JP7603440B2 - Solid-state imaging element and imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関し、詳しくは、画素サイズを微細化することで撮像素子のコンパクト化および多画素化を図り、高精細な画像を撮像し得る光電変換手段を備えた固体撮像素子および撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging element and an imaging device, and more specifically to a solid-state imaging element and an imaging device equipped with a photoelectric conversion means that can capture high-definition images by miniaturizing the pixel size to make the imaging element more compact and increase the number of pixels.
従来、固体撮像素子、例えばCMOS撮像素子においては、雑音が少ない高画質な画像を撮影することができるように、4トランジスタ型画素とアナログCDS(下記非特許文献1を参照)の組み合わせにより画素のリセット雑音除去が行われ、高画質化の技術開発が進められてきた。
このような4トランジスタ型の単位画素102´´の回路図および駆動波形を、図13および図14を用い、従来技術1(図13、14には、単に従来技術として示す)として説明する。
Conventionally, in solid-state imaging devices, for example CMOS imaging devices, pixel reset noise has been removed by combining a four-transistor type pixel with an analog CDS (see Non-Patent
A circuit diagram and driving waveforms of such a four-transistor type unit pixel 102'' will be described as Prior Art 1 (simply shown as Prior Art in FIGS. 13 and 14) with reference to FIGS.
図13には、n型光電変換部1219とn型浮遊拡散容量1213が示されているが、これらn型光電変換部1219とn型浮遊拡散容量1213が、4トランジスタ型画素において、暗電流を発生する部位となっている。
n型光電変換部1219の暗電流が蓄積される時間は、図14に示すように1撮像フレーム間隔であり、フレーム周波数が60Hzでは16.667ミリ秒となるので、n型光電変換部1219の暗電流値が10電子/秒/画素であるとすると、1フレーム当たりの暗電流値は約0.167電子/フレーム/画素であり負の暗電流値となる。また、n型浮遊拡散容量1213の暗電流が蓄積される時間は1水平走査期間(X方向に7680画素でY方向に4320画素、フレーム周波数が60Hzの場合は3.7マイクロ秒)より短いので、n型浮遊拡散容量1213の暗電流値が510電子/秒/画素であるとすると、1フレーム当たりの暗電流値は約0.002電子/フレーム/画素以下であり、負の暗電流値となる(下記非特許文献2を参照)。
FIG. 13 shows an n-type
The time for which the dark current of the n-type
一方、画素サイズが微細化されたことにより、光を電気信号に変換する光電変換部の面積が狭くなり、感度の低下につながることが問題となっていることから、感度を向上させるために、光電変換膜積層型の構造のものが注目されており、研究開発が進められている(下記非特許文献3を参照)。このような光電変換膜積層型の固体撮像素子において、各単位画素が3トランジスタ型とされたものが知られている(下記特許文献1を参照)。
On the other hand, as pixel sizes become smaller, the area of the photoelectric conversion section that converts light into an electrical signal becomes smaller, which leads to a problem of reduced sensitivity. To improve sensitivity, photoelectric conversion film stacking structures have attracted attention and research and development is underway (see Non-Patent
このような光電変換膜積層型の3トランジスタ型画素を、その回路図および駆動波形を用い、従来技術2として説明する。なお、ここでは、実施例に用いる図2および図3を便宜的に用いて説明する。
図2には、光電変換膜211とn型浮遊拡散容量213が示されているが、これら光電変換膜211とn型浮遊拡散容量213が、光電変換膜積層型3トランジスタ型のものにおいて、暗電流を発生する部位となっている。
光電変換膜211の暗電流が蓄積される時間は、図3に示すように1撮像フレーム間隔であり、フレーム周波数が60Hzでは16.667ミリ秒となるので、暗電流値が100pA/cm2(下記非特許文献4を参照)で画素サイズが2.8×2.8μm2であるとすると、1フレーム当たりの暗電流値は約0.8電子/フレーム/画素である。また、n型浮遊拡散容量213の暗電流が蓄積される時間は4トランジスタ型とは異なり1撮像フレーム間隔であるので、n型浮遊拡散容量213の暗電流値が510電子/秒/画素であるとすると、1撮像フレーム当たりの暗電流値は約8.5電子/フレーム/画素である(下記非特許文献2を参照)。
Such a photoelectric conversion film stacked type three-transistor pixel will be described using its circuit diagram and driving waveforms as Prior
FIG. 2 shows a
The time for which the dark current of the
上述した従来技術1の4トランジスタ型画素の場合、n型光電変換部1219の暗電流は電子であり、n型浮遊拡散容量1213の暗電流も電子であるので、n型光電変換部1219とn型浮遊拡散容量1213が接続するノードの暗電流値は両者の暗電流値を加算して約0.169電子/フレーム/画素となり、その絶対値は、両者それぞれの絶対値よりも、さらに大きなものとなる。
In the case of the four-transistor pixel of
一方、上述した従来技術2の光電変換膜積層型3トランジスタ型画素の場合、光電変換膜211の暗電流は電子であり、n型浮遊拡散容量213の暗電流も電子であるので、光電変換膜211とn型浮遊拡散容量213が接続するノードの暗電流値は両者の暗電流値を加算して約9.3電子/フレーム/画素となり、その絶対値は、両者それぞれの絶対値よりも、さらに大きなものとなる。
On the other hand, in the case of the photoelectric conversion film stacked type three-transistor pixel of
このように、n型光電変換部1219またはn型の光電変換膜211の暗電流値と、n型浮遊拡散容量1213、213の暗電流値が、接続するノードにおいて加算されて絶対値が増大し、n型光電変換部1219または光電変換膜211の光電変換動作により発生する本来の信号電荷量に、上記増大した暗電流の電荷量が加算されてしまうため、本来の画素出力信号値からの誤差が増大した状態での値が出力されてしまうという課題があった。
In this way, the dark current value of the n-type
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、各画素において、光電変換手段と浮遊拡散容量の各暗電流が合流するノードにおける暗電流の合計値の絶対値をより小さい値として、画素出力信号値の誤差を軽減し得る固体撮像素子および撮像装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a solid-state imaging element and imaging device that can reduce errors in pixel output signal values by making the absolute value of the sum of dark currents at the node where the dark currents of the photoelectric conversion means and the floating diffusion capacitance join in each pixel smaller.
本発明に係る固体撮像素子は、
画素回路上に配設された、積層体からなる光電変換膜、またはフォトダイオードからなる光電変換部のいずれかの光電変換手段を単位画素毎に1つずつ配設してなるCMOS型の固体撮像素子であって、
該画素回路は、基板上にトランジスタ部を配するように構成されるか、基板上にウエルを配し、該ウエル内にトランジスタ部を配するように構成され、
光電変換により発生した電子正孔対のうちいずれか一方を前記光電変換手段のキャリアとして用いるように構成され、
前記光電変換手段の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか一方とされ、かつリセットトランジスタのソースから構成される浮遊拡散容量の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか他方とされ、
前記光電変換手段からの暗電流が、他の光電変換手段からの暗電流と合流することなく、前記浮遊拡散容量において発生した暗電流と合流するように構成され、
前記光電変換手段の暗電流と前記浮遊拡散容量の暗電流が合流するノードにおける該暗電流の合計値が、前記光電変換手段の暗電流値および前記浮遊拡散容量の暗電流値の各々の絶対値よりも小さい所望の絶対値となるように設定されていることを特徴とするものである。
The solid-state imaging device according to the present invention comprises:
A CMOS-type solid-state imaging device in which a photoelectric conversion means, either a photoelectric conversion film made of a laminate or a photoelectric conversion unit made of a photodiode, is disposed on a pixel circuit, and is disposed for each unit pixel ,
The pixel circuit is configured to have a transistor portion disposed on a substrate, or to have a well disposed on a substrate and a transistor portion disposed in the well;
One of the electron-hole pairs generated by photoelectric conversion is used as a carrier for the photoelectric conversion means,
the dark current of the photoelectric conversion means has carriers of either holes or electrons, and the dark current of a floating diffusion capacitance formed from the source of the reset transistor has carriers of either holes or electrons,
a dark current from the photoelectric conversion means is configured to merge with a dark current generated in the floating diffusion capacitance without merging with a dark current from another photoelectric conversion means;
The total value of the dark currents at a node where the dark currents of the photoelectric conversion means and the floating diffusion capacitance join together is set to a desired absolute value that is smaller than the absolute values of the dark current value of the photoelectric conversion means and the dark current value of the floating diffusion capacitance.
また、上記本発明に係る固体撮像素子において、前記光電変換手段が、前記画素回路上に配設した、積層体からなる光電変換膜とされ、
該光電変換膜は、光電変換処理を行う光電変換層を含み、最上層に膜電極を積層するように構成され、
該膜電極には画素電極のリセット電圧に対して所定の膜電圧が印加され、
前記ノードにおける前記暗電流の合計値が所望の絶対値となるように、前記膜電圧が設定されたものとすることができる。
In the solid-state imaging device according to the present invention, the photoelectric conversion means is a photoelectric conversion film made of a laminate disposed on the pixel circuit,
The photoelectric conversion film includes a photoelectric conversion layer that performs a photoelectric conversion process, and is configured to have a film electrode laminated on the top layer;
A predetermined membrane voltage is applied to the membrane electrode relative to the reset voltage of the pixel electrode,
The membrane voltage may be set so that the sum of the dark currents at the nodes is a desired absolute value .
また、この場合において、前記光電変換膜の暗電流はキャリアが正孔とされるとともに、その暗電流の絶対値の大きさは前記膜電圧が低いときに小さく、該膜電圧が高いときに大きくなり、一方、前記浮遊拡散容量はn型で暗電流のキャリアは電子とされるとともに、その暗電流の大きさは前記膜電圧の高さに拘わらず一定とされ、
前記ノードにおける暗電流の合計値が、前記膜電圧が低電圧で負の値となり、該膜電圧が高電圧で正の値となるような状態に構成され、前記ノードにおける前記暗電流の合計値が前記所望の絶対値となるように該膜電圧が設定されたものとすることができる。
In this case, the carriers of the dark current in the photoelectric conversion film are holes, and the absolute value of the dark current is small when the film voltage is low and large when the film voltage is high; on the other hand, the floating diffusion capacitance is n-type, the carriers of the dark current are electrons, and the magnitude of the dark current is constant regardless of the level of the film voltage;
The sum of the dark currents at the nodes can be configured to be negative when the membrane voltage is low and positive when the membrane voltage is high, and the membrane voltage can be set so that the sum of the dark currents at the nodes becomes the desired absolute value.
さらに、上記本発明に係る固体撮像素子において、前記光電変換手段が、フォトダイオードからなる光電変換部とされ、
前記ノードにおける前記暗電流の合計値が所望の絶対値となるように、前記光電変換部の面積と前記浮遊拡散容量の面積が設定されたものとすることができる。
Furthermore, in the solid-state imaging device according to the present invention, the photoelectric conversion means is a photoelectric conversion unit formed of a photodiode,
The area of the photoelectric conversion portion and the area of the floating diffusion capacitance may be set so that the total value of the dark currents at the nodes has a desired absolute value .
また、この場合において、前記光電変換部はp型で暗電流のキャリアが正孔とされるとともに、前記光電変換部の面積が大きいほど、正の暗電流の絶対値が大きくなり、一方、前記浮遊拡散容量はn型で暗電流のキャリアは電子とされるとともに、前記浮遊拡散容量の面積が大きいほど、負の暗電流の絶対値が大きくなり、
前記ノードにおける暗電流の合計が、前記所望の絶対値となるように、前記光電変換部の面積と前記浮遊拡散容量の面積が設定されたものとすることができる。
In this case, the photoelectric conversion section is of p-type, the carriers of the dark current are holes, and the larger the area of the photoelectric conversion section, the larger the absolute value of the positive dark current becomes; on the other hand, the floating diffusion capacitance is of n-type, the carriers of the dark current are electrons, and the larger the area of the floating diffusion capacitance, the larger the absolute value of the negative dark current becomes;
The area of the photoelectric conversion portion and the area of the floating diffusion capacitance may be set so that the sum of the dark currents at the nodes becomes the desired absolute value.
上述したいずれかの固体撮像素子において、前記所望の絶対値が0であることが好ましい。
また、本発明に係る撮像装置は、上述したいずれかに記載の固体撮像素子を備え、この固体撮像素子により得られた画像情報を出力する手段を備えたことを特徴とするものである。
In any of the solid-state imaging devices described above, it is preferable that the desired absolute value is zero.
An imaging device according to the present invention includes any one of the solid-state imaging elements described above, and includes means for outputting image information obtained by the solid-state imaging element.
本発明の固体撮像素子および撮像装置においては、光電変換手段の暗電流と浮遊拡散容量の暗電流との、いずれか一方のキャリアを正孔、他方のキャリアを電子とし、これら2つの暗電流が合流するノードにおけるこれら暗電流の合計値の絶対値が、2つの該暗電流の値の絶対値の各々よりも小さい所望の絶対値となるように設定されている。
すなわち、互いに独立の要因で発生する2つの暗電流のキャリアを、一方を正孔、他方を電子とし、各暗電流値を変動させ得る所定の要素を所定の値に設定することで、2つの暗電流を正負で互いに打ち消しあうようにして、暗電流の合計値の絶対値が小さくなるような構成とされている。
In the solid-state imaging element and imaging device of the present invention, the carriers of one of the dark currents of the photoelectric conversion means and the dark current of the floating diffusion capacitance are holes and the carriers of the other are electrons, and the absolute value of the sum of these dark currents at the node where these two dark currents join together is set to a desired absolute value that is smaller than each of the absolute values of the two dark currents.
In other words, the carriers of the two dark currents, which are generated due to independent factors, are set as holes and electrons, and a specific element that can vary each dark current value is set to a specific value, so that the two dark currents cancel each other out in positive and negative, thereby reducing the absolute value of the total dark current value.
これにより、ノードの暗電流の絶対値が増加することによる、出力信号の本来の信号値からの誤差を軽減し、精度がよい画素出力信号を得ることができる固体撮像素子および撮像装置を得ることができる。
なお、この暗電流の合計値の絶対値は0とすることが望ましいが、光電変換手段と浮遊拡散容量の各暗電流の絶対値よりも小さい絶対値とし得る構成とされていれば、従来技術と比べて画素出力信号値の誤差を軽減し得る固体撮像素子および撮像装置を得ることができる。
This makes it possible to obtain a solid-state imaging element and an imaging device that can reduce errors from the original signal values of the output signals caused by an increase in the absolute value of the dark current of the node and obtain pixel output signals with high accuracy.
It is desirable to set the absolute value of the sum of these dark currents to 0, but if the absolute value can be set to be smaller than the absolute values of the dark currents of the photoelectric conversion means and the floating diffusion capacitance, it is possible to obtain a solid-state imaging element and an imaging device that can reduce errors in pixel output signal values compared to conventional technology.
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下の記載においては、まず光電変換膜を用いた第1実施形態について詳しく説明し、その後p型フォトダイオードを用いた第2実施形態について説明する。
また、上記いずれの実施形態においても、光電変換手段の暗電流はキャリアを正孔とし、浮遊拡散容量の暗電流はキャリアを電子とした例を示しているが、本発明の固体撮像素子としては、光電変換手段の暗電流のキャリアを電子とし、浮遊拡散容量(p型)の暗電流のキャリアを正孔とすることも可能である。
ここで、以下に記載される技術用語について、簡単に説明しておく。すなわち、n型光電変換部とはn型不純物濃度が低いn-型のことを称し、n型浮遊拡散容量とはn型不純物濃度が高いn+型のことを称し、光電変換膜とはp型不純物濃度が低いp-型またはi型のことを称し、p型浮遊拡散容量とはp型不純物濃度が高いp+型のことを称する。
Hereinafter, a solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following description, a first embodiment using a photoelectric conversion film will be described in detail first, and then a second embodiment using a p-type photodiode will be described.
In addition, in each of the above embodiments, an example is shown in which the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means are holes and the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance are electrons. However, in the solid-state imaging element of the present invention, the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means can also be electrons and the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance (p-type) can also be holes.
Here, the technical terms described below will be briefly explained. That is, an n-type photoelectric conversion portion refers to an n-type having a low n - type impurity concentration, an n-type floating diffusion capacitance refers to an n + type having a high n-type impurity concentration, a photoelectric conversion film refers to a p - type or i-type having a low p-type impurity concentration, and a p-type floating diffusion capacitance refers to a p + type having a high p-type impurity concentration.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態(後述する第2実施形態も同様)の固体撮像素子の前提となる単位画素の画素アレイを示すものであり、具体的にはCMOS型固体撮像素子100のシステム構成図である。CMOS型固体撮像素子100は、光電変換素子を含む単位画素102がアレイ状に2次元配列され、画素駆動配線103、垂直信号線104と接続している画素アレイ101を有するとともに、周辺回路として、列並列信号処理回路105、出力回路106、制御回路(タイミング制御回路107、リセット信号制御回路111)、水平走査回路108、垂直走査回路109およびマルチプレクサ回路110から構成されている。なお、列並列信号処理回路105は、アナログデジタル変換回路(ADC)を含む構成となっている。
First Embodiment
1 shows a pixel array of unit pixels that is the premise of the solid-state imaging device of this embodiment (the same applies to the second embodiment described later), specifically, a system configuration diagram of a CMOS type solid-state imaging device 100. The CMOS type solid-state imaging device 100 has a pixel array 101 in which
ここで、列並列信号処理回路105および水平走査回路108が、図1中の上方および下方に配されているのは、片側に配された場合に比べ、列並列信号処理回路105のレイアウト幅を単位画素幅の2倍にしつつ、単位画素1列あたり1個の列並列信号処理回路を配置することができるという理由からである。 The reason why the column-parallel signal processing circuit 105 and the horizontal scanning circuit 108 are arranged at the top and bottom in FIG. 1 is that, compared to when they are arranged on one side, the layout width of the column-parallel signal processing circuit 105 can be made twice the unit pixel width, while one column of unit pixels can be arranged.
なお、本発明の第1実施形態に係る撮像装置は、例えば図1に示す固体撮像素子100を備え、さらに、例えば出力回路106からの信号を、そのまま、または所望の信号形態に変換して外部に出力する信号出力部を備えた装置であり、例えば、カメラやセンサ等を含む広義の撮像装置である。 The imaging device according to the first embodiment of the present invention is, for example, a device that includes the solid-state imaging element 100 shown in FIG. 1 and further includes a signal output section that outputs a signal from the output circuit 106 to the outside either directly or after converting it into a desired signal form, and is, for example, an imaging device in the broad sense that includes a camera, a sensor, etc.
図2は、本実施形態に係る固体撮像素子に用いられる、単位画素102の等価回路図を示すものである。図2に示す本実施形態に係る単位画素102の等価回路は、光電変換膜(PL)211から信号電荷を読み出す画素回路が、n型浮遊拡散容量(FD)213、リセットトランジスタ(RT)214、ソースフォロアアンプトランジスタ(SF)215、選択トランジスタ(SL)216、画素出力(OUT)217、ソースフォロアアンプトランジスタ電源(SFVDD)222、リセットトランジスタ電源(RTVDD)223から構成されたnMOS3トランジスタ型の単位画素102の回路構成とされている。
Figure 2 shows an equivalent circuit diagram of a
図2に示すように、光電変換膜(PL)211は、下部電極がビア(VIA)227を通してn型浮遊拡散容量(FD)213に接続される。n型浮遊拡散容量(FD)213をリセットするリセットトランジスタ(RT)214がn型浮遊拡散容量(FD)213とリセットトランジスタ電源(RTVDD)223との間に接続される。n型浮遊拡散容量(FD)213はソースフォロアアンプトランジスタ(SF)215のゲート電極に接続される。ソースフォロアアンプトランジスタ(SF)215と選択トランジスタ(SL)216がソースフォロアアンプトランジスタ電源(SFVDD)222と画素出力(OUT)217の間に接続される。
なお、図2はnMOS3トランジスタ型の単位画素102の画素回路を示すものであるが、付加的な機能としてフィードバックリセット機能を備えた回路構成としてもよい。
2, the photoelectric conversion film (PL) 211 has a lower electrode connected to an n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 through a via (VIA) 227. A reset transistor (RT) 214 that resets the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 is connected between the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 and a reset transistor power supply (RTVDD) 223. The n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 is connected to a gate electrode of a source follower amplifier transistor (SF) 215. The source follower amplifier transistor (SF) 215 and a selection transistor (SL) 216 are connected between a source follower amplifier transistor power supply (SFVDD) 222 and a pixel output (OUT) 217.
Although FIG. 2 shows the pixel circuit of the
図3に、本実施形態に係る単位画素102の画素回路における入力信号のタイムチャートを示す。具体的には、選択トランジスタ(SL)216およびn型浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RT)214の入力信号のタイムチャートを示す。
また、これらのラベルの後の(1)、(2)、(n)等の符号は、図1における画素アレイ101の何行目の単位画素であるのかを表している。また、アナログデジタル変換回路(ADC)のサンプリングタイミングのタイムチャートを示すものである。
3 shows a time chart of input signals in the pixel circuit of the
Also, the symbols (1), (2), (n), etc. following these labels indicate which row the unit pixel is in in the pixel array 101 in Fig. 1. Also, a time chart of the sampling timing of an analog-to-digital conversion circuit (ADC) is shown.
図4に、図3の各タイミング(a)、(b)、(c)、(d)におけるエネルギーバンド模式図を示す。図3と図4における(a)のタイミングは、電荷蓄積時であることを示すものである。光電変換膜(PL)211の上部電極(膜電極)に、リセットトランジスタ電源(RTVDD)223の電圧を基準として正電圧を加えており、光電変換膜(PL)211で信号電荷の正孔が発生し、光電変換膜(PL)211からVIA227を経てn型浮遊拡散容量(FD)213に信号電荷の正孔が移動し、n型浮遊拡散容量(FD)213で信号電荷の正孔が蓄積され、電位が大きくなる。
Figure 4 shows energy band schematic diagrams at each timing (a), (b), (c), and (d) in Figure 3. Timing (a) in Figures 3 and 4 indicates the time of charge accumulation. A positive voltage is applied to the upper electrode (film electrode) of the photoelectric conversion film (PL) 211 with the voltage of the reset transistor power supply (RTVDD) 223 as a reference, and signal charge holes are generated in the photoelectric conversion film (PL) 211, and the signal charge holes move from the photoelectric conversion film (PL) 211 to the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 via the
(b)のタイミングでは、選択トランジスタ(SL)216がオンになり当該画素が選択され、n型浮遊拡散容量(FD)213に蓄積された信号電荷が読み出されて、アナログデジタル変換回路(ADC)においてアナログ値からデジタル値へ変換される。
(c)のタイミングでは、リセットトランジスタ(RT)214がオンになり、n型浮遊拡散容量(FD)213がリセットトランジスタ電源(RTVDD)223の電圧値にリセットされる。
(d)のタイミングでは、リセットトランジスタ(RT)214がオフになる。また、n型浮遊拡散容量(FD)213に混入したリセットノイズが読み出されて、アナログデジタル変換回路(ADC)においてアナログ値からデジタル値へ変換される。
At timing (b), the selection transistor (SL) 216 is turned on to select the pixel, and the signal charge accumulated in the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 is read out and converted from an analog value to a digital value in the analog-to-digital conversion circuit (ADC).
At the timing (c), the reset transistor (RT) 214 is turned on, and the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 is reset to the voltage value of the reset transistor power supply (RTVDD) 223 .
At the timing (d), the reset transistor (RT) 214 is turned off. Also, the reset noise mixed in the n-type floating diffusion capacitance (FD) 213 is read out and converted from an analog value to a digital value in an analog-to-digital conversion circuit (ADC).
図3においてM-1フレームの1行目の単位画素102のリセット後、リセットノイズの値が読み出される。Mフレームの1行目の読み出しまでが1回の蓄積時間になる。その後、単位画素102が選択されて、リセットノイズが重畳された信号がアナログデジタル変換されて読み出される。このMフレーム1行目のリセットノイズが重畳された信号がアナログデジタル変換された値と、M-1フレーム1行目のリセットノイズがアナログデジタル変換された値では、リセットノイズが同じものであるので、センサ外部でのデジタル相関二重サンプリング処理により、リセットノイズが相殺されて、信号のみを分離して抽出することができる(特開2015-167343号公報を参照)。
In FIG. 3, after the
図5に、本実施形態に係る固体撮像素子の画素構造の断面模式図を示す。この固体撮像素子は、画素回路30上に光電変換膜20を積層してなる。光電変換膜20は、電子注入阻止層(厚みは例えば20nm)7、光電変換層(兼電荷増倍層)(厚みは例えば300nm)5、正孔注入阻止層(厚みは例えば20nm)4、および膜電極としてのITO層(厚みは例えば30nm)6が、この順に積層された構造とされている。
また、画素回路30は、p型基板1上にn型MOSトランジスタ部を形成することで構成される。なお、画素電極3はn型浮遊拡散容量13と電気的に接続されている。また、p型基板1と画素電極3の間には絶縁層9が設けられている。
5 shows a schematic cross-sectional view of a pixel structure of a solid-state imaging device according to this embodiment. This solid-state imaging device is formed by stacking a photoelectric conversion film 20 on a pixel circuit 30. The photoelectric conversion film 20 has a structure in which an electron injection blocking layer (e.g., 20 nm thick) 7, a photoelectric conversion layer (and charge multiplication layer) (e.g., 300 nm thick) 5, a hole injection blocking layer (e.g., 20 nm thick) 4, and an ITO layer (e.g., 30 nm thick) 6 as a film electrode are stacked in this order.
The pixel circuit 30 is constructed by forming an n-type MOS transistor portion on a p-
図6は、図5のA-A′線断面におけるバンド図であって、リセット時の状態を示すものである。
図6のバンド図は画素内部の状態を示す相対的な電位図であり、正孔注入阻止層4、光電変換層(兼電荷増倍層)5、電子注入阻止層7、およびn型浮遊拡散容量13とp型基板1(シリコン半導体材料)に対しては、伝導帯下端と価電子帯上端が表されている。
また、画素電極3とn型浮遊拡散容量13間の電位は2.3Vであり、n型浮遊拡散容量13をリセットした状態におけるリセット電圧である。膜電極(ITO層)6の電位は15.3Vであり、画素電極3のリセット電圧を基準として+13.0Vが印加されており、膜内の走行キャリアは正孔となっている。
FIG. 6 is a band diagram in the cross section taken along line AA' in FIG. 5, showing the state at the time of reset.
The band diagram in FIG. 6 is a relative potential diagram showing the state inside a pixel, and the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band are shown for the hole
The potential between the
膜電極6と光電変換層(兼電荷増倍層)5の間に正孔注入阻止層4を入れることにより、膜電極6から光電変換層(兼電荷増倍層)5へ正孔が注入されることを阻止している。画素電極3と光電変換層(兼電荷増倍層)5の間に電子注入阻止層7を入れることにより、画素電極3から光電変換層(兼電荷増倍層)5へ電子が注入されることを阻止している。画素電極3とp型基板1の間にn型浮遊拡散容量13を配置することにより、画素電極3からp型基板1へ電子が移動することを阻止している。
By inserting a hole
(第1実施形態における暗電流の合計値の設定)
本実施形態においては、上述したように、光電変換膜20の膜電極6には前記画素電極のリセット電圧に対して所定の膜電圧が印加され、p型の光電変換層(兼電荷増倍層)5の暗電流とn型浮遊拡散容量13の暗電流が合流するノード(n型浮遊拡散容量13)における暗電流の合計値は、膜電圧を調整することで所望の絶対値に設定するように構成されている。
(Setting the Total Value of Dark Current in the First Embodiment)
In this embodiment, as described above, a predetermined film voltage is applied to the
図7に、光電変換層(兼電荷増倍層)5の暗電流値、n型浮遊拡散容量13の暗電流値、および光電変換層(兼電荷増倍層)5の暗電流とn型浮遊拡散容量13の暗電流が合流するノードにおける暗電流の合計値と、膜電圧との関係を各々示す。
すなわち、光電変換層(兼電荷増倍層)5の暗電流値は、キャリアが正孔なので正の値となり、膜電圧を高くするにつれて大きくなる。一方、n型浮遊拡散容量13の暗電流値は、キャリアが電子なので負の値であり、膜電圧に依存せず一定の値になる。そのため、光電変換層(兼電荷増倍層)5とn型浮遊拡散容量13を接続するノードにおける暗電流の合計値は、膜電圧が低電圧で負の値とされ、膜電圧が高電圧で正の値とするように構成することができる。
本実施形態の固体撮像素子はこのような構成を有しているので、所定の膜電圧に調整することにより、正の暗電流値と負の暗電流値を相殺させて、上記ノードにおける暗電流の合計値をゼロに近い値、望ましくはゼロに設定することが可能となる。
なお、図7に示す例においては、膜電圧が3(arb.unit)に設定された際に、暗電流を略ゼロに設定することができる。
FIG. 7 shows the relationship between the dark current value of the photoelectric conversion layer (and charge multiplication layer) 5, the dark current value of the n-type floating diffusion capacitance 13, and the total value of the dark current at the node where the dark current of the photoelectric conversion layer (and charge multiplication layer) 5 and the dark current of the n-type floating diffusion capacitance 13 join together, and the membrane voltage.
That is, the dark current value of the photoelectric conversion layer (cum charge multiplication layer) 5 is a positive value because the carriers are holes, and increases as the membrane voltage is increased. On the other hand, the dark current value of the n-type floating diffusion capacitance 13 is a negative value because the carriers are electrons, and is a constant value independent of the membrane voltage. Therefore, the total value of the dark current at the node connecting the photoelectric conversion layer (cum charge multiplication layer) 5 and the n-type floating diffusion capacitance 13 can be configured to be a negative value when the membrane voltage is low, and a positive value when the membrane voltage is high.
Since the solid-state imaging element of this embodiment has such a configuration, by adjusting the membrane voltage to a predetermined value, it is possible to cancel out the positive dark current value and the negative dark current value, and to set the total value of the dark current at the above node to a value close to zero, preferably to zero.
In the example shown in FIG. 7, when the membrane voltage is set to 3 (arb. unit), the dark current can be set to approximately zero.
本実施形態においては、上述したように、膜電圧を所定の値に設定することによって、上記ノードにおける暗電流の合計値をゼロに近い値、望ましくはゼロに設定し得るが、膜電圧の設定を行う前に、光電変換層5の面積およびn型浮遊拡散容量13の面積を設定することによって、短時間で暗電流の合計値を小さい値にする粗調整を行うようにしてもよい。
In this embodiment, as described above, the total value of the dark current at the node can be set to a value close to zero, preferably to zero, by setting the membrane voltage to a predetermined value. However, before setting the membrane voltage, a rough adjustment may be performed to reduce the total value of the dark current in a short time by setting the area of the
ここで、光電変換層5の「面積」とは、単位画素の面積のことを意味し、n型浮遊拡散容量13の「面積」とは、n型浮遊拡散容量の面積そのもののことを意味する。
n型浮遊拡散容量13の暗電流Jnの導出については、第2実施形態において記述したことと同様であるので、煩を避けるため重複した説明は省略する。
Here, the "area" of the
The derivation of the dark current Jn of the n-type floating diffusion capacitance 13 is similar to that described in the second embodiment, and therefore will not be described again to avoid redundancy.
図12の表の上段には、上述した第1実施形態において、暗電流の合計値をゼロに設定し得る、光電変換層(兼電荷増倍層)5とn型浮遊拡散容量13の各々における面積と暗電流の例を示している。 The upper part of the table in FIG. 12 shows examples of the area and dark current of the photoelectric conversion layer (cum charge multiplication layer) 5 and the n-type floating diffusion capacitance 13, which can set the total value of the dark current to zero in the first embodiment described above.
すなわち、第2実施形態について図11の記載から、p型光電変換部312の暗電流値Jpとn型浮遊拡散容量313の暗電流値Jnが求められているので、図12の表の上段に、第1実施形態におけるp型の光電変換層5とn型浮遊拡散容量13の各面積の粗調整の態様を示す。一例としては、前者は7.84μm2に、後者は0.2584μm2とする。そして、第2実施形態の暗電流値Jpの代わりに、第1実施形態においては膜の暗電流値と、暗電流値Jnの値を設定する。そして、ノードの暗電流の合計値が0となるような膜の暗電流値を、膜電圧によって調整する。勿論、p型の光電変換層5とn型浮遊拡散容量13の各面積について、別の組合せとすることもできる。
That is, since the dark current value Jp of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the dark current value Jn of the n-type floating diffusion capacitance 313 are obtained from the description of FIG. 11 for the second embodiment, the upper part of the table in FIG. 12 shows the rough adjustment of the areas of the p-type
なお、本実施形態に係る撮像装置においては、上述した第1の実施形態に係る固体撮像素子100を備え、この固体撮像素子100により得られた画像情報を出力する出力部を備えることにより構成される。 The imaging device according to this embodiment is configured by including the solid-state imaging element 100 according to the first embodiment described above, and an output section that outputs image information obtained by this solid-state imaging element 100.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
なお、この第2実施形態は、第2実施形態特有の構成および作用効果を有するほか、上記第1実施形態と類似の構成、作用効果をも有しているので、本来は、第2実施形態の説明において、上記第1実施形態と共通する部分については省略することも可能であるが、以下の記載においては、発明の理解を容易、かつ円滑にするため、上記第1実施形態と重複する部分についても敢えて省略しないで説明する場合がある。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In addition, this second embodiment has a configuration and action effects unique to the second embodiment, as well as a configuration and action effects similar to those of the first embodiment. Therefore, in the description of the second embodiment, it would normally be possible to omit the parts that are common to the first embodiment. However, in the following description, in order to facilitate an easy and smooth understanding of the invention, there are cases in which the parts that overlap with the first embodiment are not omitted.
図8は、第2実施形態に係る固体撮像素子に用いられる、単位画素102´の等価回路図を示すものである。図8に示す第2実施形態に係る単位画素102´の等価回路は、n型ウエル(NWELL)524に囲まれたp型光電変換部(p-PD)512から信号電荷を読み出す画素回路が、n型浮遊拡散容量(FD)513、リセットトランジスタ(RT)514、ソースフォロアアンプトランジスタ(SF)515、選択トランジスタ(SL)516、画素出力(OUT)517、ソースフォロアアンプトランジスタ電源(SFVDD)522、リセットトランジスタ電源(RTVDD)523から構成されたnMOS3トランジスタ型の単位画素102´の回路構成とされている。 Figure 8 shows an equivalent circuit diagram of a unit pixel 102' used in a solid-state imaging device according to the second embodiment. The equivalent circuit of the unit pixel 102' according to the second embodiment shown in Figure 8 has a pixel circuit that reads out signal charges from a p-type photoelectric conversion unit (p-PD) 512 surrounded by an n-type well (NWELL) 524, and is configured as an nMOS 3-transistor type unit pixel 102' circuit, which is composed of an n-type floating diffusion capacitance (FD) 513, a reset transistor (RT) 514, a source follower amplifier transistor (SF) 515, a selection transistor (SL) 516, a pixel output (OUT) 517, a source follower amplifier transistor power supply (SFVDD) 522, and a reset transistor power supply (RTVDD) 523.
図10に示すように、p型光電変換部(p-PD)312(512)は、n型ウエル(NWELL)324(524)に囲まれてなり、n型浮遊拡散容量(FD)313に接続される。n型浮遊拡散容量(FD)313(513)をリセットするリセットトランジスタ(RT)514がn型浮遊拡散容量(FD)313(513)とリセットトランジスタ電源(RTVDD)523との間に接続される。n型浮遊拡散容量(FD)313(513)はソースフォロアアンプトランジスタ(SF)515のゲート電極に接続される。ソースフォロアアンプトランジスタ(SF)515と選択トランジスタ(SL)516がソースフォロアアンプトランジスタ電源(SFVDD)522と画素出力(OUT)517の間に接続される。 As shown in FIG. 10, the p-type photoelectric conversion unit (p-PD) 312 (512) is surrounded by an n-type well (NWELL) 324 (524) and is connected to an n-type floating diffusion capacitance (FD) 313. A reset transistor (RT) 514 that resets the n-type floating diffusion capacitance (FD) 313 (513) is connected between the n-type floating diffusion capacitance (FD) 313 (513) and a reset transistor power supply (RTVDD) 523. The n-type floating diffusion capacitance (FD) 313 (513) is connected to the gate electrode of a source follower amplifier transistor (SF) 515. The source follower amplifier transistor (SF) 515 and a selection transistor (SL) 516 are connected between a source follower amplifier transistor power supply (SFVDD) 522 and a pixel output (OUT) 517.
本実施形態に係る単位画素102´の画素回路における入力信号のタイムチャート(選択トランジスタ(SL)516およびn型浮遊拡散容量リセットトランジスタ(RT)514の入力信号のタイムチャート)は、上述した第1実施形態の場合と同様に図3により表される。したがって、そのタイムチャートの説明は第1実施形態を説明する際になされているので、重複の煩を避けるため、省略する。 The time chart of the input signals in the pixel circuit of the unit pixel 102' according to this embodiment (the time chart of the input signals of the selection transistor (SL) 516 and the n-type floating diffusion capacitance reset transistor (RT) 514) is shown in FIG. 3, as in the case of the first embodiment described above. Therefore, since the explanation of the time chart has been given when explaining the first embodiment, it will be omitted to avoid duplication.
図9に、図3の各タイミング(a)、(b)、(c)、(d)におけるエネルギーバンド模式図を示す。図3と図9における(a)のタイミングは、電荷蓄積時であることを示すものである。p型光電変換部(p-PD)512で信号電荷の正孔が発生すると、n型浮遊拡散容量(FD)513からp型光電変換部(p-PD)512へ電子が移動し、n型浮遊拡散容量(FD)513の電位が大きくなり、信号電位が変動する。
(b)のタイミングでは、選択トランジスタ(SL)516がオンになり当該画素が選択され、n型浮遊拡散容量(FD)513の電位変動が読み出されて、アナログデジタル変換回路(ADC)においてアナログ値からデジタル値へ変換される。
(c)のタイミングでは、リセットトランジスタ(RT)514がオンになり、n型浮遊拡散容量(FD)513がリセットトランジスタ電源(RTVDD)523の電圧値にリセットされる。
(d)のタイミングでは、リセットトランジスタ(RT)514がオフになる。また、n型浮遊拡散容量(FD)513に混入したリセットノイズが読み出されて、アナログデジタル変換回路(ADC)においてアナログ値からデジタル値へ変換される。
9 shows energy band schematic diagrams at each of the timings (a), (b), (c), and (d) in FIG. 3. Timing (a) in FIG. 3 and FIG. 9 shows the time of charge accumulation. When holes of signal charge are generated in the p-type photoelectric conversion unit (p-PD) 512, electrons move from the n-type floating diffusion capacitance (FD) 513 to the p-type photoelectric conversion unit (p-PD) 512, the potential of the n-type floating diffusion capacitance (FD) 513 increases, and the signal potential fluctuates.
At the timing (b), the selection transistor (SL) 516 is turned on to select the pixel, and the potential fluctuation of the n-type floating diffusion capacitance (FD) 513 is read out and converted from an analog value to a digital value in the analog-to-digital conversion circuit (ADC).
At the timing (c), the reset transistor (RT) 514 is turned on, and the n-type floating diffusion capacitance (FD) 513 is reset to the voltage value of the reset transistor power supply (RTVDD) 523 .
At the timing (d), the reset transistor (RT) 514 is turned off. Also, the reset noise mixed in the n-type floating diffusion capacitance (FD) 513 is read out and converted from an analog value to a digital value in an analog-to-digital conversion circuit (ADC).
図3において、M-1フレームの1行目の単位画素102´のリセット後、リセットノイズの値が読み出される。Mフレームの1行目の読み出しまでが1回の蓄積時間になる。その後、単位画素102´が選択されて、リセットノイズが重畳された信号がアナログデジタル変換されて読み出される。このMフレームの1行目のリセットノイズが重畳された信号がアナログデジタル変換された値と、M-1フレームの1行目のリセットノイズがアナログデジタル変換された値では、リセットノイズが同じものであるので、センサ外部でのデジタル相関二重サンプリング処理により、リセットノイズが相殺されて、信号のみを分離して抽出することができる(特開2015-167343号公報を参照)。 In FIG. 3, after resetting the unit pixel 102' in the first row of the M-1 frame, the value of the reset noise is read out. The time until the first row of the M frame is read out is one accumulation time. After that, the unit pixel 102' is selected, and the signal on which the reset noise is superimposed is analog-digital converted and read out. Since the reset noise is the same in the analog-digital converted value of the signal on which the reset noise is superimposed in the first row of the M frame and the analog-digital converted value of the reset noise in the first row of the M-1 frame, the reset noise is offset by a digital correlated double sampling process outside the sensor, and only the signal can be separated and extracted (see JP 2015-167343 A).
ここで、図10について再度説明する。図10には、本実施形態に係る固体撮像素子の画素構造の断面模式図が示されている。この固体撮像素子は、p型基板301の上部にn型ウエル324を配置し、n型ウエル324内にp型光電変換部312を配置して構成される。画素回路330上には遮光マスクのための金属315が配置され、p型光電変換部312の直上部は開口される。p型光電変換部312とn型浮遊拡散容量313が金属配線で接続された構成とされている。
また、画素回路330は、p型基板301上にn型MOSトランジスタ部を形成することで構成される。p型基板301と画素電極303の間には絶縁層309が設けられている。
Here, Fig. 10 will be described again. Fig. 10 shows a schematic cross-sectional view of the pixel structure of the solid-state imaging element according to this embodiment. This solid-state imaging element is configured by arranging an n-type well 324 on the top of a p-
Moreover, the pixel circuit 330 is configured by forming an n-type MOS transistor portion on a p-
(第2実施形態における暗電流の合計値の設定)
本実施形態においては、上述したように、フォトダイオードからなるp型光電変換部312の暗電流とn型浮遊拡散容量313の暗電流が合流するノード(n型浮遊拡散容量313)における暗電流の合計値は、p型光電変換部312の面積とn型浮遊拡散容量313の面積を調整することで所望の絶対値に設定し得るように構成されている。
(Setting the Total Value of Dark Current in the Second Embodiment)
In this embodiment, as described above, the total value of the dark current at the node (n-type floating diffusion capacitance 313) where the dark current of the p-type photoelectric conversion unit 312 consisting of a photodiode and the dark current of the n-type floating diffusion capacitance 313 join together is configured to be set to a desired absolute value by adjusting the area of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the area of the n-type floating diffusion capacitance 313.
すなわち、p型光電変換部312は暗電流のキャリアが正孔とされるとともに、光電変換部312の面積が大きいほど、正の暗電流の絶対値が大きくなり、一方、n型浮遊拡散容量313は暗電流のキャリアが電子とされるとともに、n型浮遊拡散容量313の面積が大きいほど、負の暗電流の絶対値が大きくなる。そして、ノードにおける暗電流の合計が、所望の絶対値となるように、p型光電変換部312の面積とn型浮遊拡散容量313の面積が調整されている。 That is, in the p-type photoelectric conversion section 312, the carriers of the dark current are holes, and the larger the area of the photoelectric conversion section 312, the larger the absolute value of the positive dark current becomes. On the other hand, in the n-type floating diffusion capacitance 313, the carriers of the dark current are electrons, and the larger the area of the n-type floating diffusion capacitance 313, the larger the absolute value of the negative dark current becomes. The areas of the p-type photoelectric conversion section 312 and the n-type floating diffusion capacitance 313 are adjusted so that the sum of the dark currents at the node has the desired absolute value.
以下、この面積調整について図11を用いて説明する。
図11は、p型光電変換部312の面積と暗電流、n型浮遊拡散容量313の面積と暗電流、およびノードの暗電流の合計との関係を示す表である。
まず、画素Aでは、p型光電変換部312の面積が10.4244μm2、n型浮遊拡散容量313の面積が0.2584μm2と設定されており、このときの暗電流の合計値(正孔)は5.4 h/fとなった。
一方、画素Bでは、p型光電変換部312の面積が10.4244μm2、n型浮遊拡散容量313の面積が0.7342μm2と設定されており、このときの暗電流の合計値(正孔)は3.2 h/fとなった。
This area adjustment will be described below with reference to FIG.
FIG. 11 is a table showing the relationship between the area of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the dark current, the area of the n-type floating diffusion capacitance 313 and the dark current, and the total dark current of the node.
First, in pixel A, the area of the p-type photoelectric conversion portion 312 is set to 10.4244 μm 2 , the area of the n-type floating diffusion capacitance 313 is set to 0.2584 μm 2 , and the total value of the dark current (holes) at this time is 5.4 h/f.
On the other hand, in pixel B, the area of the p-type photoelectric conversion portion 312 is set to 10.4244 μm 2 , the area of the n-type floating diffusion capacitance 313 is set to 0.7342 μm 2 , and the total value of the dark current (holes) at this time is 3.2 h/f.
そこで、p型光電変換部312の暗電流値(正孔)をJp h/f/μm2とおき、n型浮遊拡散容量313の暗電流値(電子)をJn e/f/μm2とおいて、画素Aおよび画素Bにおける関係を、連立方程式により解くと、p型光電変換部312の暗電流値Jpとn型浮遊拡散容量313の暗電流値Jnを求めることができる。なお、上記単位におけるhおよびeは正孔および電子を意味するものであり、上記単位におけるfはフレームを表すものである。 Thus, by setting the dark current value (holes) of p-type photoelectric conversion unit 312 as Jp h/f/ μm2 and the dark current value (electrons) of n-type floating diffusion capacitance 313 as Jn e/f/μm2 and solving the relationship in pixel A and pixel B using simultaneous equations, it is possible to obtain the dark current value Jp of p-type photoelectric conversion unit 312 and the dark current value Jn of n-type floating diffusion capacitance 313. Note that h and e in the above units represent holes and electrons, and f in the above units represents frames.
なお、上記の説明において、n型浮遊拡散容量313の面積が大きいと、n型浮遊拡散容量313の暗電流である電子の発生量(負の値)が大きくなるので、ノードの暗電流の合計値(正の値)は小さくなることが示されている。
また、図12の下段には、本実施形態において、暗電流の合計値をゼロに設定し得る、p型光電変換部312とn型浮遊拡散容量313の面積の例を示している。
In the above explanation, it is shown that when the area of the n-type floating diffusion capacitance 313 is large, the amount of electrons generated (negative value), which is the dark current of the n-type floating diffusion capacitance 313, increases, and therefore the total value (positive value) of the dark current of the node decreases.
Moreover, the lower part of FIG. 12 shows an example of the areas of the p-type photoelectric conversion portion 312 and the n-type floating diffusion capacitance 313 that can set the total value of the dark current to zero in this embodiment.
すなわち、上記図11を用いて、p型光電変換部312の暗電流値Jpとn型浮遊拡散容量313の暗電流値Jnが求められているので、図12の表の下段に、この暗電流値Jpと暗電流値Jnの値を設定し、ノードの暗電流の合計値が0となるような、p型光電変換部312とn型浮遊拡散容量313の各面積を設定すると、一例としては、前者は1.8886μm2に、後者は0.2584μm2になる。勿論、p型光電変換部312とn型浮遊拡散容量313の各面積について、別の組合せとすることもできる。 That is, since the dark current value Jp of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the dark current value Jn of the n-type floating diffusion capacitance 313 are found using Fig. 11 above, the values of these dark current values Jp and Jn are set in the lower part of the table in Fig. 12, and the areas of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the n-type floating diffusion capacitance 313 are set so that the total value of the dark current of the node becomes 0. As an example, the former becomes 1.8886 µm 2 and the latter becomes 0.2584 µm 2. Of course, other combinations can be used for the areas of the p-type photoelectric conversion unit 312 and the n-type floating diffusion capacitance 313.
なお、本実施形態に係る撮像装置においては、上述した第2の実施形態に係る固体撮像素子を備え、この固体撮像素子により得られた画像情報を出力する出力部を備えることにより構成される。 The imaging device according to this embodiment is configured by including the solid-state imaging element according to the second embodiment described above, and an output section that outputs image information obtained by this solid-state imaging element.
(変更態様)
本発明に係る固体撮像素子および撮像装置としては、上述した第1および第2の実施形態の他、種々の形態を採用することが可能である。
すなわち、本発明に係る固体撮像素子および撮像装置においては、光電変換膜や光電変換部からなる光電変換手段で発生したキャリアは電子正孔対のうち電子であっても正孔であってもよく、また、光電変換手段の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか一方とされた場合は、浮遊拡散容量の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか他方とされる必要がある。換言すれば、光電変換手段の暗電流のキャリアを正孔とした場合は、浮遊拡散容量の暗電流のキャリアは電子となる。逆に、光電変換手段の暗電流のキャリアを電子とした場合は、浮遊拡散容量の暗電流のキャリアは正孔となる。
(Modifications)
As the solid-state imaging element and imaging device according to the present invention, in addition to the first and second embodiments described above, various other configurations can be adopted.
That is, in the solid-state imaging element and imaging device according to the present invention, the carriers generated in the photoelectric conversion means consisting of the photoelectric conversion film and the photoelectric conversion section may be either electrons or holes of electron-hole pairs, and when the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means are either holes or electrons, the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance must be the other of holes or electrons. In other words, when the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means are holes, the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance are electrons. Conversely, when the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means are electrons, the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance are holes.
また、光電変換手段の暗電流と浮遊拡散容量の暗電流が合流するノードにおける暗電流の合計値が0となることが好ましいが、少なくとも、これら2つの暗電流の値の絶対値の各々よりも小さい所望の絶対値に設定されるように構成されることが必要である。 In addition, it is preferable that the sum of the dark currents at the node where the dark currents of the photoelectric conversion means and the floating diffusion capacitance join is zero, but it is necessary that the sum is set to a desired absolute value that is at least smaller than each of the absolute values of these two dark currents.
また、上述した第1および第2の実施形態においては、本発明に係る典型的な固体撮像素子および撮像装置を示しているが、勿論、本発明に係る固体撮像素子および撮像装置においては、上記実施形態の各構成を種々変更することが可能である。
例えば、図5における上記第1実施形態のもの、および図10における上記第2実施形態のものにおいては、画素回路は、p型基板にn型MOSトランジスタを形成することにより構成されているが、これに替えて、画素回路はp型基板にp型ウエルを形成し、p型ウエル内にn型MOSトランジスタを形成することにより構成してもよいし、n型基板にp型ウエルを形成し、p型ウエル内にn型MOSトランジスタを形成することにより構成してもよい。
Furthermore, while the above-described first and second embodiments show typical solid-state imaging elements and imaging devices according to the present invention, it is of course possible to modify the respective configurations of the above-described embodiments in various ways in the solid-state imaging elements and imaging devices according to the present invention.
For example, in the first embodiment in FIG. 5 and the second embodiment in FIG. 10, the pixel circuit is constructed by forming an n-type MOS transistor in a p-type substrate, but instead, the pixel circuit may be constructed by forming a p-type well in a p-type substrate and forming an n-type MOS transistor in the p-type well, or by forming a p-type well in an n-type substrate and forming an n-type MOS transistor in the p-type well.
また、図10における上記第2実施形態のものにおいては、p型光電変換部312は、p型基板にn型ウエル314を形成し、n型ウエル314内にp型光電変換部312を形成することにより構成しているが、これに替えて、p型光電変換部312はn型基板にp型光電変換部312を形成することにより構成してもよい。 In the second embodiment shown in FIG. 10, the p-type photoelectric conversion section 312 is constructed by forming an n-type well 314 in a p-type substrate and forming the p-type photoelectric conversion section 312 in the n-type well 314. Alternatively, the p-type photoelectric conversion section 312 may be constructed by forming the p-type photoelectric conversion section 312 in an n-type substrate.
また、上述した第1実施形態の固体撮像素子の光電変換膜は、電子注入阻止層、光電変換層(兼電荷増倍層)、正孔注入阻止層の各層、および膜電極をこの順に積層されてなるように構成されているが、これら各層の間に他の層を挿入するようにしてもよい。例えば、独立した、電子輸送層や正孔輸送層を上記層間に別途挿入するようにしてもよい。また、光電変換層と電荷増倍層を2つの層に分離してもよい。また、別の電子注入阻止層や正孔注入阻止層を別途挿入するようにしてもよい。また、電子注入阻止層と正孔注入阻止層は光電変換層(兼電荷増倍層)と別の材料とされていてもよいし、ドープする不純物を変更した同じ材料で構成してもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態の固体撮像素子の光電変換膜は、電荷増倍の機能を有していてもよい。また、特定の波長の光を吸収することにより、波長選択性の機能を有していてもよい。
In addition, the photoelectric conversion film of the solid-state imaging device of the first embodiment described above is configured to have the electron injection blocking layer, the photoelectric conversion layer (also charge multiplication layer), the hole injection blocking layer, and the film electrode stacked in this order, but other layers may be inserted between these layers. For example, an independent electron transport layer or hole transport layer may be inserted between the layers. The photoelectric conversion layer and the charge multiplication layer may be separated into two layers. Another electron injection blocking layer or hole injection blocking layer may be inserted separately. The electron injection blocking layer and the hole injection blocking layer may be made of a different material from the photoelectric conversion layer (also charge multiplication layer), or may be made of the same material with different doping impurities.
The photoelectric conversion film of the solid-state imaging device according to the first and second embodiments may have a charge multiplication function, and may have a wavelength selectivity function by absorbing light of a specific wavelength.
また、上記第1実施形態においては、光電変換層(兼電荷増倍層)の材料として、インジウムリンを用いることが可能である。インジウムリンを材料としたアバランシェ増倍時の過剰雑音について報告がある。インジウムリンでは、電子のイオン化率αより正孔のイオン化率βの方が高く、イオン化率比k=α/βは約0.25である。過剰雑音係数Fは、増倍率Mとイオン化率比kを用いて、F=Mk+(1-k)(2-1/M)で表され、イオン化率比kが小さいほど、過剰雑音係数Fは小さくなる。インジウムリンは走行キャリアを正孔として過剰雑音係数が小さいので、アバランシェフォトダイオードに使用されている。したがって、インジウムリンを固体撮像素子の光電変換層(兼電荷増倍層)に使用することができれば、S/Nのよい増倍が得られるので、好適である。また、一般に正孔のイオン化率が電子のイオン化率より高い材料を用いることが可能である。
また、インジウムリンに替えて、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ素リン(リン対ヒ素の組成がX:1-Xにおいて、Xが0.7以上)を用いることが可能である。
In the first embodiment, indium phosphide can be used as the material of the photoelectric conversion layer (cum charge multiplication layer). There have been reports on excess noise during avalanche multiplication using indium phosphide as the material. In indium phosphide, the ionization rate β of holes is higher than the ionization rate α of electrons, and the ionization rate ratio k=α/β is about 0.25. The excess noise factor F is expressed as F=Mk+(1-k)(2-1/M) using the multiplication factor M and the ionization rate ratio k, and the smaller the ionization rate ratio k, the smaller the excess noise factor F becomes. Indium phosphide is used in avalanche photodiodes because it has a small excess noise factor with holes as traveling carriers. Therefore, if indium phosphide can be used in the photoelectric conversion layer (cum charge multiplication layer) of a solid-state imaging device, it is preferable because it can provide a good multiplication ratio with a good S/N ratio. In addition, it is generally possible to use a material in which the ionization rate of holes is higher than the ionization rate of electrons.
Also, instead of indium phosphide, germanium or indium gallium arsenide phosphide (wherein the phosphorus to arsenic composition is X:1-X, X is 0.7 or more) can be used.
また、上記第1実施形態において、光電変換膜20を画素回路30上に積層した構造にするようにしているが、これに替えて、光電変換膜20をダミーの支持基板上に形成しておいて、その後、光電変換膜20を画素回路30上に接合することで形成してもよい。これにより、光電変換膜20を構成する材料に単結晶材料を用いることができる。また、アモルファス材料や多結晶材料を用いることもできる。また、光電変換膜20と膜電極6を画素回路30上に蒸着法やスパッタ法により直接積層することで形成してもよい。これにより、光電変換膜20を構成する材料にアモルファス材料や多結晶材料を用いることができる。
In the first embodiment, the photoelectric conversion film 20 is laminated on the pixel circuit 30. Alternatively, the photoelectric conversion film 20 may be formed on a dummy support substrate and then bonded to the pixel circuit 30. This allows a single crystal material to be used as the material for the photoelectric conversion film 20. Also, amorphous materials and polycrystalline materials can be used. The photoelectric conversion film 20 and the
また、上記第2実施形態において、固体撮像素子のp型光電変換部は単結晶材料で構成されていてもよい。また、上記第2実施形態においては、p型光電変換部の材料として、シリコンを用いることが可能である。 In the second embodiment, the p-type photoelectric conversion section of the solid-state imaging element may be made of a single crystal material. In the second embodiment, silicon may be used as the material for the p-type photoelectric conversion section.
1、301 p型基板
3、303 画素電極
4 正孔注入阻止層
5 光電変換層
6 膜電極
7 電子注入阻止層
9、309 絶縁層
13、213、313、513、1213 n型浮遊拡散容量(FD)
20、211 光電変換膜(PL)
30、330 画素回路
100 CMOS型固体撮像素子
101 画素アレイ
102、102´、102´´ 単位画素
103、103´、103´´ 画素駆動配線
104、104´、104´´ 垂直信号線
105 列並列信号処理回路
106 出力回路
107 タイミング制御回路
108 水平走査回路
109 垂直走査回路
110 マルチプレクサ回路
111 リセット信号制御回路
312、512 p型光電変換部(p-PD)
214、514、1214 リセットトランジスタ(RT)
215、515、1215 ソースフォロアアンプトランジスタ(SF)
216、516、1216 選択トランジスタ(SL)
217、517、1217 画素出力(OUT)
1218 転送トランジスタ(TX)
1219 n型光電変換部(n-PD)
222、522、1222 ソースフォロアアンプトランジスタ電源(SFVDD)
223、523、1223 リセットトランジスタ電源(RTVDD)
324、524 n型ウエル(NWELL)
227 ビア(VIA)
315 遮光マスク
316 保護膜
ADC アナログデジタル変換回路
1, 301 p-
20, 211 Photoelectric conversion film (PL)
30, 330 Pixel circuit 100 CMOS type solid-state imaging element 101
214, 514, 1214 Reset transistor (RT)
215, 515, 1215 Source follower amplifier transistor (SF)
216, 516, 1216 Select transistor (SL)
217, 517, 1217 pixel output (OUT)
1218 Transfer transistor (TX)
1219 n-type photoelectric conversion unit (n-PD)
222, 522, 1222 Source follower amplifier transistor power supply (SFVDD)
223, 523, 1223 Reset transistor power supply (RTVDD)
324, 524 n-type well (NWELL)
227 Via
315
Claims (7)
該画素回路は、基板上にトランジスタ部を配するように構成されるか、基板上にウエルを配し、該ウエル内にトランジスタ部を配するように構成され、
光電変換により発生した電子正孔対のうちいずれか一方を前記光電変換手段のキャリアとして用いるように構成され、
前記光電変換手段の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか一方とされ、かつリセットトランジスタのソースから構成される浮遊拡散容量の暗電流はキャリアが正孔または電子のいずれか他方とされ、
前記光電変換手段からの暗電流が、他の光電変換手段からの暗電流と合流することなく、前記浮遊拡散容量において発生した暗電流と合流するように構成され、
前記光電変換手段の暗電流と前記浮遊拡散容量の暗電流が合流するノードにおける該暗電流の合計値が、前記光電変換手段の暗電流値および前記浮遊拡散容量の暗電流値の各々の絶対値よりも小さい所望の絶対値となるように設定されていることを特徴とする固体撮像素子。 A CMOS type solid-state imaging device in which a photoelectric conversion means, either a photoelectric conversion film made of a laminate or a photoelectric conversion unit made of a photodiode, is disposed on a pixel circuit, and is disposed for each unit pixel ,
The pixel circuit is configured to have a transistor portion disposed on a substrate, or to have a well disposed on a substrate and a transistor portion disposed in the well;
One of the electron-hole pairs generated by photoelectric conversion is used as a carrier for the photoelectric conversion means,
the carriers of the dark current of the photoelectric conversion means are either holes or electrons, and the carriers of the dark current of the floating diffusion capacitance formed from the source of the reset transistor are either holes or electrons,
a dark current from the photoelectric conversion means is configured to merge with a dark current generated in the floating diffusion capacitance without merging with a dark current from another photoelectric conversion means;
a sum of the dark currents at a node where the dark currents of the photoelectric conversion means and the floating diffusion capacitance join together is set to a desired absolute value that is smaller than the absolute values of the dark current value of the photoelectric conversion means and the dark current value of the floating diffusion capacitance.
該光電変換膜は、光電変換処理を行う光電変換層を含み、最上層に膜電極を積層するように構成され、
該膜電極には画素電極のリセット電圧に対して所定の膜電圧が印加され、
前記ノードにおける前記暗電流の合計値が所望の絶対値となるように、前記膜電圧が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 the photoelectric conversion means is a photoelectric conversion film formed of a laminate disposed on the pixel circuit,
The photoelectric conversion film includes a photoelectric conversion layer that performs a photoelectric conversion process, and is configured to have a film electrode laminated on the top layer;
A predetermined membrane voltage is applied to the membrane electrode relative to the reset voltage of the pixel electrode,
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the membrane voltage is set so that the total value of the dark currents at the nodes has a desired absolute value .
前記ノードにおける暗電流の合計値が、前記膜電圧が低電圧で負の値となり、該膜電圧が高電圧で正の値となるような状態に構成され、前記ノードにおける前記暗電流の合計値が前記所望の絶対値となるように該膜電圧が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 The carrier of the dark current of the photoelectric conversion film is a hole, and the absolute value of the dark current is small when the film voltage is low and is large when the film voltage is high. On the other hand, the floating diffusion capacitance is an n-type, the carrier of the dark current is an electron, and the magnitude of the dark current is constant regardless of the level of the film voltage.
3. A solid-state imaging element as described in claim 2, characterized in that the sum of the dark currents at the nodes is configured to be negative when the membrane voltage is low and positive when the membrane voltage is high, and the membrane voltage is set so that the sum of the dark currents at the nodes becomes the desired absolute value.
前記ノードにおける前記暗電流の合計値が所望の絶対値となるように、前記光電変換部の面積と前記浮遊拡散容量の面積が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 The photoelectric conversion means is a photoelectric conversion unit formed of a photodiode,
2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the area of the photoelectric conversion portion and the area of the floating diffusion capacitance are set so that the total value of the dark currents at the nodes has a desired absolute value .
前記ノードにおける暗電流の合計が、前記所望の絶対値となるように、前記光電変換部の面積と前記浮遊拡散容量の面積が設定されていることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。 the photoelectric conversion section is of p-type, carriers of the dark current are holes, and the larger the area of the photoelectric conversion section, the larger the absolute value of the positive dark current; on the other hand, the floating diffusion capacitance is of n-type, carriers of the dark current are electrons, and the larger the area of the floating diffusion capacitance, the larger the absolute value of the negative dark current;
5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein the area of the photoelectric conversion portion and the area of the floating diffusion capacitance are set so that the sum of the dark currents at the nodes becomes the desired absolute value.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005347758A (en) | 2004-06-04 | 2005-12-15 | Samsung Electronics Co Ltd | CMOS image sensor and manufacturing method thereof |
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Patent Citations (4)
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---|---|---|---|---|
JP2005347758A (en) | 2004-06-04 | 2005-12-15 | Samsung Electronics Co Ltd | CMOS image sensor and manufacturing method thereof |
JP2009222478A (en) | 2008-03-14 | 2009-10-01 | Konica Minolta Medical & Graphic Inc | Radiation image detector |
JP2013106231A (en) | 2011-11-15 | 2013-05-30 | Canon Inc | Imaging apparatus |
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