JP2011061767A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度を落とすことなく色再現を優先した撮像を可能にする。
【解決手段】６個のフォトダイオード（Ｒフィルタが設けられた画素１Ｒの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ、Ｇフィルタが設けられ画素１Ｒの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ、及び、Ｇフィルタが設けられ画素１Ｒの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ）は、互いに異なる分光感度特性を有する。画素毎に、増幅トランジスタＡＭＰが設けられる。各画素において、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢのそれぞれに対応して転送トランジスタＴＸＡ，ＴＸＢが設けられる。転送トランジスタＴＸＡ，ＴＸＢは、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号を同じ画素の増幅トランジスタＡＭＰに転送する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子に関するものである。

従来の一般的な固体撮像素子では、各画素はそれぞれ１つの光電変換部を有し、各画素上に３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタが配置されている。この固体撮像素子によれば、各光電変換部からＲ，Ｇ，Ｂのいずれかの色信号が得られる。

これに対し、下記特許文献１に開示された固体撮像素子では、少なくとも一部の画素が、光入射方向に重なるように配置された２つ以上の光電変換部を有している。すなわち、この固体撮像素子では、半導体基板の深さ方向に少なくとも２つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ａと、少なくとも１つのＰＮ接合部を設けた光電変換部を含む画素Ｂと、前記画素Ａ上に配置される第１の色フィルタと、前記画素Ｂ上に配置される第２の色フィルタと、前記画素Ａの２つのＰＮ接合部から第１の色信号及び第２の色信号を検出し、前記画素ＢのＰＮ接合部から第３の色信号を検出する検出手段と、を有している。この固体撮像素子によれば、各光電変換部から第１、第２及び第３の色信号のいずれかが得られる。

特開２００６−１６５３６２号公報

しかしながら、前述した従来のいずれの固体撮像素子においても、３色の色信号が得られるにすぎないので、色再現を高めるには限界があった。

色再現を高めるためには、前述したような固体撮像素子において、光電変換部の分光感度特性を４色以上に多色化すればよい。例えば、各画素がそれぞれ１つの光電変換部を有している固体撮像素子では、カラーフィルタを４色以上に多色化すればよい。しかしながら、この場合には、解像度が落ちてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、解像度を落とすことなく色再現を優先した撮像を行うことができる固体撮像素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、互いに異なる分光感度特性を有する４つ以上の光電変換部と、前記４つ以上の光電変換部がＮ個（Ｎは、前記４つ以上の光電変換部の数よりも小さくかつ１以上である整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に設けられた増幅部と、前記４つ以上の光電変換部のそれぞれに対応して設けられ、前記光電変換部で生じた信号を前記光電変換部の属するグループに設けられた前記増幅部へ転送する転送部と、を備えたものである。

第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、同一の前記グループに属する複数の光電変換部は、隣り合う分光感度特性を有するものである。ここで、「隣り合う分光感度特性」とは、前記分光感度特性の山が隣り合っていることをいい、その山の一部同士が重複している場合も含む。

第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記グループ毎に前記増幅部の入力部に設けられたフローティング容量部を備えたものである。

第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、同一の前記グループに属する複数の光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層が、光入射方向に重なるように配置されたものである。

第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記光電変換部の光入射側に、前記グループ毎に互いに異なる分光透過特性を有するカラーフィルタが配置されたものである。

第６の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記４つ以上の光電変換部の数が６であり、前記Ｎが３であり、前記各グループに属する光電変換部の数が２であるものである。

第７の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第６のいずれかの態様において、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号のそれぞれに応じた信号が前記増幅部から個別に出力される第１の動作モードと、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号を加算した信号に応じた信号が前記増幅部から出力される第２の動作モードとが、動作モード選択信号に応答して選択的に行われるように、前記転送部を制御する制御部を、備えたものである。

第８の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第６のいずれかの態様において、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号のそれぞれに応じた信号が前記増幅部から個別に出力される第１の動作モードと、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部のうちの１つの光電変換部で生じた信号に応じた信号が前記増幅器から個別に出力されるとともに、当該複数の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部で生じた信号を加算した信号に応じた信号が前記増幅部から出力される第２の動作モードとが、動作モード選択信号に応答して選択的に行われるように、前記転送部を制御する制御部を、備えたものである。

第９の態様による固体撮像素子は、互いに異なる分光感度特性を有する４つ以上の光電変換部と、前記４つ以上の光電変換部がＮ個（Ｎは、前記４つ以上の光電変換部の数よりも小さくかつ３以上である整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に当該グループに属する前記光電変換部の光入射側に設けられ、前記グループ毎に互いに異なる分光透過特性を有するカラーフィルタと、を備え、同一の前記グループに属する複数の光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層が、光入射方向に重なるように配置されたものである。

第１０の態様による固体撮像素子は、前記第９の態様において、前記４つ以上の光電変換部の数が６であり、前記Ｎが３であり、前記各グループに属する光電変換部の数が２であるものである。

第１１の態様による固体撮像素子は、前記第６又は第１０の態様において、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第１の条件、及び、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側とは反対側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第２の条件の、両方の条件を満たすものである。

第１２の態様による固体撮像素子は、前記第６又は第１０の態様において、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第１の条件、及び、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側とは反対側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第２の条件のうち、少なくとも一方の条件を満たさないものである。

第１３の態様による固体撮像素子は、前記第６、第１０又は第１２の態様において、前記Ｎ個のグループのうちの第１のグループに設けられた前記カラーフィルタは赤色カラーフィルタであり、前記Ｎ個のグループのうちの第２のグループに設けられた前記カラーフィルタは緑色カラーフィルタであり、前記Ｎ個のグループのうちの第３のグループに設けられた前記カラーフィルタは青色カラーフィルタであり、前記第１のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．４μｍから０．６μｍまでの範囲内であり、前記第１のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から２．１μｍから２．３μｍまでの範囲内であり、前記第２のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．２μｍから０．４μｍまでの範囲内であり、前記第２のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から１．２μｍから１．４μｍまでの範囲内であり、前記第３のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．１μｍから０．３μｍまでの範囲内であり、前記第３のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．８μｍから１．０μｍまでの範囲内であるものである。

前記第１１乃至第１３の態様において、電荷蓄積層の深さとは、電荷蓄積層の深さ方向の不純物濃度のピークの深さをいう。

第１４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第１３のいずれかの態様において、前記４つ以上の光電変換部の出力にそれぞれ基づく各信号を互いに異なるゲインでそれぞれ増幅する手段を備えたものである。

第１５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第１３のいずれかの態様において、前記４つ以上の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部の出力にそれぞれ基づく各信号を異なるタイミングで受ける垂直信号線と、前記垂直信号線の信号又はこれに応じた信号を増幅する可変ゲインアンプと、前記可変ゲインアンプのゲインを、前記可変ゲインアンプが増幅する信号が対応する光電変換部の分光感度特性に応じて制御するゲイン制御部と、を備えたものである。

本発明によれば、解像度を落とすことなく色再現を優先した撮像を行うことができる固体撮像素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。 図１に示す固体撮像素子の２×２個の画素を模式的に示す概略平面図である。 図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面を模式的に示す図である。 カラーフィルタの分光透過率を示す図である。 各画素の第１及び第２のフォトダイオードの素の分光感度特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 各画素の第１及び第２のフォトダイオードの分光感度特性の一例を示す図である。 図６中の隣り合う分光感度特性を加算することによって得た分光感度特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子の第１の動作モードを示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子の第２の動作モードを示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子の第３の動作モードを示すタイミングチャートである。 各画素の第１及び第２のフォトダイオードの素の分光感度特性の他のシミュレーション結果の他の例を示す図である。 各画素の第１及び第２のフォトダイオードの分光感度特性の他の例を示す図である。 本発明の第４の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。

以下、本発明による固体撮像素子について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。本実施の形態による固体撮像素子は、ＣＭＯＳ型固体撮像素子として構成されている。

本実施の形態による固体撮像素子は、２次元状に配置された複数の画素１（２×２個の画素１のみを示す。）と、垂直走査回路２と、水平走査回路３と、画素１の各列ごとに設けられた垂直信号線５と、各垂直信号線５に接続された定電流源６と、画素１で光電変換された光情報を含む光信号を伝送する第１の水平信号線７Ｓと、前記光信号から差し引くべきノイズ成分を含む差分用信号としてのいわゆる暗信号を伝送する第２の水平信号線７Ｎと、差動出力アンプ８と、を備えている。

各画素１には、ベイヤー配列に従って、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ及び青色カラーフィルタのいずれかが設けられている。図１では、当該画素に設けられたカラーフィルタの色を、符号Ｒ，Ｇ，Ｂとして示している。Ｒは赤色、Ｇは緑色、Ｂは青色である。なお、ベイヤー配列に限定されるものではなく、例えば、ストライプ配列等を採用してもよい。なお、各画素１をカラーフィルタの色毎に区別する場合には、赤色カラーフィルタが設けられている画素の符号を１Ｒ、緑色カラーフィルタが設けられている画素の符号を１Ｇ、青色カラーフィルタが設けられている画素の符号を１Ｂとする。

また、本実施の形態による固体撮像素子は、画素１の各列に対応して、前記光信号を蓄積する光信号蓄積容量ＣＳ、前記暗信号を蓄積する暗信号蓄積容量ＣＮ、光信号垂直転送トランジスタＴＳ、暗信号垂直転送トランジスタＴＮ、光信号水平転送トランジスタＨＳ、及び、暗信号水平転送トランジスタＨＮを有している。なお、実際には、水平信号線７Ｓ，７Ｎをそれぞれ所定タイミングでリセットするための各トランジスタが設けられるが、それらのトランジスタの図示は省略している。

本実施の形態では、各画素１は、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する第１及び第２の光電変換部としての第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢと、フローティングディフュージョンＦＤの電位に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタＡＭＰと、増幅トランジスタＡＭＰの入力部に設けられたフローティング容量部としてのフローティングディフュージョンＦＤと、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢからフローティングディフュージョンＦＤにそれぞれ電荷を転送する第１及び第２の電荷転送部としての第１及び第２の転送トランジスタＴＸＡ，ＴＸＢと、フローティングディフュージョンＦＤの電位をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタＲＥＳと、当該画素１を選択するための選択部としての選択トランジスタＳＥＬとを有している。

第１の転送トランジスタＴＸＡのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸＡを供給する制御線に、接続されている。第２の転送トランジスタＴＸＢのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＴＸＢを供給する制御線に、接続されている。リセットトランジスタＲＥＳのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＲＥＳを供給する制御線に、接続されている。選択トランジスタＳＥＬのゲートは、行毎に、垂直走査回路２からの制御信号φＳＥＬを供給する制御線に、接続されている。図１において、Ｖｄｄは電源電圧である。

垂直走査回路２は、画素１の行毎に、選択パルスφＳＥＬ、リセットパルスφＲＥＳ並びに第１及び第２の転送パルスφＴＸＡ，φＴＸＢをそれぞれ出力する制御部を構成している。また、水平走査回路３は、列毎に水平走査信号φＨ１，φＨ２を出力する。

図２は、図１に示す固体撮像素子の２×２個の画素１を模式的に示す概略平面図である。図２において、カラーフィルタ３７及びマイクロレンズ３８等の図示は省略している。図３は、図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面を模式的に示す図である。図３では、簡略化して画素１の主要部のみを示している。

本実施の形態では、Ｎ型シリコン基板３１上にＰ型ウエル３２が設けられている。Ｐ型ウエル３２中に、フォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢなどの画素部における各素子が配置されている。

図２において、符号５１〜５６は、前述した各トランジスタの一部となっているＮ型不純物拡散領域である。符号６１〜６５は、各トランジスタのゲート電極である。なお、拡散領域５４は電源電圧Ｖｄｄが印加される電源拡散部である。符号５１〜５３は、フローティングディフュージョンＦＤを構成する拡散領域である。これらは、配線４１により互いに接続されるとともに、増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極６４に接続されている。図２において、４２は選択パルスφＳＥＬの制御線、４３はリセットパルスφＲＥＳの制御線、４４は第１の転送パルスφＴＸＡの制御線、４５は第２の転送パルスφＴＸＢの制御線である。

第１のフォトダイオードＰＤＡは、Ｐ型ウエル３２中の比較的浅い位置に設けられたＮ型の電荷蓄積層３３で構成されている。第２のフォトダイオードＰＤＢは、Ｐ型ウエル３２中の比較的深い位置に設けられたＮ型の電荷蓄積層３４で構成されている。電荷蓄積層３３，３４は、光入射方向（図３中の上下方向）に互いに重なるように配置されている。比較的波長の短い光は、主にシリコン表面に比較的近い位置（比較的浅い位置）で光電変換され、その電荷が第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３に蓄積される。比較的波長の長い短い光は、主にシリコン表面から比較的遠い位置で光電変換され、その電荷が第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４に蓄積される。Ｐ型ウエル３２中には、電荷蓄積層３４に蓄積された電荷をシリコン表面側に導くＮ型不純物拡散領域３５が設けられている。第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３に蓄積された電荷は、第１の転送トランジスタＴＸＡがオン状態とされることによってフローティングディフュージョンＦＤに転送される。第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４に蓄積された電荷は、第２の転送トランジスタＴＸＢがオン状態とされることによって、フローティングディフュージョンＦＤに転送される。

第１の転送トランジスタＴＸＡは、第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３をソース、フローティングディフュージョンＦＤの一部を構成する拡散領域５１をドレインとしたＭＯＳトランジスタである。第１の転送トランジスタＴＸＡは、そのゲート電極６１に印加される制御信号φＴＸＡにより駆動される。また、第２の転送トランジスタＴＸＢは、電荷蓄積層３４および拡散領域３５をソース、フローティングディフュージョンＦＤの一部を構成する拡散領域５２をドレインとしたＭＯＳトランジスタである。第２の転送トランジスタＴＸＡは、そのゲート電極６２に印加される制御信号φＴＸＢにより駆動される。

第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢから第１及び第２の転送トランジスタＴＸＡ，ＴＸＢをそれぞれ介して別々に又は同時にフローティングディフュージョンＦＤに転送されてきた電荷は、フローティングディフュージョンＦＤで電圧に変換され、この電圧が増幅トランジスタＡＭＰのゲート電極６４に印加される。そして、増幅トランジスタＡＭＰは、そのゲート電極６４の電圧に応じた電気信号を出力する。

選択トランジスタＳＥＬは、拡散領域５５をドレイン、拡散領域５６をソースとするＭＯＳトランジスタである。選択トランジスタＳＥＬは、オン状態にされることで、増幅トランジスタＡＭＰの出力を垂直信号線５に出力する。すなわち、増幅トランジスタＡＭＰと選択トランジスタＳＥＬによって、ソースフォロアによる読み出しが可能となっている。

リセットトランジスタＲＥＳは、電源拡散部５４をドレイン、フローティングディフュージョンＦＤの一部を構成する拡散領域５３をソースとするＭＯＳトランジスタである。リセットトランジスタＲＥＳは、オン状態にされることで、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている電荷をリセットする。

図３に示すように、Ｐ型ウエル３２上には層間絶縁膜３６が形成されている。層間絶縁膜３６中に、前述した回路の配線を実現するための複数層の金属配線層が配置されている。図３では、配線４１を構成する１つの層の金属配線層のみを示している。層間絶縁膜１５上にカラーフィルタ３７が形成され、更にその上にマイクロレンズ３８が形成されている。これにより、マイクロレンズ３８により集光された光が、カラーフィルタ３７を経て、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢにより受光される。

カラーフィルタ３７は、画素１Ｒでは赤色カラーフィルタとされ、画素１Ｇでは緑色カラーフィルタとされ、画素１Ｂでは青色カラーフィルタとされる。カラーフィルタ３７の色以外については、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）も同一の構造を有している。本実施の形態では、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の、第１のフォトダイオードＰＤＡを構成する電荷蓄積層３３の深さｄａも、互いに同一である。電荷蓄積層３３の深さｄａは、電荷蓄積層３３の深さ方向の不純物濃度のピークの、光入射側の半導体表面（ここでは、内部に電荷蓄積層３３が配置されているシリコンの表面、より具体的にはＰ型ウエル３２の表面）からの深さｄａである。また、本実施の形態では、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の、第２のフォトダイオードＰＤＢを構成する電荷蓄積層３４の深さｄｂも、互いに同一である。電荷蓄積層３４の深さｄｂは、電荷蓄積層３４の深さ方向の不純物濃度のピークの、光入射側の半導体表面（ここでは、内部に電荷蓄積層３４が配置されているシリコンの表面、より具体的にはＰ型ウエル３２の表面）からの深さｄｂである。

図４において、ＣＦＲは赤色カラーフィルタの分光透過率の例、ＣＦＧは緑色カラーフィルタの分光透過率の例、ＣＦＢは青色カラーフィルタの分光透過率の例を示す。

図５は、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの素の（すなわち、カラーフィルタ３７が設けられていない場合の）分光感度特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５において、ＰＤＡ’は第１のフォトダイオードＰＤＡの素の分光感度特性、ＰＤＢ’は第２のフォトダイオードＰＤＢの素の分光感度特性を示す。このシミュレーションでは、第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３がシリコン表面から約０．２μｍの深さに形成され、第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４がシリコン表面から約１．３μｍの深さに形成されているものとしている。すなわち、このシミュレーションでは、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）についても、ｄａ＝約０．２μｍ、ｄｂ＝約１．３μｍであるものとしている。

本実施の形態による固体撮像素子は、使用に際し、マイクロレンズ３８の光入射側にＩＲカットフィルタ（図示せず）が配置される。このＩＲカットフィルタの分光透過率も加味した各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの分光感度特性を、図６に示す。図６において、Ｒ［ＰＤＡ］は画素１Ｒの第１のフォトダイオードＰＤＡの分光感度、Ｒ［ＰＤＢ］は画素１Ｒの第２のフォトダイオードＰＤＢの分光感度、Ｇ［ＰＤＡ］は画素１Ｇの第１のフォトダイオードＰＤＡの分光感度、Ｇ［ＰＤＢ］は画素１Ｇの第２のフォトダイオードＰＤＢの分光感度、Ｂ［ＰＤＡ］は画素１Ｂの第１のフォトダイオードＰＤＡの分光感度、Ｂ［ＰＤＢ］は画素１Ｂの第２のフォトダイオードＰＤＢの分光感度を示す。これらの分光感度特性は、互いに異なっていることがわかる。例えば、図６のＲ［ＰＤＡ］は、図４のＣＦＲと図５のＰＤＡ’とＩＲカットフィルタの分光透過率とを重畳したものとなっている。この点は、図６のＲ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］についても同様である。

図６において、ＰＢＡ，ＰＢＢ，ＰＧＡ，ＰＧＢ，ＰＲＡ，ＰＲＢは、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］のピークをそれぞれ示している。

図７は、図６中の隣り合うＲ［ＰＤＡ］及びＲ［ＰＤＢ］を加算した分光感度Ｒ［Ａ＋Ｂ］、図６中の隣り合うＧ［ＰＤＡ］及びＧ［ＰＤＢ］を加算した分光感度Ｇ［Ａ＋Ｂ］、図６中の隣り合うＢ［ＰＤＡ］及びＢ［ＰＤＢ］を加算した分光感度Ｂ［Ａ＋Ｂ］を示す図である。

図８は、本実施の形態による固体撮像素子の第１の動作モードを示すタイミングチャートである。この第１の動作モードは、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号を個別に読み出す動作モードである。なお、図３中の各信号がハイレベルのときにその信号に対応するトランジスタがオンし、ローレベルときにオフする。（ｎ）はｎ行目の信号であることを示している。これらの点は、後述する図９及び図１０についても同様である。

本実施の形態では、メカニカルシャッタ（図示せず）が所定の露光期間だけ開かれて各画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷蓄積層３３，３４に電荷が蓄積された後、画素１が１行ずつ順次選択され、各１行について順次同じ動作が行われていく。図８は、ｎ行目の画素１が選択され更にｎ＋１行目の画素１が選択された場合の動作を示している。これらの点は、後述する図９及び図１０についても同様である。

Ｔ１はｎ行目の画素１の選択期間、Ｔ２はｎ＋１行目の画素１の選択期間である。期間Ｔ１において、φＳＥＬ（ｎ）がハイレベルにされて、ｎ行目の選択トランジスタＳＥＬがオンする。この点は、後述する図９及び図１０についても同様である。

期間Ｔ１において、期間Ｔ１１でｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフされた後に、期間Ｔ１２でｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオンされ、その後の期間Ｔ１３でｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフされる。ｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳは、期間Ｔ１１，Ｔ１３以外の期間はオンされる。

期間Ｔ１１中の期間Ｔ１４において、ｎ行目の第１の転送トランジスタＴＸＡがオンされて、ｎ行目の画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡの信号電荷がｎ行目の画素１のフローティングディフュージョンＦＤに転送される。期間Ｔ１１における期間Ｔ１４前の期間にφＴＮがオンされて暗信号が暗信号蓄積容量ＣＮに蓄積される。期間Ｔ１１における期間Ｔ１４後の期間において、φＴＳがオンされてｎ行目の画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡの光信号が光信号蓄積容量ＣＳに蓄積された後、φＨ１，φＨ２が順次ハイレベルにされて水平走査が行われ、前記光信号と前記暗信号との差分に応じた信号が差動出力アンプ８から外部に出力される。

期間Ｔ１３中の期間Ｔ１５において、ｎ行目の第２の転送トランジスタＴＸＢがオンされて、ｎ行目の画素１の第２のフォトダイオードＰＤＢの信号電荷がｎ行目の画素１のフローティングディフュージョンＦＤに転送される。期間Ｔ１３における期間Ｔ１５前の期間にφＴＮがオンされて暗信号が暗信号蓄積容量ＣＮに蓄積される。期間Ｔ１３における期間Ｔ１５後の期間において、φＴＳがオンされてｎ行目の画素１の第２のフォトダイオードＰＤＢの光信号が光信号蓄積容量ＣＳに蓄積された後、φＨ１，φＨ２が順次ハイレベルにされて水平走査が行われ、前記光信号と前記暗信号との差分に応じた信号が差動出力アンプ８から外部に出力される。

ｎ＋１行目の画素１の選択期間Ｔ２及び他の行の画素２の選択期間についても、ｎ行目の画素１の選択期間Ｔ１と同様の動作が行われる。なお、ｎ＋１行目の画素１の選択期間Ｔ２中の期間Ｔ３１〜Ｔ３５は、ｎ行目の画素１の選択期間Ｔ２中の期間Ｔ１１〜Ｔ１５にそれぞれ対応している。

この第１の動作モードでは、以上の動作により、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号が、加算されることなく個別に読み出される。したがって、この第１の動作モードでは、図６中のＲ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］の６種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号が、個別に読み出される。このため、この第１の動作モードでは、従来のようにＲ，Ｇ，Ｂの３種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号のみしか得ることができない場合に比べて、個々の信号レベルが比較的小さくなってＳＮ比は低下するものの、多色化により色再現を高めることができる。すなわち、この第１の動作モードでは、色再現を優先した撮像を行うことができる。そして、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）においても第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢが光入射方向に重なるように配置されているので、解像度を落とさずに、色再現を優先した撮像を行うことができる。

なお、本実施の形態では、前述したように、各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂがベイヤー配列に従って配列されている。したがって、先の説明からわかるように、前記第１の動作モードでは、画素１Ｒと画素１Ｇとが交互に並んだ列（以下、「ＲＧ列」と呼ぶ。）の垂直信号線５には、分光感度Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］にそれぞれ対応した信号（すなわち、画素１Ｒの第１のフォトダイオードＰＤＡ、画素１Ｒの第２のフォトダイオードＰＤＢ、画素１Ｇの第１のフォトダイオードＰＤＡ、画素１Ｇの第２のフォトダイオードＰＤＢの出力にそれぞれ基づく信号）が異なるタイミングで供給される。また、前記第１の動作モードでは、画素１Ｇと画素１Ｂとが交互に並んだ列（以下、「ＧＢ列」と呼ぶ。）の垂直信号線５には、分光感度Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］にそれぞれ対応した信号（すなわち、画素１Ｇの第１のフォトダイオードＰＤＡ、画素１Ｇの第２のフォトダイオードＰＤＢ、画素１Ｂの第１のフォトダイオードＰＤＡ、画素１Ｂの第２のフォトダイオードＰＤＢの出力にそれぞれ基づく信号）が異なるタイミングで供給される。

図９は、本実施の形態による固体撮像素子の第２の動作モードを示すタイミングチャートである。この第２の動作モードは、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号を加算して読み出す動作モードである。

ｎ行目の画素１の選択期間Ｔ１において、期間Ｔ２１でｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳがオフされる。期間Ｔ２１中の期間Ｔ２２において、ｎ行目の第１及び第２の転送トランジスタＴＸＡ，ＴＸＢが同時にがオンされて、ｎ行目の画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷がｎ行目の画素１のフローティングディフュージョンＦＤに同時に転送される。これにより、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号電荷がそのフローティングディフュージョンＦＤで混合されて加算されることになる。期間Ｔ２１における期間Ｔ２２前の期間にφＴＮがオンされて暗信号が暗信号蓄積容量ＣＮに蓄積される。期間Ｔ２１における期間Ｔ２２後の期間において、φＴＳがオンされてｎ行目の画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの加算された光信号が光信号蓄積容量ＣＳに蓄積された後、φＨ１，φＨ２が順次ハイレベルにされて水平走査が行われ、前記光信号と前記暗信号との差分に応じた信号が差動出力アンプ８から外部に出力される。

２行目の画素１の選択期間Ｔ２及び他の行の画素２の選択期間についても、１行目の画素１の選択期間Ｔ１と同様の動作が行われる。

この第２の動作モードでは、以上の動作により、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの信号が、加算されて読み出される。したがって、この第２の動作モードでは、図７中のＲ［Ａ＋Ｂ］，Ｇ［Ａ＋Ｂ］，Ｂ［Ａ＋Ｂ］の３種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号が、読み出される。このため、この第１の動作モードでは、色再現を高めることはできないものの、個々の信号レベルが比較的大きくなってＳＮ比が高まる。すなわち、この第２の動作モードでは、ＳＮ比を優先した撮像を行うことができる。

本実施の形態では、垂直走査回路２は、外部からの動作モード選択信号φＳＷに応答して、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとが選択的に行われるように、前述した各制御信号を送出する。

したがって、本実施の形態によれば、前記第１の動作モードによる解像度を落とすことなく色再現を優先した撮像と、前記第２の動作モードによるＳＮ比を優先した撮像とを選択的に行うことができる。

例えば、動作モード選択信号φＳＷは、低感度撮影時に色再現優先の前記第１の動作モードが行われ、高感度撮影時にＳＮ比優先の前記第２の動作モードが行われるように、外部から供給される。

この場合、そもそも入射光量が大きくＳＮ比が問題にならない低感度撮影時には、色再現が高めることができる。また、入射光量が小さくＳＮ比が問題となる高感度撮影時には、ＳＮ比を高めることができる。このように、高感度撮影時のＳＮ比を高く保ちつつ、低感度撮影時の色再現を向上させることができる。

また、この場合、フローティングディフュージョンＦＤの容量を小さくして、同一電荷量に対する信号電圧のレベルを大きくしても、低感度撮影時には第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷をそれぞれ個別に読み出すので、その信号電圧を飽和することなく取り扱うことができる。一方、高感度撮影時は元々信号電荷数が少ないので、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの電荷を加算して読み出しても、その信号電圧を飽和することなく取り扱うことができる。したがって、ダイナミックレンジを確保しつつ、フローティングディフュージョンＦＤの容量を小さくしてＳＮ比をより高めることができる。

なお、先の説明からわかるように、本実施の形態による固体撮像素子は、互いに異なる分光感度特性を有するＭ個（本実施の形態では、Ｍ＝６）のフォトダイオード（画素１Ｒの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ、画素１Ｇの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ、画素１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢ）を有している。前記Ｍ個のフォトダイオードがＮ個（本実施の形態では、Ｎ＝３）のグループに分けられている。第１のグループが画素１Ｒの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ、ＰＤＢである。第２のグループが画素１Ｇの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ、ＰＤＢである。第３のグループが画素１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢである。同じグループの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢは、隣り合う分光感度特性を有している。

本発明では、これに限定されるものではなく、前記Ｍは４以上であればよい。前記ＮはＭよりも小さい１以上の整数であればよい。あるグループのフォトダイオードと他のグループのフォトダイオードの数は必ずも同数である必要はない。前記グループは画素単位ではなくてもよい。例えば、１つのグループが、１つのフォトダイオードのみを有する１つ画素の当該フォトダイオードと、他の１つのフォトダイオードのみを有する１つの画素の当該フォトダイオードとからなっていてもよい。複数のフォトダイオードを有するグループにおいて、複数のフォトダイオードは必ずしも光入射方向に重なっている必要はない。

［第２の実施の形態］
図１０は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子の第３の動作モードを示すタイミングチャートである。

本実施の形態による固体撮像素子が前記第１の実施の形態による固体撮像素子と異なる所は、前記第１の実施の形態では、垂直走査回路２は動作モード選択信号φＳＷに応答して図８に示す第１の動作モードと図９に示す第２の動作モードとが選択的に行われるように各制御信号を送出するのに対し、本実施の形態では、垂直走査回路２は動作モード選択信号φＳＷに応答して図８に示す第１の動作モードと図１０に示す第３の動作モードとが選択的に行われるように各制御信号を送出する点のみである。

図１０は、図８において、ｎ行目の選択期間Ｔ１において、期間Ｔ１２でもｎ行目のリセットトランジスタＲＥＳをオフに維持するように変更し、期間Ｔ１５の直前の暗信号のサンプリング（φＴＮのハイレベル）を行わないように変更し、他の行の選択期間おいても同様に変更したものである。

この図１０に示す第３の動作モードでは、ｎ行目の画素１の第２の転送トランジスタＴＸＢがオンする前には、ｎ行目の画素１のリセットトランジスタＲＥＳはオフを維持している。したがって、ｎ行目の画素１の第２の転送トランジスタＴＸＢがオンしたときには、期間Ｔ１４で既にｎ行目のフローティングディフュージョンＦＤに転送されていたｎ行目の画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡの信号電荷に加えて、ｎ行目の画素１の第２のフォトダイオードＰＤＢの信号電荷が転送されて来て、両者の信号電荷がそのフローティングディフュージョンＦＤで混合されて加算されることになる。

したがって、この第３の動作モードでは、図８に示す第１の動作モードと異なり、期間Ｔ１５の後で、期間Ｔ１５の直後でサンプリングされたｎ行目の画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの加算された光信号と、期間Ｔ１４の直前にサンプリングされた暗信号との差分に応じた信号が、差動出力アンプ８から外部に出力される。

また、この第３の動作モードでは、図８に示す第１の動作モードと同じく、期間Ｔ１４の後で、期間Ｔ１４の直後でサンプリングされたｎ行目の画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡの光信号と、期間Ｔ１４の直前にサンプリングされた暗信号との差分に応じた信号が、差動出力アンプ８から外部に出力される。

そして、２行目の画素１の選択期間Ｔ２及び他の行の画素２の選択期間についても、１行目の画素１の選択期間Ｔ１と同様の動作が行われる。

この第３の動作モードでは、以上の動作により、各画素１の第１のフォトダイオードＰＤＡの信号と、各画素１の第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの加算信号が読み出される。したがって、この第３の動作モードでは、図６中のＲ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＡ］及び図７中のＲ［Ａ＋Ｂ］，Ｇ［Ａ＋Ｂ］，Ｂ［Ａ＋Ｂ］の６種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号が、読み出される。このように、この第３の動作モードでは、前記第２の動作モードで得られるレベルの大きい図７中のＲ［Ａ＋Ｂ］，Ｇ［Ａ＋Ｂ］，Ｂ［Ａ＋Ｂ］の３種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号の他に、前記第１の動作モードで得られる図６中のＲ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＡ］の更に異なる３種類の分光感度特性のそれぞれに対応した信号が得られる。このため、この第３の動作モードと同様の高ＳＮ比化を図りつつ、色再現もある程度向上させることができる。すなわち、この第３の動作モードでは、ＳＮ比を優先した撮像を行いつつある程度色再現も向上させることができる。

本実施の形態によれば、前記第１の動作モードによる色再現を優先した撮像と、前記第３の動作モードによるＳＮ比を優先した撮像とを選択的に行うことができる。例えば、動作モード選択信号φＳＷは、低感度撮影時に色再現優先の前記第１の動作モードが行われ、高感度撮影時にＳＮ比優先の前記第３の動作モードが行われるように、外部から供給される。本実施の形態によっても前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。

なお、本発明では、垂直走査回路２は、動作モード選択信号φＳＷに応答して、前記第１乃至第３の動作モードが選択的に行われるように各制御信号を送出してもよい。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態による固体撮像素子が前記第１の実施の形態による固体撮像素子と異なる所は、以下に説明する点のみである。前記第１の実施の形態では、前述したように、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の電荷蓄積層３３の深さｄａも互いに同一であるという第１の条件、及び、いずれの画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の電荷蓄積層３４の深さｄｂも互いに同一であるという第２の条件の、両方の条件を満たしている。これに対し、本実施の形態では、前記第１の実施の形態に比べて、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］のピークＰＢＡ，ＰＢＢ，ＰＧＡ，ＰＧＢ，ＰＲＡ，ＰＲＢ間の波長間隔が均等に近づくとともに、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］の山の大きさ（面積）が均等に近づくよう、前記第１の条件及び前記第２の条件のうちの少なくとも一方の条件を満たさないように、各画素１（１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ）の深さｄａ，ｄｂが設定されている。

図１１は、各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの素の（すなわち、カラーフィルタ３７が設けられていない場合の）分光感度特性のシミュレーション結果の他の例を示す図である。図１１において、Ｂ’［ＰＤＡ］は画素１Ｂの第１のフォトダイオードＰＤＡの素の分光感度、Ｂ’［ＰＤＢ］は画素１Ｂの第２のフォトダイオードＰＤＢの素の分光感度、Ｇ’［ＰＤＡ］は画素１Ｇの第１のフォトダイオードＰＤＡの素の分光感度、Ｇ’［ＰＤＢ］は画素１Ｇの第２のフォトダイオードＰＤＢの素の分光感度、Ｒ’［ＰＤＡ］は画素１Ｒの第１のフォトダイオードＰＤＡの素の分光感度、Ｒ’［ＰＤＢ］は画素１Ｒの第２のフォトダイオードＰＤＢの素の分光感度である。

このシミュレーションでは、画素１Ｂの第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３の深さｄａが０．２μｍ、画素１Ｂの第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４の深さｄｂが０．９μｍ、画素１Ｇの第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３の深さｄａが０．３μｍ、画素１Ｇの第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４の深さｄｂが１．３μｍ、画素１Ｒの第１のフォトダイオードＰＤＡの電荷蓄積層３３の深さｄａが０．５μｍ、画素１Ｒの第２のフォトダイオードＰＤＢの電荷蓄積層３４の深さｄｂが２．２μｍであるものとした。

図１２は、各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの素の分光感度特性が図１１に示す通りである場合において、図６の場合と同じＩＲカットフィルタの分光透過率も加味した各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの分光感度特性を、図６に示す。図１２中の符号の意味は図６中の符号の意味と同一である。

図１２では、図１１と比較して、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］のピークＰＢＡ，ＰＢＢ，ＰＧＡ，ＰＧＢ，ＰＲＡ，ＰＲＢ間の波長間隔がかなり均等に近づいているとともに、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］の山の大きさがかなり均等に近づいている。

よって、電荷蓄積層３３，３４を形成する際のイオン注入時の誤差や熱拡散時の誤差などの製造誤差を考慮すると、本実施の形態では、画素１Ｂの深さｄａを０．１μｍから０．３μｍまでの範囲内、画素１Ｂの深さｄｂを０．８μｍから１．０μｍまでの範囲内、画素１Ｇの深さｄａを０．２μｍから０．４μｍまでの範囲内、画素１Ｇの深さｄｂを１．２μｍから１．４μｍまでの範囲内、画素１Ｒの深さｄａを０．４μｍから０．６μｍまでの範囲内、画素１Ｒの深さｄｂ０．４μｍから０．６μｍまでの範囲内に設定することが好ましい。もっとも、各画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの深さｄａ，ｄｂは必ずしもこれらの範囲に限定されるものではない。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態に比べて、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］のピークＰＢＡ，ＰＢＢ，ＰＧＡ，ＰＧＢ，ＰＲＡ，ＰＲＢ間の波長間隔が均等に近づくので、色再現がより向上する。また、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態に比べて、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］，Ｂ［ＰＤＢ］，Ｇ［ＰＤＡ］，Ｇ［ＰＤＢ］，Ｒ［ＰＤＡ］，Ｒ［ＰＤＢ］の山の大きさが均等に近づくので、各色のフォトダイオードで生成される最大電荷量の差が小さくなる。このため、本実施の形態によれば、後段の信号処理でゲインをかける必要がなくなり、前記第１の実施の形態と比べて、ＳＮ比を高くできる。

なお、本発明では、前記第１の実施の形態を変形して本実施の形態を得たのと同様の変形を、前記第２の実施の形態に適用してもよい。

［第４の実施の形態］
図１３は、本発明の第４の実施の形態による固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。図１３において、図１中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

本実施の形態による固体撮像素子が前記第１の実施の形態による固体撮像素子と異なる所は、各垂直信号線５と、対応する光信号垂直転送トランジスタＴＳ及び暗信号垂直転送トランジスタＴＮとの間に、いわゆるカラムアンプとして、垂直信号線５の信号を増幅する可変ゲインアンプ７１が追加されている点と、これらの可変ゲインアンプ７１のゲインを制御するゲイン制御部としてのゲイン制御回路７２が追加されている点のみである。

本実施の形態では、可変ゲインアンプ７１の入力部に垂直信号線５が直接に接続され、可変ゲインアンプ７１が垂直信号線５の信号を増幅するようになっている。もっとも、可変ゲインアンプ７１の入力部と垂直信号線５との間に信号処理回路（例えば、前置増幅器等）を適宜設け、可変ゲインアンプ７１が垂直信号線５の信号に対応する信号を増幅するようにしてもよい。

ゲイン制御回路７２は、可変ゲインアンプ７１のゲインを、可変ゲインアンプ７１が増幅する信号が対応する光電変換部の分光感度特性に応じて、増幅後の各信号の最大レベルが均等に近づくように制御する。本実施の形態では、ベイヤー配列が採用され、ＲＧ列同士及びＧＢ列同士では同じ行の画素１の色は同一であるが、ＲＧ列とＧＢ列とでは同じ行の画素１の色は異なる。このため、本実施の形態では、ゲイン制御回路７２は、ＲＧ列の可変ゲインアンプ７１とＧＢ列の可変ゲインアンプ７１とで異なるゲインに制御し得るように、ＲＧ列の可変ゲインアンプ７１にはゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給する一方、ＧＢ列の可変ゲインアンプ７１にはゲイン制御φＧＣＲＧと独立したゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給する。なお、全てのＲＧ列の可変ゲインアンプ７１には同時に同じゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給し、全てのＧＢ列の可変ゲインアンプ７１には同時に同じゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給すればよい。本実施の形態では、可変ゲインアンプ７１及びゲイン制御回路７２によって、画素１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢの出力に基づく各信号を互いに異なるゲインでそれぞれ増幅する手段を構成している。

具体的には、本実施の形態では、ゲイン制御回路７２は、前述した図８に示す第１の動作モードにおいて、次のようにゲイン制御信号φＧＣＲＧ，φＧＣＧＢを供給する。ゲイン制御回路７２は、期間Ｔ１１（少なくともその期間中の信号サンプリング期間（φＴＮのハイレベル期間及びφＴＳのハイレベル期間）。この点は、後述する期間Ｔ１３，Ｔ３１，Ｔ３３についても同様。）において、分光感度Ｒ［ＰＤＡ］に応じてＲＧ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給するとともに、分光感度Ｇ［ＰＤＡ］に応じてＧＢ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給する。ゲイン制御回路７２は、期間Ｔ１３において、分光感度Ｒ［ＰＤＢ］に応じてＲＧ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給するとともに、分光感度Ｇ［ＰＤＢ］に応じてＧＢ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給する。ゲイン制御回路７２は、期間Ｔ３１において、分光感度Ｇ［ＰＤＡ］に応じてＲＧ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給するとともに、分光感度Ｂ［ＰＤＡ］に応じてＧＢ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給する。ゲイン制御回路７２は、期間Ｔ３３において、分光感度Ｇ［ＰＤＢ］に応じてＲＧ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＲＧを供給するとともに、分光感度Ｂ［ＰＤＢ］に応じてＧＢ列の可変ゲインアンプ７１の増幅後の最大信号レベルが前記所定レベルに近づくようなゲインに制御するためのゲイン制御信号φＧＣＧＢを供給する。

なお、本実施の形態では、ゲイン制御回路７２は、前記第２の動作モードにおいては、全ての可変ゲインアンプ７１のゲインが常に一定の値のゲインとなるように制御してもよいし、適宜のタイミングで各可変ゲインアンプ７１のゲインを異なる値のゲインに制御してもよい。

本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。また、本実施の形態によれば、各色のフォトダイオードで生成される最大電荷量の差が存在しても、可変ゲインアンプ７１の増幅後の各色の信号の最大レベルの差が小さくなる。このため、本実施の形態によれば、後段の信号処理でゲインをかける必要がなくなり、前記第１の実施の形態と比べて、ＳＮ比を高くする事ができる。

なお、前記第１の実施の形態を変形して本実施の形態を得たのと同様の変形を、前記第２及び第３の実施の形態に適用してもよい。その変形を前記第２の実施の形態に適用する場合、前記第３の動作モードにおいては、全ての可変ゲインアンプ７１のゲインが常に一定の値のゲインとなるように制御してもよいし、適宜のタイミングで各可変ゲインアンプ７１のゲインを異なる値のゲインに制御してもよい。

以上、本発明の各実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、前記各実施の形態では、各フォトダイオードの分光特性を変えるために、カラーフィルタ３７の色の相違、及び、フォトダイオードを構成する電荷蓄積層の深さを、両方とも利用して変えているが、それらのいずれか一方のみを利用して変えることも可能である。例えば、互いに第１乃至第４の分光感度特性を有する４種類のフォトダイオードは、各フォトダイオードを構成する電荷蓄積層を深さは同じだが平面方向の異なる位置に配置し、各フォトダイオードの光入射側に、互いに異なる第１乃至第４の色のカラーフィルタをそれぞれ配置することによって得ることができる。

また、前記各実施の形態では、各画素１において、第１及び第２のフォトダイオードＰＤＡ，ＰＤＢに対して共通して、１組の増幅トランジスタＡＭＰ、リセットトランジスタＲＥＳ及び選択トランジスタＳＥＬが設けられている。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、各画素１において、第１のフォトダイオードＰＤＡ用のそれらの組と第２のフォトダイオードＰＤＢ用のそれら組とを別々に設けてもよい。

１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ 画素
２ 垂直走査回路
３３，３４ 電荷蓄積層
３７ カラーフィルタ
７１ 可変ゲインアンプ
７２ ゲイン制御回路
ＰＤＡ，ＰＤＢ フォトダイオード
ＡＭＰ 増幅トランジスタ
ＲＥＳ リセットトランジスタ
ＴＸＡ，ＴＸＢ 転送トランジスタ
ＳＥＬ 選択トランジスタ
ＦＤ フローティングディフュージョン

Claims (15)

1. 互いに異なる分光感度特性を有する４つ以上の光電変換部と、
   前記４つ以上の光電変換部がＮ個（Ｎは、前記４つ以上の光電変換部の数よりも小さくかつ１以上である整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に設けられた増幅部と、
   前記４つ以上の光電変換部のそれぞれに対応して設けられ、前記光電変換部で生じた信号を前記光電変換部の属するグループに設けられた前記増幅部へ転送する転送部と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 同一の前記グループに属する複数の光電変換部は、隣り合う分光感度特性を有することを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記グループ毎に前記増幅部の入力部に設けられたフローティング容量部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 同一の前記グループに属する複数の光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層が、光入射方向に重なるように配置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
5. 前記光電変換部の光入射側に、前記グループ毎に互いに異なる分光透過特性を有するカラーフィルタが配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記４つ以上の光電変換部の数が６であり、前記Ｎが３であり、前記各グループに属する光電変換部の数が２であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
7. 前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号のそれぞれに応じた信号が前記増幅部から個別に出力される第１の動作モードと、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号を加算した信号に応じた信号が前記増幅部から出力される第２の動作モードとが、動作モード選択信号に応答して選択的に行われるように、前記転送部を制御する制御部を、備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子。
8. 前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部で生じた信号のそれぞれに応じた信号が前記増幅部から個別に出力される第１の動作モードと、前記４つ以上の前記光電変換部のうちの複数の光電変換部が属するグループについて、当該複数の光電変換部のうちの１つの光電変換部で生じた信号に応じた信号が前記増幅器から個別に出力されるとともに、当該複数の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部で生じた信号を加算した信号に応じた信号が前記増幅部から出力される第２の動作モードとが、動作モード選択信号に応答して選択的に行われるように、前記転送部を制御する制御部を、備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子。
9. 互いに異なる分光感度特性を有する４つ以上の光電変換部と、
   前記４つ以上の光電変換部がＮ個（Ｎは、前記４つ以上の光電変換部の数よりも小さくかつ３以上である整数）のグループに分けられて、前記グループ毎に当該グループに属する前記光電変換部の光入射側に設けられ、前記グループ毎に互いに異なる分光透過特性を有するカラーフィルタと、
   を備え、
   同一の前記グループに属する複数の光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層が、光入射方向に重なるように配置されたことを特徴とする固体撮像素子。
10. 前記４つ以上の光電変換部の数が６であり、前記Ｎが３であり、前記各グループに属する光電変換部の数が２であることを特徴とする請求項９記載の固体撮像素子。
11. 前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第１の条件、及び、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側とは反対側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第２の条件の、両方の条件を満たすことを特徴とする請求項６又は１０記載の固体撮像素子。
12. 前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第１の条件、及び、前記４つ以上の光電変換部のうち自身が属するグループにおいて自身を構成する電荷蓄積層が光入射側とは反対側に配置された３つの光電変換部について、当該３つの光電変換部をそれぞれ構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの前記深さが互いに同一であるという第２の条件のうち、少なくとも一方の条件を満たさないことを特徴とする請求項６又は１０記載の固体撮像素子。
13. 前記Ｎ個のグループのうちの第１のグループに設けられた前記カラーフィルタは赤色カラーフィルタであり、
    前記Ｎ個のグループのうちの第２のグループに設けられた前記カラーフィルタは緑色カラーフィルタであり、
    前記Ｎ個のグループのうちの第３のグループに設けられた前記カラーフィルタは青色カラーフィルタであり、
    前記第１のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．４μｍから０．６μｍまでの範囲内であり、
    前記第１のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から２．１μｍから２．３μｍまでの範囲内であり、
    前記第２のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．２μｍから０．４μｍまでの範囲内であり、
    前記第２のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から１．２μｍから１．４μｍまでの範囲内であり、
    前記第３のグループに属する１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．１μｍから０．３μｍまでの範囲内であり、
    前記第３のグループに属する他の１つの光電変換部を構成する電荷蓄積層の、光入射側の半導体表面からの深さは、前記半導体表面から０．８μｍから１．０μｍまでの範囲内である、
    ことを特徴とする請求項６、１０又は１２記載の固体撮像素子。
14. 前記４つ以上の光電変換部の出力にそれぞれ基づく各信号を互いに異なるゲインでそれぞれ増幅する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の固体撮像素子。
15. 前記４つ以上の光電変換部のうちの２つ以上の光電変換部の出力にそれぞれ基づく各信号を異なるタイミングで受ける垂直信号線と、
    前記垂直信号線の信号又はこれに応じた信号を増幅する可変ゲインアンプと、
    前記可変ゲインアンプのゲインを、前記可変ゲインアンプが増幅する信号が対応する光電変換部の分光感度特性に応じて制御するゲイン制御部と、
    を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の固体撮像素子。

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