本發(fā)明涉及拍攝元件。

背景技術(shù)：

在熒光壽命成像(Fluorescence-Lifetime Imaging Microscopy(FLIM))、利用飛行時(shí)間法(Time-of-flight method)的距離計(jì)測、超高速攝影等中，需要能夠高速動作的拍攝元件。例如，在熒光壽命成像中，對試料照射光脈沖，以幾納秒左右的極短時(shí)間間隔反復(fù)檢測從試料發(fā)出的熒光。如果能夠提高測定中的時(shí)間分辨率，則可以期待得到有關(guān)觀察對象的新認(rèn)知。

利用拍攝元件的測定中的時(shí)間分辨率依存于各像素的動作速度。例如在利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型的拍攝元件的檢測中，反復(fù)執(zhí)行以光電二極管中的電荷排出(光電二極管的復(fù)位)、基于曝光的電荷蓄積、以及向浮置擴(kuò)散部的電荷傳輸為1周期的動作。即，測定中的時(shí)間分辨率依存于該周期所需要的時(shí)間。在上述周期中，特別是來自像素內(nèi)的電荷的排出以及向浮置擴(kuò)散部的電荷的傳輸所需要的時(shí)間對拍攝元件的高速動作有較大影響。

以下的非專利文獻(xiàn)1中，提出了在光電二極管與用于電荷排出的漏極之間設(shè)有排出柵極的構(gòu)造。在非專利文獻(xiàn)1中，將具有這樣的構(gòu)造的像素稱作DOM(draining-only modulation)像素。DOM像素中，在排出柵極開啟(open)的狀態(tài)下光電二極管內(nèi)的電荷被排出。另一方面，如果將排出柵極設(shè)為關(guān)閉(close)的狀態(tài)，則能夠?qū)⒐怆姸O管內(nèi)的電荷向浮置擴(kuò)散部傳輸。根據(jù)DOM像素，通過將復(fù)位所需的時(shí)間實(shí)質(zhì)性地設(shè)為0，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨率的提高。

非專利文獻(xiàn)1：K.Yasutomi,et.al.,“A 0.3mm-resolution Time-of-Flight CMOS range imager with column-gating clock-skew calibration”,ISSCC2014,Dig.pp.132-133

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

但是，拍攝元件要求時(shí)間分辨率的進(jìn)一步提高。

根據(jù)本申請的非限定性的某個(gè)例示性的實(shí)施方式，提供以下拍攝元件。

拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。第1電荷傳輸路徑在中途不具有柵極。

其他拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。第1電荷傳輸路徑是單一的路徑。

再其他的拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷連續(xù)地進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。

根據(jù)本申請的一實(shí)施方式，能實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間分辨率。

附圖說明

圖1是本申請的第一實(shí)施方式的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖2是圖1所示的A－A’線剖面圖。

圖3是圖1所示的B－B’線剖面圖。

圖4是本申請的第一實(shí)施方式的拍攝元件的例示性的電路結(jié)構(gòu)的概略圖。

圖5是表示向光電二極管12入射的光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化的一例的圖。

圖6是將像素10A的平面圖、某時(shí)刻下的電荷傳輸路徑Ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例、以及半導(dǎo)體基板2內(nèi)的電位的一例一并表示的圖。

圖7是本申請的第一實(shí)施方式的其他例的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖8是本申請的第二實(shí)施方式的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖9是將第二實(shí)施方式中的像素10C的平面圖、和某時(shí)刻下的電荷傳輸路徑Ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示的圖。

圖10是表示第二實(shí)施方式中的對控制電極Tc施加的第一電壓V1及第二電壓V2、以及對傳輸柵極電極Tx施加的柵極控制電壓Vt的一例的時(shí)序圖。

圖11A是表示圖10所示的時(shí)刻T1下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例的圖。

圖11B是表示圖10所示的時(shí)刻T1下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例的圖。

圖12A是表示圖10所示的時(shí)刻T2下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例的圖。

圖12B是表示圖10所示的時(shí)刻T2下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例的圖。

圖13A是表示圖10所示的時(shí)刻T3下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例的圖。

圖13B是表示圖10所示的時(shí)刻T3下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例的圖。

圖14是表示本申請的第二實(shí)施方式的其他例的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖15是本申請的第二實(shí)施方式的其他例的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖16是本申請的第三實(shí)施方式的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖17是本申請的第三實(shí)施方式的其他例的拍攝元件的示意性的平面 圖。

圖18是本申請的第四實(shí)施方式的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖19是表示第四實(shí)施方式的電荷傳輸路徑Ch1中的、沿X方向的電位變化的一例的曲線圖。

圖20是本申請的第四實(shí)施方式的其他例的拍攝元件的示意性的平面圖。

圖21是圖20所示的A－A’線剖面圖。

圖22是表示第四實(shí)施方式的其他例的電荷傳輸路徑Ch1中的、沿X方向的電位變化的一例的曲線圖。

圖23是表示第四實(shí)施方式的其他例的電荷傳輸路徑Ch1中的、沿X方向的電位變化的其他例的曲線圖。

符號說明

2 半導(dǎo)體基板

10A～10I 像素

12 光電轉(zhuǎn)換部

14 漏極

16 絕緣層

21，22，23a～23d，24，32 電源線

26，26a～26d，26m，27 柵極控制線

28，28a～28h，29 讀出線

34 復(fù)位電壓線

36 垂直信號線

38 地址信號線

39 復(fù)位信號線

42 放大晶體管

44 地址晶體管

46 復(fù)位晶體管

50 垂直掃描電路

52 電壓供給電路

54 列信號處理電路

56 負(fù)載電路

58 水平信號讀出電路

59 水平共通信號線

100 拍攝元件

FD，F(xiàn)D2，F(xiàn)Da～FDh 電荷蓄積部

Gt 柵極

Rg，Rga，Rgc，Rgd 區(qū)域

Tc，Tc1，Tc2，Tca～Tcd 控制電極

Tx，Tx1，Tx2，Txa～Txd，Txm 傳輸柵極電極

具體實(shí)施方式

在上述的DOM像素中，每當(dāng)將排出柵極關(guān)閉，需要使由光電二極管生成的電荷移動至浮置擴(kuò)散部。因此，應(yīng)用DOM像素的拍攝元件中的時(shí)間分辨率依存于排出柵極的響應(yīng)速度以及從光電二極管向浮置擴(kuò)散部的電荷傳輸速度。從光電二極管向浮置擴(kuò)散部的電荷傳輸速度根據(jù)硅(Si)基板中的遷移率而受到限制。因而，根據(jù)每當(dāng)復(fù)位則將電荷向浮置擴(kuò)散部傳輸、并讀出在浮置擴(kuò)散部中蓄積的電荷的現(xiàn)有方式，時(shí)間分辨率的進(jìn)一步提高是困難的。

在詳細(xì)說明本申請的實(shí)施方式之前，說明本申請的一個(gè)方式的概要。本申請的一個(gè)方式的概要如以下那樣。

[技術(shù)方案1]

一種拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸；至少一個(gè)第2電荷傳輸路徑，從第1電荷傳輸路徑的中途分支；至少1個(gè)第1電荷蓄積部，對電荷中的經(jīng)由至少1個(gè)第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及至少1個(gè)柵極，切換經(jīng)由至少1個(gè)第2傳輸路徑的、電荷的傳輸及截?cái)唷?/p>

根據(jù)技術(shù)方案1的結(jié)構(gòu)，能夠提供實(shí)現(xiàn)更高速的動作的拍攝元件。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的時(shí)間窗的檢測。

[技術(shù)方案2]

技術(shù)方案1記載的拍攝元件，至少1個(gè)第2電荷傳輸路徑包含多個(gè)第2 電荷傳輸路徑，至少1個(gè)第1電荷蓄積部包含分別將經(jīng)由多個(gè)第2電荷傳輸路徑中對應(yīng)的1個(gè)傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積的多個(gè)第1電荷蓄積部。

根據(jù)技術(shù)方案2的結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)第1電荷傳輸路徑中的移動距離將電荷向各個(gè)第1電荷蓄積部進(jìn)行分配。

[技術(shù)方案3]

技術(shù)方案2記載的拍攝元件，至少1個(gè)柵極包含對多個(gè)第2傳輸路徑分別設(shè)置的多個(gè)柵極。

根據(jù)技術(shù)方案3的結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立地控制向各個(gè)第1電荷蓄積部的電荷的傳輸。

[技術(shù)方案4]

技術(shù)方案1～3中的任一個(gè)記載的拍攝元件，在第1電荷傳輸路徑的終端還具備漏極。

根據(jù)技術(shù)方案4的結(jié)構(gòu)，能夠通過使由光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷向漏極移動而實(shí)現(xiàn)經(jīng)由第1電荷傳輸路徑的電荷的傳輸。

[技術(shù)方案5]

技術(shù)方案1～3中的任一個(gè)記載的拍攝元件，還具備設(shè)于第1電荷傳輸路徑的終端的、對經(jīng)由第1電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積的第2電荷蓄積部。

根據(jù)技術(shù)方案5的結(jié)構(gòu)，通過將柵極開啟的時(shí)間的控制，能夠?qū)?個(gè)電荷蓄積部以任意的比率分配電荷。

[技術(shù)方案6]

一種拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；漏極；第一電荷傳輸路徑，將光電轉(zhuǎn)換部與漏極連結(jié)；至少1個(gè)電荷蓄積部，沿著第一電荷傳輸路徑而配置；至少1個(gè)第二電荷傳輸路徑，從第一電荷傳輸路徑朝向至少1個(gè)電荷蓄積部將電荷進(jìn)行傳輸；以及至少1個(gè)柵極，位于第一電荷傳輸路徑與至少1個(gè)電荷蓄積部之間。

根據(jù)技術(shù)方案6的結(jié)構(gòu)，能夠提供實(shí)現(xiàn)更高速的動作的拍攝元件。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)任意的時(shí)間窗的檢測。

[技術(shù)方案7]

技術(shù)方案6記載的拍攝元件，至少1個(gè)電荷蓄積部包含多個(gè)電荷蓄積 部。

根據(jù)技術(shù)方案7的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)不基于電荷的飽和速度的時(shí)間分辨率。

[技術(shù)方案8]

技術(shù)方案7記載的拍攝元件，至少1個(gè)柵極包含多個(gè)柵極。

根據(jù)技術(shù)方案8的結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立地控制多個(gè)柵極的開啟的定時(shí)。

[技術(shù)方案9]

技術(shù)方案8記載的拍攝元件，多個(gè)柵極包含與多個(gè)電荷蓄積部相同數(shù)量的柵極；多個(gè)柵極的每一個(gè)對應(yīng)于多個(gè)電荷蓄積部而配置在多個(gè)電荷蓄積部的每一個(gè)與第一電荷傳輸路徑之間。

根據(jù)技術(shù)方案9的結(jié)構(gòu)，能夠在柵極處于開啟狀態(tài)的2個(gè)電荷蓄積部之間良好地將信號電荷分離。

[技術(shù)方案10]

技術(shù)方案6～9的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備設(shè)在第一電荷傳輸路徑上并且沿第一電荷傳輸路徑延伸的控制電極、對控制電極的一端供給第一電壓的第1電源線、以及對控制電極的另一端供給第二電壓的第2電源線。

根據(jù)技術(shù)方案10的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)刂齐姌OTc的兩端獨(dú)立地施加互不相同的電壓，所以能夠控制第一電荷傳輸路徑中的電位梯度。通過控制第一電荷傳輸路徑中的電位梯度，能夠電氣性地控制第一電荷傳輸路徑中的信號電荷的傳輸速度。

[技術(shù)方案11]

技術(shù)方案6～9的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備配置在第一電荷傳輸路徑上的第一控制電極、配置在第一電荷傳輸路徑上且比第一控制電極更接近漏極的第二控制電極、對第一控制電極供給第一電壓的第1電源線、以及對第二控制電極供給第二電壓的第2電源線。

根據(jù)技術(shù)方案11的結(jié)構(gòu)，能夠獨(dú)立地控制第1控制電極Tc1的電位和第2控制電極Tc2的電位，所以能夠更高速地控制電荷傳輸路徑Ch1中的電位梯度。

[技術(shù)方案12]

技術(shù)方案7～9的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備對應(yīng)于多個(gè)電荷蓄積部而配置在第一電荷傳輸路徑上的多個(gè)控制電極、以及對應(yīng)于多個(gè)控制電極而設(shè)置且對多個(gè)控制電極的每一個(gè)獨(dú)立地供給電壓的多個(gè)電源線。

根據(jù)技術(shù)方案12的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)不依存于第二電荷傳輸路徑中的傳輸速度的檢測動作。

[技術(shù)方案13]

一種拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由上述光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在上述電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。上述第1電荷傳輸路徑在中途不具有柵極。

[技術(shù)方案14]

一種拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由上述光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在上述電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。上述第1電荷傳輸路徑是單一的路徑。

[技術(shù)方案15]

一種拍攝元件，具備：光電轉(zhuǎn)換部；第1電荷傳輸路徑，對由上述光電轉(zhuǎn)換部產(chǎn)生的電荷連續(xù)地進(jìn)行傳輸；第2電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途分支；第3電荷傳輸路徑，從上述第1電荷傳輸路徑的中途的、與上述第二電荷傳輸路徑在上述電荷的傳輸方向上不同的位置分支；第1電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積；以及第2電荷蓄積部，將上述電荷中的經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。

[技術(shù)方案16]

技術(shù)方案13～15中的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備：第一柵極，切換經(jīng)由上述第2電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾傻膫鬏敿敖財(cái)啵灰约暗诙艠O，切換經(jīng)由上述第3電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾傻膫鬏敿敖財(cái)唷?/p>

[技術(shù)方案17]

技術(shù)方案16記載的拍攝元件，上述第一柵極和上述第二柵極是單一的柵極。

[技術(shù)方案18]

技術(shù)方案13～17中的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備在上述第1電荷傳輸路徑的上述終端設(shè)置的漏極。

[技術(shù)方案19]

技術(shù)方案13～17中的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，還具備在上述第1電荷傳輸路徑的終端設(shè)置的、將經(jīng)由上述第1電荷傳輸路徑傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積的第3電荷蓄積部。

[技術(shù)方案20]

技術(shù)方案13～19中的任一項(xiàng)記載的拍攝元件，在上述第1電荷傳輸路徑中，從始端到終端而形成有使上述電荷傳輸?shù)碾娢惶荻取?/p>

以下，參照附圖，詳細(xì)說明本申請的實(shí)施方式。另外，以下說明的實(shí)施方式均表示總括性或具體性的例子。以下的實(shí)施方式中表示的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置以及連接形態(tài)、步驟、步驟的順序等是一例而不意欲限定本申請。本說明書中說明的各種方式只要不發(fā)生矛盾就能相互組合。此外，以下的實(shí)施方式中的構(gòu)成要素中，關(guān)于表示最上位概念的獨(dú)立權(quán)利要求中沒有記載的構(gòu)成要素，設(shè)為任意的構(gòu)成要素進(jìn)行說明。在以下的說明中，具有實(shí)質(zhì)相同的功能的構(gòu)成要素用共通的參照符號表示，有省略說明的情況。

(第一實(shí)施方式)

圖1～圖3示意性地表示本申請的第一實(shí)施方式的拍攝元件中的像素構(gòu)造的一例。圖1示意性地表示從拍攝面的法線方向觀察時(shí)的、構(gòu)成像素的各部的配置。圖2及圖3分別示意性地表示圖1所示的A－A’線剖面及B－B’線剖面。圖1～圖3中，為了參考，圖示出表示相互正交的X方向、Y方向以及Z方向的箭頭。Z方向是拍攝面的法線方向。在其他附圖中， 也有對表示X方向、Y方向或Z方向的箭頭進(jìn)行圖示的情況。

圖1～圖3所示的像素10A包含光電轉(zhuǎn)換部12、漏極14和電荷蓄積部FD。另外，圖1～圖3只不過是用于說明的示意性的圖，附圖中的各部的尺寸并不一定反映出實(shí)際尺寸。對于其他附圖也同樣，存在附圖中所示的要素的尺寸與該要素的實(shí)際尺寸不一致的情況。

光電轉(zhuǎn)換部12包含能夠接受入射的光而生成電荷(以下有時(shí)稱作“信號電荷”)的光電轉(zhuǎn)換元件。這里，作為光電轉(zhuǎn)換元件，例示光電二極管。以下，方便起見將光電轉(zhuǎn)換部12稱作光電二極管12。

如圖2及圖3所示，在該例中，光電二極管12、漏極14以及電荷蓄積部FD形成在硅(Si)基板等半導(dǎo)體基板2內(nèi)。半導(dǎo)體基板2不限定于其整體為半導(dǎo)體的基板，也可以是在形成感光區(qū)域的一側(cè)的表面設(shè)有半導(dǎo)體層的絕緣性基板等。以下，作為半導(dǎo)體基板2，例示p型硅基板。在該例中，通過在p型硅基板中形成雜質(zhì)區(qū)域(這里是N型區(qū)域)，形成光電二極管12。此外，該例中，漏極14以及電荷蓄積部FD是形成在p型硅基板中的雜質(zhì)區(qū)域(這里是N型區(qū)域)。

在圖1～圖3中，雖然省略了圖示，但像素10A之中，光電二極管12以外的部分被遮光層覆蓋。該遮光層例如可以設(shè)在以將漏極14以及電荷蓄積部FD覆蓋的方式形成在半導(dǎo)體基板2上的層間絕緣層上。遮光層可以是比半導(dǎo)體基板2設(shè)在上層的布線層。也可以是，后述的控制電極Tc以及傳輸柵極電極Tx構(gòu)成遮光層的一部分。

漏極14與連接于未圖示的電源的電源線24具有連接。拍攝元件動作時(shí)，漏極14的電位經(jīng)由電源線24接受規(guī)定電壓Vdr的供給從而被固定。另外，以下，為了避免附圖復(fù)雜，在平面圖以外的圖中，有將電源線24等布線的圖示省略的情況。

在圖1～圖3所例示的結(jié)構(gòu)中，光電二極管12以及漏極14沿X方向隔開間隔而配置。如后面詳細(xì)說明的那樣，拍攝元件動作時(shí)，由光電二極管12生成的信號電荷例如由于漏極14的電位被固定為規(guī)定電位而從光電二極管12朝向漏極14在半導(dǎo)體基板2的內(nèi)部移動。即，半導(dǎo)體基板2之中，處于光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域具有將由光電二極管12產(chǎn)生的電荷進(jìn)行傳輸?shù)淖鳛殡姾蓚鬏斅窂紺h1的功能。這樣，像素10A包括將 光電二極管12與漏極14連結(jié)的電荷傳輸路徑Ch1。這里，電荷傳輸路徑Ch1是直線狀的，但電荷傳輸路徑Ch1的形狀不限定于該例。電荷傳輸路徑Ch1例如也可以包括彎曲及/或曲線部分。此外，電荷傳輸路徑Ch1將由光電二極管12生成的信號電荷朝向漏極14連續(xù)地傳輸。這里，“連續(xù)地傳輸”意味著，不在路徑的中途向電荷蓄積部等暫時(shí)蓄積信號電荷而連續(xù)傳輸直至終端。

如圖2所示，該例中，在半導(dǎo)體基板2中的光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域上，層疊有絕緣層16以及控制電極Tc。即，該例中，像素10A在電荷傳輸路徑Ch1上具有沿電荷傳輸路徑Ch1延伸的控制電極Tc。控制電極Tc典型地由通過被摻加雜質(zhì)而賦予導(dǎo)電性的多晶硅形成。絕緣層16例如是二氧化硅層。

如圖1所示，在控制電極Tc中的光電二極管12側(cè)的端部附近以及漏極14側(cè)的端部附近，分別連接有與未圖示的電源具有連接的電源線21及22。通過經(jīng)由電源線21及22對控制電極Tc的電位進(jìn)行控制，能夠在光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域形成反型層。該反型層作為用來將由光電二極管12生成的信號電荷向漏極14傳輸?shù)臏系腊l(fā)揮功能。即，電荷傳輸路徑Ch1也可以是形成于半導(dǎo)體基板2的反型層。

該例中，控制電極Tc構(gòu)成為，通過具有與電源線21及22的連接，能夠?qū)怆姸O管12側(cè)的端部以及漏極14側(cè)的端部分別供給第一電壓V1以及第二電壓V2。第一電壓V1以及第二電壓V2典型地講是互不相同的電壓。在控制電極Tc的兩端，通過經(jīng)由電源線21及22獨(dú)立地施加第一電壓V1以及第二電壓V2，能夠?qū)﹄姾蓚鬏斅窂紺h1中的電勢(potential)的梯度進(jìn)行控制。如在后面詳細(xì)說明的那樣，在像素10A中，通過對電荷傳輸路徑Ch1中的電勢的梯度進(jìn)行控制，使由光電二極管12生成的信號電荷朝向漏極14移動。如果能夠使由光電二極管12生成的信號電荷朝向漏極14移動，則第一電壓V1以及第二電壓V2也可以是共通的電壓。

如圖1及圖3所示，電荷蓄積部FD沿Y方向而與電荷傳輸路徑Ch1隔開間隔地形成。電荷蓄積部FD具有作為將信號電荷暫時(shí)蓄積的存儲器的功能。如圖所示，在該例中，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間，配置有傳輸柵極電極Tx。傳輸柵極電極Tx由鋁、銅等金屬、金屬氮化物、 或者多晶硅形成。如圖3所示，傳輸柵極電極Tx形成于在半導(dǎo)體基板2上形成的絕緣層16上。

傳輸柵極電極Tx連接有與后述的電壓供給電路具有連接的柵極控制線26。由經(jīng)由柵極控制線26從電壓供給電路供給的柵極控制電壓Vt，對傳輸柵極電極Tx的電位進(jìn)行控制。例如通過將供給到傳輸柵極電極Tx的柵極控制電壓Vt設(shè)為高電平，能夠在半導(dǎo)體基板2中的、電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的區(qū)域形成反型層。通過在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的區(qū)域形成反型層，能夠在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間形成用于電荷移動的溝道。通過在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間形成溝道，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷的至少一部分朝向電荷蓄積部FD傳輸。

即，像素10A包含用于將電荷傳輸路徑Ch1中的電荷向電荷蓄積部FD傳輸?shù)碾姾蓚鬏斅窂紺h2。該電荷傳輸路徑Ch2可以是從電荷傳輸路徑Ch1分支的路徑。上述的電荷蓄積部FD將經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2傳輸?shù)碾姾蛇M(jìn)行蓄積。

如果將供給到傳輸柵極電極Tx的柵極控制電壓Vt設(shè)為低電平，則從電荷傳輸路徑Ch1向電荷蓄積部FD的電荷傳輸停止。在該例中，半導(dǎo)體基板2中的、電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的區(qū)域、以及該區(qū)域上的絕緣層16及傳輸柵極電極Tx構(gòu)成對經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2向電荷蓄積部FD的電荷的傳輸/非傳輸進(jìn)行切換的柵極Gt。如上述那樣，柵極Gt的開閉利用柵極控制電壓Vt來控制。即，在該例中，電荷傳輸路徑Ch2的開閉被電氣性地控制。

電荷蓄積部FD具有將從電荷傳輸路徑Ch1傳輸?shù)男盘栯姾蓵簳r(shí)蓄積的功能。如圖1所示，電荷蓄積部FD與讀出線28具有連接。如后述那樣，讀出線28連接于包含放大晶體管等的信號檢測電路，與在電荷蓄積部FD中蓄積的電荷的量相對應(yīng)的信號經(jīng)由信號檢測電路而被讀出。

上述的像素10A能夠利用公知的半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制造。另外，半導(dǎo)體基板2的表面之中，形成絕緣層16的一側(cè)的表面沒有被硅化物化是有益的。特別是，半導(dǎo)體基板2中與電荷傳輸路徑Ch1對應(yīng)的區(qū)域以及與電荷傳輸路徑Ch2對應(yīng)的區(qū)域(典型地講是擴(kuò)散層)沒有被硅化物化是有益的。通 過不將半導(dǎo)體基板2中與電荷傳輸路徑Ch1對應(yīng)的區(qū)域以及與電荷傳輸路徑Ch2對應(yīng)的區(qū)域硅化物化，能夠抑制由于金屬的存在引起的噪聲的混入。此外，能夠抑制由于信號電荷優(yōu)先在硅化物中移動而帶來的遷移率的偏差，使溝道的電阻均勻化。

參照圖4。圖4表示本申請的第一實(shí)施方式的拍攝元件的例示性的電路結(jié)構(gòu)的概略。圖4所示的拍攝元件100包含參照圖1～圖3說明的像素10A以及周邊電路。圖4中，示出了排列為2行2列的矩陣狀的4個(gè)像素10A。但是，這只不過是用于說明的例示，像素10A的數(shù)量及配置不限于圖4所示的結(jié)構(gòu)。這些像素10A例如通過被二維排列，形成感光區(qū)域(像素區(qū)域)。鄰接的兩個(gè)像素10A之間被形成于半導(dǎo)體基板2的元件分離區(qū)域(這里是P型區(qū)域，未圖示)電氣性地分離。像素10A也可以一維排列。

在圖4例示的結(jié)構(gòu)中，作為周邊電路，拍攝元件100具有垂直掃描電路(也稱作“行掃描電路”)50、電壓供給電路52、列信號處理電路(也稱作“行信號蓄積電路”)54、負(fù)載電路56以及水平信號讀出電路(也稱作“列掃描電路”)58。列信號處理電路54以及負(fù)載電路56按像素陣列的每個(gè)列設(shè)置。

該例中，用于控制電荷傳輸路徑Ch1中的電勢梯度的第一電壓V1以及第二電壓V2分別經(jīng)由電源線21及22被從電壓供給電路52供給。此外，該例中，用于控制經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2的、從電荷傳輸路徑Ch1向電荷蓄積部FD的信號電荷的傳輸?shù)拈_始及停止的柵極控制電壓Vt也被從電壓供給電路52供給。電壓供給電路52的結(jié)構(gòu)不限于特定的電路結(jié)構(gòu)。能夠?qū)⒁?guī)定的電壓以規(guī)定的定時(shí)供給即可。電壓供給電路52也可以是垂直掃描電路50的一部分。即，也可以從垂直掃描電路50向像素10A供給第一電壓V1、第二電壓V2以及柵極控制電壓Vt的至少一個(gè)。

各個(gè)像素10A具有與供給電源電壓VDD的電源線32的連接。此外，各個(gè)像素10A還具有與供給電荷蓄積部FD的復(fù)位中的基準(zhǔn)電壓Vrs的復(fù)位電壓線34、以及對漏極14供給一定電壓的電源線24的連接。

在圖4例示的結(jié)構(gòu)中，各個(gè)像素10A除了光電轉(zhuǎn)換部12、漏極14、電荷蓄積部FD以外，具有放大晶體管42、地址(address)晶體管44以及復(fù)位晶體管46。放大晶體管42、地址晶體管44以及復(fù)位晶體管46典型地是 場效應(yīng)晶體管(FET)。以下，例示放大晶體管42、地址晶體管44以及復(fù)位晶體管46為N溝道MOS的結(jié)構(gòu)。

在圖4例示的結(jié)構(gòu)中，放大晶體管42的控制端子(這里是柵極)具有與連接于電荷蓄積部FD的讀出線28的連接。放大晶體管42的輸入端子以及輸出端子的一方(這里是漏極)連接于電源線32。放大晶體管42的輸入端子以及輸出端子的另一方(這里是源極)連接于地址晶體管44的輸入端子以及輸出端子的一方(這里是漏極)。地址晶體管44的輸入端子以及輸出端子的另一方(這里是源極)連接于垂直信號線36。

地址晶體管44的控制端子(這里是柵極)連接于地址信號線38。該例中，地址信號線38連接于垂直掃描電路50，用于對地址晶體管44的導(dǎo)通及截止進(jìn)行控制的行選擇信號經(jīng)由地址信號線38從垂直掃描電路50被供給到地址晶體管44的柵極。通過按每個(gè)地址信號線38將行選擇信號送出，將讀出對象的行進(jìn)行掃描及選擇。從被選擇的行的像素10A將信號電壓讀出到垂直信號線36。即，在該例中，由放大晶體管42和地址晶體管44形成信號檢測電路SC。信號檢測電路SC也可以包含電容元件等其他要素。

如圖所示，在該例中，垂直掃描電路50還具有與復(fù)位信號線39的連接。該復(fù)位信號線39具有與復(fù)位晶體管46的控制端子(這里是柵極)的連接。復(fù)位晶體管46的輸入端子以及輸出端子的一方(這里是漏極)連接于供給規(guī)定的基準(zhǔn)電壓Vrs的復(fù)位電壓線34，另一方連接于與電荷蓄積部FD連接的讀出線28。垂直掃描電路50經(jīng)由復(fù)位信號線39，將用于對復(fù)位晶體管46的導(dǎo)通及截止進(jìn)行控制的復(fù)位信號向復(fù)位晶體管46供給。垂直掃描電路50通過經(jīng)由復(fù)位信號線39將復(fù)位信號向像素10A供給，能夠?qū)⑾袼?0A以行單位選擇而進(jìn)行電荷蓄積部FD的電位的復(fù)位。

像素10A具有與對應(yīng)于各列而設(shè)置的垂直信號線36的連接。垂直信號線36電連接有負(fù)載電路56，由負(fù)載電路56和放大晶體管42構(gòu)成源極跟隨電路。垂直信號線36電連接于進(jìn)行以相關(guān)雙采樣為代表的噪音抑制信號處理以及模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換(AD轉(zhuǎn)換)等的列信號處理電路54。列信號處理電路54電連接有水平信號讀出電路58。水平信號讀出電路58從多個(gè)列信號處理電路54向水平共通信號線59依次讀出信號。

上述的放大晶體管42、地址晶體管44以及復(fù)位晶體管46的各自可以 是N溝道MOS，也可以是P溝道MOS。也不需要將他們?nèi)拷y(tǒng)一為N溝道MOS或P溝道MOS的某一種。

(像素10A中的信號檢測動作)

接著，參照圖5及圖6，對像素10A中的信號檢測動作的一例進(jìn)行說明。圖5表示向光電二極管12入射的光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化的一例。圖5中，橫軸表示時(shí)間t，箭頭Ex示意性地表示對光電二極管12的曝光期間。圖6將像素10A的平面圖、某時(shí)刻下的電荷傳輸路徑Ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例和半導(dǎo)體基板2內(nèi)的電位的一例一并表示。圖6中的上側(cè)所示的曲線圖的縱軸表示電荷量C。

圖6中，將光電二極管12與漏極14連結(jié)的電荷傳輸路徑Ch1用粗的虛線箭頭圖示。此外，圖6中，電荷傳輸路徑Ch2用沿Y方向延伸的粗的虛線箭頭圖示。在其他附圖中，也有用粗的虛線箭頭對電荷傳輸路徑Ch1或電荷傳輸路徑Ch2進(jìn)行圖示的情況。

以下，說明利用電子作為信號電荷的例子。當(dāng)然也能夠利用空穴作為信號電荷。

在光的檢測之前，通過在將復(fù)位晶體管46設(shè)為導(dǎo)通狀態(tài)后設(shè)為截止?fàn)顟B(tài)，將電荷蓄積部FD復(fù)位。此外，對漏極14，經(jīng)由電源線24施加比較高的電壓Vdr。進(jìn)而，這里，經(jīng)由電源21及22，在控制電極Tc的端部之中，向接近于光電二極管12的一側(cè)施加第一電壓V1，向接近于漏極14的一側(cè)施加第二電壓V2。這里，對控制電極Tc施加滿足Vdr＞V2＞V1的關(guān)系那樣的第一電壓V1以及第二電壓V2。

在圖6中的下側(cè)，表示施加了電壓Vdr、第一電壓V1以及第二電壓V2的狀態(tài)下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例。此外，在圖6中的右側(cè)，表示半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例。這些曲線圖中的白圈Sc示意性地表示信號電荷。在圖6中的右側(cè)的曲線圖中，通過實(shí)線圖示出施加了電壓Vdr、第一電壓V1以及第二電壓V2的狀態(tài)下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化。

若著眼于沿X方向的、信號電荷(這里是電子)的能量變化，則在該例中，信號電荷(這里是電子)的能量在光電二極管12附近最高，隨著接近于漏極14而降低。因此，在施加了電壓Vdr、第一電壓V1以及第二電 壓V2的狀態(tài)下，光電二極管12中生成的信號電荷(這里是電子)在電荷傳輸路徑Ch1中朝向漏極14移動。到達(dá)漏極14的信號電荷被向像素10A的外部排出。施加了電壓Vdr、第一電壓V1以及第二電壓V2的狀態(tài)可以說是將光電二極管12復(fù)位的狀態(tài)。

這里，假設(shè)表現(xiàn)出圖5所示那樣的時(shí)間變化的光入射到光電二極管12中。如上所述，在施加了電壓Vdr、第一電壓V1以及第二電壓V2的狀態(tài)下，在電荷傳輸路徑Ch1中產(chǎn)生電位梯度。因而，當(dāng)光電二極管12中生成信號電荷時(shí)，生成的信號電荷朝向漏極14移動。

這里，由于向光電二極管12入射的光的強(qiáng)度I時(shí)間性變化，所以光電二極管12中生成的信號電荷的量也與入射光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化相應(yīng)地時(shí)間性變化。因此，向電荷傳輸路徑Ch1流入的信號電荷的量也表現(xiàn)出與入射光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化相應(yīng)的變化。即，經(jīng)過電荷傳輸路徑Ch1的某地點(diǎn)的信號電荷的量與入射光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化相應(yīng)地時(shí)間性變化。換言之，從對光電二極管12的光入射開始、經(jīng)過了某時(shí)間Td時(shí)的電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的量如圖6的上側(cè)所示意性地表示的那樣，表現(xiàn)出與入射光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化對應(yīng)的分布。這是因?yàn)椋篌w來看，在某時(shí)刻流入到電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷在電荷傳輸路徑Ch1中的移動距離大于在該時(shí)刻之后的時(shí)刻流入到電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的移動距離。

這樣，在時(shí)刻Td，電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的量表現(xiàn)出圖6中在上側(cè)示意性地表示的曲線圖那樣的分布。這里，將在時(shí)刻Td對傳輸柵極電極Tx施加的柵極控制電壓Vt設(shè)為高電平。通過將柵極控制電壓Vt設(shè)為高電平，如圖6的右側(cè)的曲線圖中虛線所示那樣，電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的電勢勢壘降低，電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的柵極Gt(參照圖3)成為開啟的狀態(tài)。

通過使柵極Gt開啟，在電荷傳輸路徑Ch1中行進(jìn)的信號電荷之中，在與傳輸柵極電極Tx在Y方向上重疊的區(qū)域Rg附近行進(jìn)的信號電荷經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2被選擇性地向電荷蓄積部FD傳輸。然后，在從時(shí)刻Td起經(jīng)過了時(shí)間Ts(參照圖5)后，使柵極控制電壓Vt為低電平，將柵極Gt關(guān)閉。通過將柵極Gt關(guān)閉，向電荷蓄積部FD的信號電荷的傳輸結(jié)束。

這樣，通過在電荷傳輸路徑Ch1的中途配置電荷蓄積部FD，并對電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FD之間的柵極Gt的開啟及關(guān)閉進(jìn)行控制，從而能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷的一部分向電荷蓄積部FD選擇性地抽取。向電荷蓄積部FD傳輸及蓄積的電荷量具有與在對光電二極管12的曝光期間(圖5中由箭頭Ex表示的期間)整體中的上述時(shí)間Ts入射到光電二極管12中的光量相對應(yīng)的信息。即，若進(jìn)行在電荷蓄積部FD中蓄積的電荷的讀出，則實(shí)現(xiàn)以時(shí)刻Td為起點(diǎn)的、與時(shí)間Ts相當(dāng)?shù)臅r(shí)間窗Tw中的檢測。

相對于將由光電二極管生成的信號電荷全部向浮置擴(kuò)散部傳輸并將傳輸?shù)男盘栯姾勺x出的現(xiàn)有方式，在上述例示性的動作中，將在電荷傳輸路徑Ch1中朝向漏極14移動的信號電荷的一部分提取并蓄積在電荷蓄積部FD中。因此，用于光電二極管12的復(fù)位的期間實(shí)質(zhì)上為0，此外，用于信號電荷的蓄積的期間不是曝光期間整體而是其一部分，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的動作。

此外，本申請的實(shí)施方式中，例如能夠使用柵極控制電壓Vt對柵極Gt的開啟及關(guān)閉進(jìn)行電氣性控制。通過對柵極Gt的開啟及關(guān)閉的定時(shí)進(jìn)行控制，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中朝向漏極14移動的信號電荷的一部分在任意的開始時(shí)刻以及期間提取并蓄積到電荷蓄積部FD中。即，能夠?qū)⑿盘栯姾傻囊徊糠忠运Ｍ臅r(shí)間窗進(jìn)行采樣。檢測中的時(shí)間窗例如還能夠通過從光電二極管12到電荷蓄積部FD或傳輸柵極電極Tx的、沿電荷傳輸路徑Ch1的方向上的距離Ld、電荷蓄積部FD或傳輸柵極電極Tx的沿電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)Lw等來調(diào)整(參照圖1)。

在上述的動作例中，在控制電極Tc的兩端施加互不相同的電壓。但是，在利用電子作為信號電荷的情況下，如果漏極14的電位高于光電二極管12的電位則信號電荷會從光電二極管12朝向漏極14移動，因此也可以在控制電極Tc的兩端施加共通的電壓。但是，通過在控制電極Tc的兩端獨(dú)立地施加互不相同的電壓，能夠隔著控制電極Tc下的絕緣層16對電荷傳輸路徑Ch1中的光電二極管12—漏極14間的電位梯度的大小進(jìn)行控制。因而，能夠電氣性地控制從光電二極管12向漏極14的信號電荷的傳輸速度。例如，在反復(fù)執(zhí)行上述的檢測動作的情況下，也可以每當(dāng)光電二極管12的 復(fù)位時(shí)將電荷傳輸路徑Ch1中的電位梯度進(jìn)行變更，將不同的傳輸速度下的信號電荷提取到電荷蓄積部FD。作為對控制電極Tc施加的第一電壓V1以及第二電壓V2，可以使用高電平及低電平那樣的數(shù)字信號，也可以使用任意大小的模擬電壓。

另外，也可以在漏極14設(shè)置其他電荷蓄積部，或者也可以如圖7所示的像素10B那樣，取代漏極14而將第二電荷蓄積部FD2配置在電荷傳輸路徑Ch1的終端。第二電荷蓄積部FD2將經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch1傳輸?shù)碾姾傻闹辽僖徊糠中罘e。在圖7例示的結(jié)構(gòu)中，在電荷蓄積部FD2上連接有讀出線29。該讀出線29可以連接到與經(jīng)由讀出線28連接在電荷蓄積部FD上的信號檢測電路獨(dú)立的信號檢測電路。

圖7所示那樣的、在電荷傳輸路徑Ch1的終端和終端以外的部分配置有電荷蓄積部的結(jié)構(gòu)中，可以對設(shè)置在配置于電荷傳輸路徑Ch1的終端以外的部分的電荷蓄積部(圖7中是電荷蓄積部FD)與電荷傳輸路徑Ch1之間的柵極的開啟及關(guān)閉進(jìn)行控制。通過控制該柵極的開啟的期間，能夠?qū)蓚€(gè)電荷蓄積部(圖7中是電荷蓄積部FD及FD2)以任意比率分配電荷。

(第二實(shí)施方式)

圖8示意性地表示本申請的第二實(shí)施方式的拍攝元件中的像素構(gòu)造的一例。圖8所示的像素10C與圖1所示的像素10A的不同點(diǎn)在于，像素10C具有沿電荷傳輸路徑Ch1配置的多個(gè)電荷蓄積部。

在圖8例示的結(jié)構(gòu)中，X方向上的長度為Lw的4個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd隔開間隔g沿著X方向排列。圖8所示的電荷蓄積部的數(shù)量、沿著電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)、以及鄰接的2個(gè)電荷蓄積部的間隔只不過是例示。例如，各像素具有的電荷蓄積部的數(shù)量不限于4個(gè)，在多個(gè)電荷蓄積部之間幅度或間隔也可以不同。

在圖8例示的結(jié)構(gòu)中，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa～FDd之間，配置有單一的傳輸柵極電極Tx。該例中，傳輸柵極電極Tx沿X方向從電荷蓄積部FDa的左端起延伸至電荷蓄積部FDd的右端。即，這里，傳輸柵極電極Tx在X方向上的長度(幅度)為(4Lw+3g)。

如后述那樣，通過使傳輸柵極電極Tx的電位為高電平，能夠使電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd之間的柵極為開啟的狀態(tài)。通過 使電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd之間的柵極開啟，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。即，像素10C中，具有4個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd，與之相應(yīng)地，還具有4個(gè)從電荷傳輸路徑Ch1朝向電荷蓄積部傳輸電荷的電荷傳輸路徑Ch2。

電荷蓄積部FDa～FDd分別連接有讀出線28a～28d。各個(gè)讀出線28a～28d具有與包含放大晶體管42等的信號檢測電路SC(參照圖4)的連接。因而，能夠?qū)⒃陔姾尚罘e部FDa～FDd中蓄積的信號電荷分別獨(dú)立地讀出。

(像素10B中的信號檢測動作)

接著，參照圖9～圖13B對像素10C中的信號檢測動作的一例進(jìn)行說明。圖9將像素10C的平面圖與某時(shí)刻下的電荷傳輸路徑Ch1內(nèi)的信號電荷的分布的一例一并表示。圖10是表示對控制電極Tc施加的第一電壓V1及第二電壓V2、以及對傳輸柵極電極Tx施加的柵極控制電壓Vt的一例的時(shí)序圖。圖11A表示圖10所示的時(shí)刻T1下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例，圖11B表示圖10所示的時(shí)刻T1下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例。圖12A表示圖10所示的時(shí)刻T2下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例，圖12B表示圖10所示的時(shí)刻T2下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例。圖13A表示圖10所示的時(shí)刻T3下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿X方向的電位變化的一例，圖13B表示圖10所示的時(shí)刻T3下的、半導(dǎo)體基板2內(nèi)的沿Y方向的電位變化的一例。

在光的檢測之前，將各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd復(fù)位。例如，使在讀出線28a～28d上分別連接的信號讀出電路中的復(fù)位晶體管成為導(dǎo)通狀態(tài)之后，使復(fù)位晶體管為截止?fàn)顟B(tài)。在該時(shí)間點(diǎn)，第一電壓V1、第二電壓V2以及柵極控制電壓Vt均為低電平(圖10中的時(shí)刻T1)。

接著，使第一電壓V1以及第二電壓V2為高電平。這里，對電源線24、21及22分別施加滿足Vdr＞V2＞V1的關(guān)系的電壓Vdr、V1以及V2。由此，在電荷傳輸路徑Ch1中形成圖12A中下側(cè)所示那樣的電位梯度。在該狀態(tài)下，當(dāng)光入射到光電二極管12時(shí)，在光電二極管12中生成的信號電荷在電荷傳輸路徑Ch1中朝向漏極14移動。此時(shí)，通過控制電位梯度的大小，能夠調(diào)整向漏極14的傳輸速度。

這里，設(shè)想表現(xiàn)出圖5所示那樣的時(shí)間變化的光入射到光電二極管12中的情況。如參照圖5及圖6說明過的那樣，若向光電二極管12入射的光的強(qiáng)度時(shí)間性變化，則經(jīng)過電荷傳輸路徑Ch1的某地點(diǎn)的信號電荷的量表現(xiàn)出與入射光的強(qiáng)度的時(shí)間變化相應(yīng)的時(shí)間性變化。因此，從對光電二極管12的光入射開始、經(jīng)過了某時(shí)間Td時(shí)的電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的量如圖9中的上側(cè)示意性所示那樣，表現(xiàn)出與入射光的強(qiáng)度I的時(shí)間變化對應(yīng)的分布。

在時(shí)刻Td，將對傳輸柵極電極Tx施加的柵極控制電壓Vt設(shè)為高電平。若將柵極控制電壓Vt設(shè)為高電平，則電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd之間的電勢勢壘如圖13B所示那樣降低。即，電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd之間的柵極成為開啟的狀態(tài)。

當(dāng)柵極開啟時(shí)，在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。此時(shí)，在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷向電荷蓄積部FDa～FDd中的某個(gè)傳輸。向電荷蓄積部FDa～FDd的哪個(gè)電荷蓄積部傳輸根據(jù)著眼的信號電荷的時(shí)刻Td時(shí)間點(diǎn)的移動距離而不同。例如，在時(shí)刻Td，位于在Y方向上與電荷蓄積部FDa重疊的區(qū)域Rga附近的信號電荷向電荷蓄積部FDa傳輸，位于在Y方向上與電荷蓄積部FDd重疊的區(qū)域Rgd附近的信號電荷向電荷蓄積部FDd傳輸(參照圖9)。這樣，通過沿電荷傳輸路徑Ch1配置多個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷根據(jù)在將柵極開啟的時(shí)間點(diǎn)的移動距離而向電荷蓄積部FDa～FDd分配。

如圖9中的上側(cè)示意性所示那樣，某時(shí)刻(例如時(shí)刻Td)下的電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的量表現(xiàn)出某一分布。因此，在電荷蓄積部FDa～FDd中蓄積的電荷量表現(xiàn)出與該時(shí)刻下的電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷的分布相應(yīng)的分布。這意味著將通過光入射而生成的信號電荷以圖9中上側(cè)的曲線圖中虛線所示的時(shí)間窗Tw1～Tw4進(jìn)行時(shí)間分解而檢測。

例如，信號電荷(例如電子)穿過被施加了飽和速度為0.04μm/ps那樣的強(qiáng)度的電場的、長度4μm的電荷傳輸路徑而移動到電荷蓄積部需要100ps。因而，在經(jīng)由長度4μm的電荷傳輸路徑將信號電荷向電荷蓄積部直接傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)下，僅信號電荷的傳輸就需要100ps。相對于此，如圖8及 圖9所示，根據(jù)沿著在終端配置有漏極的電荷傳輸路徑配置多個(gè)電荷蓄積部、將在電荷傳輸路徑中移動的電子向多個(gè)電荷蓄積部分配的結(jié)構(gòu)，能夠提高時(shí)間分辨率。例如，如果沿4μm的電荷傳輸路徑配置4個(gè)電荷蓄積部，則即使在相同的電場強(qiáng)度下也能實(shí)現(xiàn)大約25ps的時(shí)間分辨率。

這樣，在本申請的第二實(shí)施方式中，在將由光電轉(zhuǎn)換部生成的信號電荷向漏極傳輸?shù)闹型?，對?yīng)于信號電荷的移動距離而將信號電荷向多個(gè)電荷蓄積部分配。由此，能夠不受信號電荷(例如電子)的飽和速度的限制而提高檢測中的時(shí)間分辨率。如果將對應(yīng)于電荷傳輸路徑中的移動距離而向多個(gè)電荷蓄積部分配信號電荷的上述例子那樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于例如利用近紅外光的成像，則能夠得到測定對象的深度方向的信息。此時(shí)，通過反復(fù)進(jìn)行光脈沖的入射、與參照圖9說明的信號電荷的傳輸以及蓄積的循環(huán)，并將各電荷蓄積部中的電荷量累計(jì)，能夠提高SN比。設(shè)置于用于使電荷向電荷蓄積部傳輸?shù)碾姾蓚鬏斅窂降臇艠O的開啟在每當(dāng)照射光脈沖時(shí)以規(guī)定的定時(shí)執(zhí)行即可。

另外，檢測中的時(shí)間窗還能夠通過調(diào)整電荷蓄積部在沿著電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)、鄰接的兩個(gè)電荷蓄積部的間隔來控制。例如，也可以將各個(gè)電荷蓄積部在沿著電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)設(shè)為與想要進(jìn)行時(shí)間分解的比率相應(yīng)的比率。

作為信號電荷，也可以取代電子而利用空穴。通過利用遷移率相對低的空穴，在鄰接的電荷蓄積部間能夠良好地將信號電荷分離。即，能夠抑制向與本來應(yīng)傳輸?shù)碾姾尚罘e部鄰接的其他電荷蓄積部的信號電荷的混入。

在圖8的結(jié)構(gòu)中，也可以在漏極14設(shè)置其他電荷蓄積部。即，或者，也可以如圖7所示的像素10B那樣，取代漏極14而將第二電荷蓄積部FD2配置在電荷傳輸路徑Ch1的終端。

(第二實(shí)施方式的第一變形例)

圖14表示本申請的第二實(shí)施方式的像素的其他一例。圖14所示的像素10D與參照圖8說明的像素10C的不同點(diǎn)在于，像素10D具有與電源線21及22分別連接的第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2。

在圖14例示的結(jié)構(gòu)中，在半導(dǎo)體基板2中的光電二極管12與漏極14 之間的區(qū)域上，沒有配置單一的控制電極，而是沿著電荷傳輸路徑Ch1隔開間隔地配置有具有與電源線21的連接的第1控制電極Tc1和具有與電源線22的連接的第2控制電極Tc2。如圖所示，第1控制電極Tc1相比于第2控制電極Tc2配置為更靠近光電二極管12，第2控制電極Tc2相比于第1控制電極Tc1配置為更靠近漏極14。

這樣，可以將接受第一電壓V1的供給的控制電極(這里是第1控制電極Tc1)和接受第二電壓V2的供給的控制電極(這里是第2控制電極Tc2)在電荷傳輸路徑Ch1上分別地設(shè)置。通過將連接于供給第一電壓V1的電源線21的電極和連接于供給第二電壓V2的電源線22的電極分別地設(shè)置，能夠獨(dú)立地控制第1控制電極Tc1的電位和第2控制電極Tc2的電位。通過獨(dú)立地控制第1控制電極Tc1的電位和第2控制電極Tc2的電位，能夠更高速地控制電荷傳輸路徑Ch1的兩端的電位。另外，圖14所示的結(jié)構(gòu)中，光電二極管12與漏極14之間的區(qū)域中，在處于第1控制電極Tc1與第2控制電極Tc2之間的區(qū)域上不存在電極。但是，如果能夠控制電荷傳輸路徑Ch1的兩端的電位，則能夠使信號電荷朝向漏極14移動。此外，處于第1控制電極Tc1與第2控制電極Tc2之間的區(qū)域的遮光能夠通過在該區(qū)域的上層設(shè)置布線層等而實(shí)現(xiàn)。

如圖14所示，在電荷傳輸路徑Ch1上配置第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2的結(jié)構(gòu)中，也可以將第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2的至少一方硅化物化。例如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，將電源線21及22連接到沿電荷傳輸路徑Ch1延伸的控制電極Tc的兩端附近。在這樣的結(jié)構(gòu)中，若將控制電極Tc硅化物化，則有可能得不到需要的電阻值、無法通過控制電極Tc在沿電荷傳輸路徑Ch1延伸方向上產(chǎn)生所希望的大小的電位梯度。

相對于此，根據(jù)圖14所示那樣的結(jié)構(gòu)，即使將第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2的至少一方硅化物化，也能夠沿著電荷傳輸路徑Ch1形成所希望的大小的電位梯度。通過將第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2的至少一方硅化物化，能夠降低電阻，提高對電源線的電位變化的響應(yīng)速度。也可以將第1控制電極Tc1以及第2控制電極Tc2的至少一方利用金屬或金屬氮化物形成。

(第二實(shí)施方式的第二變形例)

圖15表示本申請的第二實(shí)施方式的像素的再其他一例。圖15所示的像素10E與參照圖8說明的像素10C的不同點(diǎn)在于，像素10E相對于電荷傳輸路徑Ch1而在與電荷蓄積部FDa～FDd相反的一側(cè)還具有沿電荷傳輸路徑Ch1配置的4個(gè)電荷蓄積部FDe～FDh。

在圖15例示的結(jié)構(gòu)中，電荷蓄積部FDe～FDh分別具有與讀出線28e～28h的連接。各個(gè)讀出線28e～28h連接有包含放大晶體管等的信號檢測電路。各個(gè)電荷蓄積部FDe～FDh通過具有與讀出線28e～28h的連接，從而構(gòu)成為能夠?qū)⑿罘e的信號電荷獨(dú)立地讀出。

如圖所示，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷積部FDa～FDd之間，配置有具有與柵極控制線26的連接的傳輸柵極電極Tx1。通過將供給到柵極控制線26的柵極控制電壓Vt1設(shè)為高電平，能夠經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2將電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。另一方面，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDe～FDh之間，配置有具有與柵極控制線27的連接的傳輸柵極電極Tx2。通過將供給到柵極控制線27的柵極控制電壓Vt2設(shè)為高電平，能夠經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch3將電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷向電荷蓄積部FDe～FDh傳輸。

在圖15例示的結(jié)構(gòu)中，典型地，柵極控制電壓Vt1以及柵極控制電壓Vt2不被同時(shí)設(shè)為高電平，而是被控制為交替地成為高電平。即，在某時(shí)刻將柵極控制電壓Vt1設(shè)為高電平，并在將柵極控制電壓Vt1設(shè)為低電平之后，將柵極控制電壓Vt2設(shè)為高電平。通過將柵極控制電壓Vt1以及柵極控制電壓Vt2交替地設(shè)為高電平，能夠?qū)崿F(xiàn)與沿著電荷傳輸路徑Ch1將8個(gè)電荷蓄積部FDa～FDh排列為一列的結(jié)構(gòu)同樣的檢測。即，能夠進(jìn)行連續(xù)的8個(gè)時(shí)間窗(8相位)的檢測。

如圖15所示，通過將多個(gè)電荷蓄積部配置在電荷傳輸路徑Ch1的兩側(cè)，能夠抑制電荷傳輸路徑Ch1的長度的增大并且進(jìn)行更多的時(shí)間窗的檢測。此外，由于抑制了電荷傳輸路徑Ch1的長度的增大，所以能夠降低由于電荷傳輸路徑Ch1的延伸而帶來的靈敏度差的偏差，形成精度更好的像素。

(第三實(shí)施方式)

圖16示意性地表示本申請的第三實(shí)施方式的拍攝元件中的像素構(gòu)造的一例。圖16所示的像素10F與圖8所示的像素10C的不同點(diǎn)在于，像素 10F具有多個(gè)傳輸柵極電極。

在圖16例示的結(jié)構(gòu)中，以與電荷蓄積部FDa～FDd分別對應(yīng)的方式，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa～FDd之間，配置有傳輸柵極電極Txa～Txd。如圖所示，傳輸柵極電極Txa～Txd分別連接有柵極控制線26a～26d，因而，各個(gè)傳輸柵極電極Txa～Txd構(gòu)成為，能夠獨(dú)立地施加?xùn)艠O控制電壓Vta～Vtd。即，像素10F具有與沿著電荷傳輸路徑Ch1配置的電荷蓄積部相同數(shù)量(這里是4個(gè))的柵極。這些柵極與4個(gè)電荷傳輸路徑Ch2分別對應(yīng)而設(shè)置。

在圖16例示的結(jié)構(gòu)中，例如，通過在某時(shí)刻將柵極控制電壓Vtb以及Vtd選擇性地設(shè)為高電平，從而如圖所示那樣，能夠?qū)崿F(xiàn)將電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDb以及電荷蓄積部FDd之間的2個(gè)柵極選擇性地開啟的控制。通過將沿電荷傳輸路徑Ch1設(shè)置的多個(gè)柵極中的一部分選擇性地設(shè)為開啟，例如，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷中的、位于在Y方向上與電荷蓄積部FDc重疊的區(qū)域Rgc附近的信號電荷朝向電荷蓄積部FDd傳輸。即，能夠在柵極處于開啟狀態(tài)的2個(gè)電荷蓄積部(該例中是電荷蓄積部FDb以及電荷蓄積部FDd)之間良好地將信號電荷分離。

另外，在對應(yīng)于多個(gè)電荷蓄積部而在像素內(nèi)配置有多個(gè)傳輸柵極電極的結(jié)構(gòu)中，還能夠?qū)⑴c光電二極管12最近的電荷蓄積部利用為漏極。例如，圖16例示的結(jié)構(gòu)中，如果在某時(shí)刻以后將柵極控制電壓Vta設(shè)為高電平而使電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa之間的柵極開啟，則在該時(shí)刻以后流入到電荷傳輸路徑Ch1的信號電荷優(yōu)先向電荷蓄積部FDa傳輸。因此，如果在將柵極控制電壓Vtb～Vtd設(shè)為高電平而將電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDb～FDd之間的柵極設(shè)為開啟的時(shí)刻以后也將柵極控制電壓Vta設(shè)為高電平，則能夠抑制向電荷蓄積部FDb～FDd的多余的電荷混入。

這樣，也可以是，對應(yīng)于多個(gè)電荷蓄積部而在像素內(nèi)配置多個(gè)傳輸柵極電極，在多個(gè)傳輸柵極電極之間使施加高電平的柵極控制電壓的定時(shí)不同。另外，如果將多個(gè)傳輸柵極電極同時(shí)設(shè)為高電平，則還能夠進(jìn)行與第二實(shí)施方式同樣的檢測動作。

(第三實(shí)施方式的第一變形例)

圖17表示本申請的第三實(shí)施方式的像素的其他一例。圖17所示的像 素10G與參照圖16說明的像素10F的不同點(diǎn)在于，像素10G具有2個(gè)漏極14從而包含2個(gè)電荷傳輸路徑Ch1。

圖17中，圖示出像素陣列中的某1個(gè)像素10G、和位于該像素10G的右側(cè)及左側(cè)的2個(gè)像素10G的一部分。圖17的中央所示的像素10G具有光電二極管12、和在光電二極管12的右側(cè)及左側(cè)隔開間隔配置的2個(gè)漏極14。即，該例中，像素陣列中的各個(gè)像素10G包含從光電二極管12向左右延伸的2個(gè)電荷傳輸路徑Ch1。

圖17中，省略了電荷傳輸路徑Ch1上的控制電極的圖示。另外，如已經(jīng)說明的那樣，如果能夠在光電二極管12與漏極14之間形成適當(dāng)?shù)碾娢徊睿瑒t也可以省略控制電極自身。圖17中，為了避免附圖復(fù)雜，省略了與漏極14連接的電源線、柵極控制線、讀出線等布線的圖示。在其他附圖中也有省略布線的圖示的情況。

圖17例示的結(jié)構(gòu)中，在向位于圖中央的光電二極管12的右側(cè)延伸的電荷傳輸路徑Ch1的上側(cè)，沿著電荷傳輸路徑Ch1配置有電荷蓄積部FDa～FDc。在電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDa～FDc之間，分別配置有傳輸柵極電極Txa～Txc。在該電荷傳輸路徑Ch1的下側(cè)，配置有從鄰接的像素10G的光電二極管12朝向圖的左側(cè)延伸的電荷傳輸路徑Ch1。另一方面，在向位于圖中央的光電二極管12的左側(cè)延伸的電荷傳輸路徑Ch1的下側(cè)，沿著電荷傳輸路徑Ch1配置有電荷蓄積部FDd～FDf。在電荷傳輸路徑Ch1與各個(gè)電荷蓄積部FDd～FDf之間，分別配置有傳輸柵極電極Txd～Txf。在該電荷傳輸路徑Ch1的上側(cè)，配置有從鄰接的像素10G的光電二極管12朝向圖的右側(cè)延伸的電荷傳輸路徑Ch1。

這樣，像素也可以具有漏極位于終端的多個(gè)電荷傳輸路徑Ch1。例如，如果如圖17所示那樣配置各像素的電荷傳輸路徑Ch1，則能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的像素配置。在圖17例示的結(jié)構(gòu)中，例如，通過將對2個(gè)漏極14分別施加的電壓交替地設(shè)為高電平，能夠交替地利用2個(gè)電荷傳輸路徑Ch1。通過使由光電二極管12生成的信號電荷交替地朝向2個(gè)漏極14移動，能夠一邊對于沿著一方的電荷傳輸路徑Ch1配置的電荷蓄積部執(zhí)行經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2的信號電荷的傳輸，一邊執(zhí)行從沿著另一方的電荷傳輸路徑Ch1配置的電荷蓄積部的電荷讀出。即，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速的檢測動作。

(第四實(shí)施方式)

圖18示意性地表示本申請的第四實(shí)施方式的拍攝元件中的像素構(gòu)造的一例。圖18所示的像素10H與圖8所示的像素10C的主要不同點(diǎn)在于，像素10H在電荷傳輸路徑Ch1上具有多個(gè)控制電極。

圖18例示的結(jié)構(gòu)中，像素10H包含配置在電荷傳輸路徑Ch1上的控制電極Tca～Tcd。如圖所示，控制電極Tca～Tcd對應(yīng)于沿著電荷傳輸路徑Ch1配置的4個(gè)電荷蓄積部FDa～FDd而配置在電荷傳輸路徑Ch1上。這里，控制電極Tca具有與電荷蓄積部FDa在沿著電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)同樣的幅度。此外，這里，傳輸柵極電極Txa也具有與電荷蓄積部FDa在沿著電荷傳輸路徑Ch1的方向上的長度(幅度)同樣的幅度。

該例中，在電荷傳輸路徑Ch1上的控制電極Tca與電荷蓄積部FDa之間，配置有具有與柵極控制線26a的連接的傳輸柵極電極Txa。電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa之間的柵極的開啟及關(guān)閉通過對柵極控制線26a施加的柵極控制電壓Vta的電平來控制。此外，該例中，在電荷傳輸路徑Ch1上的控制電極Tcb～Tcd與電荷蓄積部FDb～FDd之間，配置有單一的傳輸柵極電極Txm。傳輸柵極電極Txm具有與柵極控制線26m的連接，電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDb之間、電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDc之間、以及電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDd之間的柵極的開啟及關(guān)閉通過對柵極控制線26m施加的柵極控制電壓Vtm的電平而被總括地控制。

如圖所示，該例中，控制電極Tca～Tcd分別連接有電源線23a～23d。即，各個(gè)控制電極Tca～Tcd構(gòu)成為，能夠經(jīng)由電源線23a～23d獨(dú)立地施加第一～第四電壓V1～V4。

參照圖18以及圖19，對像素10H中的動作的一例進(jìn)行說明。圖19是表示電荷傳輸路徑Ch1中的沿X方向的電位變化的一例的曲線圖。以下，說明將在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷中的、位于在Y方向上與電荷蓄積部FDc重疊的區(qū)域Rgc(參照上述的圖16)附近的信號電荷朝向電荷蓄積部FDc傳輸?shù)睦印?/p>

在光的檢測之前將電荷蓄積部FDa～FDd分別復(fù)位這一點(diǎn)與已經(jīng)說明 過的實(shí)施方式中的動作同樣。在電荷蓄積部FDa～FDd的復(fù)位后，經(jīng)由電源線23a及23d對控制電極Tca及Tcd分別施加電壓V1及V4。此外，經(jīng)由電源線24對漏極14施加一定的電壓Vdr。這里，使用滿足Vdr＞V4＞V1的關(guān)系那樣的電壓V1、V4以及Vdr。圖19中，用實(shí)現(xiàn)示意性地表示此時(shí)的電荷傳輸路徑Ch1中的沿著X方向的電位的曲線圖。

該例中，不從像素10H的外部對控制電極Tcb及Tcc施加電壓。即，在該時(shí)間點(diǎn)，控制電極Tcb及Tcc為浮置的狀態(tài)。電荷傳輸路徑Ch1中，位于控制電極Tcc之下的部分的此時(shí)的電位為例如滿足V4＞Vx＞V1的關(guān)系那樣的電位Vx。

在電荷蓄積部FDa～FDd的復(fù)位以及向控制電極Tca、Tcd及漏極14的電壓施加之后，開始對光電二極管12的曝光。如圖19中通過實(shí)線示意性所示那樣，在曝光開始時(shí)，在電荷傳輸路徑Ch1中形成從光電二極管12朝向漏極14電位上升那樣的電位梯度。因此，在光電二極管12中生成的信號電荷在電荷傳輸路徑Ch1中朝向漏極14移動。

從對光電二極管12的曝光開始起經(jīng)由時(shí)間Td之后，經(jīng)由電源線23c對控制電極Tcc施加比Vx高的電壓Vy。這里，進(jìn)一步經(jīng)由電源線23a對控制電極Tca施加比V1高的電壓Vz。通過使對控制電極Tca及Tcc施加的電壓上升，電荷傳輸路徑Ch1的電位如圖19的曲線圖中用虛線示意性所示那樣變化。

通過電荷傳輸路徑Ch1中的電位的變化，在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷之中，在時(shí)刻Td在位于控制電極Tcc之下的部分中行進(jìn)的信號電荷在位于控制電極Tcc之下的部分及其附近被暫時(shí)性地捕捉。然后，如果將柵極控制線的電位Vtm設(shè)為高電平，則電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDc之間的柵極成為開啟的狀態(tài)，能夠?qū)㈦姾蓚鬏斅窂紺h1中的暫時(shí)保持在控制電極Tcc附近的信號電荷經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2向電荷蓄積部FDc傳輸。另外，該例中，使在時(shí)刻Td對控制電極Tca施加的電壓上升到Vz。因此，在時(shí)刻Td以后在光電二極管12中生成的電荷經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa之間的電荷傳輸路徑Ch2排出到電荷蓄積部FDa。因而，能夠抑制在時(shí)刻Td以后流入到電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷向電荷蓄積部FDc的混入。

如在第一～第三實(shí)施方式中說明的那樣，例如通過控制對控制電極Tca施加的電壓V1和對控制電極Tcd施加的電壓V4，能夠控制電荷傳輸路徑Ch1中的電位梯度，調(diào)整從光電二極管12向漏極14的信號電荷的傳輸速度。例如，如果使電壓V1以及電壓V4的電位差較大，則能夠增大向漏極14的信號電荷的傳輸速度。但是，如果欲使時(shí)間分辨率提高而使電荷傳輸路徑Ch1中的電位梯度極度地過于急劇，則經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2的信號電荷的傳輸速度不足夠，從而可能無法進(jìn)行正確的檢測。

根據(jù)本申請的第四實(shí)施方式，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中移動的信號電荷中的、在某時(shí)刻正在某區(qū)域中移動的信號電荷選擇性地捕捉之后，經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2向電荷蓄積部傳輸。例如，根據(jù)參照圖18及圖19說明的動作，能夠在電荷傳輸路徑Ch1中將信號電荷選擇性地捕捉的時(shí)刻之后的所希望的時(shí)刻，進(jìn)行向電荷蓄積部的經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2的信號電荷的傳輸。即，能夠在將通過光入射而生成的信號電荷按照以所希望的時(shí)刻為起點(diǎn)的時(shí)間窗進(jìn)行時(shí)間分解而捕捉之后，在與該時(shí)刻不同的時(shí)刻，將捕捉到的信號電荷向電荷蓄積部傳輸。這樣，根據(jù)本申請的第四實(shí)施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)不基于電荷傳輸路徑Ch2中的傳輸速度的、更高速的檢測動作。

這里，說明了將信號電荷在位于控制電極Tcc之下的部分及其附近暫時(shí)地捕捉的例子，但也可以在位于控制電極Tcc以外的控制電極之下的部分及其附近將信號電荷暫時(shí)地捕捉。也可以在位于2個(gè)以上的控制電極之下的部分及其附近將信號電荷暫時(shí)地捕捉。

另外，沿電荷傳輸路徑Ch1配置的多個(gè)電荷蓄積部之中，如果將與光電二極管12最近的電荷蓄積部(這里是電荷蓄積部FDa)的電位固定，并將該電荷蓄積部與電荷傳輸路徑Ch1之間的柵極設(shè)為開啟的狀態(tài)，則還能夠?qū)⒃撾姾尚罘e部作為漏極進(jìn)行利用。在將電荷蓄積部作為漏極進(jìn)行利用的情況下，不需要該電荷蓄積部的、光的檢測前的復(fù)位。

(第四實(shí)施方式的第一變形例)

圖20表示本申請的第四實(shí)施方式的像素的其他一例。圖21示意性地表示圖20所示的A－A’線剖面。圖20及圖21所示的像素10I與參照圖18說明的像素10H的不同點(diǎn)在于，像素10I在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄 積部之間不具有傳輸柵極電極。

如圖20及圖21所示，像素10I在電荷傳輸路徑Ch1上具有沿電荷傳輸路徑Ch1配置的多個(gè)控制電極Tca～Tcd。這些控制電極Tca～Tcd設(shè)于形成在半導(dǎo)體基板2上的絕緣層16上，與參照圖18說明的像素10H同樣地，構(gòu)成為能夠經(jīng)由電源線23a～23d獨(dú)立地施加第1～第四電壓V1～V4。另外，在圖20及圖21例示的結(jié)構(gòu)中，在鄰接的2個(gè)控制電極間，沒有形成絕緣層16。但是，例如，也可以形成從控制電極Tca連續(xù)到控制電極Tcd的絕緣層16。

如圖20所示，像素10I在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa～FDd之間不具有傳輸柵極電極。如后述那樣，在像素10I中，通過在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa～FDd之間形成電位差，將電荷傳輸路徑Ch1中的信號電荷向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。因而，像素10I在具有從將光電二極管12與漏極14連結(jié)的電荷傳輸路徑Ch1朝向電荷蓄積部傳輸信號電荷的電荷傳輸路徑Ch2這一點(diǎn)上，與之前說明的像素10A～10H是共通的。

參照圖22及圖23對像素10I的動作的一例進(jìn)行說明。圖22及圖23是表示電荷傳輸路徑Ch1中的沿X方向的電位變化的一例的曲線圖。

在光的檢測之前，將電荷蓄積部FDa～FDd分別復(fù)位這一點(diǎn)，與已經(jīng)說明過的實(shí)施方式的動作同樣。在電荷蓄積部FDa～FDd的復(fù)位后，例如，經(jīng)由電源線23b及23d對控制電極Tcb及Tcd分別施加電壓V2及V4。此外，經(jīng)由電源線24對漏極14施加一定的電壓Vdr。這里，使用滿足Vdr＞V4＞V2的關(guān)系那樣的電壓V2、V4以及Vdr?？刂齐姌OTca及Tcc是浮置的狀態(tài)。圖22示意性地表示此時(shí)的電荷傳輸路徑Ch1中的沿X方向的電位的曲線圖。

在電荷蓄積部FDa～FDd的復(fù)位以及向控制電極Tcb、Tcd及漏極14的電壓施加之后，開始對光電二極管12的曝光。如圖22所示，在曝光開始時(shí)，在電荷傳輸路徑Ch1中形成從光電二極管12朝向漏極14電位上升那樣的電位梯度，因此在光電二極管12中生成的信號電荷在電荷傳輸路徑Ch1中朝向漏極14移動。

在從對光電二極管12的曝光開始起經(jīng)過了時(shí)間Td后，經(jīng)由電源線 23b～23d，對控制電極Tcb～Tcd的每一個(gè)，一齊施加比V4高的高電平的電壓。通過對控制電極Tcb～Tcd一齊施加高電平的電壓，電荷傳輸路徑Ch1中的電位如圖23所示那樣變化。這里，在控制電極Tcb～Tcd下產(chǎn)生信號電荷的能量降低那樣的電位變化。因此，在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷之中，在時(shí)刻Td在位于控制電極Tcb之下的部分行進(jìn)的信號電荷在位于控制電極Tcb之下的部分及其附近被捕捉。同樣，在時(shí)刻Td在位于控制電極Tcc之下的部分行進(jìn)的信號電荷在位于控制電極Tcc之下的部分及其附近被捕捉，在位于控制電極Tcd之下的部分行進(jìn)的信號電荷在位于控制電極Tcd之下的部分及其附近被捕捉。

但是，照這樣，時(shí)刻Td以后在光電二極管12中生成的信號電荷會混入到在時(shí)刻Td被捕捉到的信號電荷中，因此這里在時(shí)刻Td對控制電極Tca也施加高電平的電壓。通過對控制電極Tca施加高電平的電壓，電荷傳輸路徑Ch1中的電位如圖23中用虛線示意性所示那樣變化。通過對控制電極Tca施加高電平的電壓，在控制電極Tca下信號電荷的能量降低，在電荷傳輸路徑Ch1中移動的信號電荷之中，在時(shí)刻Td在位于控制電極Tca之下的部分行進(jìn)的信號電荷在位于控制電極Tca之下的部分及其附近被捕捉。即，能夠捕捉時(shí)刻Td以后在光電二極管12中生成的信號電荷。由此，能夠抑制噪聲的混入。

在控制電極下將信號電荷暫時(shí)地捕捉之后，將捕捉到的信號電荷經(jīng)由電荷傳輸路徑Ch2向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。例如，通過將控制電極Tca～Tcd的每一個(gè)與供給高電壓的電壓源經(jīng)由電容元件連接，使電荷蓄積部FDa～FDd中的電位比電荷傳輸路徑Ch1中的位于控制電極Tca～Tcd下的部分的電位高。由此，在電荷傳輸路徑Ch1與電荷蓄積部FDa～FDd之間形成電位梯度，能夠?qū)⒃陔姾蓚鬏斅窂紺h1中暫時(shí)捕捉到的信號電荷向電荷蓄積部FDa～FDd傳輸。然后，將傳輸?shù)诫姾尚罘e部FDb～FDd的電荷量讀出。另外，在時(shí)刻Td以后使電荷蓄積部FDa作為漏極發(fā)揮功能的情況下，也可以不經(jīng)由電容元件而將供給高電壓的電壓源與電荷蓄積部FDa連接。

如以上說明的那樣，在本申請的實(shí)施方式中，不是從光電轉(zhuǎn)換部向電荷蓄積部將信號電荷直接傳輸并讀出所傳輸?shù)碾姾?，而是將從光電轉(zhuǎn)換部 朝向漏極移動的信號電荷從其移動路徑朝向電荷蓄積部進(jìn)行傳輸。因而，實(shí)現(xiàn)與信號電荷相對于光電轉(zhuǎn)換部的移動距離相對應(yīng)的時(shí)間分解，能夠提高檢測中的時(shí)間分辨率。

本申請的技術(shù)不限于上述的實(shí)施方式，能夠進(jìn)行各種改變。例如，作為光電二極管12，也可以使用具有在基板的厚度方向上層疊了具有靈敏度的波段不同的多個(gè)傳感器的構(gòu)造的二極管(例如Foveon(フォベオン)公司提供的Foveon X3(注冊商標(biāo))等)。本申請中的光電轉(zhuǎn)換部不限定于光電二極管。也可以取代光電二極管12而使用層疊于半導(dǎo)體基板的光電轉(zhuǎn)換膜。光電轉(zhuǎn)換膜可以由有機(jī)材料或非晶硅等無機(jī)材料形成。

本申請的拍攝元件能夠利用于數(shù)碼相機(jī)、醫(yī)療用相機(jī)、監(jiān)視用相機(jī)、車載用相機(jī)、數(shù)碼單反相機(jī)、數(shù)碼無反相機(jī)等各種各樣的相機(jī)系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)。