JP7460345B2 - 固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。

光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが実用に供されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。

ＣＭＯＳイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード（光電変換素子）および浮遊拡散層（ＦＤ：Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するＦＤアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列（カラム）出力方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。

また、列並列出力型ＣＭＯＳイメージセンサの画素信号読み出し（出力）回路については実に様々なものが提案されている。
それらの中で、その最も進んだ回路のひとつが、列（カラム）毎にアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ（Analog digital converter)）を備え、画素信号をデジタル信号として取り出す回路である（たとえば特許文献１，２参照）。

この列並列ＡＤＣ搭載ＣＭＯＳイメージセンサ（カラムＡＤ方式ＣＭＯＳイメージセンサ）では、比較器（コンパレータ）はいわゆるＲＡＭＰ波と画素信号の比較をして、後段のカウンタでデジタルＣＤＳを行うことによりＡＤ変換を行う。

しかしながら、この種のCＭＯＳイメージセンサは、信号の高速転送が可能であるが、グローバルシャッタ読み出しができないという不利益がある。

これに対して、各画素に比較器を含むＡＤＣ（さらにはメモリ部）を配置して、画素アレイ部中の全画素に対して同一のタイミングで露光開始と露光終了とを実行するグローバルシャッタをも実現可能にするデジタル画素（ピクセル）センサが提案されている（たとえば特許文献３，４参照）。

特開２００５－２７８１３５号公報 特開２００５－２９５３４６号公報 ＵＳ ７１６４１１４ Ｂ２ ＦＩＧ、４ ＵＳ ２０１０／０１８１４６４ Ａ１

上述した従来のデジタル画素センサを備えたＣＭＯＳイメージセンサでは、グローバルシャッタ機能を実現することは可能であり、また、各画素に比較器を含むＡＤＣを配置して、所定の読み出しモードによって広ダイナミックレンジ化を図ることが可能である。

なお、ダイナミックレンジを拡大させる方法としては、たとえば、イメージセンサの同一の画素から蓄積時間の異なる２種類の信号を読み出し、この２種類の信号を組み合わせて、ダイナミックレンジを拡大させる方法や、高感度の画素でダイナミックレンジの小さい信号と、低感度でダイナミックレンジを拡大した信号を組み合わせてダイナミックレンジを拡大させる方法などが知られている。

しかしながら、上述した従来のデジタル画素センサを備えたＣＭＯＳイメージセンサでは、画素内に比較器（コンパレータ）およびデジタルメモリの多くのトランジスタを実装する必要があるため、画素サイズを小さくすることは一般的に困難である。
このように、上述した従来のデジタル画素センサを備えたＣＭＯＳイメージセンサでは、比較器（コンパレータ）およびデジタルメモリの縮小化は困難で、画素サイズが律速され、広ダイナミックレンジ化には限界がある。

本発明は、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。

本発明の第１の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能である。

本発明の第２の観点は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含む固体撮像装置の駆動方法であって、前記読み出し部の制御の下、前記比較器において、異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行う。

本発明の第３の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換を行う画素が配置された画素部と、前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、前記画素は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能である。

本発明によれば、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置のデジタル画素の一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係るデジタル画素の主要部であるシャッタゲートトランジスタを有する電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。 本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で２つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンを共有する場合の各トランジスタ、キャパシタ等の配置例を示す簡略平面図である。 本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で４つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンを共有する場合の各トランジスタ、キャパシタ等の配置例を示す簡略平面図である。 本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で４つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンを共有するデジタル画素の一例を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第１の読み出しモードとして第２変換利得（ＬＣＧ）による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第１の読み出しモードとして第１変換利得（ＨＣＧ）による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第２の読み出しモードによる読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第３の読み出しモードによる読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第４の読み出しモードによる読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置におけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。 本第２の実施形態に係る比較器を共有する隣接する２つの光電変換読み出し部におけるフォトダイオード周辺の各トランジスタ、キャパシタ、ノード等の集積化した配置例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置におけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置の画素の一例を示す回路図である。 本第３の実施形態に係る比較器を共有する隣接する２つの光電変換読み出し部におけるフォトダイオード周辺の各トランジスタ、キャパシタ、ノード等の集積化した配置例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置におけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用される電子機器の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置１０は、たとえば画素としてデジタル画素(Digital Pixel)を含むＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。

この固体撮像装置１０は、図１に示すように、撮像部としての画素部２０、垂直走査回路（行走査回路）３０、出力回路４０、およびタイミング制御回路５０を主構成要素として有している。
これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路３０、出力回路４０、およびタイミング制御回路５０により画素信号の読み出し部６０が構成される。

本第１の実施形態において、固体撮像装置１０は、画素部２０において、デジタル画素として光電変換読み出し部、ＡＤ（アナログデジタル）変換部、およびメモリ部を含み、たとえば積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている。なお、固体撮像装置１０は、グローバルシャッタの動作機能を持つように構成されてもよい。
本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、後で詳述するように、各デジタル画素ＤＰがＡＤ（アナログデジタル）変換機能を有しており、ＡＤ変換部は、光電変換読み出し部により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、読み出される電圧信号ＶＳＬに対してアナログデジタル（ＡＤ）変換処理を行い、デジタル化した比較結果信号を出力する比較器（コンパレータ）を有している。

比較器は、読み出し部６０の制御の下、蓄積期間（露光期間）に光電変換素子から出力ノード（フローティングディフュージョン）に溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第１の比較結果信号を出力する第１の比較処理と、蓄積期間後の転送期間に出力ノードに転送された光電変換素子の蓄積電荷に応じた電圧信号に対するデジタル化した第２の比較結果信号を出力する第２の比較処理と、を行う。

そして、本実施形態においては、第２の比較処理中に不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしても、光電変換素子から不要な電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出し、光電変換素子からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローしてＦＤレベルが変動することを防止するシャッタゲート（ＳＧ）を有している。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が光電変換素子に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。

そして、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０は、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大しデジタル画素を実現することを可能とするため、読み出し部６０はデジタル画素からの画素信号の読み出し処理およびＡＤ変換処理後のデータ格納を以下のように実行する。

固体撮像装置１０において、比較器は、読み出し部６０の制御の下、異なる光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能である。
より具体的には、比較器は、異なる２つの光電変換素子で一つの出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤを共有する一つの光電変換読み出し部（画素）に接続されており、同一の光電変換読み出し部内の異なる光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
また、比較器は、それぞれ一つまたは複数の光電変換素子を含む複数の光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの比較器が複数の光電変換読み出し部で共有されており、異なる光電変換読み出し部内の異なる光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。

本実施形態において、読み出し部６０は、少なくとも第１の読み出しモードＲＭＤ１、第２の読み出しモードＲＭＤ２、第３の読み出しモードＲＭＤ３、および第４の読み出しモードＲＭＤ４の４系統の読み出しモードうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能である。
各読み出しモードの読み出しシーケンスについては後で詳述する。

読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノード（フローティングディフュージョン）の第２電荷量に応じた第２変換利得（たとえば低変換利得：ＬＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。

または、読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノード（フローティングディフュージョン）の第１電荷量に応じた第１変換利得（たとえば高変換利得：ＨＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。

読み出し部６０は、第２の読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器で第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、利得切換部により利得を切り換えて、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。

読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１のリセット期間ＰＲ１後の第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。

読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合であって、オーバーフロー電荷によって出力ノード（フローティングディフュージョンＦＤ）の電位が変動し比較器の出力が反転するまでの時間をクロックで数えて信号量を予測し、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第１の読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ１後の第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部から出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第１の読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に利得切換部により利得を切り換えて、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後の第２の転送期間ＰＴ２に続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器でこの第２の読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行うことが可能である。
さらに、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、第２の読み出し期間ＰＲＤ２後の第２のリセット期間ＰＲ２に続く第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部から出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器でこの第２の読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＳＤを行うことが可能である。

以下、固体撮像装置１０の各部の構成および機能の概要、特に、画素部２０およびデジタル画素の構成および機能、それらに関連した読み出し処理、並びに、画素部２０と読み出し部６０の積層構造等について詳述する。

（画素部２０およびデジタル画素２００の構成）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素部のデジタル画素アレイの一例を示す図である。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素の一例を示す回路図である。

画素部２０は、図２に示すように、複数のデジタル画素２００がＮ行Ｍ列の行列状（マトリクス状）に配列されている。
なお、図２においては、図面の簡単化のため、９つのデジタル画素２００が３行３列の行列状（Ｍ＝３、Ｎ＝３のマトリクス状）に配置されている例が示されている。

本第１の実施形態に係るデジタル画素２００は、光電変換読み出し部（図２ではＰＤと表記）２１０、ＡＤ変換部（図２ではＡＤＣと表記）２２０、およびメモリ部（図２ではＭＥＭと表記）２３０を含んで構成されている。
本第１の実施形態の画素部２０は、第１の基板１１０と第２の基板１２０の積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されるが、本例では、図３に示すように、第１の基板１１０に光電変換読み出し部２１０が形成され、第２の基板１２０にＡＤ変換部２２０およびメモリ部２３０が形成されている。

デジタル画素２００の光電変換読み出し部２１０は、２つのフォトダイオード（光電変換素子）と１つの画素内アンプとを含んで構成される。
具体的には、この光電変換読み出し部２１０は、たとえば第１の光電変換素子である第１のフォトダイオードＰＤ０、および第２の光電変換部であるフォトダイオードＰＤ１を有する。
本第１の実施形態の画素２００は、第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１が、出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤを共有している。

第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１は、蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する。
第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが接続されている。
また、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが接続され、蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間に第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが接続されている。

そして、光電変換読み出し部２１０は、一つの出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤに対応して、リセット素子としてのリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒ、ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒ、蓄積素子としての蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒ、蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＣＳ、および読み出しノードＮＤ１をそれぞれ一つずつ有する。

そして、本第１の実施形態においては、ソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒおよび読み出しノードＮＤ１を含んで出力バッファ部２１１が構成されている。
また、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒおよび蓄積キャパシタＣＳを含んで利得切換部２１２が構成されている。

本第１の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０は、出力バッファ部２１１の読み出しノードＮＤ１がＡＤ変換部２２０の入力部に接続されている。
光電変換読み出し部２１０は、出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号ＶＳＬをＡＤ変換部２２０に出力する。

本第１の実施形態に係る光電変換読み出し部２１０は、読み出し部６０の制御の下、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４または前記第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しを行う。
光電変換読み出し部２１０は、続いて、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。
本第１の実施形態においては、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しを行い、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行う。

たとえば、光電変換読み出し部２１０は、ＡＤ変換部２２０の第１の比較処理期間ＰＣＭＰ１において、蓄積期間ＰＩに光電変換素子であるフォトダイオードＰＤ０から出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。

さらに、光電変換読み出し部２１０は、ＡＤ変換部２２０の第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、蓄積期間ＰＩ後の転送期間ＰＴに出力ノードとしてのフローティングディフュージョンＦＤに転送されたフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に応じた電圧信号ＶＳＬを出力する。
光電変換読み出し部２１０は、第２の比較処理期間ＰＣＭＰ２において、画素信号としての読み出しリセット信号(信号電圧)（ＶＲＳＴ）および読み出し信号(信号電圧)（ＶＳＩＧ）をＡＤ変換部２２０に出力する。

第１のフォトダイオードＰＤ０および第２のフォトダイオードＰＤ１は、入射光量に応じた量の信号電荷（ここでは電子）を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがｎ型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷が正孔（ホール）であったり、各トランジスタがｐ型トランジスタであっても構わない。

各デジタル画素２００において、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。

光電変換読み出し部２１０の第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０とフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧ０により制御される。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第１のフォトダイオードＰＤ０およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒは、制御信号ＴＧ０がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第１の転送トランジスタＴＧ０―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。

第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号ＳＧ０により制御される。
第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、制御信号ＳＧ０がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第１のフォトダイオードＰＤ０の電荷蓄積部ＰＮＤ０と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしてのエミッタフローを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。

このように、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒと第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。

光電変換読み出し部２１０の第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１とフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＴＧ１により制御される。
第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がハイ（Ｈ）レベルの転送期間ＰＴに選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１で光電変換され蓄積された電荷（電子）をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。
なお、第２のフォトダイオードＰＤ１およびフローティングディフュージョンＦＤが所定のリセット電位にリセットされた後、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒは、制御信号ＴＧ１がロー（Ｌ）レベルの非導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１は蓄積期間ＰＩとなるが、このとき、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１―Ｔｒ下のオーバーフローパスを通じてオーバーフロー電荷として固定電位ＶＡＡＰＩＸに溢れ出す。

第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸとの間が接続され、制御線を通じて印加される制御信号ＳＧ１により制御される。
第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、制御信号ＳＧ１がＨレベルの期間に選択されて導通状態となり、第２のフォトダイオードＰＤ１の電荷蓄積部ＰＮＤ１と所定の固定電位ＶＡＡＰＩＸ間にアンチブルーミングとしてのエミッタフローを形成し、不要な電荷を固定電位ＶＡＡＰＩＸに放出させる。

このように、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒと第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒは、それぞれ個別のタイミングで駆動制御される。

リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、電源電圧ＶＡＡＰＩＸの電源線ＶaapixとフローティングディフュージョンＦＤの間に接続され、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＲＳＴにより制御される。
リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒは、制御信号ＲＳＴがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤを電源電圧ＶＡＡＰＩＸの電源線Ｖaapixの電位にリセットする。

蓄積トランジスタＢＩＮ―Ｔｒは、フローティングディフュージョンＦＤとリセットトランジスタＲＳＴ―Ｔｒとの間に接続され、その接続ノードＮＤ２と基準電位ＶＳＳとの間に蓄積キャパシタＣＳが接続されている。
蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは、制御線を通じてゲートに印加される制御信号ＢＩＮにより制御される。
蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒは、制御信号ＢＩＮがＨレベルのリセット期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳとを接続する。

第１変換利得信号読み出し処理ＨＣＧＳＲＤ時には、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは非導通状態に保持され、出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷を分離させて読み出し処理が実行される。
第２変換利得信号読み出し処理ＬＣＧＳＲＤ時には、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒは導通状態に保持され、出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて読み出し処理が実行される。
第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤ時には、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒおよび蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒが導通状態に保持され、出力ノードＮＤであるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積キャパシタＣＳの電荷をクリアさせて読み出し処理が実行される。

ソースフォロワ素子としてのソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒは、ソースが読み出しノードＮＤ１に接続され、ドレイン側が電源線Ｖaapixに接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。
そして、出力バッファ部２１１を形成する出力ノードＮＤ１は、ＡＤ変換部２２０の入力部に接続された信号線ＬＳＧＮ１に接続されている。
読み出しノードＮＤ１が接続された信号線ＬＳＧＮ１と基準電位ＶＳＳ（たとえばＧＮＤ）の間に電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのドレイン、ソースが接続されている。カレントトランジスタＩＣ－Ｔｒのゲートは制御信号ＶＢＮＰＩＸの供給ラインに接続されている。
そして、読み出しノードＮＤ１とＡＤ変換部２２０の入力部間の信号線ＬＳＧＮ１は、電流源素子としてのカレントトランジスタＩＣ－Ｔｒにより駆動される。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るデジタル画素の主要部であるシャッタゲートトランジスタを有する電荷蓄積転送系の構成例を示す簡略断面図である。

各デジタル画素セルＰＸＬＣは、光Ｌが照射される第１基板面１１０１側（たとえば裏面側）と、この第１基板面１１０１側と対向する側の第２基板面１１０２側とを有する基板（本例では第１の基板１１０）に形成され、分離層ＳＰＬにより分離されている。
そして、図４の本実施形態に係るデジタル画素セルＰＬＸＣは、光電変換読み出し部２１０を形成する、たとえば第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、フローティングディフュージョンＦＤ、シャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、分離層ＳＰＬ、さらには図示しないカラーフィルタ部およびマイクロレンズを含んで構成されている。

なお、図４のデジタル画素は裏面照射型を一例として示しているが、本発明は、表面照射型であってもよい。

（フォトダイオードの構成）
第１のフォトダイオードＰＤ０は、第１基板面１１０１側と、第１基板面１１０１側と対向する側の第２基板面１１０２側とを有する半導体基板の第２導電型（本実施形態ではｐ型）のエピタキシャル層（ｐ－epi）２１０１に対して埋め込むように形成された第１導電型（本実施形態ではｎ型）半導体層（本実施形態ではｎ層）２１０２を含み、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
第１のフォトダイオードＰＤ０の基板の法線に直交する方向（Ｘ方向）における側部には、図中の両側には、エピタキシャル層（ｐ－epi）２１０１Ｒ、２１０１Ｌを介して第２の導電型（本実施形態ではｐ型）分離層ＳＰＬ（ＳＰＬ１，ＳＰＬ２）が形成されている。

このように、本実施形態では、各デジタル画素セルＰＸＬＣにおいて、フォトダイオード（ＰＤ）としては、埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）が用いられる。
フォトダイオード（ＰＤ）を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による界面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷（暗電流）が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込み型フォトダイオード（ＰＰＤ）では、フォトダイオード（ＰＤ）の電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。

図４の第１のフォトダイオードＰＤ０においては、ｎ層（第１導電型半導体層）２１０２の第２基板面１１０２側にｐ＋層２１０３が形成されている。
なお、エピタキシャル層（ｐ－epi）２１０１の光入射側には、カラーフィルタ部が形成され、さらに、カラーフィルタ部の光入射側であって、第１のフォトダイオードＰＤ０および分離層ＳＰＬの一部に対応するようにマイクロレンズが形成されている。

（Ｘ方向（列方向）における分離層の構成）
図４のＸ方向（列方向）右側におけるｐ型分離層２１０４（ＳＰＬ１）の第２の基板面１１０２側にはフローティングディフュージョンＦＤとなるｎ＋層２１０５が形成されている。
図４のＸ方向（列方向）左側におけるｐ型分離層２１０６（ＳＰＬ２）の第２の基板面１１０２側にはシャッタゲートトランジスタTＳＧ０－Ｔrのドレインとなるとなるｎ＋層２１０７が形成されている。
そして、第２基板面１１０２側のエピタキシャル層（ｐ－epi）２１０１Ｒ上に、ゲート絶縁膜を介して第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒのゲート電極２１０８が形成されている。
第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ下には第１のフォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤにいたるオーバーフローパスＯＶＰが形成される。
なお、オーバーフローパスＯＶＰの電位は、たとえばゲート制御により行うことも可能である。

一方、第２基板面１１０２側のエピタキシャル層（ｐ－epi）２１０１Ｌ上に、ゲート絶縁膜を介して第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒのゲート電極２１０９が形成されている。
第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ下にはフォトダイオードＰＤ０からｎ＋層２１０７にいたるエミッタフローパスＥＦＰが形成される。

このような構造において、入射する光の強度（量）が非常に高い場合、飽和電荷量を超えた電荷が第１の転送トランジスタＴＧ０―Ｔｒ下のオーバーフローパスＯＶＰを通じてオーバーフロー電荷としてフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出す。
比較器２２１の第１の比較処理ＣＭＰＲ１ではオーバーフロー電荷が使用される。

これに対して、ＡＤ変換の第２の比較処理中に、不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射すると、フォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローして出力ノードであるフローティングディフュージョンＦＤのレベルが変動してしまい、正常なＡＤ変換処理を実現できないおそれがある。
そこで、本実施形態においては、第２の比較処理中に不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしても、第１のフォトダイオードＰＤ０から不要な電荷をフローティングディフュージョンＦＤ領域外に放出し、第１のフォトダイオードＰＤ０からフローティングディフュージョンＦＤに電荷がオーバーフローしてＦＤレベルが変動することを防止する第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒを有している。
これにより、第２の比較処理中に、不規則な強い光が第１のフォトダイオードＰＤ０に入射したとしてもＦＤレベルが変動することを防止し、正常なＡＤ変換処理を実現可能に構成されている。

このような２組の第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送ゲートトランジスタＴＧ０－Ｔｒ、および第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、並びに、第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送ゲートトランジスタＴＧ１－Ｔｒ、および第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒにより一つの出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤを共有する画素２００の光電変換読み出し部２１０は、ダイナミックレンジを向上させるために、対応する読み出しモードに応じて、フォトダイオードＰＤの容量を異ならせている。
本第１の実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われ、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して、たとえば第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行うことに対応して、同一の光電変換読み出し部２１０内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ０の容量が同一光電変換読み出し部２１０内に隣接して形成された第２のフォトダイオードＰＤ１の容量より小さく形成されている。

第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０のＦＷＣはＴＴＳ飽和によって制限され、フォトダイオード自身のＦＷＣ(Full Well Capacity)には制限されない。
一方、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ１のＦＷＣはフォトダイオードのＦＷＣに制限される。
したがって、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０はＦＷＣが小さくなるように形成され、第１の読み出しモードＲＭＤ１等による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１はＦＷＣが大きくなるように形成される。

図５は、本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で２つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する場合の各トランジスタ、キャパシタ等の配置例を示す簡略平面図である。

画素セルＰＸＬＣは、素子の形成領域として、中央部分の中央領域ＣＴＡＲ、並びに、中央領域ＣＴＡＲを挟んで両側（Ｙ方向）の第１の領域ＦＳＡＲおよび第２の領域ＳＣＡＲを含んで、矩形領域ＲＣＴが割り当てられている。

中央領域ＣＴＡＲには、フローティングディフュージョンＦＤがＸ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒ、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒが形成され、左側にソースフォロワトランジスタＳＦ－Ｔｒが形成されている。

第１の領域ＦＳＡＲには、少なくとも第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３でアクセスされる第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、および蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＣＳが隣接するように形成されている。
図５の例では、蓄積キャパシタＣＳが２分割されて第１の領域ＦＳＡＲのＸ方向の縁部側（両側）に形成されている。
そして、２つの蓄積キャパシタＣＳの形成領域に挟まれた中央部に、第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが形成されている。
この場合、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように形成され、第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが矩形領域ＲＣＴの縁部側（外周側、図中上側）に形成されている。

第２の領域ＳＣＡＲには、第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３以外の読み出しモード、たとえば第２の読み出しモードＲＭＤ２でアクセスされる第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが形成されている。
この場合、第２のフォトダイオードＰＤ１が第２の領域ＳＣＡＲの全体にわたって、第１のフォトダイオードＰＤ０より容量が大きく形成されている。
そして、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが中央領域ＣＴＡＲ側にフローティングディフュージョンＦＤと接続するように形成され、第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが矩形領域ＲＣＴの縁部側（外周側、図中下側）に形成されている。

図５のような構成を採用することにより、第４の読み出しモード（または第３の読み出しモード）のみならず、他の第１の読み出しモード、第２の読み出しモードのダイナミックレンジを向上させることが可能となる。

図６は、本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で４つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンＦＤを共有する場合の各トランジスタ、キャパシタ等の配置例を示す簡略平面図である。
図７は、本第１の実施形態に係る同一の光電変換読み出し部内で４つのフォトダイオードで一つのフローティングディフュージョンを共有するデジタル画素の一例を示す回路図である。

この例では、第１のフォトダイオードＰＤ０が、他の３つの第２のフォトダイオードＰＤ１、第３のフォトダイオードＰＤ２、および第４のフォトダイオードＰＤ３より容量が小さく形成されている。

図６の例では、第１の領域ＦＳＡＲのＸ方向の左半分に少なくとも第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３でアクセスされる第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、および蓄積容量素子としての蓄積キャパシタＣＳが隣接するように形成されている。

第１の領域ＦＳＡＲのＸ方向の右半分に第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３以外の読み出しモード、たとえば第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２でアクセスされる第３の光電変換素子としての第３のフォトダイオードＰＤ２、第３の転送素子としての第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒ、第３の電荷オーバーフローゲート素子としての第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒが形成されている。

第２の領域ＦＳＡＲのＸ方向の左半分に第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３以外の読み出しモード、たとえば第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２でアクセスされる第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが形成されている。

第２の領域ＦＳＡＲのＸ方向の右半分に第４の読み出しモードＲＭＤ４または第３の読み出しモードＲＭＤ３以外の読み出しモード、たとえば第１の読み出しモードＲＭＤ１または第２の読み出しモードＲＭＤ２でアクセスされる第４の光電変換素子としての第４のフォトダイオードＰＤ３、第４の転送素子としての第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒ、第４の電荷オーバーフローゲート素子としての第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒが形成されている。

図６のような構成を採用することにより、第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードのみならず、他の第１の読み出しモード、第２の読み出しモードのダイナミックレンジを向上させることが可能となる。

ここで、図１から図３の説明に戻る。

デジタル画素２００のＡＤ変換部２２０は、光電変換読み出し部２１０により出力されるアナログの電圧信号ＶＳＬを、所定の傾きを持たせて変化させたランプ波形または固定電圧の参照電圧ＶＲＥＦと比較して、デジタル信号に変換する機能する。

ＡＤ変換部２２０は、図３に示すように、比較器（ＣＯＭＰ）２２１、出力側の負荷キャパシタＣＬ１、およびリセットスイッチＳＷ－ＲＳＴを含んで構成されている。

比較器２２１は、第１の入力端子としての反転入力端子（－）に、光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１から信号線ＬＳＧＮ１に出力された電圧信号ＶＳＬが供給され、第２の入力端子としての非反転入力端子（＋）に参照電圧ＶＲＥＦが供給され、電圧信号ＶＳＴと参照電圧ＶＲＥＦとを比較し、デジタル化した比較結果信号ＳＣＭＰを出力するＡＤ変換処理（比較処理）を行う。

比較器２２１は、第１の入力端子としての反転入力端子（－）に結合キャパシタＣＣ１が接続されており、第１の基板１１０側の光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１と第２の基板１２０側のＡＤ変換部２２０の比較器２２１の入力部をＡＣ結合することにより、低ノイズ化を図り、低照度時に高ＳＮＲを実現可能なように構成されている。

また、比較器２２１は、出力端子と第１の入力端子としての反転入力端子（－）との間にリセットスイッチＳＷ－ＲＳＴが接続され、出力端子と基準電位ＶＳＳとの間に負荷キャパシタＣＬ１が接続されている。

基本的に、ＡＤ変換部２２０においては、光電変換読み出し部２１０の出力バッファ部２１１から信号線ＬＳＧＮ１に読み出されたアナログ信号（電位ＶＳＬ）は比較器２２１で参照電圧ＶＲＥＦ、たとえばある傾きを持った線形に変化するスロープ波形であるランプ信号ＲＡＭＰと比較される。
このとき、たとえば比較器２２１と同様に列毎に配置された図示しないカウンタが動作しており、ランプ波形のあるランプ信号ＲＡＭＰとカウンタ値が一対一の対応を取りながら変化することで電圧信号ＶＳＬをデジタル信号に変換する。
基本的に、ＡＤ変換部２２０は、参照電圧ＶＲＥＦ（たとえばランプ信号ＲＡＭＰ）の変化は電圧の変化を時間の変化に変換するものであり、その時間をある周期(クロック)で数えることでデジタル値に変換する。
そして、アナログ信号ＶＳＬとランプ信号ＲＡＭＰ（参照電圧ＶＲＥＦ）が交わったとき、比較器２２１の出力が反転し、図示しないカウンタの入力クロックを停止し、または、入力を停止していたクロックを図示しないカウンタに入力し、そのときのカウンタの値（データ）がメモリ部２３０に記憶されてＡＤ変換を完了させる。
以上のＡＤ変換期間終了後、各デジタル画素２００のメモリ部２３０に格納されたデータ（信号）は出力回路４０から図示しない信号処理回路に出力され、所定の信号処理により２次元画像が生成される。

メモリ部２３０はＳＲＡＭやＤＲＡＭにより構成され、デジタル変換された信号が供給され、フォトコンバージョン符号に対応し、画素アレイ周辺の出力回路４０の外部ＩＯバッファにより読み出すことができる。
本例では、メモリ部２３０は、比較器２２１の出力に２つのメモリ２３１，２３２が接続されている。

垂直走査回路３０は、タイミング制御回路５０の制御に応じてシャッタ行および読み出し行において行走査制御線を通してデジタル画素２００の光電変換読み出し部２１０の駆動を行う。
垂直走査回路３０は、タイミング制御回路５０の制御に応じて、各デジタル画素２００の比較器２２１に対して、比較処理に準じて設定される参照電圧ＶＲＥＦを供給する。
また、垂直走査回路３０は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷をリセットするシャッタ行の行アドレスの行選択信号を出力する。

出力回路４０は、たとえば画素部２０の各デジタル画素２００のメモリ出力に対応して配置されたＩＯバッファを含み、各デジタル画素２００から読み出されるデジタルデータを外部に出力する。

タイミング制御回路５０は、画素部２０、垂直走査回路３０、出力回路４０等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。

本第１の実施形態において、読み出し部６０は、デジタル画素２００からの画素信号の読み出し制御を行う。

（読み出し部６０によるデジタル画素２００からの画素信号の読み出し制御）
次に、本第１の実施形態に係る読み出し部６０によるデジタル画素２００からの画素信号の読み出し制御について具体的に説明する。

まず、本実施形態において例示する第１の読み出しモードＲＭＤ１、第２の読み出しモードＲＭＤ２、第３の読み出しモードＲＭＤ３、および第４の読み出しモードＲＭＤ４の具体的な読み出しシーケンスについて説明する。

図８（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第１の読み出しモードとして第２変換利得（ＬＣＧ）による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図８（Ａ）は第１の読み出しモードＲＭＤ１によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図８（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図８（Ｃ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図８（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、制御信号ＴＧ１をローレベルに設定して転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒを非導通状態に保持し、制御信号ＳＧ１がハイレベルからローレベルに切り替えられてシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを導通状態から非導通状態に切り替える。
このシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングで露光時間が開始される。
また、読み出し部６０は、制御信号ＲＳＴをハイレベルに設定してリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒを導通状態に保持し、かつ、制御信号ＢＩＮをハイレベルに設定して蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持してリセット期間ＲＰにおける出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤのリセット状態を維持する。
ここで、読み出し部６０は、制御信号ＲＳＴをローレベルに切り替えてリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒを非導通状態に切り替え、リセット期間ＰＲを終了させる。
このとき、読み出し部６０は、制御信号ＢＩＮをハイレベルにして蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第２電荷量に保持させる。これにより、第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤおよび第２変換利得信号読み出し処理ＬＣＧＳＲＤが実行可能となる。

このような状態で、読み出し部６０は、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得（たとえば低変換利得：ＬＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行う。
さらに、読み出し部６０は、第１の読み出しモードＲＭＤ１時には、リセット読み出し期間ＰＲＲＤ後に制御信号ＴＧ１を所定期間ハイレベルに設定し、この転送期間ＰＴにフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、転送期間ＰＴに続く読み出し期間ＰＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行う。

図９（Ａ）～（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置における画素の第１の読み出しモードとして第１変換利得（ＨＣＧ）による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図９（Ａ）は第１の読み出しモードＲＭＤ１によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図９（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図９（Ｃ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図９（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

上記の説明は、第１の読み出しモードＲＭＤ１として、第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤおよび第２変換利得信号読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを実行する例を説明したが、第１の読み出しモードＲＭＤ１として、第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤおよび第１変換利得信号読み出し処理ＨＧＳＲＤを実行することも可能である。
この場合、読み出し部６０は、図９（Ｃ）に示すように、制御信号ＢＩＮを所定期間ローレベルに切り替え、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを非導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を切り離して、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第１電荷量に保持させる。これにより、第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤおよび第１変換利得信号読み出し処理ＨＣＧＳＲＤが実行可能となる。

図１０は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における画素の第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図１０（Ａ）は第２の読み出しモードＲＭＤ２によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１０（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図１０（Ｃ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図１０（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

読み出し部６０は、第２の読み出しモードＲＭＤ２時には、露光開始からリセット期間ＰＲの終了までの処理は、上述した第１の読み出しモードＲＭＤ１と同様に行われる。
この場合も、読み出し部６０は、制御信号ＢＩＮをハイレベルにして蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第２電荷量に保持させる。これにより、第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤが実行可能となる。

このような状態で、読み出し部６０は、リセット期間ＰＲ後のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行う。
次いで、読み出し部６０は、制御信号ＢＩＮをローレベルに切り替えて、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを非導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を分離させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第１電荷量に保持させる。これにより、第１変換利得信号読み出し処理ＨＣＧＳＲＤが実行可能となる。

このような状態で、読み出し部６０は、リセット期間ＰＲ後のさらなるリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得（高変換利得：ＨＣＧ）で変換した読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行う。
さらに、読み出し部６０は、第２の読み出しモードＲＭＤ２時には、リセット読み出し期間ＰＰＲＤ後に制御信号ＴＧ１を所定期間ハイレベルに設定し、この第１の転送期間ＰＴ１にフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行う。

さらに、読み出し部６０は、第２読み出しモードＲＭＤ２時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＢＩＮをハイレベルに切り替えて、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第２電荷量に保持させる。これにより、第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤが実行可能となる。
この状態で、読み出し部６０は、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＴＧ１を所定期間ハイレベルに設定し、この第２の転送期間ＰＴ２にフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第２の転送期間ＰＴ２後に、制御信号ＳＧ１をハイレベルに切り替えてシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒを導通状態に保持し、続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行う。

図１１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における画素の第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図１１（Ａ）は第３の読み出しモードＲＭＤ１によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの制御信号ＴＧ０を、図１１（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒの制御信号ＳＧ０を、図１１（Ｃ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図１１（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、露光開始からリセット期間ＰＲの終了までの処理は、上述した第１の読み出しモードＲＭＤ１および第２の読み出しモードＲＭＤ２と同様に行われる。
この場合、読み出し部６０は、制御信号ＢＩＮをローレベルにして蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを非導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を分離させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第１電荷量に保持させる。これにより、第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤが実行可能となる。
なお、第３の読み出しモードＲＭＤ３時は、露光期間中において、フローティングディフュージョンＦＤと蓄積キャパシタＣＳはリセットされない。

このような状態で、読み出し部６０は、第１のリセット期間ＰＲ後の第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行う。
さらに、読み出し部６０は、第３の読み出しモードＲＭＤ３時には、リセット読み出し期間ＰＰＲＤ後に制御信号ＴＧ０を所定期間ハイレベルに設定し、この第１の転送期間ＰＴ１にフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行う。

さらに、読み出し部６０は、第３読み出しモードＲＭＤ３時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＢＩＮをハイレベルに切り替えて、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第２電荷量に保持させる。これにより、第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤが実行可能となる。
この状態で、読み出し部６０は、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＴＧ０を所定期間ハイレベルに設定し、この第２の転送期間ＰＴ２にフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第２の転送期間ＰＴ２後に、制御信号ＳＧ０をハイレベルに切り替えてシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒを導通状態に保持し、続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行う。

さらに、読み出し部６０は、第３読み出しモードＲＭＤ３時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＲＳＴを所定期間ハイレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。
このような状態で、読み出し部６０は、第２のリセット期間ＰＲ２後の第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行う。

図１２は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０における画素の第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しシーケンスの一例を説明するためのタイミングチャートである。
図１２（Ａ）は第４の読み出しモードＲＭＤ４によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの制御信号ＴＧ０を、図１２（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒの制御信号ＳＧ０を、図１２（Ｃ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図１２（Ｄ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時の読み出しシーケンスは、蓄積期間（露光期間）にフォトダイオードＰＤ０から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤに溢れ出たオーバーフロー電荷に応じた電圧信号に対する比較処理を行う点が、上述した第３の読み出しモードＲＭＤ３時の読み出しシーケンスと異なる以外は、基本的に、第３の読み出しモードＲＭＤ３時の読み出しシーケンスと同様の処理が行われる。

すなわち、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、露光開始からリセット期間ＰＲの終了までの処理は、上述した第１の読み出しモードＲＭＤ１および第２の読み出しモードＲＭＤ２と同様に行われる。
この場合、読み出し部６０は、制御信号ＢＩＮをローレベルにして蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを非導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を分離させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第１電荷量に保持させる。これにより、第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤが実行可能となる。

このような状態で、読み出し部６０は、第１のリセット期間ＰＲ後の第１のリセット読み出し期間ＰＲＲＤに、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＨＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理ＨＣＧＲＲＤを行う。
さらに、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４時には、リセット読み出し期間ＰＰＲＤ後に制御信号ＴＧ０を所定期間ハイレベルに設定し、この第１の転送期間ＰＴ１にフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第１の転送期間ＰＴ１に続く第１の読み出し期間ＰＲＤ１に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＨＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第１変換利得読み出し処理ＨＣＧＳＲＤを行う。

さらに、読み出し部６０は、第４読み出しモードＲＭＤ４時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＢＩＮをハイレベルに切り替えて、蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤの電荷と蓄積容量素子である蓄積キャパシタＣＳの電荷を共有させて、フローティングディフュージョンＦＤの電荷量を第２電荷量に保持させる。これにより、第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤが実行可能となる。
この状態で、読み出し部６０は、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＴＧ０を所定期間ハイレベルに設定し、この第２の転送期間ＰＴ２にフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送させる。
そして、第２の転送期間ＰＴ２後に、制御信号ＳＧ０をハイレベルに切り替えてシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒを導通状態に保持し、続く第２の読み出し期間ＰＲＤ２に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧを読み出し、比較器２２１でこの読み出し信号ＬＣＧＶＳＩＧに対する比較処理を行う第２変換利得読み出し処理ＬＣＧＳＲＤを行う。

さらに、読み出し部６０は、第４読み出しモードＲＭＤ４時には、第１の読み出し期間ＰＲＤ１後に制御信号ＲＳＴを所定期間ハイレベルに切り替えて、リセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒを導通状態に保持して出力ノードＮＤ０であるフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。
このような状態で、読み出し部６０は、第２のリセット期間ＰＲ２後の第２のリセット読み出し期間ＰＲＲＤ２に、出力バッファ部２１１から出力ノードＮＤ０としてのフローティングディフュージョンＦＤの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴを読み出し、比較器２２１でこの読み出しリセット信号ＬＣＧＶＲＳＴに対する比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤを行う。

なお、比較器２２１の比較処理結果のデジタルデータは、メモリ部２３０のメモリ２３１，２３２に交互に格納される。
これにより、迅速な読み出し動作を実現可能である。

図１３（Ａ）～（Ｆ）は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像装置１０におけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。
図１３（Ａ）は第２の読み出しモードＲＭＤ２によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１３（Ｂ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図１３（Ｃ）は第４の読み出しモードＲＭＤ４によるアクセス対象である転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの制御信号ＴＧ０を、図１３（Ｄ）はシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒの制御信号ＳＧ０を、図１３（Ｅ）は蓄積トランジスタＢＩＮ－Ｔｒの制御信号ＢＩＮを、図１３（Ｆ）はリセットトランジスタＲＳＴ－Ｔｒの制御信号ＲＳＴをそれぞれ示している。

本第１の実施形態においては、読み出し部６０は、図１３に示すように、アクセス対象である転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの蓄積電荷に対する第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出し処理を行い、この第４の読み出しモードＲＭＤ４に続いてアクセス対象である転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの蓄積電荷に対する第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出し処理を行う。
なお、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しシーケンスと第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しシーケンスは、図１２および図１０に関連付けて説明した読み出しシーケンスと基本的に同様であることから、ここではその詳細な説明は省略する。

ただし、読み出し部６０は、第４の読み出しモードＲＭＤ４と第２の読み出しモードＲＭＤ２の引き継ぎ部分において第２変換利得リセット読み出し処理ＬＣＧＲＲＤによる信号を共用する。
これにより、処理の高速化を図ることが可能となる。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、固体撮像装置１０は、画素部２０において、デジタル画素として光電変換読み出し部２１０、ＡＤ変換部２２０、およびメモリ部２３０を含み、たとえば積層型のＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている。
本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、各デジタル画素２００がＡＤ変換機能を有しており、ＡＤ変換部２２０は、光電変換読み出し部２１０により読み出される電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力するＡＤ変換処理を行う比較器２２１を有している。
そして、本第１の実施形態に係る固体撮像装置１０において、比較器２２１は、異なる２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１を一つのフローティングディフュージョンＦＤで共有する一つの光電変換読み出し部２１０に接続されており、同一の光電変換読み出し部２１０内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。
本第１の実施形態においては、第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われ、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して、たとえば第２の読み出しモードＲＭＤ２による読み出しを行うことに対応して、同一画素内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ０の容量を同一画素内に隣接して形成された第２のフォトダイオードＰＤ１の容量より小さく形成されている。

したがって、本第１の実施形態の固体撮像装置１０によれば、小さな画素サイズで所定の読み出しモードによりダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
また、本第１の実施形態によれば、実質的に広ダイナミックレンジ化、高フレームレート化を実現することが可能で、しかも低ノイズ化を図れ、有効画素領域を最大限に拡大することができ、コストあたりの価値を最大限に高めることが可能となる。

（第２の実施形態）
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの画素の一例を示す回路図である。

本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの画素２００Ａが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００と異なる点は、次の通りである。

第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００においては、比較器２２１は、異なる２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１を一つのフローティングディフュージョンＦＤで共有する一つの光電変換読み出し部２１０に接続されており、同一の光電変換読み出し部２１０内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。

これに対して、本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａの画素２００Ａにおいては、比較器２２１は、それぞれ一つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１を含む複数（本例では２）の光電変換読み出し部２１０が選択的に接続されて、一つの比較器２２１が複数の光電変換読み出し部２１０で共有されており、異なる光電変換読み出し部２１０内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。

１つの比較器２２１を複数の光電変換読み出し部（共有画素）２１０Ａ－０，２１０Ａ－１で共有するため、図１２に示すように、光電変換読み出し部２１０Ａ－０，２１０Ａ－１の出力バッファ部２１１Ａ－０，２１１Ａ－１は、読み出しノードＮＤ１－０，ＮＤ１－１と信号線ＳＧＮＬ１との間に接続された選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ０－Ｔｒ，ＳＥＬ１－Ｔｒを有している。信号線ＳＧＮＬ１は、比較器２２１の入力端子に接続された結合キャパシタＣＣ１と接続される

第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０は、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、および第１の出力ノードＮＤ０－０としての第１のフローティングディフュージョンＦＤ０を含む。
さらに、第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０は、第１のリセット素子としての第１のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒ、第１の出力バッファ部２１１Ａ－０を形成する第１のソースフォロワ素子としての第１のソースフォロワトランジスタＳＦ０－Ｔｒおよび第１の読み出しノードＮＤ１－０、並びに、第１の利得変換部２１２Ａ－０を形成する第１の蓄積素子としての第１の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒ、および第１の蓄積容量素子としての第１の蓄積キャパシタＣＳ０を含んで構成されている。

第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１は、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ、および第２の出力ノードＮＤ０－１としての第２のフローティングディフュージョンＦＤ１を含む。
さらに、第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１は、第２のリセット素子としての第２のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒ、第２の出力バッファ部２１１Ａ－１を形成する第２のソースフォロワ素子としての第２のソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒおよび第２の読み出しノードＮＤ１－１1、並びに、第２の利得変換部２１２Ａ－１を形成する第２の蓄積素子としての第２の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒ、および第２の蓄積容量素子としての第２の蓄積キャパシタＣＳ１を含んで構成されている。

このような構成を有する第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０および第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１は、フォトダイオードの周辺素子、ノードが、共通の形成領域に集積化して形成されている。
具体的には、第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０の第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、および第１のフローティングディフュージョンＦＤ０と、第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１の第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ、および第２のフローティングディフュージョンＦＤ１が、たとえば一つの矩形の形成領域に集積化して形成されている。

図１５（Ａ）および（Ｂ）は、本第２の実施形態に係る比較器を共有する隣接する２つの光電変換読み出し部におけるフォトダイオード周辺の各トランジスタ、キャパシタ、ノード等の集積化した配置例を示す図である。
図１５（Ａ）は簡略平面図であり、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）のＡ－Ｂ線における簡略断面図である。

画素セルＰＸＬＣ－Ａは、素子の形成領域として、中央部分の中央領域ＣＴＡＲ－Ａ、並びに、中央領域ＣＴＡＲ－Ａを挟んで両側（Ｙ方向）の第１の縁部領域ＦＳＡＲＥおよび第２の縁部領域ＳＣＡＲＥを含んで、矩形領域ＲＣＴ－Ａが割り当てられている。

中央領域ＲＣＴ－Ａには、Ｘ方向の両側部に第１の蓄積容量素子としての第１の蓄積キャパシタＣＳ０および第２の蓄積容量素子としての第２の蓄積キャパシタＣＳ１が形成されている。
第１の蓄積キャパシタＣＳ０および第２の蓄積キャパシタＣＳ１の形成領域間であって、第１の縁部領域ＦＳＡＲＥ側に、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、および第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが形成されている。
そして、第２の縁部領域ＳＣＡＲＥ側に、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、および第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが形成されている。

第１の縁部領域ＦＳＡＲＥには、第１のフローティングディフュージョンＦＤ０がＸ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、第１の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒ、第１のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒが形成され、左側に第１のソースフォロワトランジスタＳＦ０－Ｔｒ、第１の選択トランジスタＳＥＬ０－Ｔｒが形成されている。また、第１のフローティングディフュージョンＦＤ０には第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒが接続されている。
第２の縁部領域ＳＣＡＲＥには、第２のフローティングディフュージョンＦＤ１がＸ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、第２の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒ、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒが形成され、左側に第２のソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒ、第２の選択トランジスタＳＥＬ１－Ｔｒが形成されている。また、第２のフローティングディフュージョンＦＤ１には第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒが接続されている。

第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０および第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１のＦＷＣはＴＴＳ飽和および蓄積キャパシタＣＳ０、ＣＳ１の容量によって制限される。
したがって、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０および第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１はＦＷＣが小さくなるように形成される。
そして、図１５（Ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤを形成するディープｎ層２１０２－１が、第１の蓄積キャパシタＣＳ０および第２の蓄積キャパシタＣＳ１の形成領域と対向する下層領域まで形成されていることから、高感度で光学的対称性を達成することができる。

図１６（Ａ）～（Ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ａにおけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。
図１６（Ａ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒの制御信号ＳＧ０を、図１６（Ｂ）は第４の読み出しモードＲＭＤ４によるアクセス対象である第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの制御信号ＴＧ０を、図１６（Ｃ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ０を、図１６（Ｄ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ０をそれぞれ示している。
図１６（Ｅ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図１６（Ｆ）は第３の読み出しモードＲＭＤ３によるアクセス対象である第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１６（Ｇ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ０１、図１６（Ｈ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１をそれぞれ示している。

本第２の実施形態においては、読み出し部６０は、図１６に示すように、アクセス対象である第１の光電変換読み出し部２１０Ａ－０の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの蓄積電荷に対する第４の読み出しモードＲＭＤ４の読み出し処理を行い、この第４の読み出しモードＲＭＤ４に続いて第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの蓄積電荷に対する第３の読み出しモードＲＭＤ３の読み出し処理を行う。
なお、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しシーケンスと第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しシーケンスは、図１２および図１１に関連付けて説明した読み出しシーケンスと基本的に同様であることから、ここではその詳細な説明は省略する。

本第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの画素の一例を示す回路図である。

本第２の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの画素２００Ｂが上述した第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００と異なる点は、次の通りである。

第１の実施形態に係る固体撮像装置１０の画素２００においては、比較器２２１は、異なる２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１を一つのフローティングディフュージョンＦＤで共有する一つの光電変換読み出し部２１０に接続されており、同一の光電変換読み出し部２１０内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。

これに対して、本第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂの画素２００Ｂにおいては、比較器２２１は、それぞれ異なる２つのフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３を一つのフローティングディフュージョンＦＤ０，ＦＤ１で共有する複数（本例では２）の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１が選択的に接続されて、一つの比較器２２１が複数（本例では２）の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１で共有されており、異なる光電変換読み出し部２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１内の異なるフォトダイオードＰＤ０，ＰＤ１およびＰＤ２，ＰＤ３の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された４系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能に構成されている。

なお、比較器２２１の比較処理結果のデジタルデータは、メモリ部２３０Ｂの４つのメモリ２３１，２３２，２３３，２３４に交互に格納される。
これにより、迅速な読み出し動作を実現可能である。

１つの比較器２２１を複数の光電変換読み出し部（共有画素）２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１で共有するため、図１７に示すように、光電変換読み出し部２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１の出力バッファ部２１１Ｂ－０，２１１Ｂ－１は、出力ノードＮＤ１－０，ＮＤ１－１と信号線ＳＧＮＬ１との間に接続された選択素子としての選択トランジスタＳＥＬ０－Ｔｒ，ＳＥＬ１－Ｔｒを有している。信号線ＳＧＮＬ１は、比較器２２１の入力端子に接続された結合キャパシタＣＣ１と接続される

第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０は、第１の光電変換素子としての第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送素子としての第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１の電荷オーバーフローゲート素子としての第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、第２の光電変換素子としての第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送素子としての第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２の電荷オーバーフローゲート素子としての第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ、および第１の出力ノードとしての第１のフローティングディフュージョンＦＤ０を含む。
さらに、第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０は、第１のリセット素子としての第１のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒ、第１の出力バッファ部２１１Ａ－０を形成する第１のソースフォロワ素子としての第１のソースフォロワトランジスタＳＦ０－Ｔｒおよび第１の読み出しノードＮＤ１－０、並びに、第１の利得変換部２１２Ａ－０を形成する第１の蓄積素子としての第１の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒ、および第１の蓄積容量素子としての第１の蓄積キャパシタＣＳ０を含んで構成されている。

第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１は、第３の光電変換素子としての第３のフォトダイオードＰＤ２、第３の転送素子としての第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒ、第３の電荷オーバーフローゲート素子としての第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒ、第４の光電変換素子としての第４のフォトダイオードＰＤ３、第４の転送素子としての第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒ、第４の電荷オーバーフローゲート素子としての第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒ、および第２の出力ノードとしての第２のフローティングディフュージョンＦＤ１を含む。
さらに、第２の光電変換読み出し部２１０Ａ－１は、第２のリセット素子としての第２のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒ、第２の出力バッファ部２１１Ａ－１を形成する第２のソースフォロワ素子としての第２のソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒおよび第２の読み出しノードＮＤ１-１、並びに、第２の利得変換部２１２Ｂ－１を形成する第２の蓄積素子としての第２の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒ、および第２の蓄積容量素子としての第２の蓄積キャパシタＣＳ１を含んで構成されている。

このような構成を有する第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０および第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１は、フォトダイオードの周辺素子、ノードが、共通の形成領域に集積化して形成されている。
具体的には、第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１のフォトダイオードＰＤ０、第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒ、第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒ、第２のフォトダイオードＰＤ１、第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒ、第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒ、および第１のフローティングディフュージョンＦＤ０と、第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第３のフォトダイオードＰＤ２、第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒ、第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒ、第４のフォトダイオードＰＤ３、第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒ、第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒおよび第２のフローティングディフュージョンＦＤ１が、一つの矩形の形成領域に集積化して形成されている。

また、本第３の実施形態においては、第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１のフォトダイオードＰＤ０の蓄積電荷に対して第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われ、第２のフォトダイオードＰＤ１の蓄積電荷に対して、たとえば第１の読み出しモードＲＭＤ１による読み出しを行うことに対応して、同一画素内に形成された第１のフォトダイオードＰＤ０の容量が同一の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０内に隣接して形成された第２のフォトダイオードＰＤ１の容量より小さく形成されている。
また、第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第３のフォトダイオードＰＤ２の蓄積電荷に対して第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しが行われ、第４のフォトダイオードＰＤ３の蓄積電荷に対して、たとえば第１の読み出しモードＲＭＤ１による読み出しを行うことに対応して、同一の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１内に形成された第３のフォトダイオードＰＤ２の容量が同一画素内に隣接して形成された第４のフォトダイオードＰＤ３の容量より小さく形成されている。

図１８（Ａ）および（Ｂ）は、本第３の実施形態に係る比較器を共有する隣接する２つの光電変換読み出し部におけるフォトダイオード周辺の各トランジスタ、キャパシタ、ノード等の集積化した配置例を示す図である。
図１８（Ａ）は簡略平面図であり、図１８（Ｂ）は図１８（Ａ）のＡ－Ｂ線における簡略断面図である。

画素セルＰＸＬＣ－Ｂは、素子の形成領域として、中央部分の中央領域ＣＴＡＲ－Ｂ、並びに、中央領域ＣＴＡＲ－Ａを挟んで両側（Ｙ方向）の第１の領域ＦＳＡＲＥ－Ｂおよび第２の領域ＳＣＡＲＥ―Ｂを含んで、矩形領域ＲＣＴ－Ｂが割り当てられている。

中央領域ＣＴＡＲ－Ｂには、Ｘ方向の図中左側に、第１の蓄積容量素子としての第１の蓄積キャパシタＣＳ０が、その基台ＣＳＢＳ０と、基台ＳＣＢＳ０の中央部がＸ方向右側に延びる延設部ＥＸＴ０とを備えた略Ｔ字形状に形成されている。
そして、延設部ＥＸＴ０を挟んでＹ方向の両側に容量の小さい第１のフォトダイオードＰＤ０および第３のフォトダイオードＰＤ２が形成されている。
第１のフォトダイオードＰＤ０は、矩形状に形成され、対向する一対の角部に第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒが形成されている。
同様に、第３のフォトダイオードＰＤ２は、矩形状に形成され、対向する一対の角部に第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒおよび第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒが形成されている。

中央領域ＣＴＡＲ－Ｂには、さらに、Ｘ方向の図中右側に、第１のフォトダイオードＰＤ０より容量が大きい第２のフォトダイオードＰＤ１および第３のフォトダイオードＰＤ２より容量が大きい第４のフォトダイオードＰＤ３が形成されている。
第２のフォトダイオードＰＤ１は、矩形状に形成され、対向する一対の角部に第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒおよび第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒが形成されている。
同様に、第４のフォトダイオードＰＤ３は、矩形状に形成され、対向する一対の角部に第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒおよび第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒが形成されている。

第１の縁部領域ＦＳＡＲＥ－Ｂには、第１のフローティングディフュージョンＦＤ０がＸ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、第１の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒ、第１のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒが形成され、左側に第１のソースフォロワトランジスタＳＦ０－Ｔｒ、第１の選択トランジスタＳＥＬ０－Ｔｒが形成されている。また、第１のフローティングディフュージョンＦＤ０には第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒおよび第２の転送トランジスタＴＧ１－ＴｒＮＩが接続されている。
第２の縁部領域ＳＣＡＲＥ－Ｂには、第２のフローティングディフュージョンＦＤ１がＸ方向の中央部に形成され、そのＸ方向の図中右側に、第２の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒ、第２のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒが形成され、左側に第２のソースフォロワトランジスタＳＦ１－Ｔｒ、第２の選択トランジスタＳＥＬ１－Ｔｒが形成されている。また、第２のフローティングディフュージョンＦＤ１には第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒおよび第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒが接続されている。

本第３の実施形態においては、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０および第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しが行われる第３のフォトダイオードＰＤ２のＦＷＣはＴＴＳ飽和および蓄積キャパシタＣＳ０、ＣＳ１の容量によって制限され、フォトダイオード自身のＦＷＣによって制限されない。
したがって、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しが行われる第１のフォトダイオードＰＤ０および第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しが行われる第３のフォトダイオードＰＤ２はＦＷＣが小さくなるように形成される。これに対して、第２の読み出しモードＲＭＤ２等による読み出しが行われる第２のフォトダイオードＰＤ１および第４のフォトダイオードＰＤ４はＦＷＣが大きくなるように形成される。
そして、図１８（Ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤを形成するディープｎ層２１０２が、第１の蓄積キャパシタＣＳ０の形成領域と対向する下層領域まで形成されていることから、高感度で光学的対称性を達成することができる。

図１９（Ａ）～（Ｎ）は、本発明の第３の実施形態に係る固体撮像装置１０Ｂにおけるデジタル画素の読み出しシーケンスの一例を示す図である。
図１９（Ａ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１の選択トランジスタＳＥＬ０－Ｔｒの制御信号ＳＥＬ０を、図１９（Ｂ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１のシャッタゲートトランジスタＳＧ０－Ｔｒの制御信号ＳＧ０を、図１９（Ｃ）は第４の読み出しモードＲＭＤ４によるアクセス対象である第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの制御信号ＴＧ０を、図１９（Ｄ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第２のシャッタゲートトランジスタＳＧ１－Ｔｒの制御信号ＳＧ１を、図１９（Ｅ）は第２の読み出しモードＲＭＤ２によるアクセス対象である第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの制御信号ＴＧ１を、図１９（Ｆ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１の蓄積トランジスタＢＩＮ０－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ０を、図１９（Ｇ）は第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０のリセットトランジスタＲＳＴ０－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ０をそれぞれ示している。
図１９（Ｈ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第２の選択トランジスタＳＥＬ１－Ｔｒの制御信号ＳＥＬ１を、図１９（Ｉ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第３のシャッタゲートトランジスタＳＧ２－Ｔｒの制御信号ＳＧ２を、図１９（Ｊ）は第３の読み出しモードＲＭＤ３によるアクセス対象である第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒの制御信号ＴＧ２を、図１９（Ｋ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第４のシャッタゲートトランジスタＳＧ３－Ｔｒの制御信号ＳＧ３を、図１９（Ｌ）は第２の読み出しモードＲＭＤ２によるアクセス対象である第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒの制御信号ＴＧ３を、図１９（Ｍ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第２の蓄積トランジスタＢＩＮ１－Ｔｒの制御信号ＢＩＮ１を、図１９（Ｎ）は第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１のリセットトランジスタＲＳＴ１－Ｔｒの制御信号ＲＳＴ１をそれぞれ示している。

本第４の実施形態においては、読み出し部６０は、図１９に示すように、アクセス対象である第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第１の転送トランジスタＴＧ０－Ｔｒの蓄積電荷に対する第４の読み出しモードＲＭＤ４の読み出し処理を行い、この第４の読み出しモードＲＭＤ４に続いて第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第３の転送トランジスタＴＧ２－Ｔｒの蓄積電荷に対する第３の読み出しモードＲＭＤ３の読み出し処理を行う。
さらに、読み出し部６０は、この第３の読み出しモードＲＭＤ３に続いて第１の光電変換読み出し部２１０Ｂ－０の第２の転送トランジスタＴＧ１－Ｔｒの蓄積電荷に対する第２の読み出しモードＲＭＤ２の読み出し処理を行い、この第２の読み出しモードＲＭＤ２に続いて第２の光電変換読み出し部２１０Ｂ－１の第４の転送トランジスタＴＧ３－Ｔｒの蓄積電荷に対する第２の読み出しモードＲＭＤ２の読み出し処理を行う。
なお、第４の読み出しモードＲＭＤ４による読み出しシーケンスと第３の読み出しモードＲＭＤ３による読み出しシーケンスは、図１２、図１１および図１０に関連付けて説明した読み出しシーケンスと基本的に同様であることから、ここではその詳細な説明は省略する。

本第３の実施形態によれば、上述した第１の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

以上説明した固体撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。

図２０は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載し
た電子機器の構成の一例を示す図である。

本電子機器３００は、図２０に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂが適用可能なＣＭＯＳイメージセンサ３１０を有する。
さらに、電子機器３００は、このＣＭＯＳイメージセンサ３１０の画素領域に入射光を導く（被写体像を結像する）光学系（レンズ等）２２０を有する。
電子機器３００は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号を処理する信号処理回路(ＰＲＣ)３３０を有する。

信号処理回路３３０は、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路３３０で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。

上述したように、ＣＭＯＳイメージセンサ３１０として、前述した固体撮像装置１０，１０Ａ，１０Ｂを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ・・・固体撮像装置、２０・・・画素部、ＰＤ０・・・第１のフォトダイオード、ＰＤ１・・・第２のフォトダイオード、ＰＤ２・・・第３のフォトダイオード、ＰＤ３・・・第４のフォトダイオード、ＴＧ０－Ｔｒ・・・第１の転送トランジスタ、ＴＧ１－Ｔｒ・・・第２の転送トランジスタ、ＴＧ２－Ｔｒ・・・第３の転送トランジスタ、ＴＧ３－Ｔｒ・・・第４の転送トランジスタ、ＳＧ０－Ｔｒ・・・第１のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ１－Ｔｒ・・・第２のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ２－Ｔｒ・・・第３のシャッタゲートトランジスタ、ＳＧ３－Ｔｒ・・・第４のシャッタゲートトランジスタ、ＦＤ・・・フローティングディフュージョン、ＦＤ０・・・第１のフローティングディフュージョン、ＦＤ１・・・第２のフローティングディフュージョン、ＲＳＴ－Ｔｒ・・・リセットトランジスタ、ＲＳＴ０－Ｔｒ・・・第１のリセットトランジスタ、ＲＳＴ１－Ｔｒ・・・第２のリセットトランジスタ、ＳＦ－Ｔｒ・・・ソースフォロワトランジスタ、ＳＦ０－Ｔｒ・・・第１のソースフォロワトランジスタ、ＳＦ１－Ｔｒ・・・第２のソースフォロワトランジスタ、ＢＩＮ－Ｔｒ・・・蓄積トランジスタ、ＢＩＮ０－Ｔｒ・・・第１の蓄積トランジスタ、ＢＩＮ１－Ｔｒ・・・第２の蓄積トランジスタ、ＣＳ・・・蓄積キャパシタ、ＣＳ１・・・第１の蓄積キャパシタ、ＣＳ２・・・第２の蓄積キャパシタ、ＣＣ１・・・結合キャパシタ、２００，２２０Ａ，２２０Ｂ・・・デジタル画素、２１０，２１０Ａ－０，２１０Ａ－１、２１０Ｂ－０，２１０Ｂ－１・・・光電変換読み出し部、２１１，２１１Ａ、２１１Ｂ・・・出力バッファ部、２１２，２１２Ａ，２１２Ｂ・・・利得返還部、２２１・・・比較器、２２２・・・ドライバ、２３０，２３０Ａ，２３０Ｂ・・・メモリ部、２３１～２３３・・・メモリ、３０・・・垂直走査回路、４０・・・出力回路、５０・・・タイミング制御回路、６０・・・読み出し部、３００・・・電子機器、３１０・・・ＣＭＯＳイメージセンサ、３２０・・・光学系、３３０・・・信号処理回路（ＰＲＣ）。

Claims (25)

1. 光電変換を行う画素が配置された画素部と、
   前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
   前記画素は、
   蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、
   前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、
   前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
   リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
   前記出力ノードの電荷1電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、
   前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、
   前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
   異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能であって、
   同一の前記光電変換読み出し部内の異なる前記光電変換素子または異なる前記光電変換読み出し部の前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能であり、
   前記読み出し部は、
   複数のうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能であって、
   少なくとも第１の読み出しモード、第２の読み出しモード、第３の読み出しモード、および第４の読み出しモードの４系統の読み出しモードうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能であり、
   前記画素の前記光電変換読み出し部は、
   前記光電変換素子に接続され、前記光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な電荷オーバーフローゲート素子を含み、
   前記第４の読み出しモード時には、読み出し対象の前記光電変換素子のオーバーフロー電荷を前記出力ノード側にオーバーフローさせる
   固体撮像装置。
2. 前記転送素子の少なくともチャネル形成領域より深い層にオーバーフローパスが形成されている
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記オーバーフローパスの電位は前記転送素子のゲート電位により制御可能である
   請求項２記載の固体撮像装置。
4. 前記画素は、
   前記出力ノードの電荷量を第１電荷量または第２電荷量に変更して前記出力バッファ部の変換利得を前記第１電荷量に応じた第１変換利得または前記第２電荷量に応じた第２変換利得に切り換え可能な利得切換部を含み、
   前記読み出し部は、
   前記第１の読み出しモード時には、
   前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量または第２電荷量に応じた第１変換利得または第２変換利得で変換した読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理または第２変換利得リセット読み出し処理と、
   前記リセット読み出し期間後の前記転送期間に続く読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量または第２電荷量に応じた第１変換利得または第２変換利得で変換した読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該読み出し信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得読み出し処理または第２変換利得読み出し処理と、を行うことが可能であり、
   前記第２の読み出しモード時には、
   前記リセット期間後のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理と、
   前記利得切換部により利得を切り換えて、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理と、
   前記リセット読み出し期間後の第１の前記転送期間に続く第１の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得読み出し処理と、
   前記第１の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第１の読み出し期間後の第２の前記転送期間に続く第２の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得読み出し処理と、を行うことが可能であり、
   前記第３の読み出しモード時には、
   第１のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理と、
   前記第１のリセット読み出し期間後の第１の前記転送期間に続く第１の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得読み出し処理と、
   前記第１の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第１の読み出し期間後の第２の前記転送期間に続く第２の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得読み出し処理と、
   前記第２の読み出し期間後の第２のリセット期間に続く第２のリセット信号読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理と、を行うことが可能であり、
   前記第４の読み出しモード時には、
   不規則な強い光が光電変換素子に入射した場合であって、
   オーバーフロー電荷によって前記出力ノードの電位が変動し前記比較器の出力が反転するまでの時間をクロックで数えて信号量を予測し、第１の前記リセット期間後の第１のリセット読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得リセット読み出し処理と、
   前記第１のリセット読み出し期間後の第１の前記転送期間に続く第１の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第１電荷量に応じた第１変換利得で変換した第１の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第１の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第１変換利得読み出し処理と、
   前記第１の読み出し期間後に前記利得切換部により利得を切り換えて、前記第１の読み出し期間後の第２の前記転送期間に続く第２の読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出し信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出し信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得読み出し処理と、
   前記第２の読み出し期間後の第２のリセット期間に続く第２のリセット信号読み出し期間に、前記出力バッファ部から前記出力ノードの第２電荷量に応じた第２変換利得で変換した第２の読み出しリセット信号を読み出し、前記比較器で当該第２の読み出しリセット信号に対する前記比較処理を行う第２変換利得リセット読み出し処理と、を行うことが可能である
   請求項１から３のいずれか一に記載の固体撮像装置。
5. 前記読み出し部は、
   異なる前記光電変換素子のうち、一の前記光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードで前記画素信号としての読み出しを行い、
   残りの前記光電変換素子の蓄積電荷に対しては、前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードを除く、少なくとも前記第１の読み出しモードおよび前記第２の読み出しモードのうちのいずれかの読み出しモードで前記画素信号としての読み出しを行う
   請求項４記載の固体撮像装置。
6. 一つの前記比較器に複数の前記光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの前記比較器が複数の前記光電変換読み出し部で共有されており、
   前記読み出し部は、
   前記一つの比較器につき、共有された複数の前記光電変換読み出し部のうちの一つの光電変換素子の蓄積電荷に対してのみ前記第４の読み出しモードで前記画素信号としての読み出しを行う
   請求項４記載の固体撮像装置。
7. 前記読み出し部は、
   残りの前記光電変換素子の蓄積電荷に対しては、前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードを除く、少なくとも前記第１の読み出しモードおよび前記第２の読み出しモードのうちのいずれかの読み出しモードで前記画素信号としての読み出しを行う
   請求項６記載の固体撮像装置。
8. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
   前記光電変換素子に接続され、前記光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な電荷オーバーフローゲート素子を含み、
   前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードを除く、少なくとも前記第１の読み出しモードおよび前記第２の読み出しモードのうちのいずれかの読み出しモード時には、読み出し対象の前記光電変換素子のオーバーフロー電荷を前記電荷オーバーフローゲート素子にオーバーフローさせる
   請求項４から７のいずれか一に記載の固体撮像装置。
9. 前記電荷オーバーフローゲート素子の少なくともチャネル形成領域下にオーバーフローパスが形成される
   請求項８記載の固体撮像装置。
10. 前記電荷オーバーフローゲート素子は、前記光電変換素子の蓄積電荷を前記出力ノード外に転送するシャッタゲートとして機能する
    請求項８または９記載の固体撮像装置。
11. 前記転送素子と前記電荷オーバーフローゲート素子はそれぞれ個別のタイミングで駆動制御される
    請求項１０記載の固体撮像装置。
12. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    前記転送素子が非導通状態において、前記電荷オーバーフローゲート素子が導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングで露光期間が開始される
    請求項１１記載の固体撮像装置。
13. 前記露光期間は、
    前記第１の読み出しモードの場合、
    前記電荷オーバーフローゲート素子が導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングから前記転送期間において前記転送素子が導通状態から非導通状態に切り換えられるタイミングまでであり、
    前記第２の読み出しモードおよび前記第３の読み出しモードの場合、
    前記電荷オーバーフローゲート素子が導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングから第２の前記転送期間において前記転送素子が導通状態から非導通状態に切り換えられるタイミングまでであり、
    前記第４の読み出しモードの場合、
    前記電荷オーバーフローゲート素子が導通状態から非導通状態に切り替えられたタイミングから前記比較器側がオートゼロ動作するタイミングまでである
    請求項１２記載の固体撮像装置。
14. 前記利得切換部は、
    前記出力ノードに接続された蓄積素子と、
    前記蓄積素子を介して前記出力ノードの電荷を蓄積する蓄積容量素子と、を含み、
    前記読み出し部は、
    前記第１変換利得リセット読み出し処理および前記第１変換利得読み出し処理を、前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を非導通状態に保持して、前記出力ノードの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を分離させて実行し、
    前記第１の読み出しモードおよび前記第２の読み出しモードの場合は、
    前記第２変換利得リセット読み出し処理を、
    前記転送素子、前記電荷オーバーフローゲート素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
    前記第２変換利得読み出し処理を、前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行し、
    前記第３の読み出しモードおよび前記第４の読み出しモードの場合は、
    前記第２変換利得リセット読み出し処理および前記第２変換利得読み出し処理を、前記転送素子、および前記リセット素子を非導通状態に保持し、前記電荷オーバーフローゲート素子を導通状態に保持し、かつ、前記蓄積素子を導通状態に保持して、前記出力ノードの電荷と前記蓄積容量素子の電荷を共有させて実行する
    請求項８から１３のいずれか一に記載の固体撮像装置。
15. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第１の転送素子と、
    前記第１の光電変換素子に接続され、前記第１の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第１の電荷オーバーフローゲート素子と、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第２の光電変換素子と、
    前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第２の転送素子と、
    前記第２の光電変換素子に接続され、前記第２の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第２の電荷オーバーフローゲート素子と、
    前記第１の転送素子を通じて前記第１の光電変換素子で蓄積された電荷または前記第２の転送素子を通じて前記第２の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしてのフローティングディフュージョンと、を含み、
    前記出力バッファ部は、
    前記フローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記比較器の入力端子に接続された信号線に出力するソースフォロワ素子を含み、
    前記読み出し部は、
    前記第１の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第４の読み出しモードによる読み出しを行い、
    続いて、前記第２の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第１の読み出しモードまたは前記第２の読み出しモードによる読み出しを行う
    請求項１４記載の固体撮像装置。
16. 前記読み出し部は、
    前記第４の読み出しモードに続いて前記第２の読み出しモードの読み出し処理を行い、
    引き継ぎ部分において前記第２変換利得リセット読み出し処理による信号を共用する
    請求項１５記載の固体撮像装置。
17. 同一の前記光電変換読み出し部内に配置された前記第１の光電変換素子は前記第２の光電変換素子より容量が小さく形成されている
    請求項１５または１６記載の固体撮像装置。
18. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    素子の形成領域として、中央部分の中央領域、並びに、前記中央領域を挟んで両側の第１の領域および第２の領域を含み、
    前記中央領域には、前記フローティングディフュージョン、前記リセット素子、前記蓄積素子が形成され、
    前記第１の領域には、少なくとも前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードでアクセスされる前記第１の転送素子、第１の電荷オーバーフローゲート素子、および前記蓄積容量素子が隣接するように形成され、
    前記第２の領域には、前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモード以外の読み出しモードでアクセスされる前記第２の転送素子および第２の電荷オーバーフローゲート素子が形成されている
    請求項１５記載の固体撮像装置。
19. 一つの前記比較器に複数の前記光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの前記比較器が複数の前記画素で共有されており、
    一の前記光電変換読み出し部は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第１の転送素子と、
    前記第１の光電変換素子に接続され、前記第１の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第１の電荷オーバーフローゲート素子と、
    前記第１の転送素子を通じて前記第１の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしての第１のフローティングディフュージョンと、
    利得切換部と、を含み、
    前記出力バッファ部は、
    前記第１のフローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記比較器の入力端子に接続された信号線に出力する第１のソースフォロワ素子を含み、
    前記利得切換部は、
    前記第１のフローティングディフュージョンに接続された第１の蓄積素子と、
    前記第１の蓄積素子を介して前記第１のフローティングディフュージョンの電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、を含み、
    他の前記光電変換読み出し部は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第２の光電変換素子と、
    前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第２の転送素子と、
    前記第２の光電変換素子に接続され、前記第２の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第２の電荷オーバーフローゲート素子と、
    前記第２の転送素子を通じて前記第２の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしての第２のフローティングディフュージョンと、を含み、
    前記出力バッファ部は、
    前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記比較器の入力端子に接続された前記信号線に出力する第２のソースフォロワ素子を含み、
    前記利得切換部は、
    前記第２のフローティングディフュージョンに接続された第２の蓄積素子と、
    前記第２の蓄積素子を介して前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を蓄積する第２の蓄積容量素子と、を含み、
    前記読み出し部は、
    前記一の画素の前記第１の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードによる読み出しを行い、
    続いて、他の画素の前記第２の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第１の読み出しモードまたは前記第２の読み出しモードによる読み出しを行う
    請求項１５記載の固体撮像装置。
20. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    素子の形成領域として、中央部分の中央領域、並びに、前記中央領域を挟んで両側の第１の縁部領域および第２の縁部領域を含み、
    前記中央領域には、
    両側部に前記第１の蓄積容量素子および前記第２の蓄積容量素子が形成され、
    前記第１の蓄積容量素子および前記第２の蓄積容量素子の形成領域間であって、前記第１の縁部領域側に前記第１の光電変換素子、前記第１の転送素子、および第１の電荷オーバーフローゲート素子が形成され、
    前記第２の縁部領域側に前記第２の光電変換素子、前記第２の転送素子、および第２の電荷オーバーフローゲート素子が形成され、
    前記第１の縁部領域には、
    前記第１のフローティングディフュージョン、第１の前記リセット素子、前記第１の蓄積素子が形成され、
    前記第２の縁部領域には、
    前記第２のフローティングディフュージョン、第２の前記リセット素子、前記第２の蓄積素子が形成されている
    請求項１９記載の固体撮像装置。
21. 一つの前記比較器に複数の前記光電変換読み出し部が選択的に接続されて、一つの前記比較器が複数の前記光電変換読み出し部で共有されており、
    一の前記光電変換読み出し部は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第１の光電変換素子と、
    前記第１の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第１の転送素子と、
    前記第１の光電変換素子に接続され、前記第１の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第１の電荷オーバーフローゲート素子と、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第２の光電変換素子と、
    前記第２の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第２の転送素子と、
    前記第２の光電変換素子に接続され、前記第２の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第２の電荷オーバーフローゲート素子と、
    前記第１の転送素子を通じて前記第１の光電変換素子で蓄積された電荷または前記第２の転送素子を通じて前記第２の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしての第１のフローティングディフュージョンと、
    利得切換部と、を含み、
    前記第１の転送素子を通じて前記第１の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしての第１のフローティングディフュージョンと、を含み、
    前記出力バッファ部は、
    前記第１のフローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記比較器の入力端子に接続された信号線に出力する第１のソースフォロワ素子を含み、
    前記利得切換部は、
    前記第１のフローティングディフュージョンに接続された第１の蓄積素子と、
    前記第１の蓄積素子を介して前記第１のフローティングディフュージョンの電荷を蓄積する第１の蓄積容量素子と、を含み、
    他の前記光電変換読み出し部は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第３の光電変換素子と、
    前記第３の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第３の転送素子と、
    前記第３の光電変換素子に接続され、前記第３の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第３の電荷オーバーフローゲート素子と、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する第４の光電変換素子と、
    前記第４の光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な第４の転送素子と、
    前記第４の光電変換素子に接続され、前記第４の光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な第４の電荷オーバーフローゲート素子と、
    前記第３の転送素子を通じて前記第３の光電変換素子で蓄積された電荷または前記第４の転送素子を通じて前記第４の光電変換素子で蓄積された電荷が転送される前記出力ノードとしての第２のフローティングディフュージョンと、を含み、
    前記出力バッファ部は、
    前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した信号を前記比較器の入力端子に接続された信号線に出力する第２のソースフォロワ素子を含み、
    前記利得切換部は、
    前記第２のフローティングディフュージョンに接続された第２の蓄積素子と、
    前記第２の蓄積素子を介して前記第２のフローティングディフュージョンの電荷を蓄積する第２の蓄積容量素子と、を含み、
    前記読み出し部は、
    前記一の光電変換読み出し部の前記第１の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第４の読み出しモードまたは前記第３の読み出しモードによる読み出しを行い、
    続いて、前記他の光電変換読み出し部の前記第３の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第３の読み出しモードによる読み出しを行い、
    前記一の光電変換読み出し部の前記第２の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第１の読み出しモードまたは前記第２の読み出しモードによる読み出しを行い、
    続いて、前記他の光電変換読み出し部の前記第４の光電変換素子の蓄積電荷に対して前記第１の読み出しモードまたは前記第２の読み出しモードによる読み出しを行う
    請求項１４記載の固体撮像装置。
22. 同一の前記一の光電変換読み出し部内に配置された前記第１の光電変換素子は前記第２の光電変換素子より容量が小さく形成され、
    同一の前記他の光電変換読み出し部内に配置された前記第３の光電変換素子は前記第４の光電変換素子より小さく形成されている
    請求項２１記載の固体撮像装置。
23. 前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    素子の形成領域として、中央部分の中央領域、並びに、前記中央領域を挟んで両側の第１の縁部領域および第２の縁部領域を含み、
    前記中央領域には、
    前記第１の蓄積容量素子に隣接して前記第１の光電変換素子、前記第１の転送素子、および第１の電荷オーバーフローゲート素子が前記第１の縁部領域側に形成され、前記第３の光電変換素子、前記第３の転送素子、および第３の電荷オーバーフローゲート素子が前記第２の縁部領域側に形成され、
    残りの領域に、前記第２の光電変換素子、前記第２の転送素子、および第２の電荷オーバーフローゲート素子が前記第１の縁部領域側に形成され、前記第４の光電変換素子、前記第４の転送素子、および第４の電荷オーバーフローゲート素子が前記第２の縁部領域側に形成され、
    前記第１の縁部領域には、
    前記第１のフローティングディフュージョン、第１の前記リセット素子、前記第１の蓄積素子が形成され、
    前記第２の縁部領域には、
    前記第２のフローティングディフュージョン、第２の前記リセット素子、前記第２の蓄積素子が形成されている
    請求項２１記載の固体撮像装置。
24. 光電変換を行う画素が配置された画素部と、
    前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
    前記画素は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、
    前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、
    前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
    リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
    前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、
    前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、
    を含む固体撮像装置の駆動方法であって、
    前記読み出し部の制御の下、前記比較器において、
    異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行い、
    同一の前記光電変換読み出し部内の異なる前記光電変換素子または異なる前記光電変換読み出し部の前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行い、
    前記読み出し部の制御の下、
    複数のうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しにおいて、少なくとも第１の読み出しモード、第２の読み出しモード、第３の読み出しモード、および第４の読み出しモードの４系統の読み出しモードうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しを行い、
    前記画素の前記光電変換読み出し部においては、
    前記光電変換素子に接続され、前記光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な電荷オーバーフローゲート素子を配置し、
    前記第４の読み出しモード時には、読み出し対象の前記光電変換素子のオーバーフロー電荷を前記出力ノード側にオーバーフローさせる
    固体撮像装置の駆動方法。
25. 固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
    前記固体撮像装置は、
    光電変換を行う画素が配置された画素部と、
    前記画素部の前記画素から画素信号を読み出す読み出し部と、を有し、
    前記画素は、
    蓄積期間に光電変換により生成した電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換素子と、
    前記光電変換素子に蓄積された電荷を前記蓄積期間後の転送期間に転送可能な少なくとも一つの転送素子と、
    前記転送素子を通じて前記光電変換素子で蓄積された電荷が転送される出力ノードと、
    リセット期間に前記出力ノードを所定の電位にリセットするリセット素子と、
    前記出力ノードの電荷を電荷量に応じた電圧信号に変換し、変換した電圧信号を出力する出力バッファ部と、を含む光電変換読み出し部と、
    前記出力バッファ部による電圧信号と参照電圧とを比較し、デジタル化した比較結果信号を出力する比較処理を行う比較器と、を含み、
    前記比較器は、前記読み出し部の制御の下、
    異なる前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能であって、
    同一の前記光電変換読み出し部内の異なる前記光電変換素子または異なる前記光電変換読み出し部の前記光電変換素子の蓄積電荷に対して異なる読み出しシーケンスで読み出された少なくとも２系統のモード読み出し信号に対する比較処理を行うことが可能であり、
    前記読み出し部は
    複数のうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能であって、
    少なくとも第１の読み出しモード、第２の読み出しモード、第３の読み出しモード、および第４の読み出しモードの４系統の読み出しモードうちの少なくとも２系統の読み出しモードで前記画素信号の読み出しが可能であり、
    前記画素の前記光電変換読み出し部は、
    前記光電変換素子に接続され、前記光電変換素子から電荷を前記出力ノード方向または前記出力ノード外方向にオーバーフローさせることが可能な電荷オーバーフローゲート素子を含み、
    前記第４の読み出しモード時には、読み出し対象の前記光電変換素子のオーバーフロー電荷を前記出力ノード側にオーバーフローさせる
    電子機器。

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