In the image sensor according to any one of claims 2 to 4,
The imaging device, wherein the gate electrode constitutes a gate of a MOS transistor having a semiconductor region of the first photoelectric conversion unit as a source and a semiconductor region of the second photoelectric conversion unit as a drain.
前記ゲート電極は、可視波長域のうちの少なくとも一部の波長域に対して透光性を有する材料で構成されたことを特徴とする撮像素子。 In the image sensor according to any one of claims 2 to 5,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of a material having translucency with respect to at least a part of a visible wavelength range.
前記ゲート電極は、ITO又はポリシリコンで構成されたことを特徴とする撮像素子。 In the image sensor according to any one of claims 2 to 6,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of ITO or polysilicon.
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部に光を導くマイクロレンズを備えたことを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 1 to 7,
An imaging device comprising: a microlens that guides light to the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
複数の前記画素のうちの少なくとも一部の画素は、前記第1光電変換部で光電変換された電荷を蓄積する第1電荷格納部と前記第2光電変換部で光電変換された電荷を蓄積する第2電荷格納部とを更に備え、
前記モード設定手段により前記第2モードが設定された場合、前記第1光電変換部で光電変換された電荷が前記第1光電変換部から前記第1電荷格納部へ送り出されるタイミングと前記第2光電変換部で光電変換された電荷が前記第2光電変換部から前記第2電荷格納部へ送り出されるタイミングとは、同一のタイミングであることを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 1 to 8,
At least some of the plurality of pixels accumulate the charge photoelectrically converted by the first photoelectric storage unit and the second photoelectric conversion unit that store the charge photoelectrically converted by the first photoelectric conversion unit. A second charge storage unit;
When the second mode is set by the mode setting means, the timing at which the charge photoelectrically converted by the first photoelectric conversion unit is sent from the first photoelectric conversion unit to the first charge storage unit and the second photoelectric conversion unit An image pickup device, wherein the charge photoelectrically converted by the conversion unit is sent out from the second photoelectric conversion unit to the second charge storage unit at the same timing.
複数の前記画素のうちの少なくとも一部の画素は、フローティング拡散部を更に備え、
前記第1電荷格納部に蓄積された電荷は、第1転送部を介して前記フローティング拡散部へ転送され、
前記第2電荷格納部に蓄積された電荷は、第2転送部を介して前記フローティング拡散部へ転送されることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 9,
At least some of the plurality of pixels further include a floating diffusion portion,
The charge accumulated in the first charge storage unit is transferred to the floating diffusion unit through the first transfer unit,
The image pickup device, wherein the charge accumulated in the second charge storage unit is transferred to the floating diffusion unit via a second transfer unit.
光を電荷に変換する前記第1光電変換部とは異なる第2光電変換部と、
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に連結される第1モードと前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に分離され、前記第1光電変換部で光電変換された電荷と前記第2光電変換部で光電変換された電荷とが互いに独立して送り出される第2モードとのうちいずれかを設定するモード設定手段と、を有する画素を備え、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間の領域は、前記モード設定手段により前記第1モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有し、前記モード設定手段により前記第2モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有さないことを特徴とする撮像素子。 A first photoelectric conversion unit that converts light into electric charge;
A second photoelectric conversion unit different from the first photoelectric conversion unit for converting light into electric charge;
A first mode in which the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically connected to each other, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically separated, and the first photoelectric conversion unit Mode setting means for setting any one of the second mode in which the charge photoelectrically converted in step 2 and the charge photoelectrically converted in the second photoelectric conversion unit are sent out independently from each other,
The region between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function of converting light into electric charge when the mode setting unit sets the first mode, and the mode An image pickup device having no photoelectric conversion function for converting light into electric charge when set in the second mode by a setting means.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との対向端面間の領域に進出していることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 11,
The mode setting means has a gate electrode,
The image pickup device, wherein the gate electrode extends into a region between opposing end surfaces of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間に形成されたトレンチに設けられていることを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to claim 12,
The imaging device, wherein the gate electrode is provided in a trench formed between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との対向端面間の領域に進出していないことを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 11,
The mode setting means has a gate electrode,
The imaging device, wherein the gate electrode does not advance into a region between opposed end surfaces of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部の半導体領域をソースとし、前記第2光電変換部の半導体領域をドレインとするMOSトランジスタのゲートを構成することを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to any one of claims 12 to 14,
The imaging device, wherein the gate electrode constitutes a gate of a MOS transistor having a semiconductor region of the first photoelectric conversion unit as a source and a semiconductor region of the second photoelectric conversion unit as a drain.
前記ゲート電極は、可視波長域のうちの少なくとも一部の波長域に対して透光性を有する材料で構成されたことを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to any one of claims 12 to 15,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of a material having translucency with respect to at least a part of a visible wavelength range.
前記ゲート電極は、ITO又はポリシリコンで構成されたことを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to any one of claims 12 to 16,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of ITO or polysilicon.
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部に光を導くマイクロレンズを備えたことを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to any one of claims 11 to 17,
An imaging device comprising: a microlens that guides light to the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記画素は、前記第1光電変換部で光電変換された電荷を蓄積する第1電荷格納部と前記第2光電変換部で光電変換された電荷を蓄積する第2電荷格納部とを更に備え、
前記モード設定手段により前記第2モードが設定された場合、前記第1光電変換部で光電変換された電荷が前記第1光電変換部から前記第1電荷格納部へ送り出されるタイミングと前記第2光電変換部で光電変換された電荷が前記第2光電変換部から前記第2電荷格納部へ送り出されるタイミングとは、同一のタイミングであることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to any one of claims 11 to 18,
The pixel further includes a first charge storage unit that accumulates charges photoelectrically converted by the first photoelectric conversion unit, and a second charge storage unit that accumulates charges photoelectrically converted by the second photoelectric conversion unit,
When the second mode is set by the mode setting means, the timing at which the charge photoelectrically converted by the first photoelectric conversion unit is sent from the first photoelectric conversion unit to the first charge storage unit and the second photoelectric conversion unit An image pickup device, wherein the charge photoelectrically converted by the conversion unit is sent out from the second photoelectric conversion unit to the second charge storage unit at the same timing.
前記画素は、フローティング拡散部を更に備え、
前記第1電荷格納部に蓄積された電荷は、第1転送部を介して前記フローティング拡散部へ転送され、
前記第2電荷格納部に蓄積された電荷は、第2転送部を介して前記フローティング拡散部へ転送されることを特徴とする撮像素子。 The image pickup device according to claim 19,
The pixel further includes a floating diffusion part,
The charge accumulated in the first charge storage unit is transferred to the floating diffusion unit through the first transfer unit,
The image pickup device, wherein the charge accumulated in the second charge storage unit is transferred to the floating diffusion unit via a second transfer unit.
前記第1半導体領域に形成され、光電変換された電荷を蓄積する前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2半導体領域と、
前記第1半導体領域に形成され、光電変換された電荷を蓄積する前記第2導電型を有する前記第2半導体領域とは異なる第3半導体領域と、
前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が電気的に連結される第1モードと前記第2半導体領域及び前記第3半導体領域が電気的に分離され、前記第2半導体領域に蓄積された電荷と前記第3半導体領域に蓄積された電荷とが互いに独立して送り出される第2モードとのうちいずれかを設定するモード設定手段と、を有する画素を備え、
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間の領域は、前記モード設定手段により前記第1モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有し、前記モード設定手段により前記第2モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有さないことを特徴とする撮像素子。 A first semiconductor region having a first conductivity type;
A second semiconductor region formed in the first semiconductor region and having a second conductivity type different from the first conductivity type for accumulating photoelectrically converted charges;
A third semiconductor region formed in the first semiconductor region and different from the second semiconductor region having the second conductivity type for accumulating photoelectrically converted charges;
The first mode in which the second semiconductor region and the third semiconductor region are electrically connected to the second semiconductor region and the third semiconductor region are electrically separated, and the electric charge accumulated in the second semiconductor region And a mode setting means for setting any one of a second mode in which charges accumulated in the third semiconductor region are sent out independently of each other, and a pixel having
The region between the second semiconductor region and the third semiconductor region has a photoelectric conversion function for converting light into electric charge when set to the first mode by the mode setting unit, and the mode setting unit When the second mode is set, the image pickup device does not have a photoelectric conversion function for converting light into electric charge.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との対向端面間の領域に進出していることを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to claim 21, wherein
The mode setting means has a gate electrode,
The image pickup device, wherein the gate electrode extends into a region between opposing end surfaces of the second semiconductor region and the third semiconductor region.
前記ゲート電極は、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との間に形成されたトレンチに設けられていることを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to claim 22,
The image pickup device, wherein the gate electrode is provided in a trench formed between the second semiconductor region and the third semiconductor region .
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第2半導体領域と前記第3半導体領域との対向端面間の領域に進出していないことを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to claim 21, wherein
The mode setting means has a gate electrode,
The imaging device, wherein the gate electrode does not extend into a region between opposing end surfaces of the second semiconductor region and the third semiconductor region.
前記ゲート電極は、前記第2半導体領域をソースとし、前記第3半導体領域をドレインとするMOSトランジスタのゲートを構成することを特徴とする撮像素子。 The image sensor according to any one of claims 22 to 24,
The imaging device, wherein the gate electrode constitutes a gate of a MOS transistor having the second semiconductor region as a source and the third semiconductor region as a drain.
前記ゲート電極は、可視波長域のうちの少なくとも一部の波長域に対して透光性を有する材料で構成されたことを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 22 to 25,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of a material having translucency with respect to at least a part of a visible wavelength range.
前記ゲート電極は、ITO又はポリシリコンで構成されたことを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 22 to 26,
The image pickup device, wherein the gate electrode is made of ITO or polysilicon.
前記第2半導体領域と前記第3半導体領域に光を導くマイクロレンズを備えたことを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 21 to 27,
An imaging device comprising a microlens for guiding light to the second semiconductor region and the third semiconductor region.
前記画素は、前記第2半導体領域で蓄積された電荷を一時的に蓄積する第1電荷格納領域と前記第3半導体領域で蓄積された電荷を一時的に蓄積する第2電荷格納領域とを更に備え、
前記モード設定手段により前記第2モードが設定された場合、前記第2半導体領域で蓄積された電荷が前記第2半導体領域から前記第1電荷格納領域へ送り出されるタイミングと前記第3半導体領域で蓄積された電荷が前記第3半導体領域から前記第2電荷格納領域へ送り出されるタイミングとは、同一のタイミングであることを特徴とする撮像素子。 In the imaging device according to any one of claims 21 to 28,
The pixel further includes a first charge storage region that temporarily accumulates charges accumulated in the second semiconductor region and a second charge storage region that temporarily accumulates charges accumulated in the third semiconductor region. Prepared,
When the second mode is set by the mode setting means, the charge accumulated in the second semiconductor region is sent out from the second semiconductor region to the first charge storage region and accumulated in the third semiconductor region. The imaging device is characterized in that the timing at which the generated charge is sent out from the third semiconductor region to the second charge storage region is the same timing.
前記画素は、フローティング拡散領域を更に備え、
前記第1電荷格納領域に蓄積された電荷は、第1転送部を介して前記フローティング拡散領域へ転送され、
前記第2電荷格納領域に蓄積された電荷は、第2転送部を介して前記フローティング拡散領域へ転送されることを特徴とする撮像素子。 The imaging device according to claim 29,
The pixel further comprises a floating diffusion region,
The charge accumulated in the first charge storage region is transferred to the floating diffusion region via the first transfer unit,
The image pickup device, wherein the charge accumulated in the second charge storage region is transferred to the floating diffusion region via a second transfer unit.
前記撮像素子に被写体像を結像するための光学系と、
前記第2モードで得られた前記電荷に応じた信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 The image sensor according to any one of claims 1 to 30,
An optical system for forming a subject image on the image sensor;
A detection processing unit that outputs a detection signal indicating a focus adjustment state of the optical system based on a signal corresponding to the electric charge obtained in the second mode;
An adjustment unit that performs focus adjustment of the optical system based on a detection signal from the detection processing unit;
An imaging apparatus comprising:
前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に連結される第1モードと前記第1光電変換部及び前記第2光電変換部が電気的に分離され、前記第1光電変換部で光電変換された電荷と前記第2光電変換部で光電変換された電荷とが互いに独立して送り出される第2モードとのうちいずれかを設定するモード設定手段と、を備え、
前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間の領域は、前記モード設定手段により前記第1モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有し、前記モード設定手段により前記第2モードに設定された場合、光を電荷に変換する光電変換機能を有さないことを特徴とする光電変換部の連結/分離構造。 A first photoelectric conversion unit and a second photoelectric conversion unit;
A first mode in which the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically connected to each other, and the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit are electrically separated, and the first photoelectric conversion unit Mode setting means for setting one of the second mode in which the charge photoelectrically converted in step 2 and the charge photoelectrically converted in the second photoelectric conversion unit are sent out independently of each other;
The region between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit has a photoelectric conversion function of converting light into electric charge when the mode setting unit sets the first mode, and the mode A connection / separation structure of photoelectric conversion units, which does not have a photoelectric conversion function for converting light into electric charges when set to the second mode by a setting unit.
前記モード設定手段は、ゲート電極を有し、
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との対向端面間の領域に進出していることを特徴とする光電変換部の連結/分離構造。 The connection / separation structure of the photoelectric conversion unit according to claim 33,
The mode setting means has a gate electrode,
The coupling / separation structure of photoelectric conversion units, wherein the gate electrode extends into a region between opposed end surfaces of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit.
前記ゲート電極は、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部との間に形成されたトレンチに設けられていることを特徴とする光電変換部の連結/分離構造。 In the connection / separation structure of the photoelectric conversion unit according to claim 34,
The gate electrode is provided in a trench formed between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit, wherein the photoelectric conversion unit connection / separation structure is provided.
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