CN106847844A

CN106847844A - 摄像装置以及摄像系统

Info

Publication number: CN106847844A
Application number: CN201611088743.4A
Authority: CN
Inventors: 高桥秀和; 田代和昭; 郷田达人
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: JP7020770B2; CN106847844B; JP2017108101A

Abstract

本发明提供一种摄像装置以及摄像系统。根据本发明的摄像装置包括基板和设置在基板上的半导体层，所述基板包括布置在其上的多个像素电路。多个像素电路中的各个像素电路包括放大晶体管，放大晶体管被构造为输出基于在半导体层中生成的电荷的信号。在与基板的表面平行的第一方向上输送在半导体层中生成的电荷。

Description

摄像装置以及摄像系统

技术领域

本发明涉及一种摄像装置以及摄像系统。

背景技术

作为用于照相机的图像传感器的摄像装置，已经提出了层压型摄像装置。在国际公开WO 2012/004923号的图1中例示的摄像装置中，在半导体基板上设置光电转换膜。在光电转换膜上设置透明电极，并且在光电转换膜与半导体基板之间设置像素电极。在光电转换膜与像素电极之间设置绝缘膜。根据国际公开WO 2012/004923号，由于能够利用此结构进行相关双采样(correlated double sampling，CDS)，所以能够减少噪声。

发明内容

根据本发明的一方面，一种摄像装置包括基板和设置在基板上的半导体层，所述基板包括多个像素电路。多个像素电路中的各个像素电路包括放大晶体管，放大晶体管被构造为输出基于在半导体层中生成的电荷的信号。在与基板的表面平行的第一方向上输送在半导体层中生成的电荷。

通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1A是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图，图1B是例示光电转换单元的等效电路的图，并且图1C是例示光电转换单元的等效电路的图。

图2是示意性地例示摄像装置的整体构造的图。

图3是例示摄像装置的列电路的等效电路的图。

图4A是示意性地例示摄像装置的平面结构的图，图4B是示意性地例示摄像装置的截面结构的图。

图5A是示意性地例示摄像装置的平面结构的图，图5B是示意性地例示摄像装置的截面结构的图。

图6A至图6C是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图，图6D至图6F是示意性地例示摄像装置的电位的图。

图7是示意性地例示摄像装置的光电转换单元的能带的图。

图8是例示在摄像装置中使用的驱动信号的时序图。

图9是例示在摄像装置中使用的驱动信号的时序图。

图10是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图11是示意性地例示摄像装置的光电转换单元的能带的图。

图12是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图13是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图14是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图15是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图16A是示意性地例示摄像装置的平面结构的图，图16B是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图17是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图18是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。

图19是例示根据实施例的光电转换系统的框图。

具体实施方式

在摄像装置中，在光电转换膜与氧化膜之间形成的界面中累积的电荷被以高速排出到上部电极，使得获得高的S/N比。然而，光电转换膜中的电荷移动程度是低的。此外，在光电转换膜中包括俘获电荷的缺陷能级。而且，在光电转换膜与阻挡层之间存在势垒。因此，在使用光电转换膜的摄像装置中，可能在短的输送时段中没有充分排出电荷。结果，灵敏度可能劣化或噪声可能增加。根据一些实施例，可以减少噪声。

根据本发明的实施例，摄像装置包括多个像素。各个像素包括光电转换单元和像素电路，像素电路用于读取基于光电转换单元中生成的电荷的信号。该实施例的摄像装置包括基板和设置在基板上的半导体层，基板包括布置在其上的像素电路。各个像素电路包括放大晶体管，放大晶体管输出基于半导体层中生成的电荷的信号。在半导体层中沿第一方向输送半导体层中生成的电荷。第一方向平行于包括设置在其上的像素电路的基板的表面。

基板的表面例如是半导体区域与设置在半导体区域上的绝缘体区域之间的界面。在使用利用浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)或硅局部氧化(localoxidation of silicon，LOCOS)的绝缘体隔离结构的情况下，半导体区域与绝缘体区域之间的界面不是平坦的。在这种情况下，例如，基板上设置的晶体管的沟道中的半导体区域与绝缘体区域之间的界面，对应于基板的表面。

利用该构造，代替到上部电极的电荷输送(垂直输送)，进行沿着半导体层的界面的电荷输送(横向输送)。因此，作为电荷的输送路径，可以使用半导体层与绝缘层之间的界面、阻挡层与绝缘层之间的界面、半导体层与阻挡层之间的界面等。这些界面仅具有小的缺陷能级，因此，以高速输送电荷。

此外，为了获得针对具有长波长的光的足够的灵敏度，进行光电转换的半导体层具有大的厚度。因此，在进行垂直输送的情况下，以长距离输送电荷。另一方面，在进行横向输送的情况下，可以以短距离输送电荷。这是因为，作为半导体层中的输送源的第一部分与作为半导体层中的输送目的地的第二部分之间的距离不受针对具有长波长的光的灵敏度等的限制。

以这种方式，根据该实施例的摄像装置，可以有效地输送电荷。因此，可以减少由残留电荷引起的图像滞后等的噪声。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。本发明不限于下面描述的实施例。在本发明的范围内，通过改变下面描述的实施例的构造的一部分而获得的变型也包括在本发明中。作为选择，将实施例的构造的一部分添加到其他实施例之一的示例以及由其他实施例之一的构造的一部分替换实施例的构造的一部分的示例也包括在本发明中。

第一实施例

现在，将描述本发明的第一实施例。图1A是示意性例示根据第一实施例的摄像装置的像素100的图。摄像装置包括基板(未例示)和设置在基板上的半导体层108，基板包括设置在其上的像素100的像素电路。虽然在图1中仅例示了一个像素100，但是该实施例的摄像装置包括多个像素100。

像素100包括包含在半导体层108中的光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103。光接收区域101是半导体层108的第一部分，电荷排出区域103是半导体层108的第二部分。半导体层108可以由诸如硅等的无机半导体形成。作为选择，半导体层108可以由有机半导体形成。

向光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103施加偏置电压的上部电极S 106设置在半导体层108上方。上部电极S 106连接到电源VS 104。电源VS 104供给电压Vs。在该实施例中，上部电极S 106向光接收区域101和电荷排出区域103二者施加偏置电压。因此，上部电极S 106由在光接收区域101和电荷排出区域103上连续延伸的导电层构成。换言之，上部电极S 106的第一部分(第一电极)向光接收区域101施加偏置电压，并且上部电极S 106的第二部分(第三电极)向电荷排出区域103施加偏置电压。注意，上部电极S106的第一部分(第一电极)和第二部分(第三电极)可以彼此分离。

像素100还包括向光接收区域101施加偏置电压的电极P(第二电极)110，并且包括通过第一电容器Cm 116连接到电极P 110的电源VP 113。电源VP 113供给包括第一电压和与第一电压不同的第二电压的多个电压Vp。像素100还包括向电荷排出区域103施加偏置电压的电极D(第四电极)112。半导体层108的光接收区域101设置在上部电极S 106的第一部分(第一电极)与电极P 110之间。半导体层108的电荷排出区域103设置在上部电极S 106的第二部分(第三电极)与电极D 112之间。电极D 112设置为与半导体层108的电荷排出区域103邻接。

电极P 110与电极D 112电分离。利用这种构造，光接收区域101和电荷排出区域103可以独立地施加偏置电压。

上部电极S 106允许一定量的光通过。例如，作为透明导电材料的氧化铟锡(ITO)层或薄金属层，被用作上部电极S 106。

减少电荷从上部电极S106侵入到半导体层108的阻挡层107设置在上部电极S 106与半导体层108之间。阻挡层107防止空穴侵入半导体层108。因此，阻挡层107可以被称为“空穴阻挡层”。阻挡层107可以由具有与半导体层108不同的带隙的材料形成。作为选择，阻挡层107可以由具有与半导体层108不同的杂质浓度的材料形成。绝缘层109设置在电极P110与半导体层108之间。绝缘层109还在电极D 112的一部分与半导体层108之间的部分以及输送电极T 111与半导体层108之间的部分中延伸。注意，作为该实施例的变型，省略阻挡层107和绝缘层109中的至少一者。

电荷输送区域102设置在光接收区域101与电荷排出区域103之间。像素100包括：控制要施加到电荷输送区域102的偏置电压的输送电极T 111、以及连接到输送电极T 111的电源VT 114。电源VT 114供给电压Vt。作为该实施例的变型，省略电荷输送区域102和输送电极T 111。

通过第一电容器Cm 116从电源VP 113向电极P 110供给电压Vm。像素100包括连接到电极P 110的复位晶体管117和放大晶体管118。像素100还包括设置在放大晶体管118与输出线120之间的电路径中的选择晶体管119。复位晶体管117、放大晶体管118和选择晶体管119是像素电路中包括的元件的示例。放大晶体管118输出基于光接收区域101中生成的电荷的信号。复位晶体管117对放大晶体管118的输入节点的电压进行复位。选择晶体管119控制放大晶体管118与输出线120之间的连接。多个像素100连接到单个输出线120。在多个像素100构成包括多个像素列的像素阵列的情况下，在各个像素列中布置至少一个输出线120。电流源121和列放大器301连接到输出线120。放大晶体管118和电流源121形成源极跟随器电路。从像素100输出到输出线120的信号被供给到列放大器301。

复位晶体管117、放大晶体管118和选择晶体管119设置在未例示的基板上。基板例如是硅基板。半导体层108设置在如下的基板上，该基板包括设置在其上的、包括放大晶体管118的像素电路。换言之，半导体层108层压在基板(基板包括设置在基板上的像素电路)上。

图1B和图1C是例示包括光接收区域101的光电转换单元的等效电路的图。在该实施例中，光电转换单元包括半导体层108和绝缘层109。相应地，光电转换单元包括上部电极S 106与电极P 110之间的电容部件。在图1B和图1C的等效电路中，电容部件被表示为设置在上部电极S 106与电极P 110之间的第二电容器123。注意，在图1B中示出了光电转换单元包括阻挡层107的情况。因此，阻挡层107和半导体层108由二极管的电路符号124来表示。另一方面，在图1C中示出了光电转换单元不包括阻挡层的情况。因此，半导体层108由电阻的电路符号125来表示。稍后将描述半导体层108的构造。

在该实施例中，在半导体层108的连续部分上限定光接收区域101和电荷排出区域103。半导体层108的连续部分例如由半导体层108中的大致均匀的材料形成。在制造摄像装置时发生制造误差。因此，半导体层108的连续部分可能具有由制造误差引起的材料之间的差异。换言之，一次形成半导体层108的连续部分。在一次形成半导体层108的连续部分之后，可以仅处理连续部分的一部分。因此，半导体层108的连续部分可以包括具有不同厚度或不同宽度的多个部分。

将描述像素100中包括的各单元的功能。半导体层108的光接收区域101、设置在光接收区域101上的上部电极S 106的第一部分(第一电极)、电极P 110以及设置在半导体层108与电极P 110之间的绝缘层109，形成光电转换单元。光电转换单元根据入射光生成信号电荷，并且累积由于入射光而生成的电荷。可以根据施加到上部电极S 106与电极P 110之间的部分的电压，来控制光电转换单元中的信号电荷的累积以及从光电转换单元供给的信号电荷的排出或输送。

半导体层108上的电荷排出区域103、设置在电荷排出区域103上的上部电极S 106的第二部分(第三电极)、电极D 112以及设置在半导体层108与电极D 112之间的部分中的绝缘层109，可以形成电荷排出单元。光电转换单元的电荷被排出到电荷排出单元。由于电荷排出区域103和电极D 112位于彼此邻接的位置，所以排出到电荷排出区域103的电荷被排出到电源VD。

半导体层108的电荷输送区域102、上部电极S 106、输送电极T 111以及设置在半导体层108与输送电极T 111之间的绝缘层109，构成电荷输送单元。在该实施例中，光接收区域101和电荷排出区域103通过电荷输送区域102布置在半导体层108的连续部分上。利用这种构造，电荷输送单元可以将光接收区域101中累积的电荷输送到电荷排出区域103。通过供给到输送电极T 111的偏置电压来控制电荷的输送。

在该实施例中，光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103布置在半导体层108的连续部分中的不同部分中。光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103被独立地控制。以这种方式，光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103实现不同的功能。光接收区域101具有通过光电转换生成电荷的功能和累积电荷的功能。电荷输送区域102具有将电荷从光接收区域101输送到电荷排出区域103的功能。电荷排出区域103具有独立于光接收区域101保持电荷的功能。

接下来，将描述像素100的像素电路。电极P 110电连接到放大晶体管118的栅极。如图1A中所示，电极P 110和放大晶体管118的栅极可以短路。可以在电极P 110与放大晶体管118之间的电路径中设置开关。

在图1A中，电极P 110与放大晶体管118的栅极之间的节点被称为“节点B”。节点B可以被电浮置。由于节点B被电浮置，所以节点B的电压可以依据在光接收区域101中累积的电荷而变化。利用这种构造，可以将基于通过光电转换生成的电荷的信号输入到放大晶体管118。放大晶体管118放大输入的信号并将放大的信号输出到输出线120。

像素100的像素电路包括对电极P 110的电压进行复位的复位晶体管117。复位晶体管117将复位电压Vres供给到电极D 112和放大晶体管118的栅极。具体而言，复位晶体管117对放大晶体管118的输入节点(节点B)的电压进行复位。复位晶体管117被控制为导通或截止。当复位晶体管117导通时，复位电压Vres被供给到节点B。当复位晶体管117截止时，节点B被电浮置。

第一电容器Cm 116电连接到电极P 110。电极P 110和第一电容器Cm 116可以短路。可以在电极P 110与第一电容器Cm 116之间的电路径中设置开关。

第一电容器Cm 116包括彼此相对的、其间置有绝缘体的两个电极。这两个电极由诸如多晶硅或金属等的导电材料形成。作为选择，第一电容器Cm 116包括半导体区域和通过栅极绝缘膜设置在半导体区域上的栅电极。第一电容器Cm 116中包括的半导体区域优选具有比晶体管的源极区域和漏极区域的杂质浓度高的杂质浓度。栅电极由诸如多晶硅或金属等的导电材料形成。

第一电容器Cm 116包括电连接到电极P 110的第一端子和与第一端子不同的第二端子。端子由诸如金属或多晶硅等的导电材料或半导体区域形成。向第二端子提供一定的电压。在该实施例中，第二端子连接到电源VP 113，并且从电源VP 113向第二端子供给多个电压。作为选择，第二端子可以接地。在图1A中，节点B包括第一端子，节点C包括第二端子。向节点B供给电压Vm，向节点C供给电压Vp。电压Vm和Vp具有依据第一电容器Cm 116的电容值的关系。

接下来，将描述像素100的控制。首先，在曝光时段中，控制上部电极S 106和电极P110的电压，使得向光接收区域101施加反向偏压。由此，在光接收区域101中生成的信号电荷在曝光时段中被累积在光接收区域101中。随后，控制电极P 110、输送电极T 111和电极D112的电压，使得在光接收区域101中保持的电荷被输送到电荷排出区域103。例如，可以通过将电荷排出区域103的电位设置为小于光接收区域101的电位来输送电荷。通过输送累积的信号电荷，电压在节点B中根据信号电荷的量而改变。因此，可以从像素100读取基于信号电荷的信号。换言之，根据该实施例，通过从光接收区域101排出电荷来读取基于在光接收区域101中累积的电荷的信号。

控制第一电容器Cm 116的第二端子的电压Vp，使得电极P 110的电压Vm被控制。电源VP 113将第一电压和与第一电压不同的第二电压供给到第一电容器Cm 116的第二端子作为电压Vp。注意，在该实施例的变型中，未例示的电源VM将第一电压和与第一电压不同的第二电压供给到电极P 110作为电压Vm。

根据该实施例，在半导体层108中，电荷在第一方向上从光接收区域101被输送到电荷排出区域103。第一方向平行于包括设置在其上的像素电路的基板的表面。基板的表面是构成基板的半导体区域与设置在半导体区域上的绝缘体之间的界面。在采用通过STI或LOCOS的绝缘体隔离结构的情况下，半导体区域与绝缘体区域之间的界面不是平坦的。在这种情况下，例如，基板上设置的晶体管沟道中的半导体区域与绝缘体区域之间的界面充当基板的表面。

利用这种构造，在光接收区域101中累积的信号电荷的大部分或全部在短时间内被输送到电荷排出区域103。因此，可以减少噪声。

现在，将描述施加到像素100的各单元的电压。在该实施例中，将描述使用空穴作为通过光电转换生成的电荷当中的信号电荷的情况。注意，在该实施例中，接地节点的电压是作为基准电压的0V，除非另有声明。

电源VS 104向上部电极S 106供给特定电压Vs(在该实施例中为6V)。电源VP 113供给电压Vp(在本实施例中为3V至5V)。电压Vs和Vp具有反向偏压被施加到光接收区域101的空穴的关系。通过光电转换生成的空穴累积在光接收区域101与绝缘层109之间的界面附近。

由于在该实施例中信号电荷是空穴，所以当累积信号电荷时，电极P 110的电压Vm低于输送电极T 111的电压Vt。如图4A和图4B中所示，输送电极T 111以在平行于基板表面的平面中包围电极P 110的方式设置。因此，通过设置电压Vt大于电压Vm，在设置在电极P110附近的光接收区域101中形成势阱。通过光电转换生成的空穴被有效地收集在光接收区域101的势阱中。由于输送电极T 111的电压Vt形成势垒，所以可以减少在光接收区域101中累积的电荷的泄漏。在信号电荷是电子的情况下，电极P 110的电压Vm被设置为高于输送电极T 111的电压Vt。

在该实施例中，电源VP 113至少将第一电压Vp1和与第一电压Vp1不同的第二电压Vp2供给到第一电容器Cm 116的第二端子。由于在该实施例中信号电荷是空穴，所以第二电压Vp2高于第一电压Vp1。在该实施例中，第一电压Vp1为3V，第二电压Vp2为5V。在信号电荷是电子的情况下，第二电压Vp2低于第一电压Vp1。在信号电荷是电子的情况下，例如，第一电压Vp1为5V，第二电压Vp2为3V。

在信号电荷是空穴的情况下，复位电压Vres低于要供给到上部电极S 106的电压Vs。在信号电荷是电子的情况下，复位电压Vres高于要供给到上部电极S 106的电压Vs。在该实施例中，由于使用空穴信号，所以要供给到上部电极S 106的电压Vs为6V，复位电压Vres为3V。

在该实施例中，电源VP 113通过向节点C供给包括多个电压的电压Vp，来控制通过第一电容器Cm 116与节点C电容耦合的节点B的电压Vm。因此，没有特别限制供给到节点C的电压Vp与复位电压Vres或供给到上部电极S 106的电压Vs之间的在直流方面的大小关系。

在该实施例中，控制供给到电极P 110的电压Vm、供给到输送电极T111的电压Vt以及供给到电极D 112的电压Vd，使得在光接收区域101中累积的信号电荷被快速且完全地输送到电荷排出区域103。在信号电荷是空穴的情况下，可以基于以下关系输送电荷：Vm>Vt>Vd。在信号电荷是电子的情况下，可以基于以下关系输送电荷：Vm<Vt<Vd。

图2是示意性地例示根据该实施例的摄像装置的整体电路构造的图。在图2中，示出了以4行×4列的矩阵布置的16个像素100。包括在一列中的多个像素100连接到一个输出线120。行驱动电路250向像素100供给驱动信号pRES、驱动信号pVP(节点C的电压Vp)和驱动信号pSEL。驱动信号pRES被供给到图1A中的复位晶体管117的栅极。驱动信号pSEL被供给到选择晶体管119的栅极。通过这些驱动信号，控制复位晶体管117和选择晶体管119。包括在一行中的多个像素100连接到共同的驱动信号线。驱动信号线传输驱动信号pRES、驱动信号pSEL等。在图2中，分配表示行的诸如(n)和(n+1)等的参照符号，以区分供给到不同行的驱动信号。其他附图也是如此。在该实施例中，向电极D 112供给固定电压Vd。因此，在图2中省略了供给驱动信号pVD的信号线。

根据该实施例，针对各行独立地控制供给到第一电容器Cm 116的第二端子(节点C)的电压Vp。因此，行驱动电路250选择行中的从电压供给单元203供给电压Vp的行。注意，分配表示行的诸如(n)和(n+1)等的参照符号，以区分供给到不同行的电压Vd。在要进行全局电子快门操作的情况下，在所有行中集体地驱动驱动信号。在要进行卷帘快门操作的情况下，针对各行控制驱动信号。根据上述构造，在该实施例中，可以针对各个行驱动多个像素100。

各输出线120连接到对应的列电路204。图1A中所示的列放大器301包括在列电路204中的对应的一个中。列驱动电路202针对各列驱动列电路204。具体而言，列驱动电路202向列电路204供给驱动信号CSEL。注意，分配表示列的诸如(m)和(m+1)等的参照符号，以区分供给到不同列的驱动信号。其他附图也是如此。利用这种构造，针对各行并行读取的信号可以被依次输出到输出单元。

将详细描述列电路204。图3是例示第m列和第(m+1)列中的列电路204的等效电路的图。省略其他列的列电路204。

输出线120的信号被列放大器301放大。列放大器301的输出节点通过S/H开关302连接到电容器CTS。列放大器301的输出节点同样通过S/H开关303连接到电容器CTN。S/H开关302和303分别由驱动信号pTS和pTN控制。利用该构造，可以保持包括来自像素100的复位噪声的噪声信号N和光信号S。因此，该实施例的摄像装置能够进行相关双采样。具体而言，可以读取从中去除了复位噪声的信号。

电容器CTS通过水平输送开关304连接到水平输出线306。电容器CTN通过水平输送开关305连接到水平输出线307。水平输送开关304和305由从列驱动电路202中的对应的一个供给的驱动信号CSEL控制。

水平输出线306和307连接到输出放大器122。输出放大器122放大水平输出线306的信号与水平输出线307的信号之间的差分信号，并且输出放大的差分信号。放大的信号被供给到模拟/数字转换单元205，模拟/数字转换单元205将模拟差分信号转换成数字信号，并将数字信号输出到摄像装置的外部。

注意，列电路204可以是模拟/数字转换电路。在这种情况下，各个模拟/数字转换电路包括保持数字信号的保持单元(例如存储器或计数器)。保持单元保持从噪声信号N和光信号S转换的数字信号。

接下来，将描述该实施例的摄像装置的平面结构和截面结构。图4A是示意性地示出摄像装置的平面结构的图。与图1A至图1C相同的部分由与图1A至图1C相同的附图标记来表示。在图4A中，例示了以2行×2列的矩阵的像素100。在图4A中，示意性地示出了在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的平面中，电极P 110、输送电极T 111以及电极D112的布置。

图4B是示意性地例示摄像装置的截面结构的图。沿图4A的虚线IVB至IVB截取获得图4B的横截面。与图1A至图1C相同的部分由与图1A至图1C相同的附图标记来表示。在图4B中，例示了微透镜401、平坦化层402、滤色器403以及置于基板与半导体层108之间的层间膜404。在半导体层108上限定光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103。注意，将电极连接到像素电路的导电构件(未例示)，被设置在层间膜404上。

如图4B中所示，电极P 110、输送电极T 111和电极D 112被布置为使得它们的重心彼此一致。利用这种构造，微透镜401可以通过光电转换单元(光接收区域101和电极P 110)有效地聚焦入射光。光电转换单元的电场分布和光入射分布彼此一致，因此，由于光电转换而生成的电荷被光接收区域101有效地收集。

在图4A的平面表面中，输送电极T 111在电极P 110周围。利用这种布置，在光接收区域101中累积的电荷可以被快速地输送到电荷排出区域103。因此，可以以更高的速度驱动摄像装置。可以通过施加到输送电极T 111的偏置电压形成势垒。由此，生成的电荷可以被有效地收集在光接收区域101中，并且防止收集的电荷泄漏到电荷排出区域103和邻接的像素。可以快速且完全地进行电荷输送。

接下来，将描述设置在基板上的像素电路的平面结构和截面结构。图5A是示意性地例示在平面图中的设置在基板上的像素电路的布置的图。具体而言，图5A中例示了当将像素电路投影在与基板的表面平行的平面上时获得的像素电路的布置。图5B是示意性地例示基板550、设置在基板550上的层间膜404以及半导体层108的截面结构的图。沿图5A中的线VB至VB截取获得图5B中所示的横截面。具有与图1A至图1C相同的功能的部分由与图1A至图1C相同的附图标记来表示。注意，对于晶体管，将附图标记分配到晶体管的栅电极。向构成驱动信号线的导电构件分配与供给到驱动信号线的驱动信号相同的附图标记。例如，具有附图标记“pRES”的导电构件构成供给驱动信号pRES的驱动信号线。

图5A是例示以2行×2列的矩阵布置的4个像素100的图。仅在右上部的像素中，由虚线例示与图4A的电极P 110、输送电极T 111和电极D 112相对应的部分。在其他像素中，省略了电极P 110、输送电极T 111和电极D 112的图示。在图5A中，例示了构成第一电容器Cm 116的第一端子的电极502和构成第一电容器Cm 116的第二端子的电极503。电极502和503在平面图中彼此交叠。

如图5A和图5B中所示，构成第一电容器Cm 116的第一端子的电极502通过触点501电连接到放大晶体管118。构成第一电容器Cm 116的第一端子的电极502通过触点506电连接到电极P 110。构成第一电容器Cm 116的第二端子的电极503通过触点507连接到驱动信号线pVP。此外，触点504用来将输送电极T 111和驱动信号线pVT彼此连接。触点505用来将电极D 112和驱动信号线pVD彼此连接。

如图5A和图5B中所示，第一电容器Cm 116的电极503连接到驱动信号线pVP。驱动信号线pVP传输从电源VP 113供给的电压Vp。在该实施例中，在各行中设置有驱动信号线pVP。具体而言，在特定行中的驱动信号线pVP与其他行中的驱动信号线pVP电绝缘。利用该构造，可以针对各行独立地控制第一电容器Cm 116的第二端子(节点C)的电压Vp。

如图5B中所示，摄像装置包括基板550。基板550包括像素晶体管的源极区域和漏极区域。像素晶体管被包括在像素电路中，并且例如对应于复位晶体管117、放大晶体管118和选择晶体管119。包括像素晶体管的栅极电极和形成布线的导电构件的层间膜404设置在基板550上。绝缘层109和半导体层108按此顺序设置在层间膜404上。

上部电极S 106由允许一定量的光通过的导电构件构成。上部电极S106的材料的示例包括铟(例如氧化铟锡(ITO))、包括锡的化合物、和/或诸如ZnO等的化合物。利用这种构造，能够使大量的光入射在光接收区域101上。因此，能够提高灵敏度。作为另一示例，可以使用足够薄以允许一定量的光透射的多晶硅或金属，作为上部电极S 106。由于金属具有低的电阻，因此如果使用金属作为上部电极S 106的材料，则有利地实现低电力消耗和高速驱动。注意，不特别限制上部电极S 106的光的透射率，只要透射率不为零即可。

半导体层108由本征非晶硅(在下文中被称为“a-Si”)、低浓度的P型a-Si、低浓度的N型a-Si等形成。或者，半导体层108可以由化合物半导体材料形成。化合物半导体的示例包括诸如BN、GaAs、GaP、AlSb或GaAlAsP等的III-V族化合物半导体，诸如CdSe、ZnS或HgTe等的II-VI族化合物半导体，以及诸如PbS、PbTe或CuO等的IV-VI族化合物半导体。作为选择，半导体层108可以由有机材料形成。有机材料的示例包括富勒烯、氧杂茶邻酮6(coumarin6，C6)、罗丹明6G(rhodamine 6G，R6G)、酞菁锌(ZnPc)、喹吖啶酮、酞菁系化合物以及萘酞菁系化合物等。此外，半导体层108可以通过由前述的化合物半导体形成的量子点膜来形成。半导体层108的杂质浓度优选为低，或者优选使用本征半导体层108。利用这种构造，由于可以在半导体层108中确保足够大的耗尽层，所以可以获得高灵敏度和噪声减少的效果。

阻挡层107阻挡与信号电荷的导电类型相同的导电类型的电荷从上部电极S 106流入到半导体层108中。在上部电极S 106由ITO形成的情况下，上部电极S 106可以依据与形成半导体层108的半导体的组合而用作阻挡层107。具体而言，形成势垒，使得具有与信号电荷的导电类型相同的导电类型的电荷从上部电极S 106到半导体层108的流动被阻挡。

与在半导体层108中使用的半导体相同类型的、具有比在半导体层108中使用的半导体的杂质浓度高的杂质浓度的N型或P型半导体，可以被用于阻挡层107。在a-Si被用于半导体层108的情况下，例如，具有高杂质浓度的N型a-Si或具有高杂质浓度的P型a-Si被用于阻挡层107。费米能级的位置依据杂质浓度而变化，因此，可以仅对电子和空穴中的一者形成势垒。阻挡层107具有如下的导电类型：与信号电荷的导电类型相反的导电类型的电荷是多数载流子。

作为选择，阻挡层107可以由与半导体层108的材料不同的材料形成。利用这种构造，形成异质结。由于不同的材料引起不同的带隙，可以仅对电子和空穴中的一者形成势垒。

在半导体层108与电极P 110之间、半导体层108与输送电极T 111之间以及半导体层108与电极D 112之间设置绝缘层109。绝缘层109由绝缘材料形成。绝缘层109的材料的示例包括诸如氧化硅、非晶氧化硅(在下文中被称为a-SiO)、氮化硅或非晶氮化硅(a-SiN)等的无机材料或有机材料。由于隧道效应，所以绝缘层109具有不透过电荷的这样的厚度。利用这种构造，可以减少泄漏电流，因此可以减少噪声。具体而言，绝缘层109的厚度等于或大于50nm。

如果a-Si、a-SiO或a-SiN被用于阻挡层107、半导体层108和绝缘层109，则可以进行加氢处理过程，并且可以终止形成悬空键。利用这种构造，可以减少噪声。

电极P 110、输送电极T 111和电极D 112各自由诸如金属等的导电构件构成。与构成布线的导电构件或构成用于外部连接的焊盘电极的导电构件相同的材料，被用于电极P110、输送电极T111和电极D 112。利用这种构造，可以同时形成电极P 110、输送电极T 111、电极D 112、布线和焊盘电极中的一些或全部。因此，可以简化制造工艺。

将参照图6A至图6F描述该实施例的操作。图6A至图6C是示意性地例示半导体层108中的信号电荷(空穴)的移动的图。图6D至图6F是示意性地例示半导体层108与绝缘层109之间的界面中的电位的图。在图6D至图6F中，纵坐标轴表示相对于空穴的电位。空穴的电位在纵坐标轴的上部中变低。因此，电压在纵坐标轴的上部中变低。

图6A是例示通过光电转换生成的空穴累积在光接收区域101中的状态的图。图6D是示意性地例示与图6A相对应的光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103中的空穴的电位的图。白圈表示空穴。在这种情况下，电极P 110的电压Vm、输送电极T 111的电压Vt和电极D 112的电压Vd具有以下关系之一：Vd＝Vm<Vt，Vd<Vm<Vt，以及Vm<Vd<Vt。根据该关系，在光接收区域101与电荷排出区域103之间形成势垒，以将光接收区域101和电荷排出区域103彼此电分离。具体而言，输送电极T 111用作将光接收区域101和电荷排出区域103彼此分离的分离电极。优选地将电压Vs和电压Vt设置为彼此相等，使得电分离功能得到改善。注意，根据从电源VP 113供给的电压Vp和第一电容器Cm 116的电容值来控制电极P110的电压Vm。

图6B是例示累积在光接收区域101中的空穴被输送到电荷排出区域103的状态的图。图6E是示意性地例示与图6B相对应的光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103中的空穴的电位的图。在这种情况下，电极P 110的电压Vm、输送电极T 111的电压Vt和电极D 112的电压Vd具有以下关系之一：Vd＝Vt<Vm，以及Vd<Vt<Vm。根据该关系，从光接收区域101到电荷排出区域103形成电位斜率。因此，累积在光接收区域101中的空穴沿半导体层108与绝缘层109之间的界面被输送到电荷排出区域103。电荷排出区域103电连接到电极D112。因此，输送到电荷排出区域103的信号电荷(空穴)与电子重新复合并消失。换言之，光接收区域101中的信号电荷被排出。

图6C是例示信号电荷已被输送到电荷排出区域103的状态的图。图6F是示意性地例示与图6C相对应的光接收区域101、电荷输送区域102和电荷排出区域103中的空穴的电位的图。电极P 110的电压Vm、输送电极T 111的电压Vt和电极D 112的电压Vd的状态与输送信号电荷之前的状态(即，图6D中所示的状态)相同。具体而言，满足以下关系之一：Vd＝Vm<Vt，Vd<Vm<Vt，以及Vm<Vd<Vt。然而，信号电荷由于输送操作而在光接收区域101中损失。因此，在通过绝缘层109的电容耦合而连接到电极D 112的放大晶体管118的栅极中，发生根据输送到电荷排出区域103的电荷的量的电压改变。即，与在曝光时段中累积在光接收区域101中的信号电荷的量相对应的信号被供给到放大晶体管118的栅极。

在该实施例中，半导体层108从光接收区域101通过电荷输送区域102到电荷排出区域103在与基板的表面平行的方向上连续地形成。因此，如图6B中所示，在平行于包括设置在其上的像素电路的基板的表面的方向上输送在半导体层108中生成的信号电荷。

利用这种构造，可以在沿着半导体层108与绝缘层109之间的界面的方向上输送电荷。这些界面具有小的缺陷能级，因此进行电荷的高速输送。

在电荷被输送到上部电极S 106的情况下，在半导体层108内形成电荷输送路径。在这种情况下，根据半导体层108的材料的移动程度控制输送的速度。因此，难以以高速输送电荷。尤其是，在半导体层108被形成得厚以对长波长的光获得足够的灵敏度的情况下，用于将电荷输送到上部电极S 106的输送路径的距离是大的。另一方面，在与基板的表面平行的方向上输送电荷的情况下，可以减小输送路径。这是因为，作为半导体层108中的输送源的光接收区域101与作为半导体层108中的输送目的地的电荷排出区域103之间的距离不受对长波长的光的灵敏度等的限制。

以这种方式，根据该实施例的摄像装置，可以有效地输送电荷。因此，可以减少由于残留电荷引起的诸如图像滞后等的噪声。

注意，在该实施例中，通过改变从电源VP 113供给的电压Vp来控制电极P 110的电压Vm。然而，在节点B的复位电压Vres小于电极D 112的电压Vd的情况下，可以固定从电源VP113供给的电压Vp。这是因为，可以仅通过控制输送电极T 111的电压Vt来输送电荷。此外，可以省略第一电容器Cm 116。即使省略第一电容器Cm 116，节点B也可以具有寄生电容。

此外，在多个像素中同时输送在光接收区域101中累积的电荷，并且电荷被电荷排出区域103保持直到信号被读取，并且以这种方式，可以实现全局电子快门操作。

接下来，将参照图7描述通过将信号电荷排出(输送)到电荷排出区域103来读取信号的操作。图7是示意性地例示在垂直于基板的表面的方向上的半导体层108的能带的图。在图7中，纵坐标轴表示空穴的电位。在纵坐标轴的上部中，空穴的电位降低。因此，在纵坐标轴的上部中，电压变低。对于上部电极S 106、电极P 110和电极D 112，例示了自由电子的能级。对于阻挡层107和半导体层108，例示了导带的能级与价带的能级之间的带隙。注意，在半导体层108与绝缘层109之间的界面中的半导体层108的电位被方便地称为“半导体层108的表面电位”或者被简称为“表面电位”。

在图7中的右侧例示了光接收区域101中的能带。在图7中的左侧例示了电荷排出区域103中的能带。对于光接收区域101，例示了上部电极S 106、阻挡层107、半导体层108、绝缘层109和电极P 110的能带。对于电荷排出区域103，例示了上部电极S 106、阻挡层107、半导体层108和电极P 112的能带。

光接收区域101中的操作包括电荷输送(步骤p1)和通过入射光的光电转换生成的信号电荷的累积(步骤p2)。现在将描述各步骤。

在步骤p1中，如参照图6A至图6F所描述的，在光接收区域101中累积的信号电荷通过电荷输送区域102被输送到电荷排出区域103。光接收区域101从累积空穴的状态进入空穴消失的状态。另一方面，电荷排出区域103从不存在空穴的状态进入保持空穴的状态。

在输送信号电荷之前的状态下，即，在用于累积信号电荷的曝光时段中，将复位电压Vres供给到电极P 110。在该实施例中，复位电压Vres为3V。注意，此时的电极P 110的电压可能包括在复位时产生的噪声kTC。供给到上部电极S 106的电压Vs被固定为6V，供给到电极D 112的电压Vd被固定为4V。

在该实施例中，电源VP 113供给第一电压Vp1(＝3V)和第二电压Vp2(＝5V)。当在曝光时段中生成的信号电荷(空穴)被累积在光接收区域101中时，电源VP 113供给比上部电极S 106的电压Vs(＝6V)低的第一电压Vp1(＝3V)。在步骤p1中，电源VP 113供给第二电压Vp2(＝5V)，使得进行电荷输送。

当从电源VP 113供给的电压Vp改变时，电极P 110(图1A至图1C的节点B)的电压在与电压Vp的改变相同的方向上改变。根据连接到电极P 110的第一电容器Cm 116的电容值C1与光接收区域101中包括的第二电容器123的电容值C2的比，来确定电极P 110的电压改变量dVm。虽然节点C的电压改变量dVp由“dVp＝Vp2-Vp1”表示，但是电极P 110的电压改变量dVm由“dVm＝dVp×C1/(C1+C2)”表示。注意，包括电极P 110的节点B可以包括其他电容组件。然而，其他电容组件充分小于第一电容器Cm 116的电容值C1。因此，节点B的电容值可以被视为与第一电容器Cm 116的电容值C1相同。

在该实施例中，电极P 110的电压改变电压改变量dVm，因此，光接收区域101的表面电位变得高于电极D 112的电压Vd。结果，光接收区域101的电荷被输送到电荷排出区域103。

随后，将第一电压Vp1供给到节点C。由此，半导体层108的电位的倾斜被再次反转。因此，已经侵入到半导体层108中的电子被从半导体层108排出。同时，阻挡层107阻挡空穴从上部电极S 106侵入到半导体层108中。因此，半导体层108的表面电位根据保持的空穴的数量改变。

当要进行信号电荷的输送时，包括电极P 110的节点(图1A的节点B)被电浮置。因此，电极P 110的电压根据表面电位的改变从复位状态改变与消失的空穴的数量相对应的电压Vsig。具体而言，与保持为信号电荷的空穴的数量相对应的电压Vsig出现在节点B中。与保持的空穴的数量相对应的电压Vsig被称为“光信号分量”。光信号分量Vsig是基于通过光电转换生成的信号电荷的信号。

如上所述，输送到电荷排出区域103的信号电荷(空穴)与从电极D 112供给的电子重新复合并消失。

在读取包括光信号分量Vsig的信号之后，电极P 110的电压被复位，并且光电转换开始。在光接收区域101中，在由入射光生成的电子和空穴的对中，空穴作为信号电荷被累积。电子被排出到上部电极S106。结果，与入射光的量相对应的空穴的数量被累积在光接收区域101与绝缘层109之间的界面中。

之后，重复进行信号电荷的输送和信号电荷的累积。在运动图像的情况下，该重复的一个单位对应于一帧的操作。通过在相同的定时对所有像素重复进行该操作，可以进行全局电子快门操作。

作为像素电路的操作，重复进行下面的步骤m1至m3。在步骤m1中，放大晶体管118的输入节点被复位。在步骤m2中，读取噪声信号N(N读取)。在步骤m3中，读取光信号P(S读取)。现在，将描述各个步骤。

在步骤m1中，复位晶体管117导通。包括电极P 110的节点的电压，即，图1A中所示的节点B的电压，被复位到复位电压Vres。注意，复位晶体管117可以在曝光时段期间处于导通状态。作为选择，复位晶体管117可以紧接在读取噪声信号N之前导通。

之后，在步骤m2中，复位晶体管117截止。由此，节点B被电浮置。这里，可能由复位晶体管117产生复位噪声(噪声kTC)。选择晶体管119导通，并且放大晶体管118输出包括来自像素100的复位噪声的噪声信号N(Vres+kTC)(N读取)。噪声信号N由列电路204的电容器CTN保持。

之后，如上所述，信号电荷被从光接收区域101输送到电荷排出区域103。在信号电荷被输送之后，在步骤m3中选择晶体管119导通。由此，放大晶体管118从像素100输出光信号S(Vsig+Vres+kTC)。光学信号S由列电路204的电容器CTS保持。在步骤m2中读取的噪声信号N(Vres+kTC)与在步骤m3中读取的光信号S(Vsig+Vres+kTC)之间的差，是基于与保持的信号电荷相对应的电压Vsig的信号(光信号分量)。

在信号电荷是电子的情况下，第二电压Vp2低于第一电压Vp1。此外，复位电压Vres被设置为低于上部电极S 106的电压Vs。

在该实施例中，通过控制半导体层108的电位，从光接收区域101排出空穴。电极P110(节点B)的电压改变量dVm优选是大的，使得容易形成从光接收区域101到电荷排出区域103的电位斜率。由于可以减少光接收区域101中的残留电荷的量，所以可以减少噪声。在下文中，将描述对于获得电极P 110(节点B)的大的电压改变量dVm有效的单元。

如上所述，节点C的电压改变量dVp与节点B的电压改变量dVm之间的关系表示如下：dVm＝dVp×C1/(C1+C2)。具体而言，节点B的电容值C1变得越大，节点B的电压改变量dVm变得越大。

在该实施例中，第一电容器Cm 116连接到电极P110。因此，可以增加节点B的电容值C1。利用这种构造，可以增加节点B的电压改变量dVm。结果，可以减少噪声。

接下来，将描述第一电容器Cm 116的电容值C1、光接收区域101中包括的第二电容器123的电容值C2、以及供给到各种单元的电压之间的关系。

在该实施例中，光接收区域101包括阻挡层107、半导体层108和绝缘层109。阻挡层107具有比半导体层108和绝缘层109的导电性更高的导电性。因此，光接收区域101中包括的第二电容器123的电容值C2是半导体层108的电容分量Ci和绝缘层109的电容分量Cins的合成电容。具体而言，第二电容器123的电容值C2由下面的表达式(1)来表示。

C2＝Ci×Cins/(Ci+Cins)···(1)

假设由“Ss”表示平面图中的电极P 110的面积，由“di”表示半导体层108的厚度，由“dins”表示绝缘层109的厚度，由“Ei”表示半导体层108的相对介电常数，由“Eins”表示绝缘层109的相对介电常数，并且由“E0”表示真空介电常数，则电容分量Ci和Cins分别由下面的表达式(2)和(3)来表示。

Ci＝E0×Ei×Ss/di···(2)

Cins＝E0×Eins×Ss/dins···(3)

电极P 110的边缘电场可以忽略，因此，仅考虑平面图中的电极P 110的面积Ss作为要用于电容计算的面积。平面图中的电极P 110的面积Ss对应于图4A中的电极P 110的面积。此外，在图5B中例示了半导体层108的厚度di和绝缘层109的厚度dins。

假设由“Sd”表示平面图中的电极502或电极503的面积，由“dd”表示电极502与电极503之间的距离，并且由“Ed”表示电极502与电极503之间的绝缘层的介电常数，则第一电容器Cm 116的电容值C1由下面的表达式(4)来表示。

C1＝E0×Ed×Sd/dd···(4)

在该实施例中，节点C的电压Vp被控制为是第一电压Vp1或第二电压Vp2，使得节点B的电压被控制。当第一电容器Cm 116的电容值C1和第二电容器123的电容值C2满足下述关系时，可以增加节点B的电压改变量dVm。首先，将描述信号电荷是空穴的情况。

在下文中，为了简化描述，假设第一电容器Cm 116的电容值C1是第二电容器123的电容值C2的k倍。具体而言，电容值C1和C2具有由下面的表达式(5)表示的关系。

C1＝k×C2···(5)

如上所述，节点C的电压改变量dVp和电极D 112(节点B)的电压改变量dVm具有由下面的表达式(6)表示的关系。

dVm＝dVp×C1/(C1+C2)···(6)

由表达式(5)和(6)获得下面的表达式(7)。

dVm＝dVp×k/(1+k)···(7)

这里，为了累积作为信号电荷的空穴，供给到上部电极S 106(节点A)的电压Vs和复位电压Vres满足由下面的表达式(8)表示的关系。

Vs>Vres···(8)

为了输送作为信号电荷的空穴，上部电极S 106(节点A)的电压Vs、复位电压Vres和电极D 112的电压改变量dVm满足由下面的表达式(9)表示的关系。

Vs<Vres+dVm···(9)

当满足表达式(8)的关系时，可以在半导体层108上形成用于使空穴朝绝缘层109漂移的电位的倾斜。当满足表达式(9)的关系时，可以容易地反转半导体层108上的电位的倾斜。

由表达式(7)和(9)获得下面的表达式(10)。

Vs-Vres<dVp×k/(1+k)···(10)

这里，在信号电荷是空穴的情况下，第二电压Vp2高于第一电压Vp1。具体而言，通过“Vp2-Vp1”获得的节点C的电压改变量dVp是正值。因此，即使将表达式(10)的两侧除以dVp，不等号也不反转。

因此，对于电容值C1与电容值C2的电容比k，通过表达式(10)获得由表达式(11)表示的关系表达式。

当满足由表达式(11)表示的关系时，可以减少未被排出的电荷的量。因此，可以减少噪声。

具体而言，在该实施例中，第一电容器Cm 116的电容值C1为4fF，第二电容器123的电容值C2为1fF。也就是说，k为4。利用这种构造，可以减少噪声。

在该实施例中，在平面图中，第一电容器Cm 116的上部电极211或下部电极213的面积Sd和电极D 112的面积Ss满足以下关系：Sd>0.5×Ss。利用这种构造，可以容易地获得上述电容比的关系。

此外，k的值越大，则噪声减少的效果越大。因此，如果第一电容器Cm 116的电容值C1等于或大于第二电容器123的电容值C2，则可以进一步增强噪声减少效果。

使用第一电压Vp1和第二电压Vp2将节点C的电压改变量dVp表示为如下：dVp＝Vp2-Vp1。可以使用表达式(5)，由“C1/(C1+C2)”替换表达式(11)的左侧。因此，表达式(11)被变形为下面的表达式(12)。

接下来，将描述信号电荷是电子的情况。在信号电荷是电子的情况下，表达式(8)和(9)中的不等号被反转。因此，表达式(10)中的不等号也被反转。具体而言，在信号电荷是电子的情况下，获得下面的表达式(13)。

Vs-Vres>dVp×k/(1+k)···(13)

然而，在信号电荷是电子的情况下，第二电压Vp2低于第一电压Vp1。具体而言，由“Vp2-Vp1”表示的节点C的电压改变量dVp是负值。因此，如果将表达式(13)的两侧除以dVp，则不等号被反转。结果，与信号电荷是空穴的情况一样，获得表达式(11)和(12)。

这里，将描述由表达式(12)表示的关系。由于复位电压Vres更接近供给到光接收区域101的上部电极S 106的电压Vs，所以右侧的值变小。具体而言，即使第一电容器Cm 116的电容值C1是小的，也可以反转半导体层108的电位的倾斜。如果复位电压Vres与供给到上部电极S 106的电压Vs之间的差是小的，则可以在半导体层108中累积的电荷的量是小的。

另一方面，复位电压Vres与电压Vs之间的差越大，则右侧的值越大。具体而言，对第一电容器Cm 116的电容值C1设置大的值。这里，由于复位电压Vres与第一电压Vs1之间的差是大的，因此可以增加可以累积在半导体层108中的电荷的量。

如上所述，可以根据第一电容器Cm 116的电容值C1与光接收区域101中包括的第二电容器123的电容值C2之间的关系来减少噪声。

注意，上述的数值仅仅是示例，并且本发明不限于这些值。可以在半导体层108与绝缘层109之间的界面中检测缺陷能级。在这种情况下，基于一般技术考虑平带电压。

接下来，将描述用于根据该实施例的摄像装置的控制的驱动信号。图8和图9是在该实施例的摄像装置中使用的驱动信号的时序图。在图8和图9中，驱动信号对应于读取针对一行的信号的操作。

驱动信号pRES被供给到复位晶体管117的栅极。驱动信号pVT被供给到输送电极T111。驱动信号pTS被供给到S/H开关302。驱动信号pTN被供给到S/H开关303。驱动信号HSCAN被供给到列驱动电路202。

当驱动信号pRES、pTN和pTS处于高电平时，对应的晶体管或对应的开关接通。当驱动信号pRES、pTN和pTS处于低电平时，对应的晶体管或对应的开关断开。根据晶体管或开关的阈值电压来设置驱动信号的高电平和低电平。在图8和图9中，例示了驱动信号pVP的时序图。驱动信号pVP包括第一电压Vp1和第二电压Vp2。

现在，将描述使用图8中所示的驱动信号的操作。首先，驱动信号pRES处于高电平，因此，电极P110的电压被复位为复位电压Vres。之后，驱动信号pRES进入低电平，因此，复位晶体管117截止，并且包括电极P 110的节点(节点B)被浮置。当驱动信号pTN进入高电平时，S/H开关303接通。由此，保持噪声信号N。随后，驱动信号pVT进入低电平，因此，光接收区域101与电荷排出区域103之间的势垒被去除。同时，电源VP 113供给第二电压Vp2。由此，信号电荷被输送。之后，驱动信号pTS进入高电平，因此，S/H开关302接通。由此，光信号S被保持。之后，驱动信号pRES进入高电平，因此，电极P110的电压被再次复位。

在使用图9中所示的驱动信号的操作中，在信号电荷的累积开始之前进行膜复位。具体而言，在驱动信号pTS进入低电平之后进行与电荷的输送类似的操作。根据上述的驱动，可以在曝光开始之前减少残留电荷。结果，可以减少诸如图像滞后等的噪声。

如上所述，根据该实施例，在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的方向上，从半导体层108的光接收区域101向半导体层108的电荷排出区域103输送电荷。利用这种构造，可以在短时间内输送电荷。因此，可以减少噪声。

第二实施例

将描述第二实施例。图10是示意性地例示摄像装置的像素的构造的图。与第一实施例相同的部分由与第一实施例相同的附图标记表示。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在半导体层108与绝缘层109之间设置电荷约束层201。在下文中将描述与第一实施例不同的部分。

电荷约束层201可以由具有与半导体层108的带隙不同的带隙的半导体材料形成。在半导体层108和电荷约束层201中采用所谓的异质结构。电荷约束层201具有约束或封闭在某个区域或某个输送路径中的累积的空穴的功能。因此，如图10中所示，作为信号电荷的空穴被累积在电荷约束层201中。然后，在电荷约束层201中在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的方向上输送信号电荷。因此，可以将电荷约束层201称为电荷输送层。

在设置阻挡层107和电荷约束层201二者的情况下，阻挡层107和电荷约束层201阻挡不同极性的电荷。在该实施例中，阻挡层107阻挡空穴从上部电极S 106侵入到半导体层108。电荷约束层201阻挡电子侵入到半导体层108。注意，仅在电荷约束层201的下方设置绝缘层109，因此，电荷约束层201可能不阻挡电子的侵入。

图11是示意性地例示图10中所示的摄像装置中的垂直方向上的电位的图。该实施例的操作与参照图6A至图6F和图7描述的第一实施例的操作相同。然而，由于设置了电荷约束层201，所以如图11中所示在电荷约束层201中累积信号电荷，并且在电荷约束层201中进行电荷输送。利用这种构造，可以以更高的速度实现电荷的输送。

注意，为了描述起见，分开地例示了半导体层108和电荷约束层201。然而，单个半导体区域的不同部分可以用作半导体层108和电荷约束层201。例如，不同的部分可以具有不同的杂质浓度。

如上所述，电荷约束层201具有约束或封闭在某个区域或某个输送路径中的累积的空穴的功能。作为信号电荷的空穴被累积在电荷约束层201中，然后在电荷约束层201内在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的方向上被输送。

在各实施例中，半导体层108典型地被设计为增大载流子寿命，以提高半导体层108的光接收区域101的灵敏度。然而，增大载流子寿命可能导致载流子的迁移率的降低。结果，响应速度可能降低。

使用无机材料或有机材料用于本实施例的半导体层108。由无机材料形成的半导体层108例如是氢化非晶硅膜或包括IV-VI系化合物半导体(例如PbS、PbTe和CuO)的量子点的膜。用于半导体层108的有机材料的示例包括富勒烯、氧杂茶邻酮6(C6)、罗丹明6G(R6G)、酞菁锌(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载流子寿命，则载流子的迁移率可以变得小于1cm²/Vs。在这种情况下，可选地使用具有高载流子迁移率的材料作为电荷约束层201。具有高载流子迁移率的电荷约束层201能够提高载流子输送速度。

具体而言，使用与用于半导体层108的材料不同的材料来形成电荷约束层201。例如，使用石墨烯片、包括HgSe的量子点的层、包括HgTe的量子点的层或包括CdSe的量子点的层。这些材料具有大于或等于1cm²/Vs的载流子迁移率。石墨烯片中的载流子的迁移率典型地为约60000cm²/Vs。包括HgSe的量子点的层中的载流子的迁移率典型地为约100cm²/Vs。包括HgTe的量子点的层中的载流子的迁移率典型地为约1cm²/Vs。包括CdSe的量子点的层中的载流子的迁移率典型地为约10cm²/Vs。

石墨烯片具有相对高的迁移率，然而难以形成以像素为基础分离的石墨烯片。

包括量子点的层例如由半导体材料制成。因此，容易进行完全耗尽。结果，使用包括量子点的层能够在实现高的电荷输送速度的同时减少噪声。典型地，使用具有大于或等于约1cm²/Vs的载流子迁移率的电荷约束层201，以在对高速图像传感器足够短的时间内输送电荷。包括量子点的层可以具有容易堆叠包括量子点的半导体层108的优点。

如上所解释的，根据本实施例的图像传感器能够在实现高速信号读出的同时提高光接收区域101的灵敏度。

第三实施例

现在，将描述根据本发明的第三实施例。第三实施例与第一实施例的不同之处在于，去除了电荷输送区域102、输送电极T 111以及连接到输送电极T 111的电源VT 114。在下文中将描述与第一实施例不同的部分。

图12是示意性例示根据该实施例的摄像装置的像素100的图。具有与图1A相同的功能的部分由与图1A相同的附图标记来表示。如图12中所示，像素100不包括电荷输送区域102、输送电极T 111和电源VT 114。

在该实施例的像素100中，连接到电极D 112的电源VD 150向电极D 112供给不同的电压。可以通过控制从电源VD 150供给的电压Vd和从电源VP 113供给的电压Vp，来进行从光接收区域101到电荷排出区域103的电荷的输送。注意，电极P 110的电压Vm根据电压Vp的改变而改变。

在信号电荷是空穴的情况下，电极P 110的电压Vm与电极D 112的电压Vd之间的关系被设置为满足“Vd<Vm”，使得电荷被从光接收区域101输送到电荷排出区域103。注意，在光接收区域101累积电荷的时间段中，电极P 110的电压Vm与电极D 112的电压Vd之间的关系被设置为如下：Vd>Vm。在信号电荷是电子的情况下，电极P 110的电压Vm与电极D 112的电压Vd之间的关系被设置为满足“Vd>Vm”，使得电荷被从光接收区域101输送到电荷排出区域103。注意，在光接收区域101累积电荷的时间段中，电极P 110的电压Vm与电极D 112的电压Vd之间的关系被设置为如下：Vm>Vd。

如图13中所示，该实施例的摄像装置可以包括电荷约束层201。电荷约束层201的构造和功能与第二实施例的相同。

如上所述，在该实施例中，像素100不包括电荷输送区域102。利用这种构造，可以减小像素尺寸。

第四实施例

现在，将描述本发明的第四实施例。第四实施例与第一实施例的不同之处在于，在光接收区域101中累积的信号电荷被输送到电荷读取区域410。在下文中将描述与第一实施例不同的部分。

图14是示意性地例示根据本实施例的摄像装置的像素100的图。具有与图1A相同的功能的部分由与图1A相同的附图标记来表示。在该实施例中，半导体层108包括电荷读取区域410。电极M 412连接到电荷读取区域410。此外，电荷读取区域410通过电极M 412电连接到放大晶体管118的栅极和第一电容器Cm 116。同时，向电极P 110供给固定电压Vd。

在光接收区域101中累积的信号电荷在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的方向上从光接收区域101被输送到电荷读取区域410。由于电荷读取区域410连接到放大晶体管118的栅极，所以输送的电荷通过在节点B中进行的电荷-电压转换而被转换成电压信号。

在光接收区域101与电荷读取区域410之间限定电荷输送区域102。因此，虽然电极和像素电路之间的连接的构造与第一实施例的不同，但是光接收区域101和电荷读取区域410的构造和功能类似于第一实施例的光接收区域101和电荷排出区域103的构造和功能。

注意，如同第二实施例，可以去除电荷输送区域102。此外，如图15中所示，该实施例的摄像装置可以包括电荷约束层201。

如上所述，根据该实施例，电荷在与包括设置在其上的像素电路的基板的表面平行的方向上从半导体层108的光接收区域101被输送到半导体层108的电荷读取区域410。利用这种构造，可以在短时间内输送电荷。结果，可以减少噪声。

第五实施例

现在，将描述本发明的第五实施例。第五实施例与第一实施例的不同之处在于，多个光接收区域101共享电荷排出区域103。在下文中将描述与第一实施例不同的部分。

图16A是示意性地例示摄像装置的平面结构的图。图16B是示意性地例示根据该实施例的摄像装置的像素100的图。沿图1A的虚线XVIB至XVIB截取获得图16B的横截面。在图16A和图16B中，在附图标记之后分配字母，以将多个光接收区域101彼此区分。对多个电极P110和多个输送电极T 111也是如此。

在该实施例中，光接收区域101a的电荷和光接收区域101b的电荷都被输送到电荷排出区域103。换言之，针对一对像素电路和电荷排出区域103设置多个光接收区域101。因此，可以从共同的像素电路读取多个光接收区域101的多个信号。作为选择，来自多个光接收区域101的电荷可以在电荷排出区域103中彼此相加。注意，在该实施例的变型中，省略电荷约束层201。

第六实施例

现在，将描述本发明的第六实施例。第六实施例与第三实施例的不同之处在于，电极P 110和电极D 112设置在不同的高度。在下文中，将描述与第三实施例不同的部分。

图17是示意性地例示根据该实施例的摄像装置的像素100的图。具有与图1A相同的功能的部分由与图1A相同的附图标记来表示。如图17中所示，电极P 110和电极D 112设置在不同的高度。包括设置在其上的像素电路的基板的表面用作高度的基准。具体而言，电极P 110和电极D112设置在沿与基板的表面垂直的第二方向上与基板具有不同距离的不同位置中。换言之，电极P 110和电极D 112形成在不同的层中。不同的层可以是其间置有层间绝缘膜的两个金属层。

此外，电极P 110的一部分和电极D 112的一部分可以彼此交叠，如图17中所示。在交叠部分之间设置绝缘层。

在图17中，整个电极P 110和整个电极D 112设置在不同的高度。注意，至少电极P110的一部分和电极D 112的一部分可以设置在不同的高度。

利用这种构造，可以稳定地输送电荷。因此，可以减少光接收区域101中的残留电荷的量，结果，可以减少噪声。

如同第一实施例，该实施例的摄像装置可以包括电荷输送区域102和输送电极T111。如同第二实施例等，该实施例的摄像装置可以包括电荷约束层201。此外，电极P 110的至少一部分和输送电极T 111的至少一部分可以设置在不同的高度。

第七实施例

现在，将描述本发明的第七实施例。第七实施例与第一实施例的不同之处在于，多个电极分离地设置在半导体层108上。在下文中将描述与第一实施例不同的部分。

图18是示意性地例示根据该实施例的摄像装置的像素100的图。具有与图1A相同的功能的部分由与图1A相同的附图标记来表示。在图18中所示的摄像装置中，上部电极S106未设置在电荷输送区域102上。因此，上部电极S 106包括彼此分离的设置在光接收区域101(第一电极)上的部分和设置在电荷排出区域103上的部分(第三电极)。上部电极S106的两个分离部分被称为“第一电极106-1”和“第三电极106-2”。

在第一电极106-1与电极D 112(第四电极)之间限定光接收区域101。在第三电极106-2与电极P 110(第二电极)之间限定电荷排出区域103。电源VSB 180连接到第一电极106-1。电源VSB 180向第一电极106-1供给多个电压Vsb。如同第一实施例的上部电极S106，电源VS 104连接到第三电极106-2。

当作为信号电荷的空穴被从光接收区域101输送到电荷排出区域103时，第一电极106-1的电压Vsb和第三电极106-2的电压Vs满足以下关系：Vsb<Vs。因此，可以支持由电极P110、输送电极T 111和电极D 112对电荷的输送。结果，可以以更高的速度进行电荷的输送。在信号电荷是电子的情况下，当输送电荷时，第一电极106-1的电压Vsb和第三电极106-2的电压Vs满足以下关系：Vsb>Vs。因此，可以支持由电极P 110、输送电极T 111和电极D 112对电荷的输送。结果，可以以更高的速度进行电荷的输送。

上部电极S 106上的两个分离部分可以彼此绝缘或彼此连接。由于电荷排出区域103可以不接收光，所以设置在电荷排出区域103上的部分(第三电极)可以由金属形成，并且该金属可以连接到设置在光接收区域101上的部分(第一电极)。利用这种构造，可以有效地减小供给电压Vs的线的电阻。

此外，可以在第一电极106-1与第三电极106-2之间设置与第一电极106-1和第三电极106-2分离的另一电极。具体而言，可以在电荷输送区域102中设置可以独立地控制的电极。在这种情况下，由输送电极T 111和该另一电极形成的电场可以防止累积在光接收区域101中的电荷泄漏到外部。

如上所述，根据该实施例，上部电极S 106包括彼此分离的设置在光接收区域101上的部分(第一电极)和设置在电荷排出区域103上的部分(第三电极)。利用这种构造，可以提高电荷输送效率。

第八实施例

将描述根据本发明的摄像系统的实施例。摄像系统的示例包括数字静态照相机、数字摄像机、摄像头、复印机、传真机、蜂窝电话、车载摄像机和天文台。图19是例示作为摄像系统的示例的数字静态照相机的框图。

在图19中，摄像系统包括保护透镜的挡板1001，用于将被摄体的光学像形成在摄像装置1004上的透镜1002，以及改变通过透镜1002的光量的光圈1003。摄像装置1004对应于上面在前述各实施例中描述的摄像装置，并且将由透镜1002形成的光学像转换成图像数据。假设摄像装置1004具有包括形成在其上的AD转换单元的半导体基板。信号处理器1007对从摄像装置1004输出的摄像数据进行各种校正操作并且压缩数据。在图19中，定时生成单元1008向摄像装置1004和信号处理器1007输出各种定时信号，并且整体控制/计算单元1009控制整个数字静态照相机。帧存储器单元1010暂时存储图像数据。接口单元1011被用来对记录介质进行记录和读取，并且诸如半导体存储器等的可拆卸记录介质1012经受摄像数据的记录或读取。接口单元1013被用来与外部计算机等通信。这里，可以从摄像系统的外部输入定时信号，并且摄像系统至少包括摄像装置1004和处理从摄像装置1004输出的摄像信号的信号处理器1007。

在该实施例中，描述了摄像装置1004和AD转换单元设置在同一半导体基板中的构造。然而，摄像装置1004和AD转换单元可以被形成在不同的半导体基板上。此外，摄像装置1004和信号处理器1007可以被形成在同一半导体基板上。

此外，各个像素100可以包括第一光电转换单元101A和第二光电转换单元101B。信号处理器1007可以对基于在第一光电转换单元101A中生成的电荷的信号和基于在第二光电转换单元101B中生成的电荷的信号进行处理，以获得关于从摄像装置1004到被摄体的距离的信息。

在摄像系统的实施例中，使用根据第一实施例的摄像装置作为摄像装置1004。由于在摄像系统中采用本发明的实施例，所以可以获得具有减少的噪声的图像。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种摄像装置，所述摄像装置包括：

基板，其包括多个像素电路；

设置在所述基板上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；以及

半导体层，其设置在所述基板上，并且包括设置在所述第一电极与所述第二电极之间的第一部分以及设置在所述第三电极与所述第四电极之间的第二部分，

其中，所述多个像素电路中的各个像素电路包括输出基于在所述半导体层中生成的电荷的信号的放大晶体管，并且

其中，在所述半导体层中生成的电荷在与所述基板的表面平行的第一方向上从所述第一部分被输送到所述第二部分。

2.根据权利要求1所述的摄像装置，所述摄像装置还包括：

绝缘层，其设置在所述半导体层中的所述第一部分与所述第二电极之间。

3.根据权利要求2所述的摄像装置，所述摄像装置还包括：

电荷约束层，其设置在所述半导体层与所述绝缘层之间。

4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，所述电荷约束层延伸到设置在所述半导体层中的所述第二部分与所述第四电极之间的区域。

5.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，所述电荷约束层被设置为与所述第四电极接触。

6.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，所述电荷约束层中的电荷的迁移率大于所述半导体层中的电荷的迁移率。

7.根据权利要求6所述的摄像装置，其中，所述电荷约束层中的电荷的迁移率大于或等于1cm²/Vs。

8.根据权利要求7所述的摄像装置，其中，所述半导体层中的电荷的迁移率小于1cm²/Vs。

9.根据权利要求8所述的摄像装置，其中，所述电荷约束层包括从由以下构成的组中选择的至少一者：石墨烯片、包括HgSe的量子点的层、包括HgTe的量子点的层、以及包括CdSe的量子点的层。

10.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，所述半导体层的所述第二部分被设置为与所述第四电极接触。

11.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第二电极电连接到所述放大晶体管。

12.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第四电极电连接到所述放大晶体管。

13.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一电极和所述第三电极彼此分离。

14.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一电极和所述第三电极形成在连续的导电层中。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的摄像装置，其中，所述第四电极在与所述基板的表面平行的平面中围绕所述第二电极。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的摄像装置，

其中，所述半导体层包括设置在所述第一部分与所述第二部分之间的输送区域，并且

其中，设置输送电极以控制所述输送区域的电位。

17.根据权利要求16所述的摄像装置，其中，所述第二电极的至少一部分和所述输送电极的至少一部分被设置在，在与所述基板的表面垂直的第二方向上距所述基板具有不同距离的位置处。

18.根据权利要求1至14中任一项所述的摄像装置，其中，所述第二电极的至少一部分和所述第四电极的至少一部分被设置在，在与所述基板的表面垂直的第二方向上距所述基板具有不同距离的位置处。

19.一种摄像系统，所述摄像系统包括：

根据权利要求1至19中任一项所述的摄像装置；以及

信号处理器，其被构造为处理从所述摄像装置输出的信号。