本發(fā)明涉及一種攝像裝置以及攝像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

作為用于照相機(jī)的圖像傳感器的攝像裝置，已經(jīng)提出了層壓型攝像裝置。在國(guó)際公開(kāi)WO 2012/004923號(hào)的圖1中例示的攝像裝置中，在半導(dǎo)體基板上設(shè)置光電轉(zhuǎn)換膜。在光電轉(zhuǎn)換膜上設(shè)置透明電極，并且在光電轉(zhuǎn)換膜與半導(dǎo)體基板之間設(shè)置像素電極。在光電轉(zhuǎn)換膜與像素電極之間設(shè)置絕緣膜。根據(jù)國(guó)際公開(kāi)WO 2012/004923號(hào)，由于能夠利用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)雙采樣(correlated double sampling，CDS)，所以能夠減少噪聲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種攝像裝置包括基板和設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層，所述基板包括多個(gè)像素電路。多個(gè)像素電路中的各個(gè)像素電路包括放大晶體管，放大晶體管被構(gòu)造為輸出基于在半導(dǎo)體層中生成的電荷的信號(hào)。在與基板的表面平行的第一方向上輸送在半導(dǎo)體層中生成的電荷。

通過(guò)以下參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其他特征將變得清楚。

附圖說(shuō)明

圖1A是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖，圖1B是例示光電轉(zhuǎn)換單元的等效電路的圖，并且圖1C是例示光電轉(zhuǎn)換單元的等效電路的圖。

圖2是示意性地例示攝像裝置的整體構(gòu)造的圖。

圖3是例示攝像裝置的列電路的等效電路的圖。

圖4A是示意性地例示攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)的圖，圖4B是示意性地例示攝像裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。

圖5A是示意性地例示攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)的圖，圖5B是示意性地例示攝像裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。

圖6A至圖6C是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖，圖6D至圖6F是示意性地例示攝像裝置的電位的圖。

圖7是示意性地例示攝像裝置的光電轉(zhuǎn)換單元的能帶的圖。

圖8是例示在攝像裝置中使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。

圖9是例示在攝像裝置中使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。

圖10是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖11是示意性地例示攝像裝置的光電轉(zhuǎn)換單元的能帶的圖。

圖12是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖13是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖14是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖15是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖16A是示意性地例示攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)的圖，圖16B是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖17是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖18是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。

圖19是例示根據(jù)實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的框圖。

具體實(shí)施方式

在攝像裝置中，在光電轉(zhuǎn)換膜與氧化膜之間形成的界面中累積的電荷被以高速排出到上部電極，使得獲得高的S/N比。然而，光電轉(zhuǎn)換膜中的電荷移動(dòng)程度是低的。此外，在光電轉(zhuǎn)換膜中包括俘獲電荷的缺陷能級(jí)。而且，在光電轉(zhuǎn)換膜與阻擋層之間存在勢(shì)壘。因此，在使用光電轉(zhuǎn)換膜的攝像裝置中，可能在短的輸送時(shí)段中沒(méi)有充分排出電荷。結(jié)果，靈敏度可能劣化或噪聲可能增加。根據(jù)一些實(shí)施例，可以減少噪聲。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，攝像裝置包括多個(gè)像素。各個(gè)像素包括光電轉(zhuǎn)換單元和像素電路，像素電路用于讀取基于光電轉(zhuǎn)換單元中生成的電荷的信號(hào)。該實(shí)施例的攝像裝置包括基板和設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層，基板包括布置在其上的像素電路。各個(gè)像素電路包括放大晶體管，放大晶體管輸出基于半導(dǎo)體層中生成的電荷的信號(hào)。在半導(dǎo)體層中沿第一方向輸送半導(dǎo)體層中生成的電荷。第一方向平行于包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面。

基板的表面例如是半導(dǎo)體區(qū)域與設(shè)置在半導(dǎo)體區(qū)域上的絕緣體區(qū)域之間的界面。在使用利用淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)或硅局部氧化(local oxidation of silicon，LOCOS)的絕緣體隔離結(jié)構(gòu)的情況下，半導(dǎo)體區(qū)域與絕緣體區(qū)域之間的界面不是平坦的。在這種情況下，例如，基板上設(shè)置的晶體管的溝道中的半導(dǎo)體區(qū)域與絕緣體區(qū)域之間的界面，對(duì)應(yīng)于基板的表面。

利用該構(gòu)造，代替到上部電極的電荷輸送(垂直輸送)，進(jìn)行沿著半導(dǎo)體層的界面的電荷輸送(橫向輸送)。因此，作為電荷的輸送路徑，可以使用半導(dǎo)體層與絕緣層之間的界面、阻擋層與絕緣層之間的界面、半導(dǎo)體層與阻擋層之間的界面等。這些界面僅具有小的缺陷能級(jí)，因此，以高速輸送電荷。

此外，為了獲得針對(duì)具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的足夠的靈敏度，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體層具有大的厚度。因此，在進(jìn)行垂直輸送的情況下，以長(zhǎng)距離輸送電荷。另一方面，在進(jìn)行橫向輸送的情況下，可以以短距離輸送電荷。這是因?yàn)?，作為半?dǎo)體層中的輸送源的第一部分與作為半導(dǎo)體層中的輸送目的地的第二部分之間的距離不受針對(duì)具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的靈敏度等的限制。

以這種方式，根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置，可以有效地輸送電荷。因此，可以減少由殘留電荷引起的圖像滯后等的噪聲。

在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明不限于下面描述的實(shí)施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，通過(guò)改變下面描述的實(shí)施例的構(gòu)造的一部分而獲得的變型也包括在本發(fā)明中。作為選擇，將實(shí)施例的構(gòu)造的一部分添加到其他實(shí)施例之一的示例以及由其他實(shí)施例之一的構(gòu)造的一部分替換實(shí)施例的構(gòu)造的一部分的示例也包括在本發(fā)明中。

第一實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖1A是示意性例示根據(jù)第一實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。攝像裝置包括基板(未例示)和設(shè)置在基板上的半導(dǎo)體層108，基板包括設(shè)置在其上的像素100的像素電路。雖然在圖1中僅例示了一個(gè)像素100，但是該實(shí)施例的攝像裝置包括多個(gè)像素100。

像素100包括包含在半導(dǎo)體層108中的光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103。光接收區(qū)域101是半導(dǎo)體層108的第一部分，電荷排出區(qū)域103是半導(dǎo)體層108的第二部分。半導(dǎo)體層108可以由諸如硅等的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體形成。作為選擇，半導(dǎo)體層108可以由有機(jī)半導(dǎo)體形成。

向光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103施加偏置電壓的上部電極S 106設(shè)置在半導(dǎo)體層108上方。上部電極S 106連接到電源VS 104。電源VS 104供給電壓Vs。在該實(shí)施例中，上部電極S 106向光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103二者施加偏置電壓。因此，上部電極S 106由在光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103上連續(xù)延伸的導(dǎo)電層構(gòu)成。換言之，上部電極S 106的第一部分(第一電極)向光接收區(qū)域101施加偏置電壓，并且上部電極S 106的第二部分(第三電極)向電荷排出區(qū)域103施加偏置電壓。注意，上部電極S 106的第一部分(第一電極)和第二部分(第三電極)可以彼此分離。

像素100還包括向光接收區(qū)域101施加偏置電壓的電極P(第二電極)110，并且包括通過(guò)第一電容器Cm 116連接到電極P 110的電源VP 113。電源VP 113供給包括第一電壓和與第一電壓不同的第二電壓的多個(gè)電壓Vp。像素100還包括向電荷排出區(qū)域103施加偏置電壓的電極D(第四電極)112。半導(dǎo)體層108的光接收區(qū)域101設(shè)置在上部電極S 106的第一部分(第一電極)與電極P 110之間。半導(dǎo)體層108的電荷排出區(qū)域103設(shè)置在上部電極S 106的第二部分(第三電極)與電極D 112之間。電極D 112設(shè)置為與半導(dǎo)體層108的電荷排出區(qū)域103鄰接。

電極P 110與電極D 112電分離。利用這種構(gòu)造，光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103可以獨(dú)立地施加偏置電壓。

上部電極S 106允許一定量的光通過(guò)。例如，作為透明導(dǎo)電材料的氧化銦錫(ITO)層或薄金屬層，被用作上部電極S 106。

減少電荷從上部電極S106侵入到半導(dǎo)體層108的阻擋層107設(shè)置在上部電極S 106與半導(dǎo)體層108之間。阻擋層107防止空穴侵入半導(dǎo)體層108。因此，阻擋層107可以被稱(chēng)為“空穴阻擋層”。阻擋層107可以由具有與半導(dǎo)體層108不同的帶隙的材料形成。作為選擇，阻擋層107可以由具有與半導(dǎo)體層108不同的雜質(zhì)濃度的材料形成。絕緣層109設(shè)置在電極P 110與半導(dǎo)體層108之間。絕緣層109還在電極D 112的一部分與半導(dǎo)體層108之間的部分以及輸送電極T 111與半導(dǎo)體層108之間的部分中延伸。注意，作為該實(shí)施例的變型，省略阻擋層107和絕緣層109中的至少一者。

電荷輸送區(qū)域102設(shè)置在光接收區(qū)域101與電荷排出區(qū)域103之間。像素100包括：控制要施加到電荷輸送區(qū)域102的偏置電壓的輸送電極T 111、以及連接到輸送電極T 111的電源VT 114。電源VT 114供給電壓Vt。作為該實(shí)施例的變型，省略電荷輸送區(qū)域102和輸送電極T 111。

通過(guò)第一電容器Cm 116從電源VP 113向電極P 110供給電壓Vm。像素100包括連接到電極P 110的復(fù)位晶體管117和放大晶體管118。像素100還包括設(shè)置在放大晶體管118與輸出線(xiàn)120之間的電路徑中的選擇晶體管119。復(fù)位晶體管117、放大晶體管118和選擇晶體管119是像素電路中包括的元件的示例。放大晶體管118輸出基于光接收區(qū)域101中生成的電荷的信號(hào)。復(fù)位晶體管117對(duì)放大晶體管118的輸入節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行復(fù)位。選擇晶體管119控制放大晶體管118與輸出線(xiàn)120之間的連接。多個(gè)像素100連接到單個(gè)輸出線(xiàn)120。在多個(gè)像素100構(gòu)成包括多個(gè)像素列的像素陣列的情況下，在各個(gè)像素列中布置至少一個(gè)輸出線(xiàn)120。電流源121和列放大器301連接到輸出線(xiàn)120。放大晶體管118和電流源121形成源極跟隨器電路。從像素100輸出到輸出線(xiàn)120的信號(hào)被供給到列放大器301。

復(fù)位晶體管117、放大晶體管118和選擇晶體管119設(shè)置在未例示的基板上?；謇缡枪杌?。半導(dǎo)體層108設(shè)置在如下的基板上，該基板包括設(shè)置在其上的、包括放大晶體管118的像素電路。換言之，半導(dǎo)體層108層壓在基板(基板包括設(shè)置在基板上的像素電路)上。

圖1B和圖1C是例示包括光接收區(qū)域101的光電轉(zhuǎn)換單元的等效電路的圖。在該實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換單元包括半導(dǎo)體層108和絕緣層109。相應(yīng)地，光電轉(zhuǎn)換單元包括上部電極S 106與電極P 110之間的電容部件。在圖1B和圖1C的等效電路中，電容部件被表示為設(shè)置在上部電極S 106與電極P 110之間的第二電容器123。注意，在圖1B中示出了光電轉(zhuǎn)換單元包括阻擋層107的情況。因此，阻擋層107和半導(dǎo)體層108由二極管的電路符號(hào)124來(lái)表示。另一方面，在圖1C中示出了光電轉(zhuǎn)換單元不包括阻擋層的情況。因此，半導(dǎo)體層108由電阻的電路符號(hào)125來(lái)表示。稍后將描述半導(dǎo)體層108的構(gòu)造。

在該實(shí)施例中，在半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分上限定光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103。半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分例如由半導(dǎo)體層108中的大致均勻的材料形成。在制造攝像裝置時(shí)發(fā)生制造誤差。因此，半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分可能具有由制造誤差引起的材料之間的差異。換言之，一次形成半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分。在一次形成半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分之后，可以?xún)H處理連續(xù)部分的一部分。因此，半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分可以包括具有不同厚度或不同寬度的多個(gè)部分。

將描述像素100中包括的各單元的功能。半導(dǎo)體層108的光接收區(qū)域101、設(shè)置在光接收區(qū)域101上的上部電極S 106的第一部分(第一電極)、電極P 110以及設(shè)置在半導(dǎo)體層108與電極P 110之間的絕緣層109，形成光電轉(zhuǎn)換單元。光電轉(zhuǎn)換單元根據(jù)入射光生成信號(hào)電荷，并且累積由于入射光而生成的電荷?？梢愿鶕?jù)施加到上部電極S 106與電極P 110之間的部分的電壓，來(lái)控制光電轉(zhuǎn)換單元中的信號(hào)電荷的累積以及從光電轉(zhuǎn)換單元供給的信號(hào)電荷的排出或輸送。

半導(dǎo)體層108上的電荷排出區(qū)域103、設(shè)置在電荷排出區(qū)域103上的上部電極S 106的第二部分(第三電極)、電極D 112以及設(shè)置在半導(dǎo)體層108與電極D 112之間的部分中的絕緣層109，可以形成電荷排出單元。光電轉(zhuǎn)換單元的電荷被排出到電荷排出單元。由于電荷排出區(qū)域103和電極D 112位于彼此鄰接的位置，所以排出到電荷排出區(qū)域103的電荷被排出到電源VD。

半導(dǎo)體層108的電荷輸送區(qū)域102、上部電極S 106、輸送電極T 111以及設(shè)置在半導(dǎo)體層108與輸送電極T 111之間的絕緣層109，構(gòu)成電荷輸送單元。在該實(shí)施例中，光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103通過(guò)電荷輸送區(qū)域102布置在半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分上。利用這種構(gòu)造，電荷輸送單元可以將光接收區(qū)域101中累積的電荷輸送到電荷排出區(qū)域103。通過(guò)供給到輸送電極T 111的偏置電壓來(lái)控制電荷的輸送。

在該實(shí)施例中，光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103布置在半導(dǎo)體層108的連續(xù)部分中的不同部分中。光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103被獨(dú)立地控制。以這種方式，光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103實(shí)現(xiàn)不同的功能。光接收區(qū)域101具有通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成電荷的功能和累積電荷的功能。電荷輸送區(qū)域102具有將電荷從光接收區(qū)域101輸送到電荷排出區(qū)域103的功能。電荷排出區(qū)域103具有獨(dú)立于光接收區(qū)域101保持電荷的功能。

接下來(lái)，將描述像素100的像素電路。電極P 110電連接到放大晶體管118的柵極。如圖1A中所示，電極P 110和放大晶體管118的柵極可以短路。可以在電極P 110與放大晶體管118之間的電路徑中設(shè)置開(kāi)關(guān)。

在圖1A中，電極P 110與放大晶體管118的柵極之間的節(jié)點(diǎn)被稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)B”。節(jié)點(diǎn)B可以被電浮置。由于節(jié)點(diǎn)B被電浮置，所以節(jié)點(diǎn)B的電壓可以依據(jù)在光接收區(qū)域101中累積的電荷而變化。利用這種構(gòu)造，可以將基于通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的電荷的信號(hào)輸入到放大晶體管118。放大晶體管118放大輸入的信號(hào)并將放大的信號(hào)輸出到輸出線(xiàn)120。

像素100的像素電路包括對(duì)電極P 110的電壓進(jìn)行復(fù)位的復(fù)位晶體管117。復(fù)位晶體管117將復(fù)位電壓Vres供給到電極D 112和放大晶體管118的柵極。具體而言，復(fù)位晶體管117對(duì)放大晶體管118的輸入節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)B)的電壓進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位晶體管117被控制為導(dǎo)通或截止。當(dāng)復(fù)位晶體管117導(dǎo)通時(shí)，復(fù)位電壓Vres被供給到節(jié)點(diǎn)B。當(dāng)復(fù)位晶體管117截止時(shí)，節(jié)點(diǎn)B被電浮置。

第一電容器Cm 116電連接到電極P 110。電極P 110和第一電容器Cm 116可以短路?？梢栽陔姌OP 110與第一電容器Cm 116之間的電路徑中設(shè)置開(kāi)關(guān)。

第一電容器Cm 116包括彼此相對(duì)的、其間置有絕緣體的兩個(gè)電極。這兩個(gè)電極由諸如多晶硅或金屬等的導(dǎo)電材料形成。作為選擇，第一電容器Cm 116包括半導(dǎo)體區(qū)域和通過(guò)柵極絕緣膜設(shè)置在半導(dǎo)體區(qū)域上的柵電極。第一電容器Cm 116中包括的半導(dǎo)體區(qū)域優(yōu)選具有比晶體管的源極區(qū)域和漏極區(qū)域的雜質(zhì)濃度高的雜質(zhì)濃度。柵電極由諸如多晶硅或金屬等的導(dǎo)電材料形成。

第一電容器Cm 116包括電連接到電極P 110的第一端子和與第一端子不同的第二端子。端子由諸如金屬或多晶硅等的導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體區(qū)域形成。向第二端子提供一定的電壓。在該實(shí)施例中，第二端子連接到電源VP 113，并且從電源VP 113向第二端子供給多個(gè)電壓。作為選擇，第二端子可以接地。在圖1A中，節(jié)點(diǎn)B包括第一端子，節(jié)點(diǎn)C包括第二端子。向節(jié)點(diǎn)B供給電壓Vm，向節(jié)點(diǎn)C供給電壓Vp。電壓Vm和Vp具有依據(jù)第一電容器Cm 116的電容值的關(guān)系。

接下來(lái)，將描述像素100的控制。首先，在曝光時(shí)段中，控制上部電極S 106和電極P 110的電壓，使得向光接收區(qū)域101施加反向偏壓。由此，在光接收區(qū)域101中生成的信號(hào)電荷在曝光時(shí)段中被累積在光接收區(qū)域101中。隨后，控制電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112的電壓，使得在光接收區(qū)域101中保持的電荷被輸送到電荷排出區(qū)域103。例如，可以通過(guò)將電荷排出區(qū)域103的電位設(shè)置為小于光接收區(qū)域101的電位來(lái)輸送電荷。通過(guò)輸送累積的信號(hào)電荷，電壓在節(jié)點(diǎn)B中根據(jù)信號(hào)電荷的量而改變。因此，可以從像素100讀取基于信號(hào)電荷的信號(hào)。換言之，根據(jù)該實(shí)施例，通過(guò)從光接收區(qū)域101排出電荷來(lái)讀取基于在光接收區(qū)域101中累積的電荷的信號(hào)。

控制第一電容器Cm 116的第二端子的電壓Vp，使得電極P 110的電壓Vm被控制。電源VP 113將第一電壓和與第一電壓不同的第二電壓供給到第一電容器Cm 116的第二端子作為電壓Vp。注意，在該實(shí)施例的變型中，未例示的電源VM將第一電壓和與第一電壓不同的第二電壓供給到電極P 110作為電壓Vm。

根據(jù)該實(shí)施例，在半導(dǎo)體層108中，電荷在第一方向上從光接收區(qū)域101被輸送到電荷排出區(qū)域103。第一方向平行于包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面?；宓谋砻媸菢?gòu)成基板的半導(dǎo)體區(qū)域與設(shè)置在半導(dǎo)體區(qū)域上的絕緣體之間的界面。在采用通過(guò)STI或LOCOS的絕緣體隔離結(jié)構(gòu)的情況下，半導(dǎo)體區(qū)域與絕緣體區(qū)域之間的界面不是平坦的。在這種情況下，例如，基板上設(shè)置的晶體管溝道中的半導(dǎo)體區(qū)域與絕緣體區(qū)域之間的界面充當(dāng)基板的表面。

利用這種構(gòu)造，在光接收區(qū)域101中累積的信號(hào)電荷的大部分或全部在短時(shí)間內(nèi)被輸送到電荷排出區(qū)域103。因此，可以減少噪聲。

現(xiàn)在，將描述施加到像素100的各單元的電壓。在該實(shí)施例中，將描述使用空穴作為通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的電荷當(dāng)中的信號(hào)電荷的情況。注意，在該實(shí)施例中，接地節(jié)點(diǎn)的電壓是作為基準(zhǔn)電壓的0V，除非另有聲明。

電源VS 104向上部電極S 106供給特定電壓Vs(在該實(shí)施例中為6V)。電源VP 113供給電壓Vp(在本實(shí)施例中為3V至5V)。電壓Vs和Vp具有反向偏壓被施加到光接收區(qū)域101的空穴的關(guān)系。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的空穴累積在光接收區(qū)域101與絕緣層109之間的界面附近。

由于在該實(shí)施例中信號(hào)電荷是空穴，所以當(dāng)累積信號(hào)電荷時(shí)，電極P 110的電壓Vm低于輸送電極T 111的電壓Vt。如圖4A和圖4B中所示，輸送電極T 111以在平行于基板表面的平面中包圍電極P 110的方式設(shè)置。因此，通過(guò)設(shè)置電壓Vt大于電壓Vm，在設(shè)置在電極P 110附近的光接收區(qū)域101中形成勢(shì)阱。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的空穴被有效地收集在光接收區(qū)域101的勢(shì)阱中。由于輸送電極T 111的電壓Vt形成勢(shì)壘，所以可以減少在光接收區(qū)域101中累積的電荷的泄漏。在信號(hào)電荷是電子的情況下，電極P 110的電壓Vm被設(shè)置為高于輸送電極T 111的電壓Vt。

在該實(shí)施例中，電源VP 113至少將第一電壓Vp1和與第一電壓Vp1不同的第二電壓Vp2供給到第一電容器Cm 116的第二端子。由于在該實(shí)施例中信號(hào)電荷是空穴，所以第二電壓Vp2高于第一電壓Vp1。在該實(shí)施例中，第一電壓Vp1為3V，第二電壓Vp2為5V。在信號(hào)電荷是電子的情況下，第二電壓Vp2低于第一電壓Vp1。在信號(hào)電荷是電子的情況下，例如，第一電壓Vp1為5V，第二電壓Vp2為3V。

在信號(hào)電荷是空穴的情況下，復(fù)位電壓Vres低于要供給到上部電極S 106的電壓Vs。在信號(hào)電荷是電子的情況下，復(fù)位電壓Vres高于要供給到上部電極S 106的電壓Vs。在該實(shí)施例中，由于使用空穴信號(hào)，所以要供給到上部電極S 106的電壓Vs為6V，復(fù)位電壓Vres為3V。

在該實(shí)施例中，電源VP 113通過(guò)向節(jié)點(diǎn)C供給包括多個(gè)電壓的電壓Vp，來(lái)控制通過(guò)第一電容器Cm 116與節(jié)點(diǎn)C電容耦合的節(jié)點(diǎn)B的電壓Vm。因此，沒(méi)有特別限制供給到節(jié)點(diǎn)C的電壓Vp與復(fù)位電壓Vres或供給到上部電極S 106的電壓Vs之間的在直流方面的大小關(guān)系。

在該實(shí)施例中，控制供給到電極P 110的電壓Vm、供給到輸送電極T111的電壓Vt以及供給到電極D 112的電壓Vd，使得在光接收區(qū)域101中累積的信號(hào)電荷被快速且完全地輸送到電荷排出區(qū)域103。在信號(hào)電荷是空穴的情況下，可以基于以下關(guān)系輸送電荷：Vm>Vt>Vd。在信號(hào)電荷是電子的情況下，可以基于以下關(guān)系輸送電荷：Vm<Vt<Vd。

圖2是示意性地例示根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的整體電路構(gòu)造的圖。在圖2中，示出了以4行×4列的矩陣布置的16個(gè)像素100。包括在一列中的多個(gè)像素100連接到一個(gè)輸出線(xiàn)120。行驅(qū)動(dòng)電路250向像素100供給驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES、驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVP(節(jié)點(diǎn)C的電壓Vp)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)pSEL。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES被供給到圖1A中的復(fù)位晶體管117的柵極。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pSEL被供給到選擇晶體管119的柵極。通過(guò)這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制復(fù)位晶體管117和選擇晶體管119。包括在一行中的多個(gè)像素100連接到共同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)傳輸驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES、驅(qū)動(dòng)信號(hào)pSEL等。在圖2中，分配表示行的諸如(n)和(n+1)等的參照符號(hào)，以區(qū)分供給到不同行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其他附圖也是如此。在該實(shí)施例中，向電極D 112供給固定電壓Vd。因此，在圖2中省略了供給驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVD的信號(hào)線(xiàn)。

根據(jù)該實(shí)施例，針對(duì)各行獨(dú)立地控制供給到第一電容器Cm 116的第二端子(節(jié)點(diǎn)C)的電壓Vp。因此，行驅(qū)動(dòng)電路250選擇行中的從電壓供給單元203供給電壓Vp的行。注意，分配表示行的諸如(n)和(n+1)等的參照符號(hào)，以區(qū)分供給到不同行的電壓Vd。在要進(jìn)行全局電子快門(mén)操作的情況下，在所有行中集體地驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在要進(jìn)行卷簾快門(mén)操作的情況下，針對(duì)各行控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)上述構(gòu)造，在該實(shí)施例中，可以針對(duì)各個(gè)行驅(qū)動(dòng)多個(gè)像素100。

各輸出線(xiàn)120連接到對(duì)應(yīng)的列電路204。圖1A中所示的列放大器301包括在列電路204中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)中。列驅(qū)動(dòng)電路202針對(duì)各列驅(qū)動(dòng)列電路204。具體而言，列驅(qū)動(dòng)電路202向列電路204供給驅(qū)動(dòng)信號(hào)CSEL。注意，分配表示列的諸如(m)和(m+1)等的參照符號(hào)，以區(qū)分供給到不同列的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其他附圖也是如此。利用這種構(gòu)造，針對(duì)各行并行讀取的信號(hào)可以被依次輸出到輸出單元。

將詳細(xì)描述列電路204。圖3是例示第m列和第(m+1)列中的列電路204的等效電路的圖。省略其他列的列電路204。

輸出線(xiàn)120的信號(hào)被列放大器301放大。列放大器301的輸出節(jié)點(diǎn)通過(guò)S/H開(kāi)關(guān)302連接到電容器CTS。列放大器301的輸出節(jié)點(diǎn)同樣通過(guò)S/H開(kāi)關(guān)303連接到電容器CTN。S/H開(kāi)關(guān)302和303分別由驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTS和pTN控制。利用該構(gòu)造，可以保持包括來(lái)自像素100的復(fù)位噪聲的噪聲信號(hào)N和光信號(hào)S。因此，該實(shí)施例的攝像裝置能夠進(jìn)行相關(guān)雙采樣。具體而言，可以讀取從中去除了復(fù)位噪聲的信號(hào)。

電容器CTS通過(guò)水平輸送開(kāi)關(guān)304連接到水平輸出線(xiàn)306。電容器CTN通過(guò)水平輸送開(kāi)關(guān)305連接到水平輸出線(xiàn)307。水平輸送開(kāi)關(guān)304和305由從列驅(qū)動(dòng)電路202中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)供給的驅(qū)動(dòng)信號(hào)CSEL控制。

水平輸出線(xiàn)306和307連接到輸出放大器122。輸出放大器122放大水平輸出線(xiàn)306的信號(hào)與水平輸出線(xiàn)307的信號(hào)之間的差分信號(hào)，并且輸出放大的差分信號(hào)。放大的信號(hào)被供給到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元205，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元205將模擬差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)輸出到攝像裝置的外部。

注意，列電路204可以是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。在這種情況下，各個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路包括保持?jǐn)?shù)字信號(hào)的保持單元(例如存儲(chǔ)器或計(jì)數(shù)器)。保持單元保持從噪聲信號(hào)N和光信號(hào)S轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。

接下來(lái)，將描述該實(shí)施例的攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)。圖4A是示意性地示出攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)的圖。與圖1A至圖1C相同的部分由與圖1A至圖1C相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。在圖4A中，例示了以2行×2列的矩陣的像素100。在圖4A中，示意性地示出了在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的平面中，電極P 110、輸送電極T 111以及電極D 112的布置。

圖4B是示意性地例示攝像裝置的截面結(jié)構(gòu)的圖。沿圖4A的虛線(xiàn)IVB至IVB截取獲得圖4B的橫截面。與圖1A至圖1C相同的部分由與圖1A至圖1C相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。在圖4B中，例示了微透鏡401、平坦化層402、濾色器403以及置于基板與半導(dǎo)體層108之間的層間膜404。在半導(dǎo)體層108上限定光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103。注意，將電極連接到像素電路的導(dǎo)電構(gòu)件(未例示)，被設(shè)置在層間膜404上。

如圖4B中所示，電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112被布置為使得它們的重心彼此一致。利用這種構(gòu)造，微透鏡401可以通過(guò)光電轉(zhuǎn)換單元(光接收區(qū)域101和電極P 110)有效地聚焦入射光。光電轉(zhuǎn)換單元的電場(chǎng)分布和光入射分布彼此一致，因此，由于光電轉(zhuǎn)換而生成的電荷被光接收區(qū)域101有效地收集。

在圖4A的平面表面中，輸送電極T 111在電極P 110周?chē)＠眠@種布置，在光接收區(qū)域101中累積的電荷可以被快速地輸送到電荷排出區(qū)域103。因此，可以以更高的速度驅(qū)動(dòng)攝像裝置?？梢酝ㄟ^(guò)施加到輸送電極T 111的偏置電壓形成勢(shì)壘。由此，生成的電荷可以被有效地收集在光接收區(qū)域101中，并且防止收集的電荷泄漏到電荷排出區(qū)域103和鄰接的像素?？梢钥焖偾彝耆剡M(jìn)行電荷輸送。

接下來(lái)，將描述設(shè)置在基板上的像素電路的平面結(jié)構(gòu)和截面結(jié)構(gòu)。圖5A是示意性地例示在平面圖中的設(shè)置在基板上的像素電路的布置的圖。具體而言，圖5A中例示了當(dāng)將像素電路投影在與基板的表面平行的平面上時(shí)獲得的像素電路的布置。圖5B是示意性地例示基板550、設(shè)置在基板550上的層間膜404以及半導(dǎo)體層108的截面結(jié)構(gòu)的圖。沿圖5A中的線(xiàn)VB至VB截取獲得圖5B中所示的橫截面。具有與圖1A至圖1C相同的功能的部分由與圖1A至圖1C相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。注意，對(duì)于晶體管，將附圖標(biāo)記分配到晶體管的柵電極。向構(gòu)成驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)的導(dǎo)電構(gòu)件分配與供給到驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同的附圖標(biāo)記。例如，具有附圖標(biāo)記“pRES”的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成供給驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES的驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)。

圖5A是例示以2行×2列的矩陣布置的4個(gè)像素100的圖。僅在右上部的像素中，由虛線(xiàn)例示與圖4A的電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112相對(duì)應(yīng)的部分。在其他像素中，省略了電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112的圖示。在圖5A中，例示了構(gòu)成第一電容器Cm 116的第一端子的電極502和構(gòu)成第一電容器Cm 116的第二端子的電極503。電極502和503在平面圖中彼此交疊。

如圖5A和圖5B中所示，構(gòu)成第一電容器Cm 116的第一端子的電極502通過(guò)觸點(diǎn)501電連接到放大晶體管118。構(gòu)成第一電容器Cm 116的第一端子的電極502通過(guò)觸點(diǎn)506電連接到電極P 110。構(gòu)成第一電容器Cm 116的第二端子的電極503通過(guò)觸點(diǎn)507連接到驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP。此外，觸點(diǎn)504用來(lái)將輸送電極T 111和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVT彼此連接。觸點(diǎn)505用來(lái)將電極D 112和驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVD彼此連接。

如圖5A和圖5B中所示，第一電容器Cm 116的電極503連接到驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP。驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP傳輸從電源VP 113供給的電壓Vp。在該實(shí)施例中，在各行中設(shè)置有驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP。具體而言，在特定行中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP與其他行中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)線(xiàn)pVP電絕緣。利用該構(gòu)造，可以針對(duì)各行獨(dú)立地控制第一電容器Cm 116的第二端子(節(jié)點(diǎn)C)的電壓Vp。

如圖5B中所示，攝像裝置包括基板550?；?50包括像素晶體管的源極區(qū)域和漏極區(qū)域。像素晶體管被包括在像素電路中，并且例如對(duì)應(yīng)于復(fù)位晶體管117、放大晶體管118和選擇晶體管119。包括像素晶體管的柵極電極和形成布線(xiàn)的導(dǎo)電構(gòu)件的層間膜404設(shè)置在基板550上。絕緣層109和半導(dǎo)體層108按此順序設(shè)置在層間膜404上。

上部電極S 106由允許一定量的光通過(guò)的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成。上部電極S106的材料的示例包括銦(例如氧化銦錫(ITO))、包括錫的化合物、和/或諸如ZnO等的化合物。利用這種構(gòu)造，能夠使大量的光入射在光接收區(qū)域101上。因此，能夠提高靈敏度。作為另一示例，可以使用足夠薄以允許一定量的光透射的多晶硅或金屬，作為上部電極S 106。由于金屬具有低的電阻，因此如果使用金屬作為上部電極S 106的材料，則有利地實(shí)現(xiàn)低電力消耗和高速驅(qū)動(dòng)。注意，不特別限制上部電極S 106的光的透射率，只要透射率不為零即可。

半導(dǎo)體層108由本征非晶硅(在下文中被稱(chēng)為“a-Si”)、低濃度的P型a-Si、低濃度的N型a-Si等形成?；蛘?，半導(dǎo)體層108可以由化合物半導(dǎo)體材料形成?；衔锇雽?dǎo)體的示例包括諸如BN、GaAs、GaP、AlSb或GaAlAsP等的III-V族化合物半導(dǎo)體，諸如CdSe、ZnS或HgTe等的II-VI族化合物半導(dǎo)體，以及諸如PbS、PbTe或CuO等的IV-VI族化合物半導(dǎo)體。作為選擇，半導(dǎo)體層108可以由有機(jī)材料形成。有機(jī)材料的示例包括富勒烯、氧雜茶鄰?fù)?(coumarin 6，C6)、羅丹明6G(rhodamine 6G，R6G)、酞菁鋅(ZnPc)、喹吖啶酮、酞菁系化合物以及萘酞菁系化合物等。此外，半導(dǎo)體層108可以通過(guò)由前述的化合物半導(dǎo)體形成的量子點(diǎn)膜來(lái)形成。半導(dǎo)體層108的雜質(zhì)濃度優(yōu)選為低，或者優(yōu)選使用本征半導(dǎo)體層108。利用這種構(gòu)造，由于可以在半導(dǎo)體層108中確保足夠大的耗盡層，所以可以獲得高靈敏度和噪聲減少的效果。

阻擋層107阻擋與信號(hào)電荷的導(dǎo)電類(lèi)型相同的導(dǎo)電類(lèi)型的電荷從上部電極S 106流入到半導(dǎo)體層108中。在上部電極S 106由ITO形成的情況下，上部電極S 106可以依據(jù)與形成半導(dǎo)體層108的半導(dǎo)體的組合而用作阻擋層107。具體而言，形成勢(shì)壘，使得具有與信號(hào)電荷的導(dǎo)電類(lèi)型相同的導(dǎo)電類(lèi)型的電荷從上部電極S 106到半導(dǎo)體層108的流動(dòng)被阻擋。

與在半導(dǎo)體層108中使用的半導(dǎo)體相同類(lèi)型的、具有比在半導(dǎo)體層108中使用的半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度高的雜質(zhì)濃度的N型或P型半導(dǎo)體，可以被用于阻擋層107。在a-Si被用于半導(dǎo)體層108的情況下，例如，具有高雜質(zhì)濃度的N型a-Si或具有高雜質(zhì)濃度的P型a-Si被用于阻擋層107。費(fèi)米能級(jí)的位置依據(jù)雜質(zhì)濃度而變化，因此，可以?xún)H對(duì)電子和空穴中的一者形成勢(shì)壘。阻擋層107具有如下的導(dǎo)電類(lèi)型：與信號(hào)電荷的導(dǎo)電類(lèi)型相反的導(dǎo)電類(lèi)型的電荷是多數(shù)載流子。

作為選擇，阻擋層107可以由與半導(dǎo)體層108的材料不同的材料形成。利用這種構(gòu)造，形成異質(zhì)結(jié)。由于不同的材料引起不同的帶隙，可以?xún)H對(duì)電子和空穴中的一者形成勢(shì)壘。

在半導(dǎo)體層108與電極P 110之間、半導(dǎo)體層108與輸送電極T 111之間以及半導(dǎo)體層108與電極D 112之間設(shè)置絕緣層109。絕緣層109由絕緣材料形成。絕緣層109的材料的示例包括諸如氧化硅、非晶氧化硅(在下文中被稱(chēng)為a-SiO)、氮化硅或非晶氮化硅(a-SiN)等的無(wú)機(jī)材料或有機(jī)材料。由于隧道效應(yīng)，所以絕緣層109具有不透過(guò)電荷的這樣的厚度。利用這種構(gòu)造，可以減少泄漏電流，因此可以減少噪聲。具體而言，絕緣層109的厚度等于或大于50nm。

如果a-Si、a-SiO或a-SiN被用于阻擋層107、半導(dǎo)體層108和絕緣層109，則可以進(jìn)行加氫處理過(guò)程，并且可以終止形成懸空鍵。利用這種構(gòu)造，可以減少噪聲。

電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112各自由諸如金屬等的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成。與構(gòu)成布線(xiàn)的導(dǎo)電構(gòu)件或構(gòu)成用于外部連接的焊盤(pán)電極的導(dǎo)電構(gòu)件相同的材料，被用于電極P 110、輸送電極T111和電極D 112。利用這種構(gòu)造，可以同時(shí)形成電極P 110、輸送電極T 111、電極D 112、布線(xiàn)和焊盤(pán)電極中的一些或全部。因此，可以簡(jiǎn)化制造工藝。

將參照?qǐng)D6A至圖6F描述該實(shí)施例的操作。圖6A至圖6C是示意性地例示半導(dǎo)體層108中的信號(hào)電荷(空穴)的移動(dòng)的圖。圖6D至圖6F是示意性地例示半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間的界面中的電位的圖。在圖6D至圖6F中，縱坐標(biāo)軸表示相對(duì)于空穴的電位?？昭ǖ碾娢辉诳v坐標(biāo)軸的上部中變低。因此，電壓在縱坐標(biāo)軸的上部中變低。

圖6A是例示通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的空穴累積在光接收區(qū)域101中的狀態(tài)的圖。圖6D是示意性地例示與圖6A相對(duì)應(yīng)的光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103中的空穴的電位的圖。白圈表示空穴。在這種情況下，電極P 110的電壓Vm、輸送電極T 111的電壓Vt和電極D 112的電壓Vd具有以下關(guān)系之一：Vd＝Vm<Vt，Vd<Vm<Vt，以及Vm<Vd<Vt。根據(jù)該關(guān)系，在光接收區(qū)域101與電荷排出區(qū)域103之間形成勢(shì)壘，以將光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103彼此電分離。具體而言，輸送電極T 111用作將光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103彼此分離的分離電極。優(yōu)選地將電壓Vs和電壓Vt設(shè)置為彼此相等，使得電分離功能得到改善。注意，根據(jù)從電源VP 113供給的電壓Vp和第一電容器Cm 116的電容值來(lái)控制電極P 110的電壓Vm。

圖6B是例示累積在光接收區(qū)域101中的空穴被輸送到電荷排出區(qū)域103的狀態(tài)的圖。圖6E是示意性地例示與圖6B相對(duì)應(yīng)的光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103中的空穴的電位的圖。在這種情況下，電極P 110的電壓Vm、輸送電極T 111的電壓Vt和電極D 112的電壓Vd具有以下關(guān)系之一：Vd＝Vt<Vm，以及Vd<Vt<Vm。根據(jù)該關(guān)系，從光接收區(qū)域101到電荷排出區(qū)域103形成電位斜率。因此，累積在光接收區(qū)域101中的空穴沿半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間的界面被輸送到電荷排出區(qū)域103。電荷排出區(qū)域103電連接到電極D112。因此，輸送到電荷排出區(qū)域103的信號(hào)電荷(空穴)與電子重新復(fù)合并消失。換言之，光接收區(qū)域101中的信號(hào)電荷被排出。

圖6C是例示信號(hào)電荷已被輸送到電荷排出區(qū)域103的狀態(tài)的圖。圖6F是示意性地例示與圖6C相對(duì)應(yīng)的光接收區(qū)域101、電荷輸送區(qū)域102和電荷排出區(qū)域103中的空穴的電位的圖。電極P 110的電壓Vm、輸送電極T 111的電壓Vt和電極D 112的電壓Vd的狀態(tài)與輸送信號(hào)電荷之前的狀態(tài)(即，圖6D中所示的狀態(tài))相同。具體而言，滿(mǎn)足以下關(guān)系之一：Vd＝Vm<Vt，Vd<Vm<Vt，以及Vm<Vd<Vt。然而，信號(hào)電荷由于輸送操作而在光接收區(qū)域101中損失。因此，在通過(guò)絕緣層109的電容耦合而連接到電極D 112的放大晶體管118的柵極中，發(fā)生根據(jù)輸送到電荷排出區(qū)域103的電荷的量的電壓改變。即，與在曝光時(shí)段中累積在光接收區(qū)域101中的信號(hào)電荷的量相對(duì)應(yīng)的信號(hào)被供給到放大晶體管118的柵極。

在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體層108從光接收區(qū)域101通過(guò)電荷輸送區(qū)域102到電荷排出區(qū)域103在與基板的表面平行的方向上連續(xù)地形成。因此，如圖6B中所示，在平行于包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面的方向上輸送在半導(dǎo)體層108中生成的信號(hào)電荷。

利用這種構(gòu)造，可以在沿著半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間的界面的方向上輸送電荷。這些界面具有小的缺陷能級(jí)，因此進(jìn)行電荷的高速輸送。

在電荷被輸送到上部電極S 106的情況下，在半導(dǎo)體層108內(nèi)形成電荷輸送路徑。在這種情況下，根據(jù)半導(dǎo)體層108的材料的移動(dòng)程度控制輸送的速度。因此，難以以高速輸送電荷。尤其是，在半導(dǎo)體層108被形成得厚以對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光獲得足夠的靈敏度的情況下，用于將電荷輸送到上部電極S 106的輸送路徑的距離是大的。另一方面，在與基板的表面平行的方向上輸送電荷的情況下，可以減小輸送路徑。這是因?yàn)?，作為半?dǎo)體層108中的輸送源的光接收區(qū)域101與作為半導(dǎo)體層108中的輸送目的地的電荷排出區(qū)域103之間的距離不受對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的靈敏度等的限制。

以這種方式，根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置，可以有效地輸送電荷。因此，可以減少由于殘留電荷引起的諸如圖像滯后等的噪聲。

注意，在該實(shí)施例中，通過(guò)改變從電源VP 113供給的電壓Vp來(lái)控制電極P 110的電壓Vm。然而，在節(jié)點(diǎn)B的復(fù)位電壓Vres小于電極D 112的電壓Vd的情況下，可以固定從電源VP 113供給的電壓Vp。這是因?yàn)椋梢詢(xún)H通過(guò)控制輸送電極T 111的電壓Vt來(lái)輸送電荷。此外，可以省略第一電容器Cm 116。即使省略第一電容器Cm 116，節(jié)點(diǎn)B也可以具有寄生電容。

此外，在多個(gè)像素中同時(shí)輸送在光接收區(qū)域101中累積的電荷，并且電荷被電荷排出區(qū)域103保持直到信號(hào)被讀取，并且以這種方式，可以實(shí)現(xiàn)全局電子快門(mén)操作。

接下來(lái)，將參照?qǐng)D7描述通過(guò)將信號(hào)電荷排出(輸送)到電荷排出區(qū)域103來(lái)讀取信號(hào)的操作。圖7是示意性地例示在垂直于基板的表面的方向上的半導(dǎo)體層108的能帶的圖。在圖7中，縱坐標(biāo)軸表示空穴的電位。在縱坐標(biāo)軸的上部中，空穴的電位降低。因此，在縱坐標(biāo)軸的上部中，電壓變低。對(duì)于上部電極S 106、電極P 110和電極D 112，例示了自由電子的能級(jí)。對(duì)于阻擋層107和半導(dǎo)體層108，例示了導(dǎo)帶的能級(jí)與價(jià)帶的能級(jí)之間的帶隙。注意，在半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間的界面中的半導(dǎo)體層108的電位被方便地稱(chēng)為“半導(dǎo)體層108的表面電位”或者被簡(jiǎn)稱(chēng)為“表面電位”。

在圖7中的右側(cè)例示了光接收區(qū)域101中的能帶。在圖7中的左側(cè)例示了電荷排出區(qū)域103中的能帶。對(duì)于光接收區(qū)域101，例示了上部電極S 106、阻擋層107、半導(dǎo)體層108、絕緣層109和電極P 110的能帶。對(duì)于電荷排出區(qū)域103，例示了上部電極S 106、阻擋層107、半導(dǎo)體層108和電極P 112的能帶。

光接收區(qū)域101中的操作包括電荷輸送(步驟p1)和通過(guò)入射光的光電轉(zhuǎn)換生成的信號(hào)電荷的累積(步驟p2)?，F(xiàn)在將描述各步驟。

在步驟p1中，如參照?qǐng)D6A至圖6F所描述的，在光接收區(qū)域101中累積的信號(hào)電荷通過(guò)電荷輸送區(qū)域102被輸送到電荷排出區(qū)域103。光接收區(qū)域101從累積空穴的狀態(tài)進(jìn)入空穴消失的狀態(tài)。另一方面，電荷排出區(qū)域103從不存在空穴的狀態(tài)進(jìn)入保持空穴的狀態(tài)。

在輸送信號(hào)電荷之前的狀態(tài)下，即，在用于累積信號(hào)電荷的曝光時(shí)段中，將復(fù)位電壓Vres供給到電極P 110。在該實(shí)施例中，復(fù)位電壓Vres為3V。注意，此時(shí)的電極P 110的電壓可能包括在復(fù)位時(shí)產(chǎn)生的噪聲kTC。供給到上部電極S 106的電壓Vs被固定為6V，供給到電極D 112的電壓Vd被固定為4V。

在該實(shí)施例中，電源VP 113供給第一電壓Vp1(＝3V)和第二電壓Vp2(＝5V)。當(dāng)在曝光時(shí)段中生成的信號(hào)電荷(空穴)被累積在光接收區(qū)域101中時(shí)，電源VP 113供給比上部電極S 106的電壓Vs(＝6V)低的第一電壓Vp1(＝3V)。在步驟p1中，電源VP 113供給第二電壓Vp2(＝5V)，使得進(jìn)行電荷輸送。

當(dāng)從電源VP 113供給的電壓Vp改變時(shí)，電極P 110(圖1A至圖1C的節(jié)點(diǎn)B)的電壓在與電壓Vp的改變相同的方向上改變。根據(jù)連接到電極P 110的第一電容器Cm 116的電容值C1與光接收區(qū)域101中包括的第二電容器123的電容值C2的比，來(lái)確定電極P 110的電壓改變量dVm。雖然節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp由“dVp＝Vp2-Vp1”表示，但是電極P 110的電壓改變量dVm由“dVm＝dVp×C1/(C1+C2)”表示。注意，包括電極P 110的節(jié)點(diǎn)B可以包括其他電容組件。然而，其他電容組件充分小于第一電容器Cm 116的電容值C1。因此，節(jié)點(diǎn)B的電容值可以被視為與第一電容器Cm 116的電容值C1相同。

在該實(shí)施例中，電極P 110的電壓改變電壓改變量dVm，因此，光接收區(qū)域101的表面電位變得高于電極D 112的電壓Vd。結(jié)果，光接收區(qū)域101的電荷被輸送到電荷排出區(qū)域103。

隨后，將第一電壓Vp1供給到節(jié)點(diǎn)C。由此，半導(dǎo)體層108的電位的傾斜被再次反轉(zhuǎn)。因此，已經(jīng)侵入到半導(dǎo)體層108中的電子被從半導(dǎo)體層108排出。同時(shí)，阻擋層107阻擋空穴從上部電極S 106侵入到半導(dǎo)體層108中。因此，半導(dǎo)體層108的表面電位根據(jù)保持的空穴的數(shù)量改變。

當(dāng)要進(jìn)行信號(hào)電荷的輸送時(shí)，包括電極P 110的節(jié)點(diǎn)(圖1A的節(jié)點(diǎn)B)被電浮置。因此，電極P 110的電壓根據(jù)表面電位的改變從復(fù)位狀態(tài)改變與消失的空穴的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的電壓Vsig。具體而言，與保持為信號(hào)電荷的空穴的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的電壓Vsig出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)B中。與保持的空穴的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的電壓Vsig被稱(chēng)為“光信號(hào)分量”。光信號(hào)分量Vsig是基于通過(guò)光電轉(zhuǎn)換生成的信號(hào)電荷的信號(hào)。

如上所述，輸送到電荷排出區(qū)域103的信號(hào)電荷(空穴)與從電極D 112供給的電子重新復(fù)合并消失。

在讀取包括光信號(hào)分量Vsig的信號(hào)之后，電極P 110的電壓被復(fù)位，并且光電轉(zhuǎn)換開(kāi)始。在光接收區(qū)域101中，在由入射光生成的電子和空穴的對(duì)中，空穴作為信號(hào)電荷被累積。電子被排出到上部電極S106。結(jié)果，與入射光的量相對(duì)應(yīng)的空穴的數(shù)量被累積在光接收區(qū)域101與絕緣層109之間的界面中。

之后，重復(fù)進(jìn)行信號(hào)電荷的輸送和信號(hào)電荷的累積。在運(yùn)動(dòng)圖像的情況下，該重復(fù)的一個(gè)單位對(duì)應(yīng)于一幀的操作。通過(guò)在相同的定時(shí)對(duì)所有像素重復(fù)進(jìn)行該操作，可以進(jìn)行全局電子快門(mén)操作。

作為像素電路的操作，重復(fù)進(jìn)行下面的步驟m1至m3。在步驟m1中，放大晶體管118的輸入節(jié)點(diǎn)被復(fù)位。在步驟m2中，讀取噪聲信號(hào)N(N讀取)。在步驟m3中，讀取光信號(hào)P(S讀取)?，F(xiàn)在，將描述各個(gè)步驟。

在步驟m1中，復(fù)位晶體管117導(dǎo)通。包括電極P 110的節(jié)點(diǎn)的電壓，即，圖1A中所示的節(jié)點(diǎn)B的電壓，被復(fù)位到復(fù)位電壓Vres。注意，復(fù)位晶體管117可以在曝光時(shí)段期間處于導(dǎo)通狀態(tài)。作為選擇，復(fù)位晶體管117可以緊接在讀取噪聲信號(hào)N之前導(dǎo)通。

之后，在步驟m2中，復(fù)位晶體管117截止。由此，節(jié)點(diǎn)B被電浮置。這里，可能由復(fù)位晶體管117產(chǎn)生復(fù)位噪聲(噪聲kTC)。選擇晶體管119導(dǎo)通，并且放大晶體管118輸出包括來(lái)自像素100的復(fù)位噪聲的噪聲信號(hào)N(Vres+kTC)(N讀取)。噪聲信號(hào)N由列電路204的電容器CTN保持。

之后，如上所述，信號(hào)電荷被從光接收區(qū)域101輸送到電荷排出區(qū)域103。在信號(hào)電荷被輸送之后，在步驟m3中選擇晶體管119導(dǎo)通。由此，放大晶體管118從像素100輸出光信號(hào)S(Vsig+Vres+kTC)。光學(xué)信號(hào)S由列電路204的電容器CTS保持。在步驟m2中讀取的噪聲信號(hào)N(Vres+kTC)與在步驟m3中讀取的光信號(hào)S(Vsig+Vres+kTC)之間的差，是基于與保持的信號(hào)電荷相對(duì)應(yīng)的電壓Vsig的信號(hào)(光信號(hào)分量)。

在信號(hào)電荷是電子的情況下，第二電壓Vp2低于第一電壓Vp1。此外，復(fù)位電壓Vres被設(shè)置為低于上部電極S 106的電壓Vs。

在該實(shí)施例中，通過(guò)控制半導(dǎo)體層108的電位，從光接收區(qū)域101排出空穴。電極P 110(節(jié)點(diǎn)B)的電壓改變量dVm優(yōu)選是大的，使得容易形成從光接收區(qū)域101到電荷排出區(qū)域103的電位斜率。由于可以減少光接收區(qū)域101中的殘留電荷的量，所以可以減少噪聲。在下文中，將描述對(duì)于獲得電極P 110(節(jié)點(diǎn)B)的大的電壓改變量dVm有效的單元。

如上所述，節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp與節(jié)點(diǎn)B的電壓改變量dVm之間的關(guān)系表示如下：dVm＝dVp×C1/(C1+C2)。具體而言，節(jié)點(diǎn)B的電容值C1變得越大，節(jié)點(diǎn)B的電壓改變量dVm變得越大。

在該實(shí)施例中，第一電容器Cm 116連接到電極P110。因此，可以增加節(jié)點(diǎn)B的電容值C1。利用這種構(gòu)造，可以增加節(jié)點(diǎn)B的電壓改變量dVm。結(jié)果，可以減少噪聲。

接下來(lái)，將描述第一電容器Cm 116的電容值C1、光接收區(qū)域101中包括的第二電容器123的電容值C2、以及供給到各種單元的電壓之間的關(guān)系。

在該實(shí)施例中，光接收區(qū)域101包括阻擋層107、半導(dǎo)體層108和絕緣層109。阻擋層107具有比半導(dǎo)體層108和絕緣層109的導(dǎo)電性更高的導(dǎo)電性。因此，光接收區(qū)域101中包括的第二電容器123的電容值C2是半導(dǎo)體層108的電容分量Ci和絕緣層109的電容分量Cins的合成電容。具體而言，第二電容器123的電容值C2由下面的表達(dá)式(1)來(lái)表示。

C2＝Ci×Cins/(Ci+Cins)···(1)

假設(shè)由“Ss”表示平面圖中的電極P 110的面積，由“di”表示半導(dǎo)體層108的厚度，由“dins”表示絕緣層109的厚度，由“Ei”表示半導(dǎo)體層108的相對(duì)介電常數(shù)，由“Eins”表示絕緣層109的相對(duì)介電常數(shù)，并且由“E0”表示真空介電常數(shù)，則電容分量Ci和Cins分別由下面的表達(dá)式(2)和(3)來(lái)表示。

Ci＝E0×Ei×Ss/di···(2)

Cins＝E0×Eins×Ss/dins···(3)

電極P 110的邊緣電場(chǎng)可以忽略，因此，僅考慮平面圖中的電極P 110的面積Ss作為要用于電容計(jì)算的面積。平面圖中的電極P 110的面積Ss對(duì)應(yīng)于圖4A中的電極P 110的面積。此外，在圖5B中例示了半導(dǎo)體層108的厚度di和絕緣層109的厚度dins。

假設(shè)由“Sd”表示平面圖中的電極502或電極503的面積，由“dd”表示電極502與電極503之間的距離，并且由“Ed”表示電極502與電極503之間的絕緣層的介電常數(shù)，則第一電容器Cm 116的電容值C1由下面的表達(dá)式(4)來(lái)表示。

C1＝E0×Ed×Sd/dd···(4)

在該實(shí)施例中，節(jié)點(diǎn)C的電壓Vp被控制為是第一電壓Vp1或第二電壓Vp2，使得節(jié)點(diǎn)B的電壓被控制。當(dāng)?shù)谝浑娙萜鰿m 116的電容值C1和第二電容器123的電容值C2滿(mǎn)足下述關(guān)系時(shí)，可以增加節(jié)點(diǎn)B的電壓改變量dVm。首先，將描述信號(hào)電荷是空穴的情況。

在下文中，為了簡(jiǎn)化描述，假設(shè)第一電容器Cm 116的電容值C1是第二電容器123的電容值C2的k倍。具體而言，電容值C1和C2具有由下面的表達(dá)式(5)表示的關(guān)系。

C1＝k×C2···(5)

如上所述，節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp和電極D 112(節(jié)點(diǎn)B)的電壓改變量dVm具有由下面的表達(dá)式(6)表示的關(guān)系。

dVm＝dVp×C1/(C1+C2)···(6)

由表達(dá)式(5)和(6)獲得下面的表達(dá)式(7)。

dVm＝dVp×k/(1+k)···(7)

這里，為了累積作為信號(hào)電荷的空穴，供給到上部電極S 106(節(jié)點(diǎn)A)的電壓Vs和復(fù)位電壓Vres滿(mǎn)足由下面的表達(dá)式(8)表示的關(guān)系。

Vs>Vres···(8)

為了輸送作為信號(hào)電荷的空穴，上部電極S 106(節(jié)點(diǎn)A)的電壓Vs、復(fù)位電壓Vres和電極D 112的電壓改變量dVm滿(mǎn)足由下面的表達(dá)式(9)表示的關(guān)系。

Vs<Vres+dVm···(9)

當(dāng)滿(mǎn)足表達(dá)式(8)的關(guān)系時(shí)，可以在半導(dǎo)體層108上形成用于使空穴朝絕緣層109漂移的電位的傾斜。當(dāng)滿(mǎn)足表達(dá)式(9)的關(guān)系時(shí)，可以容易地反轉(zhuǎn)半導(dǎo)體層108上的電位的傾斜。

由表達(dá)式(7)和(9)獲得下面的表達(dá)式(10)。

Vs-Vres<dVp×k/(1+k)···(10)

這里，在信號(hào)電荷是空穴的情況下，第二電壓Vp2高于第一電壓Vp1。具體而言，通過(guò)“Vp2-Vp1”獲得的節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp是正值。因此，即使將表達(dá)式(10)的兩側(cè)除以dVp，不等號(hào)也不反轉(zhuǎn)。

因此，對(duì)于電容值C1與電容值C2的電容比k，通過(guò)表達(dá)式(10)獲得由表達(dá)式(11)表示的關(guān)系表達(dá)式。

當(dāng)滿(mǎn)足由表達(dá)式(11)表示的關(guān)系時(shí)，可以減少未被排出的電荷的量。因此，可以減少噪聲。

具體而言，在該實(shí)施例中，第一電容器Cm 116的電容值C1為4fF，第二電容器123的電容值C2為1fF。也就是說(shuō)，k為4。利用這種構(gòu)造，可以減少噪聲。

在該實(shí)施例中，在平面圖中，第一電容器Cm 116的上部電極211或下部電極213的面積Sd和電極D 112的面積Ss滿(mǎn)足以下關(guān)系：Sd>0.5×Ss。利用這種構(gòu)造，可以容易地獲得上述電容比的關(guān)系。

此外，k的值越大，則噪聲減少的效果越大。因此，如果第一電容器Cm 116的電容值C1等于或大于第二電容器123的電容值C2，則可以進(jìn)一步增強(qiáng)噪聲減少效果。

使用第一電壓Vp1和第二電壓Vp2將節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp表示為如下：dVp＝Vp2-Vp1?？梢允褂帽磉_(dá)式(5)，由“C1/(C1+C2)”替換表達(dá)式(11)的左側(cè)。因此，表達(dá)式(11)被變形為下面的表達(dá)式(12)。

接下來(lái)，將描述信號(hào)電荷是電子的情況。在信號(hào)電荷是電子的情況下，表達(dá)式(8)和(9)中的不等號(hào)被反轉(zhuǎn)。因此，表達(dá)式(10)中的不等號(hào)也被反轉(zhuǎn)。具體而言，在信號(hào)電荷是電子的情況下，獲得下面的表達(dá)式(13)。

Vs-Vres>dVp×k/(1+k)···(13)

然而，在信號(hào)電荷是電子的情況下，第二電壓Vp2低于第一電壓Vp1。具體而言，由“Vp2-Vp1”表示的節(jié)點(diǎn)C的電壓改變量dVp是負(fù)值。因此，如果將表達(dá)式(13)的兩側(cè)除以dVp，則不等號(hào)被反轉(zhuǎn)。結(jié)果，與信號(hào)電荷是空穴的情況一樣，獲得表達(dá)式(11)和(12)。

這里，將描述由表達(dá)式(12)表示的關(guān)系。由于復(fù)位電壓Vres更接近供給到光接收區(qū)域101的上部電極S 106的電壓Vs，所以右側(cè)的值變小。具體而言，即使第一電容器Cm 116的電容值C1是小的，也可以反轉(zhuǎn)半導(dǎo)體層108的電位的傾斜。如果復(fù)位電壓Vres與供給到上部電極S 106的電壓Vs之間的差是小的，則可以在半導(dǎo)體層108中累積的電荷的量是小的。

另一方面，復(fù)位電壓Vres與電壓Vs之間的差越大，則右側(cè)的值越大。具體而言，對(duì)第一電容器Cm 116的電容值C1設(shè)置大的值。這里，由于復(fù)位電壓Vres與第一電壓Vs1之間的差是大的，因此可以增加可以累積在半導(dǎo)體層108中的電荷的量。

如上所述，可以根據(jù)第一電容器Cm 116的電容值C1與光接收區(qū)域101中包括的第二電容器123的電容值C2之間的關(guān)系來(lái)減少噪聲。

注意，上述的數(shù)值僅僅是示例，并且本發(fā)明不限于這些值。可以在半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間的界面中檢測(cè)缺陷能級(jí)。在這種情況下，基于一般技術(shù)考慮平帶電壓。

接下來(lái)，將描述用于根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的控制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖8和圖9是在該實(shí)施例的攝像裝置中使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖。在圖8和圖9中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)于讀取針對(duì)一行的信號(hào)的操作。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES被供給到復(fù)位晶體管117的柵極。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVT被供給到輸送電極T 111。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTS被供給到S/H開(kāi)關(guān)302。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTN被供給到S/H開(kāi)關(guān)303。驅(qū)動(dòng)信號(hào)HSCAN被供給到列驅(qū)動(dòng)電路202。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES、pTN和pTS處于高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的晶體管或?qū)?yīng)的開(kāi)關(guān)接通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES、pTN和pTS處于低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的晶體管或?qū)?yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。根據(jù)晶體管或開(kāi)關(guān)的閾值電壓來(lái)設(shè)置驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平和低電平。在圖8和圖9中，例示了驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVP的時(shí)序圖。驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVP包括第一電壓Vp1和第二電壓Vp2。

現(xiàn)在，將描述使用圖8中所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的操作。首先，驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES處于高電平，因此，電極P110的電壓被復(fù)位為復(fù)位電壓Vres。之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES進(jìn)入低電平，因此，復(fù)位晶體管117截止，并且包括電極P 110的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)B)被浮置。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTN進(jìn)入高電平時(shí)，S/H開(kāi)關(guān)303接通。由此，保持噪聲信號(hào)N。隨后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)pVT進(jìn)入低電平，因此，光接收區(qū)域101與電荷排出區(qū)域103之間的勢(shì)壘被去除。同時(shí)，電源VP 113供給第二電壓Vp2。由此，信號(hào)電荷被輸送。之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTS進(jìn)入高電平，因此，S/H開(kāi)關(guān)302接通。由此，光信號(hào)S被保持。之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)pRES進(jìn)入高電平，因此，電極P110的電壓被再次復(fù)位。

在使用圖9中所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的操作中，在信號(hào)電荷的累積開(kāi)始之前進(jìn)行膜復(fù)位。具體而言，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)pTS進(jìn)入低電平之后進(jìn)行與電荷的輸送類(lèi)似的操作。根據(jù)上述的驅(qū)動(dòng)，可以在曝光開(kāi)始之前減少殘留電荷。結(jié)果，可以減少諸如圖像滯后等的噪聲。

如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的方向上，從半導(dǎo)體層108的光接收區(qū)域101向半導(dǎo)體層108的電荷排出區(qū)域103輸送電荷。利用這種構(gòu)造，可以在短時(shí)間內(nèi)輸送電荷。因此，可以減少噪聲。

第二實(shí)施例

將描述第二實(shí)施例。圖10是示意性地例示攝像裝置的像素的構(gòu)造的圖。與第一實(shí)施例相同的部分由與第一實(shí)施例相同的附圖標(biāo)記表示。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，在半導(dǎo)體層108與絕緣層109之間設(shè)置電荷約束層201。在下文中將描述與第一實(shí)施例不同的部分。

電荷約束層201可以由具有與半導(dǎo)體層108的帶隙不同的帶隙的半導(dǎo)體材料形成。在半導(dǎo)體層108和電荷約束層201中采用所謂的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。電荷約束層201具有約束或封閉在某個(gè)區(qū)域或某個(gè)輸送路徑中的累積的空穴的功能。因此，如圖10中所示，作為信號(hào)電荷的空穴被累積在電荷約束層201中。然后，在電荷約束層201中在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的方向上輸送信號(hào)電荷。因此，可以將電荷約束層201稱(chēng)為電荷輸送層。

在設(shè)置阻擋層107和電荷約束層201二者的情況下，阻擋層107和電荷約束層201阻擋不同極性的電荷。在該實(shí)施例中，阻擋層107阻擋空穴從上部電極S 106侵入到半導(dǎo)體層108。電荷約束層201阻擋電子侵入到半導(dǎo)體層108。注意，僅在電荷約束層201的下方設(shè)置絕緣層109，因此，電荷約束層201可能不阻擋電子的侵入。

圖11是示意性地例示圖10中所示的攝像裝置中的垂直方向上的電位的圖。該實(shí)施例的操作與參照?qǐng)D6A至圖6F和圖7描述的第一實(shí)施例的操作相同。然而，由于設(shè)置了電荷約束層201，所以如圖11中所示在電荷約束層201中累積信號(hào)電荷，并且在電荷約束層201中進(jìn)行電荷輸送。利用這種構(gòu)造，可以以更高的速度實(shí)現(xiàn)電荷的輸送。

注意，為了描述起見(jiàn)，分開(kāi)地例示了半導(dǎo)體層108和電荷約束層201。然而，單個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域的不同部分可以用作半導(dǎo)體層108和電荷約束層201。例如，不同的部分可以具有不同的雜質(zhì)濃度。

如上所述，電荷約束層201具有約束或封閉在某個(gè)區(qū)域或某個(gè)輸送路徑中的累積的空穴的功能。作為信號(hào)電荷的空穴被累積在電荷約束層201中，然后在電荷約束層201內(nèi)在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的方向上被輸送。

在各實(shí)施例中，半導(dǎo)體層108典型地被設(shè)計(jì)為增大載流子壽命，以提高半導(dǎo)體層108的光接收區(qū)域101的靈敏度。然而，增大載流子壽命可能導(dǎo)致載流子的遷移率的降低。結(jié)果，響應(yīng)速度可能降低。

使用無(wú)機(jī)材料或有機(jī)材料用于本實(shí)施例的半導(dǎo)體層108。由無(wú)機(jī)材料形成的半導(dǎo)體層108例如是氫化非晶硅膜或包括IV-VI系化合物半導(dǎo)體(例如PbS、PbTe和CuO)的量子點(diǎn)的膜。用于半導(dǎo)體層108的有機(jī)材料的示例包括富勒烯、氧雜茶鄰?fù)?(C6)、羅丹明6G(R6G)、酞菁鋅(ZnPc)、喹吖啶酮、酞菁系化合物以及萘酞菁系化合物等。

如果制造上述材料以增大載流子壽命，則載流子的遷移率可以變得小于1cm²/Vs。在這種情況下，可選地使用具有高載流子遷移率的材料作為電荷約束層201。具有高載流子遷移率的電荷約束層201能夠提高載流子輸送速度。

具體而言，使用與用于半導(dǎo)體層108的材料不同的材料來(lái)形成電荷約束層201。例如，使用石墨烯片、包括HgSe的量子點(diǎn)的層、包括HgTe的量子點(diǎn)的層或包括CdSe的量子點(diǎn)的層。這些材料具有大于或等于1cm²/Vs的載流子遷移率。石墨烯片中的載流子的遷移率典型地為約60000cm²/Vs。包括HgSe的量子點(diǎn)的層中的載流子的遷移率典型地為約100cm²/Vs。包括HgTe的量子點(diǎn)的層中的載流子的遷移率典型地為約1cm²/Vs。包括CdSe的量子點(diǎn)的層中的載流子的遷移率典型地為約10cm²/Vs。

石墨烯片具有相對(duì)高的遷移率，然而難以形成以像素為基礎(chǔ)分離的石墨烯片。

包括量子點(diǎn)的層例如由半導(dǎo)體材料制成。因此，容易進(jìn)行完全耗盡。結(jié)果，使用包括量子點(diǎn)的層能夠在實(shí)現(xiàn)高的電荷輸送速度的同時(shí)減少噪聲。典型地，使用具有大于或等于約1cm²/Vs的載流子遷移率的電荷約束層201，以在對(duì)高速圖像傳感器足夠短的時(shí)間內(nèi)輸送電荷。包括量子點(diǎn)的層可以具有容易堆疊包括量子點(diǎn)的半導(dǎo)體層108的優(yōu)點(diǎn)。

如上所解釋的，根據(jù)本實(shí)施例的圖像傳感器能夠在實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)讀出的同時(shí)提高光接收區(qū)域101的靈敏度。

第三實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例。第三實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，去除了電荷輸送區(qū)域102、輸送電極T 111以及連接到輸送電極T 111的電源VT 114。在下文中將描述與第一實(shí)施例不同的部分。

圖12是示意性例示根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。具有與圖1A相同的功能的部分由與圖1A相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。如圖12中所示，像素100不包括電荷輸送區(qū)域102、輸送電極T 111和電源VT 114。

在該實(shí)施例的像素100中，連接到電極D 112的電源VD 150向電極D 112供給不同的電壓。可以通過(guò)控制從電源VD 150供給的電壓Vd和從電源VP 113供給的電壓Vp，來(lái)進(jìn)行從光接收區(qū)域101到電荷排出區(qū)域103的電荷的輸送。注意，電極P 110的電壓Vm根據(jù)電壓Vp的改變而改變。

在信號(hào)電荷是空穴的情況下，電極P 110的電壓Vm與電極D 112的電壓Vd之間的關(guān)系被設(shè)置為滿(mǎn)足“Vd<Vm”，使得電荷被從光接收區(qū)域101輸送到電荷排出區(qū)域103。注意，在光接收區(qū)域101累積電荷的時(shí)間段中，電極P 110的電壓Vm與電極D 112的電壓Vd之間的關(guān)系被設(shè)置為如下：Vd>Vm。在信號(hào)電荷是電子的情況下，電極P 110的電壓Vm與電極D 112的電壓Vd之間的關(guān)系被設(shè)置為滿(mǎn)足“Vd>Vm”，使得電荷被從光接收區(qū)域101輸送到電荷排出區(qū)域103。注意，在光接收區(qū)域101累積電荷的時(shí)間段中，電極P 110的電壓Vm與電極D 112的電壓Vd之間的關(guān)系被設(shè)置為如下：Vm>Vd。

如圖13中所示，該實(shí)施例的攝像裝置可以包括電荷約束層201。電荷約束層201的構(gòu)造和功能與第二實(shí)施例的相同。

如上所述，在該實(shí)施例中，像素100不包括電荷輸送區(qū)域102。利用這種構(gòu)造，可以減小像素尺寸。

第四實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的第四實(shí)施例。第四實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，在光接收區(qū)域101中累積的信號(hào)電荷被輸送到電荷讀取區(qū)域410。在下文中將描述與第一實(shí)施例不同的部分。

圖14是示意性地例示根據(jù)本實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。具有與圖1A相同的功能的部分由與圖1A相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體層108包括電荷讀取區(qū)域410。電極M 412連接到電荷讀取區(qū)域410。此外，電荷讀取區(qū)域410通過(guò)電極M 412電連接到放大晶體管118的柵極和第一電容器Cm 116。同時(shí)，向電極P 110供給固定電壓Vd。

在光接收區(qū)域101中累積的信號(hào)電荷在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的方向上從光接收區(qū)域101被輸送到電荷讀取區(qū)域410。由于電荷讀取區(qū)域410連接到放大晶體管118的柵極，所以輸送的電荷通過(guò)在節(jié)點(diǎn)B中進(jìn)行的電荷-電壓轉(zhuǎn)換而被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

在光接收區(qū)域101與電荷讀取區(qū)域410之間限定電荷輸送區(qū)域102。因此，雖然電極和像素電路之間的連接的構(gòu)造與第一實(shí)施例的不同，但是光接收區(qū)域101和電荷讀取區(qū)域410的構(gòu)造和功能類(lèi)似于第一實(shí)施例的光接收區(qū)域101和電荷排出區(qū)域103的構(gòu)造和功能。

注意，如同第二實(shí)施例，可以去除電荷輸送區(qū)域102。此外，如圖15中所示，該實(shí)施例的攝像裝置可以包括電荷約束層201。

如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，電荷在與包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面平行的方向上從半導(dǎo)體層108的光接收區(qū)域101被輸送到半導(dǎo)體層108的電荷讀取區(qū)域410。利用這種構(gòu)造，可以在短時(shí)間內(nèi)輸送電荷。結(jié)果，可以減少噪聲。

第五實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的第五實(shí)施例。第五實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，多個(gè)光接收區(qū)域101共享電荷排出區(qū)域103。在下文中將描述與第一實(shí)施例不同的部分。

圖16A是示意性地例示攝像裝置的平面結(jié)構(gòu)的圖。圖16B是示意性地例示根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。沿圖1A的虛線(xiàn)XVIB至XVIB截取獲得圖16B的橫截面。在圖16A和圖16B中，在附圖標(biāo)記之后分配字母，以將多個(gè)光接收區(qū)域101彼此區(qū)分。對(duì)多個(gè)電極P 110和多個(gè)輸送電極T 111也是如此。

在該實(shí)施例中，光接收區(qū)域101a的電荷和光接收區(qū)域101b的電荷都被輸送到電荷排出區(qū)域103。換言之，針對(duì)一對(duì)像素電路和電荷排出區(qū)域103設(shè)置多個(gè)光接收區(qū)域101。因此，可以從共同的像素電路讀取多個(gè)光接收區(qū)域101的多個(gè)信號(hào)。作為選擇，來(lái)自多個(gè)光接收區(qū)域101的電荷可以在電荷排出區(qū)域103中彼此相加。注意，在該實(shí)施例的變型中，省略電荷約束層201。

第六實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的第六實(shí)施例。第六實(shí)施例與第三實(shí)施例的不同之處在于，電極P 110和電極D 112設(shè)置在不同的高度。在下文中，將描述與第三實(shí)施例不同的部分。

圖17是示意性地例示根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。具有與圖1A相同的功能的部分由與圖1A相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。如圖17中所示，電極P 110和電極D 112設(shè)置在不同的高度。包括設(shè)置在其上的像素電路的基板的表面用作高度的基準(zhǔn)。具體而言，電極P 110和電極D112設(shè)置在沿與基板的表面垂直的第二方向上與基板具有不同距離的不同位置中。換言之，電極P 110和電極D 112形成在不同的層中。不同的層可以是其間置有層間絕緣膜的兩個(gè)金屬層。

此外，電極P 110的一部分和電極D 112的一部分可以彼此交疊，如圖17中所示。在交疊部分之間設(shè)置絕緣層。

在圖17中，整個(gè)電極P 110和整個(gè)電極D 112設(shè)置在不同的高度。注意，至少電極P 110的一部分和電極D 112的一部分可以設(shè)置在不同的高度。

利用這種構(gòu)造，可以穩(wěn)定地輸送電荷。因此，可以減少光接收區(qū)域101中的殘留電荷的量，結(jié)果，可以減少噪聲。

如同第一實(shí)施例，該實(shí)施例的攝像裝置可以包括電荷輸送區(qū)域102和輸送電極T 111。如同第二實(shí)施例等，該實(shí)施例的攝像裝置可以包括電荷約束層201。此外，電極P 110的至少一部分和輸送電極T 111的至少一部分可以設(shè)置在不同的高度。

第七實(shí)施例

現(xiàn)在，將描述本發(fā)明的第七實(shí)施例。第七實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同之處在于，多個(gè)電極分離地設(shè)置在半導(dǎo)體層108上。在下文中將描述與第一實(shí)施例不同的部分。

圖18是示意性地例示根據(jù)該實(shí)施例的攝像裝置的像素100的圖。具有與圖1A相同的功能的部分由與圖1A相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示。在圖18中所示的攝像裝置中，上部電極S 106未設(shè)置在電荷輸送區(qū)域102上。因此，上部電極S 106包括彼此分離的設(shè)置在光接收區(qū)域101(第一電極)上的部分和設(shè)置在電荷排出區(qū)域103上的部分(第三電極)。上部電極S106的兩個(gè)分離部分被稱(chēng)為“第一電極106-1”和“第三電極106-2”。

在第一電極106-1與電極D 112(第四電極)之間限定光接收區(qū)域101。在第三電極106-2與電極P 110(第二電極)之間限定電荷排出區(qū)域103。電源VSB 180連接到第一電極106-1。電源VSB 180向第一電極106-1供給多個(gè)電壓Vsb。如同第一實(shí)施例的上部電極S106，電源VS 104連接到第三電極106-2。

當(dāng)作為信號(hào)電荷的空穴被從光接收區(qū)域101輸送到電荷排出區(qū)域103時(shí)，第一電極106-1的電壓Vsb和第三電極106-2的電壓Vs滿(mǎn)足以下關(guān)系：Vsb<Vs。因此，可以支持由電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112對(duì)電荷的輸送。結(jié)果，可以以更高的速度進(jìn)行電荷的輸送。在信號(hào)電荷是電子的情況下，當(dāng)輸送電荷時(shí)，第一電極106-1的電壓Vsb和第三電極106-2的電壓Vs滿(mǎn)足以下關(guān)系：Vsb>Vs。因此，可以支持由電極P 110、輸送電極T 111和電極D 112對(duì)電荷的輸送。結(jié)果，可以以更高的速度進(jìn)行電荷的輸送。

上部電極S 106上的兩個(gè)分離部分可以彼此絕緣或彼此連接。由于電荷排出區(qū)域103可以不接收光，所以設(shè)置在電荷排出區(qū)域103上的部分(第三電極)可以由金屬形成，并且該金屬可以連接到設(shè)置在光接收區(qū)域101上的部分(第一電極)。利用這種構(gòu)造，可以有效地減小供給電壓Vs的線(xiàn)的電阻。

此外，可以在第一電極106-1與第三電極106-2之間設(shè)置與第一電極106-1和第三電極106-2分離的另一電極。具體而言，可以在電荷輸送區(qū)域102中設(shè)置可以獨(dú)立地控制的電極。在這種情況下，由輸送電極T 111和該另一電極形成的電場(chǎng)可以防止累積在光接收區(qū)域101中的電荷泄漏到外部。

如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，上部電極S 106包括彼此分離的設(shè)置在光接收區(qū)域101上的部分(第一電極)和設(shè)置在電荷排出區(qū)域103上的部分(第三電極)。利用這種構(gòu)造，可以提高電荷輸送效率。

第八實(shí)施例

將描述根據(jù)本發(fā)明的攝像系統(tǒng)的實(shí)施例。攝像系統(tǒng)的示例包括數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、攝像頭、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、蜂窩電話(huà)、車(chē)載攝像機(jī)和天文臺(tái)。圖19是例示作為攝像系統(tǒng)的示例的數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)的框圖。

在圖19中，攝像系統(tǒng)包括保護(hù)透鏡的擋板1001，用于將被攝體的光學(xué)像形成在攝像裝置1004上的透鏡1002，以及改變通過(guò)透鏡1002的光量的光圈1003。攝像裝置1004對(duì)應(yīng)于上面在前述各實(shí)施例中描述的攝像裝置，并且將由透鏡1002形成的光學(xué)像轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)。假設(shè)攝像裝置1004具有包括形成在其上的AD轉(zhuǎn)換單元的半導(dǎo)體基板。信號(hào)處理器1007對(duì)從攝像裝置1004輸出的攝像數(shù)據(jù)進(jìn)行各種校正操作并且壓縮數(shù)據(jù)。在圖19中，定時(shí)生成單元1008向攝像裝置1004和信號(hào)處理器1007輸出各種定時(shí)信號(hào)，并且整體控制/計(jì)算單元1009控制整個(gè)數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)。幀存儲(chǔ)器單元1010暫時(shí)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。接口單元1011被用來(lái)對(duì)記錄介質(zhì)進(jìn)行記錄和讀取，并且諸如半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等的可拆卸記錄介質(zhì)1012經(jīng)受攝像數(shù)據(jù)的記錄或讀取。接口單元1013被用來(lái)與外部計(jì)算機(jī)等通信。這里，可以從攝像系統(tǒng)的外部輸入定時(shí)信號(hào)，并且攝像系統(tǒng)至少包括攝像裝置1004和處理從攝像裝置1004輸出的攝像信號(hào)的信號(hào)處理器1007。

在該實(shí)施例中，描述了攝像裝置1004和AD轉(zhuǎn)換單元設(shè)置在同一半導(dǎo)體基板中的構(gòu)造。然而，攝像裝置1004和AD轉(zhuǎn)換單元可以被形成在不同的半導(dǎo)體基板上。此外，攝像裝置1004和信號(hào)處理器1007可以被形成在同一半導(dǎo)體基板上。

此外，各個(gè)像素100可以包括第一光電轉(zhuǎn)換單元101A和第二光電轉(zhuǎn)換單元101B。信號(hào)處理器1007可以對(duì)基于在第一光電轉(zhuǎn)換單元101A中生成的電荷的信號(hào)和基于在第二光電轉(zhuǎn)換單元101B中生成的電荷的信號(hào)進(jìn)行處理，以獲得關(guān)于從攝像裝置1004到被攝體的距離的信息。

在攝像系統(tǒng)的實(shí)施例中，使用根據(jù)第一實(shí)施例的攝像裝置作為攝像裝置1004。由于在攝像系統(tǒng)中采用本發(fā)明的實(shí)施例，所以可以獲得具有減少的噪聲的圖像。

雖然參照示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開(kāi)的示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)對(duì)所附權(quán)利要求的范圍給予最寬的解釋?zhuān)院w所有這些變型例以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。