阅读说明：本技术 固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备 (Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus ) 是由 盛一也 高柳功 田中俊介 大高俊德 安田直人 于 2018-06-29 设计创作，主要内容包括：像素PXL的结构包含饱和电容比及灵敏度比不同的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PSLS、将各光电二极管的积累电荷传输至浮置扩散层FD的传输晶体管TGSL?Tr、TGLS?Tr、以及可根据电容变更信号而变更浮置扩散层的电容的电容可变部80。第一光电二极管PDSL的第一饱和电容小于第二光电二极管PDLS的第二饱和电容，第一光电二极管PDSL的第一灵敏度大于第二光电二极管PDLS的第二灵敏度。根据该结构，能够实现大动态范围化并防止读取噪声的影响，进而可提高画质。(The pixel PXL includes a first photodiode PDSL and a second photodiode PSLS having different saturation capacitance ratios and sensitivity ratios, transfer transistors TGSL-Tr and TGLS-Tr for transferring charges accumulated in the respective photodiodes to the floating diffusion layer FD, and a capacitance varying unit 80 for varying the capacitance of the floating diffusion layer in response to a capacitance varying signal. A first saturation capacitance of the first photodiode PDSL is less than a second saturation capacitance of the second photodiode PDLS, and a first sensitivity of the first photodiode PDSL is greater than a second sensitivity of the second photodiode PDLS. According to this configuration, it is possible to realize a wide dynamic range, prevent the influence of read noise, and improve image quality.)

固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备

技术领域

本发明涉及一种固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法、以及电子设备。

背景技术

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器已作为使用有光电转换元件的固态摄像装置(图像传感器)而被实际运用，该光电转换元件检测光并产生电荷。

CMOS图像传感器已广泛用作数码相机、摄像机、监控相机、医疗用内窥镜、个人电脑(PC)、手机等便携终端装置(移动设备)等各种电子设备的一部分。

CMOS图像传感器在每个像素中带有包括光电二极管(光电转换元件)及浮动扩散层(FD：Floating Diffusion，浮置扩散层)的FD放大器，该CMOS图像传感器的主流读取类型为列并联输出型，即，选择像素阵列中的某一行，同时向列(column)方向对这些行进行读取。

而且，为了提高特性，已提出了实现具有大动态范围的高画质的CMOS图像传感器的各种方法(例如参照专利文献1)。

在专利文献1中公开有如下大动态范围化技术，其分割为短曝光时间的对应于高照度侧的摄像与长曝光时间的对应于低照度的摄像的不同的两次以上的曝光时间。

另外，在专利文献1中公开了使浮置扩散层FD的电容可变的大动态范围化技术。

但是，专利文献1所公开的大动态范围化技术因为在不同的时刻(期间)进行低照度的摄像与高照度的摄像，所以会使用通过多次曝光获得的信号，因此，存在如下缺点：图像会产生偏离，产生动态物体失真，影响动态图像的画质。

因此，已提出了如下固态摄像装置，其通过在各像素中配置灵敏度不同的两个光电二极管(PD)，获得灵敏度不同的两个图像数据(例如参照非专利文献1)。

图1是表示非专利文献1所记载的CMOS图像传感器的像素的结构的图。

图2(A)～(E)是表示图1的像素的读取时序的图。

图1的像素包括灵敏度、饱和电容小的小型光电二极管(光电转换元件)SPD及灵敏度、饱和电容大的大型光电二极管LPD。

对应于小型光电二极管SPD而设置有小型用传输晶体管TGS、小型用浮置扩散层(浮动扩散层)FDS，对应于大型光电二极管LPD而设置有大型用传输晶体管TGL、大型用浮置扩散层FDL。

小型用浮置扩散层FDS与大型用浮置扩散层FDL之间由连接切换晶体管TDFD连接。

在小型用浮置扩散层FDS与复位电位vrfd之间连接有复位晶体管TRST。

而且，源极跟随晶体管TSF与选择晶体管TSEL串联地连接在电源线VDD与垂直信号线vpix之间，源极跟随晶体管TSF的栅极连接着大型用浮置扩散层FDL。

在图1的像素中，通过将连接切换晶体管TDFD设为导通状态而获得低转换增益(LCG)。在此情况下，源极跟随晶体管TSF的栅极的等效电容增加。通过将连接切换晶体管TDFD设为非导通状态而获得高转换增益(HCG)。

在图1的像素中，大型光电二极管LPD能够用于低转换增益(LCG)及高转换增益(HCG)这两者的读取，小型光电二极管SPD仅可进行低转换增益(LCG)的读取。

现有技术文献

专利文献

[专利文献1]日本专利特开2000-165754号公报

非专利文献

[非专利文献1]T.Willassen，et al.，”A 1280x1080 4.2μm Split-Diode Pixel HDRSensor in 110nm BSI CMOS Process”Intemational Image Sensor Workshop(IISW)，8-11June，2015，Vaals，Netherlands.

发明内容

本发明所要解决的技术问题

但是，非专利文献1所公开的大动态范围化技术在使用灵敏度大的光电二极管LPD来读取暗信号(低照度时的信号)的情况下，浮置扩散层FD的电容需要进一步增大，以读取所有信号，但读取噪声会因浮置扩散层FD的电容大而变差。

另一方面，大光电二极管LPD用的小的浮置扩散层FD的电容虽能够减小读取噪声，但其他光电二极管PD读取的SNR间隔(gap)会变差。

本发明提供能够实现大动态范围化并防止读取噪声的影响，进而可提高画质的固态摄像装置、固态摄像装置的驱动方法及电子设备。

解决问题的方案

本发明的第一观点的固态摄像装置包括配置有像素的像素部，所述像素包含：至少一个第一光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第二光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第一传输元件，可在指定的传输期间传输所述第一光电转换部所积累的电荷；至少一个第二传输元件，可在指定的传输期间传输所述第二光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述第一传输元件及所述第二传输元件中的至少一个传输元件，传输由所述第一光电转换部及所述第二光电转换部中的至少一个光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，所述第一光电转换部具有第一饱和电容及第一灵敏度，所述第二光电转换部具有与所述第一饱和电容不同的第二饱和电容及与所述第一灵敏度不同的第二灵敏度。

本发明的第二观点是固态摄像装置的驱动方法，该固态摄像装置包括配置有像素的像素部，所述像素包含：至少一个第一光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第二光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第一传输元件，可在指定的传输期间传输所述第一光电转换部所积累的电荷；至少一个第二传输元件，可在指定的传输期间传输所述第二光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述第一传输元件及所述第二传输元件中的至少一个传输元件，传输由所述第一光电转换部及所述第二光电转换部中的至少一个光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；复位元件，在复位期间释放所述浮置扩散层的电荷；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，所述第一光电转换部具有第一饱和电容及第一灵敏度，所述第二光电转换部具有与所述第一饱和电容不同的第二饱和电容及与所述第一灵敏度不同的第二灵敏度，在通过所述复位元件对所述浮置扩散层进行复位的复位期间后的读取期间，读取复位状态的信号，在所述复位期间后的所述读取期间后，在通过所述第一传输元件或第二传输元件将第一饱和电容及第一灵敏度的所述第一光电转换元件或第二饱和电容及第二灵敏度的所述第二光电转换部的积累电荷传输至所述浮置扩散层的所述传输期间后的读取期间，读取与积累电荷对应的信号，的读取扫描期间中，在一个所述读取期间进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取中的至少任一者，所述第一转换增益模式读取是指以与由所述电容可变部设定的第一电容对应的第一转换增益来进行与所述第一光电转换部的积累电荷对应的所述像素信号的读取，所述第二转换增益模式读取是指以与由所述电容可变部设定的第二电容对应的第二转换增益来进行与所述第二光电转换部的积累电荷对应的所述像素信号的读取。

本发明的第三观点的电子设备包括：固态摄像装置；以及光学系统，使被拍摄体像在所述固态摄像装置中成像，所述固态摄像装置包含配置有像素的像素部，所述像素包含：至少一个第一光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第二光电转换部，在积累期间，积累通过光电转换产生的电荷；至少一个第一传输元件，可在指定的传输期间传输所述第一光电转换部所积累的电荷；至少一个第二传输元件，可在指定的传输期间传输所述第二光电转换部所积累的电荷；浮置扩散层，通过所述第一传输元件及所述第二传输元件中的至少一个传输元件，传输由所述第一光电转换部及所述第二光电转换部中的至少一个光电转换部积累的电荷；源极跟随元件，将所述浮置扩散层的电荷以与电荷量对应的增益转换为电压信号；以及电容可变部，可根据电容变更信号而变更所述浮置扩散层的电容，所述第一光电转换部具有第一饱和电容及第一灵敏度，所述第二光电转换部具有与所述第一饱和电容不同的第二饱和电容及与所述第一灵敏度不同的第二灵敏度。

发明效果

根据本发明，能够实现大动态范围化并防止读取噪声的影响，进而能够提高画质。

附图说明

图1是表示非专利文献1所记载的CMOS图像传感器的像素的结构的图。

图2(A)～(E)是表示图1的像素的读取时序的图。

图3是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置的结构例的方框图。

图4是表示本第一实施方式的像素的一例的电路图。

图5是表示本发明第一实施方式的嵌入型的第一光电二极管及第二光电二极管的除了电荷传输栅极部以外的主要部分的结构例的简略剖视图。

图6(A)及(B)是表示本实施方式中的通常的像素读取动作时的快门扫描及读取扫描的动作时序的图。

图7(A)～(C)是用以说明本发明实施方式的固态摄像装置的像素部的列输出的读取系统的结构例的图。

图8(A)～(E)是用以说明与将电容器与开关应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的实现大动态范围化的动作的图。

图9是表示本第一实施方式的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的输入输出特性，且用以说明浮置扩散层的电容与读取噪声之间的关系的图。

图10是表示本第一实施方式的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的响应特性的图。

图11是表示本第一实施方式的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的SNR特性的图。

图12是表示作为比较例的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的响应特性的图。

图13是表示作为比较例的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的SNR特性的图。

图14是表示本发明第二实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图15是表示本发明第三实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图16是表示本发明第四实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图17是表示本发明第五实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图18(A)～(E)是用以说明与将电容器与开关应用于本第五实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的第一读取动作的图。

图19(A)～(F)是用以说明与将电容器与开关应用于本第五实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的第二读取动作的图。

图20是表示本发明第五实施方式的嵌入型的第一光电二极管及两个第二光电二极管的除了电荷传输栅极部以外的主要部分的结构例的简略剖视图。

图21是表示本发明第六实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

图22是用以说明本第六实施方式的像素中的第一光电二极管及四个第二光电二极管的配置例的图。

图23是表示本发明第七实施方式的像素部及电容可变部的布局的一结构例的图。

图24是表示从背面侧观察图23的像素部的各像素的基本性布局图案的图。

图25是将本第七实施方式的体现大动态范围化功能及相位差检测功能的读取模式的概要表示为表的图。

图26(A)～(E)是表示本第七实施方式的大动态范围化模式(HDR)下的读取动作的时序图的图。

图27(A)～(F)是表示本第七实施方式的第一相位差检测化模式(PDAF(V))下的读取动作的时序图的图。

图28(A)～(F)是表示本第七实施方式的第二相位差检测化模式(PDAF(H))下的读取动作的时序图的图。

图29(A)～(F)是表示本第七实施方式的第三相位差检测化模式(PDAF(D))下的读取动作的时序图的图。

图30(A)～(F)是表示本第七实施方式的特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下的读取动作的时序图的图。

图31是表示本发明第七实施方式的各读取模式下的第一光电二极管及第二光电二极管的灵敏度特性的图。

图32(A)及(B)是表示本发明第七实施方式的大动态范围化模式(HDR)、第三相位差检测化模式(PDAF(D))及特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)的线性化后的灵敏度特性的图。

图33(A)～(C)是用以说明也可将第七实施方式的各读取模式的读取动作同样应用于第六实施方式的图22的像素的图。

图34是用以说明本第八实施方式的像素中的第一光电二极管及八个第二光电二极管的配置例的图。

图35是表示图5所示的本实施方式的嵌入型的第一光电二极管及第二光电二极管的其他结构例的简略剖视图。

图36(A)及(B)是用以说明本发明实施方式的固态摄像装置可应用于表面照射型图像传感器与背面照射型图像传感器这两者的图。

图37是表示应用本发明实施方式的固态摄像装置的电子设备的结构的一例的图。

具体实施方式

以下，与附图关联地对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图3是表示本发明第一实施方式的固态摄像装置的结构例的方框图。

在本实施方式中，固态摄像装置10例如由CMOS图像传感器构成。

如图3所示，该固态摄像装置10包括作为摄像部的像素部20、垂直扫描电路(行扫描电路)30、读取电路(列读取电路)40、水平扫描电路(列扫描电路)50及时序控制电路60作为主结构要素。

由这些结构要素中的例如垂直扫描电路30、读取电路40、水平扫描电路50及时序控制电路60构成像素信号的读取部70。

在本第一实施方式中，固态摄像装置10如下文所详述，呈行列状地排列于像素部20的各像素的结构包含饱和电容比及灵敏度比不同的多个作为光电转换部的光电二极管及将各光电二极管的积累电荷传输至浮置扩散层FD的多个传输元件(传输晶体管)。

另外，在本第一实施方式中，固态摄像装置10如下文所详述，呈行列状地排列于像素部20的像素(或像素部20)的结构包含可根据电容变更信号而变更浮置扩散层的电容的电容可变部。

固态摄像装置10在一个电荷的积累期间(曝光期间)后的一个读取期间内的规定期间，通过电容可变部来设定(变更)浮置扩散层的电容，从而在该读取期间内改变转换增益。

在本第一实施方式中，读取部70可进行读取扫描，即，在通过复位元件对浮置扩散层进行复位的复位期间后的读取期间，读取复位状态的信号，在复位期间后的读取期间后，在通过第一传输元件或第二传输元件将第一饱和电容及第一灵敏度的第一光电转换元件或第二饱和电容及第二灵敏度的第二光电转换部的积累电荷传输至浮置扩散层的传输期间后的读取期间，读取与积累电荷对应的信号。

而且，读取部70可在一个读取期间进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取中的至少任一者，该第一转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第一电容对应的第一转换增益(例如高增益：HCG)来读取像素信号，该第二转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第二电容对应的第二转换增益(例如低增益：LCG)来读取像素信号。

另外，在本实施方式中，读取部70也可在一个读取期间进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取，该第一转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第一电容对应的第一转换增益来读取像素信号，该第二转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第二电容(与第一电容不同)对应的第二转换增益来读取像素信号。

再者，本实施方式的固态摄像装置10可提供动态范围广的固态摄像元件，该固态摄像元件对于在一次的积累期间(曝光期间)经过光电转换所得的电荷(电子)，在一个读取期间，在像素内部切换第一转换增益(例如高转换增益)模式与第二转换增益(低转换增益)模式而输出信号，输出亮信号与暗信号这两个信号。

在通常的像素读取动作中，通过读取部70的驱动进行快门扫描，然后进行读取扫描，但第一转换增益模式读取(HCG)与第二转换增益模式读取(LCG)是在读取扫描期间进行。

以下，在对固态摄像装置10的各部分的结构及功能的概要进行说明后，对与像素及电容可变部的结构关联的读取处理等进行说明。

(像素部20及像素PXL的结构)

像素部20的包含光电二极管(光电转换元件)与像素内放大器的多个像素排列为N行×M列的二维行列状(矩阵状)。

图4是表示本实施方式的像素的一例的电路图。

该像素PXL的结构包含例如饱和电容比及灵敏度比不同的多个(在本第一实施方式中为两个)作为光电转换部(光电转换元件)的光电二极管及将各光电二极管的积累电荷传输至浮置扩散层FD的多个(在本第一实施方式中为两个)作为传输元件的传输晶体管TGSL-Tr、TGLS-Tr。

在本第一实施方式中，各像素PXL包含具有第一饱和电容及第一灵敏度的作为第一光电转换部的第一光电二极管PDSL、具有与第一饱和电容不同的第二饱和电容及与第一灵敏度不同的第二灵敏度的作为第二光电转换部的第二光电二极管PDLS。

在本第一实施方式中，第一饱和电容小于第二饱和电容，第一灵敏度大于第二灵敏度。例如第一饱和电容为5ke左右，第二饱和电容为20ke左右。另外，例如第一灵敏度为5ke/lux左右，第二灵敏度为25ke/lux左右。

第一光电二极管PDSL连接着作为第一传输元件的传输晶体管TGSL-Tr，第二光电二极管PDLS连接着作为第二传输元件的传输晶体管TGLS-Tr。

而且，像素PXL包括一个作为复位元件的复位晶体管RST-Tr、一个作为源极跟随元件的源极跟随晶体管SF-Tr及一个作为选择元件的选择晶体管SEL-Tr。

另外，像素PXL包括电容可变部80，该电容可变部80连接于浮置扩散层FD，且可根据电容变更信号BIN而变更浮置扩散层FD的电容。

在本第一实施方式中，电容可变部80连接在复位晶体管RST-Tr与浮置扩散层FD之间。

光电二极管PDSL、PDLS产生并积累与入射光量对应的量的信号电荷(此处为电子)。

以下，对信号电荷为电子且各晶体管为n型晶体管的情况进行说明，但信号电荷也可为空穴(hole)，各晶体管也可为p型晶体管。

另外，本实施方式对于在多个光电二极管之间共享各晶体管的情况、或采用了不包括选择晶体管的像素的情况也有效。

在各像素PXL中，使用嵌入型光电二极管(PPD)作为光电二极管(PD)。在形成光电二极管(PD)的衬底表面，存在由悬挂键等缺陷引起的表面能级，因此，会因热能而产生大量的电荷(暗电流)，导致无法读取正确的信号。

嵌入型光电二极管(PPD)通过将光电二极管(PD)的电荷积累部嵌入至衬底内，可减少暗电流混入信号的情况。

形成为嵌入型光电二极管的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PDLS是以如下方式构成。

第一光电二极管PDSL是以如下方式形成，即，包含第一导电型(在本实施方式中为n型)半导体层(在本实施方式中为n层)，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能，该第一导电型(在本实施方式中为n型)半导体层(在本实施方式中为n层)是以对包括第一衬底面侧及与第一衬底面侧相向的一侧的第二衬底面侧的半导体衬底进行嵌入的方式形成。

在第一光电二极管PDSL的与衬底的法线正交的方向上的侧部，形成有第二导电型(在本实施方式中为p型)分离层。

第二光电二极管PDLS是以如下方式形成，即，包含n层(第一导电型半导体层)，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能，该n层(第一导电型半导体层)是以隔着第二导电型分离层而与第一光电二极管PDSL并排地对衬底进行嵌入的方式形成。

而且，在本实施方式中，第一光电二极管PDSL的光接收区域的开口部形成得大于第二光电二极管PDSL的光接收区域的开口部，第一光电二极管PDSL的n层的杂质浓度形成得小于第二光电二极管PDLS的n层的杂质浓度。

根据以上的结构，第一光电二极管PDSL实现了饱和电容小于第二光电二极管PDLS的饱和电容，且灵敏度大于第二光电二极管PDLS的灵敏度这一像素PXL的特征性结构。

另外，在本实施方式中，第二光电二极管PDLS是以如下方式形成，即，在其光电转换部，为了增大积累电容(饱和电容)而在与衬底的法线正交的方向(X或Y方向)上，包含与n层(第一导电型半导体层)具有接合电容成分的至少一个p层(第二导电型半导体层)。

(嵌入型的光电二极管PDSL、PDLS的具体的结构例)

此处，与图5关联地说明嵌入型的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PDLS的具体的结构例。

图5是表示本发明第一实施方式的嵌入型的第一光电二极管及第二光电二极管的除了电荷传输栅极部以外的主要部分的结构例的简略剖视图。

再者，此处，嵌入型光电二极管(PPD)部分由符号200表示。

图5的嵌入型光电二极管(PPD)部分200包括半导体衬底(以下仅称为衬底)210，该半导体衬底(以下仅称为衬底)210包括被光L照射的第一衬底面211侧(例如背面侧)及与第一衬底面211侧相向的一侧的第二衬底面212侧(前表面侧)。

嵌入型光电二极管部分200包括第一光电二极管220(PDSL)，该包括第一光电二极管220(PDSL)包含以对衬底210进行嵌入的方式形成的第一导电型(在本实施方式中为n型)半导体层(在本实施方式中n层)221n，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能。

嵌入型光电二极管部分200包括第二光电二极管240(PDLS)，该第二光电二极管240(PDLS)包含以隔着第二导电型(p型)分离层230而与第一光电二极管220(PDSL)并排地对衬底210进行嵌入的方式形成的n层(第一导电型半导体层)241n，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能。

嵌入型光电二极管部分200在第一光电二极管220(PDSL)及第二光电二极管240(PDLS)的与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)，形成有第二导电型(p型)分离层231、232、233。

在图5的例子中，第一光电二极管220(PDSL)形成在形成于与衬底210的法线正交的方向(例如X方向)上的侧部(n层的边界部)的第二导电型(p型)分离层231与p型分离层232之间。

第二光电二极管240(PDLS)形成在形成于与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)的p型分离层232与p型分离层233之间。

而且，在本实施方式中，第一光电二极管PDSL的光接收区域的开口部AP1形成得大于第二光电二极管PDLS的光接收区域的开口部AP2(AP1＞AP2)，第一光电二极管PDSL的n层221n的杂质浓度DN1形成得小于第二光电二极管PDLS的n层241n的杂质浓度DN2(DN1＜DN2)。

图5的第一光电二极管220(PDSL)是以如下方式构成，即，n层(第一导电型半导体层)221n在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有三层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有n---层2211，在该n---层2211的第二衬底面212侧形成有n----层2212，在该n----层2212的第二衬底面212侧形成有n--层2213。

图5的第二光电二极管240(PDLS)是以如下方式构成，即，n层(第一导电型半导体层)241n在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有n--层2411，在该n--层2411的第二衬底面212侧形成有n层2412。

这些结构为一例，其可为单层构造，另外，也可为三层、四层以上的层叠构造。

图5的p型分离层231是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)231p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2311，在该p层2311的第二衬底面212侧形成有p-层2312。

图5的p型分离层232是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)232p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2321，在该p层2321的第二衬底面212侧形成有p-层2322。

而且，在本第一实施方式的p型分离层232的p-层2322的与第二光电二极管240的n层2412接触的一侧，即与衬底的法线正交的方向(图中的正交坐标系的X方向)上的侧部，形成有具有与n层(第一导电型半导体层)2412接合的电容成分的p+层(第二导电型半导体层)2323。

图5的p型分离层233是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)233p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2331，在该p层2331的第二衬底面212侧形成有p-层2332。

而且，在本第一实施方式的p型分离层233的p-层2332的与第二光电二极管240的n层2412接触的一侧，即与衬底的法线正交的方向(图中的正交坐标系的X方向)上的侧部，形成有具有与n层(第一导电型半导体层)2412接合的电容成分的p+层(第二导电型半导体层)2333。

这些结构为一例，其可为单层构造，另外，也可为三层、四层以上的层叠构造。

现叙述形成具有与n层(第一导电型半导体层)2412接合的电容成分的p+层(第二导电型半导体层)2323、2333的理由。

在尺寸较大且纵横长宽比较大的例如3μm□左右的像素的情况下，积累电荷主要限于靠近光电二极管(PD)部(光电转换部)表面的部位的垂直方向(衬底的法线方向：衬底的深度方向)的pn接合电容(junction电容)，难以高效地增加积累电容。

因此，本第一实施方式的固态摄像装置10在嵌入型的第二光电二极管240(PDLS)的光电转换部处，为了增大积累电容，以使与衬底的法线正交的方向(水平方向)上的pn接合部(结(junctioin)部)处于像素内的方式，形成有与n层(第一导电型半导体层)2412具有接合电容成分的p+层(第二导电型半导体层)2323、2333。

根据该构造，因为能够增大沿着p+层的n层的面积，所以尽管PD面积小，却可确保大积累电容。

而且，在本第一实施方式的嵌入型光电二极管部分200中，在第一光电二极管220(PDSL)、p型分离层231、232、233、以及第二光电二极管240(PDLS)的第一衬底面211侧的表面及第二衬底面212侧的表面分别形成有p+层(第二导电型半导体层)213、214。

以上，对本第一实施方式的嵌入型光电二极管(PPD)200中的构造进行了详述。

此处，返回至图4的像素的说明。

第一传输晶体管TGSL-Tr连接在第一光电二极管PDSL与浮置扩散层FD之间，受到通过控制线LTGSL施加至栅极的控制信号TGSL控制。

第一传输晶体管TGSL-Tr在控制信号TGSL为高(H)电平的传输期间被选择而成为导通状态，将由第一光电二极管PDSL光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层FD。

第二传输晶体管TGLS-Tr连接在第二光电二极管PDLS与浮置扩散层FD之间，受到通过控制线LTGLS施加至栅极的控制信号TGLS控制。

第二传输晶体管TGLS-Tr在控制信号TGLS为高(H)电平的传输期间被选择而成为导通状态，将由第二光电二极管PDLS光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层FD。

复位晶体管RST-Tr连接在例如电源线VDD与浮置扩散层FD之间，受到通过控制线LRST施加至栅极的控制信号RST控制。

复位晶体管RST-Tr在控制信号RST为H电平的期间被选择而成为导通状态，将浮置扩散层FD复位为电源线VDD的电位。

源极跟随晶体管SF-Tr与选择晶体管SEL-Tr串联地连接在电源线VDD与垂直信号线LSGN之间。

源极跟随晶体管SF-Tr的栅极连接着浮置扩散层FD，选择晶体管SEL-Tr受到通过控制线LSEL施加至栅极的控制信号SEL控制。

选择晶体管SEL-Tr在控制信号SEL为H电平的期间被选择而成为导通状态。由此，源极跟随晶体管SF-Tr将列输出的读取信号VSL输出至垂直信号线LSGN，该将列输出的读取信号VSL是将浮置扩散层FD的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号所得的信号。

例如传输晶体管TGSL-Tr或TGLS-Tr、复位晶体管RST-Tr及选择晶体管SEL-Tr的各栅极以行为单位而被连接，因此，一行的各像素同时并行地进行所述动作。

在像素部20中配置有N行×M列的像素PXL，因此，各控制线LSEL、LRST、LTGSL、LTGLS、LBIN分别有N条，垂直信号线LSGN有M条。

在图1中，将各控制线LSEL、LRST、LTGSL、TGLS、LBIN表示为一条行扫描控制线。

垂直扫描电路30根据时序控制电路60的控制，在快门行及读取行中，通过行扫描控制线来驱动像素。

另外，垂直扫描电路30根据地址信号，输出读取信号的读取行、与对光电二极管PD所积累的电荷进行复位的快门行的行地址的行选择信号。

如上所述，在通常的像素读取动作中，通过读取部70的垂直扫描电路30的驱动进行快门扫描，然后进行读取扫描。

图6(A)及(B)是表示本实施方式中的通常的像素读取动作时的快门扫描及读取扫描的动作时序的图。

对选择晶体管SEL-Tr的接通(导通)、断开(非导通)进行控制的控制信号SEL在快门扫描期间PSHT内被设定为L电平，使选择晶体管SEL-Tr保持为非导通状态，在读取扫描期间PRDO内被设定为H电平，使选择晶体管SEL-Tr保持为导通状态。

而且，在快门扫描期间PSHT内的控制信号RST为H电平的期间，控制信号TGSL或TGLS在规定期间内被设定为H电平，通过复位晶体管RST-Tr及传输晶体管TGSL-Tr或TGLS-Tr对光电二极管PD及浮置扩散层FD进行复位。

在读取扫描期间PRDO内，控制信号RST被设定为H电平，通过复位晶体管RST-Tr对浮置扩散层FD进行复位，在该复位期间PR后的读取期间PRD1内，读取复位状态的信号。

在读取期间PRD1后，控制信号TGSL或TGLS在规定期间内被设定为H电平，光电二极管PDSL或PDLS的积累电荷通过传输晶体管TGSL-Tr或TGLS-Tr传输至浮置扩散层FD，在该传输期间PT后的读取期间PRD2内，读取与所积累的电子(电荷)对应的信号。

再者，在本第一实施方式的通常的像素读取动作中，积累期间(曝光期间)EXP作为一例，如图6(B)所示，是从在快门扫描期间PSHT内对光电二极管PDSL、PDLS及浮置扩散层FD进行复位而将控制信号TGSL或TGLS切换为L电平，直到为了结束读取扫描期间PRDO的传输期间PT而将控制信号TGSL或TGLS切换为L电平为止的期间。

读取电路40也可采用如下结构，即，包含与像素部20的各列输出对应地配置的多个列信号处理电路(未图示)，并可利用多个列信号处理电路进行并行处理。

读取电路40的结构可包含相关双采样(CDS：Correlated Double Sampling)电路或ADC(模拟数字转换器AD转换器)、放大器(AMP、amplifier)、采样保持(S/H)电路等。

这样，例如，如图7(A)所示，读取电路40的结构也可包含将像素部20的各列输出的读取信号VSL转换为数字信号的ADC41。

或者，例如，如图7(B)所示，读取电路40也可配置对像素部20的各列输出的读取信号VSL进行放大的放大器(AMP)42。

另外，例如，如图7(C)所示，读取电路40也可配置对像素部20的各列输出的读取信号VSL进行采样并保持的采样保持(S/H)电路43。

读取电路40当然可应用于采用了卷帘快门作为电子快门的固态摄像装置(CMOS图像传感器)，还可应用于采用了全局快门作为电子快门的固态摄像装置(CMOS图像传感器)。

采用了全局快门作为电子快门的CMOS图像传感器在像素内，例如设置有将从光电转换读取部读取的信号保持于信号保持电容器的信号保持部。

在采用了全局快门的CMOS图像传感器中，例如将电荷作为电压信号从光电二极管同时积累于信号保持部的信号保持电容器，然后逐次读取，由此，确保了图像整体的同时性。

该CMOS图像传感器例如构成为层叠型CMOS图像传感器。

层叠型CMOS图像传感器例如具有通过微凸块(连接部)连接第一衬底(Pixel die)与第二衬底(ASIC die)而成的层叠构造。而且，在第一衬底上形成各像素的光电转换读取部，在第二衬底上形成各像素的信号保持部、信号线、垂直扫描电路、水平扫描电路、读取电路等。

形成于第一衬底的每个像素连接着形成于第二衬底的信号保持部，信号保持部连接着包含所述ADC或S/H电路的读取电路40。

水平扫描电路50对由读取电路40的ADC等多个列信号处理电路处理后的信号进行扫描，并沿着水平方向传输，将该信号输出至未图示的信号处理电路。

时序控制电路60产生像素部20、垂直扫描电路30、读取电路40、水平扫描电路50等的信号处理所需的时序信号。

在本第一实施方式中，读取部70可进行读取扫描，该读取扫描是指在对浮置扩散层FD进行复位的复位期间PR后的读取期间，读取复位状态的信号，在复位期间后的读取期间后，在通过第一传输晶体管TGSL-Tr或第二传输晶体管TGLS-Tr将第一饱和电容及第一灵敏度的第一光电二极管PDSL或第二饱和电容及第二灵敏度的第二光电二极管PDLS的积累电荷传输至浮置扩散层FD的传输期间PT后的读取期间，读取与积累电荷对应的信号。

而且，读取部70是以如下方式构成，即，可在一个读取期间进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取中的至少任一者，该第一转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第一电容对应的第一转换增益(例如高增益：HCG)读取像素信号，该第二转换增益模式读取是指以与由电容可变部设定的第二电容对应的第二转换增益(例如低增益：LCG)读取像素信号。

以上，对固态摄像装置10的各部分的结构及功能的概要进行了说明。

其次，详述本第一实施方式的电容可变部80的结构、与其关联的读取处理等。

本第一实施方式的电容可变部80的结构包含电容器C81与作为开关元件的开关晶体管SW81-Tr，该作为开关元件的开关晶体管SW81-Tr连接在电容器C81与浮置扩散层FD之间，并根据通过控制线LBIN施加至栅极的电容变更信号BIN而接通、断开。

电容器C81连接在复位晶体管RST-Tr与开关晶体管SW81-Tr的连接节点ND81和基准电位VSS之间。

开关晶体管SW81-Tr连接在连接节点ND81与浮置扩散层FD之间。

其次，与图8关联地说明与将电容器与开关应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的读取动作。

图8(A)～(E)是用以说明与将电容器与开关应用于本第一实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的读取动作的图。

图8(A)表示选择晶体管SEL-Tr的控制信号SEL，图8(B)表示第一传输晶体管TGSL-Tr的控制信号TGSL，图8(C)表示第二传输晶体管TGLS-Tr的控制信号TGLS，图8(D)表示复位晶体管RST-Tr的控制信号RST，图8(E)表示开关晶体管SW81-Tr的控制信号BIN。

(第一转换增益模式时的读取动作)

在第一转换增益模式时，进行以下的读取动作。

在读取扫描期间PRDO内，如图8(A)所示，为了选择像素阵列中的某一行，发往与该选择的行的各像素PXL连接的控制线的控制信号SEL被设定为H电平，像素PXL的选择晶体管SEL-Tr成为导通状态。

在该选择状态下，在复位期间PR内，复位晶体管RST-Tr在控制信号RST为H电平的期间被选择而成为导通状态，电容可变部80的开关晶体管SW81-Tr在电容变更信号BIN为H电平的期间被选择而成为导通状态，浮置扩散层FD被复位为电源线VDD的电位。

在将浮置扩散层FD复位后，如图8(E)、(D)所示，电容变更信号BIN切换为L电平，电容变更部80的开关晶体管SW81-Tr成为非导通状态。接着，控制信号RST切换为L电平，复位晶体管RST-Tr成为非导通状态，复位期间PR结束。

在经过该复位期间PR后，复位晶体管RST-Tr成为非导通状态，直到传输期间PT开始为止的期间成为读取复位状态时的像素信号的第一读取期间PRD11。

在此情况下，电容变更部80的开关晶体管SW81-Tr保持为非导通状态，因此，电容器C81保持为不连接于浮置扩散层FD的状态，浮置扩散层FD的电容(电荷量)保持为第一电容。

在第一读取期间PRD11开始后的时刻t1处，电容变更信号BIN保持为L电平的状态下，由读取部70进行第一高转换增益模式读取HCG11，该第一高转换增益模式读取HCG11是指以浮置扩散层FD的电容(电荷量)被变更为第一电容后的高转换增益(第一转换增益：HCG)读取像素信号。

此时，在各像素PXL中，通过源极跟随晶体管SF-Tr将浮置扩散层FD的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号VSL(HCG11)输出至垂直信号线LSGN，并供应例如保持于读取电路40。

此处，第一读取期间PRD11结束，到达传输期间PT11。再者，此时，电容变更信号BIN在经过传输期间PT11后，仍保持为L电平。

如图8(B)所示，在传输期间PT11内，传输晶体管TGSL-Tr在控制信号TGSL为H电平的期间被选择而成为导通状态，在包含时刻2的期间内，由第一光电二极管PDSL光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层FD。

在经过该传输期间PT11后(传输晶体管TGSL-Tr为非导通状态)，到达读取与由第一光电二极管PDSL光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第二读取期间PRD12。

在第二读取期间PRD12开始后的时刻t3处，电容变更信号BIN被设定为L电平的状态下，由读取部70进行第二高转换增益模式读取HCG12，该第二高转换增益模式读取HCG12是指以浮置扩散层FD的电容(电荷量)被设定为第一电容后的高转换增益(第一转换增益：HCG)读取像素信号。

此时，在各像素PXL中，通过源极跟随晶体管SF-Tr将浮置扩散层FD的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号VSL(HCG12)输出至垂直信号线LSGN，并供应例如保持于读取电路40。

接着，在例如构成读取部70的一部分的读取电路40中，取得第二高转换增益模式读取HCG12的读取信号VSL(HCG12)与第一高转换增益模式读取HCG11的读取信号VSL(HCG11)之间的差分{VSL(HCG12)-VSL(HCG11)}而进行CDS处理。

(第二转换增益模式时的读取动作)

在第二转换增益模式时，进行以下的读取动作。

在读取扫描期间PRDO内，如图8(A)所示，为了选择像素阵列中的某一行，发往与该选择的行的各像素PXL连接的控制线的控制信号SEL被设定为H电平，像素PXL的选择晶体管SEL-Tr成为导通状态。

在该选择状态下，电容可变部80的开关晶体管SW81-Tr在电容变更信号BIN为H电平的期间被选择而成为导通状态。

在此情况下，电容变更部80的开关晶体管SW81-Tr保持为导通状态，因此，电容器C81保持为连接于浮置扩散层FD的状态，浮置扩散层FD的电容(电荷量)被设定(变更)为第二电容。

接着，在复位期间PR内，复位晶体管RST-Tr在控制信号RST为H电平的期间被选择而成为导通状态，电容可变部80的开关晶体管SW81-Tr在电容变更信号BIN为H电平的期间被选择而成为导通状态，浮置扩散层FD被复位为电源线VDD的电位。

在将浮置扩散层FD复位后，如图8(D)、(E)所示，电容变更信号BIN保持为H电平，电容变更部80的开关晶体管SW81-Tr保持为导通状态。接着，控制信号RST切换为L电平，复位晶体管RST-Tr成为非导通状态，复位期间PR结束。

在经过该复位期间PR后，复位晶体管RST-Tr成为非导通状态，直到传输期间PT开始为止的期间成为读取复位状态时的像素信号的第一读取期间PRD21。

在此情况下，电容变更部80的开关晶体管SW81-Tr保持为导通状态，因此，电容器C81保持为连接于浮置扩散层FD的状态，浮置扩散层FD的电容(电荷量)保持为第二电容。

在第一读取期间PRD21开始后的时刻t11处，电容变更信号BIN保持为H电平的状态下，由读取部70进行第一低转换增益模式读取LCG11，该第一低转换增益模式读取LCG11是指以浮置扩散层FD的电容(电荷量)被变更为第二电容后的低转换增益(第二转换增益：LCG)读取像素信号。

此时，在各像素PXL中，通过源极跟随晶体管SF-Tr将浮置扩散层FD的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号VSL(LCG11)输出至垂直信号线LSGN，并供应例如保持于读取电路40。

此处，第一读取期间PRD21结束，到达传输期间PT21。再者，此时，电容变更信号BIN在经过传输期间PT21后，仍保持为H电平。

如图8(C)所示，在传输期间PT21内，传输晶体管TGLS-Tr在控制信号TGLS为H电平的期间被选择而成为导通状态，在包含时刻12的期间内，由第二光电二极管PDLS光电转换并积累的电荷(电子)传输至浮置扩散层FD。

在经过该传输期间PT21后(传输晶体管TGLS-Tr为非导通状态)，到达读取与由第二光电二极管PDLS光电转换并积累的电荷对应的像素信号的第二读取期间PRD22。

在第二读取期间PRD22开始后的时刻t13处，电容变更信号BIN被设定为H电平的状态下，由读取部70进行第二低转换增益模式读取LCG12，该第二低转换增益模式读取LCG12是指以浮置扩散层FD的电容(电荷量)被设定为第二电容后的低转换增益(第二转换增益：LCG)读取像素信号。

此时，在各像素PXL中，通过源极跟随晶体管SF-Tr将浮置扩散层FD的电荷以与电荷量(电位)对应的增益转换为电压信号，作为列输出的读取信号VSL(LCG12)输出至垂直信号线LSGN，并供应例如保持于读取电路40。

接着，在例如构成读取部70的一部分的读取电路40中，取得第二低转换增益模式读取LCG12的读取信号VSL(LCG12)与第一低转换增益模式读取LCG11的读取信号VSL(LCG11)之间的差分{VSL(LCG12)-VSL(LCG11)}而进行CDS处理。

如以上的说明所述，根据本第一实施方式，像素PXL的结构包含例如饱和电容比及灵敏度比不同的多个(在本第一实施方式中为两个)作为光电转换部(光电转换元件)的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PSLS、以及将各光电二极管的积累电荷传输至浮置扩散层FD的多个(在本第一实施方式中为两个)作为传输元件的传输晶体管TGSL-Tr、TGLS-Tr。

在各像素PXL中，第一光电二极管PDSL具有第一饱和电容及第一灵敏度，第二光电二极管PDLS具有与第一光电二极管PDSL的第一饱和电容不同的第二饱和电容及与第一灵敏度不同的第二灵敏度。

第一光电二极管PDSL的第一饱和电容小于第二光电二极管PDLS的第二饱和电容，第一光电二极管PDSL的第一灵敏度大于第二光电二极管PDLS的第二灵敏度。

而且，在本第一实施方式中，固态摄像装置10的呈行列状地排列于像素部20的像素(或像素部20)的结构包含可根据电容变更信号而变更浮置扩散层的电容的电容可变部，在一个电荷的积累期间(曝光期间)后的一个读取期间内的规定期间，通过电容可变部来设定(变更)浮置扩散层的电容，从而在该读取期间内改变转换增益。

由此，根据本第一实施方式，在使用灵敏度大的第一光电二极管PDSL来读取暗信号(低照度时的信号)的情况下，浮置扩散层FD的电容改变为更小的电容，以读取第一光电二极管PDSL，另一方面，改变为更大的电容，以读取第二光电二极管PDLS。

结果是能够维持第一光电二极管PDSL的SNR且进一步减小读取噪声。

即，根据本第一实施方式，能够实现大动态范围化并防止读取噪声的影响，进而能够提高画质。

此处，关联图9～图13，一边与比较例作比较，一边说明本第一实施方式的固态摄像装置10的高增益信号及低增益信号的与曝光关联的输入输出特性以及SNR特性。

比较例的像素与图1的像素同样地包括灵敏度、饱和电容小的小型光电二极管PDSS(SPD)、及灵敏度、饱和电容大的大型光电二极管PDLL(LPD)。

图9是表示本第一实施方式的固态摄像装置10中的高增益信号及低增益信号的输入输出特性，且用以说明浮置扩散层FD的电容与读取噪声之间的关系的图。在图9中，横轴表示曝光量(时间)，纵轴表示电荷-电压转换后的输出信号电平。

图10是表示本第一实施方式的固态摄像装置10中的高增益信号及低增益信号的响应特性的图。在图10中，横轴表示曝光量(时间)，纵轴表示电荷(电子)量。

图11是表示本第一实施方式的固态摄像装置10中的高增益信号及低增益信号的SNR特性的图。在图10中，横轴表示曝光量(时间)，纵轴表示SNR。

图12是表示作为比较例的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的响应特性的图。在图12中，横轴表示曝光量(时间)，纵轴表示电荷(电子)量。

图13是表示作为比较例的固态摄像装置中的高增益信号及低增益信号的SNR特性的图。在图13中，横轴表示曝光量(时间)，纵轴表示SNR。

在比较例中，如图12及图13所示，在使用灵敏度大的PDLL(LPD)来读取暗信号(低照度时的信号)的情况下，浮置扩散层FD的电容需要进一步增大，以读取所有信号，但读取噪声会因浮置扩散层FD的电容大而变差。

另一方面，大光电二极管PDLL(LPD)用的小的浮置扩散层FD的电容虽能够减小读取噪声，但其他光电二极管PDSS(SPD)读取的SNR间隔会变差。

相对于此，根据本第一实施方式的固态摄像值10，如图9～图11所示，当然能够实现大动态范围化，而且在使用灵敏度大的第一光电二极管PDSL来读取暗信号的情况下，浮置扩散层FD的电容改变为更小的电容，以读取第一光电二极管PDSL，另一方面，改变为更大的电容，以读取第二光电二极管PDLS，因此，能够维持第一光电二极管PDSL的SNR并进一步减小读取噪声。

另外，本第一实施方式的固态摄像装置10在嵌入型的第二光电二极管240(PDLS)的光电转换部处，以使与衬底的法线正交的方向(水平方向)上的pn接合部(结部)处于像素内的方式，形成有与n层(第一导电型半导体层)2412具有接合电容成分的p+层(第二导电型半导体层)2323、2333。

由此，有可高效地增加积累电容的优点。

(第二实施方式)

图14是表示本发明第二实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第二实施方式的画PXLA及电容可变部80A与第一实施方式的电容可变部80的不同点如下所述。

如图14所示，本第二实施方式的固态摄像装置10A的电容可变部80A的结构包含：电容器C82，连接于第二传输晶体管TGLS-Tr的输出侧节点ND21；以及作为开关元件的开关晶体管SW82-Tr，连接在第二传输晶体管TGLS-Tr的输出侧节点ND21与浮置扩散层FD之间，且根据电容变更信号BIN而接通、断开。

与将电容器与开关应用于本第二实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的读取动作是与关联图8而说明的第一实施方式中的对应于转换增益的读取动作同样地进行。

因此，省略其详细说明。

根据本第二实施方式，能够获得与所述第一实施方式相同的效果。

(第三实施方式)

图15是表示本发明第三实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第三实施方式的画PXLB及电容可变部80B与第一及第二实施方式的电容可变部80、80A的不同点如下所述。

在本第三实施方式中，电容可变部80B并非由电容器构成，而是由连接(配置)于沿着列方向相邻的多个像素PXLBn-1、PXLBn、PXLBn+1的浮置扩散层FD之间所形成的布线WR的第一合并(binning)开关81n-1、81n、81n+1、及连接在像素PXLBn+1的浮置扩散层FD与电源线VDD之间的未图示的第一合并开关构成。

在本第三实施方式中，第一合并开关81(··、n-1、n、n+1、··)由绝缘栅型场效晶体管例如n沟道MOS(NMOS)晶体管形成。

在以下的说明中，有时也将合并开关称为合并晶体管。

在本第三实施方式中，根据电容变更信号BIN1n-1、BIN1n、BIN1n+1来接通、断开第一合并开关81n-1、81n、81n+1，由此，将连接的浮置扩散层FD的数量改变为一个或多个，从而变更读取对象像素的浮置扩散层FD的电容，改变被读取的像素PXLBn或PXLBn+1的浮置扩散层FD的转换增益。

在本第三实施方式中，由一列的所有像素··PXLBn-1、PXLBn、PXLBn+1··共享复位元件，例如一列的一端侧的像素PXLB0(图15中未图示)的浮置扩散层FD与靠近一列的另一端侧的像素PXLBN-1而形成的电源线VDD(图15中未图示)之间经由对应于各像素且串联连接地形成于布线WR的第一合并晶体管(开关)··81n-1、81n、81n+1··而被连接，第一合并开关之间的布线WR上的节点··NDn-1、NDn、NDn+1··与对应的像素··PXLBn-1、PXLBn、PXLBn+1··的浮置扩散层FD连接。

在第一实施方式中，最靠另一端侧的未图示的第一合并晶体管(开关)81N-1作为共享的复位元件而发挥功能。

根据此种结构，本第三实施方式的固态摄像装置10B可灵活地改变浮置扩散层FD的连接数，动态范围的扩展性优异。

而且，本第三实施方式的固态摄像装置10B能够调整并优化浮置扩散层FD的电容，根据模式而获得任意的优化值的转换增益，从而可优化转换增益的改变点处的SN，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

另外，本第三实施方式的固态摄像装置10B因像素内的晶体管数少，所以能够提高PD开口率，并提高光电转换灵敏度或饱和电子数。

(第四实施方式)

图16是表示本发明第四实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第四实施方式的画PXLC及电容可变部80C与第三实施方式的电容可变部80B的不同点如下所述。

在本第四实施方式中，除了串联连接在布线WR上且以对应于各像素的方式形成的第一合并晶体管(合并开关)81n-1、81n、81n+1之外，在各像素PXLCn-1、PXLCn、PXLCn+1的浮置扩散层FD与布线WR的节点NDn-1、NDn、NDn+1之间，还连接有例如由NMOS晶体管形成的第二合并晶体管(合并开关)82n-1、82n、82n+1。

第一合并晶体管81n-1、81n、81n+1分别根据第一电容变更信号BIN1n-1、BIN1n、BIN1n+1而选择性地接通、断开，第二合并晶体管82n-1、82n、82n+1分别根据第二电容变更信号BIN2n-1、BIN2n、BIN2n+1而选择性地接通、断开。

在本第四实施方式中，第一电容变更信号BIN1n-1、BIN1n、BIN1n+1与第二电容变更信号BIN2n-1、BIN2n、BIN2n+1成对，并以相同的时序(相位)切换为H电平、L电平。

在此种结构中，第一合并晶体管81n-1、81n、81n+1用于相邻的FD布线WR的连接及切断。

第二合并晶体管82n-1、82n、82n+1配置在各像素PXLCn-1、PXLCn、PXLCn+1的传输晶体管TG(SL、LS)-Tr的附近，并在高转换增益模式下，用于使浮置扩散层FD节点的寄生电容最小化。

而且，在本第四实施方式的电容可变部80C中，在各像素PXLn-1、PXLn、PXLn+1的第一合并晶体管81n-1、81n、81n+1与上侧的相邻像素之间的连接部和电源线VDD之间，连接有溢流漏极(overflow drain)(OFD)栅极83n-1、83n、83n+1。

OFD栅极83n-1、83n、83n+1将溢流电子释放至电源线(端子)，使得在高亮度时从光电二极管PD溢出至浮置扩散层FD的电子(电荷)不会泄漏至相邻像素。

另外，通过将OFD栅极83n-1、83n、83n+1的电压设定得高于第一电容变更信号BIN1n-1、BIN1n、BIN1n+1以及第二电容变更信号BIN2n-1、BIN2n、BIN2n+1的L电平的电压，能够防止相邻像素的浮置扩散层FD的电位因从光电二极管PD溢流的电子(电荷)而下降。

另外，也可将OFD栅极83n-1、83n、83n+1用于复位。相对于包括复位元件与合并开关的结构，因为连接于浮置扩散层FD节点的元件数少，所以高转换增益时的特性优异。

根据本第四实施方式，当然能够获得与所述第三实施方式相同的效果，而且能够进一步优化浮置扩散层FD的电容，能够根据模式获得任意的进一步被优化的值的转换增益。由此，可进一步优化转换增益的改变点处的SN，能够获得所期望的输出特性，进而能够获得高画质的图像。

(第五实施方式)

图17是表示本发明第五实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第五实施方式的画PXLD与第二实施方式的像素PXLA的不同点如下所述。

在本第五实施方式中，像素PXLD设置有多个(在本第五实施方式中为两个)第二光电二极管PDLS及第二传输晶体管TGLS-Tr。

具体而言，像素PXLD设置有第一个第二光电二极管PDLS1、第二个第二光电二极管PDLS2、第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr。

在像素PXLD中，第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr连接在第一个第二光电二极管PDLS1与输出侧节点ND21之间，第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr连接在第二个第二光电二极管PDLS2与输出侧节点ND22之间。

第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr的输出侧节点ND21与第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr的输出侧节点ND22连接。其连接点连接着电容可变部80A的电容器C82，且连接于开关晶体管SW82-Tr的一端。

图18(A)～(E)是用以说明与将电容器与开关应用于本第五实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的第一读取动作的图。

图19(A)～(F)是用以说明与将电容器与开关应用于本第五实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的第二读取动作的图。

与将电容器与开关应用于本第五实施方式的电容可变部的情况下的转换增益对应的读取动作是与关联图8(A)～(E)而说明的第一实施方式中的对应于转换增益的读取动作同样地进行。

因此，省略其详细说明。

但是，对于像素PXLD，进行第一传输处理与第二传输处理的方法能够采用例如图18(A)～(E)所示的第一方法或图19(A)～(F)所示的第二方法，该第一传输处理是利用第一个第二光电二极管PDLS1来传输第一个第二光电二极管PDLS1的积累电荷的处理，该第二传输处理是利用第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr来传输第二个第二光电二极管PDLS2的积累电荷的处理。

在第一方法中，如图18(A)～(E)所示，同时并行地进行第一传输处理与第二传输处理。

在第二方法中，如图19(A)～(F)所示，分别进行第一传输处理与第二传输处理。

(嵌入型的光电二极管PDSL、PDLS1、PDLS2的具体的结构例)

此处，与图20关联地说明嵌入型的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PDLS1、PDLS2的具体的结构例。

图20是表示本发明第五实施方式的嵌入型的第一光电二极管及两个第二光电二极管的除了电荷传输栅极部以外的主要部分的结构例的简略剖视图。

图20的嵌入型光电二极管(PPD)部分200D具有对图5的结构新增第二个第二光电二极管PDLS2而成的构造。

即，图20的嵌入型光电二极管(PPD)部分200D包括半导体衬底(以下仅称为衬底)210，该半导体衬底(以下仅称为衬底)210包括被光L照射的第一衬底面211侧(例如背面侧)及与第一衬底面211侧相向的一侧的第二衬底面212侧(前表面侧)。

嵌入型光电二极管部分200D包括第一光电二极管220(PDSL)，该第一光电二极管220(PDSL)包含以对衬底210进行嵌入的方式形成的第一导电型(在本实施方式中为n型)半导体层(在本实施方式中为n层)221n，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能。

嵌入型光电二极管部分200D包括第二光电二极管240-1(PDLS1)、240-2(PDLS2)，该第二光电二极管240-1(PDLS1)、240-2(PDLS2)包含以隔着第二导电型(p型)分离层230而与第一光电二极管220(PDSL)并排地对衬底210进行嵌入的方式形成的n层(第一导电型半导体层)241，且具有接收的光的光电转换的功能及电荷积累功能。

嵌入型光电二极管部分200D在第一光电二极管220(PDSL)及第二光电二极管240-1(PDLS1)、240-2(PDLS2)的与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)，形成有第二导电型(p型)分离层231、232、233、234。

在图20的例子中，第一光电二极管220(PDSL)形成在形成于与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)的第二导电型(p型)分离层231与p型分离层232之间。

第一个第二光电二极管240-1(PDLS1)形成在形成于与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)的p型分离层232与p型分离层233之间。

第二个第二光电二极管240-2(PDLS2)形成在形成于与衬底210的法线正交的方向上的侧部(n层的边界部)的p型分离层231与p型分离层234之间。

而且，在本实施方式中，第一光电二极管PDSL的光接收区域的开口部AP1形成得大于第二光电二极管PDLS1、2的光接收区域的开口部AP2(AP1>AP2)，第一光电二极管PDSL的n层221n的杂质浓度DN1形成得小于第二光电二极管PDLS1、2的n层241n-1、241n-2的杂质浓度DN2(DN1＜DN2)。

根据本第五实施方式，能够获得与所述第一及第二实施方式相同的效果。

另外，通过设置多个第二光电二极管PDLS与第二传输晶体管TGLS，可用作用以取得例如自动对焦(Auto focus，AF)的相位差信息的相位差检测系统。

由此，可取得水平(左右)、垂直(上下)方向及倾斜方向的相位差信息。

例如，在采用图19(A)～(F)的第二方法进行读取的情况下，也可不读取第一光电二极管PDSL的信号而读取第一个第二光电二极管PDLS1的信号与第二个第二光电二极管PDLS2的信号。由此，可仅读取相位差信息。

该相位差检测功能是基于所谓的光瞳分割相位差方式。

光瞳分割相位差方式对摄像透镜的通过光束进行光瞳分割而形成一对分割像，通过检测其图案偏离(相位偏移量)来检测摄像透镜的散焦量。

(第六实施方式)

图21是表示本发明第六实施方式的像素部及电容可变部的结构例的图。

本第六实施方式的画PXLE与第二实施方式的像素PXLA及第五实施方式的像素PXLD的不同点如下所述。

在本第六实施方式中，像素PXLE设置有四个第二光电二极管PDLS及四个第二传输晶体管TGLS-Tr。

具体而言，像素PXLE设置有第一个第二光电二极管PDLS1、第二个第二光电二极管PDLS2、第三个第二光电二极管PDLS3、第四个第二光电二极管PDLS4、第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr、第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr及第二个第二传输晶体管TGLS4-Tr。

在像素PXLE中，第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr连接在第一个第二光电二极管PDLS1与输出侧节点ND21之间，第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr连接在第二个第二光电二极管PDLS2与输出侧节点ND21之间。

第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr连接在第三个第二光电二极管PDLS3与输出侧节点ND22之间，第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr连接在第四个第二光电二极管PDLS4与输出侧节点ND22之间。

第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr的输出侧节点ND21与第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr的输出侧节点ND22连接，其连接点连接着电容可变部80A的电容器C82，且连接于开关晶体管SW82-Tr的一端。

于是，根据本第六实施方式，通过设置四个第二光电二极管PDLS与四个第二传输晶体管TGLS，可用作用以取得例如自动对焦(AF)的相位差信息的相位差检测系统，可取得水平(左右)、垂直(上下)方向及倾斜方向的相位差信息。

(像素PXLE中的第一及第二光电二极管的配置例)

此处，说明本第六实施方式的像素PXLE中的第一光电二极管及四个第二光电二极管的配置例。

图22是用以说明本第六实施方式的像素PXLE中的第一光电二极管及四个第二光电二极管的配置例的图。

本第六实施方式的像素PXLE例如包含第一光电二极管PDSL而形成为矩形RCT，且分别对应于第一光电二极管PDSL的四个角落部而配置有第二光电二极管PDLS1～PDLS4、第二传输晶体管TGLS1-Tr～TGLS4-Tr。

像素PXLE在图中包括左上角落部的第一角落部CRN1、右上角落部的第二角落部CRN2、左下角落部的第三角落部CRN3及右下角落部的第四角落部CRN4作为四个角落部。

在像素PXLE中，作为一例，在第一角落部CRN1处配置有第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr。

在第二角落部CRN2处配置有第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr。

在第三角落部CRN3处配置有第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr。

在第四角落部CRN4处配置有第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr。

在本第六实施方式中，读取部70可利用对于第一光电二极管PDSL、第一个第二光电二极管PDLS1、第二个第二光电二极管PDLS2、第三个第二光电二极管PDLS3及第四个第二光电二极管PDLS4的积累电荷读取处理的组合，进行至少体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能中的至少一个功能的读取。

与后述的第七实施方式关联地说明该体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能的读取模式的读取动作。

根据本第六实施方式，当然可获得与第一及第二实施方式的效果相同的效果，而且通过设置四个第二光电二极管PDLS与四个第二传输晶体管TGLS，能够用作用以取得例如自动对焦(AF)的相位差信息的相位差检测系统，可取得水平(左右)、垂直(上下)方向及倾斜方向的相位差信息。

(第七实施方式)

图23是表示本发明第七实施方式的像素部及电容可变部的布局的一结构例的图。

图24是表示从背面侧观察图23的像素部的各像素的基本性布局图案的图。

再者，在图23及图24中，为了简化附图而表示了四个像素排列为2×2的行列状的例子。

本第七实施方式的画PXLF与第六实施方式的像素PXLE的不同点如下所述。

在本第七实施方式中，像素部20F具有像素共享构造，即，多个像素PXLF配置为行列状，由相邻的多个像素的第二光电二极管PDLS及第二传输晶体管TGLS-Tr共享一个浮置扩散层FD。

像素PXLF在图23中包括左上角落部的第一角落部CRN1、右上角落部的第二角落部CRN2、左下角落部的第三角落部CRN3及右下角落部的第四角落部CRN4作为四个角落部。

在像素PXLF中，作为一例，在第一角落部CRN1处配置有第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr。

在第二角落部CRN2处配置有第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr。

在第三角落部CRN3处配置有第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr。

在第四角落部CRN4处配置有第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr。

在本第七实施方式中，基本上，各像素PXLF的第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr与相邻在列方向左侧的像素的第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr、相邻在行方向上侧的像素的第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr、以及相邻在左上侧的像素的第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr中的至少任一者共享一个浮置扩散层FD。

各像素PXLF的第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr与相邻在列方向右侧的像素的第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、相邻在行方向上侧的像素的第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr、以及相邻在右上侧的像素的第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr中的至少任一者共享一个浮置扩散层FD。

各像素PXLF的第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr与相邻在列方向左侧的像素的第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr、相邻在行方向下侧的像素的第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、以及相邻在左下侧的像素的第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr中的至少任一者共享一个浮置扩散层FD。

各像素PXLF的第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr与相邻在列方向右侧的像素的第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr、相邻在行方向下侧的像素的第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr、以及相邻在右下侧的像素的第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr中的至少任一者共享一个浮置扩散层FD。

在图23及图24的例子中，像素部20F的第一像素PXLF1、第二像素PXLF2、第三像素PXLF3及第四像素PXLF4排列为行列状。

第一像素PXLF1的第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、第二像素PXLF2的第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr、第三像素PXLF3的第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr、以及第四像素PXLF4的第四个第二光电二极管PDLS4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr共享一个浮置扩散层FD。

于是，在本第七实施方式中，读取部70可利用例如对于第一像素PXLF1的第一光电二极管PDSL1、第一像素PXLF1的第一个第二光电二极管PDLS1、第二像素PXLF2的第二个第二光电二极管PDLS2、第三像素PXLF3的第三个第二光电二极管PDLS3及第四像素PXLF4的第四个第二光电二极管PDLS4的积累电荷读取处理的组合，进行至少体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能中的至少一个功能的读取。

以下，说明本第七实施方式中的体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能的读取模式的读取动作。

图25是将本第七实施方式的体现大动态范围化功能及相位差检测功能的读取模式的概要表示为表的图。

图25中例示了以下的六个读取模式。

(1)非大动态范围化模式(Non-HDR)、

(2)大动态范围化模式(HDR)、

(3)第一相位差检测化模式(PDAF(V))、

(4)第二相位差检测化模式(PDAF(H))、

(5)第三相位差检测化模式(PDAF(D))、以及

(6)特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)。

对这些读取模式下的读取动作的概要进行说明。

在以下的说明中，虽有例示时序图的模式，但与将电容器与开关应用于本第七实施方式的电容可变部的情况(图21)下的转换增益对应的读取动作基本是与关联图8而说明的第一实施方式中的对应于转换增益的读取动作同样地进行。

再者，读取部70如上所述，可在一个读取期间进行第一转换增益模式读取与第二转换增益模式读取中的至少任一者，该第一转换增益模式读取是指以与由电容可变部80A设定的第一电容对应的第一转换增益来读取像素信号，该第二转换增益模式读取是指以与由电容可变部80A设定的第二电容对应的第二转换增益来读取像素信号。

(1)非大动态范围化模式(Non-HDR)：

在该非大动态范围化模式(Non-HDR)下，无法体现大动态范围化功能及相位差检测功能。

在此情况下，将电容可变部80A的开关晶体管SW82-Tr保持为接通状态，第一光电二极管PDSL、第一个第二光电二极管PDLS1、第二光电二极管PDLS2、第三个第二光电二极管PDLS3及第四个第二光电二极管PDLS4的积累电荷同时并行地传输至浮置扩散层FD，进行低转换增益(LCG)的第二转换增益读取，获得第一读取处理信号Sig1。

(2)大动态范围化模式(HDR)：

图26(A)～(E)是表示本第七实施方式的大动态范围化模式(HDR)下的读取动作的时序图的图。

在大动态范围化模式(HDR)下，体现第一大动态范围化功能的情况下，为了获得第一个第一读取处理信号Sig1，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容。

接着，在接续复位期间的第一读取期间进行第一个第一转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容的状态下，进行第一读取期间后的利用第一传输晶体管TGSL-Tr的第一传输期间的传输处理，在该第一传输期间后的第二读取期间进行第二个第一转换增益模式读取。

在大动态范围化模式(HDR)下，为了获得第一个第二读取处理信号Sig2，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第三读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第三读取期间后的利用第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr、第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr的第二传输期间的传输处理，在该第二传输期间后的第四读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在大动态范围化模式(HDR)下，应用第一个第二读取处理信号Sig2作为第一大动态范围化信号HDRSig。

在大动态范围化模式(HDR)下，动态范围为103dB，积累电容(LFWC)例如相当于150Ke，能够获得足够的饱和电容，可充分地扩大动态范围。

(3)第一相位差检测化模式(PDAF(V))：

图27(A)～(F)是表示本第七实施方式的第一相位差检测化模式(PDAF(V))下的读取动作的时序图的图。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，体现第二大动态范围化功能及第一相位差检测功能的情况下，为了获得第二个第一读取处理信号Sig1，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容。

接着，在接续复位期间的第一读取期间进行第一个第一转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容的状态下，进行第一读取期间后的利用第一传输晶体管TGSL-Tr的第一传输期间的传输处理，在该第一传输期间后的第二读取期间进行第二个第一转换增益模式读取。

再者，根据情况，也能够不实施该模式而通过两次读取仅读取相位差信号。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，为了获得第二个第二读取处理信号Sig2，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第三读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第三读取期间后的第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第四读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，为了获得第三个第二读取处理信号Sig3，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第五读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第五读取期间后的第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第六读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，应用第二个第二读取处理信号Sig2与第三个第二读取处理信号Sig3的差分信号(Sig2-Sig3)作为第一相位差检测用信号PDAFSig。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，应用第二个第二读取处理信号Sig2与第三个第二读取处理信号Sig3的相加信号(Sig2+Sig3)作为第二大动态范围化信号HDRSig。

在第一相位差检测化模式(PDAF(V))下，动态范围为103dB，积累电容(LFWC)例如相当于150Ke，能够获得足够的饱和电容，可充分地扩大动态范围。

(4)第二相位差检测化模式(PDAF(H))：

图28(A)～(F)是表示本第七实施方式的第二相位差检测化模式(PDAF(H))下的读取动作的时序图的图。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，体现第三大动态范围化功能及第二相位差检测功能的情况下，为了获得第三个第一读取处理信号Sig1，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容。

接着，在接续复位期间的第一读取期间进行第一个第一转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容的状态下，进行第一读取期间后的利用第一传输晶体管TGSL-Tr的第一传输期间的传输处理，在该第一传输期间后的第二读取期间进行第二个第一转换增益模式读取。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，为了获得第四个第二读取处理信号SiG2，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第三读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第三读取期间后的第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第四读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，为了获得第五个第二读取处理信号Sig3，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第五读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第五读取期间后的第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第六读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，应用第四个第二读取处理信号Sig2与第五个第二读取处理信号Sig3的差分信号(Sig2-Sig3)作为第二相位差检测用信号PDAFSig。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，应用第四个第二读取处理信号Sig2与第五个第二读取处理信号Sig3的相加信号(Sig2+Sig3)作为第三大动态范围化信号HDRSig。

在第二相位差检测化模式(PDAF(H))下，动态范围为103dB，积累电容(LFWC)为150Ke，能够获得足够的饱和电容，可充分地扩大动态范围。

(5)第三相位差检测化模式(PDAF(D))：

图29(A)～(F)是表示本第七实施方式的第三相位差检测化模式(PDAF(D))下的读取动作的时序图的图。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，体现第四大动态范围化功能及第三相位差检测功能的情况下，为了获得第四个第一读取处理信号Sig1，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容。

接着，在接续复位期间的第一读取期间进行第一个第一转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容的状态下，进行第一读取期间后的利用第一传输晶体管TGLS1-Tr的第一传输期间的传输处理，在该第一传输期间后的第二读取期间进行第二个第一转换增益模式读取。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，为了获得第六个第二读取处理信号Sig2，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第三读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第三读取期间后的第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第四读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，为了获得第七个第二读取处理信号Sig3，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第五读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第五读取期间后的第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第六读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，应用第六个第二读取处理信号Sig2与第七个第二读取处理信号Sig3的差分信号(Sig2-Sig3)作为第三相位差检测用信号PDAFSig。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，应用第六个第二读取处理信号Sig2与第七个第二读取处理信号Sig3的相加信号(Sig2+Sig3)作为第四大动态范围化信号HDRSig。

在第三相位差检测化模式(PDAF(D))下，动态范围为103dB，积累电容(LFWC)例如相当于150Ke，能够获得足够的饱和电容，可充分地扩大动态范围。

(6)特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)：

图30(A)～(F)是表示本第七实施方式的特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下的读取动作的时序图的图。

在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下，体现第五大动态范围化功能的情况下，为了获得第五个第一读取处理信号Sig1，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容。

接着，在接续复位期间的第一读取期间进行第一个第一转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第一转换增益(HCG)对应的第一电容的状态下，进行第一读取期间后的利用第一传输晶体管TGLS1-Tr的第一传输期间的传输处理，在该第一传输期间后的第二读取期间进行第二个第一转换增益模式读取。

在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下，为了获得第八个第二读取处理信号Sig2，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第三读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第三读取期间后的第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第四读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下，为了获得第九个第二读取处理信号Sig3，至少在复位期间后，利用电容可变部80A使浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的包含电容器C82的电容的第二电容。

接着，在接续复位期间的第五读取期间进行第一个第二转换增益模式读取，并在将浮置扩散层FD的电容保持为与第二转换增益(LCG)对应的第二电容的状态下，进行第五读取期间后的第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr的传输处理，在该第二传输期间后的第六读取期间进行第二个第二转换增益模式读取。

再者，在此情况下，优选降低第四个第二光电二极管PDLS4的灵敏度。例如，缩短积累期间，或减光。

在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下，应用第八个第二读取处理信号Sig2与第三个第九读取处理信号Sig3的相加信号(Sig2+Sig3)作为第五大动态范围化信号HDRSig。

在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下，动态范围为108dB，积累电容(LFWC)例如相当于250Ke，能够获得足够的饱和电容，可充分地扩大动态范围。

根据本第七实施方式，例如可利用对于第一像素PXLF1的第一光电二极管PDSL1、第一像素PXLF1的第一个第二光电二极管PDLS1、第二像素PXLF2的第二个第二光电二极管PDLS2、第三像素PXLF3的第三个第二光电二极管PDLS3及第四像素PXLF4的第四个第二光电二极管PDLS4的积累电荷读取处理的组合，进行至少体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能中的至少一个功能的读取。

图31是表示本发明第七实施方式的各读取模式下的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PDLS的灵敏度特性的图。

图32(A)及(B)是表示本发明第七实施方式的大动态范围化模式(HDR)、第三相位差检测化模式(PDAF(D))及特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)的线性化后的灵敏度特性的图。

图32(A)表示了信号的输入输出特性，图32(B)表示了SNR特性。

根据图32(A)及(B)，已知在本第七实施方式中，在大动态范围化模式(HDR)、第三相位差检测化模式(PDAF(D))下改善了10dB，在特别的大动态范围化模式(Extra-HDR)下进一步改善了5dB。

另外，根据本第七实施方式，当然可获得与第一及第二实施方式的效果相同的效果，而且通过设置四个第二光电二极管PDLS与四个第二传输晶体管TGLS，能够用作用以取得例如自动对焦(AF)的相位差信息的相位差检测系统，可取得水平(左右)、垂直(上下)方向及倾斜方向的相位差信息。

再者，所述各读取模式的读取动作也可同样应用于第六实施方式的图22的像素PXLE。

图33(A)～(C)是用以说明也可将第七实施方式的各读取模式的读取动作同样应用于第六实施方式的图22的像素PXLE的图。

但是，图33(A)～(C)仅表示了相位差检测化模式(PDAF)，但可应用其他模式的读取动作。

而且，图33(A)表示了第一相位差检测化模式(PDAF(V))的读取动作的概要，图33(B)表示了第二相位差检测化模式(PDAF(H))的读取动作的概要，图33(C)表示了第三相位差检测化模式(PDAF(D))的读取动作的概要。

(第八实施方式)

图34是用以说明本第八实施方式的像素中的第一光电二极管及八个第二光电二极管的配置例的图。

本第八实施方式的像素PXLG与图22的像素PXLE的不同点在于包括八个第二光电二极管PDLS(1～8)。

像素PXLG例如包含第一光电二极管PDSL而形成为矩形RCT，且分别对应于第一光电二极管PDSL的四个角落部而配置有第二光电二极管PDLS1～PDLS8(第二传输晶体管TGLS1-Tr～TGLS8-Tr)。

像素PXLG与图22的例子同样地，包括左上角落部的第一角落部CRN1、右上角落部的第二角落部CRN2、左下角落部的第三角落部CRN3及右下角落部的第四角落部CRN4作为四个角落部。

在像素PXLG中，在第一角落部CRN1处，成对地配置有第一个第二光电二极管PDLS1及第一个第二传输晶体管TGLS1-Tr、以及第二个第二光电二极管PDLS2及第二个第二传输晶体管TGLS2-Tr。

在第二角落部处，成对地配置有第三个第二光电二极管PDLS3及第三个第二传输晶体管TGLS3-Tr、以及第四个第二光电二极管PDSL4及第四个第二传输晶体管TGLS4-Tr。

在第三角落部CRN3处，成对地配置有第五个第二光电二极管PDLS5及第五个第二传输晶体管TGLS5-Tr、以及第六个第二光电二极管PDLS6及第六个第二传输晶体管TGLS6-Tr。

在第四角落部CRN4处，成对地配置有第七个第二光电二极管PDLS7及第七个第二传输晶体管TGLS7-Tr、以及第八个第二光电二极管PDLS8及第八个第二传输晶体管TGLS8-Tr。

在本第八实施方式中，读取部70可利用对于第一光电二极管PDSL、第一个第二光电二极管PDLS1、第二个第二光电二极管PDLS2、第三个第二光电二极管PDLS3、第四个第二光电二极管PDLS4、第五个第二光电二极管PDLS5、第六个第二光光电二极管PDLS6、第七个第二光电二极管PDLS7及第八个第二光电二极管PDLS8的积累电荷读取处理的组合，进行至少体现大动态范围化功能及检测相位差的相位差检测功能中的至少一个功能的读取。

根据本第八实施方式，当然可获得与第一及第二实施方式的效果相同的效果，而且通过设置八个第二光电二极管PDLS与八个第二传输晶体管TGLS，能够用作用以取得例如自动对焦(AF)的相位差信息的相位差检测系统，可取得水平(左右)、垂直(上下)方向及倾斜方向的相位差信息。

(应用例1)

图35是表示图5所示的本实施方式的嵌入型的第一光电二极管及第二光电二极管的其他结构例的简略剖视图。

虽与图5(及图20)关联地对包括嵌入型的第一光电二极管PDSL及第二光电二极管PDLS的像素的构造例进行了说明，但像素构造并不限定于此，例如，如图35所示，能够采用将结(junction)部250、积累区域260层叠在光电转换区域上的更紧凑的构造。

图35的第一光电二极管220H(PDSL)是以如下方式构成，即，n层(第一导电型半导体层)221n在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有三层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有n--层2214，在该n--层2214的第二衬底面212侧的一部分形成有n-层2215，在该n-层2215的第二衬底面212侧形成有n层2216。

另外，与n--层2214的第二衬底面212侧的n-层2215并排地形成有p层2217，在该p层2217的第二衬底面212侧形成有p层2218及n+层2219。

图35的第二光电二极管240H(PDLS)是以如下方式构成，即，n层(第一导电型半导体层)241n在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有单层构造。

在本例中，形成有n层2413。

图35的p型分离层231H是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)231p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有三构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2311，在该p层2311的第二衬底面212侧形成有p-层2312，在该p-层2312的第二衬底面212侧形成有p层2313。

图35的p型分离层232H是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)232p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有双层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2321，在该p层2321的第二衬底面212侧形成有p+层2323。

图35的p型分离层233H是以如下方式构成，即，p层(第二导电型半导体层)233p在衬底210的法线方向(图中的正交坐标系的Z方向)上具有三层构造。

在本例中，在第一衬底面211侧形成有p层2331，在该p层2331的第二衬底面212侧形成有p-层2332，在该p-层2332的第二衬底面212侧形成有p层2333。

而且，在图35的例子中，在p层2217、p+层2323、n层2413上均形成有n+层2219。

该结构为一例，也可为其他的层叠构造。

(应用例2)

图36(A)及(B)是用以说明本发明实施方式的固态摄像装置可应用于表面照射型图像传感器与背面照射型图像传感器这两者的图。

图36(A)表示了表面照射型图像传感器的简略结构，图36(B)表示了背面照射型图像传感器的简略结构。

在图36(A)及(B)中，符号91表示微透镜阵列，92表示彩色滤光片组，93表示布线层，94表示硅衬底。

所述本实施方式的固态摄像装置10如图36(A)及(B)所示，可应用于表面照射型图像传感器(FSI)与背面照射型图像传感器(BSI)这两者。

以上说明的固态摄像装置10、10A～10G能够作为摄像装置而应用于数码相机或摄像机、便携终端、或者监控用相机、医疗用内窥镜用相机等电子设备。

图37是表示搭载有如下相机系统的电子设备的结构的一例的图，该相机系统应用了本发明实施方式的固态摄像装置。

如图37所示，本电子设备100包括可应用本实施方式的固态摄像装置10、10A～10G的CMOS图像传感器110。

而且，电子设备100包括将入射光引导至该CMOS图像传感器110的像素区域(使被拍摄体像成像)的光学系统(透镜等)120。

电子设备100包括对CMOS图像传感器110的输出信号进行处理的信号处理电路(PRC)130。

信号处理电路130对CMOS图像传感器110的输出信号实施规定的信号处理。

由信号处理电路130处理后的图像信号可作为动态图像而显示在包含液晶显示器等的监视器中，或也可输出至打印机，另外，可采用各种形态，例如直接记录于存储卡等存储介质。

如上所述，通过搭载所述固态摄像装置10、10A～10G作为CMOS图像传感器110，可提供高性能、小型、低成本的相机系统。

而且，能够实现使用于在相机的设置条件方面存在安装尺寸、可连接的线缆条数、线缆长度、设置高度等限制的用途的例如监控用相机、医疗用内窥镜用相机等电子设备。

主要元件符号说明

10、10A～10G：固态摄像装置

20、20A～20G：像素部

PDSL：第一光电二极管(第一光电转换部)

PDLS、PDLS1～PDLS8：第二光电二极管(第二光电转换部)

TGSL-Tr：第一传输晶体管(第一传输元件)

TGLS-Tr、TGLS1-Tr～TGLS8-Tr：第二传输晶体管(第二传输元件)

210：半导体衬底

220：第一光电二极管

240：第二光电二极管

30：垂直扫描电路

40：读取电路

50：水平扫描电路

60：时序控制电路

70：读取部

80、80A～80C：电容可变部

C81、C82：电容器

SW81-Tr、SW82-Tr：开关晶体管(开关元件)

81：第一合并开关

82：第二合并开关

83：溢流漏极(OFD)栅极

91：微透镜阵列

92：彩色滤光片组

93：布线层

94：硅衬底

100：电子设备

110：CMOS图像传感器

120：光学系统

130：信号处理电路(PRC)