CN103035661A - 光电转换装置和成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光电转换装置和成像系统。在能够将包含在光电转换单元中的光电转换元件的信号相加的光电转换装置中，每个光电转换元件包含用于收集信号电荷的第一导电类型的第一半导体区域，第二导电类型的第二半导体区域被布置在彼此相邻布置并包含于同一光电转换单元中的光电转换元件之间，以及第二导电类型的第三半导体区域被布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件之间。第二半导体区域的杂质浓度比第三半导体区域的杂质浓度低。

Description

光电转换装置和成像系统
技术领域
本发明涉及光电转换装置。更特别地，本发明涉及光电转换元件之间的隔离结构。
背景技术
常规上，存在如下技术，该技术处理由光电转换装置的多个光电转换元件产生的信号作为一个像素的信号。例如，存在如下技术，该技术通过提供与一个微透镜对应的多个光电转换元件基于相位差方法来检测聚焦。根据在日本专利申请公开No.2001-250931中讨论的技术，单独地读出与一个微透镜对应的多个光电转换元件的每个信号，并检测聚焦。通过将与一个微透镜对应的多个光电转换元件的信号相加而获得的信号被视为一个像素的信号。
当多个光电转换元件的信号被视为一个像素的信号时，当多个光电转换元件的感光度或者入射到多个光电转换元件上的光量存在差异时，不能获得适当的信号。此外，由于光电转换元件被布置为与各元件相邻，因此不能依赖于相邻元件之间的隔离结构而获得适当的信号。
发明内容
本发明针对通过使用光电转换元件之间的适当的隔离结构在多个光电转换元件的信号被用作一个信号时获得希望的信号。
根据本发明的一个方面，光电转换装置包括多个光电转换单元，光电转换单元包含多个光电转换元件，并且光电转换装置将包含在光电转换单元中的多个光电转换元件的信号相加。在光电转换装置中，多个光电转换元件中的每一个包含用于收集信号电荷的第一导电类型的第一半导体区域，第二导电类型的第二半导体区域被布置在彼此相邻布置并包含于同一光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域之间，第二导电类型的第三半导体区域被布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域之间，以及第二半导体区域的至少一部分的第二导电类型的杂质浓度比第三半导体区域的第二导电类型的杂质浓度低。
根据以下参照附图对示例性实施例进行的详细描述，本发明的其它特征和方面将变得明显。
附图说明
包含在说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征和方面，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明的示例性实施例的成像装置的总体配置的示意图。
图2是根据示例性实施例的光电转换装置的俯视图。
图3A至3C是根据示例性实施例的光电转换装置的断面图和电势图。
图4示意性地示出根据示例性实施例的光电转换装置的输出。
图5A至5D示出在根据示例性实施例的光电转换装置中累积的电荷。
图6A至6C是根据示例性实施例的光电转换装置的断面图和电势图。
图7A至7C是根据示例性实施例的光电转换装置的俯视图和电势图。
图8A至8C是根据示例性实施例的光电转换装置的断面图和电势图。
图9示意性地示出被照体与形成的该被照体的图像之间的关系。
图10A和图10B示意性示出基于相位差方法的聚焦检测。
图11是成像系统的示意图。
图12A和图12B是作为比较例的光电转换装置的断面图和电势图。
图13示意性地示出作为比较例的光电转换装置的输出。
图14A和图14B是可应用到本发明的光电转换单元的等效电路图。
图15A至15C是根据示例性实施例的光电转换装置的断面图和电势图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。
为了便于理解示例性实施例，将描述比较例。
图12A是作为比较例的光电转换装置的光电转换元件的断面图。图12B是信号电荷的电势图并与图12A中的断面图对应。在以下的描述中，电子被用作信号电荷。此外，关于半导体类型，n型半导体被称为第一导电类型，p型半导体被称为第二导电类型。如果空穴被用作信号电荷，那么第一导电类型被设为p型半导体以及第二导电类型被设为n型半导体。在附图中，不同的光电转换单元用数值后面的不同字母表示。例如，微透镜1201a和1201b与不同的光电转换单元对应。如果不需要在描述中区分光电转换单元，那么可以不使用字母。这同样适于以下描述的示例性实施例。
当光被微透镜1201收集时，它穿过滤色器1202。然后，光入射到多个光电转换元件上。主要出于从光电转换元件获得信号的目的，设置多个布线层1203。
p型半导体区域1205和多个n型半导体区域1206和1207形成P-N结。p型半导体区域1205被布置在半导体区域1204上。半导体区域1204可以为p型半导体基板或n型半导体基板。
光电转换元件包含n型半导体区域1206和1207和p型半导体区域1205。更具体地，p型半导体区域1205和n型半导体区域1206a和1206b构成光电转换元件PD 1和PD 2（在下文中被称为PD 1和PD 2）。p型半导体区域1205和n型半导体区域1207a和1207b构成光电转换元件PD 3和PD 4（在下文中被称为PD 3和PD 4）。
由于n型半导体区域1206a、1206b、1207a和1207b中的每一个的电势比电子的电势低，因此在这些区域中的每一个中累积信号电荷。p型半导体区域可被布置在n型半导体区域1206a、1206b、1207a和1207b中的每一个的光入射侧，以形成嵌入的光电二极管。当由微透镜1201a会聚的光入射到PD 1和PD 2上时，由微透镜1201b会聚的光入射到PD 3和PD 4上。一个光电转换单元包含多个光电转换元件，由一个微透镜会聚的光入射到所述多个光电转换元件上。
如上所述，由一个微透镜1201a会聚的光入射到PD 1和PD 2上。PD 1和PD 2沿一个方向（图12A中的并排方向）彼此相邻。p型半导体区域1209被布置在PD 1中的n型半导体区域1206a与PD 2中的n型半导体区域1206b之间。被布置在n型半导体区域1206a和1206b之间的p型半导体区域1209可用作阻止电子的势垒。
通过不同的微透镜（用于PD 2的微透镜1201a和用于PD 3的微透镜1201b）会聚的光入射到PD 2和PD 3上。PD 2和PD 3沿一个方向（图12A中的并排方向）彼此相邻。换句话说，PD 2和PD 3被布置为彼此相邻，但是包含在不同的光电转换单元中。p型半导体区域1208被布置在PD 2中的n型半导体区域1206b与PD 3中的n型半导体区域1207a之间。被布置在n型半导体区域1206b和1207a之间的p型半导体区域1208可用作阻止电子的势垒。
图12B示出分别与p型半导体区域1209和1208对应的势垒1210和1211。势垒1210的高度基本上等于势垒1211的高度。
当光电转换元件包含上述结构时，假设如下情况，即，至少包含在一个光电转换单元中的光电转换元件PD 2由于彼此相邻的光电转换元件之间的感光度或亮度的差异而饱和。在这种情况下，由PD 2产生的电荷中的一些会溢出势垒1210并移动到相邻的光电转换元件PD 1中。此外，由PD 2产生的电荷可以移动到包含在不同的光电转换单元中的光电转换元件PD 3。此外，电荷可以移动到与PD 2相邻的晶体管布置区域（未示出）。
图13示出包含在一个光电转换单元中的两个光电转换元件PD 1和PD 2的输入/输出特性以及通过合成PD 1和PD 2的输出获得的合成输入/输出特性。可至少通过将光电转换元件的信号相加来获得合成输出。为了获得合成输出，信号可被平均或放大。
在图13中，出于解释性的目的，PD 2的感光度被设置为比PD 1的感光度高的水平，或者PD 2中相比于PD 1被输入更多的光。如果入射到光电转换元件上的光处于范围1301中，那么PD 2比PD 1产生更多的电荷。由于PD 2没有饱和，因此可通过合成PD 1和PD 2的输出信号来获得适当的输出。然而，如果PD 2饱和而PD 1没有饱和，那么只有PD 1相对于入射光输出线性输出信号。从而，从PD 2饱和的点开始，根据PD 1的输出来确定合成输出。作为结果，从PD2饱和的点开始，合成输出表现出膝（knee）特性。当在PD 2饱和之后产生的电荷流入PD 1以外的区域中时，该现象变得明显。根据这种现象，不能获得希望的合成信号。
本示例性实施例的目的是要解决上述问题。具体地，本示例性实施例的特征在于，光电转换单元中的多个光电转换元件之间的部分以及彼此相邻且包含在不同的光电转换单元中的多个光电转换元件之间的部分的结构。与彼此相邻且包含在不同的光电转换单元中的光电转换元件之间的p型半导体区域的杂质浓度相比，彼此相邻且包含在同一光电转换单元中的光电转换元件之间的p型半导体区域的杂质浓度被设置为更低的水平。
接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换装置的框图。在以下的描述中，成像装置被用作光电转换装置的例子。然而，本发明也可应用到成像装置以外的装置，只要所述装置利用光电转换即可。此外，该框图也可应用到本发明的其它示例性实施例。
图1是本示例性实施例的成像装置的示意图。在图1中，成像装置100包括像素阵列101和用于选择像素阵列101中的行的垂直选择电路102。多个光电转换单元被布置在像素阵列中。可以以二维的方式布置多个光电转换单元。
通过垂直选择电路102选择预定行，并且信号从包含在所述预定行中的光电转换单元输出到垂直输出线。可对于各列或多个列设置垂直输出线。此外，可对于各像素列设置多条垂直输出线。
在列电路103中输入由多条垂直输出线并行读出的信号。列电路103可执行信号放大、模数转换和减噪中的任一个以及这些处理的组合。
水平选择电路104依次选择存储在列电路103中的信号，并将该信号输出到水平输出线（未示出）。串行接口105与外部装置通信以确定例如操作模式。除了示出的部件以外，成像装置100可包括例如向垂直选择电路102、水平选择电路104和列电路103提供控制脉冲等的定时产生器或控制电路。
图1中的框图可应用到以下描述的所有示例性实施例。此外，术语垂直和水平是出于方便被使用的，并且可被互换。
接下来，将参照图14A和图14B描述光电转换单元的等效电路的例子。图14A示出如下例子，在该例子中单独地为各光电转换元件设置分别具有不同功能的晶体管。图14B示出如下例子，在该例子中共同为多个光电转换元件设置分别具有不同功能的晶体管。
由光电转换元件1401a或1401b产生的电荷分别通过传送晶体管1402a或1402b被传送到放大晶体管1403a或1403b的输入节点。放大晶体管的输入节点可由放大晶体管的栅极和与该栅极电连接的浮动扩散区域配置。如果接通选择晶体管的脉冲被供给到选择晶体管1404a或1404b的栅极，那么与放大晶体管的输入节点对应的信号被输出到垂直输出线1406。接着，放大晶体管1403a或1403b的输入节点的电压分别通过复位晶体管1405a或1405b被设置为预定电压。当电路包含上述配置时，通过专门接通选择晶体管1404a或1404b，光电转换元件1401a或1401b的信号可被读出到列电路。然后，可通过将这些信号相加来执行成像和聚焦检测。
接下来，将描述图14B。图14B中的操作基本上与参照图14A描述的操作类似。由光电转换元件1501a或1501b产生的电荷分别通过传送晶体管1502或1502b被传送到放大晶体管1503的输入节点。放大晶体管1503的输入节点可由放大晶体管的栅极和与该栅极电连接的浮动扩散区域配置。如果接通选择晶体管的脉冲被供给到选择晶体管1504的栅极，那么与放大晶体管1503的输入节点对应的信号被输出到垂直输出线1506。然后，放大晶体管1503的输入节点的电压通过复位晶体管1505被设置为预定电压。在图14B中，由于放大晶体管1503被光电转换元件1501a和1501b共享，因此可在放大晶体管1503的输入节点处将信号相加。从而，在相加处理之后获得的信号可从光电转换单元被输出到垂直输出线1506。
接下来，将参照特定的示例性实施例来描述光电转换装置的配置。在以下的示例性实施例中的每一个中，成像装置被用作光电转换装置的例子。在以下的说明书、本发明的范围和附图中，术语“杂质浓度”表示净杂质浓度，所述净杂质浓度是通过相反的导电类型的杂质补偿的杂质浓度。这是净浓度。p型添加杂质浓度比n型添加杂质浓度高的区域被视为p型半导体区域。相反，n型添加杂质浓度比p型添加杂质浓度高的区域被视为n型半导体区域。
图2示意性地示出第一示例性实施例的成像装置的光电转换单元201的俯视图。图2包含以两行两列布置的四个光电转换单元201。
对于光电转换单元中的每一个设置一个微透镜202。一个光电转换单元201包含多个光电转换元件。在图2中，一个光电转换单元201包含两个光电转换元件，例如PD 1和PD 2。作为替代方案，一个光电转换单元可包含四个或九个光电转换元件。
由光电转换元件PD 1和PD 2产生的电荷分别通过传送晶体管的传送栅极205和206被传送到浮动扩散区域207。浮动扩散区域207被光电转换元件PD 1和PD 2共享。
虽然出于解释的目的在图2中示出四个光电转换单元，但是通过以矩阵布置大量的这种光电转换单元201来形成像素阵列101。
图3A是本示例性实施例的光电转换单元的断面图。图3B示意性地示出图3A中的半导体区域的信号电荷的电势结构。图3A是沿图2中的虚线A-B切取的光电转换单元的断面图。图3C是沿图2中的虚线C-D切取的光电转换单元的断面图。
光电转换单元包含滤色器301和布线层302。在图3A中示出设置在不同高度处的三个布线层。
p型半导体区域304和多个n型半导体区域203和204形成P-N结。p型半导体区域304被布置在半导体区域303上。半导体区域303是p型半导体基板或n型半导体基板。
光电转换元件包含n型半导体区域203或204以及p型半导体区域304。更具体地，p型半导体区域304和n型半导体区域203a和203b构成光电转换元件PD 1和PD 2。p型半导体区域304和n型半导体区域204a和204b构成光电转换元件PD 3和PD 4。由于n型半导体区域203a、203b、204a和204b中的每一个的电势比电子的电势低，因此在这些区域中的每一个中累积信号电荷。p型半导体区域可被布置在n型半导体区域203a、203b、204a和204b中的每一个的光入射侧，以形成嵌入的光电二极管。当由微透镜202a会聚的光入射到PD1和PD 2上时，由微透镜202b会聚的光入射到PD 3和PD 4上。这些半导体区域被布置在半导体基板上。
由一个微透镜202a会聚的光入射到PD 1和PD 2上。PD 1和PD2包含在同一光电转换单元中。PD 1和PD 2沿一个方向（图3A中的并排方向）彼此相邻。包含PD 1和PD 2的光电转换单元被称为第一光电转换单元。在图3A中，右侧的与第一光电转换单元相邻的光电转换单元被称为第二光电转换单元。
p型半导体区域306被布置在分别包含于PD 1和PD 2中的n型半导体区域203a和203b之间。布置在n型半导体区域203a和203b之间的p型半导体区域306可用作阻止电子的势垒。
通过不同的微透镜（用于PD 2的微透镜202a和用于PD 3的微透镜202b）会聚的光入射到PD 2和PD 3上。PD 2和PD 3包含在不同的光电转换单元中，但被彼此相邻地布置。PD 2和PD 3沿一个方向（图3A中的并排方向）彼此相邻。p型半导体区域305被布置在PD 2中的n型半导体区域203b与PD 3中的n型半导体区域204a之间。布置在n型半导体区域203b和204a之间的p型半导体区域305可用作阻止电子的势垒。
根据本示例性实施例，p型半导体区域305的杂质浓度与p型半导体区域306的杂质浓度不同。更具体地，p型半导体区域306的p型杂质浓度比p型半导体区域305的p型杂质浓度低。根据这样的浓度，与彼此相邻的不同的光电转换单元中的PD 2和PD 3之间的势垒的高度相比，一个光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的势垒的高度可以降低。
如图3B所示，第一光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的势垒308具有高度h1。彼此相邻且包含在不同的光电转换单元中的PD 2和PD 3之间的势垒307具有高度h2。PD 1和PD 2之间的势垒的高度h1比PD 2和PD 3之间的势垒的高度h2低。
根据这样的结构，通过将包含在一个光电转换单元中的光电转换元件的信号相加而获得的信号将表现出与入射光的量对应的线性。这样的配置不仅可应用到本示例性实施例，还可应用到各种光电转换元件。当其输出将被相加的多个光电转换元件在感光度或饱和量或者入射光量方面具有差异时，这是特别有用的。例如，在均匀的光入射到整个光电转换装置上、但实际入射到各光电转换元件上的光的量不同的情况下，出现入射光量的差异。特别是当由一个微透镜会聚的光入射到平面状布置在不同位置处的多个光电转换元件上时，可能出现这种情况。
接下来，将描述p型半导体区域的杂质浓度的希望的例子。希望配置势垒307的p型半导体区域305的p型杂质浓度被设置为配置势垒308的p型半导体区域306的p型杂质浓度的三倍或更多倍。这是因为，将浓度设置为三倍或更多倍可使得势垒高度之间的差值与电荷的电势（在27°C的环境温度中大约为26mV）相当。通过考虑光电转换装置的操作温度范围，更希望p型半导体区域305的p型杂质浓度可被设置为p型半导体区域306的p型杂质浓度的十倍或更多倍。
接下来，将描述图3C。图3C是沿图2中的线C-D切取的光电转换单元的断面图。在图3C中，示出在图2中的向下方向上与第一光电转换单元相邻的第三光电转换单元的光电转换元件。包含绝缘体的电介质隔离309被布置在第一光电转换单元的浮动扩散区域207与第三光电转换单元的光电转换元件PD 5之间。可在形成电介质隔离309时使用诸如局部硅氧化（LOCOS）和浅沟槽隔离（STI）之类的已知方法和结构。
虽然没有示出势垒的高度，但是由电介质隔离309产生的势垒的高度比由p型半导体区域306产生的势垒的高度高。由电介质隔离309和p型半导体区域305产生的势垒的高度是任意的，并且可根据元件的布局而被任意设置。在图3C所示的例子中，电介质隔离被布置在浮动扩散区域与光电转换元件之间。另外，电介质隔离可被设置在像素单元的光电转换元件与晶体管之间。
接下来，将参照图4和图5描述各PD的输出和在相加之后的合成输出。图4示出PD 1和PD 2的输入/输出特性以及通过合成PD 1和PD 2的输出而获得的合成输入/输出特性。横轴表示入射光的量，纵轴表示来自光电转换元件的输出。
图5A至5D示意性地示出图3B所示的光电转换单元的电势结构和产生的电子。在图4中，出于解释的目的，假设PD 1的感光度被设置为比PD 2的感光度高的水平，或者PD 1比PD 2中被输入更多的光。当入射到光电转换元件上的光量处于范围401内时，PD 1比PD 2产生更多的电子。图5A示出这种状态下的电势结构。PD 1和PD 2的合成输出指示适当的值。然后，当PD 1和PD 2处于范围402中时，PD 1饱和，但PD 2没有饱和。在这种情况下，如图5B所示，在PD 1处产生的电子可流过势垒308并移动到PD 2中。从而，关于范围402，PD 2的输出基于通过合成在PD 2处产生的电子和在PD 1处产生的电子中的一些而获得的电荷量。以这种方式，势垒308的高度h1被设置为比势垒307的高度h2低。根据这样的结构，在PD 1处产生的电子中的一些可移动到PD 2。从而，即使入射光的量处于范围402中，PD 1和PD 2的合成输出也表现出线性。
关于范围403，如图5C所示，PD 1和PD 2的输出均超过由势垒308限定的饱和水平，并且达到由势垒307限定的饱和水平。
关于范围404，如图5D所示，由于PD 1和PD 2均达到由势垒307限定的饱和水平，因此合成输出也饱和。
如上所述，本示例性实施例可应用到包括多个光电转换单元的光电转换装置，光电转换单元进一步包括多个光电转换元件。关于这样的光电转换装置，第二导电类型的第二半导体区域306被布置在包含于一个光电转换单元中并彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域203a和203b之间。此外，第二导电类型的第三半导体区域305被布置在彼此相邻布置并包含于不同的光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域203b和204a之间。第二半导体区域306的第二导电类型的杂质浓度被设置为比第三半导体区域305的第二导电类型的杂质浓度低。根据本示例性实施例，第二半导体区域306具有均匀的杂质浓度。然而，所述杂质浓度不需要是均匀的，只要第二半导体区域306的至少一部分包含低浓度区域即可。
根据这样的配置，与在光电转换元件与不同的区域之间移动的电荷相比，一个光电转换单元中的光电转换元件之间的电荷可更容易地移动。从而，例如，当一个光电转换单元中的一个光电转换元件饱和时，可以防止合成输出的膝特性的出现，并且可获得具有更高线性的输出。
将参照附图描述本发明的第二示例性实施例。图6A是本示例性实施例的光电转换单元的断面图。与第一示例性实施例的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且不重复它们的描述。图6A是沿图2中的虚线A-B切取的断面图。关于沿图2中的虚线C-D切取的断面图，它与图3C所示的配置类似。对于以下的示例性实施例也是一样。
第二示例性实施例与第一示例性实施例的不同在于，布置在一个光电转换单元中的光电转换元件之间的p型半导体区域包含具有低浓度的第一部分和具有比第一部分高的浓度的第二部分。更具体地，布置在PD之间并且由一个微透镜会聚的光入射到其上的p型半导体区域包含具有低浓度的第一部分601和具有比第一部分601高的浓度的第二部分602。第一部分601可被布置在从半导体基板600的表面起的预定深度处。第二部分602可被布置在第一部分601的顶部和底部。此外，第一部分601的p型杂质浓度比p型半导体区域305的p型杂质浓度低。作为杂质浓度的特定的希望的例子，p型半导体区域305的杂质浓度被设置为第一部分601的p型杂质浓度的三倍或更多倍。进一步希望将p型半导体区域305的杂质浓度设置为第一部分601的p型杂质浓度的十倍或更多倍。可从这样的结构获得与从第一示例性实施例获得的效果类似的效果。虽然根据本示例性实施例仅布置一个第一部分601，但是也可布置多个第一部分601。
通过降低第一部分601的杂质浓度，电荷可能未必在PD 1和PD2之间移动。在这种情况下，将难以单独地读出PD 1和PD 2的信号。
在这种情况下，例如，变得难以检测相位差，并且聚焦检测的精度可能降低。为了防止这种精度的降低，可根据n型半导体区域203和204的峰值杂质浓度的位置改变布置第一部分601的深度。
将参照附图描述本发明的第三示例性实施例。图7A是根据本示例性实施例的光电转换单元的俯视图。
第三示例性实施例与第二示例性实施例的不同在于，关于光电转换单元的平面图，第一部分701和第二部分702被布置在不同的位置处。
在图7A中，被布置在一个光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的p型半导体区域包含第一部分701和具有比第一部分701高的p型杂质浓度的第二部分702。此外，第一部分701的p型杂质浓度比p型半导体区域305的p型杂质浓度低。图7B示出沿图7A中的线A-B切取的光电转换单元的电势结构。图7C示出沿图7A中的线C-D切取的光电转换单元的电势结构。从图7B和图7C可以清楚地看出，由第一部分701形成的势垒比由第二部分702形成的势垒低。第二部分702的势垒的高度与p型半导体区域305的势垒的高度相同。从而，第二部分702和p型半导体区域305的p型杂质浓度相等。然而，这些区域不总是需要具有相同的杂质浓度，并且，只要第二部分702和p型半导体区域305的p型杂质浓度比第一部分701的p型杂质浓度高，势垒就可以具有不同的高度。
第一部分701的布局不限于图7A所示的布局，多个第一部分701可被分开地布置在光电转换单元的面上。
作为杂质浓度的希望的例子，p型半导体区域305的p型杂质浓度被设置为第一部分701的p型杂质浓度的三倍或更多倍。进一步希望将p型半导体区域305的p型杂质浓度设置为第一部分701的p型杂质浓度的十倍或更多倍。
容易根据存在于n型半导体区域203a和203b中的电子的数量来改变第一部分701的电势状态。从而，在第一部分701处产生的电荷是移动到PD 1还是移动到PD 2的概率取决于如下状态而变化，所述状态是紧跟在开始在PD 1或PD 2处累积之后的状态或者在一个PD（例如，PD 1）中与另一PD（PD 2）相比存在许多电荷的状态。例如，如果紧跟在开始累积之后在PD 1处存在大量的电荷，那么存在于PD 1中的电荷的库仑力作用（Coulomb interaction）会改变第一部分701的电势。然后，在第一部分701处产生的电荷更可能移动到PD2。换句话说，电荷移动到PD 1和移动到PD 2的概率将改变。在这种情况下，例如，产生反馈，所述反馈抵消用于检测相位差的PD之间的信号差。因此，聚焦检测的精度可能降低。
这种精度的降低可以通过如下面描述的那样布置第一部分701来减少。更具体地，希望第一部分701的位置关于第一部分701的平面图偏离微透镜的中心位置在光电转换元件的受光面上的投影位置。例如，在图7A中，虽然线A-B是大致横穿微透镜的中心的线段，但是第一部分701偏向示图的向上方向。该布置意图在于将第一部分701从由微透镜会聚的光的强度达到峰值的位置分离。
虽然第一部分701在图7A中被布置为偏向示图的向上方向，但是第一部分701可被布置为偏向向下方向或者偏向向左或向右方向。希望的第一部分701从微透镜的中心的偏移量为0.1微米或更多。更希望的第一部分701从微透镜的中心的偏移量为0.2微米或更多。这是由PD处理的波长的范围处于可见光区域中的情况。可见光的波长大致处于0.4至0.8微米的范围中。这是微透镜的焦点存在于光电转换元件中的情况的例子。
此外，由于光电转换元件处的会聚光的状态还依赖于物镜的F数，因此当本发明的光电转换装置被应用到具有较小F数的光学系统时，将希望偏移值较大。例如，如果使用具有F数可被设置为2.0的物镜的系统，那么相对于垂直线具有14°的最大倾角的光入射到微透镜上。如果微透镜和PD之间的距离为2μm，那么以14°的倾角入射到微透镜上的光的聚焦位置在至少一个方向上从光电转换元件的受光面上的位置偏移0.5μm，该位置是微透镜的中心位置被投影到的位置。在这种情况下，在从微透镜的中心位置偏移0.5μm或更多的位置处布置第一部分701是特别有效的。偏移量的上限是彼此相邻的光电转换元件之间的间距的一半。
将参照附图描述本发明的第四示例性实施例。根据第四示例性实施例，与第一到第三示例性实施例类似的部件用相同的附图标记表示，并且不重复它们的描述。
第四示例性实施例与第一到第三示例性实施例的不同在于，布置在n型半导体区域203a和203b之间的p型半导体区域包含第一部分801和第二部分802，并且第一部分801的宽度比第二部分802的宽度窄。根据这样的配置，可以获得与上述示例性实施例类似的效果。
虽然在图8A中第一部分801和第二部分802如第三示例性实施例的情况那样被布置在不同的深度处，但是第一部分801和第二部分802关于光电转换单元的平面图可以被布置在相同深度但不同位置处。此外，第一部分801可包含相互分离的多个部分。
将参照图15A至15C描述本发明的第五示例性实施例。根据第五示例性实施例，与第一到第四示例性实施例中的部件类似的部件用相同的附图标记表示，并且不重复它们的描述。
第五示例性实施例与第一到第四示例性实施例的不同在于，绝缘体隔离XX02被布置在包含于不同的光电转换单元中的n型半导体区域203b和204a之间。另外，p型半导体区域XX01被布置在PD 1和PD 2之间。根据这样的配置，与彼此相邻布置并包含在不同的光电转换单元中的PD 2和PD 3之间的区域的势垒的高度相比，包含在同一光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的势垒的高度可以减小。p型半导体区域305可被布置在绝缘体隔离XX02的底部。如上述示例性实施例的布置那样，在PD 1和PD 2之间仅布置p型半导体区域。
图15B是沿图15A中的线A-B切取的光电转换单元的电势图。图15C是沿图15A中的线C-D切取的光电转换单元的电势图。如图15C所示，包含在同一光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的势垒的高度比彼此相邻布置并包含在不同的光电转换单元中的PD 2和PD 3之间的区域的势垒的高度低。在图15B中，包含在同一光电转换单元中的PD 1和PD 2之间的势垒的高度等于彼此相邻布置并包含在不同的光电转换单元中的PD 2和PD 3之间的区域的势垒的高度。作为替代方案，p型半导体区域305的p型杂质浓度也可增加，从而使得由p型半导体区域305产生的势垒的高度比由p型半导体区域XX01产生的势垒的高度高。换句话说，p型半导体区域305和绝缘体隔离XX02均产生存在于PD 2和PD 3之间的势垒。此外，该势垒的高度增加以使得它比由p型半导体区域XX01产生的势垒高。另外，替代于布置p型半导体区域305，p型半导体区域XX01可被布置在包含于同一光电转换单元中的多个光电转换元件之间，并且绝缘体隔离XX02可被布置在彼此相邻布置并包含在不同的光电转换单元中的光电转换元件之间。
根据上述示例性实施例的光电转换装置可被用作成像装置或用于关于成像面的聚焦检测的装置。下面将参照图9、图10A和图10B具体描述当通过使用相位差检测在成像面上执行成像时所执行的聚焦检测的例子。
图9是从摄影透镜900的出射光瞳发射并入射到成像装置901上的光束的概念图。成像装置901包括微透镜202、滤色器301和多个光电转换元件PD 1和PD 2。由一个微透镜会聚的光入射到PD 1和PD 2上。出射光瞳902是摄影透镜的出射光瞳。从出射光瞳902发射的光束的中心相对于包含微透镜202的光电转换单元被称为光轴903。来自出射光瞳的光入射到成像装置901上，在成像装置901的中心处具有光轴903。线906和907代表穿过区域904的光的最外面的光线，区域904是出射光瞳902的一部分。类似地，线908和909代表穿过区域905的光的最外面的光线，区域905是出射光瞳902的一部分。从图9可以看出，在从出射光瞳902发射的光束之中，相对于光轴903在上侧的光束入射到PD 1上，相对于光轴903在下侧的光束入射到PD 2上。因此，PD 1和PD 2中的每一个接收从摄影透镜的出射光瞳的不同区域发射的光。
通过利用这样的特性来检测相位差。关于像素中的区域，当从上面观察成像区域时，对于由一个微透镜会聚的光入射到的多个光电转换元件，从一个PD获得的数据被称为第一线的数据，从另一PD获得的数据被称为第二线的数据。然后，如果获得这些线之间的相关数据，那么可检测相位。
例如，在图9中，在由一个微透镜会聚的光入射到的光电转换元件之中，布置在下侧的PD的数据被称为第一线的数据，布置在上侧的PD的数据被称为第二线的数据。在这种情况下，PD 1与第一线的数据的一个像素的输出对应，PD 2与第二线的数据的一个像素的输出对应。图10A和图10B示出在形成图像时使用点光源时的线数据。图10A示出在对焦状态中的第一线和第二线的数据。横轴表示像素位置，纵轴表示输出。在对焦状态中，第一线和第二线重叠。图10B示出在失焦状态中的线数据。在这种情况下，第一线和第二线出现相位差，并且像素位置偏移。通过计算偏移量1001，可以获得相对于对焦状态的偏移量。从而，可通过根据这样的方法检测相位并根据获得的结果驱动透镜来校正聚焦。
接下来，将描述通过上述的像素布置的图像数据的产生。如上所述，可通过单独地从成像装置901读出PD 1和PD 2的信号并执行相位差检测计算来检测正确的聚焦。然后，通过将由一个微透镜会聚的光入射到的PD的信号相加，可产生要捕获的图像。
然而，如果PD中的一个饱和，换句话说，如果状态为图5B、图5C或图5D所示的状态，那么PD的信号将与单独从各PD获得的输出不同。从而，PD的信号可被确定为具有低的可靠性。在这种情况下，根据上述示例性实施例的光电转换装置可采用可以不执行相位检测或可以停止相位检测的次序。更具体地，根据上述示例性实施例的光电转换装置可通过根据PD的信号或可累积的电荷确定是否在成像装置的成像面上执行相位差检测来操作。
虽然以上参照图9描述成像装置的中心附近的像素，但是，由于当像素处于成像装置的周边时PD之间的入射光量的差实际上增加，因此如果在成像区域的外侧布置用于聚焦检测的像素，那么可增加精度。
图11示出根据上述实施例中的每一个的成像装置可应用到的成像系统的例子。
在图11中，透镜单元1101在成像装置1105上形成被照体的光学图像。透镜驱动单元1102执行诸如变焦控制、聚焦控制和光阑控制之类的控制操作。机械快门1103受快门控制单元1104的控制。成像装置1105捕获由透镜单元1101形成的被照体的图像作为图像信号。成像信号处理电路1106对从成像装置1105输出的图像信号执行各种校正并压缩数据。定时产生电路1107用作向成像装置1105和成像信号处理电路1106输出各种定时信号的驱动单元。控制电路1109控制整个成像装置并且还执行各种计算。存储器1108暂时存储图像数据。记录介质控制接口（I/F）单元1110用于向/从记录介质记录或读取数据。记录介质1111是用于记录和读取图像数据的诸如半导体存储器的可拆卸的记录介质。显示单元1112显示各种类型的信息和捕获的图像。
接下来，将描述当通过包含上述配置的数字照相机捕获图像时所执行的操作。
当接通主电源时，控制系统被通电。此外，诸如成像信号处理电路1106的成像系统电路被通电。
然后，当按压释放按钮（未示出）时，基于从成像装置1105获得的数据执行测距计算。此外，控制电路1109基于测距计算的结果计算到被照体的距离。接着，透镜驱动单元1102驱动透镜单元1101并且确定是否实现对焦状态。如果确定没有实现对焦状态，那么透镜驱动单元1102再次驱动透镜单元并且执行测距。不仅可使用从成像装置获得的数据来执行测距计算，还可通过专用的测距单元（未示出）来执行测距计算。
在实现对焦状态之后，开始成像操作。当完成成像操作时，从固态成像装置1105输出的图像信号被成像信号处理电路1106处理，并被控制电路1109写入存储器1108中。成像信号处理电路1106执行分类处理、相加处理和其它选择处理。根据由控制电路1109执行的控制，累积于存储器1108中的数据通过记录介质控制I/F单元1110被记录到诸如半导体存储器的可拆卸的记录介质1111中。
也可通过经由外部I/F单元（未示出）直接将数据输入例如计算机中来执行图像处理。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于上述示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包含所有的变更方式、等同的结构和功能。虽然本发明可应用到各种光电转换元件，但是该配置在光电转换元件的感光度或者入射到光电转换元件上的光量存在差异的情况下是特别有效的。
例如，在上述示例性实施例中，在物镜的聚焦检测中使用像素。然而，本发明的成像装置的特征是，当在读出多个光电转换元件的信号之前将所述信号相加时确保输出线性。从而，本发明可被应用到聚焦检测以外的应用。例如，可在多个光电转换元件上布置不同带通的两个滤色器。更具体地，除了红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）中的每一个的滤色器以外，还使用R′、G′和B′的不同带通的滤色器。当单独地读出信号时，可获得六种颜色的信号。因此，可以增强颜色再现性。另一方面，如果执行PD的信号的相加以获得三种颜色R+R′、G+G′和B+B′的信号，那么可以增强感光度和信噪比。可以使用同一成像装置将这两种成像模式配置为可切换。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包含所有的变更方式、等同的结构和功能。

Claims (18)

1.一种光电转换装置，所述光电转换装置包含多个光电转换单元，每个光电转换单元包含多个光电转换元件，并且所述光电转换装置将包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号相加，
其中，所述多个光电转换元件中的每一个包含用于收集信号电荷的第一导电类型的第一半导体区域，
其中，第二导电类型的第二半导体区域被布置在彼此相邻布置并包含于同一光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域之间，
其中，第二导电类型的第三半导体区域被布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域之间，以及
其中，第二半导体区域的至少一部分的第二导电类型的杂质浓度比第三半导体区域的第二导电类型的杂质浓度低。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，光电转换单元中的每一个包含由一个微透镜会聚的光入射到的多个光电转换元件。
3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第三半导体区域的杂质浓度为第二半导体区域的所述部分的杂质浓度的三倍或更多倍。
4.根据权利要求3所述的光电转换装置，其中，第三半导体区域的杂质浓度为第二半导体区域的所述部分的杂质浓度的十倍或更多倍。
5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二半导体区域包含第一部分和第二部分，并且，第一部分的杂质浓度比第二部分的杂质浓度低，或者关于平面图，第一部分的宽度比第二部分的宽度窄。
6.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，第一部分被布置在与第二部分的深度不同的深度处。
7.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，关于第二半导体区域的平面图，第一部分被布置在与第二部分在平面上不同的位置处。
8.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，第一部分的杂质浓度峰值的深度与第一半导体区域的杂质浓度峰值的深度不同。
9.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，光电转换单元中的每一个包含由一个微透镜会聚的光入射到的多个光电转换元件，以及
其中，第一部分被布置为在至少一个方向上相对于微透镜的中心位置在受光面上的投影位置而偏移。
10.根据权利要求9所述的光电转换装置，其中，偏移量为0.1μm或更大。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光电转换装置，其中，关于光电转换元件的平面图，所述多个光电转换元件中的每一个被布置在不同的位置处。
12.一种光电转换装置，所述光电转换装置包含多个光电转换单元，光电转换单元包含多个光电转换元件，并且所述光电转换装置将包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号相加，
其中，所述多个光电转换元件中的每一个包含用于收集信号电荷的第一导电类型的第一半导体区域，其中，彼此相邻布置并包含于同一光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域之间的区域的至少一部分的关于信号电荷的势垒的高度比布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域之间的势垒的高度低。
13.根据权利要求12所述的光电转换装置，其中，第二导电类型的第二半导体区域被布置在彼此相邻布置并包含于所述同一光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域之间的至少一部分中，以及
其中，绝缘体被布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域之间的区域中。
14.根据权利要求13所述的光电转换装置，其中，第二导电类型的第三半导体区域被布置在所述绝缘体的下部处。
15.根据权利要求12所述的光电转换装置，其中，第二导电类型的第二半导体区域被布置在彼此相邻布置并包含于同一光电转换单元中的光电转换元件的第一半导体区域之间的至少一部分中，以及
其中，第二导电类型的第三半导体区域被布置在包含于彼此相邻布置的不同光电转换单元中的多个光电转换元件之中彼此相邻布置的光电转换元件的第一半导体区域之间的区域中。
16.一种成像系统，包括：
根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，所述成像系统被配置为基于通过将包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号相加而获得的信号来捕获图像，以及
使用包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号中的至少一个信号，执行捕获图像时的聚焦检测。
17.一种成像系统，包括：
根据权利要求12所述的光电转换装置，
其中，所述成像系统被配置为基于通过将包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号相加而获得的信号来捕获图像，以及
使用包含在光电转换单元中的所述多个光电转换元件的信号中的至少一个信号，执行捕获图像时的聚焦检测。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的成像系统，其中，如果光电转换单元中的一个或多个光电转换元件的电荷量超过能累积的电荷量，那么聚焦检测停止。
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