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JP2008228265A - Imaging apparatus - Google Patents

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JP2008228265A
JP2008228265A JP2007172154A JP2007172154A JP2008228265A JP 2008228265 A JP2008228265 A JP 2008228265A JP 2007172154 A JP2007172154 A JP 2007172154A JP 2007172154 A JP2007172154 A JP 2007172154A JP 2008228265 A JP2008228265 A JP 2008228265A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus capable of preventing the deterioration of image quality and the degradation of sensitivity caused by a charge stored in a charge storage section in any other period of time than an exposure period of time and extending the exposure period of time. <P>SOLUTION: A lower electrode 56, a photoelectric conversion layer 57, and an upper electrode 58 are stacked in this order above a semiconductor substrate, and an n+ layer 53 that stores a charge generated in the photoelectric conversion layer 57 is connected to the lower electrode 56. The charge stored in the n+ layer 53 is swept away by a reset drain power source 64 by turning on a reset transistor 63. An image pickup element driving section 10 turns on the reset transistor for a given time from the endpoint of exposure. The given time is a time taken until the residual image charge existing in the photoelectric conversion layer 57 at the exposure end point time is sufficiently discharged to the outside of the photoelectric conversion layer 57 in a state that the same bias as that at the exposure start time point is applied to the photoelectric conversion layer 57. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板上方に積層された光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成された電荷蓄積部とを含み、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を外部に出力する撮像素子を有する撮像装置に関する。   The present invention includes a photoelectric conversion element stacked above a semiconductor substrate, and a charge storage unit formed in the semiconductor substrate that stores charges generated in the photoelectric conversion element, and is stored in the charge storage unit The present invention relates to an imaging apparatus having an imaging element that outputs a signal corresponding to an electric charge to the outside.

CCD型やCMOS型のイメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像素子では、光電変換する受光部の配列上に3種または4種の色フィルタをモザイク状に配置している。これにより、各受光部から色フィルタに対応した色信号が出力され、これ等の色信号を信号処理することでカラー画像が生成される。   In a single-plate color solid-state imaging device typified by a CCD type or CMOS type image sensor, three or four types of color filters are arranged in a mosaic pattern on an array of light receiving units that perform photoelectric conversion. Accordingly, color signals corresponding to the color filters are output from the respective light receiving units, and a color image is generated by performing signal processing on these color signals.

しかし、モザイク状に色フィルタを配列したカラー固体撮像素子は、原色の色フィルタの場合、およそ入射光の2/3が色フィルタで吸収されてしまうため、光利用効率が悪く、感度が低いという問題がある。また、各受光部で1色の色信号しか得られないため、解像度も悪く、特に、偽色が目立つという問題もある。   However, in a color solid-state imaging device in which color filters are arranged in a mosaic shape, about 2/3 of incident light is absorbed by the color filter in the case of a primary color filter, light use efficiency is poor and sensitivity is low. There's a problem. Further, since only one color signal can be obtained at each light receiving unit, the resolution is poor, and in particular, there is a problem that false colors are conspicuous.

そこで、斯かる問題を克服するために、半導体基板の上に3層の光電変換層を積層する構造の積層型固体撮像素子が研究・開発されている(例えば、下記の特許文献1,2)。この積層型固体撮像素子は、例えば、光入射面から順次、B,G,Rの光に対して電荷(電子,正孔)を発生する光電変換層を重ねた受光部構造を備え、しかも各受光部毎に、各光電変換層で発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部が設けられ、この電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すことができる信号読み出し回路が設けられる。各光電変換層は一対の電極で挟まれ、一対の電極の一方と電荷蓄積部が電気的に接続されることで、光電変換層で発生して該一方の電極に移動した電荷が電荷蓄積部に蓄積されるようになっている。   Therefore, in order to overcome such a problem, a stacked solid-state imaging device having a structure in which three photoelectric conversion layers are stacked on a semiconductor substrate has been researched and developed (for example, Patent Documents 1 and 2 below). . This stacked solid-state imaging device includes, for example, a light receiving unit structure in which photoelectric conversion layers that generate charges (electrons, holes) for B, G, and R light are sequentially stacked from a light incident surface. A charge storage unit that stores signal charges generated in each photoelectric conversion layer is provided for each light receiving unit, and a signal readout circuit that can read a signal corresponding to the charges stored in the charge storage unit is provided. Each photoelectric conversion layer is sandwiched between a pair of electrodes, and one of the pair of electrodes is electrically connected to the charge storage unit, so that the charge generated in the photoelectric conversion layer and moved to the one electrode is stored in the charge storage unit. Has been accumulating.

斯かる構造の撮像素子の場合、入射光が殆ど光電変換されて読み出され、可視光の利用効率は100%に近く、しかも各受光部でR,G,Bの3色の色信号が得られるため、高感度で、高解像度(偽色が目立たない)の良好な画像が生成できる。   In the case of an image pickup device having such a structure, incident light is almost photoelectrically converted and read out, the utilization efficiency of visible light is close to 100%, and color signals of three colors of R, G, and B are obtained in each light receiving unit. Therefore, it is possible to generate a good image with high sensitivity and high resolution (false color is not noticeable).

特表2002−502120号公報Special Table 2002-502120 特開2002−83946号公報JP 2002-83946 A

積層型撮像素子の信号読み出し回路としては、電荷蓄積部に蓄積された電荷を電荷転送路に読み出して転送し、転送後の電荷をFDアンプ等で信号電圧に変換して出力するCCD回路や、電荷蓄積部に蓄積された電荷をMOSトランジスタで信号電圧に変換して出力するMOS回路等が考えられる。CCD回路とMOS回路のいずれを採用した場合でも、信号読み出し後には、電荷蓄積部に残っている電荷(CCD回路の場合は転送残り電荷)を基板等に掃き捨てる必要があり、電荷の掃き捨てに関する技術は単板式の撮像素子で用いられているものを採用することができる。   As a signal readout circuit of the multilayer image sensor, a CCD circuit that reads out and transfers the charge accumulated in the charge accumulation unit to a charge transfer path, converts the transferred charge into a signal voltage with an FD amplifier or the like, A MOS circuit or the like that converts the charge accumulated in the charge accumulation unit into a signal voltage by a MOS transistor and outputs the signal voltage can be considered. Regardless of whether the CCD circuit or the MOS circuit is used, after the signal is read out, the charge remaining in the charge storage unit (transfer charge in the case of the CCD circuit) needs to be swept away to the substrate or the like. As the technique, a technique used in a single-plate image sensor can be employed.

例えば、MOS回路の場合は、露光期間が終了し、その露光期間で電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号をMOS回路から出力後、リセットトランジスタのゲートにリセットパルスを供給して、不要電荷をリセットドレインに排出する構造を採用することができる。   For example, in the case of a MOS circuit, after the exposure period ends, a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation unit during the exposure period is output from the MOS circuit, and then a reset pulse is supplied to the gate of the reset transistor. A structure in which the electric charge is discharged to the reset drain can be employed.

図8は、積層型撮像素子のリセット動作を説明するタイミングチャートである。図8では、撮像素子の露光期間と非露光期間をメカニカルシャッタで制御する場合を例にした。
入射光が撮像素子に入射して光電変換層で発生した電荷が電荷蓄積部に蓄積されると、電荷蓄積部の電位は図示のように上昇する。そして、露光終了後、MOS回路にて電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号が出力されると共に、電荷蓄積部の電荷がリセットされる。リセット動作後に光が入射しない場合、光電変換層で発生したキャリアが瞬時に電荷蓄積部に蓄積されるのであれば、リセット動作後に電荷蓄積部の電位は上昇しないはずである。しかし、光電変換層で発生したキャリアが電荷蓄積部に接続された電極に到達するまでには、ある程度の時間を要することがあるため、露光期間中に光電変換層で発生していたのに電荷蓄積部に移動しきれなかったキャリアが残像成分としてリセット後に電荷蓄積部に蓄積されてしまう。この残像成分が次の露光期間に電荷蓄積部に蓄積されるキャリアに混ざることで、画質が劣化してしまう。又、電荷蓄積部に残像成分があると、電荷蓄積部に接続されている電極の電位が上がるため、光電変換層に加わるバイアス電圧が相対的に低くなり、キャリア輸送性能が低下して感度が悪くなるといった問題も考えられる。尚、光電変換層内の残像成分は、時間が経過すると指数関数的に減少することが確認されている。
FIG. 8 is a timing chart for explaining the reset operation of the multilayer image sensor. FIG. 8 shows an example in which the exposure period and the non-exposure period of the image sensor are controlled by a mechanical shutter.
When incident light enters the image sensor and charges generated in the photoelectric conversion layer are accumulated in the charge accumulation unit, the potential of the charge accumulation unit rises as illustrated. Then, after the exposure is completed, a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation unit in the MOS circuit is output, and the charge in the charge accumulation unit is reset. In the case where light does not enter after the reset operation, if the carriers generated in the photoelectric conversion layer are instantaneously stored in the charge storage portion, the potential of the charge storage portion should not increase after the reset operation. However, since it may take a certain amount of time for the carriers generated in the photoelectric conversion layer to reach the electrode connected to the charge storage portion, the charge generated even though it was generated in the photoelectric conversion layer during the exposure period. Carriers that could not move to the accumulation unit are accumulated in the charge accumulation unit after reset as an afterimage component. This afterimage component is mixed with carriers accumulated in the charge accumulation section in the next exposure period, so that the image quality is deteriorated. In addition, if there is an afterimage component in the charge storage portion, the potential of the electrode connected to the charge storage portion increases, so the bias voltage applied to the photoelectric conversion layer becomes relatively low, the carrier transport performance decreases, and the sensitivity increases. The problem of getting worse is also possible. It has been confirmed that the afterimage component in the photoelectric conversion layer decreases exponentially with time.

そこで、光電変換層内の残像成分が十分に減少した時点でリセットパルスをもう1回供給することで、画質劣化及び感度低下を防ぐことが有効であると考えられる。例えば、図9に示したように、信号を読み出し後、光電変換層内の残像成分が十分に減少した時点でもう1回リセット動作を行い、残像成分がほとんどない状態で次の露光を開始するようにすれば良い。   Therefore, it is considered effective to prevent image quality deterioration and sensitivity reduction by supplying another reset pulse when the afterimage component in the photoelectric conversion layer is sufficiently reduced. For example, as shown in FIG. 9, after the signal is read out, the reset operation is performed once again when the afterimage component in the photoelectric conversion layer is sufficiently reduced, and the next exposure is started with almost no afterimage component. You can do that.

しかし、このようにした場合、図9に示すリセットタイミングとリセットタイミングの間において電荷蓄積部の電位が変動するため、この間、光電変換層内の残像成分を電極まで引っ張る力が弱くなってしまう。この結果、光電変換層内の残像成分が十分に減少するまでの時間が長くなってしまい、露光時間が短くなってしまう。   However, in this case, since the potential of the charge storage portion varies between the reset timing and the reset timing shown in FIG. 9, the force for pulling the afterimage component in the photoelectric conversion layer to the electrode is weak during this period. As a result, the time until the afterimage component in the photoelectric conversion layer is sufficiently reduced becomes long, and the exposure time becomes short.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、露光期間以外の期間に電荷蓄積部に蓄積される電荷に起因する画質劣化及び感度低下を防ぎ、露光期間を延ばすことが可能な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 the above circumstances, and is an imaging apparatus capable of preventing image quality deterioration and sensitivity reduction due to charges accumulated in the charge accumulation unit during periods other than the exposure period and extending the exposure period. The purpose is to provide.

本発明の撮像装置は、半導体基板上方に積層された光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成された電荷蓄積部とを含み、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を外部に出力する撮像素子を有する撮像装置であって、前記光電変換素子が、前記半導体基板上方に形成された下部電極と、前記下部電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された上部電極とを含み、前記電荷蓄積部は前記下部電極又は前記上部電極と電気的に接続されており、前記電荷蓄積部に蓄積されている電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て手段と、前記撮像素子の露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの期間のうちの連続した少なくとも一定期間、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極の電位を一定に保つ電極電位固定手段とを備え、前記一定期間が、前記電荷蓄積部に蓄積可能な最大量の電荷が前記電荷蓄積部に蓄積された状態で前記電荷掃き捨て手段によって前記最大量の電荷を掃き捨てるために最低限必要な時間よりも長い時間である。   An image pickup apparatus according to the present invention includes a photoelectric conversion element stacked above a semiconductor substrate, and a charge storage unit formed in the semiconductor substrate that stores charges generated in the photoelectric conversion element. An image pickup apparatus having an image pickup device for outputting a signal corresponding to the accumulated electric charge to the outside, wherein the photoelectric conversion device includes a lower electrode formed above the semiconductor substrate and a photoelectric device formed above the lower electrode. A charge generation unit including a conversion layer and an upper electrode formed above the photoelectric conversion layer, wherein the charge storage unit is electrically connected to the lower electrode or the upper electrode, and the charge stored in the charge storage unit The charge sweeping means for sweeping away the charge storage unit and the charge storage unit connected to the charge storage unit for at least a continuous period from the end of the exposure period of the image sensor to the start of the next exposure period. Electrode potential fixing means that keeps the potential of the partial electrode or the upper electrode constant, and the charge is stored in the charge storage unit while the maximum amount of charge that can be stored in the charge storage unit is stored for a certain period of time. The time is longer than the minimum time required for sweeping away the maximum amount of charge by the sweeping means.

本発明の撮像装置は、露光期間と露光期間の間に前記撮像素子を遮光する遮光手段を備え、前記一定期間が、前記露光期間終了時点から開始されるものであり、且つ、前記露光期間終了時点で前記光電変換層内に存在する残像電荷が前記光電変換層に前記露光期間の開始時点と同じバイアス電圧を印加した状態で前記光電変換層外部に排出されるときの前記光電変換層内の前記残像電荷の減衰時定数に等しい時間である。   The imaging apparatus of the present invention includes a light shielding unit that shields the image sensor between an exposure period and an exposure period, wherein the certain period starts from the end of the exposure period, and the exposure period ends When the afterimage charge existing in the photoelectric conversion layer at the time is discharged to the outside of the photoelectric conversion layer with the same bias voltage applied to the photoelectric conversion layer as the start time of the exposure period, The time is equal to the decay time constant of the afterimage charge.

本発明の撮像装置は、前記電荷掃き捨て手段がリセットトランジスタであり、前記電極電位固定手段は、前記リセットトランジスタのゲート電極にリセット電圧を前記一定期間印加することで前記電位を一定に保つ。   In the imaging apparatus of the present invention, the charge sweeping means is a reset transistor, and the electrode potential fixing means keeps the potential constant by applying a reset voltage to the gate electrode of the reset transistor for the certain period.

本発明の撮像装置は、前記電極電位固定手段が、前記撮像素子を等価回路で表したときに、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極に反転入力端子が接続され、固定電位に非反転入力端子が接続され、前記反転入力端子と出力端子との間に前記電荷蓄積部に相当するコンデンサが接続された差動増幅器であって、前記撮像素子の動作期間中前記電位を常に前記固定電位に保つものである。   In the image pickup apparatus of the present invention, when the electrode potential fixing unit represents the image pickup device with an equivalent circuit, an inversion input terminal is connected to the lower electrode or the upper electrode connected to the charge storage unit and fixed. A non-inverting input terminal is connected to the potential, and a differential amplifier in which a capacitor corresponding to the charge storage unit is connected between the inverting input terminal and the output terminal, wherein the potential is applied during an operation period of the imaging device. The fixed potential is always maintained.

本発明の撮像装置は、前記反転入力端子と前記出力端子との間に、前記コンデンサに対して並列に接続された直列回路を備え、前記直列回路は、前記反転入力端子に接続されるスイッチと、前記スイッチに接続される別のコンデンサとで構成される。   The imaging device of the present invention includes a series circuit connected in parallel to the capacitor between the inverting input terminal and the output terminal, and the series circuit includes a switch connected to the inverting input terminal; , And another capacitor connected to the switch.

本発明の撮像装置は、本撮影の前に行われる事前撮影によって前記コンデンサに蓄積された電荷が当該コンデンサの容量を超えた場合にのみ、前記スイッチをオンにして前記反転入力端子と前記別のコンデンサとを接続する制御を行うスイッチ制御手段を備える。   The image pickup apparatus of the present invention turns on the switch and turns on the inverting input terminal only when the charge accumulated in the capacitor by pre-shooting performed before the main shooting exceeds the capacity of the capacitor. Switch control means is provided for performing control for connecting the capacitor.

本発明によれば、露光期間以外の期間に電荷蓄積部に蓄積される電荷に起因する画質劣化及び感度低下を防ぎ、露光期間を延ばすことが可能な撮像装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus capable of preventing image quality deterioration and sensitivity reduction due to charges accumulated in the charge accumulation unit during a period other than the exposure period and extending the exposure period.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第一実施形態)
図1は、本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、メカニカルシャッタMSと、撮影レンズ1と、撮像素子5と、この両者の間に設けられた絞り2と、赤外線カットフィルタ3と、光学ローパスフィルタ4とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a digital camera which is an example of an imaging apparatus for explaining a first embodiment of the present invention.
The imaging system of the illustrated digital camera includes a mechanical shutter MS, a photographing lens 1, an imaging element 5, an aperture 2 provided between the two, an infrared cut filter 3, and an optical low-pass filter 4.

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部11は、フラッシュ発光部12及び受光部13を制御し、レンズ駆動部8を制御して撮影レンズ1の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部9を介して絞り2の開口量を制御して露光量調整を行い、シャッタ駆動部MSDを介してメカニカルシャッタMSの開閉制御を行う。シャッタ駆動部MSDのシャッタ開閉制御により、撮像素子5の露光期間と非露光期間とが制御される。   A system control unit 11 that performs overall control of the electrical control system of the digital camera controls the flash light emitting unit 12 and the light receiving unit 13 and controls the lens driving unit 8 to adjust the position of the photographing lens 1 to the focus position and zoom. Adjustment is performed, exposure amount adjustment is performed by controlling the aperture amount of the aperture 2 via the aperture drive unit 9, and opening / closing control of the mechanical shutter MS is performed via the shutter drive unit MSD. The exposure period and non-exposure period of the image sensor 5 are controlled by the shutter opening / closing control of the shutter drive unit MSD.

又、システム制御部11は、撮像素子駆動部10を介して撮像素子5を駆動し、撮影レンズ1を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部11には、操作部14を通してユーザからの指示信号が入力される。   In addition, the system control unit 11 drives the imaging device 5 via the imaging device driving unit 10 and outputs the subject image captured through the photographing lens 1 as a color signal. An instruction signal from the user is input to the system control unit 11 through the operation unit 14.

デジタルカメラの電気制御系は、更に、撮像素子5の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部6と、このアナログ信号処理部6から出力されたRGBの色信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路7とを備え、これらはシステム制御部11によって制御される。   The electric control system of the digital camera further includes an analog signal processing unit 6 for performing analog signal processing such as correlated double sampling processing connected to the output of the image sensor 5, and RGB output from the analog signal processing unit 6. And an A / D conversion circuit 7 for converting the color signal into a digital signal, which are controlled by the system control unit 11.

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ16と、メインメモリ16に接続されたメモリ制御部15と、補間演算やガンマ補正演算,RGB/YC変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部17と、デジタル信号処理部17で生成された画像データをJPEG形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部18と、測光データを積算しデジタル信号処理部17が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部19と、着脱自在の記録媒体21が接続される外部メモリ制御部20と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部23が接続される表示制御部22とを備え、これらは、制御バス24及びデータバス25によって相互に接続され、システム制御部11からの指令によって制御される。   Furthermore, the electric control system of this digital camera generates image data by performing main memory 16, memory control unit 15 connected to main memory 16, interpolation calculation, gamma correction calculation, RGB / YC conversion processing, and the like. A digital signal processing unit 17, a compression / decompression processing unit 18 that compresses image data generated by the digital signal processing unit 17 into a JPEG format or decompresses compressed image data, and a digital signal processing unit 17 that integrates photometric data. The integration unit 19 for obtaining the gain of white balance correction performed by the camera, the external memory control unit 20 to which the removable recording medium 21 is connected, and the display control unit 22 to which the liquid crystal display unit 23 mounted on the back of the camera is connected. These are connected to each other by a control bus 24 and a data bus 25, and are controlled by commands from the system control unit 11. That.

図2は、図1の撮像素子5の1画素分の断面模式図である。撮像素子5は、図2に示す1画素を1次元状又は二次元状に多数配列した構成となっている。
撮像素子5は、n型基板51とこの上に形成されたpウェル層52とからなる半導体基板上方に、下部電極56と、下部電極56上方に形成された光電変換層57と、光電変換層57上方に形成された上部電極58とを含む光電変換素子が、下部電極56を半導体基板側に向けて積層された構成となっている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of one pixel of the image sensor 5 of FIG. The imaging element 5 has a configuration in which a large number of one pixel shown in FIG. 2 is arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner.
The imaging device 5 includes a lower electrode 56, a photoelectric conversion layer 57 formed above the lower electrode 56, and a photoelectric conversion layer above a semiconductor substrate including an n-type substrate 51 and a p-well layer 52 formed thereon. 57. The photoelectric conversion element including the upper electrode 58 formed above 57 has a structure in which the lower electrode 56 is laminated toward the semiconductor substrate side.

下部電極56は、画素毎に分割された透明性の高い電極であり、例えばITOが用いられる。   The lower electrode 56 is a highly transparent electrode divided for each pixel, and for example, ITO is used.

光電変換層57は、全画素で共通化された層であり、特定波長域の光を吸収し、この光に応じた信号電荷(電子、正孔)を発生する。光電変換層57は、有機光電変換材料及び無機光電変換材料のいずれかを含んで構成される。本実施形態では、光電変換層57が、例えば緑色の波長域の光を吸収するものとして説明する。このような有機光電変換材料としてはキナクリドンが挙げられる。尚、光電変換層57は画素毎に分割してあっても良い。   The photoelectric conversion layer 57 is a layer shared by all the pixels, absorbs light in a specific wavelength region, and generates signal charges (electrons and holes) corresponding to the light. The photoelectric conversion layer 57 includes either an organic photoelectric conversion material or an inorganic photoelectric conversion material. In the present embodiment, the photoelectric conversion layer 57 will be described as absorbing light in a green wavelength region, for example. An example of such an organic photoelectric conversion material is quinacridone. The photoelectric conversion layer 57 may be divided for each pixel.

上部電極58は、全画素で共通化された透明性の高い電極であり、例えばITOが用いられる。上部電極58には図示しない配線が接続されて、所定のバイアス電圧が印加されるようになっている。上部電極58上には透明な保護膜59が形成されている。尚、上部電極58は画素毎に分割してあっても良い。   The upper electrode 58 is a highly transparent electrode shared by all pixels, and for example, ITO is used. A wiring (not shown) is connected to the upper electrode 58 so that a predetermined bias voltage is applied. A transparent protective film 59 is formed on the upper electrode 58. The upper electrode 58 may be divided for each pixel.

上部電極58に印加されるバイアス電圧は、光電変換層57で発生した電荷のうちの電子が下部電極56に移動し、正孔が上部電極58に移動するように、その極性が決められている。   The polarity of the bias voltage applied to the upper electrode 58 is determined so that electrons out of charges generated in the photoelectric conversion layer 57 move to the lower electrode 56 and holes move to the upper electrode 58. .

pウェル層52内には、光電変換層57で発生して下部電極56に移動した電子を蓄積するための高濃度のn型不純物層(n+層)53が形成されている。n+層53上にはアルミニウム等の導電性材料からなるビアプラグ55が形成され、ビアプラグ55上に下部電極56が形成されている。このビアプラグ55により、下部電極56とn+層53とが電気的に接続されている。   A high concentration n-type impurity layer (n + layer) 53 for accumulating electrons generated in the photoelectric conversion layer 57 and moved to the lower electrode 56 is formed in the p-well layer 52. A via plug 55 made of a conductive material such as aluminum is formed on the n + layer 53, and a lower electrode 56 is formed on the via plug 55. The lower electrode 56 and the n + layer 53 are electrically connected by the via plug 55.

pウェル層52内及びpウェル層52表面上には、n+層53に蓄積された電子を信号電圧に変換して撮像素子5外部に出力するための信号読み出し部54が形成されている。信号読み出し部54は、n+層53に蓄積された電子を信号電圧に変換するソースフォロア回路と、n+層53に蓄積された電子をリセットするためのリセットトランジスタとで構成されている。   In the p-well layer 52 and on the surface of the p-well layer 52, a signal readout unit 54 is formed for converting electrons accumulated in the n + layer 53 into a signal voltage and outputting the signal voltage to the outside of the imaging device 5. The signal reading unit 54 includes a source follower circuit that converts electrons accumulated in the n + layer 53 into a signal voltage, and a reset transistor that resets the electrons accumulated in the n + layer 53.

図3は、図2に示す撮像素子5の等価回路図である。図3において図2と同じ構成及び対応する構成には同一符号を付してある。
図3に示すように、上部電極58には、バイアス電圧を供給するバイアス電源65が接続され、下部電極56にはn+層53に相当するコンデンサ53が接続されている。コンデンサ53には、ソースフォロア回路の初段トランジスタ62が接続されると共に、リセットドレイン電源64がリセットトランジスタ63を介して接続されている。コンデンサ53に蓄積された電子は、ソースフォロア回路の初段トランジスタ62でその量に応じた信号電圧に変換され、増幅された後に、撮像素子5外部へと出力される。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the image sensor 5 shown in FIG. In FIG. 3, the same components as those in FIG.
As shown in FIG. 3, a bias power supply 65 that supplies a bias voltage is connected to the upper electrode 58, and a capacitor 53 corresponding to the n + layer 53 is connected to the lower electrode 56. A first-stage transistor 62 of a source follower circuit is connected to the capacitor 53, and a reset drain power supply 64 is connected via a reset transistor 63. The electrons accumulated in the capacitor 53 are converted to a signal voltage corresponding to the amount by the first stage transistor 62 of the source follower circuit, amplified, and then output to the outside of the image sensor 5.

リセットトランジスタ63は、コンデンサ53に蓄積された電子を半導体基板に掃き捨てるための電荷掃き捨て手段として機能し、図1の撮像素子駆動部10からゲート電極にリセット電圧が供給されることでオンとなり、コンデンサ53に蓄積された電子をリセットドレイン電源64側に掃き捨てる。   The reset transistor 63 functions as charge sweeping means for sweeping electrons accumulated in the capacitor 53 to the semiconductor substrate, and is turned on when a reset voltage is supplied to the gate electrode from the image sensor driving unit 10 in FIG. The electrons accumulated in the capacitor 53 are swept away to the reset drain power supply 64 side.

撮像素子駆動部10は、特許請求の範囲の電極電位固定手段として機能するものであり、露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの期間のうちの連続した一定期間、コンデンサ53に接続された下部電極56の電位を一定に保つ制御を行う。具体的には、リセットトランジスタ63のゲート電極にリセット電圧を上記一定期間印加することで、下部電極56の電位を一定に保つ。   The imaging element driving unit 10 functions as an electrode potential fixing unit in the claims, and is a capacitor for a fixed period of time from the end of the exposure period to the start of the next exposure period. Control is performed to keep the potential of the lower electrode 56 connected to 53 constant. Specifically, the potential of the lower electrode 56 is kept constant by applying a reset voltage to the gate electrode of the reset transistor 63 for the above-mentioned fixed period.

ここで、一定期間とは、コンデンサ53に蓄積可能な最大量の電子がコンデンサ53に蓄積された状態で、リセットトランジスタ63によって前記最大量の電子を掃き捨てるために最低限必要な時間(以下、最低リセット期間という)よりも長い時間であり、露光期間終了時点で光電変換層57内に存在している残像成分(残像電荷)が、光電変換層57に露光期間の開始時点と同じバイアス電圧を印加した状態で、光電変換層57外部に十分に排出されるまでにかかる時間のことを言う。   Here, the fixed period is a state in which the maximum amount of electrons that can be stored in the capacitor 53 is stored in the capacitor 53 and the minimum amount of time (hereinafter, referred to as “reset transistor 63”) required to sweep away the maximum amount of electrons by the reset transistor 63. The afterimage component (afterimage charge) present in the photoelectric conversion layer 57 at the end of the exposure period is applied with the same bias voltage as that at the start of the exposure period. It means the time taken for the liquid to be sufficiently discharged outside the photoelectric conversion layer 57 in the applied state.

前述したように、光電変換層57内の残像電荷は、時間が経過すると指数関数的に減少することがわかっている。このため、本実施形態では、露光期間終了時点で光電変換層57内に存在する残像電荷が、光電変換層57に露光期間の開始時点と同じバイアス電圧を印加した状態で光電変換層57外部に排出されてくる量を測定し、排出される残像電荷の量が指数関数的に減少してピーク時の約37%になった時刻(これを光電変換層57内の残像電荷の減衰時定数と定義する)を求め、「残像電荷が光電変換層57外部に十分に排出されるまでにかかる時間」をこの減衰時定数以上とすれば良い。理想的には、光電変換層57に露光期間の開始時点と同じバイアス電圧がかかった状態で、露光期間終了から、光電変換層57から排出される残像電荷の量がゼロとなるまでにかかる時間である。   As described above, it is known that the afterimage charge in the photoelectric conversion layer 57 decreases exponentially with time. For this reason, in the present embodiment, the afterimage charge existing in the photoelectric conversion layer 57 at the end of the exposure period is applied to the outside of the photoelectric conversion layer 57 in a state where the same bias voltage as that at the start of the exposure period is applied to the photoelectric conversion layer 57. The amount of discharged image is measured, and the amount of discharged afterimage charge decreases exponentially to about 37% of the peak (this is the decay time constant of the afterimage charge in the photoelectric conversion layer 57). The time required until the afterimage charge is sufficiently discharged to the outside of the photoelectric conversion layer 57 may be set to be equal to or greater than the decay time constant. Ideally, the time required from the end of the exposure period until the amount of afterimage charge discharged from the photoelectric conversion layer 57 becomes zero with the same bias voltage applied to the photoelectric conversion layer 57 as at the start of the exposure period. It is.

本実施形態では、撮像素子駆動部10が、露光期間終了時点から上記一定期間、リセット電圧をリセットトランジスタ63のゲート電極に供給することで、露光期間以外の期間に電荷蓄積部53に蓄積される残像電荷に起因する画質劣化及び感度低下を、露光期間を減らすことなく抑制することを可能にしている。   In the present embodiment, the imaging element driving unit 10 supplies the reset voltage to the gate electrode of the reset transistor 63 for a certain period from the end of the exposure period, so that the charge storage unit 53 stores the reset voltage in a period other than the exposure period. It is possible to suppress image quality deterioration and sensitivity reduction due to afterimage charges without reducing the exposure period.

次に、本実施形態のデジタルカメラの撮像動作を説明する。
図4は、撮像素子5のリセット動作を説明するタイミングチャートである。
メカニカルシャッタMSが開いている露光期間に入射した光に応じて光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積されると、コンデンサ53の電位は図示のように上昇する。そして、メカニカルシャッタMSが閉じて露光期間が終了すると、ソースフォロア回路にてコンデンサ53に蓄積された電子に応じた信号が出力されると共に、リセットトランジスタ63にリセット電圧の供給が開始され、リセット電圧の供給が上記一定期間継続して行われる。コンデンサ53内の電子はリセット電圧の供給開始と共にリセットドレイン電源64に掃き捨てられ、露光期間終了後に下部電極56に移動した残像電荷もリセットドレイン電源64へと掃き捨てられる。又、リセット電圧が供給されている間、コンデンサ53の電位はリセット直後の状態を維持する。上記一定期間経過後、リセット電圧の供給が停止されるが、この時点では残像電荷がコンデンサ53にほとんど移動してこないため、コンデンサ53の電位はほとんど変動しない。そして、その状態から次の露光期間が開始される。
Next, the imaging operation of the digital camera of this embodiment will be described.
FIG. 4 is a timing chart for explaining the reset operation of the image sensor 5.
When electrons generated in the photoelectric conversion layer 57 are accumulated in the capacitor 53 in accordance with light incident during the exposure period in which the mechanical shutter MS is open, the potential of the capacitor 53 rises as illustrated. When the mechanical shutter MS is closed and the exposure period is ended, a signal corresponding to the electrons accumulated in the capacitor 53 is output by the source follower circuit, and supply of the reset voltage to the reset transistor 63 is started. Is continuously supplied for the predetermined period. The electrons in the capacitor 53 are swept away to the reset drain power supply 64 when the reset voltage starts to be supplied, and the afterimage charge moved to the lower electrode 56 after the exposure period is also swept away to the reset drain power supply 64. Further, while the reset voltage is supplied, the potential of the capacitor 53 maintains the state immediately after the reset. After the fixed period has elapsed, the supply of the reset voltage is stopped. At this time, the afterimage charge hardly moves to the capacitor 53, and therefore the potential of the capacitor 53 hardly fluctuates. Then, the next exposure period starts from that state.

本実施形態のデジタルカメラによれば、露光期間終了直後から上記一定期間リセット動作を継続して行うため、この期間におけるコンデンサ53の電位(下部電極56の電位に相当)をリセットドレイン電源64の電位に固定することができる。この期間は、コンデンサ53の電位が固定されるため、光電変換層57に加わるバイアス電圧は図7に示した駆動例の場合よりも高くなり、光電変換層57で発生する残像電荷の輸送性能が向上する。このため、残像電荷が光電変換層57外に排出されるまでの時間を図7に示した駆動例の場合よりも短くすることができる。本実施形態の場合は、光電変換層57に最適なバイアス電圧を印加した状態での光電変換層57内の残像電荷の減衰時定数に等しい上記一定期間、リセット動作を行えば良いことから、結果としてリセット動作を行う時間を図7の場合よりも短くすることができる。リセット動作にかかる時間を短縮できることで、次の露光時間の開始タイミングを速めることができ、露光時間を長くとることができる。   According to the digital camera of this embodiment, since the reset operation is continuously performed for a certain period immediately after the exposure period ends, the potential of the capacitor 53 (corresponding to the potential of the lower electrode 56) during this period is set to the potential of the reset drain power supply 64. Can be fixed to. During this period, since the potential of the capacitor 53 is fixed, the bias voltage applied to the photoelectric conversion layer 57 is higher than that in the driving example shown in FIG. 7, and the transport performance of the afterimage charge generated in the photoelectric conversion layer 57 is improved. improves. For this reason, the time until the afterimage charge is discharged out of the photoelectric conversion layer 57 can be made shorter than in the driving example shown in FIG. In the case of the present embodiment, the reset operation may be performed for the predetermined period equal to the decay time constant of the afterimage charge in the photoelectric conversion layer 57 in a state where an optimum bias voltage is applied to the photoelectric conversion layer 57. As a result, the time for performing the reset operation can be made shorter than in the case of FIG. Since the time required for the reset operation can be shortened, the start timing of the next exposure time can be accelerated and the exposure time can be increased.

このように、本実施形態のデジタルカメラによれば、残像電荷に起因する画質劣化を防ぐことができると共に、残像電荷がコンデンサ53に蓄積されたまま露光が開始されることによる光電変換層57のキャリア輸送効率の低下を防いで感度の向上を図ることができる。   As described above, according to the digital camera of the present embodiment, it is possible to prevent image quality deterioration due to the afterimage charge, and the photoelectric conversion layer 57 by starting exposure while the afterimage charge is accumulated in the capacitor 53. It is possible to improve the sensitivity by preventing a decrease in carrier transport efficiency.

尚、以上の説明では、撮像素子駆動部10が、露光期間終了時点から上記一定期間、リセット電圧をリセットトランジスタ63のゲート電極に印加することで、下部電極56の電位を一定に保つものとしたが、リセット電圧を印加するタイミングはこれに限らない。例えば、露光期間終了時点から次の露光開始時点までリセット電圧を印加し続けるようにしても良い。   In the above description, the imaging element driving unit 10 applies the reset voltage to the gate electrode of the reset transistor 63 for the certain period from the end of the exposure period, thereby keeping the potential of the lower electrode 56 constant. However, the timing for applying the reset voltage is not limited to this. For example, the reset voltage may be continuously applied from the end of the exposure period to the next exposure start time.

又、以上の説明では、メカニカルシャッタMSで露光期間を制御するものとしたが、メカニカルシャッタMSを搭載しないデジタルカメラにおいても、本発明を適用可能である。図1のデジタルカメラにおいてメカニカルシャッタMSを搭載しない場合は、図4に示した遮光状態の期間も撮像素子5に光が入射することになる。このため、この場合は、少なくとも露光期間開始の直前に、コンデンサ53に蓄積されている電子をリセットする必要がある。   In the above description, the exposure period is controlled by the mechanical shutter MS. However, the present invention can also be applied to a digital camera not equipped with the mechanical shutter MS. When the mechanical shutter MS is not mounted in the digital camera of FIG. 1, light is incident on the image sensor 5 even during the light shielding period shown in FIG. 4. For this reason, in this case, it is necessary to reset the electrons accumulated in the capacitor 53 at least immediately before the start of the exposure period.

仮に、露光期間開始の直前で、リセット電圧を最低リセット期間だけ印加した場合(第1の場合とする)、このリセット電圧の印加前にコンデンサ53に蓄積されている電子によってキャリア輸送効率が低下しているため、露光期間開始時点において光電変換層57内には残像電荷が多く存在してしまう。   If the reset voltage is applied only for the minimum reset period immediately before the start of the exposure period (assumed to be the first case), the carrier transport efficiency is lowered by the electrons accumulated in the capacitor 53 before the application of the reset voltage. Therefore, a large amount of afterimage charge exists in the photoelectric conversion layer 57 at the start of the exposure period.

一方、露光期間開始の直前で、リセット電圧を最低リセット期間よりも長い期間(例えば、露光期間と露光期間の間の期間ずっと)印加した場合には、露光期間開始時点において光電変換層57内の残像電荷の量が第1の場合に比べて減少するため、第1の場合よりも画質を向上させることができる。このように、メカニカルシャッタを用いずに、リセット電圧を電子シャッタパルスとして用いて露光期間を制御する場合でも、リセット電圧を最低リセット期間よりも長い期間印加することで、画質向上を図ることができる。   On the other hand, immediately before the start of the exposure period, when the reset voltage is applied for a period longer than the minimum reset period (for example, the entire period between the exposure period and the exposure period), Since the amount of afterimage charge is reduced as compared with the first case, the image quality can be improved as compared with the first case. Thus, even when the exposure period is controlled using the reset voltage as an electronic shutter pulse without using the mechanical shutter, the image quality can be improved by applying the reset voltage for a period longer than the minimum reset period. .

(第二実施形態)
第一実施形態では、リセット電圧の印加時間を制御することで下部電極56の電位を一定に保つことを実現したが、本実施形態では、信号読み出し部54の回路構成を工夫することで、これを実現している。第二実施形態で説明するデジタルカメラの全体構成とそれに搭載される撮像素子構成は図1,2と同様であり、図2に示す信号読み出し部54の構成と撮像素子駆動部10の機能のみが異なるものとなっている。以下、この信号読み出し部54の第二実施形態における構成について説明する。
(Second embodiment)
In the first embodiment, it has been realized that the potential of the lower electrode 56 is kept constant by controlling the application time of the reset voltage. However, in the present embodiment, this is achieved by devising the circuit configuration of the signal readout unit 54. Is realized. The overall configuration of the digital camera described in the second embodiment and the configuration of the image sensor mounted thereon are the same as those shown in FIGS. 1 and 2, and only the configuration of the signal readout unit 54 and the function of the image sensor drive unit 10 shown in FIG. It is different. Hereinafter, the configuration of the signal reading unit 54 in the second embodiment will be described.

図5は、本発明の第二実施形態であるデジタルカメラに搭載される撮像素子の等価回路図である。図5において図2と同じ構成及び対応する構成には同一符号を付してある。
図5に示す撮像素子の信号読み出し部54は、リセットトランジスタ63と、リセットドレイン電源64と、特許請求の範囲の電極電位固定手段として機能する反転増幅器66とを備える。上部電極58には、バイアス電圧を供給するバイアス電源65が接続され、下部電極56は反転増幅器66の反転入力端子に接続されている。反転増幅器66の非反転入力端子はリセットドレイン電源64に接続されている。反転増幅器66の反転入力端子と出力端子との間にはn+層53に相当するコンデンサ53が接続され、コンデンサ53の両端にはリセットトランジスタ63が接続されている。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of an image sensor mounted on the digital camera according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same components as those in FIG.
5 includes a reset transistor 63, a reset drain power supply 64, and an inverting amplifier 66 functioning as an electrode potential fixing unit. A bias power supply 65 for supplying a bias voltage is connected to the upper electrode 58, and the lower electrode 56 is connected to the inverting input terminal of the inverting amplifier 66. A non-inverting input terminal of the inverting amplifier 66 is connected to the reset drain power supply 64. A capacitor 53 corresponding to the n + layer 53 is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the inverting amplifier 66, and a reset transistor 63 is connected to both ends of the capacitor 53.

リセットトランジスタ63は、コンデンサ53に蓄積された電子を半導体基板に掃き捨てるための電荷掃き捨て手段として機能し、図1の撮像素子駆動部10からゲート電極にリセット電圧が供給されることでオンとなり、コンデンサ53に蓄積された電子を掃き捨てる。本実施形態では、撮像素子駆動部10が、露光期間開始直前にリセット電圧を最低リセット期間だけ印加することで、蓄積電荷及び残像電荷のリセットを行うものとする。   The reset transistor 63 functions as charge sweeping means for sweeping electrons accumulated in the capacitor 53 to the semiconductor substrate, and is turned on when a reset voltage is supplied to the gate electrode from the image sensor driving unit 10 in FIG. The electrons accumulated in the capacitor 53 are swept away. In the present embodiment, it is assumed that the image sensor driving unit 10 resets the accumulated charge and the afterimage charge by applying a reset voltage for the minimum reset period immediately before the start of the exposure period.

このように構成された信号読み出し部54の動作を説明する。
光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積されると、この蓄積電子により、コンデンサ53の両端に電子量とコンデンサ容量に依存して電位差が発生する。反転増幅器66の反転入力端子と出力端子との間にコンデンサ53があるため、この電位差に応じた信号電圧が反転増幅器66で反転増幅されて撮像素子5外部へと出力される。信号出力後、露光期間開始直前にリセットトランジスタ63がオンになり、コンデンサ53に蓄積された電子はリセットされ、反転増幅器66の出力端子はリセットドレイン電源64の電位に落ち着く。下部電極56が反転増幅器66の反転入力端子に接続されているために、撮像素子5の動作期間中、下部電極56の電位はリセットドレイン電源64の電位に常に固定されている。
The operation of the signal reading unit 54 configured as described above will be described.
When electrons generated in the photoelectric conversion layer 57 are accumulated in the capacitor 53, a potential difference is generated by the accumulated electrons at both ends of the capacitor 53 depending on the amount of electrons and the capacitance of the capacitor. Since the capacitor 53 is between the inverting input terminal and the output terminal of the inverting amplifier 66, a signal voltage corresponding to this potential difference is inverted and amplified by the inverting amplifier 66 and output to the outside of the image sensor 5. After the signal output, the reset transistor 63 is turned on immediately before the start of the exposure period, the electrons accumulated in the capacitor 53 are reset, and the output terminal of the inverting amplifier 66 settles at the potential of the reset drain power supply 64. Since the lower electrode 56 is connected to the inverting input terminal of the inverting amplifier 66, the potential of the lower electrode 56 is always fixed to the potential of the reset drain power supply 64 during the operation period of the imaging device 5.

信号読み出し部54を図5に示すような回路構成にすることで、下部電極56の電位をリセットドレイン電源64から供給される固定電位に常に保つことができる。このため、リセット電圧の制御を工夫することなく、残像電荷に起因する画質劣化及び感度低下を防ぐことができる。又、リセット動作をすべき期間が最低リセット期間だけで済むため、露光時間の延長も可能となる。又、光電変換層57には常に最適なバイアス電圧が加わることになるため、キャリア輸送効率を常に最大にすることができ、更なる感度向上を実現することができる。   By making the signal reading unit 54 have a circuit configuration as shown in FIG. 5, the potential of the lower electrode 56 can always be kept at a fixed potential supplied from the reset drain power supply 64. For this reason, it is possible to prevent deterioration in image quality and sensitivity due to afterimage charges without devising control of the reset voltage. Further, since the period for performing the reset operation is only the minimum reset period, the exposure time can be extended. Further, since an optimal bias voltage is always applied to the photoelectric conversion layer 57, the carrier transport efficiency can always be maximized, and further sensitivity improvement can be realized.

(第三実施形態)
図6は、本発明の第三実施形態であるデジタルカメラに搭載される撮像素子の等価回路図である。図6において図5と同じ構成及び対応する構成には同一符号を付してある。
図6に示す撮像素子は、図5に示した撮像素子の反転増幅器66の反転入力端子と出力端子の間に、コンデンサ53に対して並列にコンデンサ70とスイッチ71で構成される直列回路を設けた構成となっている。スイッチ71は、一端が反転増幅器66の反転入力端子に接続され、他端がコンデンサ70の一端に接続されている。コンデンサ70の他端には反転増幅器66の出力端子が接続されている。
(Third embodiment)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of an image sensor mounted on the digital camera according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those in FIG.
6 is provided with a series circuit including a capacitor 70 and a switch 71 in parallel with the capacitor 53 between the inverting input terminal and the output terminal of the inverting amplifier 66 of the imaging element shown in FIG. It becomes the composition. The switch 71 has one end connected to the inverting input terminal of the inverting amplifier 66 and the other end connected to one end of the capacitor 70. The other end of the capacitor 70 is connected to the output terminal of the inverting amplifier 66.

デジタルカメラのシステム制御部11は、本撮影(被写体を撮影して撮影画像データを記録媒体21に記録するための撮影)の前に行われる事前撮影(オートフォーカス機能を実行したり、露出条件を決定したりするための撮影)によってコンデンサ53に蓄積された電荷がコンデンサ53の容量を超えているか否かを判断し、超えている場合にのみ、撮像素子駆動部10を介してスイッチ71をオンにして反転増幅器66の反転入力端子とコンデンサ70とを接続する制御を行う。   The system control unit 11 of the digital camera performs pre-shooting (autofocus function is performed or exposure conditions are set) before the main shooting (shooting for shooting the subject and recording the shot image data on the recording medium 21). Whether or not the electric charge accumulated in the capacitor 53 exceeds the capacity of the capacitor 53, and only when it exceeds, the switch 71 is turned on via the image sensor driving unit 10. Thus, control for connecting the inverting input terminal of the inverting amplifier 66 and the capacitor 70 is performed.

以下、図6に示した撮像素子を搭載するデジタルカメラの動作を説明する。図7は、第三実施形態のデジタルカメラの動作フローを説明するための図である。
撮影モードに設定され、ユーザによって事前撮影が指示されると(ステップS1)、システム制御部11は撮像素子駆動部10を介してスイッチ71をオフの状態とし(ステップS2)、この指示に応じて事前撮影を実行するための制御を行う(ステップS3)。事前撮影が行われると、光電変換層57で発生した電子がコンデンサ53に蓄積される。そして、システム制御部11が、撮像素子5の全画素のうち、事前撮影によってコンデンサ53に蓄積された電荷がコンデンサ53の容量を超えた画素があるか否かを判定し(ステップS4)、蓄積電荷量がコンデン53の容量を超えてしまう画素があった場合にのみ(ステップS4:YES)、スイッチ71をオンにする制御を行う(ステップS5)。
The operation of the digital camera equipped with the image sensor shown in FIG. 6 will be described below. FIG. 7 is a diagram for explaining an operation flow of the digital camera of the third embodiment.
When the photographing mode is set and the user instructs to pre-shoot (step S1), the system control unit 11 turns off the switch 71 via the image sensor driving unit 10 (step S2), and responds to this instruction. Control for executing pre-shooting is performed (step S3). When pre-shooting is performed, electrons generated in the photoelectric conversion layer 57 are accumulated in the capacitor 53. Then, the system control unit 11 determines whether or not there is a pixel in which the charge accumulated in the capacitor 53 by pre-shooting exceeds the capacity of the capacitor 53 among all the pixels of the image sensor 5 (step S4). Only when there is a pixel whose charge amount exceeds the capacity of the condenser 53 (step S4: YES), a control to turn on the switch 71 is performed (step S5).

システム制御部11は、例えば、反転増幅器66から出力される信号レベルが、コンデンサ53の容量と同じだけの電荷がコンデンサ53に蓄積されたときに出力される信号レベルに達している場合に、コンデンサ53に蓄積された電荷がコンデンサ53の容量を超えた画素があると判定する。   For example, when the signal level output from the inverting amplifier 66 reaches the signal level output when the same amount of charge as the capacitance of the capacitor 53 is accumulated in the capacitor 53, the system control unit 11 It is determined that there is a pixel in which the charge accumulated in 53 exceeds the capacity of the capacitor 53.

この後、ユーザによって本撮影が指示されると、この指示に応じて本撮影が行われ(ステップS6)、光電変換層57で発生した電子が、コンデンサ53とコンデンサ70とに蓄積され、蓄積された電子に応じた信号が反転増幅器66の出力端子から出力され、出力された信号から得られた撮影画像データが記録媒体21に記録される。本撮影終了後、コンデンサ53とコンデンサ70に蓄積された電荷については、スイッチ71をオンにした状態でリセットトランジスタ63をオンにすることで同時にリセットする。デジタルカメラは、事前撮影指示が行われるたびに、このような動作を行う。   Thereafter, when the user instructs the main photographing, the main photographing is performed according to the instruction (step S6), and the electrons generated in the photoelectric conversion layer 57 are accumulated in the capacitor 53 and the capacitor 70 and accumulated. A signal corresponding to the received electron is output from the output terminal of the inverting amplifier 66, and photographed image data obtained from the output signal is recorded on the recording medium 21. After the main photographing is completed, the charges accumulated in the capacitor 53 and the capacitor 70 are simultaneously reset by turning on the reset transistor 63 with the switch 71 turned on. The digital camera performs such an operation every time a pre-shooting instruction is given.

スイッチ71がオンの状態では、光電変換層57で発生した電荷の蓄積先が、コンデンサ53とコンデンサ70の2つとなり、蓄積することのできる電荷容量が、コンデンサ53の容量とコンデンサ70の容量の合計まで増大する。このため、ダイナミックレンジを拡大した撮影が可能となる。   In the state in which the switch 71 is on, there are two storage destinations for the charge generated in the photoelectric conversion layer 57, the capacitor 53 and the capacitor 70, and the charge capacity that can be stored is the capacity of the capacitor 53 and the capacity of the capacitor 70. Increase to total. For this reason, it is possible to perform shooting with an expanded dynamic range.

このように、本実施形態のデジタルカメラによれば、事前撮影によって、スイッチ71をオンにして広ダイナミックレンジ撮影を行うのか、それともスイッチ71をオフにしたまま通常のダイナミックレンジ撮影を行うのかを判断し、どちらかを選択して実行することができるため、被写体に応じて最適な撮影モードで撮影を行うことが可能となる。   As described above, according to the digital camera of the present embodiment, whether to perform wide dynamic range shooting with the switch 71 turned on or normal dynamic range shooting with the switch 71 turned off is determined by pre-shooting. Since either one can be selected and executed, it is possible to perform shooting in an optimal shooting mode according to the subject.

尚、第一実施形態及び第二実施形態では、電荷蓄積部53に下部電極56を電気的に接続する構成としたが、電荷蓄積部53に上部電極58を電気的に接続する構成としても良い。この場合は、下部電極56に正孔が移動し、上部電極58に電子が移動するように、下部電極56にバイアス電圧を印加しておけば良い。   In the first embodiment and the second embodiment, the lower electrode 56 is electrically connected to the charge storage unit 53. However, the upper electrode 58 may be electrically connected to the charge storage unit 53. . In this case, a bias voltage may be applied to the lower electrode 56 so that holes move to the lower electrode 56 and electrons move to the upper electrode 58.

又、第一実施形態及び第二実施形態では、撮像素子5の外部に出力する信号を生成するためのキャリアとして電子を用いているが、これは正孔を用いても良い。この場合は、図2において、下部電極56に正孔が移動し、上部電極58に電子が移動するように、上部電極58にバイアス電圧を印加する構成とすれば良い。   In the first embodiment and the second embodiment, electrons are used as carriers for generating a signal to be output to the outside of the image sensor 5, but holes may be used. In this case, in FIG. 2, a bias voltage may be applied to the upper electrode 58 so that holes move to the lower electrode 56 and electrons move to the upper electrode 58.

又、第一実施形態及び第二実施形態では、撮像素子5の1画素として、半導体基板上方に光電変換層57が1つ積層された構造を例にしたが、本発明は、半導体基板上方に少なくとも1つの光電変換層が積層され、この光電変換層と電荷蓄積部が電気的に接続される構造の場合に有効であり、図2に示した構成に限定されるものではない。   Further, in the first embodiment and the second embodiment, the structure in which one photoelectric conversion layer 57 is stacked above the semiconductor substrate as one pixel of the image sensor 5 is described as an example. This is effective in a structure in which at least one photoelectric conversion layer is laminated and this photoelectric conversion layer and the charge storage portion are electrically connected, and is not limited to the configuration shown in FIG.

本発明の第一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図The figure which shows schematic structure of the digital camera which is an example of the imaging device for demonstrating 1st embodiment of this invention. 第一実施形態の撮像素子の1画素分の断面模式図Cross-sectional schematic diagram of one pixel of the image sensor of the first embodiment 第一実施形態の撮像素子の等価回路図Equivalent circuit diagram of the image sensor of the first embodiment 第一実施形態の撮像素子のリセット動作を説明するタイミングチャートTiming chart explaining reset operation of image pickup device of first embodiment 第二実施形態の撮像素子の等価回路図Equivalent circuit diagram of image sensor of second embodiment 本発明の第三実施形態であるデジタルカメラに搭載される撮像素子の等価回路図The equivalent circuit diagram of the image sensor mounted in the digital camera which is 3rd embodiment of this invention 第三実施形態のデジタルカメラの動作フローを説明するための図The figure for demonstrating the operation | movement flow of the digital camera of 3rd embodiment. 積層型撮像素子のリセット動作を説明するタイミングチャートTiming chart explaining the reset operation of the multilayer image sensor 積層型撮像素子のリセットを複数回行う場合の動作を説明するタイミングチャートTiming chart explaining the operation when the stacked image sensor is reset multiple times

符号の説明Explanation of symbols

5 撮像素子
10 撮像素子駆動部
53 電荷蓄積部(コンデンサ)
54 信号読み出し部
55 ビアプラグ
56 下部電極
57 光電変換層
58 上部電極
62 ソースフォロアの初段トランジスタ
63 リセットトランジスタ
64 リセットドレイン電源
65 バイアス電源
66 反転増幅器
5 Image sensor 10 Image sensor drive unit 53 Charge storage unit (capacitor)
54 signal readout section 55 via plug 56 lower electrode 57 photoelectric conversion layer 58 upper electrode 62 source follower first stage transistor 63 reset transistor 64 reset drain power supply 65 bias power supply 66 inverting amplifier

Claims (6)

半導体基板上方に積層された光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を蓄積する前記半導体基板内に形成された電荷蓄積部とを含み、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に応じた信号を外部に出力する撮像素子を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子が、前記半導体基板上方に形成された下部電極と、前記下部電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された上部電極とを含み、
前記電荷蓄積部は前記下部電極又は前記上部電極と電気的に接続されており、
前記電荷蓄積部に蓄積されている電荷を掃き捨てる電荷掃き捨て手段と、
前記撮像素子の露光期間が終了してから次の露光期間が開始されるまでの期間のうちの連続した少なくとも一定期間、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極の電位を一定に保つ電極電位固定手段とを備え、
前記一定期間が、前記電荷蓄積部に蓄積可能な最大量の電荷が前記電荷蓄積部に蓄積された状態で前記電荷掃き捨て手段によって前記最大量の電荷を掃き捨てるために最低限必要な時間よりも長い時間である撮像装置。
A photoelectric conversion element stacked above the semiconductor substrate; and a charge storage unit formed in the semiconductor substrate for storing the charge generated in the photoelectric conversion element, according to the charge stored in the charge storage unit An image pickup apparatus having an image pickup device for outputting a signal to the outside,
The photoelectric conversion element includes a lower electrode formed above the semiconductor substrate, a photoelectric conversion layer formed above the lower electrode, and an upper electrode formed above the photoelectric conversion layer,
The charge storage portion is electrically connected to the lower electrode or the upper electrode;
A charge sweeping means for sweeping away the charge accumulated in the charge accumulation unit;
The potential of the lower electrode or the upper electrode connected to the charge storage unit is kept constant for at least a certain continuous period of time from the end of the exposure period of the image sensor to the start of the next exposure period. Electrode potential fixing means to maintain,
The predetermined period is less than the minimum time required for sweeping away the maximum amount of charge by the charge sweeping means in a state where the maximum amount of charge that can be accumulated in the charge accumulation unit is accumulated in the charge accumulation unit. An imaging device that is a long time.
請求項1記載の撮像装置であって、
露光期間と露光期間の間に前記撮像素子を遮光する遮光手段を備え、
前記一定期間が、前記露光期間終了時点から開始されるものであり、且つ、前記露光期間終了時点で前記光電変換層内に存在する残像電荷が前記光電変換層に前記露光期間の開始時点と同じバイアス電圧を印加した状態で前記光電変換層外部に排出されるときの前記光電変換層内の前記残像電荷の減衰時定数に等しい時間である撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
A light shielding means for shielding the image sensor between an exposure period and an exposure period;
The fixed period is started from the end of the exposure period, and the afterimage charge existing in the photoelectric conversion layer at the end of the exposure period is the same as the start time of the exposure period in the photoelectric conversion layer. An imaging apparatus having a time equal to a decay time constant of the afterimage charge in the photoelectric conversion layer when the bias voltage is applied and discharged to the outside of the photoelectric conversion layer.
請求項1又は2記載の撮像装置であって、
前記電荷掃き捨て手段がリセットトランジスタであり、
前記電極電位固定手段は、前記リセットトランジスタのゲート電極にリセット電圧を前記一定期間印加することで前記電位を一定に保つ撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1 or 2,
The charge sweeping means is a reset transistor;
The image pickup apparatus, wherein the electrode potential fixing means keeps the potential constant by applying a reset voltage to the gate electrode of the reset transistor for the certain period.
請求項1記載の撮像装置であって、
前記電極電位固定手段が、前記撮像素子を等価回路で表したときに、前記電荷蓄積部に接続された前記下部電極又は前記上部電極に反転入力端子が接続され、固定電位に非反転入力端子が接続され、前記反転入力端子と出力端子との間に前記電荷蓄積部に相当するコンデンサが接続された差動増幅器であって、前記撮像素子の動作期間中前記電位を常に前記固定電位に保つものである撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1,
When the electrode potential fixing means represents the imaging device in an equivalent circuit, an inverting input terminal is connected to the lower electrode or the upper electrode connected to the charge storage unit, and a non-inverting input terminal is connected to the fixed potential. A differential amplifier connected and connected between the inverting input terminal and the output terminal, the capacitor corresponding to the charge storage unit, wherein the potential is always kept at the fixed potential during the operation period of the imaging device An imaging device.
請求項4記載の撮像装置であって、
前記反転入力端子と前記出力端子との間に、前記コンデンサに対して並列に接続された直列回路を備え、
前記直列回路は、前記反転入力端子に接続されるスイッチと、前記スイッチに接続される別のコンデンサとで構成される撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 4,
A series circuit connected in parallel to the capacitor is provided between the inverting input terminal and the output terminal,
The series circuit is an imaging apparatus including a switch connected to the inverting input terminal and another capacitor connected to the switch.
請求項5記載の撮像装置であって、
本撮影の前に行われる事前撮影によって前記コンデンサに蓄積された電荷が当該コンデンサの容量を超えた場合にのみ、前記スイッチをオンにして前記反転入力端子と前記別のコンデンサとを接続する制御を行うスイッチ制御手段を備える撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 5, wherein
Control to turn on the switch and connect the inverting input terminal and the other capacitor only when the electric charge accumulated in the capacitor by the pre-photographing performed before the main photographing exceeds the capacity of the capacitor. An imaging apparatus comprising switch control means for performing.
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