CN107018338A - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不需改变曝光时间、不改变被摄体像的抖动量即可进行曝光量的调整的摄像装置。本发明的摄像装置具有第1单位像素单元和对第2电极施加电压的电压供给电路，第1单位像素单元包括第1电极、与第1电极对置的第2电极、第1电极和第2电极之间的第1光电变换层、以及与第1电极连接并检测在第1光电变换层产生的第1信号电荷的第1信号检测电路，在1帧期间内，电压供给电路通过使施加给第2电极的电压变化，形成多次曝光期间和在各曝光期间之间的不曝光期间，1帧期间内的各曝光期间的开始及结束的定时，在第1帧期间和第2帧期间之间是相同的，施加给第2电极的电压的变化程度在第1帧期间和第2帧期间之间是不同的。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置。
背景技术
近年来提出了附加各种功能的摄像装置。例如，专利文献1公开的摄像装置包括连接于光电二极管和电源之间的第1传输晶体管、和连接于光电二极管和电荷蓄积区域之间的第2传输晶体管。还记载了该摄像装置的曝光时间是不连续的，包括比合计的曝光时间短的多个曝光时间。并且，该曝光时间在曝光开始前通过第1传输晶体管将光电二极管复位，在曝光结束后通过第2传输晶体管从光电二极管向电荷蓄积区域传输电荷。根据该摄像装置，通过将曝光时间分割成多个不连续的曝光时间，能够确保曝光量，并且降低动态场景的图像的抖动。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】美国专利申请公开第2015/0009375号说明书
发明内容
发明要解决的问题
需要不改变被摄体像的抖动量即可进行曝光量的调整的摄像装置。
用于解决问题的手段
本发明的非限定性的某个示例性的摄像装置具有第1单位像素单元和对第2电极施加电压的电压供给电路，第1单位像素单元包括第1电极、与第1电极对置的第2电极、第1电极和第2电极之间的第1光电变换层、以及与第1电极连接并检测在第1光电变换层产生的第1信号电荷的第1信号检测电路，在1帧期间内，电压供给电路通过使施加给第2电极的电压变化，形成多次曝光期间和在所述多次曝光期间的各曝光期间之间的不曝光期间，1帧期间内的多次曝光期间的各曝光期间的开始及结束的定时，在第1帧期间和继第1帧期间之后的第2帧期间之间是相同的，施加给第2电极的电压的变化程度在第1帧期间和第2帧期间之间是不同的。
发明效果
根据本发明的实施方式，不需改变被摄体像的抖动量即可实现曝光量的调整。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的摄像装置的示例性的电路结构的示意图。
图2是表示单位像素单元10的示例性的器件构造的剖面示意图。
图3是表示含有萘酞菁锡的光电变换层的吸收波谱的一例的图。
图4是表示光电变换层15的结构的一例的剖面示意图。
图5是说明本发明的实施方式的摄像装置的动作的一例的图。
图6是说明本发明的实施方式的摄像装置的动作的一例的图。
图7是说明本发明的实施方式的摄像装置的动作的一例的图。
具体实施方式
根据本申请发明人的研究，在专利文献1所公开的摄像装置中，在入射到摄像装置的光的强度不同的情况下，通过改变曝光时间使曝光量恒定定。因此，曝光时间根据被摄体的明亮度而不同，对于被摄体可能产生不自然的抖动的变化。
在具有光电变换层的摄像装置中，由入射到光电变换层的光生成空穴电子对，通过对光电变换层施加偏置电压将空穴电子对分离，并检测一方的载流子作为信号电荷。本申请发明人发现，在这种摄像装置中通过减小施加给光电变换层的偏置电压，能够变更光电变换层的灵敏度，而且对在电荷蓄积部蓄积的信号电荷不产生实质影响。即，发现即使是反复使偏置电压成为增大的状态和减小的状态的情况下，在电荷蓄积部蓄积的信号电荷也被积分。因此，不需改变曝光时间，即可调整曝光量。本申请发明人根据该认识想到了新的摄像装置。本发明的一个方式的概要如下所述。
[项目1]
一种摄像装置，具有：
第1单位像素单元，包括第1电极、与第1电极对置的第2电极、第1电极和第2电极之间的第1光电变换层、以及与第1电极连接并检测在第1光电变换层产生的第1信号电荷的第1信号检测电路；以及
对第2电极施加电压的电压供给电路，
在1帧期间内，电压供给电路通过使施加给第2电极的电压变化，形成多次曝光期间和在所述多次曝光期间的各曝光期间之间的不曝光期间，
1帧期间内的多次曝光期间的各曝光期间的开始及结束的定时，在第1帧期间和继第1帧期间之后的第2帧期间之间是相同的，
施加给第2电极的电压的变化程度在第1帧期间和第2帧期间之间是不同的。
[项目2]
根据项目1所述的摄像装置，将在多次曝光期间中取得的多个摄像数据合成，并作为对应于1帧的摄像数据进行输出。
[项目3]
根据项目1或2所述的摄像装置，在1帧内的多次曝光期间中，施加给第2电极的电压是相同的。
[项目4]
根据项目1～3中任意一个项目所述的摄像装置，在第1帧期间的多次曝光期间中施加给第2电极的电压，与在第2帧期间的多次曝光期间中施加给第2电极的电压不同。
[项目5]
根据项目1～4中任意一个项目所述的摄像装置，第1帧期间的多次曝光期间中的单位像素单元的每单位时间的灵敏度，与第2帧期间的多次曝光期间中的单位像素单元的每单位时间的灵敏度不同。
[项目6]
根据项目1所述的摄像装置，第1单位像素单元是沿着行和列呈二维状配置的多个单位像素单元中的一个。
多个单位像素单元在按照每行而不同的定时读出信号。
[项目7]
根据项目1～6中任意一个项目所述的摄像装置，第1帧期间和第2帧期间交替地反复。
[项目8]
一种摄像装置，具有呈一维状或者二维状排列的多个单位像素单元、和驱动所述多个单位像素单元并在多个定时取得图像的驱动部，
所述多个单位像素单元中的各个单位像素单元包括：
光电变换层，具有第1面、和与所述第1面相反一侧的第2面；
第1电极，与所述第1面相接；
第2电极，与所述第2面相接；以及
信号检测电路，与所述第1电极连接，检测在所述光电变换层产生的信号电荷，
所述驱动部使所述第1及第2电极之间的电位差变化，在1帧期间通过多重曝光在多个定时取得多个摄像数据，
所述电位差的变化程度在n帧和n+1帧是不同的。
根据项目8的结构，不需改变曝光时间，即可在维持被摄体像的抖动量的同时实现曝光量的调整。
[项目9]
根据项目1所述的摄像装置，所述驱动部将在1帧期间取得的所述多个摄像数据复用，并输出被复用的摄像数据。
[项目10]
根据项目8或9所述的摄像装置，所述电位差的变化程度在所述1帧内是相同的。
[项目11]
根据项目8～10中任意一个项目所述的摄像装置，在所述n帧和所述n+1帧之间，所述单位像素单元的每单位时间的灵敏度是变化的。
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。另外，下面说明的实施方式均用于示出概况性或者具体的示例。在下面的实施方式中示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接方式、步骤、步骤的顺序等仅是一例，其主旨不是限定本发明。在本说明书中说明的各种方式只要不产生矛盾就可以相互组合。并且，关于下面的实施方式的构成要素中、没有在表示最上位概念的独立权利要求中记载的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。在下面的说明中，具有实质上相同的功能的构成要素用相同的参照标号表示，有时省略说明。
(摄像装置的电路结构)
图1表示本发明的实施方式的摄像装置的示例性的电路结构。图1所示的摄像装置100具有像素阵列PA，像素阵列PA包括呈二维状排列的多个单位像素单元10。图1示意地示出了将单位像素单元10配置成2行2列的矩阵状的例子。当然，摄像装置100中的单位像素单元10的数量及配置不限于图1所示的例子。单位像素单元10既可以排列成二维状，也可以排列成一维状。
各单位像素单元10具有光电变换部13和信号检测电路14。如后面参照附图说明的那样，光电变换部13具有被夹在相互对置的两个电极之间的光电变换层，接受所入射的光并生成信号。光电变换部13不需要全部是按照每个单位像素单元10独立的元件，也可以是光电变换部13的例如一部分横跨多个单位像素单元10。信号检测电路14是检测由光电变换部13生成的信号的电路。在该例中，信号检测电路14包括信号检测晶体管24和地址晶体管26。信号检测晶体管24和地址晶体管26典型地讲是场效应晶体管(FET)，在此作为信号检测晶体管24和地址晶体管26例示了N沟道MOS。
如在图1中示意的那样，信号检测晶体管24的控制端子(此处指栅极)具有与光电变换部13的电连接。由光电变换部13生成的信号电荷(空穴或者电子)被蓄积于信号检测晶体管24的栅极和光电变换部13之间的电荷蓄积节点(也称为“浮动扩散节点”)41。关于光电变换部13的构造的详细情况在后面进行说明。
摄像装置100具有驱动像素阵列PA并在多个定时取得图像的驱动部。驱动部包括电压供给电路32、复位电压源34、垂直扫描电路36、列信号处理电路37及水平信号读出电路38。
各单位像素单元10的光电变换部13还具有与灵敏度控制线42的连接。在图1示例的结构中，灵敏度控制线42与电压供给电路32连接。如在下面详细说明的那样，电压供给电路32向对置电极12供给在高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间之间彼此不同的电压。并且，也可以向对置电极12供给在帧之间不同的电压。在本说明书中，“高灵敏度曝光期间”是指用于将通过光电变换而生成的正及负的电荷中一方(信号电荷)以相对较高的灵敏度蓄积在电荷蓄积区域中的期间。并且，在本说明书中，“低灵敏度曝光期间”是指用于将通过光电变换而生成的正及负的电荷中一方(信号电荷)以相对较低的灵敏度蓄积在电荷蓄积区域中的期间。较低的灵敏度包括灵敏度实质上为0的情况。
通过控制相对于像素电极11的电位的对置电极12的电位，能够通过像素电极11收集通过光电变换在光电变换层15内产生的空穴-电子对中的空穴及电子的任意一方。例如，在使用空穴作为信号电荷的情况下，通过使对置电极12的电位高于像素电极11，能够通过像素电极11选择性地收集空穴。并且，在每单位时间收集的信号电荷量根据像素电极11与对置电极12的电位差而变化。下面，示例使用空穴作为信号电荷的情况。当然，也能够使用电子作为信号电荷。电压供给电路32不限于特定的电源电路，可以是生成规定的电压的电路，也可以是将从其它电源供给的电压变换为规定的电压的电路。
各单位像素单元10具有与供给电源电压VDD的电源线40的连接。如图所示，电源线40与信号检测晶体管24的输入端子(典型地讲是漏极)连接。电源线40作为源极跟随电源发挥作用，由此信号检测晶体管24将通过光电变换部13生成的信号放大并输出。
信号检测晶体管24的输出端子(此处指源极)与地址晶体管26的输入端子(此处指漏极)连接。地址晶体管26的输出端子(此处指源极)与在像素阵列PA的每列配置的多条垂直信号线47中的一条垂直信号线连接。地址晶体管26的控制端子(此处指栅极)与地址控制线46连接，通过控制地址控制线46的电位，能够将信号检测晶体管24的输出选择性地读出到对应的垂直信号线47中。
在图示的例子中，地址控制线46与垂直扫描电路(也称为“行扫描电路”)36连接。垂直扫描电路36通过对地址控制线46施加规定的电压，按照行单位选择在各行配置的多个单位像素单元10。由此，执行所选择的单位像素单元10的信号的读出和后述的像素电极的复位。
垂直信号线47是将来自像素阵列PA的像素信号传递给周边电路的主信号线。垂直信号线47与列(column)信号处理电路(也称为“行信号蓄积电路”)37连接。列信号处理电路37进行以相关双重采样为代表的杂音抑制信号处理及模拟-数字变换(AD变换)等。如图所示，列信号处理电路37对应像素阵列PA中的单位像素单元10的各列而设置。这些列信号处理电路37与水平信号读出电路(也称为“列扫描电路”)38连接。水平信号读出电路38从多个列信号处理电路37依次将信号读出到水平共用信号线49中。
在图1示例的结构中，单位像素单元10具有复位晶体管28。复位晶体管28例如可以与信号检测晶体管24及地址晶体管26一样，是场效应晶体管。下面，只要没有特别说明，就说明复位晶体管28使用N沟道MOS的例子。如图所示，该复位晶体管28连接于供给复位电压Vr的复位电压线44和电荷蓄积节点41之间。复位晶体管28的控制端子(此处指栅极)与复位控制线48连接，通过控制复位控制线48的电位，能够将电荷蓄积节点41的电位复位成复位电压Vr。在该例中，复位控制线48与垂直扫描电路36连接。因此，通过由垂直扫描电路36对复位控制线48施加规定的电压，能够将在各行配置的多个单位像素单元10按照行单位进行复位。
在该例中，对复位晶体管28供给复位电压Vr的复位电压线44与复位电压供给电路34(下面，简称为“复位电压源34”)连接。复位电压源34只要具有在摄像装置100动作时能够对复位电压线44供给规定的复位电压Vr的结构即可，与上述的电压供给电路32一样不限于特定的电源电路。电压供给电路32及复位电压源34分别可以是一个电压供给电路的一部分，也可以是独立的单独的电压供给电路。另外，也可以是电压供给电路32及复位电压源34一方或者双方是垂直扫描电路36的一部分。或者，也可以将来自电压供给电路32的灵敏度控制电压及/或来自复位电压源34的复位电压Vr通过垂直扫描电路36供给各个单位像素单元10。
作为复位电压Vr，也能够使用信号检测电路14的电源电压VDD。在这种情况下，能够使对各个单位像素单元10供给电源电压的电压供给电路(在图1中未图示)和复位电压源34相同。并且，由于能够使电源线40和复位电压线44相同，因而能够简化像素阵列PA中的配线。其中，通过将复位电压Vr设为与信号检测电路14的电源电压VDD不同的电压，能够实现摄像装置100的更加灵活的控制。
(单位像素单元的器件构造)
图2示意地表示单位像素单元10的示例性的器件构造。在图2示例的结构中，上述的信号检测晶体管24、地址晶体管26及复位晶体管28形成于半导体基板20。半导体基板20不限于其整体是半导体的基板。半导体基板20也可以是在形成有感光区域的一侧的表面设有半导体层的绝缘性基板等。在此，说明半导体基板20使用P型硅酮(Si)基板的例子。
半导体基板20具有杂质区域(此处指N型区域)26s、24s、24d、28d及28s、和单位像素单元10之间的电气分离用的元件分离区域20t。在此，元件分离区域20t也设于杂质区域24d和杂质区域28d之间。元件分离区域20t例如通过在规定的注入条件下进行接受体的离子注入而形成。
杂质区域26s、24s、24d、28d及28s典型地讲是形成于半导体基板20内的扩散层。如图2示意地示出的那样，信号检测晶体管24包括杂质区域24s及杂质区域24d、和栅极电极24g(典型地讲是聚硅酮电极)。杂质区域24s作为信号检测晶体管24的例如源极区域发挥作用。杂质区域24d作为信号检测晶体管24的例如漏极区域发挥作用。在杂质区域24s和杂质区域24d之间形成有信号检测晶体管24的沟道区域。
同样，地址晶体管26包括杂质区域26s及杂质区域24s、和与地址控制线46(参照图1)连接的栅极电极26g(典型地讲是聚硅酮电极)。在该例中，信号检测晶体管24及地址晶体管26通过共用杂质区域24s而相互电连接。杂质区域26s作为地址晶体管26的例如源极区域发挥作用。杂质区域26s具有与图2中未图示的垂直信号线47(参照图1)的连接。
复位晶体管28包括杂质区域28d及28s、和与复位控制线48(参照图1)连接的栅极电极28g(典型地讲是聚硅酮电极)。杂质区域28s作为复位晶体管28的例如源极区域发挥作用。杂质区域28s具有与图2中未图示的复位电压线44(参照图1)的连接。
在半导体基板20上配置有覆盖信号检测晶体管24、地址晶体管26及复位晶体管28的层间绝缘层50(典型地讲是二氧化硅层)。如图所示，在层间绝缘层50中能够配置配线层56。配线层56典型地讲由铜等金属形成，例如其中一部分能够包含上述的垂直信号线47等配线。层间绝缘层50中的绝缘层的层数及在层间绝缘层50中配置的配线层56所包含的层数能够任意设定，不限于图2示出的例子。
在层间绝缘层50上配置有上述的光电变换部13。换言之，在本发明的实施方式中，构成像素阵列PA(参照图1)的多个单位像素单元10形成于半导体基板20上。由在半导体基板20上呈二维状排列的多个单位像素单元10形成感光区域(像素区域)。相邻的两个单位像素单元10间的距离(像素间距)例如约为2μm。
光电变换部13包括像素电极11、对置电极12、和配置在它们之间的光电变换层15。在该例中，对置电极12和光电变换层15横跨多个单位像素单元10而形成。另一方面，像素电极11按照每个单位像素单元10设置，并在空间上与相邻的另一个单位像素单元10的像素电极11分离，由此与另一个单位像素单元10的像素电极11电气分离。
对置电极12典型地讲是由透明的导电性材料形成的透明电极。对置电极12配置在光电变换层15中光入射的一侧。因此，透射对置电极12的光入射到光电变换层15。另外，由摄像装置100检测的光不限于可见光的波长范围(例如380nm以上780nm以下)内的光。本说明书中的“透明”是指使要检测的波长范围的光的至少一部分透射，并非必须使整个可见光的波长范围整体的光透射。在本说明书中，为了方便起见将包括红外线及紫外线的电磁波统一表述为“光”。对置电极12能够使用例如ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、ZnO2等透明导电性氧化物(Transparent Conducting Oxide(TCO))。
光电变换层15接受入射的光，产生空穴-电子对。光电变换层15典型地讲由有机半导体材料形成。关于构成光电变换层15的材料的具体例子在后面进行说明。
如参照图1说明的那样，对置电极12具有与连接于电压供给电路32的灵敏度控制线42的连接。并且，在此对置电极12横跨多个单位像素单元10而形成。因此，能够从电压供给电路32通过灵敏度控制线42在多个单位像素单元10之间统一施加期望大小的灵敏度控制电压。另外，如果能够从电压供给电路32施加期望大小的灵敏度控制电压，则对置电极12也可以按照每个单位像素单元10而分开设置。同样，光电变换层15也可以按照每个单位像素单元10而分开设置。
通过控制相对于像素电极11的电位的对置电极12的电位，能够通过像素电极11收集通过光电变换在光电变换层15内产生的空穴-电子对中的空穴及电子的任意一方。例如，在使用空穴作为信号电荷的情况下，通过使对置电极12的电位高于像素电极11，能够通过像素电极11选择性地收集空穴。并且，在每单位时间收集的信号电荷量根据像素电极11和对置电极12之间的电位差而变化。下面，示例使用空穴作为信号电荷的情况。当然，也能够使用电子作为信号电荷。
通过向对置电极12和像素电极11之间提供适当的偏置电压，与对置电极12对置的像素电极11收集在光电变换层15中通过光电变换而产生的正及负的电荷中的一方。像素电极11由铝、铜等金属、金属氮化物、或者通过掺杂杂质而被赋予了导电性的聚硅酮等形成。
也可以将像素电极11设为遮光性的电极。例如，通过形成厚度100nm的TaN电极作为像素电极11，能够实现充分的遮光性。通过将像素电极11设为遮光性的电极，能够抑制在光电变换层15通过的光向形成于半导体基板20的晶体管(在该例中是指信号检测晶体管24、地址晶体管26及复位晶体管28至少任意一方)的沟道区域或者杂质区域入射。也可以利用上述的配线层56在层间绝缘层50内形成遮光膜。通过抑制光向形成于半导体基板20的晶体管的沟道区域入射，能够抑制晶体管的特性的偏差(例如阈值电压的变动)。并且，通过抑制光向形成于半导体基板20的杂质区域入射，能够抑制因杂质区域中的意外的光电变换而导致的噪声的混入。这样，抑制光向半导体基板20入射，将有助于摄像装置100的可靠性的提高。
如图2示意地示出的那样，像素电极11通过塞柱52、配线53及接触塞柱54与信号检测晶体管24的栅极电极24g连接。换言之，信号检测晶体管24的栅极具有与像素电极11的电连接。塞柱52、配线53例如能够由铜等金属形成。由塞柱52、配线53及接触塞柱54构成信号检测晶体管24和光电变换部13之间的电荷蓄积节点41(参照图1)的至少一部分。配线53可以是配线层56的一部分。并且，像素电极11也通过塞柱52、配线53及接触塞柱54与杂质区域28d连接。在图2示例的结构中，信号检测晶体管24的栅极电极24g、塞柱52、配线53、接触塞柱54及55、以及作为复位晶体管28的源极区域及漏极区域中一方的杂质区域28d，作为蓄积通过像素电极11收集到的信号电荷的电荷蓄积区域发挥作用。
通过像素电极11收集信号电荷，由此对信号检测晶体管24的栅极施加与在电荷蓄积区域中蓄积的信号电荷的量对应的电压。信号检测晶体管24将该电压放大。经由地址晶体管26选择性地读出由信号检测晶体管24放大后的电压作为信号电压。
(光电变换层)
下面，说明光电变换层15的结构的例子。
光电变换层15典型地讲含有半导体材料。在此，半导体材料使用有机半导体材料。
光电变换层15例如含有用下面的通式(1)表示的萘酞菁锡(下面，有时简称为“萘酞菁锡”)。
【化学式1】
在通式(1)中，R1～R24独立地表示氢原子或者取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以是氘原子、卤素原子、烷基(包括环烷基、二环烷基、三环烷基)、烯基(包括环烯基、二环烯基)、炔基、芳基、杂环基(也可以称为杂环基)、氰基、羟基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、甲硅烷氧基、杂环氧基、酰氧基、氨基甲酰氧基、烷氧基羰氧基、芳氧基羰氧基、氨基(包括苯胺基)、氨溶基(ammonio)、酰氨基、氨羰氨基、烷氧基羰氨基、芳氧基羰氨基、氨磺酰氨基、烷基磺酰氨基、芳基磺酰氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、杂环硫基、氨磺酰基、磺基、烷基亚磺酰基、芳基亚磺酰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、酰基、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基偶氮基、杂环偶氮基、亚氨基、膦基、氧膦基、氧膦基氧基、氧膦基氨基、膦酰基、甲硅烷基、肼基、脲基、硼酸基(-B(OH)2)、磷酸基(-OPO(OH)2)、硫酸基(-OSO3H)、或者其它公知的取代基。
用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡能够使用市场上销售的产品。或者，例如按照日本特开2010-232410号公报公开的那样，能够将用下述的通式(2)表示的萘衍生物作为初始原料合成得到用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡。通式(2)中的R25～R30可以是与通式(1)中的R1～R24相同的取代基。
【化学式2】
在用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡中，从容易控制分子的凝聚状态的角度考虑，R1～R24中8个以上是氢原子或者氘原子比较有利，R1～R24中16个以上是氢原子或者氘原子更有利，全部是氢原子或者氘原子最有利。另外，从容易合成的角度考虑，用下式(3)表示的萘酞菁锡比较有利。
【化学式3】
用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡在大致200nm以上1100nm以下的波段具有吸收性。例如，用上式(3)表示的萘酞菁锡如图3所示在波长约870nm的位置具有吸收峰值。图3是含有用上式(3)表示的萘酞菁锡的光电变换层的吸收波谱的一例。另外，在测定吸收波谱时使用在石英基板上层叠了光电变换层(厚度：30nm)的试样。
根据图3可知，由含有萘酞菁锡的材料形成的光电变换层在近红外区域具有吸收性。即，通过选择含有萘酞菁锡的材料作为构成光电变换层15的材料，能够实现例如能够检测近红外线的光传感器。
图4示意地表示光电变换层15的结构的一例。在图4示例的结构中，光电变换层15具有空穴阻挡层15h、使用含有用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡的有机半导体材料形成的光电变换构造15A、和电子阻挡层15e。空穴阻挡层15h配置在光电变换构造15A和对置电极12之间，电子阻挡层15e配置在光电变换构造15A和像素电极11之间。
图4所示的光电变换构造15A包括p型半导体及n型半导体至少一方。在图4示例的结构中，光电变换构造15A具有p型半导体层150p、n型半导体层150n、被夹在p型半导体层150p和n型半导体层150n之间的混合层150m。p型半导体层150p配置在电子阻挡层15e和混合层150m之间，具有光电变换及/或空穴输送的功能。n型半导体层150n配置在空穴阻挡层15h和混合层150m之间，具有光电变换及/或电子输送的功能。如后面所述，也可以是混合层150m包括p型半导体及n型半导体至少一方。
p型半导体层150p和n型半导体层150n分别包括有机p型半导体及有机n型半导体。即，光电变换构造15A包括含有用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡的有机光电变换材料、和有机p型半导体及有机n型半导体至少一方。
有机p型半导体(化合物)是施主性有机半导体(化合物)，主要指以空穴输送性有机化合物为代表的、具有容易供给电子的性质的有机化合物。更具体地讲，有机p型半导体(化合物)是指在使两种有机材料接触使用时离子势较小者的有机化合物。因此，作为施主性有机化合物，只要是具有电子供给性的有机化合物，则能够使用任何的有机化合物。例如，能够使用具有以下的化合物作为配位体的金属络合物等：三芳基胺化合物、联苯胺化合物、吡唑啉化合物、苯乙烯胺化合物、腙化合物、三苯甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、噻吩化合物、酞菁化合物、花青类化合物、部花青类化合物、氧杂菁化合物、多胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚亚芳基化合物、缩合芳香族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、荧蒽衍生物)、含氮杂环化合物。另外，施主性有机半导体不限于这些，如上所述只要是离子化电位比作为n型(受主性)化合物使用的有机化合物小的有机化合物，就能够用作施主性有机半导体。上述的萘酞菁锡是有机p型半导体材料的一种。
有机n型半导体(化合物)是受主性有机半导体(化合物)，主要指以电子输送性有机化合物为代表的、具有容易接受电子的性质的有机化合物。更具体地讲，有机n型半导体(化合物)是指在使两种有机材料接触使用时电子亲和力较大者的有机化合物。因此，作为受主性有机化合物，只要是具有电子受主性的有机化合物，则能够使用任何的有机化合物。例如，能够使用具有以下物质作为配位体的金属络合物等：富勒烯、富勒烯衍生物、缩合芳香族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、荧蒽衍生物)、含有氮原子、氧原子、硫原子的5～7元杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲绕啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑哒嗪、三唑嘧啶、四氮茚、氧杂二唑、咪唑并吡啶、吡咯烷、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯并氮杂卓、三苯并氮杂卓等)、聚亚芳基化合物、芴化合物、环戊二烯化合物、甲硅烷基化合物、含氮杂环化合物。另外，不限于这些，如上所述只要是电子亲和力比作为p型(施主性)有机化合物使用的有机化合物大的有机化合物，就能够用作受主性有机半导体。
混合层150例如可以是包括p型半导体及n型半导体的异质结构造层。在形成混合层150m作为具有异质结构造的层的情况下，能够使用用上述的通式(1)表示的萘酞菁锡作为p型半导体材料。作为n型半导体材料，例如能够使用富勒烯及/或富勒烯衍生物。构成p型半导体层150p的材料与混合层150m中包含的p型半导体材料相同比较有利。同样，构成n型半导体层150n的材料与混合层150m中包含的m型半导体材料相同比较有利。关于异质结构造在专利第5553727号公报中已经详细说明。作为参考，在本说明书中引用了专利第5553727号公报的全部公开内容。
通过按照要进行检测的波长区域使用合适的材料，能够实现在期望的波长区域具有灵敏度的摄像装置。光电变换层15也可以含有非晶硅等无机半导体材料。光电变换层15也可以含有由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。下面，说明将通过对萘酞菁锡和C60进行一起蒸镀而得到的异质结构造适用于光电变换层15的例子。
(摄像装置的动作)
首先，参照图5说明采用高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间的图像的取得。图5是说明本发明的实施方式的摄像装置的动作的一例的时序图。图5中的曲线(a)表示垂直同步信号Vss的下降(或者上升)的定时。曲线(b)表示水平同步信号Hss的下降(或者上升)的定时。并且，曲线(c)表示通过灵敏度控制线42从电压供给电路32施加给对置电极12的电压Vb的时间性变化的一例。曲线(d)示意地表示像素阵列PA的各行中的复位及高灵敏度曝光、低灵敏度曝光的定时。
下面，参照图1、图2及图5说明摄像装置100的动作的一例。为了简单起见，在此说明像素阵列PA中包含的像素的行数是第R0行～第R7行合计8行时的动作的例子。
在取得图像时，首先执行像素阵列PA中的各单位像素单元10的电荷蓄积区域的复位和复位后的像素信号的读出。例如，按照图5所示根据垂直同步信号Vss开始属于第R0行的多个像素的复位(时刻t0)。图5中的网点矩形示意地表示信号的读出期间。可以在该读出期间的一部分中包含将单位像素单元10的电荷蓄积区域的电位复位用的复位期间。
在属于第R0行的像素的复位中，通过第R0行的地址控制线46的电位的控制，使栅极与该地址控制线46连接的地址晶体管26导通。另外，通过第R0行的复位控制线48的电位的控制，使栅极与该复位控制线48连接的复位晶体管28导通。由此，电荷蓄积节点41和复位电压线44相连接，向电荷蓄积区域供给复位电压Vr。即，信号检测晶体管24的栅极电极24g及光电变换部13的像素电极11的电位被复位成复位电压Vr。然后，通过垂直信号线47从第R0行的单位像素单元10读出复位后的像素信号。此时得到的像素信号是与复位电压Vr的大小对应的像素信号。在读出像素信号后，使复位晶体管28及地址晶体管26截止。
在该例中，如图5示意地示出的那样，根据水平同步信号Hss，按照行单位依次执行属于第R0行～第R7行的各行的像素的复位。即，像素阵列PA以滚动快门方式进行驱动。下面，有时将水平同步信号Hss的脉冲的间隔，换言之，将从选择某行起到选择下一行的期间称为“1H期间”。在该例中，例如从时刻t0到时刻t1的期间相当于1H期间。
如图5所示，在1H期间的后半部分，将从电压供给电路32供给的电压V1施加给对置电极12。电压V1是摄影时的电压即电荷蓄积时的电压，例如约10V。(时刻t0～t15)。
图5中空白的矩形示意地表示各行中的高灵敏度曝光期间。高灵敏度曝光期间是通过电压供给电路32将施加给对置电极12的电压切换为比电压V2大的电压V1而开始的。并且，图5中用网点矩形及带斜线的矩形示出的期间示意地表示低灵敏度曝光期间。低灵敏度曝光期间是通过电压供给电路32将施加给对置电极12的电压切换为电压V2而开始的。电压V2小于电压V1，典型地讲是使像素电极11和对置电极12之间的电位差达到0V以下的电压。电压V2例如也可以是与电荷蓄积部的复位电压大致相同的电压。
在施加给光电变换层15的偏置电压达到0V的状态下，在光电变换层15产生的电荷几乎消失。其理由可以推测为，通过光的照射而产生的正及负的电荷几乎都快速地再结合而消失。
另一方面，在高灵敏度曝光时蓄积于电荷蓄积部的信号电荷，在进行像素的复位动作以前得以保持而不会消失。
在下一个1H期间中，电压供给电路32将施加给对置电极12的电压再次切换为电压V2，由此再次开始低灵敏度曝光。这样，以1H期间为单位，反复低灵敏度曝光期间和高灵敏度曝光期间(时刻t0～t15)。在本发明的实施方式中，通过在电压V2和电压V1之间切换施加给对置电极12的电压，在1H期间中切换高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间。
如上所述，在低灵敏度曝光期间中，在电荷蓄积部蓄积的信号电荷得以保持原状。其结果是，即使高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间反复，也能对在各高灵敏度曝光时蓄积的信号电荷进行积分。这是由本发明人最先发现的。另外，当在低灵敏度曝光时对光电变换层施加正的偏置电压的情况下，在低灵敏度曝光时也蓄积信号电荷。在这种情况下，不仅在高灵敏度曝光时，对在低灵敏度曝光时蓄积的信号电荷也进行积分。
另外，通过在1H期间中使高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间的长度的比例、即施加给对置电极12的电压的占空比不同，能够使曝光时间不同。
然后，根据水平同步信号Hss，从属于像素阵列PA的各行的像素进行信号电荷的读出。在该例中，从时刻t15起，按照行单位依次执行从属于第R0行～第R7行的各行的像素读出信号电荷。下面，有时将从选择属于某行的像素起到再次选择属于该行的像素的期间称为“1V期间”。在该例中，时刻t0～时刻t15的期间相当于有关第R0行的1V期间。1V期间也是有关各行的1帧期间。因此，对于各行而言，通过在1帧期间中反复数次高灵敏度曝光期间，进行多重曝光。
在反复高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间的1V期间结束后的时刻t15，从属于第R0行的像素进行信号电荷的读出。此时，使第R0行的地址晶体管26导通。由此，将与在数次的高灵敏度曝光期间中蓄积于电荷蓄积区域的电荷量对应的像素信号输出给垂直信号线47。也可以在进行像素信号的读出之后，使复位晶体管28导通而进行像素的复位。在进行像素信号的读出后，使地址晶体管26(及复位晶体管28)截止。在进行信号电荷的读出后，获取在时刻t0读出的信号与在时刻t15读出的信号之差分。由此，能够得到去除了固定噪声的信号。然后，在各行中下一个1V期间开始。通过将从各行读出的信号合成，能够得到1帧的图像。通过滚动快门动作，虽然各行中的曝光期间的开始及结束、信号的读出及像素的复位的定时不同，但是对于像素整体而言，通过在1帧期间中反复高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间来进行多重曝光，能够在多个定时得到高灵敏度曝光期间中的摄像数据。基于该多重曝光的信号电荷的合成是在各像素单元内的电荷蓄积部进行的。
下面，说明采用这样的驱动使曝光量在帧间变化的方式。图6是说明本发明的实施方式的摄像装置的动作的一例的图。与图5一样，曲线(a)表示垂直同步信号Vss的下降(或者上升)的定时。曲线(b)表示水平同步信号Hss的下降(或者上升)的定时。曲线(c)表示通过灵敏度控制线42从电压供给电路32施加给对置电极12的电压Vb的时间性变化的一例。曲线(d)示意地表示像素阵列PA的各行中的复位及高灵敏度曝光、低灵敏度曝光的定时。与图5的曲线(d)不同，在继第一个1V期间(帧f1)之后的下一个1V期间(帧f2)中，将高灵敏度曝光期间的电压供给电路32施加给对置电极12的电压设定为比电压V1大的电压V3。在曲线(d)中，用带竖线的矩形表示被施加电压V3的高灵敏度曝光期间。在帧f1中施加给对置电极12的电压Vb的变化是(V1-V2)，在帧f2中是(V1-V3)。这样，在帧f1和帧f2中，高灵敏度曝光期间及低灵敏度曝光期间的施加给对置电极12的电压Vb的变化的程度不同。另外，在帧f1中，施加给对置电极12的电压Vb的变化的程度恒定为(V1-V2)。并且，在帧f2中，施加给对置电极12的电压Vb的变化的程度恒定为(V1-V3)。
在帧f2的高灵敏度曝光期间中，向对置电极12施加更高的电压V3，因而各单位像素单元的灵敏度进一步提高。即，相对于t0～t15的1帧，在t15以后的帧中，高灵敏度曝光期间中的单位像素单元的每单位时间的灵敏度变化。另一方面，如图6所示，在t0～t15的1帧和t15以后的帧中，高灵敏度曝光期间和低灵敏度曝光期间的长度相同。因此，根据图6所示的驱动，通过变更单位像素单元的灵敏度，不需变更曝光时间即可控制曝光量。因此，根据本发明的实施方式，不需在帧间改变被摄体像的抖动量，即可实现曝光量的调整。
图7表示反复上述的动作的时序图的一例。曲线(a)表示垂直同步信号Vss的下降(或者上升)的定时。曲线(b)表示从电压供给电路32施加给对置电极12的电压Vb的时间性变化的一例。曲线(d)示意地表示像素阵列PA的各行中的复位及高灵敏度曝光、低灵敏度曝光的定时。
如图7所示，按照每1帧，将在高灵敏度曝光期间中施加给对置电极12的电压Vb切换为V1和V3。通过按照这样的控制驱动摄像装置，能够在每1帧交替地得到高灵敏度图像和低灵敏度图像。因此，通过将第N个帧的图像和第N+1个帧的图像相加，能够得到动态范围扩大的高动态范围图像。
这样，在本发明的实施方式中，根据施加给对置电极12的电压Vb，控制高灵敏度曝光期间的开始及结束和低灵敏度曝光期间的开始及结束。并且，根据在高灵敏度曝光时施加给对置电极12的电压V1的电位控制曝光量。即，根据本发明的实施方式，由于曝光时间不变，因而不需改变被摄体像的抖动量，即可实现曝光量的调整。并且，不需要对各单位像素单元10追加传输栅极等元件，因而也有利于像素的微细化。
产业上的可利用性
本发明的摄像装置能够应用于例如图像传感器等。本发明的摄像装置能够用于医疗用摄像机、机器人用摄像机、安保摄像机、搭载于车辆使用的摄像机等。作为车载用摄像机，例如能够用作针对控制装置的输入装置，该控制装置进行车辆安全行驶用的控制。或者，能够用于对驾驶员使车辆安全行驶用的支持。
标号说明
10单位像素单元；11像素电极；12对置电极；13光电变换部；14信号检测电路；15光电变换层；15A光电变换构造；15e电子阻挡层；15h空穴阻挡层；20半导体基板；20t元件分离区域；24d、24s、26s、28d、28s杂质区域；24信号检测晶体管；26地址晶体管；28复位晶体管；24g、26g、28g栅极电极；32电压供给电路；34复位电压源；35基板电压供给电路；36垂直扫描电路；40电源线；41电荷蓄积节点；42灵敏度控制线；50层间绝缘层；44复位电压线；46地址控制线；47垂直信号线；48复位控制线。

Claims (7)

1.一种摄像装置，具有：
第1单位像素单元，包括第1电极、与所述第1电极对置的第2电极、所述第1电极和所述第2电极之间的第1光电变换层、以及与所述第1电极连接并检测在所述第1光电变换层产生的第1信号电荷的第1信号检测电路；以及
电压供给电路，对所述第2电极施加电压，
在1帧期间内，所述电压供给电路通过使施加给所述第2电极的所述电压变化，形成多次曝光期间和在所述多次曝光期间的各曝光期间之间的不曝光期间，
1帧期间内的所述多次曝光期间的各曝光期间的开始及结束的定时，在第1帧期间和继所述第1帧期间之后的第2帧期间之间是相同的，
施加给所述第2电极的所述电压的变化程度在所述第1帧期间和所述第2帧期间之间是不同的。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，
将在所述多次曝光期间中取得的多个摄像数据合成，并作为对应于1帧的摄像数据进行输出。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，
在1帧内的所述多次曝光期间中，施加给所述第2电极的所述电压是相同的。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，
在所述第1帧期间的所述多次曝光期间中施加给所述第2电极的所述电压，与在所述第2帧期间的所述多次曝光期间中施加给所述第2电极的所述电压不同。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1帧期间的所述多次曝光期间中的所述单位像素单元的每单位时间的灵敏度，与所述第2帧期间的所述多次曝光期间中的所述单位像素单元的每单位时间的灵敏度不同。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1单位像素单元是沿着行和列呈二维状配置的多个单位像素单元中的一个，
所述多个单位像素单元在按照所述每行而不同的定时读出信号。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，
所述第1帧期间和所述第2帧期间交替地反复。
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