CN105323506A - 固态图像拾取元件和图像拾取系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了固态图像拾取元件和图像拾取系统。至少一个固态图像拾取元件包含以二维方式布置的多个像素。所述多个像素中的每一个包含多个光电转换单元，该多个光电转换单元分别包含像素电极、被设置在所述像素电极上的光电转换层、以及被设置为使得所述光电转换层夹在像素电极与对电极之间的所述对电极。在一个或多个实施例中，所述多个像素中的每一个还包含设置在所述多个光电转换单元上的微透镜。

Description

固态图像拾取元件和图像拾取系统
技术领域
本公开涉及其中光电转换层被设置在基板上的至少一个固态图像拾取元件和至少一个图像拾取系统。
背景技术
存在包括包含其中光电转换层被设置在基板上的光接收器的像素的固态图像拾取元件。日本专利公开No.2014-67948描述了使用有机光电转换层作为光电转换层的技术。并且，日本专利公开No.2014-67948描述了提供一对相位差检测像素以实现光瞳分割相位差检测的技术。相位差检测像素具有阻挡入射光的一部分并且被设置在光电转换层上的保护层与微透镜之间的遮光膜。
然而，根据在日本专利公开No.2014-67948中描述的技术，相位差检测像素的位置被固定，并因此用于实现相位差检测的测距点的位置被固定。因此，本公开针对的是容易地改变相位差检测像素的位置。
发明内容
根据本公开的一方面的固态图像拾取元件包含以二维方式布置的多个像素。所述多个像素中的每一个包含多个光电转换单元，该多个光电转换单元分别包含像素电极、被设置在所述像素电极上的光电转换层、以及被设置为使得所述光电转换层夹在像素电极与对电极(counterelectrode)之间的所述对电极。在一个或多个实施例中，通过一个微透镜收集的光进入所述多个光电转换单元。在一个或多个实施例中，所述多个像素中的每一个还包含设置在所述多个光电转换单元上的微透镜。
根据本公开的另一方面的固态图像拾取元件包含以二维方式布置的多个像素。所述多个像素中的每一个包含光电转换单元，并且还包含设置在光电转换单元上的微透镜，该光电转换单元包含像素电极、被设置在所述像素电极上的光电转换层、以及被设置为使得所述光电转换层夹在像素电极与对电极之间的所述对电极。包含在所述多个像素中的每一个中的像素电极和对电极中的至少一个包含可彼此独立地控制的多个部分电极(partialelectrode)。
从以下参照附图的示例性实施例的描述，本公开的进一步特征将变得清楚。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
图2是示出根据第一实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图3是示出根据第一实施例的像素的示例配置的等效电路图。
图4是示出光电转换单元的电势并且描述根据第一实施例的信号读取操作的示图。
图5是示出光电转换单元的电势并且描述根据第一实施例的电荷排出操作的示图。
图6是用于描述根据第一实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图7是示出根据第二实施例的像素阵列的配置的示图。
图8是示出根据第三实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
图9是示出根据第三实施例的像素的示例配置的等效电路图。
图10是示出根据第三实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图11是用于描述根据第三实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图12是示出根据第四实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
图13是示出根据第四实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图14是示出根据第四实施例的像素的示例配置的等效电路图。
图15是示出光电转换单元的电势并且描述根据第四实施例的信号读取操作的示图。
图16是示出光电转换单元的电势并且描述根据第四实施例的电荷排出操作的示图。
图17是用于描述根据第四实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图18是示出根据第五实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
图19是示出根据第五实施例的像素的示例配置的等效电路图。
图20是示出根据第五实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图21是用于描述根据第五实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图22是示出根据第六实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
图23是示出根据第六实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图24是示出根据第六实施例的像素的示例配置的等效电路图。
图25是用于描述根据第六实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图26是示出根据第七实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图27A和图27B是示出根据第七实施例的信号读取电路的示例配置的等效电路图。
图28是用于描述根据第七实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图29A和图29B是示出根据第七实施例的信号读取电路的示例配置的等效电路图。
图30是用于描述根据第七实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图31A和图31B是示出根据第七实施例的信号读取电路的示例设置的示意性平面图。
图32是示出根据第八实施例的像素的截面结构的示例的示图。
图33A和图33B是示出根据第八实施例的信号读取电路的示例配置的等效电路图。
图34是用于描述根据第八实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图35是用于描述根据第八实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。
图36是示出根据第九实施例的图像拾取系统的示例配置的框图。
图37A～37E是像素的示意性平面图，描述设置像素电极的示例。
具体实施方式
第一实施例
图1是示出固态图像拾取元件1000的示例配置的框图。固态图像拾取元件1000包括包含以二维方式布置的多个像素100的像素阵列110、行驱动电路120、垂直信号线130、信号处理器140、列选择电路150、输出放大器170和恒流源180。
图1示出像素阵列110包含以4行×4列布置的像素100，但包含于像素阵列110中的像素100的数量不限于此。
行驱动电路120是以行为单位控制多个像素100的电路，并且包含例如移位寄存器和地址译码器。在本实施例中，行驱动电路120输出信号pRES(n)、pADD(n)、Va(n)、Vb(n)和pSEL(n)。这里，n是代表行的数字。行驱动电路120用作经由驱动电容器(以下描述)控制包含于像素100中的像素电极的电势的像素电极控制器。
属于同一列的多个像素100与同一垂直信号线130连接。从像素100输出的信号通过垂直信号线130被传输到信号处理器140。
信号处理器140包含多个列信号处理器，所述多个列信号处理器中的每一个对于像素阵列110的列中的相应一个而提供。每个列信号处理器可包含用于减少噪声的CDS电路、用于放大信号的放大器和用于保持信号的采样和保持电路。列信号处理器在通过从列选择电路150供给的信号CSEL(m)被选择时输出信号。该输出信号被传输到输出放大器170。这里，m是代表列的数字。
图2示出沿像素100中的一个的截面的示例结构。在本实施例中，像素100包含两个光电转换单元PC1和PC2。两个光电转换单元PC1和PC2共享以下描述的放大晶体管403和选择晶体管404。像素阵列110包含硅基板(Si基板)300、设置在Si基板300上的下部绝缘层301和设置在下部绝缘层301中的布线层302。MOS晶体管被设置在Si基板300上。在布线层302中包含用于向MOS晶体管供给电源的布线和用于传输用于控制MOS晶体管的信号的布线。包含于布线层302中的布线中的一些将设置在Si基板300上的信号读取电路(未示出)与像素电极303连接。在像素电极303上，存在设置的层间绝缘层304、光电转换层305、阻挡层306、对电极307、滤色器层308和包含多个微透镜的微透镜层309。在本实施例中，两个像素电极303a和303b被设置在一个像素100中，而对电极307对于多个光电转换单元共同设置。在该结构中，由一个微透镜收集的光进入多个光电转换单元。拜耳(Bayer)布置可被用于在滤色器层308中布置滤色器。设置在一个像素100中的两个像素电极303a和303b也可被称为可彼此独立地控制的部分电极。
对于同一微透镜提供的两个像素电极303a和303b以其间的距离d彼此分离，并且构成两个光电转换单元。尽管图中没有示出，但相邻像素的像素电极可以以其间的比距离d大的距离D彼此分离。某一像素的像素电极303a被设置在离该某一像素的像素电极303b距离为d处，并且被设置在离相邻像素的像素电极303b距离为D处。通过这样的像素电极设置，可抑制根据进入到某一像素的光产生的电荷存储于相邻像素的光电转换单元中的现象的出现。在每个像素包含滤色器的情况下，可减少颜色的混合。
设置在像素电极303上的层间绝缘层304禁止像素电极303与光电转换层305之间的电子和空穴的通过，并且由例如氢化非晶氮化硅(a-SiN:H)形成。层间绝缘层304具有不通过隧道效应导致电子和空穴的通过的这样的厚度。具体而言，层间绝缘层304可具有50nm或更大的厚度。
经由层间绝缘层304设置在像素电极303上的光电转换层305具有响应于入射光而产生电子-空穴对的光电转换能力。光电转换层305可由本征氢化非晶硅(a-Si:H)、化合物半导体或有机半导体形成。化合物半导体的示例包含诸如BN、GaAs、GaP、AlSb和GaAlAsP的III-VI化合物半导体和诸如CdSe、ZnS和HdTe的II-IV化合物半导体。有机半导体的示例包含酞菁材料和萘材料，诸如富勒烯、香豆素6(C6)、若丹明6G(R6G)、喹吖啶酮和锌酞菁(ZnPc)。
由上述化合物半导体制成的量子点膜可以被用作光电转换层305。可以使用非晶硅膜、有机半导体膜和量子点膜，因为这样可容易地形成薄膜。
本征半导体具有低载流子密度，因此对于光电转换层305使用它导致耗尽层的大宽度。可替代地，可以使用N型或P型半导体。
阻挡层306被设置在光电转换层305上。根据本实施例的阻挡层306具有禁止来自对电极307的空穴注入到光电转换层305中的功能，并且由例如N+型氢化非晶硅形成。在本示例中，使用N+型a-SiH以禁止空穴的注入。可以使用P+型a-SiH以禁止电子的注入。阻挡层306需要禁止导电类型中的一种的载流子(电子或空穴)从对电极307注入到光电转换层305中。可对于阻挡层306使用用于光电转换层305的半导体材料的P型或N型半导体。在这种情况下，用于阻挡层306的半导体的杂质浓度比用于光电转换层305的半导体的杂质浓度高。
经由阻挡层306设置在光电转换层305上的对电极307由使经由微透镜层309和滤色器层308进入的光透过到光电转换层305的材料形成。具体而言，可以使用含有铟和锡的化合物或氧化物，诸如ITO。
并且，透光层可被设置在对电极307与微透镜层309之间。微透镜层309、滤色器层308和透光层可被设计，使得微透镜层309的焦点处于光电转换层305中。透光层可由诸如氧化硅或氮化硅的无机材料形成，或者可由有机材料形成。
图3是根据本实施例的像素100的等效电路图。像素100包含由阻挡层306、光电转换层305和层间绝缘层304组成的光电转换单元PC1和PC2、以及信号读取电路400。
信号读取电路400包含复位晶体管401a和401b、驱动电容器402a和402b、放大晶体管403、选择晶体管404和开关405。复位电压被供给到复位晶体管401a的一个主节点，并且另一主节点与光电转换单元PC1的像素电极303a连接。复位晶体管401a的另一主节点与像素电极303a的共用节点被称为节点N1。复位信号pRES1被供给到复位晶体管401a的控制节点。偏置电压Va被供给到驱动电容器402a的一个节点，并且另一节点与节点N1连接。节点N1经由开关405与放大晶体管403的控制节点连接。放大晶体管403的控制节点被称为节点N2。开关405由信号pADD控制。光电转换单元PC2的像素电极303b与节点N2连接。并且，复位晶体管401b和驱动电容器402b与节点N2连接。复位信号pRES2被供给到复位晶体管401b的控制节点。偏置电压Vb被施加到驱动电容器402b的一个节点，并且另一节点与节点N2连接。光电转换单元PC2经由像素电极303b与节点N2连接。固定电压被施加到放大晶体管403的一个主节点，并且另一主节点经由选择晶体管404与垂直信号线130连接。像素选择信号pSEL被供给到选择晶体管404的控制节点。在接通选择晶体管404时，用作像素内放大器的放大晶体管403与恒流源180一起作为源跟随器电路操作，并且与节点N1的电势对应的电压输出作为来自像素100的像素信号被输入到信号处理器140。节点N1是像素内放大器的输入单元。像素内放大器不限于源跟随器电路，而可以是源接地放大电路，或者可以是由多个晶体管构成的差分放大器或逆变器。
下面，将给出根据本实施例的从像素100读取信号的操作的描述。为了简化，这里将给出当开关405处于OFF状态时从光电转换单元PC2读取信号的情况的描述。图4是示出光电转换单元的电势的示图并且描述信号读取操作。在图4中，关于电子的电势向下侧减小。图4从左边以对电极307(与节点N2对应)、光电转换层305、层间绝缘层304和像素电极303b的次序示出每个区域中的电势的状态。这里，为了简化描述，省略阻挡层306的解释。在图4中，黑色圆代表电子，并且白色圆代表空穴。
在本实施例中，假定复位电压为1V并且施加到上部电极的用于驱动光电转换单元的偏置电压Vs为3V。并且，假定可通过控制电路(未示出)将偏置电压Vb切换到5V或0V。这里给出的数字是示例，并且偏置电压的值不被限制。
通过执行以下的操作a)～f)，实现像素100的读取操作。
a)存储前复位
b)光电荷存储
c)存储后复位
d)N信号读取
e)电荷传送
f)S信号读取
在下文中，以下将详细描述各个操作。
a)存储前复位
复位晶体管401b在偏置电压Vb被设定为0V的状态下被接通，并由此节点N2被复位到1V。此后，复位晶体管401b被关断，并由此产生源自复位晶体管401b的操作的kTC噪声(kTC1)。因此，节点N2即像素电极303b的电势变为1V+kTC1(图4的部分(a))。
b)光电荷存储
在光进入到光电转换层305的状态下完成存储前复位之后，开始光电荷存储操作。在光电荷存储操作处于进行中的同时，偏置电压Vb维持在0V。因此，相对于向其施加3V的电压的对电极307，像素电极303b的电势变为负。因此，光电转换层305中的电子被引向对电极307，并且经由阻挡层306从对电极307排出。另一方面，空穴被引向像素电极303。由于存在阻挡层306，因此不执行从对电极307向光电转换层305中的注入(图4的部分(b-1))。
入射光吸收到光电转换层305中根据入射光量产生电子-空穴对。产生的电子从对电极307排出，而产生的空穴在光电转换层305中移动并且到达光电转换层305与层间绝缘层304之间的界面。然而，空穴不能够移动到层间绝缘层304中，并因此存储于光电转换层305中(图4的部分(b-2))。以这种方式存储的空穴被用作基于入射光的信号电荷。存储于光电转换层305中的空穴使节点N2的电势升高Vp，并且节点N1的电势变为1V+kTC1+Vp1。
c)存储后复位
复位晶体管401b暂时进入ON状态，并由此节点N2被复位到1V。由于根据复位晶体管401b的操作产生噪声(kTC2)，因此节点N2的电势变为1V+kTC2。在存储前复位中产生的噪声kTC1和在存储后复位中产生的噪声kTC2是彼此不相关的所谓的随机噪声成分。
即使节点N2通过复位晶体管401b被复位，存储于光电转换层305中的空穴也保留在光电转换层305中(图4的部分(c))。
d)N信号读取
选择晶体管404被接通，并且与此时的节点N2的电势对应的信号被输出到垂直信号线130。该输出信号例如通过列信号处理器被保持。
e)电荷传送
偏置电压Vb从0V变为5V。因此，节点N2的电势改变。电势的变化量由光电转换单元的电容与驱动电容器402b的电容的比确定。如果假定光电转换单元的电容由C1代表、驱动电容器402b的电容由C2代表、并且偏置电压Vb的正变化量由ΔVb代表，那么节点N2的电势的变化量ΔVN2由下式表达。
ΔVN2＝ΔVb×C1/(C1+C2)···(1)
在本实施例中，在驱动电容器402b的电容C1为光电转换单元的电容C2的四倍的情况下，偏置电压Vb改变5V时节点N2的电势的变化量为4V。
当节点N2的电势增加4V并且变为5V+kTC2时，节点N2的电势和对电极307的电势逆转(reverse)。作为结果，光电转换层305中的电势的梯度逆转(图4的部分(e-1))。因此，电子从对电极307经由阻挡层306被注入到光电转换层305中。存储于光电转换层305中的空穴被引向对电极307，并且与阻挡层306中的电子再耦合以消失。作为结果，存储于光电转换层305中的所有空穴从光电转换层305排出。即，光电转换层305被完全耗尽并由此执行完全传送(图4的部分(e-2))。
随后，当偏置电压Vb被再次设定为0V时，相对于对电极307的电势，节点N2的电势变为负。因此，当偏置电压Vb为5V时注入到光电转换层305中的电子经由阻挡层306从光电转换层305排出。以这种方式，排出的电子量和注入到光电转换层305中的电子量理想地彼此相等，这不影响信号读取。通过偏置电压Vb被设定为0V，节点N2的电势试图返回到1V+kTC2。然而，设置在对电极307与光电转换层305之间的阻挡层306禁止空穴注入到光电转换层305中。因此，基于通过光电荷存储操作存储于光电转换层305中的空穴的信号作为光信号成分Vp保留，并因此节点N2的电势变为1V+kTC2+Vp。
f)S信号读取
选择晶体管404被接通，并且与此时的节点N2的电势对应的信号被输出到垂直信号线130。该输出信号例如通过列信号处理器被保持。对该步骤中获得的信号和通过d)N信号读取获得的信号执行的差分处理导致作为噪声成分的kTC2的抵消，并因此最终获得与光信号成分Vp对应的信号。
选择晶体管404可以在N信号读取之后维持在ON状态。
通过上述操作，可读取像素信号。
下面，将给出在不读取基于通过光电转换单元产生的电荷的像素信号的情况下排出电荷的操作的描述。这里，将通过仅关注开关405处于OFF状态的情况下光电转换单元PC2的操作来给出描述。
图5是示出光电转换单元的电势的示图并且描述电荷排出操作。在图5中，关于电子的电势向下侧减小。图5从左边以对电极307、光电转换层305、层间绝缘层304和像素电极303b的次序示出每个区域中的电势的状态。这里，为了简化描述，省略阻挡层306的解释。在图5中，黑色圆代表电子，并且白色圆代表空穴。
与以上参照图4描述的像素信号读取操作的不同在于，在图4的部分(b-1)和(b-2)中的光电荷存储时段期间施加到驱动电容器402b的偏置电压Vb为5V(图5的部分(b-1)和(b-2))。在向驱动电容器402b施加偏置电压Vb＝5V的状态下，相对于对电极，像素电极被给予正电势。因此，当光进入光电转换层305时，由此产生的空穴通过像素电极与对电极之间的电场被引向对电极并且被排出。
另一方面，在光电转换层305中产生的电子通过像素电极与对电极之间的电场被引向层间绝缘层304，并且存储于光电转换层305与层间绝缘层304之间的界面中。然而，通过在图5的部分(c)所示的步骤中利用复位晶体管401b将像素电极303b的电势复位到1V，存储的电子从对电极排出。作为结果，在根据入射光在光电转换层305中产生的电荷中，空穴和电子均从对电极排出，并因此光信号成分Vp变为0。
将描述根据本实施例的固态图像拾取元件1000的操作的示例。图6是在执行所谓的滚动快门(rollingshutter)操作的情况下与像素阵列中的第n行和第n+1行中的像素有关的操作的定时图。这里，将给出从第n行中的像素读取基于两个光电转换单元PC1和PC2的像素信号和从第n+1行中的像素读取仅基于光电转换单元PC2的像素信号的操作的描述。因此，在第n+1行中的像素中，开关405维持在OFF状态。
读取每个行中的信号的时段大致包含水平消隐时段HBLNK和水平扫描时段HSCAN。HBLNK、HSCAN、信号和偏置电压后面的括号中的数值代表像素阵列中的行。例如，HBLNK(n)代表像素阵列中的第n行中的像素的水平消隐时段。假定信号pRES1和pRES2与信号pRES相同。
在作为第n行中的像素的水平消隐时段的HBLNK(n)开始之前，通过光电转换产生的电荷存储于第n行中的像素的光电转换单元PC1和PC2中，这是图4的部分(b-1)所示的状态。
在时间t1，信号pSEL(n)、pRES(n)和pADD(n)的电平变为高(H)。除Va(n+1)以外，其它信号的电平为低(L)。因此，第n行中的像素被选择，并且在垂直信号线130中出现来自第n行中的像素的信号。并且，通过信号pADD(n)和pRES(n)的电平为H电平，节点N1和N2被短路，并且节点被复位到1V。这是图4的部分(b-2)所示的状态。
当信号pTN的电平从时间t2暂时进入H电平时，与此时的节点N2的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行N信号读取。
当偏置电压Va(n)和Vb(n)的电平从时间t3暂时进入H电平时，节点N2的电势根据存储于光电转换单元PC1和PC2中的电荷量改变。这是图4的部分(e-1)和(e-2)所示的电荷传送操作。
当信号pTS的电平从时间t4暂时进入H电平时，与此时的节点N2的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行S信号读取。此时读取的S信号基于设置在同一微透镜之下的两个光电转换单元PC1和PC2，并因此可被用作图像拾取信号。
当信号pRES(n)的电平在时间t5变为H电平时，节点N2被再次复位到1V。该状态与图4的部分(a)所示的已执行存储前复位的状态对应。
当信号pSEL(n)和pADD(n)的电平在时间t6变为L电平时，第n行中的像素的选择状态被取消，并且节点N1和N2被电断开。
此后，开始水平扫描时段HSCAN(n)，并且信号PHST的电平在时间t7变为H电平。响应于此，列选择电路150开始列信号处理器的扫描。列选择电路150与时钟信号(未示出)同步地操作，并因此从输出放大器170依次输出来自列信号处理器的信号。
在完成通过列选择电路150的扫描之后，偏置电压Va(n+1)的电平在时间t8变为L电平。因此，通过光电转换单元PC1产生的电荷被存储。
在时间t9，信号pSEL(n+1)和pRES(n+1)的电平变为H电平。因此，第n+1行中的像素被选择，并且在垂直信号线130中出现来自第n+1行中的像素的信号。并且，通过信号pRES(n+1)的电平为H电平，节点N2被复位到1V。
当信号pTN的电平从时间t10暂时进入H电平时，与此时的节点N2的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行N信号读取。
通过偏置电压Va(n+1)和Vb(n+1)的电平从时间t11暂时为H电平，节点N1的电势根据存储于光电转换单元PC1中的电荷量改变，并且节点N2的电势根据存储于光电转换单元PC2中的电荷量改变。这是图4的部分(e-1)和(e-2)所示的电荷传送操作。
当信号pTS的电平从时间t12暂时进入H电平时，与此时的节点N2的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行S信号读取。此时读取的S信号仅基于设置在同一微透镜之下的两个光电转换单元PC1和PC2中的光电转换单元PC2，并因此可被用作相位差检测信号。
当信号pRES(n+1)的电平在时间t13变为H电平时，节点N1和N2被再次复位到1V。该状态与已执行图4的部分(a)所示的存储前复位的状态对应。
当信号pSEL(n)的电平在时间t14变为L电平时，第n+1行中的像素的选择状态被取消。
此后，当开始水平扫描时段HSCAN(n+1)时，偏置电压Va(n+1)的电平在时间t15变为H电平，并且再次出现光电转换单元PC1不存储空穴的状态。
在时间t15，信号PHST的电平变为H电平。响应于此，列选择电路150开始列信号处理器的扫描。列选择电路150与时钟信号(未示出)同步地操作，并因此从输出放大器170依次输出来自列信号处理器的信号。
如上所述，关于第n行中的像素，基于对于同一微透镜提供的两个光电转换单元的像素信号被读取并被用作图像拾取信号。另一方面，关于第n+1行中的像素，仅基于对于同一微透镜提供的两个光电转换单元中的一个的像素信号被读取。可通过通过从像素读取仅基于光电转换单元PC1的像素信号并从另一像素读取仅基于光电转换单元PC2的像素信号来对两个像素信号执行差分处理，检测相位差。在像素中，图2中左边的光电转换单元可被用作光电转换单元PC2，并且在另一像素中，图2中右边的光电转换单元可被用作光电转换单元PC2。
固态图像拾取元件1000的操作不限于上述操作。要从其读取图像拾取信号的像素和要从其读取相位差检测信号的像素可在例如捕获静止图像和捕获移动图像的情况下被切换，或者可根据要从其读取像素信号的像素的数量被切换。
如上所述，根据本实施例，可获得图像拾取信号和相位差检测信号。根据本实施例的像素中的每一个包含彼此独立地控制的两个部分电极(像素电极303)，并因此像素可被兼用作图像拾取像素和相位差检测像素。因此，与日本专利公开No.2014-67948中不同，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，在日本专利公开No.2014-67948中描述的结构中，遮光膜被提供以覆盖相位差检测像素的一部分，并因此相位差检测像素和图像拾取像素可以具有不同的光学特性。相比之下，根据本实施例的像素的有利之处在于，用作相位差检测像素的像素和用作图像拾取像素的像素具有彼此等同的光学特性。
第二实施例
图7是示出根据第二实施例的像素阵列110的示图。这里，将给出布置4行×4列的像素的情况的描述。
这里，将给出从左边起第一列中的像素和从右边起第一列中的像素被以固定的方式用作图像拾取像素并且中间两列中的像素被以切换的方式用作相位差检测像素或者图像拾取像素的示例的描述。
在图3所示的配置中，通过将信号pADD的电平固定到H电平或者将开关405的控制节点固定到电源，从左边起第一列和从右边起第一列中的像素100a作为图像拾取像素操作。
从左边起第二列中的像素100b被配置，使得图中左边的光电转换单元为光电转换单元PC2。从右边起第二列中的像素100c被配置，使得图中右边的光电转换单元为光电转换单元PC2。通过该配置，可在从左边起第二列和从右边起第二列中实现相位差检测操作。
根据操作模式，从左边起第二列和从右边起第二列中的像素可作为图像拾取像素操作。例如，这些像素可在移动图像捕获期间作为相位差检测像素操作，并且可在静止图像捕获期间作为图像拾取像素操作。可替代地，可通过用户操作切换作为相位差检测像素或图像拾取像素的像素100b和100c的操作。
第三实施例
图8示出根据第三实施例的固态图像拾取元件的示例配置。与图1所示的固态图像拾取元件的部件相同的部件由相同的附图标记表示。在下文中，将主要给出与图1所示的配置的不同的描述。
根据本实施例的固态图像拾取元件与图1所示的固态图像拾取元件的不同在于，每个像素100包含对于各个光电转换单元提供并且彼此独立的信号读取电路400a和400b，并且对于像素阵列的每个列提供两个垂直信号线130a和130b。
图9是示出根据本实施例的像素100的示例配置的等效电路图。该配置与通过从图3所示的像素100去除开关并且添加放大晶体管和选择晶体管获得的配置等效。对于光电转换单元PC1提供信号读取电路400a，并且信号读取电路400a的输出被供给到垂直信号线130a。信号读取电路400a包含放大晶体管403a、选择晶体管404a、复位晶体管401a和驱动电容器402a。在接通选择晶体管404a时，放大晶体管403a与沿垂直信号线130a提供的恒流源180a一起作为源跟随器电路操作。同样地，对于光电转换单元PC2提供信号读取电路400b，并且信号读取电路400b的输出被供给到垂直信号线130b。信号读取电路400b包含放大晶体管403b、选择晶体管404b、复位晶体管401b和驱动电容器402b。在接通选择晶体管404b时，放大晶体管403b与沿垂直信号线130b提供的恒流源180b一起作为源跟随器电路操作。
在本实施例中，对于像素阵列110的每个列提供两个垂直信号线130a和130b，并因此可以并行地读取基于在同一像素100中提供的两个光电转换单元PC1和PC2的信号。因此，信号读取电路400a和400b通过共用信号控制。
图10是根据本实施例的像素100的截面图。如从示图清楚地看到的，对于提供在同一微透镜之下的两个单独的光电转换单元提供信号读取电路。
图11是用于描述根据本实施例的操作的定时图。并且在本实施例中，将给出滚动快门操作的描述。与图6所示的操作的不同在于，在第n行和第n+1行两者中读取基于两个光电转换单元的信号。
在本实施例中，在时间t4上由列信号处理器采样和保持基于两个光电转换单元的信号。这些信号与在时间t2上由列信号处理器采样和保持的信号之间的差被获得，以执行相关双重采样(CDS)处理。作为加算(add)经受差分处理的信号的结果，可获得基于两个光电转换单元的信号。该信号可被用作图像拾取信号。另一方面，经受差分处理的各个信号可被用作相位差检测信号。因此，可在获得图像拾取信号的同时执行相位差检测。
这同样应用到在时间t12上采样和保持的信号。
在本实施例中，如第一实施例中那样，每个像素包含彼此独立地控制的两个像素电极303，并因此像素可被兼用作图像拾取像素和相位差检测像素。因此，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，根据本实施例，每个像素包含信号读取电路，并因此可并行地获得相位差检测信号和图像拾取信号。
第四实施例
图12是示出根据第四实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。
根据第四实施例的固态图像拾取元件与图1所示的固态图像拾取元件的不同在于，每个像素100包含两个对电极307a和307b以及一个像素电极303，并且不提供开关405，并且进一步地，施加到驱动电容器的偏置电压为固定的偏置电压。在第一实施例中，每个像素包含用作可彼此独立地控制的部分电极的两个像素电极。相比之下，在本实施例中，两个对电极被用作可彼此独立地控制的部分电极。
两个对电极307a和307b被配置为可彼此独立地控制。行驱动电路120向两个对电极307a和307b供给偏置电压Vsa和Vsb。另一方面，像素电极303被两个光电转换单元共享。
图13是根据本实施例的像素100的截面图。在图2中，一个像素包含一个对电极307。相比之下，在本实施例中，一个像素包含两个对电极307a和307b。并且，在图2中提供两个像素电极303a和303b，而在本实施例中提供一个像素电极303。因此，不提供开关405，并且提供一个复位晶体管，尽管在图2中提供两个复位晶体管401a和401b。在本实施例中，每个像素包含由像素电极303以及对电极307a和307b构成的光电转换单元PC1和PC2。
对于同一微透镜提供的两个对电极307a和307b以其间的距离d彼此分离，并且构成两个光电转换单元。尽管在图中没有示出，但相邻像素的对电极可以以其间的比距离d大的距离D彼此分离。某一像素的对电极307a被设置在离该某一像素的对电极307b距离为d处，并且被设置在离相邻像素的对电极307b距离为D处。通过这样的对电极设置，可抑制根据进入到某一像素的光产生的电荷存储于相邻像素的光电转换单元中的现象的出现。在每个像素包含滤色器的情况下，可减少颜色的混合。滤色器例如被提供在对电极与微透镜之间。并且，可以在滤色器与对电极307之间以及在两个相邻像素之间提供遮光膜，以便进一步抑制颜色混合的出现。可在滤色器与微透镜之间提供保护膜，以便减少由形成滤色器产生的段差。
图14是根据本实施例的像素100的等效电路图。在本实施例中，驱动电容器402的一个节点与节点N1连接，并且另一节点固定到接地电势。偏置电压Vsa和Vsb分别被供给到对电极307a和307b。
图15是示出光电转换单元的电势的示图并且描述根据本实施例的信号读取操作。这里，为了简化，将通过关注光电转换单元PC1描述操作。
通过执行以下的操作a)～f)，实现像素100的读取操作。
a)存储前复位
b)光电荷存储
c)存储后复位
d)N信号读取
e)电荷传送
f)S信号读取
在下文中，以下将详细描述各个操作。
a)存储前复位
复位晶体管401在5V的偏置电压Vsa被施加到对电极307的状态下被接通，并由此节点N1被复位到3V。此后，复位晶体管401被关断，并由此产生源自复位晶体管401的操作的kTC噪声(kTC1)。因此，节点N1即像素电极303的电势变为3V+kTC1(图15的部分(a))。
b)光电荷存储
在光进入到光电转换层305的状态下完成存储前复位之后，开始光电荷存储操作。在光电荷存储操作处于进行中的同时，偏置电压Vsa维持在5V。因此，相对于向其施加3V的电压的对电极307，像素电极303b的电势变为负。因此，光电转换层305中的电子被引向对电极307，并且经由阻挡层306从对电极307排出。另一方面，空穴被引向像素电极303。由于存在阻挡层306，因此不执行从对电极307向光电转换层305中的注入(图15的部分(b-1))。
入射光吸收到光电转换层305中根据入射光量产生电子-空穴对。产生的电子从对电极307排出，而产生的空穴在光电转换层305中移动并且到达光电转换层305与层间绝缘层304之间的界面。然而，空穴不能够移动到层间绝缘层304中，并因此存储于光电转换层305中(图15的部分(b-2))。以这种方式存储的空穴被用作基于入射光的信号电荷。存储于光电转换层305中的空穴使节点N2的电势升高Vp，并且节点N1的电势变为3V+kTC1+Vp1。
c)存储后复位
复位晶体管401暂时进入ON状态，并由此节点N1被复位到3V。由于根据复位晶体管401的操作产生噪声(kTC2)，因此节点N2的电势变为3V+kTC2。在存储前复位中产生的噪声kTC1和在存储后复位中产生的噪声kTC2是彼此不相关的所谓的随机噪声成分。
即使节点N1通过复位晶体管401被复位，存储于光电转换层305中的空穴也保留在光电转换层305中(图15的部分(c))。
d)N信号读取
选择晶体管404被接通，并且与此时的节点N1的电势对应的信号被输出到垂直信号线130。该输出信号例如通过列信号处理器被保持。
e)电荷传送
施加到对电极307a的偏置电压Vsa从5V变为0V。因此，节点N1的电势改变。电势的变化量由光电转换单元的电容与驱动电容器402的电容的比确定。如果假定光电转换单元的电容由C1代表、驱动电容器402的电容由C2代表、并且偏置电压Vsa的正变化量由ΔVsa代表，那么节点N1的电势的变化量ΔVN1由下式表达。
ΔVN1＝ΔVsa×C1/(C1+C2)···(1)
在本实施例中，在驱动电容器402的电容C1为光电转换单元的电容C2的四倍的情况下，偏置电压Vsa改变5V时节点N1的电势的变化量为4V。
当节点N1的电势增加4V并且变为5V+kTC2时，节点N1的电势和对电极307a的电势逆转。作为结果，光电转换层305中的电势的梯度逆转(图15的部分(e-1))。因此，电子从对电极307经由阻挡层306被注入到光电转换层305中。存储于光电转换层305中的空穴被引向对电极307a，并且与阻挡层306中的电子再耦合以消失。作为结果，存储于光电转换层305中的所有空穴从光电转换层305排出。即，光电转换层305被完全耗尽并由此执行完全传送(图15的部分(e-2))。
随后，当偏置电压Vsa被再次设定为5V时，相对于对电极307a的电势，节点N1的电势变为负。因此，当偏置电压Vsa为0V时注入到光电转换层305中的电子经由阻挡层306从光电转换层305排出。以这种方式，排出的电子量和注入到光电转换层305中的电子量理想地彼此相等，这不影响信号读取。通过偏置电压Vsa被设定为5V，节点N1的电势试图返回到3V+kTC2。然而，设置在对电极307a与光电转换层305之间的阻挡层306禁止空穴注入到光电转换层305中。因此，基于通过光电荷存储操作存储于光电转换层305中的空穴的信号作为光信号成分Vp保留，并因此节点N1的电势变为3V+kTC2+Vp。
f)S信号读取
选择晶体管404被接通，并且与此时的节点N1的电势对应的信号被输出到垂直信号线130。该输出信号例如通过列信号处理器被保持。对该步骤中获得的信号和通过d)N信号读取获得的信号执行的差分处理导致作为噪声成分的kTC2的抵消，并因此最终获得与光信号成分Vp对应的信号。
选择晶体管404可以在N信号读取之后维持在ON状态。
通过上述操作，可读取像素信号。
图16是示出光电转换单元的电势的示图并且描述根据本实施例的电荷排出操作。在图16中，关于电子的电势向下侧减小。图16从左边以对电极307a、光电转换层305、层间绝缘层304和像素电极303的次序示出每个区域中的电势的状态。这里，为了简化描述，省略阻挡层306的解释。在图16中，黑色圆代表电子，并且白色圆代表空穴。
与以上参照图15描述的像素信号读取操作的不同在于，在图15的部分(b-1)和(b-2)中的光电荷存储时段期间施加到对电极307a的偏置电压Vsa为0V(图16的部分(b-1)和(b-2))。在向对电极307a施加偏置电压Vsa＝0V的状态下，相对于对电极，像素电极被给予正电势。因此，当光进入光电转换层305时，由此产生的空穴通过像素电极与对电极之间的电场被引向对电极并且被排出。
另一方面，在光电转换层305中产生的电子通过像素电极与对电极之间的电场被引向层间绝缘层304，并且存储于光电转换层305与层间绝缘层304之间的界面中。然而，通过在图16的部分(c)所示的步骤中利用复位晶体管401将像素电极303的电势复位到3V，存储的电子从对电极排出。作为结果，在根据入射光在光电转换层305中产生的电荷中，空穴和电子均从对电极排出，并因此光信号成分Vp变为0。
将描述根据本实施例的固态图像拾取元件1000的操作的示例。图17是在执行所谓的滚动快门操作的情况下与像素阵列中的第n行和第n+1行中的像素有关的操作的定时图。这里，将给出从第n行中的像素读取基于两个光电转换单元PC1和PC2的像素信号和从第n+1行中的像素读取仅基于光电转换单元PC2的像素信号的操作的描述。
在作为第n行中的像素的水平消隐时段的HBLNK(n)开始之前，通过光电转换产生的电荷存储于第n行中的像素的光电转换单元PC1和PC2中，这是图15的部分(b-1)所示的状态。
在时间t1，信号pSEL(n)和pRES(n)的电平变为H电平。因此，第n行中的像素被选择，并且在垂直信号线130中出现来自第n行中的像素的信号，并且节点N1被复位到3V。这是图15的部分(b-2)所示的状态。
当信号pTN的电平从时间t2暂时进入H电平时，与此时的节点N1的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行N信号读取。
通过偏置电压Vsa(n)和Vsb(n)的电平从时间t3暂时为L电平时，节点N1的电势根据存储于光电转换单元PC1和PC2中的电荷量改变。这是图15的部分(e-1)和(e-2)所示的电荷传送操作。
当信号pTS的电平从时间t4暂时进入H电平时，与此时的节点N1的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行S信号读取。此时读取的S信号基于设置在同一微透镜之下的两个光电转换单元PC1和PC2，并因此可被用作图像拾取信号。
当信号pRES(n)的电平在时间t5变为H电平时，节点N1被再次复位到3V。该状态与已执行图15的部分(a)所示的存储前复位的状态对应。
当信号pSEL(n)的电平在时间t6变为L电平时，第n行中的像素的选择状态被取消。
此后，开始水平扫描时段HSCAN(n)，并且信号PHST的电平在时间t7变为H电平。响应于此，列选择电路150开始列信号处理器的扫描。列选择电路150与时钟信号(未示出)同步地操作，并因此从输出放大器170依次输出来自列信号处理器的信号。
直到偏置电压Vsa(n+1)的电平在时间t8变为H电平(这里为5V)，通过光电转换单元产生的电荷不存储于光电转换层中并且被排出。
在时间t9，信号pSEL(n+1)和pRES(n+1)的电平变为H电平。因此，第n+1行中的像素被选择，并且在垂直信号线130中出现来自第n+1行中的像素的信号。并且，通过信号pRES(n+1)的电平为H电平，节点N1被复位到3V。
当信号pTN的电平从时间t10暂时进入H电平时，与此时的节点N2的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行N信号读取。
当偏置电压Vsa(n+1)和Vsb(n+1)的电平从时间t11暂时进入L电平时，节点N1的电势根据存储于光电转换单元PC1和PC2中的电荷量改变。这是图15的部分(e-1)和(e-2)所示的电荷传送操作。直到时间t8，光电转换单元PC1处于不存储电荷的状态。因此，仅从时间t8到时间t11存储于光电转换单元PC1中的电荷有助于信号成分。
当信号pTS的电平从时间t12暂时进入H电平时，与此时的节点N1的电势对应的信号通过信号处理器140被采样和保持。即，执行S信号读取。此时读取的S信号仅基于设置在同一微透镜之下的两个光电转换单元PC1和PC2中的光电转换单元PC2，并因此可被用作相位差检测信号。
当信号pRES(n+1)的电平在时间t13变为H电平时，节点N1被再次复位到3V。该状态与已执行图15的部分(a)所示的存储前复位的状态对应。
当信号pSEL(n+1)的电平在时间t14变为L电平时，第n+1行中的像素的选择状态被取消。
此后，当开始水平扫描时段HSCAN(n+1)时，偏置电压Vsa(n+1)的电平在时间t15变为H电平，并且再次出现光电转换单元PC1不存储空穴的状态。
在偏置电压Vsa变为L电平之后，信号PHST的电平在时间t15变为H电平。响应于此，列选择电路150开始列信号处理器的扫描。列选择电路150与时钟信号(未示出)同步地操作，并因此从输出放大器170依次输出来自列信号处理器的信号。
如上所述，关于第n行中的像素，基于对于同一微透镜提供的两个光电转换单元的像素信号被读取并被用作图像拾取信号。另一方面，关于第n+1行中的像素，仅基于对于同一微透镜提供的两个光电转换单元中的一个的像素信号被读取并被用作相位差检测信号。
如第一实施例中那样，固态图像拾取元件1000的操作不限于上述操作。要从其读取图像拾取信号的像素和要从其读取相位差检测信号的像素可在例如捕获静止图像和捕获移动图像的情况下被切换，或者可根据要从其读取像素信号的像素的数量被切换。
如上所述，根据本实施例，可获得图像拾取信号和相位差信号。根据本实施例的像素中的每一个包含彼此独立地控制的两个部分电极(这里为对电极307)，并因此像素可被兼用作图像拾取像素和相位差检测像素。因此，与日本专利公开No.2014-67948中不同，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，在日本专利公开No.2014-67948中描述的结构中，遮光膜被提供以覆盖相位差检测像素的一部分，并因此相位差检测像素和图像拾取像素可以具有不同的光学特性。相比之下，根据本实施例的像素的有利之处在于，用作相位差检测像素的像素和用作图像拾取像素的像素具有彼此等同的光学特性。
第五实施例
图18示出根据第五实施例的固态图像拾取元件的示例配置。与图1所示的固态图像拾取元件的部件相同的部件由相同的附图标记表示。在下文中，将主要给出与图1所示的配置的不同的描述。
根据本实施例的固态图像拾取元件与图1所示的固态图像拾取元件的不同在于，每个像素100包含两个对电极307a和307b。因此，除了要施加到驱动电容器的偏置电压Va和Vb以外，行驱动电路120向每个行中的像素供给要施加到对电极的偏置电压Vsa和Vsb。两个对电极307a和307b被设置，使得光电转换层被夹在对电极307a和307b与像素电极303a和303b之间，以便构成两个光电转换单元PC1和PC2。换句话说，在本实施例中，像素电极303和对电极307中的每一个包含可彼此独立地控制的部分电极。
图19是示出像素100的示例配置的等效电路图。在图3中，仅向对电极307施加偏置电压Vs。相比之下，在本实施例中，向两个光电转换单元PC1和PC2施加彼此独立的偏置电压Vsa和Vsb。
图20是示出像素100的示例配置的截面图。与图2的仅有不同在于，代替对电极307，提供彼此分离的对电极307a和307b。可在对电极307a与307b之间提供绝缘部件或遮光部件，并由此可抑制两个光电转换单元之间的串扰。
图21是用于描述根据本实施例的固态图像拾取元件的操作的定时图。在本实施例中，执行滚动快门。基于两个光电转换单元的像素信号从第n行中的像素获得，而基于两个光电转换单元中的一个的像素信号从第n+1行中的像素获得。
在本实施例中，除施加到对电极的偏置电压Vsa和Vsb以外的信号与图6所示的信号相同。偏置电压Vsa和Vsb与图17所示的那些相同。因此，基于两个光电转换单元的像素信号可从第n行中的像素获得，而基于两个光电转换单元中的一个的像素信号可从第n+1行中的像素获得。
根据本实施例的像素中的每一个包含彼此独立地控制的两个对电极307和两个像素电极303，并因此可被兼用作图像拾取像素和相位差检测像素。因此，与日本专利公开No.2014-67948中不同，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，在日本专利公开No.2014-67948中描述的结构中，遮光膜被提供以覆盖相位差检测像素的一部分，并因此相位差检测像素和图像拾取像素可以具有不同的光学特性。相比之下，根据本实施例的像素的有利之处在于，用作相位差检测像素的像素和用作图像拾取像素的像素具有彼此等同的光学特性。
第六实施例
图22是示出根据第六实施例的固态图像拾取元件的示例配置的框图。在图18所示的固态图像拾取元件中，4行×4列的所有像素100具有两个对电极307a和307b。相比之下，在本实施例中，在图22所示的像素中，第m+1列中的像素和第m+2列中的像素具有两个对电极307a和307b，而第m列中的像素和第m+3列中的像素具有一个对电极307。并且，在图18中，包含于每个像素中的两个对电极307a和307b在像素阵列中是平移对称的，但在本实施例中，包含于第m+1列和第m+2列中的像素中的每一个中的对电极307a和307b是线对称的。
图23是第m列和第m+3列中的像素的截面图。如图23所示，像素中的每一个包含一个像素电极303和一个对电极307，并且光电转换层305被夹在像素电极303与对电极307之间，以便构成一个光电转换单元PC。
图24是第m列和第m+3列中的像素的等效电路图。该配置通过从图3所示的像素的配置去除复位晶体管401b、驱动电容器402b和开关405获得。
第m+1列中的像素具有与图14所示的电路图等效的电路图。第m+2列中的像素具有在图14所示的等效电路图中向光电转换单元PC1供给偏置电压Vsb并且向光电转换单元PC2供给偏置电压Vsa的配置。
将参照图25所示的定时图描述根据本实施例的操作。
可从第n行中的各个像素获得图像拾取信号。在第m列和第m+3列中执行与图17所示的第n行中的操作相同的操作，但本实施例的不同在于，每个像素仅包含一个光电转换单元。通过执行与图17所示的第n行中的操作相同的操作，可从第m+1列和第m+2列中的像素获得基于存储于两个光电转换单元PC1和PC2中的电荷的信号。
图25是用于描述根据本实施例的操作的定时图。关于第n+1行，如第n行中那样，可从第m列和第m+3列中的像素获得图像拾取信号。关于第m+1列，读取基于图22中右边的光电转换单元的信号。关于第m+2列，读取基于图22中左边的光电转换单元的信号。基于第m+1列中的像素的左边的光电转换单元的信号和基于第m+2列中的像素的右边的光电转换单元的信号不被读取并且被从对电极排出。以这种方式，从第m+1列和第m+2中的像素获得的信号被用作相位差检测信号。
关于第n+2行以及以后行，根据相位差检测所需要的精度，可以执行与第n行的操作相同的操作，或者可以执行与第n+1行的操作相同的操作。即，根据本实施例，可动态执行仅获得图像拾取信号的行与获得相位差检测信号的行之间的切换。
在本实施例中，像素中的一些包含彼此独立地控制的两个部分电极(这里为对电极307)，并因此这些像素可被兼用作图像拾取像素和相位差检测像素。因此，与日本专利公开No.2014-67948中不同，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，在日本专利公开No.2014-67948中描述的结构中，遮光膜被提供以覆盖相位差检测像素的一部分，并因此相位差检测像素和图像拾取像素可以具有不同的光学特性。相比之下，根据本实施例的像素的有利之处在于，用作相位差检测像素的像素和用作图像拾取像素的像素具有彼此等同的光学特性。
第七实施例
图26是用于描述根据第七实施例的像素的截面结构的示图。与上述实施例的不同在于，多个光电转换单元被层叠。为了简化示图，图26没有示出层间绝缘层304和阻挡层306。
图26示出从半导体基板向微透镜依次层叠三个光电转换单元PC1、PC2和PC3的配置。光电转换单元PC1包含光电转换单元PC1a和PC1b。对于设置在光电转换层305a、305b和305c之间的各个层使用具有透光特性的材料，并由此可获得这样的配置。层间绝缘层INS被设置在光电转换单元PC3的像素电极303与光电转换单元PC2的对电极307之间。并且，层间绝缘层INS被设置在光电转换单元PC2的像素电极303与光电转换单元PC1的对电极307之间。并且，层间绝缘层INS被设置在光电转换单元PC3的对电极307与微透镜层309之间。
在各个光电转换层305的膜厚度被设定为使得在光电转换单元的三个层中顶层吸收入射光的蓝颜色成分、第二层吸收绿颜色成分以及底层吸收红颜色成分的情况下，可从进入到同一微透镜的光获得B、G和R的信号成分，而不提供滤色器。
在本实施例中，光电转换单元PC2和PC3中的每一个包含一个像素电极和一个对电极，并且光电转换单元PC1包含一个对电极和两个像素电极303a和303b。通过该配置，可从三个层中接近微透镜的两个层中的光电转换单元PC2和PC3获得图像拾取信号，并且可从底层中的光电转换单元PC1获得相位差检测信号。
信号读取电路对于每个光电转换层而提供。可以使用以上在上述实施例中描述的信号读取电路，或者可以使用具有另一配置的信号读取电路。
图27A和图27B示出信号读取电路的示例配置。图27A是与三个光电转换单元PC1～PC3中的光电转换单元PC2和PC3对应的信号读取电路的等效电路图。该配置通过在图9所示的结构中的一个光电转换单元和信号读取电路的配置中提供传送晶体管406获得。图27B是与光电转换单元PC1对应的信号读取电路的等效电路图。该配置通过从图3所示的结构去除一个光电转换单元、复位晶体管401b、驱动电容器402b和开关405并且提供传送晶体管406a和406b获得。对于各个光电转换单元提供的信号读取电路的输出与不同的垂直信号线连接。如上述实施例中那样，在像素阵列110的同一列中提供的像素共享同一垂直信号线。
图28是根据本实施例的定时图。在本实施例中，将给出从光电转换单元PC2和PC3读取图像拾取信号并且从光电转换单元PC1读取相位差检测信号和图像拾取信号的操作的描述。
在时间t1，信号pSEL(n)和pRES(n)的电平变为H电平。因此，第n行中的像素被选择，并且节点N1被复位。在节点N1被复位之后获得的信号通过列信号处理器被采样和保持，并由此执行上述N信号读取操作。
在时间t2，信号pTX1(n)和pTXA1(n)的电平变为H电平。此后，当要供给到驱动电容器的偏置电压Va(n)在时间t3进入H电平时，从放大晶体管403输出与存储于光电转换单元PC2和PC3中的电荷量和存储于光电转换单元PC1a中的电荷量对应的信号。从放大晶体管403输出的信号通过列信号处理器被采样和保持，并由此执行上述S信号读取操作。关于光电转换单元PC2和PC3，获得与通过N信号读取获得的信号的差，并由此可获得具有减少的噪声的图像拾取信号。另一方面，关于光电转换单元PC1a，获得与通过N信号读取获得的信号的差，并由此可获得具有减少的噪声的相位差检测信号。
在时间t4，信号pTXB1(n)的电平变为H电平。此后，当偏置电压Va(n)的电平在时间t5变为H电平时，在基于存储于光电转换单元PC1a中的电荷的信号上叠加基于存储于光电转换单元PC1b中的电荷的信号。得到的信号是基于存储于光电转换单元PC1a和PC1b中的电荷的总和的信号，并因此从放大晶体管403输出的信号也可被用作图像拾取信号。该信号通过列信号处理器被采样和保持。并且，在信号pTXA1(n)的电平变为L电平之后且在时间t4之前，获得与被采样和保持的信号的差，以计算基于仅存储于光电转换单元PC1b中的电荷的信号。因此，图像拾取信号和相位差检测信号均可从光电转换单元PC1获得。
第n+1行以及以后行的操作与第n行的操作相同，并因此省略其描述。
图29A和图29B是示出根据本实施例的信号读取电路的其它示例配置的示图。图29A是与三个光电转换单元PC1～PC3中的光电转换单元PC2和PC3对应的信号读取电路的等效电路图。图29B是与光电转换单元PC1对应的信号读取电路的等效电路图。对于各个光电转换单元提供的信号读取电路的输出与不同的垂直信号线连接。如上述实施例中那样，在像素阵列110的同一列中提供的各个像素共享同一垂直信号线。
图29A所示的信号读取电路与图27A所示的配置的不同在于，传送晶体管406和驱动电容器与节点N1不连接而经由第二传送晶体管407与节点N1连接。
同样地，图29B所示的信号读取电路与图27B所示的配置的不同在于，传送晶体管406a和406b以及驱动电容器与节点N1不连接而经由第二传送晶体管407a和407b与节点N1连接。
下面，将参照图30描述图29A和图29B所示的信号读取电路的操作。
在时间t1，信号pSEL(n)和pRES(n)的电平变为H电平，并且信号pTX2(n)和pTXA2(n)的电平也变为H电平。因此，节点N1被复位。在节点N1被复位之后获得的信号通过列信号处理器被采样和保持，并由此执行上述N信号读取操作。
在时间t2，信号pTX1(n)和pTXA1(n)的电平变为H电平。此后，当要供给到驱动电容器的偏置电压Va(n)的电平从时间t3暂时变为H电平时，与存储于光电转换单元PC2和PC3以及光电转换单元PC1a中的电荷量对应的电压通过驱动电容器402被保持。
当信号PTX2(n)和PTXA2(n)的电平在时间t4变为H电平时，驱动电容器402与节点N1连接。因此，从放大晶体管403输出与由驱动电容器402保持的电压对应的信号。从放大晶体管403输出的信号通过列信号处理器被采样和保持，并由此执行上述S信号读取操作。关于光电转换单元PC2和PC32，获得与通过N信号读取获得的信号的差，并由此获得具有减少的噪声的图像拾取信号。另一方面，关于光电转换单元PC1a，获得与通过N信号读取获得的信号的差，并由此获得具有减少的噪声的相位差检测信号。
在随后执行的水平消隐时段HBLNK(n+1)中的操作中，信号pTXA1和pTXA2维持在L电平，并且信号pTXB1和pTXB2具有与水平消隐时段HBLNK(n)中的信号pTXA1和pTXA2相同的波形。因此，关于光电转换单元PC1，读取仅基于光电转换单元PC1b的信号。该信号被用作相位差检测信号，并且作为加算到在HBLNK(n)中从光电转换单元PC1a读取的信号的结果，可以被用作图像拾取信号。即，根据本实施例，可从所有的三个光电转换单元PC1～PC3获得图像拾取信号，并且也可从底层中的光电转换单元PC1获得相位差检测信号。
基于光电转换单元PC2和PC3的图像拾取信号在该操作期间被读取两次。仅在水平消隐时段HBLNK(n)中读取的信号可以被用于形成图像，或者在水平消隐时段HBLNK(n+1)中读取的信号可以被加算以形成图像。
图31A和图31B是示出根据本实施例的信号读取电路的示例设置的示意性平面图。如图31B所示，与光电转换单元PC1对应的信号读取电路400-1比与光电转换单元PC2和PC3对应的信号读取电路400-2和400-3包含更大量的部件，并因此具有更大的面积。信号读取电路的设置和像素电极303a和303b的设置可自由确定。例如，如图31A所示，像素电极303a可以被设置为覆盖信号读取电路400-1和400-2，并且像素电极303b可以被设置为覆盖信号读取电路400-1和400-3。
在本实施例中，已给出在从半导体基板向微透镜的方向上依次层叠三个光电转换单元PC1～PC3的配置的描述。光电转换单元的数量不限于三个，而可以是两个或者可以是四个或更多个。
在本实施例中，已给出仅从底层中的光电转换单元获得相位差检测信号的情况的描述，但可以从另一层获得相位差检测信号。然而，为了执行相位差检测，可以设计微透镜，使得入射光聚焦于对电极307侧的光电转换层305的界面上或者光电转换层305内部。在这种情况下，难以通过使用最接近微透镜的光电转换单元获得相位差检测信号，并因此可以从除最接近微透镜的光电转换单元以外的光电转换单元获得相位差检测信号。
在本实施例中，每个像素包含彼此独立地控制的两个对电极307，并因此像素可被兼用作图像拾取像素和相位差检测信号。因此，与日本专利公开No.2014-67948中不同，相位差检测像素的位置可动态改变。并且，在日本专利公开No.2014-67948中描述的结构中，遮光膜被提供以覆盖相位差检测像素的一部分，并因此相位差检测像素和图像拾取像素可以具有不同的光学特性。相比之下，根据本实施例的像素的有利之处在于，用作相位差检测像素的像素和用作图像拾取像素的像素具有彼此等同的光学特性。
第八实施例
图32示出根据第八实施例的像素的截面结构。与图26的不同在于，对于层叠的三个光电转换单元提供一个信号读取电路。
图33A和图33B是根据本实施例的信号读取电路的等效电路图。图33A所示的电路与图27A和图27B所示的信号读取电路类似，但在对于多个光电转换单元PC1～PC3提供共用放大晶体管403上与图27A和图27B所示的信号读取电路不同。图33B所示的电路与图29A和图29B所示的信号读取电路类似，但在对于多个光电转换单元PC1～PC3提供共用放大晶体管403上与图29A和图29B所示的信号读取电路不同。通过该配置，与根据第七实施例的配置相比，可减小信号读取电路的规模，这对于增加像素阵列中的像素的数量和减小像素的大小是有利的。
图34是用于描述在对于信号读取电路400使用图33A所示的配置的情况下从三个层中的光电转换单元读取信号的操作的定时图。
首先，读取基于光电转换单元PC2的信号。在时间t1，信号pSEL(n)和pRES(n)的电平变为H电平，并且放大晶体管403的栅节点N1被复位。在信号pRES(n)的电平变为L电平之后，列信号处理器采样和保持输出到垂直信号线130的信号。
在时间t2，信号pTX11(n)的电平变为H电平。在时间t3，在信号pTX11(n)维持在H电平的同时，施加到驱动电容器402的偏置电压Va的电平变为H电平。因此，基于存储于光电转换单元PC2中的电荷的信号被输出到垂直信号线130，并且该信号通过列信号处理器被采样和保持。并且，在本实施例中，可通过获得与通过使节点N1复位获得的信号的差获得具有减少的噪声的信号。
在时间t4，开始基于光电转换单元PC1的信号的读取。信号pRES(n)的电平在时间t4变为H电平，并因此节点N1被再次复位。因此，输出到垂直信号线130的信号通过列信号处理器被采样和保持。
当信号pTX12(n)和偏置电压Va的电平从时间t5依次变为H电平时，基于存储于光电转换单元PC1a中的电荷的信号被输出到垂直信号线130。该输出到垂直信号线130的信号通过列信号处理器被采样和保持。
当信号pTX13(n)和偏置电压Va的电平从时间t6依次变为H电平时，节点N1的电势根据存储于光电转换单元PC1b中的电荷量改变。作为结果，基于存储于光电转换单元PC1a和PC1b中的电荷的和的信号被输出到垂直信号线130。该输出到垂直信号线130的信号通过列信号处理器被采样和保持。如上述实施例中那样，从时间t5到时间t6被采样和保持的信号可被用作相位差检测信号，并且在从时间t6开始的操作中读取的信号可被用作图像拾取信号。并且，通过获得两个信号之间的差，可获得仅基于存储于光电转换单元PC1b中的电荷的相位差检测信号。
从时间t7，读取基于光电转换单元PC3的信号。该操作与读取基于光电转换单元PC2的信号的操作相同，并因此省略其描述。
因此，可单独地从层叠的光电转换单元PC1～PC3读取信号。
图35是用于描述在对于信号读取电路400使用图33B所示的配置的情况下从三个层中的光电转换单元读取信号的操作的定时图。在本实施例中，存储于各个光电转换单元中的电荷被同时传送到相应的驱动电容器，并然后从放大晶体管依次输出信号。在下文中，假定伴随节点N1的电容器的电容相对于每个驱动电容器的电容充分小。
在时间t1，信号pSEL(n)和pRES(n)的电平变为H电平，并且放大晶体管403的栅节点N1被复位。在信号pRES(n)的电平变为L电平之后，列信号处理器采样和保持输出到垂直信号线130的信号。在时间t1，信号pTX21(n)、pTX22(n)、pTX23(n)和pTX24(n)的电平变为H电平，并因此驱动电容器402a～402d被复位。
从时间t2，信号pTX11(n)、pTX12(n)、pTX13(n)和pTX14(n)的电平变为H电平。在信号pTX11(n)、pTX12(n)、pTX13(n)和pTX14(n)维持在H电平的同时，对于驱动电容器的偏置电压Va的电平变为H电平，并因此基于存储于各个光电转换单元中的电荷的电压通过相应的驱动电容器402a～402d被保持。
此后，当信号pTX21(n)的电平在时间t3变为H电平时，节点N1的电势根据保持于驱动电容器402a中的电荷改变。由此从放大晶体管输出的信号通过列信号处理器被采样和保持。该信号基于光电转换单元PC2。
随后，当信号pTX22(n)的电平在时间t4变为H电平时，节点N1的电势根据存储于驱动电容器402b中的电荷改变。由此从放大晶体管输出的信号通过列信号处理器被采样和保持。该信号基于光电转换单元PC1a。在时间t4，基于光电转换单元PC2的电荷通过节点N1被保持。然而，由于伴随节点N1的电容器的电容比每个驱动电容器的电容充分小，因此不需要在信号pTX22(n)的电平变为H电平之前使节点N1复位。在伴随节点N1的电容的电容器相对于每个驱动电容器的电容大并且不可忽略的情况下，需要在信号pTX22的电平变为H电平之前使节点N1复位。
此后，信号pTX23(n)和pTX24(n)的电平依次变为H电平，并且从放大晶体管403输出的信号通过列信号处理器被采样和保持。
以这种方式，可从层叠的光电转换单元PC1～PC3单独地读取信号。
读取信号的次序不限于图34和图35所示的次序。例如，可以在基于光电转换单元PC2和PC3的信号之前读取基于光电转换单元PC1的信号。
并且，在本实施例中，如第七实施例中那样，可以通过使用除最接近微透镜的光电转换单元PC3以外的光电转换单元获得相位差检测信号。并且，在本实施例中，可以使用两个层中的光电转换单元或者四个层或更多个层中的光电转换单元。
在本实施例中，可获得与第七实施例中的效果相同的效果，并且可读取基于存储于层叠的光电转换单元中的电荷总量的信号。
第九实施例
图36是示出图像拾取系统的示例配置的示图。图像拾取系统800包含例如光学单元810、固态图像拾取元件1000、视频信号处理器830、记录/通信单元840、定时控制器850、系统控制器860和回放/显示单元870。图像拾取设备820包含固态图像拾取元件1000和视频信号处理器830。作为固态图像拾取元件1000，使用根据上述各个实施例的固态图像拾取元件中的任一个。
作为包含透镜等的光学系统的光学单元810使来自被照体的光聚焦于固态图像拾取元件1000的包含以二维方式布置的多个像素的像素阵列110上，并且形成被照体的图像。固态图像拾取元件1000在基于来自定时控制器850的信号的定时上输出与聚焦于像素阵列110上的光对应的信号。从固态图像拾取元件1000输出的信号被输入到作为视频信号处理器的视频信号处理器830，并且视频信号处理器830根据由程序等限定的方法对信号执行信号处理。通过由视频信号处理器830执行的处理获得的信号作为图像数据被传输到记录/通信单元840。记录/通信单元840向回放/显示单元870传输用于形成图像的信号，并且使回放/显示单元870回放和显示移动图像或静止图像。并且，记录/通信单元840与系统控制器860通信并响应于来自视频信号处理器830的信号在记录介质(未示出)上记录用于形成图像的信号。
系统控制器860以集中的方式控制图像拾取系统的操作，并且控制光学单元810、定时控制器850、记录/通信单元840和回放/显示单元870的驱动。例如，系统控制器860包含作为记录介质的存储设备(未示出)。控制图像拾取系统等的操作所需要的程序记录于存储设备中。系统控制器860向图像拾取系统供给用于根据用户操作切换驱动模式或感度的信号。具体的示例包含改变要读取的行或要复位的行、根据电子变焦改变视角和根据电子图像稳定改变视角。响应于用户输入切换图像拾取系统的感度使得能够切换固态图像拾取元件1000的感度。即，系统控制器860具有作为用于选择图像拾取系统800的感度的感度选择单元的功能，并且固态图像拾取元件1000的感度可根据选择的感度被切换。
定时控制器850基于由系统控制器860执行的控制对固态图像拾取元件1000和视频信号处理器830的驱动定时进行控制。定时控制器850可用作用于设定固态图像拾取元件1000的图像拾取感度的感度设定单元。
其它实施例
在第一实施例中，每个像素包含两个像素电极303a和303b。两个像素电极303a和303b可以以各种方式设置在像素中。图37A～37E是用于描述设置像素电极的示例的像素的示意性平面图。在图37A～37E中，水平方向是沿像素阵列的行的方向，并且与其垂直的方向是沿像素阵列的列的方向。
图37A示出在沿行的方向上设置像素电极303a和303b的示例。
图37B示出在沿列的方向上设置像素电极303a和303b的示例。
图37C示出沿关于沿行的方向和沿列的方向形成45度的方向设置像素电极303a和303b的示例。
通过具有图37A～37C所示的配置的多个像素，可在像素阵列中沿多个方向执行相位差检测。例如，在沿列的方向上设置具有图37A所示的配置的多个像素，并且在沿行的方向上设置具有图37B所示的配置的多个像，并由此可在成像表面上在垂直方向和水平方向上执行相位差检测。这在诸如数字照相机的图像拾取系统中是特别有用的，原因在于需要多个方向上、不仅是一个方向上的相位差检测。
图37D和图37E示出提供三个或更多个像素电极的情况下的示例配置。
图37D示出以2行×2列设置4个像素电极的示例。通过可彼此独立地控制的各个像素电极，可在某一操作模式中利用图37A所示的设置操作像素电极，并且可在另一操作模式中利用图37B所示的设置操作像素电极。即，相位差检测的方向可动态切换。
并且，通过图37E所示的设置，可动态切换要被同时操作的一组像素电极。
以上已描述了像素电极，但通过以与图37A～37E中的方式相同的方式设置对电极可获得相同的效果。
在上述实施例中，已给出对于包含于同一像素中的多个光电转换单元提供连续的光电转换层即共用光电转换层的示例的描述。光电转换层可以通过包含绝缘部件和遮光部件中的至少一个的光电转换层分离单元分成多个部分。因此，可增加相位差检测的精度。
并且，相邻像素的光电转换层可以通过包含绝缘部件和遮光部件中的至少一个的光电转换层分离单元彼此分离。
在各个像素中提供的微透镜的形状不必相同。例如，随着离像素阵列110的中心的距离增加，进入像素的光的入射角变得与半导体基板更平行。因此，即使在向固态图像拾取元件施加均匀光的情况下，随着离像素阵列的中心的距离减小，由此获得的信号电平也增加。通过考虑这一点改变微透镜的形状，可响应于均匀入射光而获得均匀信号。更具体而言，微透镜的曲率或截面形状可改变。
上述实施例仅仅是示例，并且可在不偏离本公开的精神的情况下进行改变。例如，实施例可彼此组合。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (16)

1.一种固态图像拾取元件，该固态图像拾取元件包含以二维方式布置的多个像素，其特征在于，所述多个像素中的每一个包括：
多个光电转换单元，该多个光电转换单元分别包含像素电极、被设置在所述像素电极上的光电转换层、以及被设置为使得所述光电转换层夹在像素电极与对电极之间的所述对电极，
其中，通过一个微透镜收集的光进入所述多个光电转换单元。
2.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，包含在所述多个像素中的每一个中的所述多个光电转换单元共享所述像素电极和对电极中的一个。
3.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，包含在所述多个像素中的每一个中的所述多个光电转换单元共享所述光电转换层。
4.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，包含在所述多个像素中的每一个中的所述多个光电转换单元包含至少一个光电转换层分离单元，该至少一个光电转换层分离单元包含遮光部件和绝缘部件中的至少一个，该至少一个光电转换层分离单元被设置在所述光电转换层之间。
5.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，所述多个像素中的每一个还包括设置在所述对电极与微透镜之间的滤色器。
6.根据权利要求5所述的固态图像拾取元件，其中，在所述对电极与滤色器之间以及所述多个像素中的两个相邻像素之间设置遮光膜。
7.根据权利要求6所述的固态图像拾取元件，其中，在所述遮光膜与滤色器之间设置保护膜。
8.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，所述光电转换层由本征氢化非晶硅、化合物半导体和有机半导体中的任一个构成。
9.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，包含在所述多个像素所包含的光电转换单元中的对电极通过不同的布线被供给信号。
10.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，所述多个像素中的每一个还包括信号读取电路，并且
其中，所述信号读取电路包含驱动电容器，该驱动电容器包含与所述像素电极连接的一个节点。
11.根据权利要求10所述的固态图像拾取元件，还包含被配置为经由所述驱动电容器控制像素电极的电势的像素电极控制器。
12.根据权利要求1所述的固态图像拾取元件，其中，所述多个像素中的每一个还包括设置在所述多个光电转换单元与微透镜之间的光电转换单元。
13.一种固态图像拾取元件，该固态图像拾取元件包含以二维方式布置的多个像素，其特征在于，所述多个像素中的每一个包括：
光电转换单元，该光电转换单元包含像素电极、被设置在所述像素电极上的光电转换层、以及被设置为使得所述光电转换层夹在像素电极与对电极之间的所述对电极；和
微透镜，该微透镜被设置在所述光电转换单元上，
其中，包含在所述多个像素中的每一个中的像素电极和对电极中的至少一个包含可彼此独立地控制的多个部分电极。
14.根据权利要求13所述的固态图像拾取元件，其中，所述像素电极包含所述多个部分电极。
15.根据权利要求13所述的固态图像拾取元件，其中，所述对电极包含所述多个部分电极。
16.一种图像拾取系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1所述的固态图像拾取元件；
光学系统，该光学系统被配置为在多个像素上形成图像；以及
视频信号处理器，该视频信号处理器被配置为对从所述固态图像拾取元件输出的信号进行处理以产生图像数据。
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