CN105323509B - 光电转换装置和光电转换系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光电转换装置和光电转换系统。提供一种光电转换装置，该光电转换装置包括：多个光电转换单元，其中每个光电转换单元都包含第一电极、第二电极、蓄积信号电荷并且被设置在第一电极与第二电极之间的光电转换层和设置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层；放大单元，被配置为接收光学信号并且输出分别基于所述光学信号中的一个的信号，所述光学信号中的每一个基于所述信号电荷中的一个，所述信号电荷中的每一个蓄积于所述多个光电转换单元中的一个中；和电容元件，具有第一节点和第二节点，第一节点与多个光电转换单元的第二电极和放大单元连接，并且第二节点选择性接收具有不同值的多个电势中的每一个。

Description

光电转换装置和光电转换系统
技术领域
本公开涉及光电转换装置和光电转换系统。
背景技术
日本专利公开No.2002-350551公开了包含光电转换单元、电容元件、传送晶体管和放大器的光电转换装置。光电转换单元包含第一电极、被设置为相对于第一电极接近基板的第二电极和设置在第一电极与第二电极之间的光电转换层。电容元件蓄积从第二电极供给的信号电荷。传送晶体管向放大器输出通过电容元件蓄积的信号电荷。
在日本专利公开No.2002-350551中公开的光电转换装置包括一一对一关系的电容元件和光电转换单元。因此，在光电转换装置中需要大的电路面积。
发明内容
本公开提供一种光电转换装置，该光电转换装置包括：多个光电转换单元，其中每个光电转换单元都包含第一电极、第二电极、蓄积信号电荷并且被设置在第一电极与第二电极之间的光电转换层和设置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层；放大单元，被配置为接收光学信号并且输出分别基于所述光学信号中的一个的信号，所述光学信号中的每一个基于所述信号电荷中的一个，所述信号电荷中的每一个蓄积于所述多个光电转换单元中的一个中；及电容元件，具有第一节点和第二节点，第一节点与所述多个光电转换单元的第二电极和放大单元连接，并且第二节点选择性接收具有不同值的多个电势中的每一个。
参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是示出光电转换装置的构成的示图。
图2A～2D是示出光电转换单元的操作的示图。
图3A和图3B是示出光电转换装置的操作的示图。
图4是示出光电转换装置的另一操作的示图。
图5是示出电容器驱动单元的构成的示图。
图6A和图6B是示出光电转换装置的操作的示图。
图7是示出光电转换装置的操作的示图。
图8是示出光电转换装置的另一构成的示图。
图9是示出光电转换系统的构成的示图。
具体实施方式
以下，参照附图描述光电转换装置的实施例。
第一实施例
图1是示出根据第一实施例的光电转换装置的构成的示图。
图1所示的光电转换装置10包含像素单胞1000、电容器驱动单元12、垂直信号线17、电流源18和列放大单元19。光电转换装置10还包含电源单元30a和30b。
像素单胞1000包含单位像素10a和10b、复位单元14和像素输出单元16。
单位像素10a包含光电转换单元101a和传送晶体管15a。类似地，单位像素10b包含光电转换单元101b和传送晶体管15b。光电转换单元101a包含第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209。阻挡层203被设置在第一电极201与光电转换层205之间，并且，光电转换层205被设置在阻挡层203与绝缘层207之间。并且，绝缘层207被设置在光电转换层205与第二电极209之间。光电转换单元101b可具有与光电转换单元101a相同的构成。以下，描述光电转换单元101a。传送晶体管15a和15b被设置为分别与光电转换单元101a和101b对应。传送晶体管15a和15b用作分别向用作放大单元的放大晶体管16a传送光电转换单元101a和101b的光学信号的传送单元。
第一电极201由对具有可通过光电转换层205感测的波长范围的光具有高透光率的导电部件形成。例如，包含铟和/或锡的化合物，诸如氧化铟锡(ITO)，或者包含ZnO的化合物，被用作第一电极201的材料。这样，与使用铜等的不透明电极被用作第一电极201的情况相比，本实施例的光电转换层205可获得更大量的光。作为另一例子，本实施例的第一电极201可由具有允许透过预定光量的厚度的多晶硅或金属形成。
阻挡层203抑制具有与在光电转换层205中蓄积的信号电荷相同的极性的电荷从第一电极201注入到光电转换层205。光电转换层205通过施加到第一电极201的电势Vs与第二电极209的电势之间的电势差被耗尽。并且，光电转换层205的电势的梯度根据施加到第一电极201的电势Vs与第二电极209的电势之间的关系反相。通过该构成，光电转换层205可蓄积信号电荷并且排出蓄积的信号电荷。以下描述光电转换单元101a的操作。
注意，在本实施例中，供给到第一电极201的电源电压与从电源单元30a和30b供给的电势Vs对应。
光电转换层205由本征非晶硅(以下，称为a-Si”)、低浓度P型a-Si或低浓度N型a-Si等形成。作为替代方案，光电转换层205可由化合物半导体形成。化合物半导体的例子包含：III-V族化合物半导体，诸如BN、GaAs、GaP、AlSb或GaAlAsP；II-VI族化合物半导体，诸如CdSe、ZnS或HdTe；和IV-VI族化合物半导体，诸如PbS、PbT或CuO。作为替代方案，光电转换层205可由有机材料形成。例如，可以使用富勒烯、香豆素6(C6)、若丹明6G(R6G)、锌酞菁(ZnPc)、喹吖啶酮、酞菁化合物或萘酞菁化合物等。并且，包含上述化合物半导体的量子点膜可被用作光电转换层205。
当光电转换层205由半导体形成时，使用具有低杂质浓度的半导体或本征半导体。通过该构成，可在光电转换层205中确保足够大的耗尽层，并因此可获得高灵敏度和噪声降低的效果。
阻挡层203可由与用于光电转换层205的半导体的材料相同并且具有比用于光电转换层205的半导体高的杂质浓度的材料的N型或P型半导体形成。当a-Si被用于光电转换层205时，例如，对阻挡层203使用已经掺杂杂质的N型a-Si或已经掺杂杂质的P型a-Si。由于费米能级的位置根据杂质浓度改变，因此，阻挡层203仅对电子或空穴用作势垒。
当光电转换层205包含量子点膜时，阻挡层203由与用于量子点膜的半导体的材料相同并且具有与量子点膜不同的导电类型的材料形成。例如，当量子点膜是P型PbS时，阻挡层203由N型PbS形成。并且，虽然对阻挡层203使用与量子点膜的材料相同且具有与量子点膜相同的导电类型的材料，但量子点膜的材料和阻挡层203的材料具有不同的杂质浓度。
作为替代方案，阻挡层203可由与光电转换层205不同的材料形成。通过该构成，形成异质结。由于因材料之间的差异而获得不同的带隙，因此可仅对电子或空穴形成势垒。当光电转换层205包含量子点膜时，例如，可对量子点膜使用PbS，并且，可对阻挡层203使用ZnO。
绝缘层207被夹置在光电转换层205与第二电极209之间。非晶硅氧化物(以下，称为“a-SiO”)、非晶硅氮化物(以下，称为“a-SiN”)或有机材料被用作绝缘层207的材料。在一个实施例中，绝缘层207具有不允许信号电荷因隧道效应而透过的厚度。通过该构成，可以减少漏电流，并可因此减少噪声。具体而言，绝缘层207具有50nm或更大的厚度。
当对阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207使用非晶膜时，可以执行加氢处理，以用氢终止悬空键。通过该构成，可以减少噪声。
第二电极209由诸如金属的导电部件形成。可对第二电极209使用与形成布线的导电部件的材料相同的材料或与形成用于外部连接的焊盘电极的导电部件的材料相同的材料。通过该构成，在本实施例的光电转换单元101a中，可以同时形成第二电极209和形成布线或焊盘电极的导电部件。因此，与通过与形成布线或焊盘电极的导电部件不同的材料形成第二电极209的情况相比时，可通过简单的过程制造本实施例的光电转换单元101a。
光电转换单元101a的第一电极201与电源单元30a电连接。电源单元30a向第一电极201供给电势Vs。光电转换单元101b的第一电极与电源单元30b电连接。电源单元30b向光电转换单元101b的第一电极供给电势Vs。
传送晶体管15a与光电转换单元101a的第二电极209电连接。并且，传送晶体管15b与光电转换单元101b的第二电极电连接。从未示出的垂直扫描电路供给的信号φT1被供给到传送晶体管15a的栅极。并且，从未示出的垂直扫描电路供给的信号φT2被供给到传送晶体管15b的栅极。
复位单元14包含复位晶体管14a。复位电势Vres被供给复位晶体管14a的源极和漏极中的一个，并且，源极和漏极中的另一个与节点FD电连接。复位电势Vres比电势Vs小。在本实施例中，假定电势Vs为5V且复位电势Vres为2V。并且，信号φRes从未示出的垂直扫描电路被供给到复位晶体管14a的栅极。
电容器驱动单元12包含缓冲器电路12a和电容元件12b。作为电容元件12b的节点中的一个的第一节点与节点FD电连接。具体而言，电容元件12b的第一节点通过分别用作传送单元的传送晶体管15a和15b共同与光电转换单元101a和101b电连接。作为电容元件12b的节点中的另一个的第二节点与缓冲器电路12a电连接。信号φVp从与垂直扫描电路分开设置的未示出的时序发生器被供给到缓冲器电路12a。缓冲器电路12a将通过缓冲信号φVp的电势获得的电势供给到电容元件12b。未示出的时序发生器是通过缓冲器电路12a向电容元件12b供给具有不同的电势的信号φVp的电势供给单元。
电容元件12b与节点FD电连接。例如，电容元件12b包含相互面对的两个电极。这两个电极由多晶硅或金属形成。作为替代方案，电容元件12b包含半导体区域和设置在半导体区域上的多晶硅电极。通过电容元件12b与节点FD连接的构成，可在从光电转换单元101a读取光学信号时减少噪声。现在将描述该噪声减少操作。
本实施例的光电转换装置10执行节点FD的电势的控制。光电转换单元101a的第二电极209的电势根据节点FD的电容值(放大晶体管16a的栅极电容)与在第一电极201和第二电极209之间的电容部件的电容值(以下，称为光电转换单元101a的电容值)之间的比改变。这是由于节点FD与光电转换单元101a被视为串联连接的两个电容。
本实施例的光电转换装置10执行节点FD的电势的控制。光电转换单元101a的第二电极209的电势根据电容元件12b的电容值与放大晶体管16a的栅极电容和在第一电极201和第二电极209之间的电容部件的电容值(以下，称为光电转换单元101a的电容值)的合成电容之间的比改变，放大晶体管16a的栅极电容与第一电极201和第二电极209之间的电容部件通过节点FD相连。这是由于电容元件12b和合成电容被视为串联连接的两个电容。
在本实施例的光电转换装置10中，电容元件12b的电容值越大，则在信号φVp改变时第二电极209的电势的变化量越大。
根据本实施例，电容元件12b与节点FD电连接。被供给信号φVp的电势的电容元件12b与节点FD相互电气分开。
因此，当第二电极209的电势被控制使得从光电转换单元101a读取光学信号时，可在第一电极201与第二电极209之间施加大的电势差。这样，本实施例的光电转换装置10可以很容易地耗尽光电转换层205。因此，光电转换单元101a相对于入射光的灵敏度提高。并且，由于基于入射光开始信号电荷蓄积时的光电转换层205的电势基本上稳定，因此，可减少包含于光学信号中的噪声。
像素输出单元16包含放大晶体管16a和选择晶体管16b。放大晶体管16a的栅极与节点FD电连接。并且，电势Vdd被输入到放大晶体管16a的源极和漏极中的一个，并且，放大晶体管16a的源极和漏极中的另一个与选择晶体管16b的源极和漏极中的一个电连接。选择晶体管16b的源极和漏极中的另一个与垂直信号线17电连接。并且，信号φSe1从未示出的垂直扫描电路被供给到选择晶体管16b的栅极。作为放大单元的放大晶体管16a输出通过放大从第二电极209输出的信号而获得的信号。
电流源18通过垂直信号线17与选择晶体管16b电连接。当选择晶体管16b被导通时，源极跟随器电路由放大晶体管16a和电流源18形成。
列放大单元19的输入节点与垂直信号线17电连接。列放大单元19的输出节点与未示出的信号保持单元电连接。未示出的信号保持单元与未示出的输出单元电连接。从未示出的输出单元输出的信号与从光电转换装置10输出的信号对应。
图1所示的光电转换装置10对作为多个光电转换单元的光电转换单元101a和101b包含单个电容元件12b和单个放大晶体管16a。具体而言，单个电容元件12b和单个放大晶体管16a由光电转换单元101a和101b共享。
虽然在图1中仅示出单个像素单胞1000，但实际上多个像素单胞被布置成几千行×几千列的矩阵。并且，对包含布置于其中的多个像素单胞1000的各列设置垂直信号线17、电流源18和列放大单元19。多个像素单胞1000被布置于像素区域中。并且，列放大单元19被设置在设置在像素区域外部的外围电路区域中。外围电路区域是在分别包含于多个光电转换单元101中的第一电极201的正交投影外部的区域。
下面，将描述本实施例的光电转换单元101a的操作。图2A～2D是示意性地示出光电转换单元101a中的能带的示图。在图2A～2D中，示出第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209的能带。在图2A～2D中，纵轴表示相对于电子的电势。在图2A～2D中，相对于电子的电势向上增加。因此，在图2A～2D中，电势向下减小。在第一电极201和第二电极209中表示出费米能级。在阻挡层203和光电转换层205中表示出导带的能级与价带的能级之间的带隙。
作为光电转换单元101a的操作，重复执行以下的步骤(1)～(5)。(1)复位放大单元的输入节点，(2)读取噪声信号，(3)从光电转换单元传送信号电荷，(4)读取光学信号，以及(5)蓄积信号电荷。以下，将描述这些步骤中的每一个。
图2A是示出步骤(1)和(2)中的光电转换单元101a的状态的示图。电势Vs被供给到第一电极201。例如，第一电势Vs为3V。由空心圆表示的空穴作为在曝光时段中产生的信号电荷蓄积于光电转换层205中。绝缘层207侧的光电转换层205的表面电势根据蓄积的空穴的数量改变。并且，缓冲器电路12a向电容元件12b供给第一电势Vd1。例如，第一电势Vd1为0V。
在这种状态下，复位晶体管14a被导通。这样，包含第二电极209的节点的电势，即节点FD的电势，被复位到复位电势Vres。例如，复位电势Vres为1V。由于节点FD与放大晶体管16a的栅极连接，因此，节点FD是放大单元的输入节点。因此，放大单元的输入节点被复位。
然后，复位晶体管14a被关断。这样，节点FD进入到电气浮动状态。这里，可通过复位晶体管14a产生复位噪声。信号电荷的蓄积空穴保持于光电转换层205中。
当放大晶体管16a被导通时，放大晶体管16a输出包含复位噪声的噪声信号。
图2B和图2C是示出步骤(3)中的光电转换单元101a的状态的示图。首先，缓冲器电路12a向电容元件12b供给第二电势Vd2。由于空穴被用作信号电荷，因此第二电势Vd2比第一电势Vd1高。例如，第二电势Vd2为5V。
这里，第二电极209(节点FD)的电势沿与由缓冲器电路12a供给的电势的变化方向相同的方向改变。第二电极209的电势的变化量dVB根据与节点FD电连接的电容元件12b的电容值C1与光电转换单元101a的电容值C2的比而被确定。变化量dVB表示如下：
dVB＝(Vd2-Vd1)×C1/(C1+C2) (1)
在以下的描述中，为了简化描述，假定电容值C1和C2相等。因此，变化量dVB表示如下：
dVB＝(Vd2-Vd1)×(1/2) (2)
注意，在本实施例中，假定光电转换单元101b的电容值也等于光电转换单元101a的电容值C2。
在本实施例中，与第二电极209的电势Vs与复位电势Vres之间的差值(Vs-Vres)相比，第二电极209的电势的变化量dVB足够大。因此，第二电极209的电势变得低于第一电极201的电势，并且，光电转换层205的电势的梯度变为反相。这样，由实心圆表示的电子从第一电极201被注入到光电转换层205。并且，作为信号电荷蓄积于光电转换层205中的空穴中的一些或全部移动到阻挡层203。移动的空穴重新与阻挡层203中的数个载流子耦合并且消失。作为结果，光电转换层205中的空穴从光电转换层205被排出。当整个光电转换层205要被耗尽时，作为信号电荷蓄积的所有的空穴被排出。
随后，在图2C所示的状态中，缓冲器电路12a向电容元件12b供给第一电势Vd1。这样，光电转换层205的电势的梯度再次变为反相。因此，在图2B的状态中注入光电转换层205中的电子从光电转换层205被排出。同时，阻挡层203减少从第一电极201到光电转换层205的空穴注入量。因此，节点FD的电势从复位状态改变与消失的空穴的数量对应的电势Vsig。具体而言，在节点FD中出现与作为信号电荷蓄积的空穴的数量对应的电势Vsig。与蓄积空穴的数量对应的电势Vsig被称为“光学信号分量”。
这里，选择晶体管16b在图2C所示的状态中被导通。这样，放大晶体管16a输出光学信号。在步骤(2)中读取的噪声信号与在步骤(4)中读取的光学信号之间的差值表示基于与蓄积信号电荷对应的复位电势Vsig的信号。
图2D是示出步骤(5)中的光电转换单元101a的状态的示图。电势Vs被供给到第一电极201，并且，复位电势Vres被供给到节点FD。由于复位电势Vres比第一电极201的电势Vs低，因此，光电转换层205中的电子被排出到第一电极201。另一方面，光电转换层205中的空穴被移动到光电转换层205与绝缘层207之间的界面。但是，由于不允许空穴移动到绝缘层207，因此空穴蓄积于光电转换层205中。并且，如上面描述的那样，阻挡层203抑制空穴注入到光电转换层205。因此，当光在这种状态下入射于光电转换层205上时，在通过光电转换产生的多对电子和空穴中，只有空穴作为信号电荷蓄积于光电转换层205中。第二电极209的电势Vch根据蓄积于光电转换层205中的空穴改变。
在信号电荷与电子对应的情况下，第二电势Vd2比第一电势Vd1低。并且，在这种情况下，阻挡层203的导电类型与本实施例的阻挡层203的导电类型相反。因此，电势的梯度在图2A～2D中反相。其它操作相同。
下面，将参照图3描述图1所示的光电转换装置10的时序图。
图3A是示出从光电转换单元101a和101b向节点FD分别输出信号的操作的示图。图3B是示出向节点FD输出通过将由光电转换单元101a和101b产生的光学信号彼此相加而获得的信号的操作的示图。图3A和图3B所示的信号与图1所示的信号对应。图3A和图3B所示的信号φS/H被未示出的时序发生器使用，以控制设置在列放大单元19的后续阶段中的未示出的信号保持单元的采样操作。当信号φS/H的电平从高电平(以下，称为“Hi”)变为低电平(以下，称为“Lo”)时，信号保持单元保持从列放大单元19输出的信号。
首先，将描述图3A所示的操作。图3A所示的时段T0-1中的操作与光电转换单元101a相关联。时段T0-2中的操作与光电转换单元101b相关联。
在时间点t1，未示出的垂直扫描电路将信号φRes和信号φT1的电平从Lo变为Hi。通过其栅极接收Hi的信号φRes的复位晶体管14a被导通。这样，节点FD的电势被复位到电势Vd1。并且，通过其栅极接收Hi的信号φT1的复位晶体管15a被导通。这样，光电转换单元101a的第二电极209与节点FD之间的电气路径从非接通状态变为接通状态，因此，第二电极209的电势被复位到电势Vd1。并且，垂直扫描电路将信号φSe1设定为Hi。这样，选择晶体管16b被导通。因此，放大晶体管16a向垂直信号线17输出基于节点FD的电势的信号。
在时间点t2，未示出的垂直扫描电路将信号φRes从Hi变为Lo。这样，节点FD的复位被取消。在作为从时间点t1到时间点t2的时间段的时段T1-1中执行的操作与上述的步骤(2)对应。
然后，未示出的时序发生器将信号φS/H从Lo变为Hi，并然后将信号φS/H重新变为Lo。当信号φS/H的信号电平从Hi变为Lo时，信号保持单元保持从列放大单元19输出的信号。此时从列放大单元19输出的信号为噪声信号。该操作与上述的步骤(2)对应。在图3A中，与由信号保持单元执行的噪声信号的保持相关联的操作由“N”表示。
注意，在到达时间点t3之前的时间段中，缓冲器电路12a根据Lo的信号φVp向电容元件12b供给第一电势Vd1。在本实施例中Lo的信号φVp为0V。缓冲器电路12a向电容元件12b供给第一电势Vd1，该第一电势Vd1为0V。
在时间点t3，时序发生器将信号φVp从为0V的Lo变为Hi，即10V。缓冲器电路12a根据Hi的信号φVp向电容元件12b供给为10V的第二电势Vd2。第二电极209的电势的变化量dVB根据上式(2)表示如下：dVB＝(10-0)×(1/2)＝5(V)。因此，通过向复位电势Vres施加5V获得第二电极209的电势。
当Hi的信号φVp被输入时，如图2B所示，光电转换层205的空穴被刷新。然后，时序发生器将信号φVp变为Lo。这样，如图2C所示，光学信号被输出到第二电极209。该操作与上述的步骤(3)对应。由于传送晶体管15a处于导通状态，因此，光电转换单元101a的第二电极209与放大晶体管16a之间的电气路径处于接通状态。因此，放大晶体管16a向垂直信号线17输出基于光学信号的信号。该操作与上述的步骤(4)对应。列放大单元19输出通过放大基于光学信号且从放大晶体管16a输出的所述信号而获得的信号(以下，称为“放大光学信号”)。
然后，时序发生器将信号φS/H变为Hi并然后将信号φS/H变为Lo。这样，信号保持单元保持从列放大单元19输出的放大光学信号。在图3A中，与由信号保持单元执行的放大光学信号的保持相关联的操作由“S”表示。
然后，在从时间点t5到时间点t6的时间段中，光电转换单元101a的下电极的残留电荷被复位。这样，如图2D所示，光电转换单元101a准备好重新执行基于光的信号电荷的蓄积。该操作被执行以为步骤(5)中的操作做准备。
在时间点t6，垂直扫描电路将信号φT1设定为Lo。并且，垂直扫描电路将信号φSe1设定为Lo。这样，选择晶体管16b被关断。因此，基于通过光电转换单元101a蓄积的信号电荷的信号向垂直信号线17的输出被终止。
通过获得噪声信号与由信号保持单元保持的放大光学信号之间的差值，可以获得噪声分量被减少的放大光学信号。
然后，也使用光电转换单元101b执行使用光电转换单元101a执行的操作，使得基于蓄积于光电转换单元101b中的信号电荷的信号被输出到垂直信号线17。
下面，将描述图3B所示的操作。在以下的描述中，主要描述与参照图3A描述的操作不同的点。在图3B所示的操作中，光电转换单元101a和101b的光学信号在节点FD中被彼此相加。
在时间点t10，垂直扫描电路将信号φT1和φT2的信号电平从Lo变为Hi。这样，传送晶体管15a和15b均被导通。并且，垂直扫描电路将信号φRes设定为Hi。这样，光电转换单元101a和101b中的第二电极209的电势与节点FD的电势根据复位电势Vres被复位。
在时间点t11，垂直扫描电路将信号φRes设定为Lo。
然后，时序发生器将信号φS/H变为Hi并然后将信号φS/H变为Lo。这样，信号保持单元保持噪声信号。
在时间点t12，时序发生器将信号φVp的电平从Lo(即0V)变为Hi(即15V)。这里，将描述Hi的信号φVp的电平为15V的原因。假定光电转换单元101b的电容值由“C3”表示，那么，在图3B所示的操作中，由式(1)表示的第二电极209的电势的变化量dVB表示如下：
dVB＝(Vd2-Vd1)×C1/(C1+C2+C3) (3)
在本实施例中，满足式“C1＝C2＝C3”，因此，式(3)可由下式(4)代替。
dVB＝(Vd2-Vd1)×(1/3) (4)
光电转换单元101a和101b的第二电极209的电势的变化量dVB被设定为5V，这与图3A所示的操作相同，由于Vd1为0V，因此，电势Vd2为15V。因此，信号φVp为15V。Hi的信号φVp的电平变为如图3A所示从光电转换单元101a和101b分别读取光学信号的情况的3/2倍。
信号φVp从Hi变为Lo。并且，由于传送晶体管15a和15b均处于导通状态，因此，光电转换单元101a和101b的第二电极209与放大晶体管16a之间的电气路径处于接通状态。因此，光学信号从光电转换单元101a和101b的第二电极209供给到节点FD。节点FD的电势与通过将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号的电势对应。
然后，时序发生器将信号φS/H变为Hi并然后将信号φS/H变为Lo。这样，信号保持单元保持通过依次用放大晶体管16a和列放大单元19放大通过将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号来获得的信号。
这样，在图3A所示的操作中，本实施例的光电转换装置10可从多个光电转换单元分别地读取光学信号。并且，本实施例的光电转换装置10可读取通过在用作放大单元的输入节点的节点FD中将从多个光电转换单元输出的光学信号彼此相加而获得的信号。
并且，在本实施例的光电转换装置10中，单个电容元件12b和单个放大晶体管16a被多个光电转换单元101a和101b共享。因此，当与对光电转换单元101a和101b中的每一个设置单个电容元件12b和单个放大晶体管16a的情况相比时，像素单胞的电路面积可减小。
并且，RGB滤色器可被设置成Bayer阵列，并且，可对各个颜色设置多个光电转换单元。在这种情况下，单个电容元件12b和单个放大晶体管16a可被包含同一颜色的滤色器的多个光电转换单元共享。
并且，信号φVp从时序发生器通过缓冲器电路12a被输入到电容元件12b。但是，作为另一例子，如图8所示，信号φVp可在不使用缓冲器电路12a的情况下从时序发生器被输入到电容元件12b。
并且，在本实施例中，单个放大晶体管16a被多个光电转换单元101a和101b共享。但是，作为另一例子，如图8所示，多个放大晶体管16a可被设置为与多个光电转换单元101a和101b对应。例如，多个像素单胞1000被布置成矩阵的情况下，多个像素单胞1000中的每一个包含与包含于像素单胞1000中的数个光电转换单元对应的数个放大晶体管16a。然后，电容元件12b可被同一行中的像素单胞1000共享。在设置多个电容元件12b的情况下，多个缓冲器电路12a被设置为与多个电容元件12b对应。以这种方式，由于缓冲器电路12a被设置为与电容元件12b对应，因此，可以减少施加到电力供给单元的负载。作为替代方案，被布置成诸如2行×2列的矩阵的多个行×多个列的矩阵的像素单胞1000可共享单个电容元件12b。
在本实施例中，单个电容元件12b和单个放大晶体管16a被两个光电转换单元101a和101b共享。即，单个电容元件12b和单个放大晶体管16a被多个光电转换单元共享。并且，在共同与节点FD电连接的多个光电转换单元101中，当同时读取到节点FD的光学信号的数量为比N(N是不小于1的整数)大的M时，当与同时读取到节点FD的光学信号的数量为N的情况相比时，Hi的信号φVp的电平增加。当蓄积于光电转换单元101中的信号电荷是空穴时，执行该操作。在蓄积于光电转换单元101中的信号电荷是电子时，当同时读取到节点FD的光学信号的数量为比N(N是不小于1的整数)大的M时，当与同时读取到节点FD的光学信号的数量为N的情况相比时，Hi的信号φVp的电平下降。
并且，本实施例的光电转换装置10可组合图3A所示的从多个光电转换单元分别地读取光学信号的操作和读取通过将多个光电转换单元的光学信号彼此相加而获得的信号的操作。在图4中示出该操作的例子。
在从时间点t21到时间点t26的时间段中，执行与噪声信号和光电转换单元101a的光学信号的读取相关联的操作。在从时间点t27到时间点t31的时间段中，执行与通过将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号的读取相关联的操作。通过该操作，在时间点t26，信号保持单元保持通过使用放大晶体管16a和列放大单元19放大光电转换单元101a的光学信号而获得的A信号。并且，在时间点t29，信号保持单元保持通过使用放大晶体管16a和列放大单元19放大通过将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号来获得的A+B信号。光电转换装置10将A信号和A+B信号分别地输出到外部。
这里，将描述包含光电转换装置10和处理从光电转换装置10输出的信号的输出信号处理器的光电转换系统的例子。安装于光电转换装置10的外部的输出信号处理器可通过从A+B信号减去A信号获得B信号。通过输出信号处理器产生的B信号与通过用放大晶体管16a和列放大单元19放大光电转换单元101b的光学信号而获得的信号对应。光电转换装置10还包括包含多个微透镜的微透镜阵列，并且，可对单个光电转换单元101a和单个光电转换单元101b设置微透镜中的每一个。在这种情况下，从将光引导至光电转换装置10的光学系统的不同出射光瞳发射的光束分别地入射于多个光电转换单元101a和101b上。通过这种构成，输出信号处理器可通过使用由输出信号处理器产生的B信号和从光电转换装置10输出的A信号检测入射于光电转换单元101a上的光的相位与入射于光电转换单元101b上的光的相位之间的差值。因此，包含光电转换装置10和输出信号处理器的光电转换系统可通过相位差检测方法执行焦点检测。并且，输出信号处理器可使用从光电转换装置10输出的A+B信号产生图像。在一个实施例中，单个电容元件12b的节点中的一个与从单个微透镜接收光的多个光电转换单元101的第二电极209电连接。
注意，在本实施例中，当读取基于光电转换单元101的信号电荷的光学信号时，第二电极209的电势被控制。但是，作为另一例子，当读取基于光电转换单元101的信号电荷的光学信号时，本实施例的光电转换装置10可控制第一电极201。在这种情况下，在本实施例中，诸如接地电势的固定电势被供给到与缓冲器电路12a电连接的电容元件12b的节点。
注意，虽然在本实施例中像素单胞1000包含传送晶体管15a，但像素单胞1000可以不包含传送晶体管15a。具体而言，作为电容元件12b的节点中的一个的第一节点可直接与光电转换单元101a和101b的第二电极209连接。在这种情况下，在信号φVp为Hi的时间段中，不输出光学信号的光电转换单元101的第一电极201进入浮动状态。同时，电势Vs被供给到输出光学信号的光电转换单元101的第一电极201。这样，即使在像素单胞1000不包含传送晶体管15a的情况下，也可从与节点FD共同电连接的光电转换单元101中选择性地读取光学信号到放大晶体管16a。
本实施例的光电转换单元101可以是肖特基(Shottky)型光电转换单元。
本实施例的光电转换装置10包含多个光电转换单元101a和101b和放大晶体管16a。光电转换单元101a和101b中的每一个包含第一电极201、第二电极209、蓄积信号电荷的光电转换层205和绝缘层207。电容元件12b的第一节点与多个光电转换单元101a和101b的第二电极209和放大晶体管16a电连接。具有不同值的多个电势中的一个被选择性地输入到电容元件12b的第二节点。通过该构成，由于电容元件12b被多个光电转换单元101a和101b共享，因此，与对单个光电转换单元设置单个电容元件12b的情况相比时，电容元件12b的数量可减少。本实施例的光电转换装置10可通过减少电容元件12b的数量减少光电转换装置10的电路面积。
第二实施例
将参照图5所示的构成和图6A和图6B的时序图描述电容器驱动单元12的另一例子。
第二实施例的电容器驱动单元12包含并联布置并且分别与电容元件C11和C12串联连接的开关。
开关由脉冲φCsel控制。
图6A是示出分别地读取光电转换单元101a和101b的光学信号的操作的示图。在图6A的操作中，时序发生器将信号φCsel设定为Lo。这样，在不使用电容元件C12的情况下使用电容元件C11分别地驱动光电转换单元101a和101b。除了信号φCsel以外，图6A的操作与图3A所示的操作相同。图6A所示的操作中的为Hi的信号φVp的电平为10V，与图3A的操作相同。
图6B是示出读取通过在节点FD中将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号的操作的示图。
在图6B的操作中，时序发生器将φCsel设定为Hi。因此，通过电容元件C11和C12的合成电容驱动光电转换单元101a和101b。在本实施例中，假定电容元件C12的电容值与电容元件C11的电容值相同。这样，在不从与图6A所示的操作中的信号电平相同的10V改变Hi的信号φVp的电平的情况下，通过将5V施加到复位电势Vres而获得的电势可被设定为两个光电转换单元101a和101b的第二电极209的电势。本实施例的电容器驱动单元12可在不使得分别地读取光电转换单元101a和101b的光学信号的情况与读取通过将光电转换单元101a和101b的光学信号彼此相加而获得的信号的情况之间为Hi的信号φVp的电平不同的情况下进行操作。因此，当与根据第一实施例的光电转换装置10相比时，在本实施例的光电转换装置10中，供给信号φVp的电路的构成可被简化。
注意，虽然输出要被相加的光学信号的光电转换单元的数量在本实施例的图6B所示的操作中是2，但是可以采用三个或更多个光电转换单元。在一个实施例中，与电容器驱动单元12的电容元件C11并联布置的电容元件的数量与在光电转换装置的各种操作模式中输出要被相加的光学信号的光电转换单元的数量变为最大的模式中输出要被相加的光学信号的光电转换单元的数量相同。
在本实施例中，单个放大单元被多个光电转换单元101a和101b共享。因此，当与多个放大单元被设置为与多个光电转换单元101a和101b对应的情况相比时，在根据本实施例的光电转换装置10中像素单胞1000的电路面积可减少。
并且，在本实施例中，电容器驱动单元12被多个光电转换单元101a和101b共享。因此，当与多个电容器驱动单元12被设置为与多个光电转换单元101a和101b对应的情况相比时，在根据本实施例的光电转换装置10中像素单胞1000的电路面积可减少。
注意，同样在本实施例的光电转换装置10中，多个放大晶体管16a可被设置为与多个光电转换单元101a和101b对应。例如，在多个像素单胞1000被布置成矩阵时，多个像素单胞1000中的每一个包含与包含于像素单胞1000的相应的一个中的数个光电转换单元对应的数个放大晶体管16a。然后，单个电容器驱动单元12可被同一行中的像素单胞1000共享。
第三实施例
将主要在与第一实施例不同的点上描述根据第三实施例的光电转换装置。
图7是示出相互层叠的多个光电转换单元的布局和与从多个光电转换单元读取光学信号相关联的元件的电路的示图。本实施例的光电转换装置包括在包含设置在其上面的单元单胞1000的半导体基板上沿深度方向层叠的多个光电转换单元1010B、1010G和1010R。具体而言，本实施例的光电转换装置包括从入射光进入侧依次布置的多个光电转换单元1010B、1010G和1010R。光电转换单元1010B蓄积基于蓝光的信号电荷。光电转换单元1010G蓄积基于绿光的信号电荷。光电转换单元1010R蓄积基于红光的信号电荷。
光电转换单元1010B包含第一电极201B、阻挡层203B、光电转换层205B、绝缘层207B和第二电极209B。各层的构成与根据第一实施例的光电转换单元101a相同。光电转换单元1010G和光电转换单元1010R具有与光电转换单元1010B相同的构成。
多个传送晶体管15B、15G和15R分别与多个光电转换单元1010B、1010G和1010R电连接。多个传送晶体管15B、15G和15R共同与节点FD电连接。
电容器驱动单元12、复位单元14、像素输出单元16、垂直信号线17、电流源18和列放大单元19的构成与第一实施例的光电转换装置10相同。
在本实施例的光电转换装置中，单个电容器驱动单元12被三个光电转换单元1010B、1010G和1010R共享。因此，三个光电转换单元1010B、1010G和1010R可分别地由电容器驱动单元12驱动。因此，当与电容器驱动单元12被设置为与三个光电转换单元1010B、1010G和1010R对应的构成相比时，像素单胞1000的电路面积可减小。
第四实施例
根据第一到第三实施例的光电转换装置适用于各种光电转换系统。光电转换系统的例子包括数字静物照相机、数字摄像机和监视照相机。图9是示意性地示出根据第一到第三实施例的光电转换装置中的一个被应用于用作光电转换系统的例子的数字静物照相机的光电转换系统的示图。
图9所示的光电转换系统包含光电转换装置154、用于保护透镜的挡板151、用于在光电转换装置154上形成被照体的光学图像的透镜152和改变穿过透镜152的光的量的光阑153。透镜152和光阑153包含于将光引导至光电转换装置154的光学系统中。图9所示的光电转换系统还包含处理从光电转换装置154输出的信号的输出信号处理器155。
输出信号处理器155通过将从光电转换装置154输出的模拟信号转换成数字信号来执行AD转换。在适当的情况下，在执行各种校正处理和压缩处理之后，输出信号处理器155进一步执行输出图像数据的操作。
图9所示的光电转换系统还包括暂时存储图像数据的缓冲存储器单元156和用于与外部计算机等通信的外部接口单元(外部I/F单元)157。光电转换系统还包括记录或读取捕获的图像数据的诸如半导体存储器的记录介质159和用于在记录介质159上执行记录和读取的记录介质控制接口单元(记录介质控制I/F单元)158。注意，记录介质159可被并入到光电转换系统中或者可以是可拆卸的。
光电转换系统还包括控制各种计算和整个数字静物照相机的整体控制/计算单元1510和向光电转换装置154和输出信号处理器155输出各种时序信号的时序发生器1511。这里，时序信号可从外部输入，并且，光电转换系统至少包含光电转换装置154和处理从光电转换装置154输出的信号的输出信号处理器155。如上所述，本实施例的光电转换系统使用光电转换装置154执行图像拾取操作。
并且，如第一实施例所述，输出信号处理器155可使用从光电转换装置154输出的信号检测相位差。
以上的实施例仅是体现本发明的例子，并且，本发明的技术范围不限于示例性实施例。具体而言，在不脱离技术思想或主要特征的情况下，可以各种模式实施本发明。并且，以上的实施例可被任意地相互组合。
根据本发明，可减小光电转换装置的电路面积。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变型以及等同的结构和功能。

Claims (19)

1.一种光电转换装置，其特征在于包括：
布置在多行和多列中的多个光电转换单元，其中每个光电转换单元都包含第一电极、第二电极、蓄积信号电荷并且被设置在第一电极与第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层，多个光电转换单元中的每个光电转换单元被配置为从第二电极输出基于信号电荷的光学信号；
多个信号线；
布置在多行和多列中的多个放大晶体管，多个放大晶体管中的每个都包括输出节点和栅极；和
电容元件，具有第一节点和第二节点，第一节点与所述多个光电转换单元中的光电转换单元的多个第二电极和多个放大晶体管中的一个放大晶体管的栅极连接，并且第二节点选择性接收具有不同值的多个电势中的每一个。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，还包括：
多个传送晶体管，
其中，所述多个传送晶体管执行光电转换单元的相应的第二电极与多个放大晶体管中的一个放大晶体管的栅极之间的电气路径的接通状态与非接通状态之间的切换。
3.根据权利要求2所述的光电转换装置，其中，
电容元件的电容值是可变的，
当信号电荷从光电转换层被排出时，在所述多个传送晶体管中的一些传送晶体管被导通使得相应的光电转换单元与放大晶体管之间的电气路径进入接通状态的情况下，电容元件的电容值是第一电容值，并且，
当信号电荷从光电转换层被排出时，在所述多个传送晶体管中的所有传送晶体管被导通使得所述多个光电转换单元与放大晶体管之间的电气路径进入接通状态的情况下，电容元件的电容值是比第一电容值大的第二电容值。
4.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，多个放大晶体管中的一个放大晶体管是对所述光电转换单元设置的。
5.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，第二节点与供给多个电势的电势供给单元连接。
6.根据权利要求5所述的光电转换装置，还包括：
多个电容元件；和
被设置为与所述多个电容元件对应并且向所述多个电容元件供给来自电势供给单元的所述多个电势的多个缓冲器电路。
7.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中，
电势供给单元向第二节点供给第一电势，使得光电转换层蓄积信号电荷，并且，
电势供给单元向第二节点供给与第一电势不同的电势，使得信号电荷从光电转换层被排出。
8.根据权利要求7所述的光电转换装置，其中，
在所述多个光电转换单元中的N个与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态的情况下，当电势供给单元向电容元件的第二节点供给与第一电势不同的第二电势时，信号电荷从包含于所述N个光电转换单元中的光电转换层被排出，其中N是大于或等于1的整数，
在所述多个光电转换单元中的M个与放大晶体管之间的电气路径处于接通状态的情况下，当电势供给单元向电容元件的第二节点供给与第一电势不同的第三电势时，信号电荷从包含于所述M个光电转换单元中的光电转换层被排出，其中M＞N，以及
信号电荷是空穴，并且第三电势比第二电势大。
9.根据权利要求7所述的光电转换装置，其中，
在所述多个光电转换单元中的N个与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态的情况下，当电势供给单元向电容元件的第二节点供给与第一电势不同的第二电势时，信号电荷从包含于所述N个光电转换单元中的光电转换层被排出，其中N是大于或等于1的整数，
在所述多个光电转换单元中的M个与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态的情况下，当电势供给单元向电容元件的第二节点供给与第一电势不同的第三电势时，信号电荷从包含于所述M个光电转换单元中的光电转换层被排出，其中M＞N，以及
信号电荷是电子，并且第三电势比第二电势小。
10.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
对所述光电转换单元设置单个微透镜，并且，
在当所述光电转换单元中的一些与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态时光学信号从所述多个光电转换单元中的所述一些的第二电极被输出到多个放大晶体管中的一个放大晶体管之后，当所有光电转换单元与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态时，通过将从所有光电转换单元的第二电极输出的光学信号相加而获得的信号被输出到多个放大晶体管中的一个放大晶体管。
11.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
光从光学系统入射于光电转换装置上，
从光学系统中的不同出射光瞳发射的光束入射于所述多个光电转换单元上，并且，
在当所述光电转换单元中的一些与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态时光学信号从所述光电转换单元中的所述一些的第二电极被输出到多个放大晶体管中的一个放大晶体管之后，当所有光电转换单元与多个放大晶体管中的一个放大晶体管之间的电气路径处于接通状态时，通过将从所有光电转换单元的第二电极输出的光学信号相加而获得的信号被输出到多个放大晶体管中的一个放大晶体管。
12.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
所述多个光电转换单元被设置在半导体基板上，并且，
所述多个光电转换单元沿半导体基板的深度方向被层叠。
13.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
电容元件具有彼此面对的两个电极，
所述两个电极中的一个是所述电容元件的第一节点，并且，
所述两个电极中的另一个是所述电容元件的第二节点。
14.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，
电容元件被设置在半导体基板上，
电容元件的第一节点是半导体区域和设置在所述半导体区域上的栅极中的一个，并且，
第二节点与所述半导体区域和设置在所述半导体区域上的栅极中的另一个电连接。
15.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，电源电压被供给到第一电极。
16.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，光电转换层包含量子点。
17.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中，抑制具有与信号电荷相同的极性的电荷从第一电极注入到光电转换层的阻挡层被夹置在第一电极与光电转换层之间。
18.一种光电转换系统，其特征在于包括：
根据权利要求1～17中的任一项所述的光电转换装置；和
被配置为通过处理基于从所述光电转换装置输出的光学信号的信号来产生图像的输出信号处理器。
19.一种包括根据权利要求10或11所述的光电转换装置和输出信号处理器的光电转换系统，其特征在于，
光电转换装置执行以下操作：
向输出信号处理器输出基于从所述多个光电转换单元中的所述一些输出的光学信号的第一信号和基于从所有的所述多个光电转换单元输出的光学信号的第二信号，
使用第一信号与第二信号之间的差值检测相位差，及
使用第二信号产生图像。
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