JP2019140637A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制しうる撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換により電荷を生じる光電変換部と、光電変換部の電荷を第１の保持部に転送する第１の転送トランジスタと、第１の保持部の電荷を第２の保持部に転送する第２の転送トランジスタと、第２の保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、第１の転送トランジスタは、オン状態のときに、光電変換部と第１の保持部との間に、電荷に対するポテンシャル井戸を形成するように構成されており、１回の露光期間の間に光電変換部で生成される最大の電荷量ＱＰＤ、第１の保持部の飽和電荷量ＱＭＥＭ＿ＳＡＴ、ポテンシャル井戸に保持できる最大の電荷量ＱＧＳは、ＱＰＤ＜ＱＧＳ≦ＱＭＥＭ＿ＳＡＴの関係にある。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

近年、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、グローバル電子シャッタ動作により撮像を行うことが提案されている。グローバル電子シャッタ動作は、複数の画素の間で露光期間が一致するように撮像を行う駆動方法であり、動きの速い被写体を撮影する場合でも被写体像がゆがみにくいという利点がある。特許文献１には、グローバル電子シャッタの機能を実現するための構成として、画素内に光電変換部及び浮遊拡散部とは別に電荷保持部を設けた撮像装置が開示されている。

画素内に電荷保持部を設けてグローバル電子シャッタの機能を実現する構成は、光電変換部から転送トランジスタを経て電荷保持部へと信号電荷を転送する過程で種々の課題を生じ得る。例えば、光電変換部で生成された信号電荷を電荷保持部へ転送する際、転送トランジスタをオン状態からオフ状態に戻す過程において、信号電荷の一部が光電変換部に戻る現象が生じることがある。このような点に鑑み、特許文献１では、転送トランジスタのゲート電極下の光電変換部側から電荷保持部側に至る部分に、光電変換部側に肩部をなすようにポテンシャル段差を設け、光電変換部側への信号電荷の戻りを抑制している。

国際公開第２０１１／０４３４３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、光電変換部から電荷保持部に至る部分の構成や撮像装置の駆動態様によっては、必ずしも光電変換部側への電荷戻りを抑制するに十分ではなかった。

本発明の目的は、光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制しうる撮像装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部の電荷を第１の保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記第１の保持部の電荷を第２の保持部に転送する第２の転送トランジスタと、前記第２の保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、前記第１の転送トランジスタは、オン状態のときに、前記光電変換部と前記第１の保持部との間に、前記電荷に対するポテンシャル井戸を形成するように構成されており、１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成される最大の電荷量Ｑ_ＰＤ、前記第１の保持部の飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}、前記ポテンシャル井戸に保持できる最大の電荷量Ｑ_ＧＳは、Ｑ_ＰＤ ＜ Ｑ_ＧＳ ≦ Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}の関係にある撮像装置が提供される。

本発明によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制し、リニアリティ特性の良好な高品質の画像を取得することができる。

本発明の第１実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の構造を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による撮像装置における電荷転送時のポテンシャル図である。 参考例による撮像装置における電荷転送時のポテンシャル図である。 本発明の第２実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。 本発明の第２実施形態による電荷転送時のポテンシャル図である。 本発明の第３実施形態による撮像装置の画素の構造を示す平面図である。 本発明の第３実施形態による撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態による電荷転送時のポテンシャル図である。 本発明の第４実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による撮像装置について、図１乃至図６を用いて説明する。

図１は、本実施形態による撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態による撮像装置の画素の構成例を示す回路図である。図３は、本実施形態による撮像装置の画素の構造を示す平面図である。図４は、本実施形態による撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。図５は、本実施形態による撮像装置における電荷転送時のポテンシャル図である。図６は、参考例による撮像装置における電荷転送時のポテンシャル図である。

本実施形態による撮像装置２００は、図１に示すように、画素領域１０と、垂直走査回路２０と、読み出し回路３０と、水平走査回路４０と、出力回路５０と、制御回路６０とを有している。

画素領域１０には、複数行及び複数列に渡ってマトリクス状に配された複数の画素１２が設けられている。それぞれの画素１２は、入射光をその光量に応じた電荷に変換する光電変換素子を含む。画素領域１０に配される画素アレイの行数及び列数は、特に限定されるものではない。また、画素領域１０には、入射光の光量に応じた信号を出力する画素１２のほかに、遮光されたオプティカルブラック画素や信号を出力しないダミー画素等の他の画素（図示せず）が配置されていてもよい。

画素領域１０の画素アレイの各行には、第１の方向（図１においてＸ方向）に延在して、制御信号線１４が配されている。制御信号線１４は、第１の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。制御信号線１４の延在する第１の方向は、行方向或いは水平方向と表記することがある。各行の制御信号線１４は、垂直走査回路２０に接続されている。

画素領域１０の画素アレイの各列には、第１の方向と交差する第２の方向（図１においてＹ方向）に延在して、垂直出力線１６が配されている。垂直出力線１６は、第２の方向に並ぶ画素１２にそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。垂直出力線１６の延在する第２の方向は、列方向或いは垂直方向と表記することがある。各列の垂直出力線１６は、読み出し回路３０に接続されている。

垂直走査回路２０は、それぞれの画素１２から信号を読み出す際に画素１２内の読み出し回路３０を駆動するための制御信号を、画素アレイの行毎に設けられた制御信号線１４を介して画素１２に供給する制御部である。垂直走査回路２０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。画素１２から読み出された信号は、画素アレイの列毎に設けられた垂直出力線１６を介して読み出し回路３０に入力される。

読み出し回路３０は、画素１２から読み出された信号に対して所定の処理、例えば、増幅処理や加算処理等の信号処理を実施する回路部である。読み出し回路３０は、信号保持部、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等を含み得る。読み出し回路３０は、必要に応じてＡ／Ｄ変換回路等を更に含んでもよい。

水平走査回路４０は、読み出し回路３０において処理された信号を列毎に順次、出力回路５０に転送するための制御信号を、読み出し回路３０に供給する回路部である。水平走査回路４０は、シフトレジスタやアドレスデコーダを用いて構成することができる。出力回路５０は、バッファアンプや差動増幅器などから構成され、水平走査回路４０によって選択された列の信号を増幅して出力するための回路部である。

制御回路６０は、垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に、それらの動作やタイミングを制御する制御信号を供給するための回路部である。垂直走査回路２０、読み出し回路３０及び水平走査回路４０に供給する制御信号の一部又は総ては、撮像装置２００の外部から供給してもよい。

図２は、画素領域１０を構成する画素回路の一例を示す回路図である。図２には、画素領域１０を構成する画素１２のうち、３行×３列に配列された９個の画素１２を示しているが、画素領域１０を構成する画素１２の数は、特に限定されるものではない。

複数の画素１２の各々は、光電変換部ＰＤと、転送トランジスタＭ１，Ｍ２と、リセットトランジスタＭ３と、ソースフォロワトランジスタＭ４と、選択トランジスタＭ５と、オーバーフロートランジスタＭ６と、を含む。

光電変換部ＰＤは、光電変換素子、例えばフォトダイオードにより構成される。光電変換部ＰＤのフォトダイオードは、アノードが接地ノードに接続され、カソードが転送トランジスタＭ１のソース及びオーバーフロートランジスタＭ６のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインは、転送トランジスタＭ２のソースに接続されている。転送トランジスタＭ１のドレインと転送トランジスタＭ２のソースとの接続ノードは、容量成分を含み、電荷の保持部（保持部ＭＥＭ）としての機能を備える。図２には、この容量成分を、当該ノードに一方の端子が接続された容量素子Ｃ１で表現している。容量素子Ｃ１の他方の端子は、接地ノードに接続されている。

転送トランジスタＭ２のドレインは、リセットトランジスタＭ３のソース及びソースフォロワトランジスタＭ４のゲートに接続されている。転送トランジスタＭ２のドレイン、リセットトランジスタＭ３のソース及びソースフォロワトランジスタＭ４のゲートの接続ノードは、いわゆる浮遊拡散（フローティングディフュージョン）部ＦＤである。浮遊拡散部ＦＤ部は、容量成分（浮遊拡散容量）を含み、電荷の保持部としての機能を備える。図２には、この容量成分を、浮遊拡散部ＦＤに一方の端子が接続された容量素子Ｃ２で表現している。容量素子Ｃ２の他方の端子は、接地ノードに接続されている。

リセットトランジスタＭ３のドレイン及びソースフォロワトランジスタＭ４のドレインは、電源電圧線（電圧ＶＤＤ）に接続されている。また、オーバーフロートランジスタＭ６のドレインは、オーバーフロードレインＯＦＤとして機能する電源電圧線（電圧ＶＯＦＤ）に接続されている。なお、リセットトランジスタＭ３のドレインに供給される電圧、ソースフォロワトランジスタＭ４のドレインに供給される電圧、オーバーフロートランジスタＭ６のドレインに供給される電圧は、何れか２つ又は３つが同じでもよいし、総てが異なっていてもよい。ソースフォロワトランジスタＭ４のソースは、選択トランジスタＭ５のドレインに接続されている。選択トランジスタＭ５のソースは、垂直出力線１６に接続されている。

図２の画素構成の場合、画素領域１０に配されたそれぞれの制御信号線１４は、信号線ＴＸ１，ＴＸ２，ＲＥＳ，ＳＥＬ，ＯＦＧを含む。信号線ＴＸ１は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ１のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。信号線ＴＸ２は、対応する行に属する画素１２の転送トランジスタＭ２のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。信号線ＲＥＳは、対応する行に属する画素１２のリセットトランジスタＭ３のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。信号線ＳＥＬは、対応する行に属する画素１２の選択トランジスタＭ５のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。信号線ＯＦＧは、対応する行に属する画素１２のオーバーフロートランジスタＭ６のゲートにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、図２には、各制御線の名称に、対応する行番号をそれぞれ付記している（例えば、ＴＸ１（ｎ），ＴＸ１（ｎ＋１），ＴＸ１（ｎ＋２））。

信号線ＴＸ１には、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ１を制御するための駆動パルスである制御信号が出力される。信号線ＴＸ２には、垂直走査回路２０から、転送トランジスタＭ２を制御するための駆動パルスである制御信号が出力される。信号線ＲＥＳには、垂直走査回路２０から、リセットトランジスタＭ３を制御するための駆動パルスである制御信号が出力される。信号線ＳＥＬには、垂直走査回路２０から、選択トランジスタＭ５を制御するための駆動パルスである制御信号が出力される。信号線ＯＦＧには、垂直走査回路２０から、オーバーフロートランジスタＭ６を制御するための駆動パルスである制御信号が出力される。各トランジスタがＮ型トランジスタで構成される場合、垂直走査回路２０からハイレベル（以下、「Ｈｉレベル」と表記する）の制御信号が供給されると対応するトランジスタがオンとなる。また、垂直走査回路２０からローレベル（以下、「Ｌｏレベル」と表記する）の制御信号が供給されると対応するトランジスタがオフとなる。

画素領域１０の各列に配された垂直出力線１６は、列方向に並ぶ画素１２の選択トランジスタＭ５のソースにそれぞれ接続され、これら画素１２に共通の信号線をなしている。なお、画素１２の選択トランジスタＭ５は、省略してもよい。この場合、垂直出力線１６は、ソースフォロワトランジスタＭ４のソースに接続される。

図２に示す回路構成の画素アレイは、例えば図３に示す平面レイアウトによって実現することができる。図３において点線で囲まれた領域（以下、「単位画素領域」と呼ぶ）が、概ね１つの画素１２に対応する。この単位画素領域が行方向及び列方向に沿って繰り返し配列されることにより、画素領域１０の画素アレイが構成される。

各単位画素領域内には、素子分離絶縁領域１０２により、略Ｕ字状の活性領域１０４が画定されている。活性領域１０４の上には、各トランジスタのゲート電極が配されている。図３において、ゲート電極ＴＸ１が転送トランジスタＭ１のゲート電極であり、ゲート電極ＴＸ２が転送トランジスタＭ２のゲート電極であり、ゲート電極ＲＥＳがリセットトランジスタＭ３のゲート電極である。また、ゲート電極ＳＦＧがソースフォロワトランジスタＭ４のゲート電極であり、ゲート電極ＳＥＬが選択トランジスタＭ５のゲート電極であり、ゲート電極ＯＦＧがオーバーフロートランジスタＭ６のゲート電極である。

図３において、ゲート電極ＴＸ１とゲート電極ＯＦＧとの間の活性領域１０４に、光電変換部ＰＤが配される。ゲート電極ＴＸ１とゲート電極ＴＸ２との間の活性領域１０４に、保持部ＭＥＭが配される。ゲート電極ＴＸ２とゲート電極ＲＥＳとの間の活性領域１０４に、浮遊拡散部ＦＤが配される。行方向（Ｘ方向）に隣接する画素１２の活性領域１０４は、光電変換部ＰＤと電源電圧線ＶＤＤへの接続部（リセットトランジスタＭ３及びソースフォロワトランジスタＭ４のドレイン領域）との間で接続されている。オーバーフロートランジスタＭ６のゲート電極ＯＦＧは、この接続部上に配されている。保持部ＭＥＭの上方には、遮光層１３０が設けられている。

図４は、図３のＡ−Ａ′線に沿った概略断面図である。ここでは、光電変換部ＰＤが生成する信号電荷が電子である場合を想定し、各半導体領域の導電型を説明する。信号電荷が電子の場合、画素１２の各トランジスタはＮ型トランジスタにより構成され得る。なお、光電変換部ＰＤが生成する信号電荷は正孔であってもよい。この場合、各半導体領域は反対の導電型となり、画素１２の各トランジスタはＰ型トランジスタにより構成され得る。

光電変換部ＰＤは、半導体基板１００の表面部に設けられたｐ型半導体領域１０６と、ｐ型半導体領域１０６の底部に接して設けられたｎ型半導体領域１０８と、ｎ型半導体領域１０８の底部に接して設けられたｎ型半導体領域１１０と、を含む。ｎ型半導体領域１０８は、入射光により生成された電子・正孔対のうち、信号電荷となる電子を蓄積する蓄積層として機能する。ｐ型半導体領域１０６は、半導体基板１００の表面部に設けられており、ｎ型半導体領域１０８との間にｐｎ接合を形成している。すなわち、光電変換部ＰＤは、表面保護層として機能するｐ型半導体領域１０６によって界面ノイズを抑制するように構成された埋め込みダイオード構造を有する。ｎ型半導体領域１１０は、ｎ型半導体領域１０８よりも低濃度のｎ型領域となっており、半導体基板１００の深い位置で生成された電子を収集する役割を担う。なお、ｎ型半導体領域１１０の代わりにｐ型半導体領域を配置するようにしてもよい。ｎ型半導体領域１１０の代わりにｐ型半導体領域を配置する場合、半導体基板１００の深い位置で生成された電子を収集するのにやや不利な点もあるが、動作上の不都合はない。

光電変換部ＰＤよりも深部の半導体基板１００内には、ポテンシャルバリアとして機能するｐ型半導体領域１１２が設けられている。これにより光電変換部ＰＤは、より深部の半導体基板１００のｎ型半導体領域１１４から電気的に分離されている。ｐ型半導体領域１１２は、光電変換に起因しない不要な電荷がｎ型半導体領域１１４から光電変換部ＰＤに混入するのを防止する効果がある。なお、ｎ型半導体領域１１４は、一例では、ｎ型の半導体基板１００のうち、イオン注入等によって意図的に不純物を導入していない部分が該当する。

保持部ＭＥＭは、半導体基板１００の表面部に設けられたｐ型半導体領域１１６と、ｐ型半導体領域１１６の底部に接して設けられたｎ型半導体領域１１８と、を含む。ｎ型半導体領域１１８は、信号電荷を保持する保持層として機能する。ｐ型半導体領域１１６は、半導体基板１００の表面部に設けられており、ｎ型半導体領域１１８との間にｐｎ接合を形成している。すなわち、保持部ＭＥＭは、光電変換部ＰＤと同様、表面保護層として機能するｐ型半導体領域１１６によって界面ノイズを抑制するように構成された埋め込みダイオード構造を有する。ｎ型半導体領域１１８におけるｎ型不純物の濃度は、光電変換部ＰＤのｎ型半導体領域１０８におけるｎ型不純物の濃度よりも高くなっている。

保持部ＭＥＭよりも深部には、ｎ型半導体領域１１８に接して、空乏化抑制部として機能するｐ型半導体領域１２０が設けられている。ｐ型半導体領域１２０には、ｎ型半導体領域１１８を完全空乏状態として保持部ＭＥＭから浮遊拡散部ＦＤに信号電荷を読み出す際に、転送トランジスタＭ２のゲート電極ＴＸ２に印加する電圧を低下できるという効果がある。ｐ型半導体領域１２０が高濃度であるほど、より低い電圧での電荷転送が可能である。

保持部ＭＥＭ及びｐ型半導体領域１２０は、Ｐウェル１２２内に設けられている。図４では、Ｐウェル１２２が複数回の不純物注入により構成されていることを視覚的に示すためにＰウェル１２２を複数のｐ型半導体領域１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ，１２２ｅにより表しているが、機能的には全体で１つのｐ型半導体領域である。ｐ型半導体領域１２０の下部におけるＰウェル１２２の不純物濃度をｐ型半導体領域１２０よりも低濃度にすることにより、ｐ型半導体領域１２０よりも深くに存在する不要な電荷が保持部ＭＥＭに混入するのを効果的に抑制することができる。なお、ｐ型半導体領域１１２は、Ｐウェル１２２の一部であるともいえる。Ｐウェル１２２は、必ずしも複数回の不純物注入で形成されている必要はなく、また、Ｐウェル１２２を形成するために行う不純物中の回数も図示する例に限定されるものではない。

Ｐウェル１２２（ｐ型半導体領域１２２ａ）には、保持部ＭＥＭのｎ型半導体領域１１８から離間して、浮遊拡散部ＦＤとして機能するｎ型半導体領域１２４が設けられている。また、Ｐウェル１２２（ｐ型半導体領域１２２ａ）には、光電変換部ＰＤのｎ型半導体領域１０８から離間して、オーバーフロードレインとして機能するｎ型半導体領域１２６が設けられている。

光電変換部ＰＤと保持部ＭＥＭとの間の半導体基板１００の上方には、不図示のゲート絶縁膜を介して、ゲート電極ＴＸ１が設けられている。これにより、ゲート電極ＴＸ１をゲート、ｎ型半導体領域１０８をソース、ｎ型半導体領域１１８をドレインとする転送トランジスタＭ１が構成されている。ｎ型半導体領域１０８は、電荷転送を容易にするために、ゲート電極ＴＸ１の下まで延在している。すなわち、ｎ型半導体領域１０８とゲート電極ＴＸ１とは、平面視において重なる領域を含む。

保持部ＭＥＭとｎ型半導体領域１２４との間の半導体基板１００の上方には、不図示のゲート絶縁膜を介して、ゲート電極ＴＸ２が設けられている。これにより、ゲート電極ＴＸ２をゲート、ｎ型半導体領域１１８をソース、ｎ型半導体領域１２４をドレインとする転送トランジスタＭ２が構成されている。ｎ型半導体領域１１８は、電荷転送を容易にするために、ゲート電極ＴＸ１の下まで延在している。すなわち、ｎ型半導体領域１１８とゲート電極ＴＸ１とは、平面視において重なる領域を含む。

光電変換部ＰＤとｎ型半導体領域１２６との間の半導体基板１００の上方には、不図示のゲート絶縁膜を介して、ゲート電極ＯＦＧが設けられている。これにより、ゲート電極ＯＦＧをゲート、ｎ型半導体領域１０８をソース、ｎ型半導体領域１２６をドレインとするオーバーフロートランジスタＭ６が構成されている。

保持部ＭＥＭの上方には、保持部ＭＥＭ上を覆う遮光層１３０が設けられている。遮光層１３０には、保持部ＭＥＭへの光の入射を遮り、光電変換部ＰＤにおける光電変換によって生成される信号電荷以外の不要な電荷の発生を防止する機能を備える。遮光層１３０には、一般にタングステンやアルミニウムなどの可視光に対して遮光効果のある金属膜が使用される。ただし、遮光層１３０を構成する材料は、上記の材料に限定されるものではない。

被写体の光学像が画素領域１０に入射すると、各画素１２の光電変換部ＰＤは、入射光をその光量に応じた量の電荷に変換（光電変換）するとともに、生じた電荷（電子）をｎ型半導体領域１０８に蓄積する。

転送トランジスタＭ１は、オンになることで光電変換部ＰＤに蓄積された電荷（信号電荷）を保持部ＭＥＭのｎ型半導体領域１１８に転送する。この際、垂直走査回路２０は、転送トランジスタＭ１を制御する転送制御部として機能する。保持部ＭＥＭは、光電変換部ＰＤで生成された電荷を、光電変換部ＰＤとは異なる場所で保持する。

複数の行の画素１２から画素信号を読み出す際、保持部ＭＥＭを持たないＣＭＯＳイメージセンサでは、各行の画素の転送トランジスタを行毎に順次駆動する。これに対し、保持部ＭＥＭを有する本実施形態の撮像装置では、総ての行の画素１２の光電変換部ＰＤの信号電荷を同時に保持部ＭＥＭへと転送する動作、すなわち全画素同時転送を行うことができる。全画素同時転送の後は、光電変換部ＰＤは空の状態、すなわち初期状態となり、次の露光期間を開始することができる。つまり、本実施形態による撮像装置では、全画素同時に露光開始と露光終了とを制御する動作、すなわち全画素同時電子シャッタ動作（グローバル電子シャッタ動作）を行うことができる。

転送トランジスタＭ２は、オンになることで保持部ＭＥＭに保持された信号電荷を浮遊拡散部ＦＤ（ｎ型半導体領域１２４）に転送する。保持部ＭＥＭから浮遊拡散部ＦＤへの信号電荷の転送は、各行の画素１２の転送トランジスタＭ２を行毎に順次駆動することにより行う。浮遊拡散部ＦＤは、保持部ＭＥＭから転送された信号電荷を保持するとともに、その容量成分による電荷電圧変換によって、転送された信号電荷の量に応じた電圧となる。

ソースフォロワトランジスタＭ４は、ドレインに電圧ＶＤＤが供給され、ソースに選択トランジスタＭ５を介してバイアス電流が供給される構成となっており、ゲートを入力ノードとする増幅部（ソースフォロワ回路）を構成する。これによりソースフォロワトランジスタＭ４は、浮遊拡散部ＦＤの電圧に基づく画素信号ＶＯＵＴを、選択トランジスタＭ５を介して垂直出力線１６に出力する。各行の画素１２の転送トランジスタＭ２を順次駆動していくことにより、画素領域１０の総ての画素１２から画素信号を読み出すことができる。なお、図２には、画素信号ＶＯＵＴに、対応する列番号をそれぞれ付記している（ＶＯＵＴ（ｍ），ＶＯＵＴ（ｍ＋１），ＶＯＵＴ（ｍ＋２））。

選択トランジスタＭ５は、オンになることでソースフォロワトランジスタＭ４を垂直出力線１６に接続する。すなわち、選択トランジスタＭ５は、オンになることで画素信号を出力する画素１２を選択する。

リセットトランジスタＭ３は、オンになることで浮遊拡散部ＦＤを電圧ＶＤＤに応じた所定の電圧にリセットする。また、リセットトランジスタＭ３と転送トランジスタＭ２とが同時にオンになることで、保持部ＭＥＭを電圧ＶＤＤに応じた電圧にリセットすることも可能である。

オーバーフロートランジスタＭ６は、オンになることで光電変換部ＰＤの電荷をオーバーフロードレインＯＦＤに排出し、光電変換部ＰＤをオーバーフロードレインＯＦＤの電圧ＶＯＦＤに応じた所定の電圧にリセットする。オーバーフロートランジスタＭ６による光電変換部ＰＤのリセットを可能にすることにより、光電変換部ＰＤにおける電荷蓄積時間の制御性が向上する。なお、画素１２は、必ずしもオーバーフロートランジスタＭ６を備える必要はない。

図５は、図３のＡ−Ａ′線に沿った信号電荷に対するポテンシャル図である。図５では、信号電荷となる電子の持つエネルギーに着目し、電位の正方向を下向きとし、電位の負方向を上向きとして表現している。

図５（ａ）は、光電変換部ＰＤに電荷ｅが蓄積されており、且つ、転送トランジスタＭ１がオフである状態におけるポテンシャル図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態から転送トランジスタＭ１をオンにした状態におけるポテンシャル図である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフ状態に遷移する過程における過渡的な状態を示すポテンシャル図である。図５（ｄ）は、図５（ｃ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフとなり、保持部ＭＥＭへの電荷ｅの転送が完了した状態におけるポテンシャル図である。

転送トランジスタＭ１がオフの状態では、図５（ａ）に示すように、光電変換部ＰＤと保持部ＭＥＭとの間に、電子に対するポテンシャル障壁が形成されている。このポテンシャル障壁は、ｎ型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度がｎ型半導体領域１０８のｎ型不純物濃度よりも高いこと、ｎ型半導体領域１０８，１１８とゲート電極ＴＸ１とが一部重なっていることに起因して、光電変換部ＰＤ側において高くなっている。すなわち、転送トランジスタＭ１のゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分には、光電変換部ＰＤ側に肩部を成すように電位差が形成されている。したがって、転送トランジスタＭ１がオフ状態であるこの期間に光電変換部ＰＤにおいて生成された電荷ｅは、図５（ａ）に示すように、保持部ＭＥＭには転送されずに光電変換部ＰＤに蓄積されていく。

転送トランジスタＭ１をオフ状態からオン状態に駆動すると、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ゲート電極ＴＸ１下における上記電位差が維持されたまま、ゲート電極ＴＸ１下におけるポテンシャルが増加（電子に対するポテンシャル障壁が低下）する。そして、ゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分には、保持部ＭＥＭ側に谷部を成すようにポテンシャル井戸１５０が形成される。

ゲート電極ＴＸ１下のポテンシャル障壁が低下することで、光電変換部ＰＤに蓄積されていた電荷ｅは、保持部ＭＥＭ側へと移動する。しかし、このときの光電変換部ＰＤと保持部ＭＥＭとの間の電位差は小さいため、多くの電荷ｅは転送トランジスタＭ１をオンにすることにより押し下げられたゲート電極ＴＸ１下のポテンシャル井戸１５０に一時的に保持される。

ポテンシャル井戸１５０に保持できる電荷量Ｑ_ＧＳは、光電変換部ＰＤ側の肩部の電位をＶ_１、保持部ＭＥＭ側の谷部の底の電位をＶ_２、ポテンシャル井戸１５０の容量をＣ_ＴＸとすると、以下の（１）式のように表される。
Ｑ_ＧＳ ＝ Ｃ_ＴＸ×（Ｖ_２−Ｖ_１） …（１）

転送トランジスタＭ１をオン状態からオフ状態へと駆動すると、図５（ｂ）乃至図５（ｄ）に示すように、ゲート電極ＴＸ１下におけるポテンシャルの低下とともに、ポテンシャル井戸１５０に保持されている電荷が保持部ＭＥＭへと転送されていく。転送トランジスタＭ１がオフ状態になると、図５（ｄ）に示すように、ポテンシャル井戸１５０から保持部ＭＥＭへの電荷の転送が完了する。

図６は、保持部ＭＥＭを構成するｎ型半導体領域１１８と光電変換部ＰＤを構成するｎ型半導体領域１０８との間におけるｎ型不純物濃度の差が図５の場合よりも小さい場合における、図３のＡ−Ａ′線に沿った信号電荷に対するポテンシャル図である。

図６（ａ）は、光電変換部ＰＤに電荷ｅが蓄積されており、且つ、転送トランジスタＭ１がオフである状態におけるポテンシャル図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の状態から転送トランジスタＭ１をオンにした状態におけるポテンシャル図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフ状態に遷移する過程における過渡的な状態を示すポテンシャル図である。図６（ｄ）は、図６（ｃ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフとなり、保持部ＭＥＭへの電荷ｅの転送が完了した状態におけるポテンシャル図である。

ｎ型半導体領域１１８とｎ型半導体領域１０８との間におけるｎ型不純物濃度の差が小さい場合、図６（ａ）に示すように、転送トランジスタＭ１のゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に形成される電位差は小さくなる。そのため、転送トランジスタＭ１がオン状態のときにゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に形成される谷部の底の電位Ｖ_２は、図６（ｂ）に示すように減少する。その結果、ポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳは減少することになる。

ポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳが光電変換部ＰＤで生成される電荷量Ｑ_ＰＤよりも小さい場合、光電変換部ＰＤから転送された電荷ｅの総てをポテンシャル井戸１５０で保持することはできない。ポテンシャル井戸１５０で保持できない余剰の電荷ｅは、図６（ｂ）に示すように、光電変換部ＰＤ側の肩部の電位よりも低い電位に滞在することになる。

この状態で転送トランジスタＭ１をオン状態からオフ状態に駆動すると、転送トランジスタＭ１がオン状態からオフ状態に遷移する過程の過渡状態において、図６（ｃ）に示すように、光電変換部ＰＤ側のポテンシャル障壁と保持部ＭＥＭとの電位差がなくなる。その結果、転送トランジスタＭ１がオフ状態に遷移する過程で、図６（ｄ）に示すように、光電変換部ＰＤへの電荷戻りが生じてしまう。電荷戻りが生じると保持部ＭＥＭへ転送される信号電荷の総量が減少することとなり、入射光量と画素信号出力との間の線形的な関係、いわゆるリニアリティ特性の悪化を引き起こす。

また、ポテンシャル井戸１５０で保持できない電荷ｅの一部が、例えば特許文献１の図２に示されるように電荷保持部に溢れ出ると、溢れた電荷により電荷保持部の電位が下がり、光電変換部側のポテンシャル障壁との電位差が小さくなる。そして、光電変換部で生成された信号電荷が多い場合には、光電変換部側に肩部をなすポテンシャル障壁との電位差がなくなり、転送トランジスタをオン状態からオフ状態に遷移する過程で光電変換部側への電荷戻りが生じてしまう。

したがって、光電変換部の側への電荷戻りを抑制する観点から、光電変換部ＰＤの飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}とポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳとは、以下の式（２）の関係を満たしていること望ましい。
Ｑ_ＧＳ ＞ Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ} …（２）

このように構成することで、ポテンシャル井戸１５０に一時的に保持された電荷は、図５（ｃ）を用いて説明したように、転送トランジスタＭ１をオフ状態に遷移する過程で光電変換部ＰＤに戻ることなく総て保持部ＭＥＭへと転送することができる。

また、光電変換部ＰＤから転送される信号電荷の総てを保持部ＭＥＭにおいて保持するためには、保持部ＭＥＭの飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}は、ポテンシャル井戸１５０が保持できる最大の電荷量Ｑ_ＧＳ以上であることが求められる。

以上をまとめると、光電変換部ＰＤで生じた信号電荷を電荷戻りなく保持部ＭＥＭへと転送するために、飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}，Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}、電荷量Ｑ_ＧＳは、以下の式（３）の関係を満たすように構成することが望ましい。
Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ} ＜ Ｑ_ＧＳ ≦ Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ} …（３）

本実施形態による撮像装置においては、保持部ＭＥＭを構成するｎ型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度を、光電変換部ＰＤを構成するｎ型半導体領域１０８のｎ型不純物濃度よりも高くしている。そして、ｎ型半導体領域１０８とゲート電極ＴＸ１とを、並びに、ｎ型半導体領域１１８とゲート電極ＴＸ１とを、平面視において重なる領域を含むように配置している。このように構成することで、信号電荷に対する保持部ＭＥＭのポテンシャルを光電変換部ＰＤのポテンシャルよりも深くするとともに、ゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に電位差を設けることができる。また、飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}，Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}やポテンシャル井戸１５０が保持できる最大の電荷量Ｑ_ＧＳの値は、ｎ型半導体領域１０８，１１８のｎ型不純物濃度、光電変換部ＰＤ及び保持部ＭＥＭの面積等により、適宜調整することができる。

このように、本実施形態によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制し、リニアリティ特性の良好な高品質の画像を取得することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による撮像装置について、図７及び図８を用いて説明する。第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。図７は、本実施形態による撮像装置の駆動方法を示す模式図である。図８は、本実施形態による電荷転送時のポテンシャル図である。

光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの電荷転送は、転送トランジスタＭ１を、必ずしも１度だけオンにすることにより行う必要はなく、複数回オンにすることにより複数回に分けて行うこともできる。本実施形態では、光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの電荷の転送を複数回に分けて行う場合に好適な撮像装置の構成について説明する。本実施形態による撮像装置の基本的な構成は、図１乃至図４を用いて説明した第１実施形態による撮像装置と同様である。

図７は、１回の露光期間中に光電変換部ＰＤで生成された信号電荷を２回の転送動作によって保持部ＭＥＭへ転送する場合の駆動例を模式的に示している。図７には、第ｎフレームにおける撮像動作と、第ｎ＋１フレームにおける撮像動作とを示している。また、図７には、前後の動作との関係が理解しやすいように、第ｎ−１フレーム及び第ｎ＋２フレームにおける一部の動作も示している。また、図７には、各フレームにおける、露光期間及び準露光期間、光電変換部ＰＤが電荷を保持している期間、保持部ＭＥＭが電荷を保持している期間及び読み出し動作を示している。図７において、第ｎフレームの動作は白抜きの枠で表し、第ｎ＋１フレームの動作は網掛けを施した枠で表している。

各フレームにおいて１つの画像を形成するための光電変換部ＰＤへの電荷の蓄積期間である１回の露光期間は、１回目の準露光期間と、２回目の準露光期間と、を含む。光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへ電荷転送は、１回目の準露光期間が終了するタイミングと、２回目の準露光期間が終了するタイミングと、において計２回行われる。２回目の準露光期間が終了したとき、保持部ＭＥＭには、１回目の準露光期間及び２回目の露光期間の合計の期間、すなわち１回の露光期間の間に光電変換部ＰＤで生成された電荷が保持されている。光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの電荷転送は、総ての画素１２において同時に行われる。

保持部ＭＥＭに保持されている信号電荷の読み出し動作は、次のフレームの第１の期間の間に行単位で順次行われる。例えば、第ｎフレームの露光期間の間に蓄積した信号電荷に基づく信号の読み出し動作は、第ｎ＋１フレームの第１の期間の間に行われる。２回目の準露光期間が終了するタイミングで行われる２回目の転送動作により、光電変換部ＰＤに保持されていた信号電荷は総て保持部ＭＥＭへと転送されている。したがって、２回目の転送動作の終了後、保持部ＭＥＭに保持されている信号電荷の読み出し動作と並行して、光電変換部ＰＤでは次フレームのための１回目の準露光期間を直ちに開始することができる。したがって、情報が欠落する期間をほとんどなくすことができ、画質を向上することができる。

読み出し動作により、保持部ＭＥＭが保持していた電荷は浮遊拡散部ＦＤへと転送され、保持部ＭＥＭは初期状態に戻る。したがって、読み出し動作が行われる第１の期間の後の第２の期間には、保持部ＭＥＭにおいて次フレームのための電荷の保持が可能となる。すなわち、１回目の準露光期間が終了するタイミングで行われる１回目の転送動作は、第１の期間が終了した後の第２の期間に行うことができる。

このようにして、光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの電荷転送を複数回に分けて行う構成とすることで、光電変換部ＰＤの飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}に対して、画素１２の飽和電荷量を増加することができる。画素１２の飽和電荷量は、１回の露光期間の間に生成される電荷のうち、信号として扱うことができる電荷量の最大値である。典型的には、画素１２の飽和電荷量は、保持部ＭＥＭの飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}である。ここで、光電変換部ＰＤの飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}は光電変換部ＰＤが蓄積できる電荷量の最大値であり、保持部ＭＥＭの飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}は保持部ＭＥＭが保持できる電荷量の最大値である。１回目の準露光期間の長さと２回目の準露光期間の長さとを同じにした場合、飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}は、飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}の２倍となる。

次に、図７に示した駆動において、第２の期間が終了するタイミングに行われる光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの電荷転送について、図８を用いてより詳細に説明する。図８は、図３のＡ−Ａ′線に沿った信号電荷に対するポテンシャル図である。図８では、電子の持つエネルギーに着目し、電位の正方向を下向きとし、電位の負方向を上向きとして表現している。

図８（ａ）は、１回目の転送動作が完了した直後の状態であり、１回目の準露光期間の間に生成された電荷が保持部ＭＥＭに保持されている状態におけるポテンシャル図である。図８（ｂ）は、２回目の転送動作の直前の状態であり、１回目の準露光期間の間に生成された電荷が保持部ＭＥＭに保持され、２回目の準露光期間の間に生成された電荷が光電変換部ＰＤに保持されている状態におけるポテンシャル図である。図８（ｃ）は、図８（ｂ）の状態から転送トランジスタＭ１をオンにした状態におけるポテンシャル図である。図８（ｄ）は、図８（ｃ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフ状態に遷移する過程における過渡的な状態を示すポテンシャル図である。図８（ｅ）は、図８（ｄ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフとなり、保持部ＭＥＭへの電荷ｅの転送が完了した状態におけるポテンシャル図である。

図８（ｃ）に示すように、２回目の転送動作において転送トランジスタＭ１をオンにすると、ゲート電極ＴＸ１の下方のポテンシャル井戸１５０の電位は、光電変換部ＰＤ及び保持部ＭＥＭよりも高くなる。これにより、ポテンシャル井戸１５０には、１回目の準露光期間の間に生成され保持部ＭＥＭに保持されていた電荷と、２回目の準露光期間の間に生成され光電変換部ＰＤに蓄積されていた電荷とが、一時的に保持される。

このとき、ポテンシャル井戸１５０に保持される電荷の量は、最大で光電変換部ＰＤの飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}の２倍となる。転送トランジスタＭ１がオン状態からオフ状態に遷移する過程における電荷戻りを抑制するには、光電変換部ＰＤの飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}とポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳとが、以下の式（４）の関係を満たしていることが望ましい。
Ｑ_ＧＳ ≧ ２×Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ} …（４）

また、光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの信号電荷の転送回数をＮ回とすると、式（３）は以下の式（５）のように書き換えられる。
Ｑ_ＧＳ ≧ Ｎ×Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ} …（５）

以上をまとめると、光電変換部ＰＤで生じた信号電荷を電荷戻りなく保持部ＭＥＭへと転送するためには、飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}，Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}、電荷量Ｑ_ＧＳが以下の式（６）の関係を満たすように構成することが望ましい。
Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}×Ｎ ＜ Ｑ_ＧＳ ≦ Ｑ_ＭＥＭ …（６）

なお、第１実施形態において示した式（３）は、光電変換部ＰＤから保持部ＭＥＭへの信号電荷の転送回数Ｎが１回の場合に相当する。Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}×Ｎは、１回の露光期間の間に光電変換部ＰＤで生成される最大の電荷量Ｑ_ＰＤを表している。

本実施形態による撮像装置においては、保持部ＭＥＭを構成するｎ型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度を、光電変換部ＰＤを構成するｎ型半導体領域１０８のｎ型不純物濃度よりも高くしている。そして、ｎ型半導体領域１０８とゲート電極ＴＸ１とを、並びに、ｎ型半導体領域１１８とゲート電極ＴＸ１とを、平面視において重なる領域を含むように配置している。このように構成することで、信号電荷に対する保持部ＭＥＭのポテンシャルを光電変換部ＰＤのポテンシャルよりも深くするとともに、ゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に電位差を設けることができる。また、飽和電荷量Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}，Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}やポテンシャル井戸１５０が保持できる最大の電荷量Ｑ_ＧＳの値は、ｎ型半導体領域１０８，１１８のｎ型不純物濃度、光電変換部ＰＤ及び保持部ＭＥＭの面積等により、適宜調整することができる。

このように、本実施形態によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制し、リニアリティ特性の良好な高品質の画像を取得することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による撮像装置について、図９乃至図１１を用いて説明する。第１実施形態による撮像装置と同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。

図９は、本実施形態による撮像装置の画素の構造を示す平面図である。図１０は、本実施形態による撮像装置の画素の構造を示す概略断面図である。図１１は、本実施形態による電荷転送時のポテンシャル図である。

本実施形態による撮像装置は、図９及び図１０に示すように、保持部ＭＥＭのｐ型半導体領域１１６の光電変換部ＰＤ側の端部に、ｎ型半導体領域１２８を更に有しているほかは、第１実施形態による撮像装置と同様である。

ｎ型半導体領域１２８とゲート電極ＴＸ１とが平面視において重なる領域の端部は、ｎ型半導体領域１１８とゲート電極ＴＸ１とが平面視において重なる領域の端部よりも光電変換部ＰＤ側に位置している。また、ｎ型半導体領域１２８が設けられていることで、ゲート電極ＴＸ１下部における保持部ＭＥＭ側のｎ型不純物濃度は、第１実施形態の場合よりも高くなっている。

図１１は、図９のＡ−Ａ′線に沿った信号電荷に対するポテンシャル図である。図１１（ａ）は、光電変換部ＰＤに電荷ｅが蓄積されており、且つ、転送トランジスタＭ１がオフである状態におけるポテンシャル図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の状態から転送トランジスタＭ１をオンにした状態におけるポテンシャル図である。図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフ状態に遷移する過程における過渡的な状態を示すポテンシャル図である。図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）の状態から転送トランジスタＭ１がオフとなり、保持部ＭＥＭへの電荷ｅの転送が完了した状態におけるポテンシャル図である。

本実施形態では、ｎ型半導体領域１２８を更に有することに起因して、ゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に形成される電位差が、図１１（ａ）に示すように、第１実施形態の場合よりも大きくなる。そして、転送トランジスタＭ１がオン状態のときにゲート電極ＴＸ１の下方の光電変換部ＰＤ側から保持部ＭＥＭ側に至る部分に形成される谷部の底の電位Ｖ_２は、図１１（ｂ）に示すように、第１実施形態の場合よりも大きくなる。これにより、ポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳを増加することができ、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示すように、転送トランジスタＭ１がオン状態からオフ状態に遷移する過程における電荷戻りを更に抑制することができる。

ｎ型半導体領域１２８を設けることには、保持部ＭＥＭのｎ型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度を増加することなく、電位Ｖ２及びポテンシャル井戸１５０の容量Ｃ_ＴＸを増加できるという利点もある。保持部ＭＥＭのｎ型半導体領域１１８のｎ型不純物濃度の増加を抑制することにより、保持部ＭＥＭの空乏化電圧を低減できるため、より低電圧で保持部ＭＥＭから浮遊拡散部ＦＤへの電荷転送が可能となる。

転送トランジスタＭ１がオン状態のときにポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳは、ｎ型半導体領域１２８のｎ型不純物濃度を高くするほどに増加することができる。別の観点から言うと、ｎ型半導体領域１２８のｎ型不純物濃度を高くすることで、ポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳを維持しつつ、ｎ型半導体領域１２８を形成する領域を狭くすることができる。すなわち、ｎ型半導体領域１２８は、電荷量Ｑ_ＧＳが所定値となるように、不純物濃度を設定することができる。この場合、ゲート電極ＴＸ１のゲート幅やゲート長を小さくすることができるため、画素１２の微細化が可能となり、ひいては撮像装置の解像度を向上することができる。ｎ型半導体領域１２８のｎ型不純物濃度を高くする代わりに転送トランジスタＭ１がオン状態のときのゲート電圧を増加することによっても、同様の効果を得ることができる。

或いは、転送トランジスタＭ１がオン状態のときにポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳは、ｎ型半導体領域１２８を形成する領域を広くするほどに増加することができる。別の観点から言うと、ｎ型半導体領域１２８を形成する領域を広くすることで、ポテンシャル井戸１５０で保持できる電荷量Ｑ_ＧＳを維持しつつ、ｎ型半導体領域１２８のｎ型不純物濃度を低減することができる。すなわち、ｎ型半導体領域１２８は、電荷量Ｑ_ＧＳが所定値となるように、形成される領域の面積を設定することができる。この場合、ゲート電極ＴＸ１の直下のｎ型不純物濃度が低減されることで、暗電流や白キズなどの暗時特性を向上することができる。

このように、本実施形態によれば、グローバル電子シャッタ機能を備えた撮像装置において、光電変換部から電荷保持部に信号電荷を転送する際における電荷戻りを効果的に抑制し、リニアリティ特性の良好な高品質の画像を取得することができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。

上記第１乃至第３実施形態で述べた撮像装置２００は、種々の撮像システムに適用可能である。適用可能な撮像システムとしては、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、監視カメラ、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星などが挙げられる。また、レンズなどの光学系と撮像装置とを備えるカメラモジュールも、撮像システムに含まれる。図１２にはこれらのうちの一例として、デジタルスチルカメラのブロック図を例示している。

撮像システム３００は、図１２に示すように、撮像光学系３０２、ＣＰＵ３１０、レンズ制御部３１２、撮像装置制御部３１４、画像処理部３１６、絞りシャッタ制御部３１８、表示部３２０、操作スイッチ３２２、記録媒体３２４を備える。

撮像光学系３０２は、被写体の光学像を形成するための光学系であり、レンズ群、絞り３０４等を含む。絞り３０４は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう機能を備えるほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。レンズ群及び絞り３０４は、光軸方向に沿って進退可能に保持されており、これらの連動した動作によって変倍機能（ズーム機能）や焦点調節機能を実現する。撮像光学系３０２は、撮像システムに一体化されていてもよいし、撮像システムへの装着が可能な撮像レンズでもよい。

撮像光学系３０２の像空間には、その撮像面が位置するように撮像装置２００が配置されている。撮像装置２００は、第１乃至第３実施形態で説明した撮像装置２００であり、ＣＭＯＳセンサ（画素領域１０）とその周辺回路（周辺回路領域）とを含んで構成される。撮像装置２００は、複数の光電変換部を有する画素が２次元配置され、これらの画素に対してカラーフィルタが配置されることで、２次元単板カラーセンサを構成している。撮像装置２００は、撮像光学系３０２により結像された被写体像を光電変換し、画像信号や焦点検出信号として出力する。

レンズ制御部３１２は、撮像光学系３０２のレンズ群の進退駆動を制御して変倍操作や焦点調節を行うためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成されている。絞りシャッタ制御部３１８は、絞り３０４の開口径を変化して（絞り値を可変として）撮影光量を調節するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や処理装置により構成される。

ＣＰＵ３１０は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内の制御装置であり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を含む。ＣＰＵ３１０は、ＲＯＭ等に記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮像光学系３０２の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理、記録等の一連の撮影動作を実行する。ＣＰＵ３１０は、信号処理部でもある。

撮像装置制御部３１４は、撮像装置２００の動作を制御するとともに、撮像装置２００から出力された信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ３１０に送信するためのものであり、それら機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。Ａ／Ｄ変換機能は、撮像装置２００が備えていてもかまわない。画像処理部３１６は、Ａ／Ｄ変換された信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成するためのものであり、その機能を実現するように構成された回路や制御装置により構成される。表示部３２０は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示装置であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ３２２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。記録媒体３２４は、撮影済み画像等を記録するためのものであり、撮像システムに内蔵されたものでもよいし、メモリカード等の着脱可能なものでもよい。

このようにして、第１乃至第３実施形態による撮像装置２００を適用した撮像システム３００を構成することにより、リニアリティ特性の高い良好な画像を取得しうる高性能の撮像システムを実現することができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による撮像システム及び移動体について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による撮像システム及び移動体の構成を示す図である。

図１３（ａ）は、車載カメラに関する撮像システム４００の一例を示したものである。撮像システム４００は、撮像装置４１０を有する。撮像装置４１０は、上述の第１乃至第３実施形態に記載の撮像装置２００のいずれかである。撮像システム４００は、撮像装置４１０により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部４１２と、撮像装置４１０により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差取得部４１４を有する。また、撮像システム４００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離取得部４１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部４１８と、を有する。ここで、視差取得部４１４や距離取得部４１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部４１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

撮像システム４００は、車両情報取得装置４２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム４００は、衝突判定部４１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ４３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ４３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム４００は、衝突判定部４１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置４４０とも接続されている。例えば、衝突判定部４１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ４３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置４４０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム４００で撮像する。図１３（ｂ）に、車両前方（撮像範囲４５０）を撮像する場合の撮像システム４００を示した。車両情報取得装置４２０は、撮像システム４００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。上述の第１乃至第３実施形態の撮像装置２００を撮像装置４１０として用いることにより、本実施形態の撮像システム４００は、測距の精度をより向上させることができる。

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

また、画素１２の回路構成は、図２に示すものに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。画素１２の平面レイアウトや断面構造についても、図３及び図４に示すものに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。

また、第４及び第５実施形態に示した撮像システムは、本発明の撮像装置を適用しうる撮像システムを例示したものであり、本発明の撮像装置を適用可能な撮像システムは図１３及び図１４に示した構成に限定されるものではない。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

ＦＤ…浮遊拡散部
Ｍ１，Ｍ２…転送トランジスタ
ＭＥＭ…保持部
ＰＤ…光電変換部
ＴＸ１，ＴＸ２…ゲート電極
１０…画素領域
１２…画素
１０６，１１６…ｐ型半導体領域
１０８，１１８，１２８…ｎ型半導体領域
２００…撮像装置

Claims (12)

1. 光電変換により電荷を生じる光電変換部と、前記光電変換部の電荷を第１の保持部に転送する第１の転送トランジスタと、前記第１の保持部の電荷を第２の保持部に転送する第２の転送トランジスタと、前記第２の保持部が保持する電荷に基づく信号を出力する増幅部と、をそれぞれが含む複数の画素を有し、
   前記第１の転送トランジスタは、オン状態のときに、前記光電変換部と前記第１の保持部との間に、前記電荷に対するポテンシャル井戸を形成するように構成されており、
   １回の露光期間の間に前記光電変換部で生成される最大の電荷量Ｑ_ＰＤ、前記第１の保持部の飽和電荷量Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}、前記ポテンシャル井戸に保持できる最大の電荷量Ｑ_ＧＳは、
   Ｑ_ＰＤ ＜ Ｑ_ＧＳ ≦ Ｑ_{ＭＥＭ＿ＳＡＴ}
   の関係にある
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記１回の露光期間の間に前記光電変換部で生成された電荷をＮ回の転送動作により前記光電変換部から前記保持部に転送するように前記第１の転送トランジスタを制御する転送制御部を更に有し、
   前記電荷量Ｑ_ＰＤは、前記光電変換部の飽和電荷量をＱ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}として、
   Ｑ_ＰＤ ＝ Ｑ_{ＰＤ＿ＳＡＴ}×Ｎ
   で表される
   ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記ポテンシャル井戸は、前記光電変換部と前記第１の保持部との間の領域の前記第１の保持部の側に形成される
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 前記光電変換部は、第１導電型の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の底部に接して設けられ、前記電荷の蓄積層となる第２導電型の第２の半導体領域と、を有し、
   前記光電変換部は、前記第１導電型の第３の半導体領域と、前記第３の半導体領域の底部に接して設けられ、前記電荷の保持層となる前記第２導電型の第４の半導体領域と、を有し、
   前記第４の半導体領域の不純物濃度は、前記第２の半導体領域の不純物濃度よりも高い
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第２の半導体領域及び前記第４の半導体領域は、平面視において前記第１の転送トランジスタのゲート電極と重なる領域を有する
   ことを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
6. 前記第２の半導体領域の前記光電変換部の側の端部に接して設けられた前記第２導電型の第５の半導体領域を更に有し、
   前記第５の半導体領域の不純物濃度は、前記第４の半導体領域の不純物濃度よりも高い
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の撮像装置。
7. 前記第５の半導体領域と前記第１の転送トランジスタのゲート電極とが平面視において重なる領域の端部は、前記第４の半導体領域と前記ゲート電極とが平面視において重なる領域の端部よりも前記光電変換部の側に位置している
   ことを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
8. 前記第５の半導体領域は、前記電荷量Ｑ_ＧＳが所定値となるように、前記不純物濃度が設定されている
   ことを特徴とする請求項６又は７記載の撮像装置。
9. 前記第５の半導体領域は、前記電荷量Ｑ_ＧＳが所定値となるように、形成される領域が設定されている
   ことを特徴とする請求項６又は７記載の撮像装置。
10. 前記電荷量Ｑ_ＧＳは、前記第１の転送トランジスタのゲートに印加される電圧により制御される
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部と
    を有することを特徴とする撮像システム。
12. 移動体であって、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置の前記画素から出力される信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
    前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする移動体。

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