固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备与流程

本发明包含与2017年9月26日向日本专利局递交的日本专利申请第2017185505号相关的主题，并将其完整内容作为参考引用至此。

本发明涉及固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。

背景技术：

作为利用检测光来使电荷产生的光电变换元件的固体摄像装置(图像传感器)，提供了cmos(comp1ementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器以供实用。

cmos图像传感器作为数字摄像机、视频摄像机、监视摄像头、医疗用内窥镜、个人计算机(pc)、便携电话等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分而广泛运用。

cmos图像传感器对于每个像素都具备具有光电二极管(光电变换元件)以及浮动扩散层(fd：floatingdiffusion)的fd放大器，其读出的主流是列并行输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时在列(column)输出方向上将其读出。

于是，为了特性提升，提出种种实现具有大动态范围的高画质的cmos图像传感器的方法(例如参考专利文献1)。

在专利文献1记载了如下那样的固体摄像装置：具备光电二极管pd和蓄积电容cs，通过由光电二极管pd将信号电荷保持在电容密度高的蓄积电容cs，能使最大信号增大从而扩大动态范围。

在该固体摄像装置中，将在高亮度时从光电二极管pd溢出的电荷保持在蓄积电容cs。溢出到蓄积电容cs的高亮度信号以低变换增益lcg(fd电容cfd+cs)读出。低亮度信号以高变换增益hcg(fd电容cfd)进行高增益读出。

另外，对于列并行输出型cmos图像传感器的像素信号读出(输出)电路实际提出了各种方案。

这些当中，最先进的电路之一是在每列(column)具备模拟-数字变换器(adc(analogdigitalconverter))、将像素信号作为数字信号取出的电路(例如参考专利文献2、3)。

在该列并行adc搭载cmos图像传感器(列ad方式cmos图像传感器)中，比较器(comparator)进行所谓的ramp波和像素信号的比较，在后级的计数器进行数字cds，由此进行ad变换。

但这种cmos图像传感器虽然能进行信号的高速转发，但有不能进行全局快门读出的缺点。

与此相对，提出了也能实现全局快门的数字像素(pixel)传感器，在各像素配置包含比较器的adc(进而存储器部)，来对像素阵列部中的全像素在相同定时执行曝光开始和曝光结束(例如参考专利文献4、5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：jp专利4317115号公报

专利文献1：jp特开2005-278135号公报

专利文献2：jp特开2005-295346号公报

专利文献3：us7164114b2fig.4

专利文献4：us2010/0181464a1

然而在专利文献1、2、3记载的固体摄像装置中难以实现全局快门功能，另外，由于不能实时利用在例如蓄积期间从光电二极管溢出的电荷，因此在大动态范围化、高帧频化上存在极限。

另外，在上述现有的具备数字像素传感器的cmos图像传感器中，虽然能实现全局快门功能，但由于不能实时利用在例如蓄积期间从光电二极管溢出的电荷，因此在大动态范围化、高帧频化上存在极限。

另外，cmos图像传感器的重要的性能指标中有随机噪声，作为主要的随机噪声源而已知有像素和ad变换器。

一般，作为随机噪声减低手法，已知如下方法：通过加大晶体管尺寸来减低闪变噪声(flickernoise)；或者通过在比较器输出附加电容，限制频带，来寻求cds的噪声的过滤效果。

但在各个手法中，有面积增大、因电容增加而比较器的反转延迟变差、摄像元件的帧频提升不了的缺点。

另外，由于在各像素配置包含比较器的adc(进而存储器部)，因此难以将有效像素区域最大限扩大，难以将单位成本的价值最大限提高。

技术实现要素：

本发明提供能实质实现大动态范围化、高帧频化的固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法以及电子设备。

另外，本发明提供了一种固体摄像装置、固体摄像装置的驱动方法、以及电子设备，能实质实现大动态范围化，高帧频化且谋求低噪声化，能将有效像素区域最大限扩大，能将单位成本的价值最大限提高。

本发明的第1观点的固体摄像装置具有：像素部，其配置包含光电变换读出部以及信号保持部的像素；和读出部，其从所述像素部进行像素信号的读出，所述像素包含：光电变换元件，其在蓄积期间蓄积通过光电变换生成的电荷；转发元件，其能将蓄积于所述光电变换元件的电荷在所述蓄积期间后的转发期间进行转发；输出节点，其通过所述转发元件转发在所述光电变换元件蓄积的电荷；输出缓冲部，其将所述输出节点的电荷变换成与电荷量相应的电压信号，输出变换后的电压信号；蓄积晶体管，其与所述输出节点连接；蓄积电容元件，其经由所述蓄积晶体管蓄积所述输出节点的电荷；和重置元件，其在重置期间将所述输出节点重置成给定的电位，所述信号保持部能保持针对如下电压信号的信号：与在所述蓄积期间后的所述转发期间转发到所述输出节点的所述光电变换元件的蓄积电荷相应的电压信号；和与在任意的期间在所述光电变换元件以及所述蓄积电容元件的电荷当中的至少从所述光电变换元件溢出到所述输出节点的溢流电荷相应的电压信号。

本发明的第2观点是固体摄像装置的驱动方法，所述固体摄像装置具有：像素部，其配置包含光电变换读出部以及信号保持部的像素；和读出部，其从所述像素部进行像素信号的读出，所述像素包含：光电变换元件，其在蓄积期间蓄积通过光电变换生成的电荷；转发元件，其能将蓄积于所述光电变换元件的电荷在所述蓄积期间后的转发期间进行转发；输出节点，其通过所述转发元件转发在所述光电变换元件蓄积的电荷；输出缓冲部，其将所述输出节点的电荷变换成与电荷量相应的电压信号，输出变换后的电压信号；蓄积晶体管，其与所述输出节点连接；蓄积电容元件，其经由所述蓄积晶体管蓄积所述输出节点的电荷；和重置元件，其在重置期间将所述输出节点重置成给定的电位，所述信号保持部能保持针对如下电压信号的信号：与在所述蓄积期间后的所述转发期间转发到所述输出节点的所述光电变换元件的蓄积电荷相应的电压信号；和与在任意的期间在所述光电变换元件以及所述蓄积电容元件的电荷当中的至少从所述光电变换元件溢出到所述输出节点的溢流电荷相应的电压信号，在读出所述像素的像素信号的情况下，在所述读出部的控制下，进行第1比较处理和第2比较处理，所述第1比较处理输出针对如下电压信号的数字化的第1比较结果信号，该电压信号与在所述蓄积期间从所述光电变换元件溢出到所述输出节点的溢流电荷相应，所述第2比较处理输出针对如下电压信号的数字化的第2比较结果信号，该电压信号与在所述蓄积期间后的所述转发期间转发到所述输出节点的所述光电变换元件的蓄积电荷相应。

本发明的第3观点的电子设备具有：固体摄像装置；和光学系统，其在所述固体摄像装置成像被摄体像，所述固体摄像装置具有：像素部，其配置包含光电变换读出部以及信号保持部的像素；和读出部，其从所述像素部进行像素信号的读出，所述像素包含：光电变换元件，其在蓄积期间蓄积通过光电变换生成的电荷；转发元件，其能将蓄积于所述光电变换元件的电荷在所述蓄积期间后的转发期间进行转发；输出节点，其通过所述转发元件转发在所述光电变换元件蓄积的电荷；输出缓冲部，其将所述输出节点的电荷变换成与电荷量相应的电压信号，输出变换后的电压信号；蓄积晶体管，其与所述输出节点连接；蓄积电容元件，其经由所述蓄积晶体管蓄积所述输出节点的电荷；和重置元件，其在重置期间将所述输出节点重置成给定的电位，所述信号保持部能保持针对如下电压信号的信号：与在所述蓄积期间后的所述转发期间转发到所述输出节点的所述光电变换元件的蓄积电荷相应的电压信号；和与在任意的期间在所述光电变换元件以及所述蓄积电容元件的电荷当中的至少从所述光电变换元件溢出到所述输出节点的溢流电荷相应的电压信号。

发明的效果

根据本发明，变得能实质实现大动态范围化、高帧频化。

另外，根据本发明，能实质实现大动态范围化、高帧频化且谋求低噪声化，能将有效像素区域最大限扩大，能将单位成本的价值最大限提高。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的一例的电路图。

图3的(a)和(b)是表示本发明的第1实施方式所涉及的像素的主要部分的电荷蓄积转发系统的结构例的简略截面图以及溢流时的位势图。

图4是用于说明本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的像素部中的像素阵列的图。

图5是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的列输出的读出系统的结构例的图。

图6的(a)和(b)是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的图。

图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置中的帧读出顺序的一例的图。

图8的(a)～(h)是示出用于以本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图9的(a)～(d)在用于以本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的读出动作的时序图。

图10是表示本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的结构例的图。

图11是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

图12是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的像素部的数字像素阵列的一例的图。

图13是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的一例的电路图。

图14是用于说明本第3实施方式所涉及的比较器的第1比较处理的图。

图15是用于说明本第3实施方式所涉及的比较器的第1比较处理的图，是用于说明参考电压的其他型式例的图。

图16是表示对本第3实施方式所涉及的比较器输入种种参考电压的情况下的光时间变换的状态的图。

图17是表示本发明的第3实施方式所涉及的数字像素中的光响应覆盖的图。

图18是表示本发明的第3实施方式所涉及的存储器部以及输出电路的结构例的图。

图19是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置中的帧读出顺序的一例的图。

图20的(a)和(b)是用于说明本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的示意图。

图21是用于说明本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的层叠结构的简略截面图。

图22的(a)～(e)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第1读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图23的(a)～(d)是用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主说明像素部中的第2读出动作的时序图。

图24是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置中的第2读出方法的帧读出顺序的一例的图。

图25的(a)～(h)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第2读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图26的(a)～(d)是用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第2读出动作的时序图。

图27是示意表示在第2读出方法中的蓄积期间中途略读(skimming)溢流电荷的处理的一例的图。

图28是示意表示从光电二极管溢流电荷、进而溢流到蓄积电容器cs1侧的状态的图。

图29是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置中的第3读出方法的帧读出顺序的一例的图。

图30的(a)～(h)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主说明像素部中的第3读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图31是示意表示在第3读出方法中的蓄积期间中途略读溢流电荷的处理的一例的图。

图32是表示本发明的第4实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的结构例的图。

图33是表示运用本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的电子设备的构成的一例的图。

具体实施方式

以下与附图关联地说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

在本实施方式中，固体摄像装置10例如由cmos图像传感器构成。

该固体摄像装置10如图1所示那样，作为主构成要素而具有作为摄像部的像素部20、垂直扫描电路(行扫描电路)30、读出电路(列读出电路)40、水平扫描电路(列扫描电路)50以及定时控制电路60。

由这些构成要素当中例如垂直扫描电路30、读出电路40、水平扫描电路50以及定时控制电路60构成像素信号的读出部70。

在本第1实施方式中，固体摄像装置10构成为例如层叠型的cmos图像传感器，其中，在像素部20中包含光电变换读出部以及信号保持部作为像素，具有全局快门的动作功能，且能实质实现大动态范围化、高帧频化。

在本第1实施方式的固体摄像装置10中，信号保持部能保持针对如下电压信号的信号：与蓄积期间后的转发期间转发到输出节点即浮置扩散fd的作为光电变换元件的光电二极管pd的蓄积电荷相应的电压信号；以及，与任意的期间从作为光电变换元件的光电二极管pd以及作为蓄积电容元件的蓄积电容器当中的至少光电二极管pd溢出到输出节点即浮置扩散fd的溢流电荷相应的电压信号。

在本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10中，如之后详述的那样，在作为像素信号存储器的信号保持部在电压模式下在全像素同时并行采样像素信号，将与第1到第4信号保持电容器中保持的读出信号对应的变换信号读出到给定的信号线，并将与读出重置信号对应的变换信号同时并行读出到给定的信号线，提供给列读出电路40。

以下详述固体摄像装置10的各部的构成以及功能的概要，特别详述像素部20的构成以及功能、与其关联的读出处理、和像素部20与读出部70的层叠结构等。

(像素和像素部20的构成)

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的像素的一例的电路图。

配置于像素部20的像素200包含光电变换读出部210以及信号保持部220而构成。

本第1实施方式的像素部20如之后详述的那样，构成为第1基板110和第2基板120的层叠型的cmos图像传感器，在本例中，如图2所示那样，在第1基板110形成光电变换读出部210，在第2基板120形成信号保持部2200。

像素200的光电变换读出部210包含光电二极管(光电变换元件)和像素内放大器而构成。

具体地，该光电变换读出部210例如具有光电变换元件即光电二极管pd1。

对于该光电二极管pd1，分别各具有一个作为转发元件的转发晶体管tg1-tr、作为重置元件的重置晶体管rst1-tr、作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf1-tr、作为电流源元件的电流晶体管ic1-tr、蓄积晶体管sg1-tr、作为蓄积电容元件的蓄积电容器cs1、作为输出节点nd1的浮置扩散fd1以及读出节点nd2。

如此，第1实施方式所涉及的数字像素200的光电变换读出部210包含转发晶体管tg1-tr、重置晶体管rst1-tr、源极跟随晶体管sf1-tr、电流晶体管ic1-tr以及蓄积晶体管sg1-tr这5个晶体管(5tr)而构成。

并且在本第1实施方式中，包含源极跟随晶体管sf1-tr、电流晶体管ic1-tr以及读出节点nd2来构成输出缓冲部211。

本第1实施方式所涉及的光电变换读出部210的输出缓冲部211的读出节点nd2与信号保持部220的输入部连接。

光电变换读出部210将作为输出节点的浮置扩散fd1的电荷变换成与电荷量相应的电压信号，将变换的电压信号vsl输出到信号保持部220。

更具体地，光电变换读出部210输出电压信号vsl，其与在蓄积期间pi从光电变换元件的光电二极管pd1以及作为蓄积电容元件的蓄积电容器cs1溢出到作为输出节点的浮置扩散fd1的溢流电荷相应。

进而光电变换读出部210输出电压信号vsl，其与在蓄积期间pi后的转发期间pt转发到作为输出节点的浮置扩散fd1的光电二极管pd1的积电荷相应。

光电变换读出部210将作为像素信号的读出重置信号(信号电压)(vrst)以及读出信号(信号电压)(vsig)输出到信号保持部220。

光电二极管pd1产生、蓄积与入射光量相应的量的信号电荷(这里是电子)。

以下说明信号电荷是电子、各晶体管是n型晶体管的情况，但也可以信号电荷是空穴(hole)，各晶体管是p型晶体管。

另外，本实施方式在多个光电二极管以及转发晶体管间共享各晶体管的情况下也是有效的。

在各像素200，作为光电二极管(pd)而使用埋入型光电二极管(ppd)。

由于在形成光电二极管(pd)的基板表面存在悬挂键等缺陷引起的表面能级，因热能而产生大量的电荷(暗电流)，无法读出正确的信号。

在埋入型光电二极管(ppd)中，通过将光电二极管(pd)的电荷蓄积部埋入基板内，能减少暗电流向信号的混入。

光电变换读出部210的转发晶体管tg1-tr连接到光电二极管pd1与浮置扩散fd1之间，被通过控制线施加到栅极的控制信号tg控制。

转发晶体管tg1-tr在控制信号tg为高(h)电平的转发期间pt被选择而成为导通状态，将在光电二极管pd1光电变换并蓄积的电荷(电子)转发到浮置扩散fd1。

另外，在光电二极管pd1以及浮置扩散fd1被重置到给定的重置电位后，转发晶体管tg1-tr成为控制信号tg为低(l)电平的非导通状态，光电二极管pd1成为蓄积期间pi，这时，在入射的光的强度(量)非常高的情况下，超过饱和电荷量的电荷通过转发晶体管tg1一tr下的溢流通路作为溢流电荷溢出到浮置扩散fd1。

另外，在非常高照度的情况下，例如超过浮置扩散fd1的饱和电荷量的电荷通过蓄积晶体管sg1-tr下的溢流通路作为溢流电荷溢出到蓄积电容器cs1侧。

重置晶体管rst1-tr连接到电源电压vdd的电源线vdd与浮置扩散fd1之间，被通过控制线施加到栅极的控制信号rst控制。

重置晶体管rst1-tr在控制信号rst为h电平的重置期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散fd1重置成电源电压vdd的电源线vdd的电位。

蓄积晶体管sg1-tr连接到浮置扩散fd1与重置晶体管rst1-tr之间，在该连接节点nd3与基准电位vss之间连接蓄积电容器cs1。

蓄积晶体管sg1-tr被通过控制线施加到栅极的控制信号sg控制。

蓄积晶体管sg1-tr在控制信号sg为h电平的重置期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散fd1和蓄积电容器cs1连接。

作为源极跟随元件的源极跟随晶体管sf1-tr的源极与读出节点nd2连接，漏极侧与电源线vdd连接，栅极与浮置扩散fd1连接。

在读出节点nd2与基准电位vss(例如gnd)之间连接作为电流源元件的电流晶体管ic1-tr的漏极、源极。电流晶体管ic1-tr的栅极与控制信号vbnpix的提供线连接。

并且读出节点nd2与信号保持部220的输入部间的信号线lsgn1通过作为电流源元件的电流晶体管ic1-tr被驱动。

图3的(a)和(b)是表示本发明的第1实施方式所涉及的像素的主要部分的电荷蓄积转发系统的结构例的简略截面图以及溢流时的位势图。

各像素单元pxlc形成在具有照射光l的第1基板面1101侧(例如背面侧)和与该第1基板面1101侧对置的一侧的第2基板面1102侧的基板(本例中为第1基板110)，通过分离层spl而分离。

并且图3的(a)的数字像素单元plxc包含形成光电变换读出部210的光电二极管pd1、转发晶体管tg1-tr、浮置扩散fd1、重置晶体管rst1-tr、分离层spl、进而未图示的彩色滤光器部以及微透镜而构成。

(光电二极管的结构)

光电二极管pd1包含对具有第1基板面1101侧和与第1基板面1101侧对置的一侧的第2基板面1102侧的半导体基板埋入而形成的第1导电型(本实施方式中为n型)半导体层(本实施方式中为n层)2101，形成为具有接受到的光的光电变换功能以及电荷蓄积功能。

在与光电二极管pd1的基板的法线正交的方向(x方向)上的侧部形成第2导电型(本实施方式中为p型)分离层spl。

如此在本实施方式中，在各像素单元pxlc，作为光电二极管(pd)而使用埋入型光电二极管(ppd)。

由于在形成光电二极管(pd)的基板表面存在悬挂键等缺陷引起的表面能级，因热能而产生大量的电荷(暗电流)，无法读出正确的信号。

在埋入型光电二极管(ppd)中，通过将光电二极管(pd)的电荷蓄积部埋入基板内，能减少暗电流向信号的混入。

在图3的(a)的光电二极管pd1中，n层(第1导电型半导体层)2101构成为在基板110的法线方向(图中的正交坐标系的z方向)上有2层结构。

在本例中，在第1基板面1101侧形成n-层2102，在该n-层2102的第2基板面1102侧形成n层2103，在该n-层2103的第2基板面1102侧形成p+层2104以及p层2105。

另外，在n-层2102的第1基板面1101侧形成p+层2106。

p+层2106不仅形成在光电二极管pd1，还一样地遍布分离层spl、进而遍布数字像素单元pxlc形成。

另外，在该p+层2106的光入射侧形成彩色滤光器部，进而在彩色滤光器部的光入射侧，与光电二极管pd1以及分离层spl的一部分对应来形成微透镜。

这些结构是一例，也可以是单层结构，另外还可以是3层、4层以上的层叠结构。

(x方向(列方向)上的分离层的结构)

在图3的(a)的x方向(列方向)上的p型分离层spl中，在光电二极管pd1的n-层2102相接一侧的与基板的法线正交的方向(图中的正交坐标系的x方向)的右侧部形成第1p层(第2导电型半导体层)2107。

进而在p型分离层spl，构成为在第1p层2107的x方向的右侧，第2p层(第2导电型半导体层)2108在基板110的法线方向(图中的正交坐标系的z方向)上有2层结构。

在本例中，在第2p层2108，在第1基板面1101侧形成p-层2109，在该p-层2109的第2基板面1102侧形成p层2110。

这些结构是一例，也可以是单层结构，另外还可以是3层、4层以上的层叠结构。

在p型分离层spl的第1p层2107以及第2p-层2109的第1基板面1101侧形成与光电二极管2110同样的p+层2106。

延伸形成n层2103，以使其跨越到p型分离层spl的第1p层2107的第2基板面1102侧的一部分，形成溢流通路ovp。

然后在n层2103的第2基板面1102侧的p层2105上隔着栅极绝缘膜形成转发晶体管tg1-tr的栅极电极2111。

进而在p型分离层spl的第1p层2107的第2基板面1102侧形成成为浮置扩散fd1的n+层2112，与n+层2112相邻形成成为重置晶体管rst1-tr的沟道形成区域的p层2113，与p层2113相邻形成n+层2114。

然后在p层2113上隔着栅极绝缘膜形成栅极电极2115。

在这样的结构中，在入射的光的强度(量)非常高的情况下，超过饱和电荷量的电荷通过转发晶体管tg1-tr下的溢流通路ovp作为溢流电荷溢出到浮置扩散fd1。

像素200的信号保持部220基本包含包括输入节点nd22的输入部221、采样保持部222、第1输出部223、第2输出部224、第3输出部225、第4输出部226以及保持节点nd23、nd24、nd25、nd26而构成。

输入部221经由信号线lsgn1与光电变换读出部210的读出节点nd2连接，将从读出节点nd2输出的读出信号(vsig1)以及读出重置信号(vrst1)输入到采样保持部222。

采样保持部222包含作为第1开关元件的第1采样晶体管shr1-tr、作为第2开关元件的第2采样晶体管shs1-tr、作为第3开关元件的第3采样晶体管shr2-tr、作为第4开关元件的第4采样晶体管shs2-tr、第1信号保持电容器cr21、第2信号保持电容器cs21、第3信号保持电容器cr22、第4信号保持电容器cs22而构成。

第1采样晶体管shr1-tr连接在输入节点nd22与保持节点nd23之间，该输入节点nd22与信号线lsgn1连接。

第1采样晶体管shr1-tr在全局快门期间或信号保持电容器的清空期间将采样保持部222的第1信号保持电容器cr21经由保持节点nd23与光电变换读出部210的读出节点nd2选择性连接。

第1采样晶体管shr1-tr在例如控制信号shr1为高电平的期间成为导通状态。

第1信号保持电容器cr21连接在保持节点nd23与基准电位vss之间。

第2采样晶体管shs1-tr连接在输入节点nd22与保持节点nd24之间，该输入节点nd22与信号线lsgn1连接。

第2采样晶体管shs1-tr在全局快门期间或信号保持电容器的清空期间将采样保持部222的第2信号保持电容器cs21经由保持节点nd24与光电变换读出部210的读出节点nd2选择性连接。

第2采样晶体管shs1-tr例如在控制信号shs1为高电平的期间成为导通状态。

第2信号保持电容器cs21连接在保持节点nd24与基准电位vss之间。

第3采样晶体管shr2-tr连接在输入节点nd22与保持节点nd25之间，该输入节点nd22与信号线lsgn1连接。

第3采样晶体管shr2-tr在全局快门期间或信号保持电容器的清空期间将采样保持部222的第3信号保持电容器cr22经由保持节点nd25与光电变换读出部210的读出节点nd2选择性连接。

第3采样晶体管shr2-tr例如在控制信号shr2为高电平的期间成为导通状态。

第3信号保持电容器cr22连接在保持节点nd25与基准电位vss之间。

第4采样晶体管shs2-tr连接在输入节点nd22与保持节点nd26之间，该输入节点nd22与信号线lsgn1连接。

第4采样晶体管shs2-tr在全局快门期间或信号保持电容器的清空期间将采样保持部222的第4信号保持电容器cs22经由保持节点nd26与光电变换读出部210的读出节点nd2选择性连接。

第4采样晶体管shs2-tr例如在控制信号shs2为高电平的期间成为导通状态。

第4信号保持电容器cs22连接在保持节点nd26与基准电位vss之间。

另外，第1采样晶体管shr1-tr、第2采样晶体管shs1-tr、第3采样晶体管shr2-tr以及第4采样晶体管shs2-tr由mos晶体管、例如p沟道mos(pmos)晶体管形成。

第1输出部223包含在全局快门期间基本对应于保持电压输出保持于第1信号保持电容器cr21的信号的作为第2源极跟随元件的源极跟随晶体管sf2r-tr，将保持的信号选择性地经由选择晶体管sel1r-tr输出到垂直信号线lsgn11。

源极跟随晶体管sf2r-tr和选择晶体管sel1r-tr串联连接在基准电位vss与垂直信号线lsgn11之间。

在源极跟随晶体管sf2r-tr的栅极连接保持节点nd23，选择晶体管sel1r-tr被通过控制线施加在栅极的控制信号sel1控制。

选择晶体管sel1r-tr在控制信号sel1为h电平的选择期间被选择而成为导通状态。由此源极跟随晶体管sf2r-tr将与第1信号保持电容器cr21的保持电压相应的列输出的读出电压(vrst)输出到垂直信号线lsgn11。

第2输出部224包含在全局快门期间基本对应于保持电压输出保持于第2信号保持电容器cs21的信号的作为第3源极跟随元件的源极跟随晶体管sf3s-tr，将保持的信号选择性地经由选择晶体管sel2s-tr输出到垂直信号线lsgn12。

源极跟随晶体管sf3s-tr和选择晶体管sel2s-tr串联连接在基准电位vss与垂直信号线lsgn12之间。

在源极跟随晶体管sf3s-tr的栅极连接保持节点nd24，选择晶体管sel2s-tr被通过控制线施加在栅极的控制信号sel1控制。

选择晶体管sel2s-tr在控制信号sel1为h电平的选择期间被选择而成为导通状态。由此源极跟随晶体管sf3s-tr将与第2信号保持电容器cs21的保持电压相应的列输出的读出电压(vsig)输出到垂直信号线lsgn12。

第3输出部225包含在全局快门期间基本对应于保持电压输出保持于第3信号保持电容器cr22的信号的作为第4源极跟随元件的源极跟随晶体管sf4r-tr，将保持的信号选择性地经由选择晶体管sel3r-tr输出到垂直信号线lsgn13。

源极跟随晶体管sf4r-tr和选择晶体管sel3r-tr串联连接在基准电位vss与垂直信号线lsgn13之间。

在源极跟随晶体管sf4r-tr的栅极连接保持节点nd25，选择晶体管sel3r-tr被通过控制线施加在栅极的控制信号sel1控制。

选择晶体管sel3r-tr在控制信号sel1为h电平的选择期间被选择而成为导通状态。由此源极跟随晶体管sf4r-tr将与第3信号保持电容器cr22的保持电压相应的列输出的读出电压(vrst)输出到垂直信号线lsgn13。

第4输出部226包含在全局快门期间基本对应于保持电压输出保持于第4信号保持电容器cs22的信号的作为第5源极跟随元件的源极跟随晶体管sf5s-tr，将保持的信号选择性地经由选择晶体管sel4s-tr输出到垂直信号线lsgn14。

源极跟随晶体管sf5s-tr和选择晶体管sel4s-tr串联连接在基准电位vss与垂直信号线lsgn14之间。

在源极跟随晶体管sf5s-tr的栅极连接保持节点nd26，选择晶体管sel4s-tr被通过控制线施加在栅极的控制信号sel1控制

选择晶体管sel4s-tr在控制信号sel1为h电平的选择期间被选择而成为导通状态。由此，源极跟随晶体管sf5s-tr将与第4信号保持电容器cs22的保持电压相应的列输出的读出电压(vsig)输出到垂直信号线lsgn14。

如此，在本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10中，在作为像素信号存储器的信号保持部220，在电压模式下在全像素同时采样像素信号，将与保持于第1信号保持电容器cr21、第2信号保持电容器cs21、第3信号保持电容器cr22、第4信号保持电容器cs22的读出信号对应的变换信号读出到垂直信号线lsgn11～14，提供给列读出电路40。

具有以上那样构成的像素200例如如图4那样排列成像素阵列，组合多个像素阵列来构成本第1实施方式所涉及的像素部20。

图4是用于说明本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的像素部20中的像素阵列的图。

第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的像素部20包含像素阵列230以及保持部阵列240而构成。

像素阵列230将多个像素200的光电变换读出部210排列成n行×m列的二维的矩阵状(matrix状)。

像素阵列230将多个像素200的光电变换读出部210排列成n行×m列的二维的矩阵状，使得例如能输出16∶9的纵横比的图像。

保持部阵列240将多个像素200的信号保持部220对应于像素阵列230排列成n行×m列的二维的矩阵状。

保持部阵列240与像素阵列230同样将多个像素200的信号保持部220排列成n行×m列的二维的矩阵状，使得例如能输出16∶9的纵横比的图像。

固体摄像装置10在后述那样具有第1基板(上基板)与第2基板(下基板)的层叠结构的情况下，在第1基板形成像素阵列230，在第2基板形成为保持部阵列240与像素阵列230对置。

在该情况下，保持部阵列240可以完全被金属布线层遮光。

像素部20在读出部70的控制下，在全局快门模式时将像素阵列230以及保持部阵列240激活来进行像素信号的读出。

在像素部20，全像素同时使用复位晶体管rst1-tr和转发晶体管tg1-tr来复位光电二极管，由此全像素同时并行地开始曝光。另外，在给定的曝光期间结束后，使用转发晶体管tg1-tr在信号保持部220采样来自光电变换读出部的输出信号，由此全像素同时并行地结束曝光。由此在电子上实现完全的快门动作。

垂直扫描电路30对应于定时控制电路60的控制，在快门行以及读出行通过行扫描控制线进行像素200的光电变换读出部210以及信号保持部220驱动。

另外，垂直扫描电路30按照地址信号来输出进行信号的读出的读取行和将积蓄于光电二极管pd的电荷复位的快门行的行地址的行选择信号。

列读出电路40可以包含对应于像素部20的各列输出配置的多个列(column)信号处理电路(未图示)，能在多个列信号处理电路进行列并行处理。

列读出电路40在全局快门模式时在垂直信号线lsgn11～14对从像素200的信号保持部220读出的差动的像素信号pixout(vsl)进行放大处理以及ad变换处理。

在此，像素信号pixout(vsl)是指包含在全局快门模式时从像素(本例中是像素200的光电变换读出部210，进而是信号保持部220)依次读出的读出信号vsig以及读出复位信号vrst的像素读出信号。

在本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10中，列读出电路40形成为不管动作模式或读出信号的信号形态(单端、差动等信号)如何都能在一个电路构成中共用。

列读出电路40例如如图5所示那样包含放大器(amp、amplifier)41以及adc(模拟数字转换器；ad变换器)42而构成。

水平扫描电路50扫描在列读出电路40的adc等多个列信号处理电路中处理过的信号并将其向水平方向转发，输出到未图示的信号处理电路。

定时控制电路60生成像素部20、垂直扫描电路30、读出电路40、水平扫描电路50等的信号处理所需的定时信号。

在本第1实施方式中，读出部70例如在全局快门模式时将像素阵列230以及保持部阵列240激活来进行差动的像素信号pixout的读出。

(固体摄像装置10的层叠结构)

接下来说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的层叠结构。

图6的(a)和(b)是用于说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的层叠结构的图。

本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10具有第1基板(上基板)110与第2基板(下基板)120的层叠结构。

固体摄像装置10例如在以晶片级进行贴合后作为以划片切出的层叠结构的摄像装置而形成。

在本示例中具有在第2基板120上层叠第1基板110的结构。

在第1基板110，以其中央部为中心形成排列像素部20的各像素200的光电变换读出部210的像素阵列230(区域111)。

然后在像素阵列230的周围、图6的(a)的示例中是在图中的上侧以及下侧形成列读出电路40的一部分用的区域112、113。另外，列读出电路40的一部分可以构成为配置于像素阵列230的区域111的上侧以及下侧的任一侧。

如此在本第1实施方式中，在第1基板110基本矩阵状地形成像素200的光电变换读出部210。

在第2基板120形成：以其中央部为中心将与像素阵列230的各光电变换读出部210的输出节点nd2连接的各像素200的信号保持部220矩阵状排列的保持部阵列240(区域121)；和垂直信号线lsgn11～14。

保持部阵列240也可以完全被金属布线层遮光。

然后在保持部阵列240的周围、图6的(b)的示例中是在图中的上侧以及下侧形成列读出电路40用的区域122、123。另外，列读出电路40可以构成为形成于保持部阵列240的区域121的上侧以及下侧的任一侧。

另外，可以在保持部阵列240的侧部侧形成垂直扫描电路30用的区域、数字系统和输出系统的区域。

另外，在第2基板120还形成垂直扫描电路30、水平扫描电路50以及定时控制电路60。

在这样的层叠结构中，第1基板110的像素阵列230的各光电变换读出部210的读出节点nd2和第2基板120的各像素200的信号保持部220的输入节点nd22例如如图2所示那样，分别使用过孔(die-to-dievia)或微凸块bmp等进行电连接。

(固体摄像装置10的读出动作)

以上说明了固体摄像装置10的各部的特征性的构成以及功能。

接下来说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的差动的像素信号的读出动作等的概要。

图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的固体摄像装置中的帧读出顺序的一例的图。

图8的(a)～(h)是示出用于以本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图9的(a)～(d)在用于以本第1实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的读出动作的时序图。

本第1实施方式中，如图7所示那样，在光电二极管pd1中的电荷的蓄积期间pi结束后进行低照度时的信号读出，接着进行高照度时的信号读出。

作为动作顺序，首先使转发晶体管tg1-tr、蓄积晶体管sg1-tr以及重置晶体管rst1-tr成为导通状态来进行所谓的全局重置。

接下来进行读出重置信号的采样。然后进行光电二极管pd1饱和前和饱和后的读出重置信号的采样。

接下来，进行与光电二极管pd1饱和前的读出重置信号对应的读出信号的采样。

接下来，进行与光电二极管pd1饱和后的读出重置信号对应的读出信号的采样。

如此，在读出像素200的像素信号vrst、vsig的情况下，在信号保持部220中，在电荷溢流时，从光电变换读出部210读出第1读出重置信号vrst1作为像素信号，使信号保持部220的第1开关晶体管shr1-tr导通给定期间，并使该读出重置信号vrst1保持在第1信号保持电容器cr21。

然后，从光电变换读出部210读出第1读出信号vsig1作为像素信号，使信号保持部220的第2开关晶体管shs1-tr导通给定期间导通，使该读出信号vsig1保持在第2信号保持电容器cs21。

在电荷溢流时，从光电变换读出部210读出第2读出信号vsig2作为像素信号，使信号保持部220的第4开关晶体管shs2-tr导通给定期间，使该读出信号vsig2保持在第4信号保持电容器cs22。

然后从光电变换读出部210读出第2读出重置信号vrst2作为像素信号，使信号保持部220的第3开关晶体管shr2-tr导通给定期间，使该读出重置信号vrst2保持在第3信号保持电容器cr22。

然后例如在构成读出部70的一部分的列读出电路40中，进行对差动且同时并行地提供的像素信号pixout的读出复位信号vrst和读出信号vsig的放大处理、ad变换处理，另外，取两信号的差分{vrst-vsig}来进行cds处理。

如以上说明的那样，根据本第1实施方式，像素部20构成为例如层叠型的cmos图像传感器，包含将多个像素200的光电变换读出部210矩阵状配置的像素阵列230和将多个像素200的信号保持部220矩阵状配置的保持部阵列240。

即，在本第1实施方式中，固体摄像装置10例如构成为层叠型的cmos图像传感器，在像素部20中包含光电变换读出部以及信号保持部作为像素，具有全局快门的动作功能，且能实质实现大动态范围化、高帧频化。

在本第1实施方式的固体摄像装置10中，信号保持部能保持针对如下电压信号的信号：与在蓄积期间后的转发期间转发到输出节点即浮置扩散fd的作为光电变换元件的光电二极管pd的蓄积电荷相应的电压信号；以及，与在任意的期间从作为光电变换元件的光电二极管pd1以及作为蓄积电容元件的蓄积电容器cs1当中的至少光电二极管pd1溢出到输出节点即浮置扩散fd1的溢流电荷相应的电压信号。

因此，根据本第1实施方式的固体摄像装置10，能实现全局快门自不必说，由于能实时利用在蓄积期间从光电二极管溢出的电荷，因此能实现大动态范围化、高帧频化。

另外，根据本发明，能实质实现大动态范围化、高帧频化，且能谋求低噪声化，能将有效像素区域最大限扩大，能将单位成本的价值最大限提高。

另外，根据本第1实施方式的固体摄像装置10，能防止构成的复杂化并能防止布局上的面积效率的降低。

另外，本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10具有第1基板(上基板)110与第2基板(下基板)120的层叠结构。

因此在本第1实施方式中，通过基本仅由nmos系的元件形成第1基板110侧、以及由像素阵列将有效像素区域最大限地扩大，能将单位成本的价值提高到最大限。

(第2实施方式)

图10是表示本发明的第2实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的结构例的图。

本第2实施方式所涉及的固体摄像装置10a与上述的第1实施方式所涉及的固体摄像装置10的不同点如以下那样。

在本第2实施方式所涉及的固体摄像装置10a的信号保持部220a中，在输入节点nd22与第1开关晶体管shr1-tr、第2开关晶体管shs1-tr、第3开关晶体管shr2-tr以及第4开关晶体管shs2-tr开关元件之间连接具有与参考电压的比较功能的缓冲放大器bfam1。

根据本第2实施方式，能得到与上述的第1实施方式的效果同样的效果自不必说，还能谋求读出处理的高速化、稳定化。

(第3实施方式)

图11是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置的结构例的框图。

在本实施方式中，固体摄像装置10b例如由包含数字像素(digitalpixel)作为像素的cmos图像传感器构成。

该固体摄像装置10b如图11所示那样，具有作为摄像部的像素部20b、垂直扫描电路(行扫描电路)30b、输出电路80以及定时控制电路60作为主构成要素。

由这些构成要素当中例如垂直扫描电路30b、输出电路80以及定时控制电路60构成像素信号的读出部70b。

在本第3实施方式中，固体摄像装置10b例如构成为层叠型的cmos图像传感器，在像素部20b具有光电变换读出部210以及信号保持部220b作为数字像素，信号保持部220b包含ad(模拟数字)变换部以及存储器部，具有全局快门的动作功能。

在本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b中，如之后详述的那样，各数字像素dp具有ad变换功能，ad变换部具有进行将由光电变换读出部读出的电压信号和参考电压比较并输出数字化的比较结果信号的比较处理的比较器(comparator)。

然后比较器在读出部70b的控制下进行第1比较处理和第2比较处理，在第1比较处理中，输出针对如下电压信号的数字化的第1比较结果信号，该电压信号与在蓄积期间从光电变换元件溢出到输出节点(浮置扩散)的溢流电荷相应，在第2比较处理输出针对如下电压信号的数字化的第2比较结果信号，该电压信号与在蓄积期间后的转发期间转发到输出节点的光电变换元件的蓄积电荷相应。

以下详述固体摄像装置10b的各部的结构以及功能的概要，特别详述像素部20b以及数字像素的结构以及功能、与它们关联的读出处理、和像素部20b与读出部70b的层叠结构等。

(像素部20b以及数字像素200b的结构)

图12是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的像素部的数字像素阵列的一例的图。

图13是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的像素的一例的电路图。

像素部20b如图12所示那样，多个数字像素200b排列成n行m列的行列状(矩阵状)。

另外，在图12中，为了简化附图而示出9个数字像素200b配置成3行3列的行列状(m＝3、n＝3的矩阵状)的示例。

本第3实施方式所涉及的数字像素200b包含光电变换读出部(图12中标记为pd)210、ad变换部(图12中标记为adc)250以及存储器部(图2中标记为mem)260而构成。

本第3实施方式的像素部20b如之后详述的那样构成为第1基板110与第2基板120的层叠型的cmos图像传感器，但在在本例中，如图13所示那样，在第1基板110形成光电变换读出部210，在第2基板120形成信号保持部220b的ad变换部250以及存储器部260。

数字像素200b的光电变换读出部210与图2的结构同样。因此省略其详细的说明。

其中本第1实施方式所涉及的光电变换读出部210在ad变换部250的第1比较处理期间pcmp1输出与在蓄积期间pi从光电变换元件即光电二极管pd1溢出到作为输出节点的浮置扩散fd1的溢流电荷相应的电压信号vsl。

进而光电变换读出部210在ad变换部250的第2比较处理期间pcmp2输出与在蓄积期间pi后的转发期间pt转发到作为输出节点的浮置扩散fd1的光电二极管pd1的积电荷相应的电压信号vsl。

光电变换读出部210在第2比较处理期间pcmp2将作为像素信号的读出重置信号(信号电压)(vrst)以及读出信号(信号电压)(vsig)输出到ad变换部250。

数字像素200的ad变换部250具有将由光电变换读出部210输出的模拟的电压信号vsl与具有给定的倾斜度而变化的斜坡波形或固定电压的参考电压vref进行比较来变换成数字信号的功能。

ad变换部250如图13所示那样包含比较器(comp)251、计数器(cnt)252、输入侧耦合电容器c251、输出侧的负载电容器c252以及重置开关sw-rst而构成。

比较器251进行比较处理，对作为第1输入端子的反转输入端子(-)提供从光电变换读出部210的输出缓冲部211输出到信号线lsgn1的电压信号vsl，对作为第2输入端子的非反转输入端子(+)提供参考电压vref，比较电压信号vst和参考电压vref，输出数字化的比较结果信号scmp.

比较器251构成为在作为第1输入端子的反转输入端子(-)连接耦合电容器c251，通过将第1基板110侧的光电变换读出部210的输出缓冲部211和第2基板120侧的ad变换部250的比较器251的输入部进行ac耦合来谋求低噪声化，能在低照度时实现高snr。

另外，比较器251在输出端子与作为第1输入端子的反转输入端子(-)之间连接重置开关sw-rst，在输出端子与基准电位vss之间连接负载电容器c252。

基本上，在ad变换部250中，从光电变换读出部210的输出缓冲部211读出到信号线lsgn1的模拟信号(电位vsl)在比较器251中与参考电压vref、例如具有某倾斜度而线性变化的倾斜波形的斜坡信号ramp比较。

这时，与比较器251同样配置在每列的计数器252动作，通过有斜坡波形的斜坡信号ramp和计数器值在取一对一的对应的同时发生变化，来将电压信号vsl变换成数字信号。

基本上，参考电压vref(例如斜坡信号ramp)的变化是将电压的变化变换成时间的变化，ad变换部250通过以某周期(时钟)对该时间计数来变换成数字值。

然后在模拟信号vsl和斜坡信号ramp(参考电压vref)相交时，比较器251的输出反转，停止计数器252的输入时钟，或将停止输入的时钟输入到计数器252，将这时的计数器252的值(数据)存储到存储器部260来使ad变换完成。

在以上的ad变换期间结束后，存放在各数字像素200b的存储器部260的数据(信号)被从输出电路80输出到未图示的信号处理电路，通过给定的信号处理而生成二维图像。

(比较器251中的第1比较处理以及第2比较处理)

然后本第1实施方式的ad变换部250的比较器251被读出部70b驱动控制，使得在像素信号的读出期间进行接下来的2个第1比较处理以及第2比较处理。

在第1比较处理cmpr1中，比较器251在读出部70b的控制下输出针对电压信号vsl1的数字化的第1比较结果信号scmp1，电压信号vsl1与在蓄积期间pi从光电变换元件即光电二极管pd1溢出到输出节点即浮置扩散fd1的溢流电荷相应。

另外，该第1比较处理cmpr1的动作是溢流电荷的采样动作，也称作时间戳adc模式的动作。

在第2比较处理cmpr2中，比较器251在读出部70b的控制下输出针对电压信号vsl2(vsig)的数字化的第2比较结果信号scmp2，电压信号vsl2(vsig)与在蓄积期间pi后的转发期间pt转发到输出节点即浮置扩散fd1的光电二极管pd1的蓄积电荷相应。

实际上，在第2比较处理cmpr2中，在对与蓄积电荷相应的电压信号vsl2(vsig)的数字化前，进行对与重置时的浮置扩散fd1的重置电压相应的电压信号vsl2(vrrt)的数字化。

另外，该第2比较处理cmpr2的动作是蓄积电荷的采样动作，但也称作线性adc模式的动作。

另外，在本实施方式中，基本上蓄积期间pi是从光电二极管pd1以及浮置扩散fd1被重置成重置电平起到转发晶体管tg1-tr被切换为导通状态而转发期间pt开始为止的期间。

第1比较处理cmpr1的期间pcmpr1是从光电二极管pd1以及浮置扩散fd1被重置成重置电平起到转发期间pt开始前浮置扩散fd1被重置成重置电平为止的期间。

第2比较处理cmpr2的期间pcmpr2是浮置扩散fd1被重置成重置电平后的期间，是包含转发期间pt后的期间的期间。

在此进一步详述第1比较处理cmpr1。

图14是用于说明本实施方式所涉及的比较器251的第1比较处理cmpr1的图。

在图14中，横轴表示时间，纵轴表示输出节点即浮置扩散fd1的电压电平vfd。

关于浮置扩散fd1的电压电平vfd，重置电平时电荷量最少，电压电平vfd成为最高的电平vfdini。

另一方面，饱和状态时电荷量多，电压电平vfd成为低的电平vfdsat。

按照这样的条件，将比较器251的参考电压vref1设定为固定在即将成为饱和状态前的非饱和状态时的电平的电压vrefsat，或者设定为从重置电平时的电压电平vrefrst至电压电平vrefsat的斜坡电压vreframp。

若在第1比较处理cmpr1时，这样的参考电压vref1被设定为vrefsat或vreframp，则如图14所示那样，由于入射光的强度是越高的高照度时电荷量越多，因此比较器251的输出进行翻转(反转)的时间越快。

在最高照度的例exp1的情况下，比较器251的输出在时刻t1立即进行翻转(反转)。

在照度低于例exp1的照度的例exp2的情况下，比较器251的输出在比时刻t1晚的时刻t2进行翻转(反转)。

在照度低于例exp2的照度的例exp3的情况下，比较器251的输出在比时刻t2晚的时刻t3进行翻转(反转)。

如此，比较器251在第1比较处理cmpr1中输出针对如下时间的第1比较结果信号scmp1，该时间与在蓄积期间pi的给定期间从光电二极管pd1向浮置扩散fd1的溢流电荷的量相应。

更具体地，比较器251在第1比较处理cmpr1中能应对与如下信号电平的光等级的比较处理：该信号电平为从“与溢流电荷开始从光电二极管pd1溢出到输出节点即浮置扩散fd1的最大采样时间中的光电二极管pd1的给定的阈值对应的信号电平”到“在最小采样时间得到的信号电平”。

如上述那样，时间戳adc模式下的光变换动作(photoconversionoperation)在蓄积期间pi中与光-时间变换(lighttotimeconversion)相伴被执行。

如图14所示那样，在非常亮的光下，在紧接在重置活性化期间后比较器251的输出状态反转，其光等级与以下的时间说明的饱和信号(阱电容)对应。

((fd饱和量×蓄积时间)/采样期间)+pd饱和量

例如假定为fd饱和：8ke@150uv/e～fd电容的1.1ff、最小采样时间：15nsec、蓄积时间：3msec。

在该时间戳adc动作模式下，如上述那样，能覆盖从“与溢流电荷开始从光电二极管pd1溢流到输出节点即浮置扩散fd1的最大采样时间中的光电二极管pd1的给定的阈值对应的信号电平”到“在最小采样时间得到的信号电平”的光等级。

图15是用于说明本实施方式所涉及的比较器251的第1比较处理cmpr1的图，是用于说明参考电压的其他型式例的图。

参考电压vref可以是图15中以(1)表示的以给定的倾斜度变化的梯形波形(信号)ramp或图15中以(2)表示的固定电压dc，另外，也可以是取图15中以(3)表示的对数(log)或图15中以(4)表示的指数函数的值的电压信号。

图16是表示对本实施方式所涉及的比较器输入种种参考电压vref的情况下的光时间变换的状态的图。

在图16中，横轴表示采样时间，纵轴表示溢流信号中的估计信号。另外，这里所谓的溢流信号，是使转发晶体管tg1-tr为导通状态来未在光电二极管pd1积蓄电荷为条件(非溢流)而估计的信号。

图16表示基于运用的光的性质(适应性)的与溢流电荷(信号)对应的比较器251进行反转的采样时间。

在图16中对各种固定基准电压dc1、dc2、dc3和斜坡基准电压vramp示出进行反转的采样时间。这里使用线性基准斜坡。

若进行对以上的饱和的溢流电荷的第1比较处理cmpr1的时间戳adc模式的动作结束，则在将浮置扩散fd1和比较器251重置后，移转到进行对非饱和电荷的第2比较处理cmpr2的线性adc模式的动作。

图17是表示本发明的第3实施方式所涉及的数字像素中的光响应覆盖的图。

在图17中，a表示对时间溢流电荷从蓄积期间pi的开始起进行第1比较处理cmpr1或在蓄积期间pi略读溢流电荷的时间戳adc模式动作的信号，b表示进行对蓄积电荷的第2比较处理cmpr2的线性adc模式动作的信号。

时间戳adc模式由于能具有对非常亮的光的光响应，因此线性adc模式能具有从暗的等级起的光响应。例如能实现120db的动态范围性能。

例如如上述那样光变换范围的饱和信号是900ke。

线性adc模式由于是运用adc的通常的读出模式动作，因此能从2e的噪声等级覆盖到8ke的光电二极管pd1和浮置扩散fd1的饱和。

线性adc模式的覆盖范围能用追加的开关和电容扩展到30ke。

图18是表示本发明的第3实施方式所涉及的存储器部以及输出电路的结构例的图。

比较器251中通过第1比较处理cmpr1将与浮置扩散fd1的溢流电荷相应的电压信号数字化的第1比较结果信号scmp1、以及通过第2比较处理cmpr2将光电二极管pd1的蓄积电荷数字化的第2比较结果信号scmp2被建立关联，作为数字数据存储在存储器261、262。

存储器部260由sram或dram构成，被提供数字变换的信号，与光变换码对应，能由像素阵列周边的输出电路80的外部io缓冲器81读出。

图19是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置10中的帧读出顺序的一例的图。

这里说明固体摄像装置10b中的帧读出方式的一例。

在图19中，ts表示时间戳adc的处理期间，lin表示线性adc的处理期间。

如上述那样，溢流电荷在蓄积期间pi中蓄积在浮置扩散fd1。时间戳adc模式在蓄积时间pi中动作。

实际上，时间戳adc模式在蓄积期间pi中的到浮置扩散fd1被重置为止的期间动作。

若时间戳adc模式的动作结束，就过渡到线性adc模式，将浮置扩散fd1的重置时的信号(vrst)读出并进行变换，来将数字信号存放在存储器部260。

进而在蓄积期间pi的结束后，在线性adc模式下读出与光电二极管pd1的蓄积电荷相应的信号(vsig)并进行变换，来将数字信号存放在存储器部260。

读出的帧通过从存储器节点的数字信号数据的读出来执行，具有这样的mipi数据格式，经由例如输出电路80的io缓冲器81(图18)被送到固体摄像装置10(图像传感器)的外部。该动作能对全像素(pixel)阵列全局地执行。

另外，在像素部20，通过在全像素同时使用重置晶体管rst1-tr和转发晶体管tg1-tr将光电二极管pd1重置，来在全像素同时并行开始曝光。另外，在给定的曝光期间(蓄积回归pi)结束后，通过使用转发晶体管tg1-tr在ad变换部250、存储器部260采样来自光电变换读出部的输出信号，来在全像素同时并行结束曝光。由此在电子上实现完全的快门动作。

垂直扫描电路30b按照定时控制电路50的控制在快门行以及读出行通过行扫描控制线进行数字像素200的光电变换读出部210的驱动。

垂直扫描电路30b按照定时控制电路50的控制对各数字像素200的比较器251提供遵循第1比较处理cmpr1、第2比较处理cmpr2而设定的参考电压vref1、vref2。

另外，垂直扫描电路30b按照地址信号输出进行信号的读出的读出行和将蓄积于光电二极管pd的电荷重置的快门行的行地址的行选择信号。

输出电路80例如如图18所示那样，包含对应于像素部20b的各数字像素200b的存储器输出而配置的io缓冲器81，将从各数字像素200b读出的数字数据输出到外部。

定时控制电路60生成像素部20b、垂直扫描电路30b、输出电路80等的信号处理所需的定时信号。

在本第3实施方式中，读出部70b在例如全局快门模式时进行来自数字像素200b的像素信号的读出控制。

(固体摄像装置10b的层叠结构)

接下来说明本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的层叠结构。

图20的(a)和(b)是用于说明本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的层叠结构的示意图。

图21是用于说明本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的层叠结构的简略截面图。

本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b具有第1基板(上基板)110b与第2基板(下基板)120b的层叠结构。

固体摄像装置10b例如在以晶片级进行贴合后作为用划片机切出的层叠结构的摄像装置而形成。

在本例中具有第1基板110b和第2基板120b层叠的结构。

在第1基板110b，以其中央部为中心形成像素部20b的各数字像素200b的光电变换读出部210。

在第1基板110b的光l的入射侧即第1面111侧形成光电二极管pd，在该光入射侧形成微透镜mcl或彩色滤光器。

在第1基板110b的第2面侧形成转发晶体管tg1-tr、重置晶体管rst1-tr、源极跟随晶体管sf1-tr、电流晶体管ic1-tr、蓄积晶体管sg1-tr、蓄积电容器cs1。

如此在本第3实施方式中，在第1基板110b基本行列状形成数字像素200b的光电变换读出部210。

在第2基板120b矩阵状形成各数字像素200b的ad变换部250、存储器部260。

另外，在第2基板120b可以还形成垂直扫描电路30b、输出电路80以及定时控制电路60。

在这样的层叠结构中，第1基板110b的各光电变换读出部210的读出节点nd2和第2基板120b的各数字像素200的比较器251的反转输入端子(-)例如如图13所示那样，分别使用信号线lsgn1、微凸块bmp或过孔(die-to-dievia)等进行电连接。

另外，在本实施方式中，第1基板110b的各光电变换读出部210的读出节点nd2和第2基板120b的各数字像素200的比较器251的反转输入端子(-)通过耦合电容器c251进行ac耦合。

(固体摄像装置10b的读出动作)

以上说明了固体摄像装置10的各部的特征性的构成以及功能。

接下来说明本第1实施方式所涉及的固体摄像装置10b的数字像素200b的像素信号的读出动作等的概要。

以下说明第1读出方法rdo1、第2读出方法rdo2以及第3读出方法rdo3的概要。

第1读出方法rdo1是对溢流电荷从蓄积期间pi的开始起进行第1比较处理cmpr1的方法。

第2读出方法rdo2是在蓄积期间pi略读溢流电荷来进行第1比较处理cmpr1的方法。

第3读出方法rdo3是在蓄积期间pi略读溢流电荷来进行第1比较处理cmpr1、接着进行第2比较处理cmpr2的方法。

(第1读出方法rdo1)

图22的(a)～(e)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第1读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图23的(a)～(d)是用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主说明像素部中的第2读出动作的时序图。

在本第1读出方法rdo1中，使蓄积晶体管sg1-tr为导通状态来采样重置状态，从而从光电二极管pd1中的电荷的蓄积期间pi开始起进行与溢流电荷相应的电压信号读出。然后在蓄积期间pi结束后进行与光电二极管pd1的蓄积电荷相应的电压信号读出。

作为动作顺序，首先使晶体管tg1-tr、蓄积晶体管sg1-tr以及重置晶体管rst1-tr成为导通状态来进行所谓的全局重置。

接下来，进行与蓄积电容器cs1关联的读出重置信号的采样。然后，进行与读出重置信号对应的读出信号的采样。

接下来，进行与浮置扩散fd1关联的读出重置信号的采样。然后，进行与读出重置信号对应的读出信号的采样。

(第2读出方法rdo2)

图24是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置中的第2读出方法的帧读出顺序的一例的图。

图25的(a)～(h)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第2读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图26的(a)～(d)是用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主来说明像素部中的第2读出动作的时序图。

图27是示意表示在第2读出方法中的蓄积期间中途略读溢流电荷的处理的一例的图。

图28是示意表示从光电二极管溢流电荷、进而溢流到蓄积电容器cs1侧的状况的图。

在本第2读出方法rdo2中，如图27以及图28所示那样，假定电荷从光电二极管pd1向浮置扩散fd1溢流进而溢流到蓄积电容器cs1侧的情况，来在蓄积期间中途略读溢流电荷。

作为动作顺序，首先使晶体管tg1-tr、蓄积晶体管sg1-tr以及重置晶体管rst1-tr成为导通状态来进行所谓的全局重置。

蓄积期间pi开始，在蓄积期间pi中读出浮置扩散fd1的光电二极管pd1饱和前的信号。

接下来，在蓄积期间pi中，在浮置扩散fd1的光电二极管pd1饱和后读取蓄积电容器cs1侧饱和前的信号。

接下来，在蓄积期间pi中，在浮置扩散fd1的光电二极管pd1饱和后读取蓄积电容器cs1侧饱和后的信号。

接下来，将浮置扩散fd1重置。

接下来，使转发晶体管tg1-tr成为给定期间导通状态来将蓄积电荷转发到浮置扩散fd1。

接下来，进行与浮置扩散fd1关联的读出信号的采样

然后进行与蓄积电容器cs1关联的读出信号的采样。

(第3读出方法rdo3)

图29是表示本发明的第3实施方式所涉及的固体摄像装置中的第3读出方法的帧读出顺序的一例的图。

图30的(a)～(h)是示出用于以本第3实施方式所涉及的固体摄像装置的给定快门模式时为主说明像素部中的第3读出动作的动作顺序以及位势过渡的图。

图31是示意表示在第3读出方法中的蓄积期间中途略读溢流电荷的处理的一例的图。

在第3读出方法rdo3中，在全蓄积期间pi一边改变参考电压vref一边采样与照度相应的输出节点的电平。

作为动作顺序，首先使晶体管tg1-tr、蓄积晶体管sg1-tr以及重置晶体管rst1-tr成为导通状态来进行所谓的全局重置。

接下来，进行与蓄积电容器cs1关联的读出重置信号的采样。然后进行光电二极管pd1饱和前和饱和后的读出重置信号的采样。

接下来，进行与光电二极管pd1饱和前的读出重置信号对应的读出信号的采样。

接下来，进行与光电二极管pd1饱和后的读出重置信号对应的读出信号的采样。

如以上说明的那样，根据本第3实施方式，固体摄像装置10b例如构成为层叠型的cmos图像传感器，在像素部20b包含光电变换读出部210、ad变换部250以及存储器部260作为数字像素，具有全局快门的动作功能。

在本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b中，各数字像素200具有ad变换功能，ad变换部250具有进行将由光电变换读出部210读出的电压信号和参考电压进行比较并输出数字化的比较结果信号的比较处理的比较器251。

然后比较器251在读出部70b的控制下进行第1比较处理cmpr1和第2比较处理cmpr2，在第1比较处理cmpr1中，输出针对如下电压信号的数字化的第1比较结果信号scmp1，该电压信号与在蓄积期间从光电二极管pd1溢出到输出节点(浮置扩散)fd1的溢流电荷相应，在第2比较处理cmpr2中，输出针对如下电压信号的数字化的第2比较结果信号scmp2，该电压信号与在蓄积期间后的转发期间转发到浮置节点fd1(输出节点)的光电二极管pd1的蓄积电荷相应。

在本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b中，在第1读出方法rdo1中，对溢流电荷从蓄积期间pi的开始起进行第1比较处理cmpr1。

在第2读出方法rdo2中，在蓄积期间pi略读溢流电荷来进行第1比较处理cmpr1。

在第3读出方法rdo3中，在全蓄积期间pi，一边改变参考电压vref一边在蓄积期间pi略读溢流电荷来进行第1比较处理cmpr1，接着进行第2比较处理cmpr2。

因此，根据本第3实施方式的固体摄像装置10b，由于能实时利用在蓄积期间从光电二极管溢出的电荷，因此能实现大动态范围化、高帧频化。

另外，根据本发明，能实质实现大动态范围化、高帧频化，且能谋求低噪声化，能将有效像素区域最大限扩大，能将单位成本的价值最大限提高。

另外，根据本第3实施方式的固体摄像装置10b，能防止结构的复杂化，并能防止布局上的面积效率的降低。

另外，本第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b具有第1基板(上基板)110b与第2基板(下基板)120b的层叠结构。

因此，在本第3实施方式中，通过基本仅用nmos系的元件形成第1基板110b侧、以及通过像素阵列将有效像素区域最大限地扩大，能将单位成本的价值最大限地提高。

(第4实施方式)

图32是表示本发明的第4实施方式所涉及的固体摄像装置的像素的结构例的图。

本第4实施方式所涉及的固体摄像装置10c与上述的第3实施方式所涉及的固体摄像装置10b的不同点如以下那样。

在本第4实施方式所涉及的固体摄像装置10c的光电变换读出部210c中，设置旁路晶体管bp1-tr作为旁路部，在蓄积期间中，在信号采样时使源极跟随晶体管sf1-tr旁路，从而将蓄积电容器cs1直接连接到读出节点nd2侧。

由此能将作为蓄积电容元件的蓄积电容器cs1的电容分量直接输入到比较器251。

根据本第4实施方式，能得到与上述的第1实施方式的效果同样的效果自不必说，还能抑制消耗电力，并能在全蓄积期间一边改变参考电压vref一边对信号进行采样，能实现进一步的大动态范围化、高帧频化。

以上说明的固体摄像装置10、10a、10b、10c在数字摄像机、视频摄像机、便携终端或监视用摄像机、医疗用内窥镜用摄像机等电子设备中作为摄像器件运用。

图33是表示搭载运用本发明的实施方式所涉及的固体摄像装置的摄像机系统的电子设备的构成的一例的图。

本电子设备300如图33所示那样具有本实施方式所涉及的固体摄像装置10能运用的cmos图像传感器310。

进而，电子设备300具有将入射光引导到该cmos图像传感器310的像素区域(对被摄体像进行成像)的光学系统(镜头等)320。

电子设备300具有对cmos图像传感器310的输出信号进行处理的信号处理电路(prc)330。

信号处理电路330对cmos图像传感器310的输出信号实施给定的信号处理。

信号处理电路330中处理过的图像信号作为动态图像在由液晶显示器等构成的监视器显示，或者还能在打印机输出，另外还能直接记录于存储卡等记录介质等，能实现种种方式。

如上述那样，通过作为cmos图像传感器310而搭载前述的固体摄像装置10、10a、10b、10c，能提供高性能、小型、低成本的摄像机系统。

并且能实现在摄像机的设置的要件中有安装尺寸、能连接线缆根数、线缆长度、设置高度等制约的用途使用的例如监视用摄像机、医疗用内窥镜用摄像机等电子设备。