CN108391032B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够一次性地获取彼此灵敏度不同的多个图像信号的、新型结构。本公开的摄像装置具备第1摄像单元、第2摄像单元、电压供给电路，电压供给电路供给电，使得在第一帧期间内，所述第1摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的第1像素电极和第1对置电极之间的电位差，以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的第2像素电极和第2对置电极之间的电位差彼此不同。

Description

摄像装置
技术领域
本公开涉及摄像装置。
背景技术
利用了光电变换的图像传感器被广泛使用。代替嵌入式光电二极管，提出了在半导体基板的上方设置了光电变换元件的结构(参照下述专利文献1～3)。位于半导体基板的上方的光电变换元件典型来说具有一对电极和夹持在这些电极间的光电变换膜。就在半导体基板的上方设置了光电变换元件的结构而言，配线可以设置在半导体基板和光电变换元件之间。为此其结构与使用了嵌入式光电二极管的情况相比较，具有在各摄像单元中能够扩大参与光电变换的区域的面积这样的优点。
下述的专利文献1以及2公开了通过切换向一对电极间施加的偏压而能够改变分光灵敏度的光电变换元件。在专利文献1以及2中记载的技术中，在一对电极之间设置了吸收光谱彼此不同的有机光电变换膜层叠的结构。
专利文献1公开了通过两种以上的有机半导体材料的共蒸镀来形成一对电极间的光电变换膜。专利文献2记载了通过将向一对电极之间施加的偏压在第1偏压和第2偏压之间切换，能够选择性地获得红外图像以及基于可见光的黑白图像中的任意一种。为了参考，将专利文献1～3的公开内容全部援引到本说明书中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1国际公开第2014/024581号
专利文献2日本特开2008-227092号公报
专利文献3国际公开第2014/002367号
发明内容
发明要解决的问题
如果能够通过单一的摄像装置一次性地获取能够改变灵敏度得到的多个图像信号是有利的。
解决问题的手段
以下提供不作为本公开的限定的某示例性实施方式。
一种摄像装置，其具备：
第1摄像单元；
第2摄像单元；以及
电压供给电路，
所述第1摄像单元包含：
第1光电变换部，包含第1像素电极、第1对置电极、所述第1像素电极以及所述第1对置电极之间的第1光电变换层，并且通过光电变换生成第1信号电荷；以及
第1电荷检测电路，与所述第1像素电极连接，对所述第1信号电荷进行检测；
所述第2摄像单元包含：
第2光电变换部，包含第2像素电极、第2对置电极、所述第2像素电极以及所述第2对置电极之间的第2光电变换层，并且通过光电变换生成第2信号电荷；以及
第2电荷检测电路，与所述第2像素电极连接，对所述第2信号电荷进行检测；
所述电压供给电路供给电压，使得在第一帧期间内，所述第1摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第1像素电极和所述第1对置电极之间的电位差，以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第2像素电极和所述第2对置电极之间的电位差彼此不同。
包含性或具体性的技术方案也可以由元件、装置、组件、系统、集成电路或方法实现。或者，包含性或具体性的技术方案也可以由元件、装置、组件、系统、集成电路以及方法的任意的组合来实现。
公开的实施方式的追加的效果以及优点通过说明书以及附图可以明确。效果和/或优点，说明书以及附图中公开的多种实施方式或特征逐个提供，获得这些中的一个以上即可不需要获得全部。
发明的效果
根据本公开的实施方式，可以提供确保同时性并可以获取例如相互之间灵敏度不同的多个图像信号的具有新型结构的摄像装置。
附图说明
图1为示出本公开的一种典型的实施方式的摄像装置的结构的概况的示意剖面图。
图2为示出本公开的第1实施方式的摄像装置的示例性电路结构的图。
图3为示出取出图2所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Ax以及10Ay的图。
图4为示出像素阵列PA中包含的摄像单元的示例性的装置结构的示意剖面图。
图5为示出相互邻接的摄像单元10Ax以及10Ay之间的1个微镜头74以及滤色器72在这些摄像单元10Ax以及10Ay之间共享的结构的例子的示意剖面图。
图6为示出从半导体基板50的法线方向观察时的像素电极61x以及61y的形状的例子的平面图。
图7为示出从半导体基板50的法线方向观察时的像素电极61x以及61y的形状的其它例子的平面图。
图8为示出从半导体基板50的法线方向观察时的像素电极61x以及61y的形状的另一其它的例子的平面图。
图9为示出第1实施方式的变形例的摄像装置的示例性电路结构的图。
图10为示出取出图9所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Bx以及10By的图。
图11为示出取出本公开的第2实施方式的摄像装置的像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构的图。
图12为示出第3实施方式的摄像装置的示例性电路结构的图。
图13为示出取出图12所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Dx以及10Dy的图。
图14为用于说明在本公开实施方式的摄像装置中适用卷帘快门时的摄像装置的动作的图。
图15为示出取出第3实施方式的变形例的摄像装置的像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构的图。
图16为示出取出第3实施方式的其它变形例的摄像装置的像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构的图。
图17为示意地示出本公开的其它实施方式的摄像装置的示例性结构的图。
图18为示出光电变换部的一个例子的示意剖面图。
图19为示出能够适用于光电变换层的材料的一个例子的图。
图20为示出光电变换部的其它例子的示意剖面图。
图21为光电变换部的另一其它构成例中的能量图。
图22为示出CZBDF的化学式图。
图23为示出包含酞菁锡的光电变换层中的吸收光谱的一个例子的图。
图24为示出实施例1-1的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图25为示出关于实施例1-1的样品，在460nm、540nm、680nm、880nm的各波长的外部量子效率和施加的电场之间的关系的图。
图26为示出参考例1的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图27为示出实施例1-2的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图28为示出比较例1的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图29为示出实施例2-1的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图30为示出比较例2-1的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图31为关于实施例2-2的样品的能量图。
图32为示出实施例2-2的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图33为关于比较例2-2的样品的能量图。
图34为示出比较例2-2的样品的外部量子效率的电压依存性的图。
图35为示出本公开的实施方式的光电变换结构具有的典型的光电流特性的图。
图36为示意地示出本公开另外其它的实施方式的摄像装置的示例性结构的图。
图37为用于说明光电变换结构66的外部量子效率的电压依存性的图。
具体实施方式
根据上述的专利文献2所记载的技术，获得红外图像以及基于可见光的黑白图像。但是，由于在选择性施加第1以及第2偏压中的任意的状态下进行摄影，因此与这些图像相关的摄影的瞬间彼此不同。换言之，不可能一次性地获得某个瞬间的被拍摄体的红外图像和基于可见光的黑白图像。
如果能够一次性地获得基于彼此不同的波长域的光的图像信号是有益的。
在详细地对本公开的实施方式进行说明之前，对本公开的一实施方式的概况进行说明。本公开的一实施方式的概况如下所述。
[项目1]
一种摄像装置，其具备：
第1摄像单元；
第2摄像单元；以及
电压供给电路，
所述第1摄像单元包含：
第1光电变换部，包含第1像素电极、第1对置电极、所述第1像素电极以及所述第1对置电极之间的第1光电变换层，并且通过光电变换生成第1信号电荷；以及
第1电荷检测电路，与所述第1像素电极连接，对所述第1信号电荷进行检测；
所述第2摄像单元包含：
第2光电变换部，包含第2像素电极、第2对置电极、所述第2像素电极以及所述第2对置电极之间的第2光电变换层，并且通过光电变换生成第2信号电荷；以及
第2电荷检测电路，与所述第2像素电极连接，对所述第2信号电荷进行检测；
所述电压供给电路供给电压，使得在第一帧期间内，所述第1摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第1像素电极和所述第1对置电极之间的电位差，以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第2像素电极和所述第2对置电极之间的电位差彼此不同。
[项目2]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含源极以及漏极中的一方与所述第1像素电极连接的第1复位晶体管，
所述第2电荷检测电路包含源极以及漏极中的一方与所述第2像素电极连接的第2复位晶体管，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1复位晶体管的所述源极以及所述漏极中的另一方供给第1电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2复位晶体管的所述源极以及所述漏极中的另一方供给与所述第1电压不同的第2电压。
[项目3]
根据项目1所述的摄像装置，其还具备：
具有第1反相输入端子、第1非反相输入端子、以及第1输出端子的第1反相放大器，
具有第2反相输入端子、第2非反相输入端子、以及第2输出端子的第2反相放大器，
所述第1电荷检测电路包含：
第1复位晶体管，该第1复位晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1像素电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述第1输出端子电连接；以及
第1信号检测晶体管，该第1信号检测晶体管的栅极与所述第1像素电极连接，源极以及漏极中的一方与所述第1反相输入端子电连接，
所述第2电荷检测电路包含：
第2复位晶体管，该第2复位晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第2像素电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述第2输出端子电连接；以及
第2信号检测晶体管，该第2信号检测晶体管的栅极与所述第2像素电极连接，源极以及漏极中的一方与所述第1反相输入端子电连接，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1非反相输入端子供给第1电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2非反相输入端子供给与所述第1电压不同的第2电压。
[项目4]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含一端与所述第1像素电极连接的第1电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第1电容元件的另一端供给第1电压，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1电容元件的另一端供给与所述第1电压不同的第2电压。
[项目5]
根据项目4所述的摄像装置，其中，
所述第2电荷检测电路包含一端与所述第2像素电极连接的第2电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第2摄像单元的所述电荷蓄积期间，向所述第2电容元件的另一端供给第3电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2电容元件的另一端供给与所述第3电压不同的第4电压。
[项目6]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含一端与所述第1像素电极连接的第1电容元件，
所述第2电荷检测电路包含一端与所述第2像素电极连接、且具有与所述第1电容元件的电容值不同的电容值的第2电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间，向所述第1电容元件的另一端以及所述第2电容元件的另一端供给第1电压，
在所述第1摄像单元以及所述第2摄像单元的复位期间，向所述第1电容元件的另一端以及所述第2电容元件的另一端供给与所述第1电压不同的第2电压。
[项目7]
根据项目1～6中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1对置电极以及所述第2对置电极为连续的单一的电极。
[项目8]
根据项目1～6中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1对置电极和所述第2对置电极相互电连接。
[项目9]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第1对置电极供给第1电压，
在所述第2摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第2对置电极供给与所述第1电压不同的第2电压。
[项目10]
根据项目1～9中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层是连续的单一的光电变换层。
[项目11]
根据项目1～10中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层分别包括相互层叠的第1层以及第2层，
所述第1层包含第1材料，
所述第2层包含第2材料，
所述第1层的阻抗大于所述第2层的阻抗。
[项目12]
根据项目1～10中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层分别包括相互层叠的第1层以及第2层，
所述第1层包含第1材料，
所述第2层包含第2材料，
所述第1材料的离子势比所述第2材料的离子势大0.2eV以上。
[项目13]
根据项目11或12所述的摄像装置，其中，
所述第1材料以及所述第2材料为电子施与性分子。
[项目14]
一种摄像装置，其为具有包含第1摄像单元以及第2摄像单元的多个摄像单元的阵列的摄像装置，
第1摄像单元具有第1光电变换部以及第1电荷检测部，
第2摄像单元具有第2光电变换部以及第2电荷检测部，
第1光电变换部包含第1电极、第2电极、以及位于第1电极以及第2电极之间的第1光电变换结构，
第1电荷检测部包含与第1电极连接的第1晶体管，
第2光电变换部包含第3电极、第4电极、以及位于第3电极以及第4电极之间的第2光电变换结构，
第2电荷检测部包含与第3电极连接的第2晶体管，
第1光电变换结构以及第2光电变换结构分别包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构的至少一部分，
某电荷蓄积期间开始时施加到第1电极以及第2电极之间的电位差和某电荷蓄积期间开始时施加到第3电极以及第4电极之间的电位差彼此不同。
根据项目1的结构，分光灵敏度特性彼此不同的摄像单元可以混合存在于摄像单元的阵列中。
[项目15]
根据项目14所述的摄像装置，其中，
第1电极与第1电荷检测部的第1晶体管的栅极连接，
第3电极与第2电荷检测部的第2晶体管的栅极连接。
根据项目15的结构，可以实现信号电荷的非破坏性读取。
[项目16]
根据项目2所述的摄像装置，其中，
第1电荷检测部包含具有源极以及漏极中的一方与第1电极连接的第3晶体管的第1复位电路，
第2电荷检测部包含具有源极以及漏极中的一方与第3电极连接的第4晶体管的第2复位电路，
第2光电变换部的第4电极与第1光电变换部的第2电极等电位。
[项目17]
根据项目16所述的摄像装置，其还具备：
与第3晶体管的源极以及漏极中的另一方连接，并且向第3晶体管的源极以及漏极中的另一方供给第1电压的第1电压线，
与第4晶体管的源极以及漏极中的另一方连接，并且向第4晶体管的源极以及漏极中的另一方供给绝对值与第1电压不同的第2电压的第2电压线。
根据项目17的结构，第1摄像单元的第1电极以及第2摄像单元的第3电极可以复位成彼此不同的电位，可以使得在第1摄像单元和第2摄像单元之间，电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压彼此不同。
[项目18]
根据项目16所述的摄像装置，其中，
第1复位电路包含使在第1光电变换部产生的电信号负反馈的第1反馈电路，
第2复位电路包含使在第2光电变换部产生的电信号负反馈的第2反馈电路，
第1反馈电路包含第1反相放大器，
第2反馈电路包含第2反相放大器，
第1反相放大器的反相输入端子与第1晶体管的源极以及漏极中的一方电连接，
第2反相放大器的反相输入端子与第2晶体管的源极以及漏极中的一方电连接。
根据项目18的结构，根据反馈环的形成能够消除随机噪音的影响。
[项目19]
根据项目18所述的摄像装置，其还具备：
与第1反相放大器的非反相输入端子连接、向第1反相放大器的非反相输入端子供给第1电压的第1电压线，
与第2反相放大器的非反相输入端子连接，向第2反相放大器的非反相输入端子供给绝对值与第1电压不同的第2电压的第2电压线。
根据项目19的结构，第1摄像单元的第1电极以及第2摄像单元的第3电极可以复位成彼此不同的电位，可以使得在第1摄像单元和第2摄像单元之间，电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压彼此不同。
[项目20]
根据项目16或18所述的摄像装置，其还具备第1电压线，
第1电荷检测部包含连接在第1电极和第1电压线之间的第1电容元件，
第1电压线向第1电容元件供给第1电压。
根据项目20的结构，经由第1电容元件，通过第1电压线和电荷蓄积节点之间的电结合，能够在电荷蓄积期间使第1摄像单元的第1电极的电位暂时地升高。
[项目21]
根据项目20所述的摄像装置，其中，
第1电压的绝对值在某个帧期间中包含的电荷蓄积期间和某个帧期间中电荷蓄积期间之外的期间之间不同。
根据项目21的结构，在电荷蓄积期间，能够使施加至第1光电变换结构的偏压选择性地变化，能够使在电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压在第1摄像单元和第2摄像单元之间彼此不同。
[项目22]
根据项目21所述的摄像装置，其中，
第2电荷检测部包含连接在第3电极和第1电压线之间的第2电容元件，
第2电容元件的电容值与第1电容元件的电容值不同。
根据项目22的结构，能够在使施加至第1电压线的电压相同的同时，使第1电极以及第2电极之间的电位差和第3电极以及第4电极之间的电位差不同。
[项目23]
根据项目14～22中任一项所述的摄像装置，其中，
第1摄像单元以及第2摄像单元在阵列中彼此邻接配置，
摄像装置还具备：输出从第1电荷检测部输出的第1图像信号以及从第2电荷检测部输出的第2图像信号的差分的减法电路。
根据项目23的结构，基于第1摄像单元的输出信号的电平和第2摄像单元的输出信号的电平的差分，例如，能够构建基于红外线的图像。
[项目24]
根据项目14～23中任一项所述的摄像装置，其中，
第1光电变换部的第2电极以及第2光电变换部的第4电极为连续的单一电极。
根据项目24的结构，可以向第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第4电极一次性施加规定的电压。
[项目25]
根据项目14或15所述的摄像装置，其中，
第1摄像单元具有与第2电极连接的第1电压线，
第2摄像单元具有与第4电极连接的第2电压线，
第2电极以及第4电极电分离，
第1电压线至少在电荷蓄积期间向第2电极供给第1电压，
第2电压线至少在电荷蓄积期间向第4电极供给绝对值与第1电压不同的第2电压。
根据项目25的结构，在例如电荷蓄积期间可以使第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第4电极为相互不同的电位，能够使在电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压在第1摄像单元和第2摄像单元之间彼此不同。
[项目26]
根据项目14～25中任一项所述的摄像装置，其中，
第1光电变换层以及第2光电变换层分别包含第1材料以及第2材料，
第1光电变换层的阻抗大于第2光电变换层的阻抗。
根据项目26的结构，通过改变施加至第1电极以及第2电极之间的电位差，能够改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
[项目27]
根据项目14～25中任一项所述的摄像装置，其中，
第1光电变换层以及第2光电变换层分别包含第1材料以及第2材料，、第1材料的离子势比第2材料的离子势大0.2eV以上。
根据项目27的结构，通过改变施加至第1电极以及第2电极之间的电位差，能够改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
[项目28]
根据项目26或27所述的摄像装置，其中，第1材料以及第2材料为电子施与性分子。
[项目29]
一种摄像装置，其为具有包含第1摄像单元以及第2摄像单元的多个摄像单元的阵列的摄像装置，
第1摄像单元具有第1光电变换部以及第1电荷检测部，
第2摄像单元具有第2光电变换部以及第2电荷检测部，
第1光电变换部包含第1电极、第2电极、以及位于第1电极以及第2电极之间的第1光电变换结构，
第1电荷检测部包含与第1电极连接、使第1电极的电位复位成第1电位的第1复位电路，
第2光电变换部包含第3电极、第4电极、以及位于第3电极以及第4电极之间的第2光电变换结构，
第2电荷检测部包含与第3电极连接、使第3电极的电位复位成与第1电位不同的第2电位的第2复位电路，
第1光电变换结构以及第2光电变换结构分别包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构的至少一部分，
电荷蓄积期间的第2光电变换部的第4电极的电位与电荷蓄积期间的第1光电变换部的第2电极的电位相同。
根据项目29的结构，可以使第1摄像单元的第1电极以及第2摄像单元的第3电极复位成相互不同的电位，可以使得在第1摄像单元和第2摄像单元之间，电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压彼此不同。
[项目30]
一种摄像装置，其为具有包含第1摄像单元以及第2摄像单元的多个摄像单元的阵列的摄像装置，
摄像装置具备施加第1电压的第1电压线，
第1摄像单元具有第1光电变换部以及第1电荷检测部，
第2摄像单元具有第2光电变换部以及第2电荷检测部，
第1光电变换部包含第1电极、第2电极、以及位于第1电极以及第2电极之间的第1光电变换结构，
第1电荷检测部包含与第1电极连接、使第1电极的电位复位成第1电位的第1复位电路，以及连接至第1电极以及第1电压线之间的第1电容元件，
第2光电变换部包含第3电极、第4电极、以及位于第3电极以及第4电极之间的第2光电变换结构，
第2电荷检测部包含与第3电极连接、使第3电极的电位复位成第1电位的第2复位电路，
第1光电变换结构以及第2光电变换结构分别包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构的至少一部分，
电荷蓄积期间的第2光电变换部的第4电极的电位与电荷蓄积期间的第1光电变换部的第2电极的电位相同，
第1电压，在某个帧期间中包含的电荷蓄积期间高于某个帧期间中的电荷蓄积期间之外的期间。
根据项目30的结构，在电荷蓄积期间可以选择性地改变施加至第1光电变换结构的偏压，能够使在电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压在第1摄像单元和第2摄像单元之间彼此不同。
[项目31]
一种摄像装置，其为具有包含第1摄像单元以及第2摄像单元的多个摄像单元的阵列的摄像装置，
第1摄像单元具有第1光电变换部以及第1电荷检测部，
第2摄像单元具有第2光电变换部以及第2电荷检测部，
第1光电变换部包含第1电极、第2电极、位于第1电极以及第2电极之间的第1光电变换结构、以及与第2电极连接的第1电压线，
第1电荷检测部与第1电极连接，
第2光电变换部包含第3电极、与第2电极电分离的第4电极、位于第3电极以及第4电极之间的第2光电变换结构、以及与第4电极连接的第2电压线，
第2电荷检测部与第3电极连接，
第1光电变换结构以及第2光电变换结构分别包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构的至少一部分，
第1电压线至少在电荷蓄积期间向第2电极供给第1电压，
第2电压线至少在电荷蓄积期间向第4电极供给绝对值与第1电压不同的第2电压。
根据项目31的结构，可以使第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第4电极在例如电荷蓄积期间为相互不同的电位，可以使得在第1摄像单元和第2摄像单元之间，电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压彼此不同。
以下，详细地说明本公开的实施方式。需要说明的是，以下说明的实施方式均示出包括性的或具体的例子。以下的实施方式示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等均为一个例子，并不意在限定本公开。本说明书中说明的各种实施方式，在不产生矛盾的前提下可以相互组合。另外，在以下实施方式中的构成要素中，在显示最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素作为任意的结构要素説明。在以下的说明中，具有实质上相同功能的构成要素通过共同的参照符号表示，有时省略进行说明。
图1示出本公开的一种典型的实施方式的摄像装置的结构的概况。如图1示意性地所示，本公开一种实施方式的摄像装置100包含半导体基板50、覆盖半导体基板50的层间绝缘层52、由半导体基板50以及层间绝缘层52支持的光电变换部PC。摄像装置100具有多个摄像单元10，图1示出多个摄像单元10中的两个摄像单元10x以及10y的示意剖面。摄像装置100包含摄像区域，摄像区域包含以两个摄像单元10x以及10y的组为单位的重复结构。
如图1示意性地所示，光电变换部PC具有像素电极61x以及61y、对置电极62以及光电变换结构64。对置电极62典型地为透明电极，位于与像素电极61x以及61y相比远离半导体基板50的位置。光电变换结构64位于像素电极61x以及61y和对置电极62之间，包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。
摄像单元10x以及10y各自具有光电变换部PCx以及PCy。在该例子中，光电变换结构64以及对置电极62在摄像单元10x以及10y之间共享。因此，光电变换部PCx以及PCy可以说各自为光电变换部PC的一部分。光电变换部PCx包含对置电极62x、光电变换结构64x以及像素电极61x。对置电极62x以及光电变换结构64x各自为对置电极62的一部分以及光电变换结构64的一部分。同样地，光电变换部PCy包含作为对置电极62的另外部分的对置电极62y、作为光电变换结构64的另外部分的光电变换结构64y、以及像素电极61y。
摄像单元10x具有电荷检测部CDx，电荷检测部CDx的一部分含有形成在半导体基板50上的杂质区域50ax。摄像单元10y具有电荷检测部CDy，电荷检测部CDy的一部分含有形成在半导体基板50上的杂质区域5010Ay。在下文中，电荷检测部也称为电荷检测电路。如图1示意性地所示，光电变换部PCx的像素电极61x经由设置在层间绝缘层52内的连接部54x与杂质区域50ax连接。同样地，光电变换部PCy的像素电极61y经由设置在层间绝缘层52内的连接部54y与杂质区域5010Ay连接。
光电变换结构64接受光照射，在其内部生成电荷对。在光电变换结构64中，大致在对置电极62和像素电极61x之间的部分生成的电荷，通过在像素电极61x以及对置电极62x之间赋予适当的电位差，由像素电极61x作为信号电荷收集。由像素电极61x收集的信号电荷，经在一部分中包含像素电极61x、连接部54x以及杂质区域50ax的电荷蓄积区域暂时保持，并通过电荷检测部CDx检测。同样地，在光电变换结构64中，大致在对置电极62和像素电极61y之间的部分生成的电荷，通过在像素电极61y以及对置电极62y之间赋予适当的电位差，由像素电极61y作为信号电荷收集并通过电荷检测部CDy检测。由此，摄像单元10x以及10y各自能够作为具有经由连接部与电荷检测部连接的像素电极的单位结构来定义。
在摄影中，如图1示意性地所示，向光电变换结构64x施加第1偏压V1，向光电变换结构64y施加第2偏压V2。在此，第1偏压V1以及第2偏压V2的绝对值彼此不同(|V1|≠|V2|)。在本公开的实施方式中，在帧期间中所包含的电荷蓄积期间的开始时间点，第1摄像单元的像素电极以及对置电极之间(在本例子中为像素电极61x以及对置电极62x之间)的电位差和第2摄像单元的像素电极以及对置电极之间(在本例子中为像素电极61y以及对置电极62y之间)的电位差彼此不同。
光电变换部PC包含光电变换结构64具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。另外，在夹着光电变换结构64的一对电极间施加的电压，在绝对值彼此不同的多个电压之间切换。随后将详细地说明，由此分光灵敏度特性发生变化。为此，在某个电荷蓄积期间，例如，第1摄像单元为在可见光以及红外线的波长范围显示灵敏度的状态，第2摄像单元为在可见光的波长范围选择性地显示灵敏度的状态。此时，第1摄像单元的电荷检测部(在本例子中为电荷检测部CDx)基于可见光以及红外线输出图像信号，第2摄像单元的电荷检测部(在本例子中为电荷检测部CDy)基于可见光输出图像信号。
如上所述，根据本公开的实施方式，包含分光灵敏度特性彼此不同的至少两个摄像单元的组可以混合存在于摄像单元的阵列中。换言之，基于波长域彼此不同的光可以一次性地获得多个图像信号。根据本公开的实施方式，例如，能够由通过第1以及第2摄像单元中的一方获得的图像信号，构建基于可见光以及红外线的图像，由通过另一方获得图像信号构建基于可见光的图像。进一步，通过计算出第1以及第2摄像单元的输出信号的电平之间的差分，还可以构建基于红外线的图像。这些图像，由于是基于在同一电荷蓄积期间蓄积的信号电荷的量由图像信号构建的图像，因此保证了同时性。因此，即使是在对高速移动的物体进行摄影的情况下，基于差分在图像中也不会产生模糊。这与通过摄像单元的分光灵敏度特性在两个帧期间之间变化，基于波长域彼此不同的光依次获得多个图像信号的情况不同。
(第1实施方式)
图2显示本公开的第1实施方式的摄像装置的示例性的电路结构。图2所示的摄像装置100A具有包含呈二维排列的多个摄像单元的像素阵列PA。像素阵列PA具有多个摄像单元，该摄像单元至少包含1个摄像单元10Ax以及10Ay的组。
图2示意性地示出摄像单元排列成矩阵状的例子，从多个摄像单元中取出包含排列成2行2列的4个摄像单元的像素块并显示。图2所示的像素块具有2个摄像单元10Ax和2个摄像单元10Ay。在本例子中，摄像单元10Ax以及10Ay在行方向上彼此邻接，另外，在列方向上也彼此邻接。在本说明书中“行方向”是指多个摄像单元的行延伸的方向，“列方向”是指列延伸的方向。在图2的例子中，“行方向”是纸面的左右方向，“列方向”是纸面的上下方向。当然摄像单元10Ax以及10Ay的数量以及设置不限于图2所示的例子。
摄像单元10Ax具有光电变换部PCx以及电荷检测部CDx。电荷检测部CDx对由光电变换部PCx的像素电极61x(参照图1)收集的信号电荷进行检测。在本例子中，电荷检测部CDx具有信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23。信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23典型的为场效应晶体管(FET)。在下文中，对作为信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23使用了N沟道MOS的例子进行说明。
摄像单元10Ay具有光电变换部PCy以及电荷检测部CDy。电荷检测部CDy对由光电变换部PCy的像素电极61y(参照图1)收集的信号电荷进行检测。与摄像单元10Ax的电荷检测部CDx同样，电荷检测部CDy具有信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23。
摄像装置100A具有按多个摄像单元的每一列设置的垂直信号线34，以及向摄像单元10Ax以及10Ay供给电源电压AVDD的电源线36。上述信号检测晶体管21的漏极与电源线36连接，另一方面，信号检测晶体管21的源极经由地址晶体管23与多个垂直信号线34中的对应1个连接。
如图2示意地所示，摄像单元10Ax的信号检测晶体管21的栅极与光电变换部PCx连接。信号检测晶体管21的栅极与光电变换部PCx的像素电极61x连接。由光电变换部PCx生成的信号电荷暂时地蓄积在摄像单元10x内的电荷蓄积区域。摄像单元10x的电荷蓄积区域包含在信号检测晶体管21的栅极和光电变换部PCx之间的电荷蓄积节点FDx。电荷蓄积节点也称为浮动扩散节点。通过电源线36作为源极跟随器电源发挥作用，电荷检测部CDx的信号检测晶体管21输出由光电变换部PCx生成的信号。即，对应于蓄积在电荷蓄积区域的信号电荷的电压由垂直信号线34读出。需要说明的是，与光电变换部PCx连接的信号电检测晶体管21的连接端子不限于栅极。例如，对应于电荷检测电路的电路结构，可以为源极或漏极。
摄像单元10Ay的电路结构与摄像单元10Ax基本相同。摄像单元10Ay的信号检测晶体管21的栅极与光电变换部PCy的像素电极61y连接。由光电变换部PCy生成的信号电荷被暂时蓄积在包含信号检测晶体管21的栅极和光电变换部PCy之间的电荷蓄积节点FDy的电荷蓄积区域内。电荷检测部CDy的信号检测晶体管21输出由光电变换部PCy生成的信号。
垂直信号线34与也被称作行信号蓄积电路的列信号处理电路44连接。列信号处理电路44进行以相关双采样为代表的噪声抑制信号处理以及模拟-数字转换等。列信号处理电路44对应于像素阵列PA的摄像单元10A的各列设置。这些列信号处理电路44与也被称作列扫描电路的水平信号读出电路46连接。水平信号读出电路46从多个列信号处理电路44向水平共用信号线45顺序读出信号。
摄像装置100A还具有第1电压供给电路41和第2电压供给电路42。在图2所例示的结构中，第1电压供给电路41与第1电压线31以及第2电压线32连接。第1电压线31具有与各摄像单元10Ax的连接，第2电压线32具有与各摄像单元10Ay的连接。因此，第1电压供给电路41能够经由第1电压线31向各摄像单元10Ax供给规定的电压VRST1，能够经由第2电压线32向各摄像单元10Ay供给规定的电压VRST2。在此，供给至各摄像单元10Ay的电压VRST2与供给至各摄像单元10Ax的电压VRST1具有不同的绝对值。
第1电压线31不限于1根配线。第1电压线31只要是与成为对象的摄像单元电结合或连接的结构体即可，例如，也可以为网格(grid)状的结构体。第2电压线32也是同样，只要是与成为对象的摄像单元电结合或连接的结构体即可。第2电压线32也不限于1根配线，也可以为例如网格状的结构体。这与本公开中的其它的电压线、信号线、控制线以及配线的情况同样。在本说明书中，作为部件的名称使用的“线”或“配线”的用语只是为了说明的便利而使用的，不意在将电压线、信号线、控制线或配线等的具体的结构限定为1根线状的导体。
在本例子中，电压供给电路41包含与第1电压线31连接的电压供给电路41a和与第2电压线32连接的电压供给电路41b。摄像装置100A工作时，电压供给电路41a向第1电压线31施加电压VRST1，电压供给电路41b向第2电压线32施加电压VRST2。电压供给电路41a以及41b可以各自为独立的分开的电压供给电路，也可以为单一的电压供给电路的一部分。
在图2所例示的结构中，第1电压线31与电荷检测部CDx的复位晶体管22的源极连接。电荷检测部CDx的复位晶体管22的漏极与电荷蓄积节点FDx连接。即，第1电压线31将由第1电压供给电路41施加的电压VRST1，作为用于对电荷蓄积节点FDx的电位进行复位的复位电压供给至各摄像单元10Ax的电荷检测部CDx。第2电压线32与电荷检测部CDy的复位晶体管22的源极连接。电荷检测部CDy的复位晶体管22的漏极与电荷蓄积节点FDy连接。即，第2电压线32将由第1电压供给电路41施加的电压VRST2，作为用于对电荷蓄积节点FDy的电位进行复位的复位电压供给至各摄像单元10Ay的电荷检测部CDy。
在图2所例示的结构中，第2电压供给电路42与具有与光电变换部PC的对置电极62(参照图1)的连接的蓄积控制线35连接。即，在本例子中，电压供给电路42经由蓄积控制线35，向各摄像单元10Ax的光电变换部PCx的对置电极62x以及各摄像单元10Ay的光电变换部PCy的对置电极62y供给共同的规定的电压VOPP。在下文中，为了说明的方便，电压供给电路42向摄像单元供给的电压有时也称为“对置电极电压”。对置电极电压VOPP典型地在摄像装置100A工作时固定为一定的电压。
摄像装置100A具有按多个摄像单元的每一行设置的复位信号线38以及地址信号线39。复位信号线38以及地址信号线39与也被称作行扫描电路的垂直扫描电路48连接。如图所示，复位信号线38具有与属于同一行的摄像单元(在此为摄像单元10Ax以及10Ay)的复位晶体管22的栅极的连接。通过控制复位信号线38的电位将复位晶体管22接通，垂直扫描电路48能够一次性地对属于同一行的摄像单元的电荷蓄积节点(在此为电荷蓄积节点FDx以及FDy)的电位进行复位。另一方面，地址信号线39与属于同一行的多个摄像单元(在此为摄像单元10Ax以及10Ay)的地址晶体管23的栅极连接。通过控制地址信号线39的电位，垂直扫描电路48可以以行为单位选择属于同一行的多个摄像单元。通过以行为单位选择属于同一行的多个摄像单元，对应的垂直信号线34，可以一次性地读出属于同一行的摄像单元的信号检测晶体管21的输出。
图3示出取出图2所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Ax以及10Ay。如参照图2进行说明一样，在此，蓄积控制线35与摄像单元10Ax的对置电极62x以及摄像单元10Ay的对置电极62y共同地连接。即，在本例子中，摄像装置100A工作时，对置电极62x以及62y经由蓄积控制线35由电压供给电路42施加共同的对置电极电压VOPP。由此，对置电极62x以及62y为相同电位。
例如，为了使对置电极62x以及62y的电位高于像素电极61x以及61y的电位，电压供给电路42向对置电极62x以及62y施加对置电极电压VOPP。例如，如果相对于像素电极61x的电位提高对置电极62x的电位，则在通过光电变换在光电变换结构64x内生成的正以及负的电荷中，可以通过像素电极61x收集正电荷。同样地，如果相对于像素电极61y的电位提高对置电极62y的电位，则在通过光电变换在光电变换结构64y内生成的正以及负的电荷中，可以通过像素电极61y收集正电荷。在下文中，列举了作为信号电荷使用了空穴的情况。当然，作为信号电荷也可以利用电子。在作为信号电荷利用电子的情况下，只要控制使对置电极62x以及62y的电位低于像素电极61x以及61y即可。
如图3所示，摄像单元10Ax的电荷检测部CDx具有包含其源极与第1电压线31连接的复位晶体管22的复位电路RSx1。同样地，摄像单元10Ay的电荷检测部CDy具有包含其源极与第2电压线32连接的复位晶体管22的复位电路RSy1。如果复位电路RSx1的复位晶体管22接通，则像素电极61x的电位被复位到与施加至第1电压线31的复位电压VRST1对应的电位。同样地，如果复位电路RSy1的复位晶体管22接通，则像素电极61y的电位被复位到与施加至第2电压线32的复位电压VRST2对应的电位。
通过将具有彼此不同的绝对值的复位电压VRST1以及VRST2分别供给至复位电路RSx1以及复位电路RSy1，可以使信号电荷的蓄积期间的开始时的像素电极61x的电位和像素电极61y的电位有差异。在下文中，信号电荷的蓄积期间也简称为“电荷蓄积期间”。像素电极61x的电位复位后，在电荷检测部CDx的复位晶体管22刚刚断开后的对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx表示为VOPP-VRST1。同样地，像素电极61y的电位复位后，在电荷检测部CDy的复位晶体管22刚刚断开后的对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φy为VOPP-VRST2。这里，在整个电荷蓄积期间，对置电极电压VOPP为一定的，且VRST1≠VRST2。由此，电荷蓄积期间开始时，换言之，在像素电极的电位刚刚复位后且信号电荷还尚未蓄积在电荷蓄积区域内的时间点，Φx≠Φy的关系成立。即，在开始信号电荷蓄积的时间点，施加至光电变换结构的偏压，能够在摄像单元10Ax和摄像单元10Ay之间彼此不同。需要说明的是，在摄像单元10Ax以及摄像单元10Ay彼此邻接等、靠近设置的情况下，射入摄像单元10Ax以及摄像单元10Ay的光的量基本相等。因此，此时，在它们之间电荷蓄积期间只要共用，则各自的电荷蓄积区域的电位变化量差变小，在整个电荷蓄积期间，Φx≠Φy的关系也可以成立。在此需要关注的是如下点，即在摄像单元10Ax以及摄像单元10Ay之间，有意要形成在信号电荷的蓄积开始时间点的Φx≠Φy的关系成立的状态。需要说明的是，在电荷蓄积期间完全没有光照射的情况下，电荷蓄积期间开始时间点的对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx保持到电荷蓄积期间结束的时间点。同样地，电荷蓄积期间开始时间点的对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φy保持到电荷蓄积期间结束的时间点。在以后说明的其它的实施方式也是同样的。
在本实施方式中，光电变换部PC的光电变换结构64包括具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b分别包含第1材料以及第2材料。作为第1材料以及第2材料，典型地选择了电子施与性材料。
对应于要进行检测的波长域，分别使用适当的材料作为第1材料以及第2材料。例如，通过使第1光电变换层64a的阻抗大于第2光电变换层64b，能够在光电变换部PCx和光电变换部PCy之间实现彼此不同的分光灵敏度特性。如果将第1光电变换层64a的厚度以及阻抗分别设为D1以及Z1，将第2光电变换层64b的厚度以及阻抗分别设为D2以及Z2，施加至第1光电变换层64a的电场的大小E1以及施加至第2光电变换层64b的电场的大小E2分别如下述式(1)以及(2)所示。
E1＝(Z1/(Z1+Z2))(Φ/D1) (1)
E2＝(Z2/(Z1+Z2))(Φ/D2) (2)
在此，Φ表示施加至像素电极以及对置电极之间的电位差。
如上所述，就通过向光电变换结构64入射光生成的激子而言，根据基于施加至像素电极以及对置电极之间的电位差的电场而被高效地电荷分离，例如正电荷作为信号电荷被像素电极收集。在此，电荷的分离以及光电变换结构内的移动所需的电场的大小为ETH。例如，厚度D1以及D2基本相等时，在相对于Z2，Z1充分大的情况下，施加至第2光电变换层64b的电位差相对变小，上式(2)表示的电场的大小E2能够低于阈值ETH。即，在施加到像素电极以及对置电极之间的电位差Φ比较小的情况下，形成由第1光电变换层64a生成的电荷被选择性地检测的状态。另一方面，在电位差Φ比较大的情况下，形成由第1光电变换层64a生成的电荷以及由第2光电变换层64b生成的电荷两者被检测的状态。
例如，作为第1材料以及第2材料，分别假定使用了在第1波长域显示高吸收系数的材料以及在第2波长域显示高吸收系数的材料的情况。例如，在作为第1波长域选择可见光区域，作为第2波长域选自红外区域的情况下，电位差Φ如果比较大，则光电变换部在可见光区域以及红外区域显示灵敏度。另一方面，电位差Φ如果比较小，则光电变换部在可见光区域选择性地显示灵敏度。需要说明的是，在本说明书中，红外区域是指750nm左右以上的波长范围，尤其是近红外区域是指例如750nm以上且低于2500nm左右的波长范围。
如上所述，光电变换结构64为包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构的结构，相对于要进行检测的波长域分别使用适当的材料作为第1材料以及第2材料。由此，通过改变电位差Φ，可以改变光电变换结构64的分光灵敏度特性。需要说明的是，上述电位差Φ的大小关系显示相对的关系，比较大的电位差Φ可以为小于10V。
在图3所例示的结构中，在使对置电极电压VOPP共用的同时，在像素电极61x以及61y之间使用具有彼此不同的绝对值的复位电压进行复位。由此，在电荷蓄积期间的开始时，施加至光电变换结构的偏压，在摄像单元10Ax和摄像单元10Ay之间彼此不同。因此，在摄像单元10Ax和摄像单元10Ay之间获得彼此不同的分光灵敏度特性。
如下所述，即使通过使第1材料的离子势大于第2材料的离子势0.2eV以上，也能够改变对应于电位差Φ的光电变换部的分光灵敏度特性。光电变换结构的详细如下所述。
(摄像单元的装置结构)
在此，对摄像单元的装置结构的详细进行说明。图4示意性地示出像素阵列PA中包含的摄像单元10Ax或10Ay的示例性的装置结构。如图3所示的摄像单元10Ay的装置结构与摄像单元10Ax的装置结构基本相同。因此，在此，以摄像单元10Ax为例对其装置结构进行说明。需要说明的是，图4仅示意性地示出构成摄像装置的各部分的配置，图4所示的各部分的尺寸并不必然严格地反映现实的装置中的尺寸。这一点在本公开的其它附图中也是相同的。
如图4所示，摄像单元10Ax包含支持光电变换部PC的半导体基板50的一部分。半导体基板50不限于其全体为半导体的基板，也可以为在设置有光电变换部PC一侧的表面上设置了半导体层的绝缘基板等。在下文中，作为半导体基板50列举了p型硅(Si)基板。位于半导体基板50以及光电变换部PCx之间的层间绝缘层52典型地为二氧化硅层，也可以具有多个绝缘层的层叠结构。光电变换部PCx中的光电变换结构64x包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。
半导体基板50具有用于杂质区域(在此为n型区域)50ax～50ex和邻接的其它摄像单元(摄像单元10Ax或10Ay)之间的电分离的元件分离区域50s。杂质区域50ax～50ex典型的为形成在半导体基板50内的扩散层。元件分离区域50s可以通过根据例如规定的注入条件进行施主的离子注入来形成。在本例子中，元件分离区域50s也可以设置在杂质区域50ax和杂质区域50bx之间。需要说明的是，行方向或列方向邻接的两个摄像单元之间的中心间距离，换言之，即像素间距可以为例如2μm左右。
上述信号检测晶体管2包含形成在半导体基板50上的杂质区域50bx以及50cx，和在半导体基板50的主面中位于它们之间的区域上的栅电极21g。栅电极21g典型地为多晶硅电极。杂质区域50bx以及50cx分别作为信号检测晶体管21的漏极区域以及源极区域发挥功能。图4未示出，但杂质区域50bx与电源线36(参照图2)连接。
如图4示意性所示，信号检测晶体管21的栅电极21g经由配置在层间绝缘层52内的连接部54x，与像素电极61x以及杂质区域50ax连接。在图示的例子中，连接部54x包含：一端与栅电极21g连接的接触插塞54a、一端与杂质区域50ax连接的接触插塞54b、配线层54c、以及插塞54d。配线层54c将接触插塞54a以及54b的另一端之间相互连接。像素电极61x、连接部54x以及杂质区域50ax构成摄像单元10Ax的电荷蓄积区域的至少一部分。
接触插塞54a、54b以及配线层54c典型地由多晶硅形成。在配线层54c和像素电极61x之间设置的插塞54d例如由铜形成。需要说明的是，在层间绝缘层52内除了连接部54x之外，设置了包含垂直信号线34(参照图2)等的配线层56。层间绝缘层52中的绝缘层的层数、以及设置在层间绝缘层52中的配线层56所包含的层数可以任意地设定。
在半导体基板50上不仅形成信号检测晶体管21，还可以形成地址晶体管23、复位晶体管22等其它的晶体管。地址晶体管23包含杂质区域50cx以及50dx，和在半导体基板50的主面中位于它们之间的区域上的栅电极23g。栅电极23g典型地为多晶硅电极。栅电极23g与地址信号线39(图4中未示出，参照图2)连接。杂质区域50cx以及50dx分别作为地址晶体管23的漏极区域以及源极区域发挥功能。在此，地址晶体管23通过共享信号检测晶体管21和杂质区域50cx，与信号检测晶体管21电连接。杂质区域50dx经由图4中未示出的插塞等与垂直信号线34连接。
复位晶体管22包含杂质区域50ax以及50ex，和位于它们之间的区域上的、且与复位信号线38(参照图2)连接的栅电极22g。栅电极22g典型地为多晶硅电极。杂质区域50ax作为复位晶体管22的漏极区域以及源极区域中的一方发挥功能，杂质区域50ex作为复位晶体管22的漏极区域以及源极区域中的另一方发挥功能。在此，杂质区域50ex与第1电压线31连接。
如上所述，光电变换部PCx包含：像素电极61x、对置电极62x、夹持在像素电极61x以及对置电极62x中的光电变换结构64x。光电变换结构64x接受光的入射，通过光电变换产生正以及负电荷(典型为空穴-电子对)。如果向像素电极61x和对置电极62x之间赋予电位差，则正以及负电荷随着形成在像素电极61x以及对置电极62x之间的电场进行移动。例如，设对置电极62x的电位高于像素电极61x的电位，且对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx为某个较大程度。此时，在由光电变换结构64x生成的正以及负电荷中，正电荷能够由像素电极61x收集，收集的电荷作为信号电荷蓄积在电荷蓄积节点FDx中。
光电变换部PCx的对置电极62x典型地为由透明的导电性材料形成的透明电极。因此，具有对置电极62x以及62y的对置电极62也典型地为透明电极。对置电极62x设置在光电变换结构64x的光入射的一侧。换言之，对置电极62x位于相比于像素电极61x远离半导体基板50的位置。作为对置电极62x的材料，可以使用例如，ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、ZnO2等透明导电性氧化物(Transparent Conducting Oxide(TCO))。需要说明的是，本说明书中的“透明”是指透过待检测的波长范围的光的至少一部分，不必须在可见光的波长范围的全部透过光。在本说明书中，可见光是指具有在380nm以上且低于750nm左右的范围内的波长的光。在本说明书中，包含红外线以及紫外线的电磁波整体简称为“光”。通过本公开的摄像装置检测的光不限于可见光波长范围的光。
在本例子中，在一部分中包含对置电极62x以及62y的对置电极62，以在多个摄像之间连续的单一电极的形式形成。由此，能够经由蓄积控制线35，由电压供给电路42向多个摄像单元的对置电极62x以及62y一次性地施加希望大小的对置电极电压。
另一方面，按每个摄像单元10Ax，独立地设置像素电极61x。通过与邻接的其它的摄像单元的像素电极(像素电极61x或61y)空间上地分离，像素电极61x与其它摄像单元的像素电极电分离。像素电极61x由通过掺杂铝、铜、钛等金属、金属氮化物、或杂质而赋予了导电性的多晶硅等形成。像素电极61x可以为单一电极，也可以包含多个部分。作为像素电极61x的材料例如使用TiN或TaN等，像素电极61x可以作为遮光性的电极。
通过像素电极61x收集的信号电荷(例如空穴)蓄积在包含电荷蓄积节点FDx的电荷蓄积区域内。通过使信号电荷蓄积在电荷蓄积节点FDx，对应于蓄积的信号电荷的量的电压施加至电荷检测部CDx的信号检测晶体管21的栅极。通过信号检测晶体管21放大的电压经由地址晶体管23以信号电压的形式选择性地读出。需要说明的是，电荷蓄积区域可以进一步包含电容元件等。即，电荷检测部CDx不仅可以含有蓄积信号电荷的杂质区域50ax，其一部分还可以包含能够蓄积信号电荷的电容元件(图4未示出)等。摄像单元10Ay的电荷检测部CDy也是相同的。
在图4所示的例子中，在对置电极62x的上方设置了滤色器72以及微镜头74。在微镜头74和对置电极62x之间，能够代替滤色器72，或者与滤色器72一起设置红外线透过过滤器、保护层等。不必须对应于每个摄像单元10Ax以及10Ay设置微镜头74。例如如图5所示，在摄像单元10Ax以及10Ay之间也可以共享1个微镜头。
如图5所示的摄像装置100T包含相互邻接的摄像单元10Ax以及10Ay的组，1个微镜头74以及滤色器72在这些摄像单元10Ax以及10Ay之间共享。图像中的1个像素的像素值可以由通过这些摄像单元的组获得的图像信号来确定。
例如，假定摄像单元10Ax基于可见光以及红外线输出图像信号，摄像单元10y基于可见光输出图像信号。此时，如果由像素阵列中包含的摄像单元10Ax以及10Ay构成的组各自与各像素建立对应，从各组提取摄像单元10Ay的输出确定各像素的像素值，则可以构建基于可见光的图像。或者，如果由摄像单元10Ax的输出以及摄像单元10Ay的输出的差分确定各像素的像素值，则可以构建基于可见光的图像。由在像素阵列中靠近设置的摄像单元10Ax以及10Ay各自取得的图像信号为基于不同的波长域的光的信号，同时确保了同时性。即，基于彼此不同的波长域的光能够获得多个图像信号。
图6～图8示出像素电极61x以及61y的形状的例子。在本公开的实施方式中，从半导体基板50的法线方向观察时的像素电极61x以及61y的形状为任意。例如，如图6所示，像素电极61x以及61y的外形为直角三角形，使斜边彼此相对地设置像素电极61x以及61y。单一的微镜头和/或某个颜色的滤色器能够以覆盖这些像素电极61x以及61y的形式设置。像素电极61x以及61y的面积可以相同，也可以不同。如图7所示，像素电极61x以及61y的外形可以为长方形，在正方形的区域内设置像素电极61x以及61y。或者如图8所示，作为像素电极61x以及61y的形状，可以采用像素电极61x以及61y中的一方被另一方包围的形状。由摄像单元10Ax以及10y的组规定的“像素”的外形不限于如图所示的正方形。
(第1实施方式的变形例)
图9示出第1实施方式的变形例的摄像装置的示例性的电路结构。如图9所示的摄像装置100B的像素阵列PA至少包含1组由摄像单元10Bx以及10By构成的组，具有多个摄像单元。与图2同样地，在图9中，示出从多个摄像单元中取出设置成包含2行2列的4个摄像单元的像素块。在本例子中，在像素块的第1列中设置了两个摄像单元10Bx，在第2列中设置了两个摄像单元10By。
如图9所示，摄像装置100B按多个摄像单元的每一列具有反相放大器。首先，关注像素块的第1列。在像素块的第1列设置了反相放大器49x，其反相输入端子与第1列的垂直信号线34连接。即，反相放大器49x的反相输入端子接收位于第1列的摄像单元10Bx的输出。反相放大器49x的输出端子与反馈线33x连接。在本例子中，摄像单元10Bx的复位晶体管22的源极代替第1电压线31而与反馈线33x连接。根据图9可知，通过选择属于第1列的摄像单元10Bx中的一个，使复位晶体管22以及地址晶体管23接通，可以使由该摄像单元10Bx的光电变换部PCx产生的信号负反馈形成反馈环(feedback loop)。通过利用负反馈，如专利文献1所示，能够消除随机噪音的影响。
接下来，如果关注像素块的第2列，则在像素块的第2列中，设置其反相输入端子与第2列的垂直信号线34连接的反相放大器49y。反相放大器49y的输出端子与反馈线33y连接，反馈线33y与摄像单元10By的复位晶体管22的源极连接。
在本例子中，第1电压线31与第1列的反相放大器49x的非反相输入端子连接，第2电压线32与第2列的反相放大器49y的非反相输入端子连接。在此，电压供给电路41a经由第1电压线31，向反相放大器49x的非反相输入端子供给参照电压VREF1。另一方面，电压供给电路41b经由第2电压线32向反相放大器49y的非反相输入端子供给参照电压VREF2。在此，参照电压VREF2与参照电压VREF1具有不同的绝对值。
如下所述，在图9所例示的结构中，给予暗时图像信号电平的像素电极的电压电平依据向设置在各列中的反相放大器的非反相输入端子施加的参照电压VREF确定。即，在本例子中，在摄像装置100B工作时，经由第1电压线31，电压供给电路41向第1列的反相放大器49x供给用于电荷蓄积节点FDx的电位复位的参照电压VREF1。另外，经由第2电压线32，向第2列的反相放大器49y供给用于电荷蓄积节点FDy的电位复位的参照电压VREF2。
图10示出了取出图9所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Bx以及10By。如图10所示，摄像单元10Bx的电荷检测部CDx包含复位电路RSx2。复位电路RSx2具有包含反相放大器49x的反馈电路FCx2。反相放大器49x的反相输入端子，经由地址晶体管23与信号检测晶体管21的源极电连接。反馈电路FCx2通过反馈环的形成，对由光电变换部PCx产生的电信号进行负反馈。摄像单元10By的电荷检测部CDy包含复位电路RSy2。复位电路RSy2具有包含反相放大器49y的反馈电路FCy2。反相放大器49y的反相输入端子经由地址晶体管23与信号检测晶体管21的源极电连接。反馈电路FCy2通过反馈环的形成，对由光电变换部PCy产生的电信号进行负反馈。
在此，对利用了负反馈的噪音消除的概况进行说明。利用了负反馈的噪音消除，在信号电荷蓄积到电荷蓄积区域之前实施。这样的操作也称为“电子快门”。因此，噪音消除后的像素电极的电位给予暗时的图像信号的电压电平。
在图9以及图10所列举的结构中，复位以及噪音消除通过以下方式实施。在此，着眼于摄像单元10Bx对复位以及噪音消除的操作进行说明。
首先，接通复位晶体管22以及地址晶体管23。如果接通复位晶体管22以及地址晶体管23，形成在其通路中包含反相放大器49x的反馈环。通过反馈环的形成，将电荷蓄积节点FDx的电压控制在使垂直信号线34的电压与施加至反相放大器49x的非反相输入端子的电压之间的差为0的电压。在此，反相放大器49x的非反相输入端子与第1电压线31连接。因此，反馈环形成时，电荷蓄积节点FDx的电压控制在垂直信号线34的电压与参照电压VREF1相等的电压。即，复位电路RSx2将像素电极61x的电位复位成规定的电位。
然后，接通复位晶体管22，实施噪音消除。此时，为了跨越复位晶体管22的阈值电压，使与复位晶体管22的栅极连接的复位信号线38(图10中未示出，参照图9)的电位从高电平向低电平缓慢降低。如果复位信号线38的电位从高电平向低电平缓慢降低，则复位晶体管22从接通状态缓慢地变化至断开状态。在复位晶体管22接通的过程中，形成了反馈环的状态持续。此时，伴随施加到复位信号线38的电压的降低，复位晶体管22的电阻增加。如果复位晶体管22的电阻增加，则复位晶体管22的工作区域变窄，返回的信号的频率区域变窄。
施加至复位信号线38的电压如果达到低电平，则复位晶体管22断开。即，消除了反馈环的形成。通过复位晶体管22的工作区域在比信号检测晶体管21的工作区域更低的状态断开复位晶体管22，能够降低残存在电荷蓄积节点FDx的kTC噪音。此时，电荷蓄积节点FDx的电位为规定的电位。在残存在电荷蓄积节点FDx的kTC噪音降低后，断开地址晶体管23开始信号电荷的蓄积。
根据针对上述操作的说明可以知道，在图10所示的结构中，给予属于第1列的摄像单元10Bx的暗时的图像信号电平的像素电极61x的电压电平依据施加至第1电压线31的参照电压VREF1来确定。复位以及噪音消除的操作自身在第1列以及第2列之间是共同的，因此给予属于第2列的摄像单元10By的暗时的图像信号电平的像素电极61y的电压电平依据施加至第2电压线32的参照电压VREF2来确定。在此，参照电压VREF2的绝对值与参照电压VREF1的绝对值不同。即，摄像单元10By的复位电路RSy2，将像素电极61y的电位复位到与摄像单元10Bx的像素电极61x的复位后的电位不同的电位。
在此，由于向对置电极62x以及对置电极62y施加共同的对置电极电压VOPP，因此对置电极62x以及对置电极62y为等电位。因此，在对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx＝(VOPP-VREF1)和对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φy＝(VOPP-VREF2)之间，在电荷蓄积期间开始时仍成立Φx≠Φy的关系。
这样一来，即使使参照电压VREF在摄像单元10Bx以及10By之间不同，也可以将摄像单元10Bx的像素电极61x以及摄像单元10By的像素电极61y复位成相互不同的电位，可以使在电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压在摄像单元10Bx和摄像单元10By之间彼此不同。因此，能够使分光灵敏度特性彼此不同的摄像单元混合存在于像素阵列中。需要说明的是，如图9所示，在供给了彼此绝对值不同的参照电压VREF1以及VREF2的反相放大器按多个摄像单元的每一列交替设置时，得到基于某个波长域的光的图像信号和基于另一波长域的光的图像信号按每列交替的输出。
(第2实施方式)
如上述的实施方式所示，代替使信号电荷的蓄积即将开始之前的像素电极的电位在多个摄像单元之间不同，也可以使对置电极的电位在多个摄像单元之间不同。如图1所示，光电变换部PC的对置电极62典型地横跨多个摄像单元形成。但是，横跨多个摄像单元形成对置电极62不是本公开的摄像装置所必须的。
图11示出本公开的第2实施方式的摄像装置的摄像单元的示例性电路结构。在图11中，示出取出像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构。
图11所示的摄像装置100C具有摄像单元10Cx以及10Cy。与参照图3说明的例同样，摄像单元10Cx的电荷检测部CDx以及摄像单元10Cy的电荷检测部CDy分别包含具有复位晶体管22的复位电路RSx1以及RSy1。但是，在此，对复位电路RSx1中的复位晶体管22的源极以及复位电路RSx2中的复位晶体管22的源极施加共同的复位电压VRST。即，在本例子中，在复位后，摄像单元10Cx的像素电极61x的电位以及摄像单元10Cy的像素电极61y的电位相同。
摄像单元10Cx的光电变换部PCx具有对置电极62xs，摄像单元10Cy的光电变换部PCy具有与对置电极62xs电分离的对置电极62ys。如图11所示，对置电极62xs以及对置电极62ys分别与第1电压线35a以及第2电压线35b连接。第1电压线35a以及第2电压线35b与电压供给电路42连接。
在图11所例示的结构中，电压供给电路42包含电压供给电路42a以及42b。在此，第1电压线35a以及第2电压线35b分别与电压供给电路42a以及42b连接。电压供给电路42a向第1电压线35a供给第1对置电极电压VOPP1。电压供给电路42b向第2电压线35b供给第2对置电极电压VOPP2。即，在本例子中，摄像装置100C构成为能够向与第1电压线35a连接的对置电极62xs，以及与第2电压线35b连接的对置电极62ys独立地施加彼此不同的电压。电压供给电路42a以及42b可以各自为独立的单一电压供给电路，也可以为单一电压供给电路的一部分。
对置电极电压VOPP1以及对置电极电压VOPP2在摄像装置100C工作时可以固定为一定的值，也可以周期地或准周期地变化。例如，可以在某个摄像单元10Cx的电荷蓄积期间将对置电极电压VOPP1供给至第1电压线35a，在属于与摄像单元10Cx相同行的摄像单元10Cy的电荷蓄积期间将与对置电极电压VOPP1的绝对值不同的对置电极电压VOPP2供给至第2电压线35b。通过使在电荷蓄积期间施加至对置电极的对置电极电压，在摄像单元10Cx和摄像单元10Cy之间彼此不同，可以使摄像单元10Cx的对置电极62xs的电位以及摄像单元10Cy的对置电极62ys的电位在电荷蓄积期间为彼此不同的电位。如本例子所示，例如如果使复位电压共用，则能够使在电荷蓄积期间施加至光电变换结构的偏压在摄像单元10Cx和摄像单元10Cy之间彼此不同。结果，在摄像单元10Cx和摄像单元10Cy之间获得彼此不同的分光灵敏度特性。
这样一来，通过在摄像单元10Cx和摄像单元10Cy之间对对置电极62进行分离，则能够向摄像单元10Cx的对置电极62xs以及摄像单元10Cy的对置电极62ys独立地施加彼此绝对值不同的对置电极电压。由此，与第1实施方式同样地，能够使分光灵敏度特性不同的摄像单元混合存在于像素阵列PA中。
例如通过适用光刻，能够在空间上分离形成对置电极62xs以及对置电极62ys，且可以使它们电分离。例如，可以按多个摄像单元的每一列形成空间上分离的多个对置电极。此时，形成沿行方向排列，且分别在列方向上延伸的多个带状的对置电极，相对于这些对置电极，第1电压线35a以及第2电压线35b可以交替连接。即，在像素阵列PA的例如奇数列以及偶数列分别设置摄像单元10Cx以及10Cy，可以向像素阵列PA的奇数列和偶数列施加彼此不同的对置电极电压。此时，例如，得到基于某个波长域的光的图像信号和基于另一波长域的光的图像信号按每列交替的输出。或者，也可以按多个摄像单元的每一行，使对置电极电分离。此时，形成沿列方向排列，且分别在行方向上延伸的多个带状的对置电极，相对于这些对置电极，第1电压线35a以及第2电压线35b可以交替连接。需要说明的是，从削减每一行的配线数的观点来看，与前者相比，优选后者。
在后者的情况下，摄像单元10Cx以及10Cy沿列方向相互邻接。因此，在该情况下，摄像单元10Cx的电荷蓄积期间的开始的定时和摄像单元10Cy的电荷蓄积期间的开始定时不一致。例如，在适用了卷帘快门动作的情况下，属于某个行的摄像单元10Cx的电荷蓄积期间的开始定时和属于另一行的摄像单元10Cy的电荷蓄积期间的开始定时能够彼此不同。但是，即使在该情况下，通过例如在沿列方向，相互邻接的摄像单元10Cx和摄像单元10Cy中分别独立地设置垂直信号线34，可以使这些摄像单元之间的电荷蓄积期间的开始定时一致。
在电荷蓄积期间之外的期间，分别供给至第1电压线35a以及第2电压线35b的对置电极电压VOPP1以及VOPP2可以相同。例如可以在用于复位的期间等、电荷蓄积期间之外的某个期间，向第1电压线35a以及第2电压线35b两者共同施加与复位电压VRST基本相等的对置电极电压VOPP。由此，在该期间施加至光电变换结构64x的第1偏压V1和施加至光电变换结构64y的第2偏压V2可以为0V附近的值。如果施加至夹持光电变换结构的一对电极的电位差Φ为基本0V的状态，即使向光电变换结构入射光，在光电变换结构内生成的正电荷也可以不通过像素电极收集。另外，也基本上不会产生由电荷蓄积区域向光电变换结构的电荷的逆流。即，通过使电位差Φ为基本0V，在光电变换结构和电极之间不会产生实质上的电荷相互作用，即使照射光，电荷蓄积节点的电位也基本不发生变化，能够实现灵敏度为基本0的状态。换言之，通过电控制，能够实现关闭快门的状态。给予这样的特性的光电变换结构64的结构的详细如后所述。
(第3实施方式)
图12示出本公开第3实施方式的摄像装置的示例性电路结构。如图12所示的摄像装置100D的像素阵列PA具有多个摄像单元，该摄像单元至少包含1个由摄像单元10Dx以及10Dy构成的组。
与图2以及图9同样，图12中示出了从多个摄像单元中取出包含排列成2行2列的4个摄像单元的像素块。图12所示的像素块具有2个摄像单元10Dx和2个摄像单元10Dy。在本例子中，摄像单元10Dx以及10Dy可以在行方向上彼此邻接，或者也可以在列方向上彼此邻接。
摄像单元10Dx的电路结构能够与参照图2说明的摄像单元10Ax的电路结构基本相同。但是，在本例子中，电荷检测部CDx的复位晶体管22的源极不与第1电压线31连接，而是与在摄像装置100D工作时接受复位电压VRST的供给的复位电压线37r连接。
摄像单元10Dy的电荷检测部CDy的复位晶体管22的源极也与复位电压线37r连接。因此，在本例子中，复位后的摄像单元10Dx的像素电极的电位和复位后的摄像单元10Dy的像素电极的电位相同。
除了信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23之外，摄像单元10Dy的电荷检测部CDy具有一个电极与电荷蓄积节点FDy连接的电容元件25y。电容元件25y的另一个电极与连接至电压供给电路41的第1电压线31连接。即，电容元件25y在第1电压线31和光电变换部PCy的像素电极之间连接。需要说明的是，在本例子中，第1电压线31和电荷蓄积节点FDx之间能够存在寄生电容，寄生电容的电容值与电荷蓄积节点FDx的电容值相比较小，可以忽视。即，第1电压线31在与摄像单元10Dx之间不具有意的电结合。在图12所例示的结构中，电压供给电路41，经由第1电压线31，向摄像单元10Dy的电容元件25y选择性地供给电压VTP。在以下的说明中，电压VTP有时称为“偏移电压VTP”。
图13示出了取出图12所示的像素阵列PA中行方向上邻接的摄像单元10Dx以及10Dy。如图13所示，在此，摄像单元10Dx的对置电极62x以及摄像单元10Dy的对置电极62y与施加了对置电极电压VOPP的共同的蓄积控制线35连接。因此，在此，电荷蓄积期间的对置电极62x的电位与该电荷蓄积期间的对置电极62y的电位相同。另外，电荷检测部CDx以及CDy的各自的复位晶体管22的源极与共同的复位电压线37r连接。因此，摄像单元10Dx的复位电路RSx1，将像素电极61x的电位复位成对应于供给至复位电压线37r的复位电压VRST的电位。摄像单元10Dy的复位电路RSy1将像素电极61y的电位复位为与复位后的像素电极61x的电位相同的电位。
在图13所例示的结构中，通过摄像单元10Dy的像素电极61y和第1电压线31与它们之间的电容元件25y连接，经由电容元件25y电结合。通过像素电极61y，和与电压供给电路41连接的第1电压线31相互电结合，通过改变第1电压线31的电压，能够改变包含像素电极61y的电荷蓄积节点FDy的电位。
电压供给电路41例如可以构成为能够切换彼此绝对值不同的至少2个电压，并施加至第1电压线31。电压供给电路41，在电荷蓄积期间，可以向第1电压线31施加比包含在帧期间中的其它期间更高的电压。即，电压供给电路41，在帧期间中的电荷蓄积期间，使供给至第1电压线31的偏移电压VTP暂时升高。通过在电荷蓄积期间使偏移电压VTP暂时升高，经由电容元件25y，通过第1电压线31和电荷蓄积节点FDy之间的电结合，能够在电荷蓄积期间使像素电极61y的电位暂时升高。需要说明的是，包含在帧期间中的其它期间是指例如，复位期间、读取期间。
(经由电容元件的电结合)
对基于施加至第1电压线31的偏移电压VTP的切换的、像素电极61y的电位的变化进行说明。例如，假定在复位了电荷蓄积节点FDy的电位之后，使电荷检测部CDy的复位晶体管22断开，将偏移电压VTP从低电平的电压VL切换至高电平的电压VH，信号电荷的蓄积开始的情况。需要说明的是，作为电压VH，例如，可以使用电源电压或使电源电压降低或升高的电压。电压VL也是同样的。
施加至第1电压线31的偏移电压VTP从电压VL变化至电压VH。此时，通过经由电容元件25y在第1电压线31和电荷蓄积节点FDy之间的电结合，电荷蓄积节点FDy的电压从刚刚复位后的电压VRST开始变化。此时的电荷蓄积节点FDy的电压的变化量可以如下所示求出。
设电荷蓄积节点FDy的电容值为CFDy、电容元件25y的电容值为Cy、刚刚复位后的电荷蓄积节点FDy的电压为VRST。此时，在即将进行偏移电压VTP的切换之前，蓄积在电荷蓄积节点FDy的电荷量Q可以表示为Q＝CFDyVRST-Cy(VL-VRST)。另一方面，在偏移电压VTP刚刚切换成电压VH后的电荷蓄积节点FDy的电压为VFD。此时，Q＝CFDyVFD-Cy(VH-VFD)成立。根据电荷中性条件，右侧相等来求解VFD，则得到VFD＝(Cy/(Cy+CFDy))(VH-VL)+VRST。即，通过将偏移电压VTP从电压VL切换成电压VH，电荷蓄积节点FDy的电压的变化量如下述式(3)所示。
(Cy/(Cy+CFDy))(VH-VL) (3)
根据上述式(3)，电容元件25y的电容值Cy如果远远大于CFDy，则式(3)基本为(VH-VL)。即，可知根据偏移电压VTP的切换，电荷蓄积节点FDy的电压VFD能够以与偏移电压VTP的变化量即(VH-VL)相同的程度进行变化。因此，通过将偏移电压VTP从电压VL切换至电压VH，对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φ与(VH-VL)同程度缩小。
通过经由电容元件25y的电结合，追随施加至第1电压线31的电压的变化像素电极61y的电位如上所述进行变化。如果施加至第1电压线31的电压返回至原来值，则像素电极61y的电位也返回使施加至第1电压线31的电压变化前的电位。即，不会对蓄积在电荷蓄积节点FDy中的电荷量产生影响，通过施加至第1电压线31的电压的变化，能够使像素电极61y的电位在电荷蓄积期间选择性地变化。
这样一来，根据第3实施方式，可以使复位电压VRST在摄像单元10Dx以及10Dy之间共用，同时在电荷蓄积期间，使施加至光电变换结构64y的偏压选择性变化。即，电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压可以在摄像单元10Dx以及10Dy之间不同。因此，例如，通过施加至第1电压线31的偏移电压VTP在彼此绝对值不同的多个电压之间切换，能够使摄像单元10Dx以及10Dy的分光灵敏度特性彼此不同。
电容元件25y可以为例如具有MIS(Metal-Insulator-Semiconductor：金属-绝缘层-半导体)结构的元件，在层间绝缘层52中可以作为MIM(Metal-Insulator-Metal：金属-绝缘层-金属)结构形成。MIM结构是指在由金属或金属化合物形成的2个电极之间夹持了电介质的结构。作为夹持在2个电极之间的电介质，可以使用SiO2、Al2O3、SiN、HfO2、ZrO2等。或者，电容元件25y也可以有意地利用配线间的寄生电容的结构。此时，第1电压线31和电荷蓄积节点FDy之间的寄生电容的电容值具有与电荷蓄积节点FDy的电容值相比较大，无法忽视。电容元件25y也可以含有2个以上的电容元件。
(摄像装置的操作例)
在此，对帧期间和电荷蓄积期间之间的关系进行简单地说明。图14示出在本公开的实施方式的摄像装置中适用了卷帘快门时的摄像装置的操作的典型例。像素阵列PA中包含的实际的行数有时可以达到数百～数千行，但在此受纸面的制约，示意性地示出取出像素阵列PA的第1行、第2行以及第3行三行的摄像单元的操作。另外，在此，以图13所示的摄像单元10Dy为对其操作例进行说明。
在图像信号取得时，首先，对电荷蓄积节点FDy的电位进行复位。即，将复位晶体管22接通，进行电荷蓄积节点FDy中的电荷的排出。通过复位晶体管22的接通，使像素电极61y的电位复位成对应于复位电压VRST的电平。此时的像素电极61y的电压电平确定暗时的图像信号电平。该最初的复位期间为所谓对应于电子快门的期间。在该最初的复位期间，例如将低电平的电压VL施加至第1电压线31。在图14中，带有阴影的左端的矩形RT1表示该最初的复位期间。
接下来，断开复位晶体管22。此时，配合复位晶体管22的断开，将施加至第1电压线31的偏移电压VTP例如切换成高电平电压VH。通过断开复位晶体管22，开始向电荷蓄积节点FDy的信号电荷的蓄积。然后，在希望的定时，接通地址晶体管23并且使偏移电压VTP返回至低电平电压VL，将信号读出至垂直信号线34。此时读出的信号电平，对应于在从电荷蓄积节点FDy的最初复位起到接通地址晶体管23为止的期间中蓄积于电荷蓄积区域的信号电荷的量。图14中，带有浅网格的矩形RD1表示对应于蓄积在电荷蓄积区域的信号电荷的量的信号读出期间(第1信号读出期间)。图14中，白色矩形EXP表示电荷蓄积节点的电位从处于暗时电平的状态到第1信号读出期间为止的期间，该期间相当于上述的“电荷蓄积期间”。电荷蓄积期间为向电荷蓄积区域进行信号电荷的实质上蓄积的期间，也可以称为曝光期间。在此，断开复位晶体管22并且将偏移电压VTP切换成高电平。由此，在电荷蓄积期间的开始时间点，像素电极61y以及对置电极62y之间的电位差与像素电极61x以及对置电极62x之间的电位差不同。
如图14所示，配合电荷蓄积期间的结束，施加至第1电压线31的偏移电压VTP切换成低电平电压VL。偏移电压VTP的切换，与地址晶体管23的接通同时实施。然后，通过再次接通复位晶体管22，像素电极61y的电位再次复位为对应于复位电压VRST的电平。图14中，带有阴影的矩形RT2表示继续第1信号读出期间的复位期间。
接下来，再次接通地址晶体管23，并再次读出复位后的信号。在此，由电压供给电路41施加至第1电压线31的电压为低电平电压VL，在此读出的信号电平为暗时的电平。通过获得在由矩形RD1表示的第1信号读出期间读出的信号电平和此时读出的信号电平之间的差分，得到了除去了固定噪音的图像信号。图14中，标有相对深的网状的矩形RD2表示电荷蓄积节点的电位复位后的信号读出期间(第2信号读出期间)。对应于暗时电平的信号读出后，断开地址晶体管23。需要说明的是，读出所需要的时间由于比较短，因此在信号读出的前后电荷蓄积区域的电位基本不变化。本说明书中的“帧期间”是指从开头行的电荷蓄积期间开始到最终行的第2信号读出期间为止的期间。
(第3实施方式的变形例)
图15示出取出第3实施方式的变形例的摄像装置的像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构。图15所示的摄像单元10Ex与参照图10说明的摄像单元10Bx同样，包括具有反馈电路FCx2的复位电路RSx2。摄像单元10Ey也具有包括反馈电路FCy2的复位电路RSy2。但是，在本例子中，反馈电路FCx2中的反相放大器49x的非反相输入端子不与第1电压线31连接，接受来自未图示的电压线的规定的参照电压VREF的供给。同样地，反馈电路FCy2中的反相放大器49y的非反相输入端子不与第2电压线32连接，接受来自未图示的电压线的规定的参照电压VREF’的供给。通过适当地调整参照电压VREF以及参照电压VREF’，可以使得复位后的像素电极61x的电位和复位后的像素电极61y的电位基本相同。参照电压VREF以及参照电压VREF’也可以为相同电压。
除了复位电路RSx2之外，摄像单元10Ex的电荷检测部CDx具有在电荷蓄积节点FDx和第1电压线31之间连接的电容元件25x。即，在本例子中，摄像单元10Ex的像素电极61x和第1电压线31经由电容元件25x电结合。摄像单元10Ey的电荷检测部CDy含有在电荷蓄积节点FDy以及第1电压线31之间连接的电容元件25y。电荷检测部CDx的电容元件25x以及电荷检测部CDy的电容元件25y典型地具有彼此不同的电容值。
在图15所示的例子中，电荷检测部CDx的电容元件25x、以及电荷检测部CDy的电容元件25y均与相同的第1电压线31连接。因此，与第1电压线31连接一侧的电极的电位的变化在电容元件25x以及电容元件25y之间是相同的。但是，在此电容元件25x的电容值和摄像单元10Ey的电容元件25y的电容值彼此不同。为此，偏移电压VTP的变化即使相同，电荷蓄积节点的电压的变化也可以在摄像单元10Ex以及10Ey之间不同。以下，针对该点进行说明。
在此，为了简化，使复位后的电荷蓄积节点FDx以及电荷蓄积节点FDy的电压相同。如果电荷蓄积节点FDx的电容值为CFDx、电容元件25x的电容值为Cx，则施加至第1电压线31的偏移电压VTP从电压VL切换至电压VH时的电荷蓄积节点FDx的电压变化量根据上述式(3)表示为(Cx/(Cx+CFDx))(VH-VL)。
在此，如果电容元件25x的电容值Cx小于摄像单元10Ey的电容元件25y的电容值Cy，例如为与CFDx相同程度，则电荷蓄积节点FDx的电压的变化量仅为(VH-VL)的一半左右。或者，电容值Cx相对于CFDx充分小时，根据式(3)，可以知道即使改变偏移电压VTP，电荷蓄积节点FDx的电压也基本不变化。
这样一来，根据经由电容元件的电结合，通过使第1电压线31与像素电极电结合的电容元件的电容值在摄像单元之间不同，在使施加至第1电压线31的偏移电压VTP相同同时，能够使像素电极以及对置电极之间的电位差Φ的变化在2个摄像单元之间不同。需要说明的是，减小位于第1电压线31和像素电极之间的电容元件的电容值，对于像素的微细化是有利的。另一方面，通过使具有更大电容值的电容元件在第1电压线31和像素电极之间，施加至第1电压线31的电压的变化量不会不必要的扩大，通过施加至第1电压线31的电压的切换，能够在电荷蓄积节点的电位中产生变化。
根据经由电容元件的电结合，不会使电压供给电路的结构以及配线复杂，能够使得像素电极以及对置电极之间的电位差Φ的变化在多个摄像单元之间不同。即，能够使相对于施加至第1电压线31的电压的变化、电位差Φ显示比较大的变化的摄像单元、电位差Φ基本不显示变化的摄像单元混合存在于像素阵列中。因此，通过在使施加至第1电压线31的偏移电压VTP相同的同时切换偏移电压VTP，例如，能够使摄像单元10Ey的光电变换部PCy为在可见光的波长范围具有灵敏度的状态，摄像单元10Ex的光电变换部PCx在除了可见光波长范围之外的红外线的波长范围也具有灵敏度的状态。即，可以在使施加至第1电压线31的偏移电压VTP相同的同时使分光灵敏度特性不同的摄像单元混合存在于像素阵列PA中。第1电压线31可以在像素阵列PA的每一列或每一行中独立地设置，也可以与像素阵列PA中包含的摄像单元全部连接。
另外，根据经由电容元件的电结合，即使在电荷蓄积期间开始时，通过施加至第1电压线31的电压的变化使像素电极61的电位升高，只要施加至第1电压线31的电压返回至原始值，则像素电极61的电位也能够返回至使施加至第1电压线31的电压变化之前的电位。为此，在信号的读出期间施加至第1电压线31的电压，可以返回为在复位期间施加至第1电压线31的电压，并读出信号。即，为了读出信号，不需要使用更高电源电压AVDD，从消耗电力减少的观点来看是有利的。
需要说明的是，根据式(3)可知，如果使电结合第1电压线31和像素电极的电容元件的电容值和电荷蓄积节点的电容值之间的比在摄像单元之间不同，则可以获得上述效果。即，可以在使偏移电压VTP的变化相同的同时，使电荷蓄积节点的电压的变化在摄像单元之间不同。因此，不必须使电结合第1电压线31和像素电极的电容元件的电容值在邻接的摄像单元之间不同。例如，也可以为电结合第1电压线31和像素电极的电容元件的电容值在多个摄像单元之间相同，使电荷蓄积节点的电容值在多个摄像单元之间不同。
例如，在摄像单元10Ex的光电变换部PCx和摄像单元10Ey的光电变换部PCy之间，也可以使像素电极和对置电极重叠的部分的面积不同。光电变换部本身也具有电容、例如包含具有更大面积的像素电极的摄像单元的一方，相对于施加至第1电压线31的电压的切换相对来说不易受到影响。
图16示出取出第3实施方式的另一个变形例的摄像装置的像素阵列PA中包含的摄像单元中的2个的电路结构。与图15所示的例子相比，在图16所示的例子中，代替摄像单元10Ey，摄像单元10Fy与摄像单元10Ex邻接设置。
摄像单元10Fy的电荷检测部CDy具有复位电路RSy3。复位电路RSy3包含具有复位晶体管22a、反相放大器49y以及反馈晶体管22b的反馈电路FCy3。反馈晶体管22b在复位晶体管22a的源极和与反相放大器49y的输出端子连接的反馈线33y之间连接。在反馈晶体管22b的栅极和摄像单元10Ex的复位晶体管22的栅极之间，可以连接共同的信号线。即，反馈晶体管22b的接通以及断开的操作，可以与摄像单元10Ex的复位晶体管22中的接通和断开的操作同样。
摄像单元10Fy包含在像素电极61y和第1电压线31之间具有电容元件25y以及第2电容元件25z的电容电路。电容元件25z中的一个电极与像素电极61y连接，另一个电极与复位晶体管22a的源极连接。即，电容元件25z与复位晶体管22a并联连接。在本例子中，电荷检测部CDy，在其一部分不仅含有杂质区域5010Ay(例如参照图1)，也含有电容元件25y以及25z。电容元件25z具有小于电容元件25y的电容值的电容值。需要说明的是，改变偏移电压VTP的信号电荷的蓄积在断开复位晶体管22a的状态下实施。
通过经由电容元件25z，电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，能够抑制电荷蓄积区域整体的合成电容的增加。即，施加至第1电压线31的电压的变化对在像素电极61y以及对置电极62y之间的电位差Φy给予的影响变小。另外，通过使连接在像素电极61y和第1电压线31之间的电容电路包括电容元件25z，能够在抑制变换增益的降低的同时，提高噪音消除的效果。以下，对通过反馈电路FCy3的噪音消除的概略进行说明。
例如，第1信号读出期间结束后的信号电荷的复位如下所述实施。首先，通过在地址晶体管23为接通的状态下接通复位晶体管22a以及反馈晶体管22b，形成反馈环。通过形成反馈环，信号检测晶体管21的输出被负反馈。通过信号检测晶体管21的输出被负反馈，将电荷蓄积节点FDy的电位控制在使垂直信号线34的电压与VREF’相等的电位。
接下来，断开复位晶体管22a。通过复位晶体管22a的断开产生kTC噪音。为此，将复位后的电荷蓄积节点FDy的电压与伴随复位晶体管22a的断开的kTC噪音相加。复位晶体管22a断开后，如下所述，实施该kTC噪音的消除。
在反馈晶体管22b接通期间，形成了反馈环的状态持续。为此，如果反馈电路FCy的增益为A，则由于断开复位晶体管22a而产生的kTC噪音可以降低至1/(1+A)大小。需要说明的是，在本例子中，在即将断开复位晶体管22a之前，即在即将开始噪音消除之前的垂直信号线34的电压与施加至反相放大器49y的正侧的输入端子的参照电压VREF’基本相等。通过使噪音消除开始时的垂直信号线34的电压接近参照电压VREF’，能够在较短的时间内消除kTC噪音。
接下来，断开反馈晶体管22b。伴随反馈晶体管22b的断开产生kTC噪音。但是，起因于反馈晶体管22b的断开，与电荷蓄积节点FDy的电压相加的kTC噪音的大小，与不在摄像单元10Fy中设置电容元件25y以及电容元件25z、将反馈晶体管22b与电荷蓄积节点FDy直接连接的情况相比，为(CFDy/Cy)1/2×(Cz/(Cz+CFDy))倍。在上式中，Cz表示电容元件25z的电容值，式中“×”表示乘法。
根据上式，可知电容元件25y的电容值Cy越大，产生的噪音本身越小，电容元件25z的电容值Cz越小，衰减率越大。通过适当地设定电容值Cy以及Cz，通过断开反馈晶体管22b产生的kTC噪音能够充分缩小。反馈晶体管22b的断开后，进行消除了kTC噪音的信号的读出。
在复位晶体管22a以及反馈晶体管22b为断开的状态下，电容元件25y经由电容元件25z与电荷蓄积节点FDy连接。在此，假定不经由电容元件25z，将电荷蓄积节点FDy和电容元件25y直接连接的情况。此时，直接连接电容元件25y时，信号电荷的蓄积区域整体的电容值为(CFDy+Cy)。即，由于电容元件25y具有较大的电容值Cy，则信号电荷的蓄积区域整体的电容值也为大值，因此无法获得高的变换增益(也可以称为高SN比)。另一方面，如图16所示，如果经由电容元件25z，电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，则在这样的结构中，信号电荷的蓄积区域整体的电容值表示为(CFDy+(CyCz)/(Cy+Cz))。在此，在电容元件25z具有较小的电容值Cz，且电容元件25y就有较大的电容值Cy的情况下，信号电荷的蓄积区域整体的电容值为约(CFDy+Cz)。即，信号电荷的蓄积区域整体的电容值的增加小。这样一来，通过经由具有较小的电容值的电容元件25z将电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，可以抑制变换增益的降低。
另外，通过经由具有较小的电容值的电容元件25z将电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，还可以获得相对于偏移电压VTP的变化的电荷蓄积节点FDy的电位的变化减小的效果。进一步，在如图16所示的例子中，摄像单元10Fy的像素电极61y以及对置电极62y具有比摄像单元10Ex的像素电极61x以及对置电极62x大的电极面积。为此，包含具有更大面积的像素电极61y的摄像单元10Fy，与摄像单元10Ex相比，相对于施加至第1电压线31的电压的切换，更不易受到影响。
就电荷蓄积区域的电容值相对小的摄像单元而言，变换增益高，可以称为是高灵敏度的单元。另一方面，如果增加电荷蓄积区域的电容值，则变换增益降低，在高照度的基础下的摄像是有利的。通过合成由电荷蓄积区域的电容值彼此不同的2个摄像单元获得的图像数据，即使针对对比度大的场景，也能够形成没有泛白以及涂黑的图像。这样的图像的形成被称为“高动态范围合成”。
(其它实施方式)
图17示意地示出本公开其它实施方式的摄像装置的示例性结构。图17所示的摄像装置100E具有摄像单元10x以及10y的组和减法电路80。
摄像单元10x可以为上述摄像单元10Ax～10Ex中的任意，摄像单元10y可以为上述摄像单元10Ay～10Fy中的任意。在此，作为摄像单元10x以及10y分别以参照图15说明的摄像单元10Ex以及10Ey为例。
供给至第1电压线31(图17中未图示、参照图15)的偏移电压VTP例如在电荷蓄积期间被选择性地升高。由此，摄像单元10y为如下状态：在像素电极61y以及对置电极62y之间的电位差Φy的绝对值被缩小，关于红外线的波长范围的灵敏度降低，在可见光的波长范围内具有选择性的灵敏度的状态。另一方面，就摄像单元10x而言，供给至第1电压线31的偏移电压VTP即使升高像素电极61x以及对置电极62x之间的电位差Φx的绝对值也基本不变化，在可见光以及红外线的波长范围具有灵敏度。
在本例子中，摄像单元10x为在电荷蓄积期间在可见光以及红外线的波长范围内显示灵敏度的单元，电荷检测部CDx基于可见光以及红外线输出第1图像信号。因此，由通过摄像单元10x取得的第1图像信号，可以构建基于可见光以及红外线的图像。另一方面，摄像单元10y为在电荷蓄积期间在可见光的波长范围选择性地显示灵敏度的单元，电荷检测部CDy输出基于可见光的第2图像信号。因此，由通过摄像单元10y取得的第2图像信号，可以构建基于可见光的图像。
减法电路80构成为具有电荷检测部CDx以及电荷检测部CDy之间的连接，输出第1图像信号以及第2图像信号的差分。通过计算摄像单元10x的输出信号的电平，和摄像单元10y的输出信号的电平之间的差分，可以构建基于红外线的图像。可以相对于摄像单元10x的输出信号和/或摄像单元10y的输出信号，以期望的增益增加然后进行减法处理。此时，不需要在摄像单元10x以及10y之间使增益一致。只要针对摄像单元10x以及10y每组来确定增益比即可。
在专利文献2中记载的技术中，由于可以选择性地取得黑白图像以及红外图像中的任意，因此无法担保这些图像之间的同时性。为此，对于例如在高速下进行移动的物体的摄影是不合适的。与此相对，分别由摄像单元10x以及10y获得的第1以及第2图像信号可以是基于在相同的电荷蓄积期间蓄积的信号电荷的信号。即，能够担保基于第1图像信号的图像和基于第2图像信号的图像之间的同时性。尤其是，如果作为包含摄像单元10x以及10y的单元对的重复结构形成像素阵列PA，则由于分光灵敏度特性不同的摄像单元可以在像素阵列PA中均匀地配置，因此在颜色分辨率方面是有利的。
减法电路80也可以为模拟减法电路，也可以为数字减法电路。减法电路80可以通过例如包含1个以上的内存和处理器的微控制器来实现。或者减法电路80可以为水平信号读出电路46(例如参照图2)的一部分。
如以上说明的一样，根据本公开的实施方式，可以一边抑制电路的复杂化，一边使分光灵敏度特性不同的摄像单元混合存在于像素阵列中。
图36示意地示出本公开的另一其他实施方式的摄像装置的示例性结构。与参照图1说明的例子相比，图36所示的摄像装置100F的像素阵列PA具有包含摄像单元20x以及20y的组的多个摄像单元20。摄像单元20x以及20y为在像素阵列PA中，在行方向或列方向彼此邻接配置的摄像单元的组。摄像装置100F的摄像区域典型地包含以2个摄像单元20x以及20y的组为单位的重复结构。摄像单元20x以及20y也可以在像素阵列PA中在斜向上邻接设置。
如图36示意性地所示，摄像装置100F具有包含像素电极61x以及61y、对置电极62、和光电变换结构66的光电变换部PC2。摄像单元20x具有包含作为对置电极62的一部分的对置电极62x、光电变换结构66x以及像素电极61x的光电变换部PC2x。同样地，摄像单元20y具有包含作为对置电极62的一部分的对置电极62y、光电变换结构66y以及像素电极61y的光电变换部PC2y。像素电极61x与电荷检测部CDx的信号检测晶体管21的栅极连接，像素电极61y与电荷检测部CDy的信号检测晶体管21的栅极连接的方面与上述各例相同。
光电变换结构66x以及66y各自为横跨多个摄像单元20设置的共同的光电变换层彼此不同的部分。即，与到目前为止说明的各例不同，图36所示的结构中的光电变换结构66x以及66y可以不含有具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的光电变换结构64这样的层叠结构。为此，在本例子中，相对于向夹持光电变换结构66的一对电极之间施加的电压的变化，光电变换部PC2x的分光灵敏度特性和光电变换部PC2y的分光灵敏度特性显示同样的变化。换言之，摄像单元20x显示灵敏度的波长范围和摄像单元20y显示灵敏度的波长范围是相同的。但是，如以下说明的一样，通过使对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx和对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φy彼此不同，可以使摄像单元20x和摄像单元20y之间的灵敏度彼此不同。
光电变换结构66x以及66y，在光电变换部PC2的形成工序中通过光电变换结构66的形成同时形成，位于与半导体基板50的主面垂直的剖面中的同一层。光电变换结构66典型地由包含作为施主发挥功能的第1材料和作为受主发挥功能的第2材料至少两种材料的光电变换材料形成。
图37示出光电变换结构66的外部量子效率的电压依存性的一个例子。图37显示了通过在玻璃基板上依次真空蒸镀并堆叠作为下面电极的ITO膜、电子阻挡层、光电变换层、以及作为上面电极的Al膜的样品，在改变施加到上面电极和下面电极之间的电位差时的相对于880nm波长光的外部量子效率的测定结果。外部量子效率的测定，使用了分光计器株式会社制造的分光灵敏度測定装置CEP-25RR。
在此，通过使酞菁锡(SnNc)以及C70的体积比为1:1来进行共蒸镀形成光电变换层。在在此得到的光电变换层中，SnNc作为电子施与性分子发挥功能，C70作为电子受容性的分子发挥功能。作为电子阻挡层的材料，使用了作为两极性有机半导体的双(咔唑啉)苯并二呋喃(CZBDF)。需要说明的是，下面电极、电子阻挡层、光电变换层以及上面电极的厚度分别为150nm、10nm、60nm以及80nm。
图37中，横轴表示以上面电极的电位为基准时的向下面电极施加的电压VITO。例如，施加至下面电极的电压为-2V的状态，相当于以像素电极61x或61y的电位为基准，向对置电极62施加2V正电压的状态。如果参照向下面电极施加了-2V的电压时的图，则在本例子中得到了约18％的外部量子效率。
在此，如果将施加至下面电极的电压降低至-8V，则得到了约72％的外部量子效率，与向下面电极施加-2V的电压时相比较，显示外部量子效率升高约4倍。这以灵敏度来看相当于提高4倍。从20log104＝12dB可知，该结果显示在光电变换结构66中适用了与该例子的样品为同样结构的情况下，通过将施加至像素电极和对置电极之间的电位差从2V扩大至8V，动态范围可以扩大约12dB。
再次参照图36。在在此说明的实施方式中，开始信号电荷的蓄积前施加至光电变换结构的偏压，在相互邻接的摄像单元20x和摄像单元20y之间彼此不同。即，电荷蓄积期间开始时、换言之在像素电极的电位刚刚复位后且信号电荷尚未在电荷蓄积区域蓄积的时间点，使得Φx≠Φy的关系成立。例如，如果Φx＝8V、Φy＝2V，则与摄像单元20y相比，提高摄像单元20x的灵敏度例如4倍左右是可能的，摄像单元20x以及20y分别可以作为高灵敏度的单元以及低灵敏度的单元发挥功能。
根据相对灵敏度提高的摄像单元20x，即使在低照度下也可以实现高SN比。另一方面，根据相对灵敏度降低的摄像单元20y，即使在高照度下也可以防止泛白的发生。因此，根据基于由摄像单元20x以及20y取得的图像信号的图像数据的合成，高动态范围合成是可能的。进一步，在本实施方式中，摄像单元20x以及20y在像素阵列PA中彼此邻接的设置。为此，根据摄像单元20x以及20y的组，可以获得基于从实际上相同方位到来的光的图像信号，可以在由摄像单元20x取得的图像信号，和有与该摄像单元20x邻接的摄像单元20y取得的图像信号之间担保同时性。即，由从通过这些相互邻接摄像单元20x以及20y的组取得的图像信号中确定图像中1个像素的像素值，可以获得能够保证同时性的高动态范围图像。
这样一来，通过将具有依据施加的偏压的变化外部量子效率发生变化的结构的光电变换层适用于光电变换结构，可以不在摄像单元中追加新的电路元件，可以以电的方式变更其灵敏度。另外，由图37可知，为了获得显示这样性质的光电变换结构，在光电变换结构66中，具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的光电变换结构64这样的层叠结构的形成不是必须的。
根据图36所示出的构成，在摄像单元20x以及20y之间，通过有意地做成使在即将进行信号电荷的蓄积前Φx≠Φy的关系成立的状态，可以使它们之间的灵敏度彼此不同。因此，可以通过比较简易的电路结构而获得动态范围扩大的效果，根据摄像装置100F，可以一次性地获得改变灵敏度而得到的多个图像信号。为此，例如，基于由相互邻接设置的摄像单元20x以及20y的组得到的图像信号，可以构建同时性得到了担保的高动态范围图像。
作为用于形成在即将进行信号电荷的蓄积前的Φx≠Φy状态的结构，可以适用到目前为止说明的各例中的任意结构。例如，作为电荷检测部CDx以及CDy，也可以使用参照图3说明的电路结构。通过在整个电荷蓄积期间共用对置电极电压VOPP，使VRST1≠VRST2，则能够使在信号电荷的蓄积开始之前，施加至光电变换结构的偏压在摄像单元20x和摄像单元20y之间彼此不同。在电荷检测部CDx以及CDy中适用了参照图10说明的电路结构，参照电压VREF可以在摄像单元20x以及20y之间不同。根据这样的结构，在电荷蓄积期间开始时施加至光电变换结构的偏压可以在摄像单元20x和摄像单元20y之间彼此不同。
在适用了如图11所示的电路结构的摄像单元20x和摄像单元20y之间，电分离对置电极，可以使在即将开始信号电荷的蓄积前的对置电极的电位在摄像单元20x和摄像单元20y之间不同。根据这样的结构，可以实现Φx≠Φy的状态。
或者，可以适用图13、图15以及图16所示这样的电路结构，使像素电极61x和/或像素电极61y的电位在帧期间中的电荷蓄积期间暂时升高。根据这样的结构，针对摄像单元20x以及摄像单元20y中的一方或两者，可以选择性地改变在电荷蓄积期间施加至光电变换结构64的偏压，在这些单元之间得到彼此不同灵敏度。摄像单元20x以及20y中的一方可以为相对于施加至第1电压线31的电压的变化、电位差Φ显示较大变化的单元，另一方可以为电位差Φ基本不显示变化的摄像单元。
代替在彼此邻接设置的摄像单元20x以及20y中分别独立设置微镜头，如参照图5所说明的，在这些单元间可以共享1个微镜头和/或滤色器。
需要说明的是，上述的电压供给电路41只要构成为在摄像装置工作时能够向第1电压线31施加规定的电压即可，不限定于特定的电源电路。电压供给电路41，也可以为生成规定电压的电路，也可以为将由其他电源供给的电压变换成规定的电压的电路。针对电压供给电路42也是同样的，构成为在摄像装置工作时可以向例如蓄积控制线35施加规定的电压即可。电压供给电路41以及42的各自可以为单一的电压供给电路的一部分，也可以为独立的单一的电压供给电路。需要说明的是，电压供给电路41以及42中的一方或两者可以为垂直扫描电路48的一部分。或者，将来自电压供给电路41的电压和/或来自电压供给电路42的对置电极电压经由垂直扫描电路48供给至各摄像单元。
(光电变换结构)
如上所述，在本公开的某个实施方式中，光电变换部PCx以及PCy中的光电变换结构64包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。光电变换结构64具有例如100nm以上且1000nm以下范围的厚度。第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b分别包含第1材料以及第2材料，在本公开的某个方式中，第1光电变换层具有比第2光电变换层高的阻抗。根据这样的结构，通过改变施加至像素电极和对置电极之间的电压，可以切换光电变换部PC的分光灵敏度特性。通过切换摄像单元10的分光灵敏度特性，可以切换能够获得的图像的波长区域。需要说明的是，在本说明书中，为了简便，“阻抗”这一用语有时以“阻抗的绝对值”的含义来使用。
在本公开的另外的方式中，第1材料的离子势比第2材料的离子势大0.2eV以上。如下述所示，如果在第1光电变换层64a中含有的第1材料以及第2光电变换层64b中含有的第2材料之间的离子势之差大于某个程度，则即使在第1光电变换层64a和第2光电变换层64b之间的阻抗差小的情况下，通过改变施加至像素电极和对置电极之间的电压，也可以使光电变换部PC中的分光灵敏度特性变化。
图18示出光电变换部的剖面结构的一个例子。需要说明的是，上述的光电变换部PCx以及PCy的基本结构可以为共用。因此，在下文中，可以不区分光电变换部PCx的像素电极61x以及光电变换部PCy的像素电极61y而简称为像素电极61。
如已经说明的，光电变换部PC包含像素电极61以及对置电极62，以及夹持在它们中的光电变换结构64。光电变换结构64典型地具有包含有机材料的多个层。在图18所示出的结构中，光电变换结构64包含第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构。如图所示，在本例子中，第2光电变换层64b位于第1光电变换层64a以及对置电极62之间。
在图18所示出的结构中，光电变换结构64在第1光电变换层64a和像素电极61之间包含电子阻挡层64eb以及空穴输送层64ht。电子阻挡层64eb与像素电极61邻接，空穴输送层64ht与第1光电变换层64a邻接。另外，光电变换结构64在第2光电变换层64b和对置电极62之间包含电子输送层64et以及空穴阻挡层64hb。空穴阻挡层64hb与对置电极62邻接，电子输送层64et与第2光电变换层64b邻接。
如图18所示的电子阻挡层64eb是为了通过从像素电极61注入电子而降低暗电流而设置的，空穴阻挡层64hb是为了通过从对置电极62注入空穴而降低暗电流而设置的。电子阻挡层64eb以及空穴阻挡层64hb显示选择性的电荷输送功能，因此希望注意到其不是绝缘层这一点。空穴输送层64ht以及电子输送层64et是为了将在第1光电变换层64a和/或第2光电变换层64b中生成的正以及负电荷分别高效地输送至像素电极61以及对置电极62而设置的。构成电子阻挡层64eb、空穴阻挡层64hb、空穴输送层64ht、以及电子输送层64et的材料，可以考虑与邻接的层之间的接合强度、稳定性、离子势差以及电子亲和力差等从公知的材料中选择。作为构成电子阻挡层64eb、空穴阻挡层64hb、空穴输送层64ht、以及电子输送层64et的材料的至少任一种，可以使用用于形成第1光电变换层64a的材料或用于形成第2光电变换层64b的材料。
第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b分别包含第1材料以及第2材料。因此，典型地，第1光电变换层64a每单位厚度的阻抗和第2光电变换层64b每单位厚度的阻抗是彼此不同的。第1材料以及第2材料典型地为半导体材料。
在本公开的某个方式中，第1光电变换层64a每单位厚度的阻抗，大于第2光电变换层64b每单位厚度的阻抗。需要说明的是，阻抗依存于光电变换层的厚度，在光电变换层为包含多个材料的情况下，阻抗也依存于光电变换层中的这些材料的体积比。在本公开的实施方式中，在层叠结构中包含的多个光电变换层中，可以使用具有更大阻抗的层作为第1光电变换层64a。
(利用了阻抗差的、基于偏压切换的分光灵敏度特性的切换)
在光电变换结构64包含具有阻抗彼此不同的第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构的情况下，如果通过向像素电极61以及对置电极62之间施加偏压，则向第1光电变换层以及第2光电变换层施加与阻抗成比例的电压。换言之，向第1光电变换层以及第2光电变换层施加大小与阻抗成比例的电场。通过改变在夹持包含具有阻抗彼此不同的光电变换层的层叠结构的光电变换结构的像素电极61以及对置电极62之间施加的电位差Φ，能够改变与某个波长范围相关的外部量子效率(E.Q.E.)。换言之，在光电变换部PC具有这样的光电变换结构的摄像单元10，可以使分光灵敏度特性以电的方式变化。例如，在施加的电位差从电位差Φ1变化至电位差Φ2时，第2材料的吸收峰波长处的外部量子效率的增加部分大于第1材料的吸收峰波长处的外部量子效率的增加部分。
例如第1光电变换层64a的阻抗以及第2光电变换层64b的阻抗分别为Z1以及Z2，如果Z1＞Z2，则可以向第1光电变换层64a施加大于第2光电变换层64b的电压。因此，即使在像素电极61以及对置电极62之间的偏压小的状态下，也能够向第1光电变换层64a施加使通过光电变换生成的电荷移动到电极的充分大的电场。即，通过光电变换生成的正以及负电荷能够分别到达像素电极61以及对置电极62。即，通过向第1光电变换层64a照射光而生成的信号电荷由像素电极61收集，并在电荷蓄积区域蓄积。
与此相对，向第2光电变换层64b施加的电场小于向第1光电变换层64a施加的电场。为此，如果为向光电变换结构64施加在像素电极61以及对置电极62之间更小的电位差的状态，则施加至第2光电变换层64b的电场，能够降低通过向第2光电变换层64b照射光而生成的信号电荷到达像素电极61所需要的大小。如果信号电荷没有到达像素电极61，则即使在第2光电变换层64b中生成了信号电荷，也不会产生信号电荷在电荷蓄积区域的蓄积。因此，摄像单元10为相对于对应于构成第2光电变换层64b的材料的吸收光谱、尤其是第2材料吸收光谱的波长范围的光不显示充分的灵敏度的状态。
如果增加施加在对置电极62和像素电极61之间的电压，则施加至第2光电变换层64b的电压也增加。即，例如，通过向像素电极61或对置电极62供给更大绝对值的电压，则施加至第2光电变换层64b的电场也增加，使得信号电荷能够到达像素电极61。因此，就摄像单元10而言，除了对应于构成第1光电变换层64a的材料(尤其是第1材料)的吸收光谱的波长范围的光之外，对于对应于构成第2光电变换层64b的材料(尤其是第2材料)的吸收光谱的波长范围的光也会显示灵敏度。
这样一来，通过适用具有第1光电变换层、以及阻抗比第1光电变换层小的第2光电变换层的层叠结构，通过切换供给至像素电极61或对置电极62的电压，能够切换分光灵敏度特性。第1光电变换层64a的阻抗相对于第2光电变换层64b的阻抗之比典型地在100倍以上且1010倍以下的范围。相对于第2光电变换层64b的阻抗，如果至少第1光电变换层64a的阻抗大于44倍，则能够实现通过偏压的切换这样的分光灵敏度特性的切换。
作为第1材料以及第2材料的组合，可以使用例如，在可见光区域显示高吸收系数的材料和在红外区域显示高吸收系数的材料的组合。根据这样的材料的组合，能够提供能获取与可见光的照度以及红外线的照度中的一方或两者相关的信息的摄像装置。
典型地，第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b包含电子施与性(施主性、p型)分子和电子受容性(受主性、n型)分子。
作为第1光电变换层64a中含有的第1材料以及第2光电变换层64b中含有的第2材料，可以使用例如电子施与性分子。电子施与性分子的典型例为有机p型半导体，主要是以空穴输送性有机化合物为代表，具有容易供给电子的性质。有机p型半导体的例子，是DTDCTB等的三芳基胺化合物，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，α－六噻吩(以下称作“α－6T”)、P3HT等噻吩化合物，酞菁化合物，花青化合物，部花青化合物，氧杂菁化合物，聚胺化合物，吲哚化合物，吡咯化合物，吡唑化合物，聚亚芳基化合物，稠合芳族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、红荧烯等并四苯衍生物、芘衍生物、二萘嵌苯衍生物、萤蒽衍生物)，含有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。酞菁化合物的例子，是酞菁铜(CuPc)、亚酞菁(SubPc)、酞菁氯化铝(ClAlPc)、Si(OSiR3)2Nc(R表示碳数为1至18的烷基)、酞菁锡(SnNc)及酞菁铅(PbPc)等。施主性有机半导体并不限于这些，只要是离子势比作为n型(受主性)化合物使用的有机化合物小的有机化合物，就能够作为施主性有机半导体使用。离子势是真空能级与最高被占分子轨道(HOMO)的能级的差。
电子受容性的分子的典型例是有机n型半导体，主要以电子输送性有机化合物为代表，具有容易受容电子的性质。有机n型半导体的例子，是C60及C70等富勒烯，苯基C61丁酸甲酯(PCBM)等富勒烯衍生物，稠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、二萘嵌苯衍生物、萤蒽衍生物)，含有氮原子、氧原子、硫原子的5至7元的杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、1，2－二氮杂萘、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲绕啉、四唑、吡唑、咪唑啉、噻唑、恶唑、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、四氮杂茚、噁二唑、咪唑吡啶、吡唑烷、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯氮卓、三苯氮卓等)，亚酞菁(SubPc)，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，二萘嵌苯四碳化二亚胺化合物(PTCDI)，含有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。受主性有机半导体并不限于这些，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，就能够作为受主性有机半导体使用。电子亲和力是真空能级与最低空分子轨道(LUMO)的能级的差。
图19示出SnNc、DTDCTB以及C70的化学式。不限于上述，只要是能够通过干湿或湿式中的任意方法成膜的有机化合物或有机分子，无论为低分子还是高分子，均可以作为构成第1光电变换层64a的材料或构成第2光电变换层64b的材料使用。
通过对应于要进行检测的波长域的适当材料分别作为第1材料以及第2材料使用，可以实现在期望的波长域具有灵敏度的光电变换结构64。例如，作为含有在第1光电变换层64a中的第1材料以及含有在第2光电变换层64b中的第2材料，可以分别使用在可见光区域显示高吸收系数的材料以及在红外区域显示高吸收系数的材料。上述的DTDCTB，在波长约为700nm的位置具有吸收峰，CuPc以及SubPC分别在波长约620nm以及约580nm的位置具有吸收峰。红荧烯在波长约530nm的位置具有吸收峰，α-6T在波长约440nm的位置具有吸收峰。即，这些材料的吸收峰在可见光的波长范围，这些材料可以例如作为第1材料使用。另一方面，SnNc在波长约870nm的位置具有吸收峰，ClAlPc在波长约750nm的位置具有吸收峰。即，这些材料的吸收峰在红外线的波长范围，这些材料可以作为例如第2材料使用。
第2光电变换层64b中含有的第2材料包括例如下述一般式(1)表示的SnNc。
【化学式1】
Figure BDA0001530588350000541
在通式(1)中，R1～R24独立地表示氢原子或取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以为氘原子、卤原子、烷基(包括环烷基、二环烷基、三环烷基)、链烯基(包括环链烯基、二环链烯基)、炔基、芳基、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、烷氧基羰基氧基、芳氧基羰基氧基、氨基(包括苯胺基)、铵基、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺酰基氨基、烷基磺酰基氨基、芳基磺酰基氨基、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、酰亚胺基、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)、磷酸根基(-OPO(OH)2)、硫酸根基(-OSO3H)、或其他公知的取代基。
作为上述通式(1)表示的SnNc，可以使用市售的产品。或者上述通式(1)表示的SnNc可以如例如日本特开2010-232410号公报所示的一样，以下述通式(2)表示的萘衍生物作为起始原料合成。通式(2)中的R25～R30与通式(1)中的R1～R24为同样的取代基。
【化学式2】
Figure BDA0001530588350000551
在上述通式(1)表示的酞菁锡中，从易于抑制分子的凝聚状态的观点来看，R1～R24中的8个以上为氢原子或氘原子是优选的，R1～R24中的16个以上为氢原子或氘原子是优选的，全部为氢原子或氘原子是更优选的。进一步，从以下式(3)表示的SnNc从容易合成的观点来看是优选的。
【化学式3】
Figure BDA0001530588350000552
上述通式(1)表示的SnNc在约200nm以上且1100nm以下的波长区域具有吸收。例如，上述式(3)表示的SnNc如图23所示，波长在约870nm的位置具有吸收峰。图23为包含上述式(3)表示的SnNc的光电变换层的吸收光谱的一个例子。需要说明的是，在吸收光谱的测定中使用了在石英基板上层叠了厚度为30nm的光电变换层的样品。
例如，通过使用在可见光区域包含的第1波长范围中具有吸收峰的材料作为第1材料，使用在红外区域包含的第2波长范围中具有吸收峰的材料作为第2材料，在红外区域中灵敏度可以以电的方式变化。当然，作为第1材料以及第2材料，也可以分别使用在红外区域显示高吸收系数的材料以及在可见光区域显示高吸收系数的材料。
例如，假定使用相对于可见光具有高吸收系数的材料作为第1材料的第1光电变换层的阻抗Z1大于使用相对于红外光具有高吸收系数的材料作为第2材料的第2光电变换层的阻抗Z2(Z1＞Z2)的情况。此时，施加到对置电极62和像素电极61之间的电压如果在某个阈值以下，则光电变换部PC在可见光区域显示相对高的灵敏度。因此，可以通过可见光获取图像信号。另一方面，如果施加至对置电极62和像素电极61之间的电压高于阈值时，光电变换部PC在可见光区域以及红外区域显示灵敏度。因此，可以通过可见光以及红外光获得图像信号。换言之，就施加到对置电极62和像素电极61之间的电位差而言，如果可以通过可见光摄像的电压为Φ1，可以通过可见光以及红外光摄像的电压为Φ2，则Φ1＜Φ2的关系成立。
相反，在第1光电变换层的阻抗Z1小于第2光电变换层的阻抗Z2(Z1＜Z2)的情况下，施加至对置电极62和像素电极61之间的电压如果在某个阈值以下，则光电变换部PC在红外光域可以具有相对高的灵敏度。为此，通过本公开的某个实施方式的摄像装置，可以利用红外光获得图像信号。另一方面，在施加至对置电极62和像素电极61之间的电压大于阈值的情况下，光电变换部PC在可见光区域以及红外光域显示灵敏度。因此，可以通过可见光以及红外光获得图像信号。此时，就施加至对置电极62和像素电极61之间的电压而言，如果可以通过红外光摄像的电位差为Φ3，可以通过可见光以及红外光摄像的电位差为Φ4，则必然成立Φ3＜Φ4的关系。需要注意的是，通过施加至对置电极62和像素电极61之间的电位差，能够切换可以获得图像的波长区域这一点。
在通过使用单独的有机材料第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b无法充分地具有希望的灵敏度特性的情况下，也可以通过将第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b中的一方或两者与两种以上的有机材料进行混合来形成。或者，也可以通过层叠包含不同有机材料的两种以上的层来形成第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b中的一方或两者。第1光电变换层64a和/或第2光电变换层64b可以为例如包含p型半导体以及n型半导体的本体异质结结构层。本体异质结结构如日本专利第5553727号公报中详细说明的。为了参考，将日本专利第5553727号公报的公开内容的全部引用到本说明书中。
图20示出光电变换部PC的剖面结构的另一例子。如图20所示的光电变换结构64A可以含有具有第1光电变换层64a、混合层64m以及第2光电变换层64b的层叠结构。混合层64m为至少包含第1材料以及第2材料的层，位于第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b之间。需要说明的是，图20以及上述图18仅仅为示意图，有时会存在光电变换结构中包含的各层的边界无法严格划分的情况。在本公开的其它剖面图中也是同样的。
这样一来，光电变换部PC的结构不限于图18所示的结构。例如，第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的设置也可以与图18以及图20所示的设置相反。在光电变换结构64中生成的正以及负电荷中，以负电荷(典型地电子)作为信号电荷使用的情况下，也可以代替电子阻挡层64eb以及空穴输送层64ht使用空穴阻挡层以及电子输送层，代替电子输送层64et以及空穴阻挡层64hb使用空穴输送层以及电子阻挡层。
构成第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的材料不限于有机半导体材料，第1光电变换层64a和/或第2光电变换层64b可以包含以氢化非晶硅、CdSe等为代表的化合物半导体、ZnO等金属氧化物半导体等无机半导体材料。例如非晶硅可以通过改变杂质浓度来调整体积电阻率。第1光电变换层64a和/或第2光电变换层64b也可以含有由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。
(利用了离子势差的、基于偏压切换的分光灵敏度特性的切换)
如以下说明的一样，即使在第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b之间的阻抗差小的情况下，只要第1光电变换层64a中含有的第1材料以及第2光电变换层64b中含有的第2材料之间的离子势差大于某个程度，则可以通过改变施加到像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ来改变分光灵敏度特性。
图21为光电变换部PC的另一其它结构例中的能量图。图21中的矩形示意性地示出各材料中的LUMO以及HOMO。这些矩形的上侧的边以及下侧的边附近赋予的数值分别表示各材料的电子亲和力以及离子势。图21中的粗横线示意性地示出对置电极62以及像素电极61的列举的费米能级。
在图21所示的结构中，光电变换结构64b具有电子阻挡层64eb、第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b从像素电极61朝向对置电极62层叠的层叠结构。在本例子中，作为第1材料、第2材料、以及电子阻挡层64eb的材料分别使用了红荧烯、SnNc以及作为两极性有机半导体的双(咔唑啉)苯并二呋喃(CZBDF)。图22示出CZBDF的化学式。如图21示意地示出，在此，第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b含有作为受主性有机半导体的C70。该例子中的第1光电变换层64a，接受可见光通过光电变换生成电荷对，第2光电变换层64b，接受红外线通过光电变换生成电荷对。图21中的白色圆圈“○”以及黑色圆圈“●”分别表示由光电变换生成的正电荷以及负电荷。
如已经说明的，在正电荷通过像素电极61收集的情况下，通过例如向对置电极62供给规定的电压，使得对置电极62为比像素电极61更高的高电位。在该状态下，可见光入射到第1光电变换层64a在第1光电变换层64a中生成正以及负电荷，正电荷由像素电极61收集。即，摄像单元10为通过可见光的照射生成的信号电荷在电荷蓄积区域蓄积、在可见光的波长范围具有灵敏度的状态。负电荷，从红荧烯的LUMO能级向C70的LUMO能级转移，跟随像素电极61以及对置电极62之间的电场，向对置电极62移动。由于在第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b之间作为受主性有机半导体共用使用C70，因此移动至C70的LUMO能级的负电荷能够直接移动到对置电极62，由对置电极62收集。
在此，假定红外线入射第2光电变换层64b在第2光电变换层64b中产生正以及负电荷的状态。如果关注正电荷，则正电荷跟随像素电极61以及对置电极62之间的电场朝向像素电极61移动。但是，如图21所示，红荧烯的离子势大于SnNc的离子势，因此，在SnNc的HOMO能级和红荧烯的HOMO能级之间，相对于正电荷形成了势垒。为此，像素电极61以及对置电极62之间的偏压如果小，则正电荷无法超过该势垒不能到达像素电极61。这表示摄像单元10在红外线的波长范围不具有灵敏度的状态。
如果增加像素电极61以及对置电极62之间的偏压，向正电荷赋予能够超过势垒的能量，则正电荷超过势垒到达像素电极61。即，通过向像素电极61以及对置电极62之间施加更大的电位差，在第2光电变换层64b中生成的正电荷能够通过像素电极61收集。换言之，通过施加到像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ的切换，能够赋予摄像单元10在红外线波长范围的灵敏度。此时，摄像单元10为在可见光以及红外线的波长范围具有灵敏度的状态。
从第2光电变换层64b中含有的第2材料的离子势中减去第1光电变换层64a中含有的第1材料的离子势之差
Figure BDA0001530588350000591
如果大于0.2eV左右以上，则可以获得基于电位差Φ的切换这样的分光灵敏度特性的切换效果。此时，如图21所示，在第2光电变换层64b位于第1光电变换层64a以及对置电极62之间的结构中，只要使对置电极62的电位高于像素电极61即可。
这样一来，第1材料的离子势只要比第2材料的离子势高某个程度以上，则即使第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b之间的阻抗差小的情况下，摄像单元10的分光灵敏度特性可以以电的方式切换。在第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b之间，当然也可以进一步存在使分光灵敏度特性能够以电的方式切换充分大的阻抗差。
有机材料的HOMO能级可以基于例如光电子分光法、光电子收量分光法等求出。另外，LUMO能级可以基于逆光电子分光法确定，或者可以通过从HOMO能级减去吸收光谱末端的能量来求出。
实施例
制作具有与上述的光电变换部PC的例子相同的层叠结构的样品，通过改变偏压来测定外部量子效率，评价了制作的样品中相对于偏压的变化的分光灵敏度特性的变化。样品按照以下的方法来制作。
(实施例1-1)
首先，准备了玻璃基板。接下来，通过真空蒸镀在玻璃基板上依次堆叠表1所示的材料，由此在玻璃基板上形成了下面电极、电子阻挡层、下侧光电变换层、上侧光电变换层以及上面电极的层叠结构。表1也同时显示了形成的各层的厚度。在下侧光电变换层的形成中，共蒸镀了SnNc以及C70。同样地，通过共蒸镀DTDCTB以及C70，形成了上侧光电变换层。在下侧光电变换层的形成以及上侧光电变换层的形成中，调整蒸镀的条件使得SnNc以及C70之间的体积比、以及DTDCTB以及C70之间的体积比为1：1。由此，得到了实施例1-1的样品。
表1
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 DTDCTB:C<sub>70</sub>(1:1) 60
下侧光电变换层 SnNc:C<sub>70</sub>(1:1) 60
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
接下来，将分光计器株式会社制造的分光灵敏度测定装置CEP-25R与下面电极以及上面电极连接，一边改变在下面电极以及上面电极之间施加的偏压，一边测定实施例1-1的样品的外部量子效率。在此，在针对测定对象的光量为一定的状态下，使在上面电极的电位接地时的下面电极的电位变化至-3V、-5V、-8V、-10V以及-11V测定了外部量子效率。这些偏压施加对应于通过在上述光电变换部PC中的像素电极61收集正电荷的结构。即，在本例子中，通过光电变换生成的正电荷向下面电极移动，实施例1-1的样品的下面电极以及上面电极可以分别对应于上述光电变换部PC中的像素电极61以及对置电极62。但是，测定中，为了方便从玻璃基板侧入射光，在此，作为下面电极的材料使用了ITO，作为上面电极的材料使用了Al。
图24示出实施例1-1的样品的外部量子效率的电压依存性。图24所示的各图是使外部量子效率的峰值为1而经归一化的图。需要说明的是，图24以后的关于外部量子效率的电压依存性的各图均是以外部量子效率的峰值为1经归一化的图。
根据图24可知，在施加下面电极的偏压的绝对值小的情况下，换言之，在施加到两个电极之间的电位差小的情况下，在下侧光电变换层中包含的SnNc的吸收峰位置附近的外部量子效率显示较低值。即，红外区域的灵敏度低。与此相对，在上侧光电变换层中包含的DTDCTB显示吸收峰的可见光区域能够获得较高外部量子效率。进一步，根据图24可知，伴随施加至下面电极的偏压的绝对值增加、偏压的绝对值增加，则红外区域的外部量子效率增大。即，明确了依据偏压的大小，对应SnNc的吸收光谱的波长域的灵敏度升高。
例如，在对应于SnNc的吸收峰的波长(870nm附近)下，比较下面电极的电位为-3V时的外部量子效率和下面电极的电位为-11V时的外部量子效率，后者与前者相比为约33.7倍。需要说明的是，在图24中未示出，但在对应于SnNc的吸收峰的波长(870nm附近)，下面电极的电位为-15V时的外部量子效率与下面电极的电位为-3V时的外部量子效率相比为约77.3倍。
接下来，将上侧光电变换层的阻抗和下侧光电变换层的阻抗进行了比较。在阻抗的测定中，使用了在下面电极以及上面电极之间仅具有上侧光电变换层的样品，和在下面电极以及上面电极之间仅具有下侧光电变换层的样品。上侧光电变换层的阻抗的测定中使用的样品的结构为未形成下侧光电变换层以及电子阻挡层，且上侧光电变换层的厚度为200nm，除此之外，与实施例1-1的样品同样。下侧光电变换层的阻抗的测定中使用的样品的结构为未形成上侧光电变换层以及电子阻挡层，且下侧光电变换层的厚度为200nm，除此之外，与实施例1-1的样品同样。阻抗的测定以及分析，使用了“東陽テクニカ”公司制造的ModuLab XM ECS以及Zplot软件。作为动作模式使用Frequency sweep模式，振幅为10mV频率从1Hz变化至1MHz。需要说明的是，以start delay(开始延迟)为5SEC进行了测定。关于上侧光电变换层以及下侧光电变换层，比较了相对于上面电极对下面电极的偏压：-8V，频率：1Hz的阻抗的值。
偏压为-8V、频率为1Hz时的阻抗的值，包含DTDCTB的层即上侧光电变换层为7.5×106Ω，包含SnNc的层即下侧光电变换层为4.2×103Ω。即，上侧光电变换层的阻抗与下侧光电变换层的阻抗相比大1800倍左右。
图25显示了关于实施例1-1的样品，在460nm、540nm、680nm、880nm各波长的外部量子效率和施加的电场之间的关系。图25所示的图横轴显示施加至上面电极以及下面电极之间的偏压，除以上侧光电变换层、下侧光电变换层以及电子阻挡层的厚度的总和的值。即，图25所示的图的横轴对应于施加到上面电极和下面电极之间的电场的大小。
在图25所示的例子中，已知相对于波长为880nm的光的外部量子效率，在小于约4×105V/cm的电场强度下几乎为零，在某个阈值以上，在此为约4×105V/cm以上的电场强度下开始增加。通过向包含具有第1以及第2光电变换层的层叠结构的光电变换结构(例如参照图18)施加充分大的偏压，则能够对在两个光电变换层中具有相对小的阻抗的层施加充分大的偏压。根据图25可知，通过向两个光电变换层中具有相对小的阻抗的层(即，在此为下侧光电变换层)施加充分大的偏压，该层的外部量子效率能够显示较大的值。根据图25可知，460nm、540nm、680nm、880nm的各波长的外部量子效率，在上面电极以及下面电极之间的电场的大小为约9×105V/cm以上显示饱和的倾向。
(参考例1)
在下侧光电变换层以及上侧光电变换层之间设置了包含SnNc以及DTDCTB的混合层，除此之外，与实施例1-1的样品基本同样地制作了参考例1的样品。下述表2显示参考例1的样品的各层的材料以及厚度。混合层通过将SnNc、DTDCTB以及C70三种材料进行共蒸镀形成。在混合层的形成中，调整蒸镀的条件使得SnNc、DTDCTB以及C70之间的体积比为1:1:8。另外，在下侧光电变换层的形成以及上侧光电变换层的形成中，调整蒸镀的条件使得SnNc以及C70之间的体积比、以及DTDCTB以及C70之间的体积比为1:4。
表2
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 DTDCTB:C<sub>70</sub>(1:4) 50
混合层 SnNc:DTDCTB:C<sub>70</sub>(1:1:8) 20
下侧光电变换层 SnNc:C<sub>70</sub>(1:4) 50
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
针对参考例1的样品，与实施例1-1的样品同样，测定了外部量子效率的电压依存性。图26显示参考例1的样品的外部量子效率的电压依存性。
如图26所示，就参考例1的样品而言，与实施例1-1的样品同样地，通过增加施加至下面电极的偏压的绝对值，包含在下侧光电变换层中的SnNc的吸收峰位置附近(870nm附近)的外部量子效率增大。根据图26可知，即使针对在具有第1以及第2光电变换层的层叠结构中的这些光电变换层之间，设置了包含第1材料以及第2材料两者的混合层的结构，也能够获得得到通过偏压的切换来灵敏度调制的效果。
(实施例1-2)
除作为用于形成下侧光电变换层的材料使用了ClAlPc以及C70之外，与实施例1-1的样品同样地，制作了实施例1-2的样品。在下侧光电变换层的形成中，调整蒸镀的条件使得ClAlPc以及C70之间的体积比为1:9。下述表3显示实施例1-2的样品的各层的材料以及厚度。
表3
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 DTDCTB:C<sub>70</sub>(1:9) 60
下侧光电变换层 ClAlPc:C<sub>70</sub>(1:1) 60
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
(比较例1)
除了调整蒸镀的条件，使得ClAlPc以及C70之间的体积比、以及DTDCTB以及C70之间的体积比为1:4之外，与实施例1-2的样品同样地，制作了比较例1的样品。下述表4显示比较例1的样品的各层的材料以及厚度。
表4
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 DTDCTB:C<sub>70</sub>(1:4) 60
下侧光电变换层 ClAlPc:C<sub>70</sub>(1:4) 60
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
针对实施例1-2以及比较例1的样品，与实施例1-1的样品同样，测定了外部量子效率的电压依存性。图27以及图28分别显示实施例1-2以及比较例1的样品的外部量子效率的电压依存性。
如图27所示，就实施例1-2的样品而言，伴随施加至两个电极之间的电场强度的增大，红外区域的外部量子效率增大。即，就实施例1-2的样品而言，通过增加施加至下面电极的偏压的绝对值，下侧光电变换层中包含的ClAlPc的吸收峰位置附近(750nm附近)的外部量子效率增加。换言之，通过红外区域的偏压的切换产生灵敏度的调制。例如，在对应于ClAlPc的吸收峰的波长中，比较了下面电极的电位为-1V时的外部量子效率，和下面电极的电位为-5V时的外部量子效率，后者为前者的约6.55倍。与此相对，如图28所示可知，就比较例1的样品而言，即使改变施加至下面电极的偏压，也没有观察到外部量子效率的图发生较大变化，在红外区域，不会产生基于偏压切换的灵敏度的调制。
接下来，与实施例1-1同样，针对实施例1-2的样品以及比较例1的样品，分别制作了在下面电极以及上面电极之间仅具有上侧光电变换层的样品，以及在下面电极以及上面电极之间仅具有下侧光电变换层的样品，测定了上侧光电变换层的阻抗以及下侧光电变换层的阻抗。测定对象的样品的上侧光电变换层以及下侧光电变换层的厚度均为200nm。下述表5显示阻抗的测定结果。需要说明的是，下面显示的阻抗的值均为相对于上面电极下面电极的偏压为-8V、频率为1Hz时的值。
表5
Figure BDA0001530588350000641
如表5所知，在比较例1的样品中，上侧光电变换层的阻抗为下侧光电变换层的阻抗的3倍左右大小，就实施例1-2的样品而言，上侧光电变换层的阻抗与下侧光电变换层的阻抗相比大190倍左右。在比较例1的样品中，未观察到基于偏压切换的灵敏度的调制，与此相对，在实施例1-2的样品中，观察到基于偏压切换的灵敏度的调制，认为这是由于扩大了上侧光电变换层以及下侧光电变换层之间的阻抗差。
需要说明的是，实施例1-1以及实施例1-2的样品中用于上侧光电变换层形成的DTDCTB的离子势为5.6eV左右。实施例1-1的样品中用于下侧光电变换层的形成的SnNc、以及实施例1-2的样品中用于下侧光电变换层的形成的ClAlPc的离子势分别为5.0eV以及5.5eV。因此，在实施例1-1以及实施例1-2的样品中，在下侧光电变换层以及上侧光电变换层之间未形成相对于空穴的势垒。由此可知认为，层叠结构中的两个光电变换层之间的阻抗差如果在某个程度以上，则不存在相对于空穴的势垒，能得到基于偏压切换的灵敏度调制。
(实施例2-1)
除了作为用于形成上侧光电变换层的材料使用了SnNc以及C70，作为用于形成下侧光电变换层的材料使用了红荧烯以及C70之外，基本与实施例1-1同样，制作了实施例2-1的样品。进行调整使得SnNc以及C70之间的体积比、以及红荧烯以及C70之间的体积比为1:4。下述表6示出实施例2-1的样品的各层的材料以及厚度。如表6所示可知上侧光电变换层以及下侧光电变换层的厚度均为200nm。
表6
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 SnNc:C<sub>70</sub>(1:4) 200
下侧光电变换层 红荧烯:C<sub>70</sub>(1:4) 200
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
(比较例2-1)
除了作为用于形成上侧光电变换层的材料使用红荧烯以及C70，作为用于形成下侧光电变换层的材料使用了SnNc以及C70之外，与实施例2-1同样，制作了比较例2-1的样品。即，比较例2-1的样品具有实施例2-1的样品的上侧光电变换层和下侧光电变换层相互替换的结构。下述表7显示比较例2-1的样品的各层的材料以及厚度。
表7
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 红荧烯:C<sub>70</sub>(1:4) 200
下侧光电变换层 SnNc:C<sub>70</sub>(1:4) 200
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
针对实施例2-1以及比较例2-1的样品，与实施例1-1的样品同样，测定了外部量子效率的电压依存性。图29以及图30分别显示实施例2-1以及比较例2-1的样品的外部量子效率的电压依存性。
如图29中利用虚线的圆S所示，就实施例2-1的样品而言，伴随向两个电极的间施加的电场强度增大，红外区域的外部量子效率增大。在本例子中，施加至下面电极的偏压小于-5V附件时在红外区域生成了充分的灵敏度。即，就实施例2-1的样品而言，伴随施加至下面电极的偏压的绝对值的增大，下侧光电变换层包含的SnNc的吸收峰位置附近的外部量子效率增大。例如，在对应于SnNc的吸收峰的波长(870nm附近)，将下面电极的电位为-3V时的外部量子效率和下面电极的电位为-10V时的外部量子效率进行比较，后者为前者的4.27倍。
与此相对，如图30所示，就比较例2-1的样品而言，通过施加至两个电极之间的电场强度的增大，红外区域的外部量子效率和可见光区域的外部量子效率两者增大。即，就比较例2-1的样品而言，通过偏压的切换，未产生红外区域的特异的灵敏度的调制。
接下来，与实施例1-1同样，针对实施例2-1的样品以及比较例2-1的样品，分别制作了在下面电极以及上面电极之间仅具有上侧光电变换层的样品，和在下面电极以及上面电极之间仅具有下侧光电变换层的样品，测定了上侧光电变换层的阻抗以及下侧光电变换层的阻抗。测定对象的样品的上侧光电变换层以及下侧光电变换层的厚度均为200nm。下述表8显示阻抗的测定结果。
表8
Figure BDA0001530588350000671
如表8所示，比较例2-1的样品的上侧光电变换层的阻抗小于下侧光电变换层的阻抗。另一方面，就实施例2-1的样品而言，上侧光电变换层的阻抗大于下侧光电变换层的阻抗。但是，上侧光电变换层的阻抗相对于下侧光电变换层的阻抗之比为1.1倍左右，在下侧光电变换层以及上侧光电变换层之间在阻抗方面未观察到较大差异。
在此，如果关注红荧烯以及SnNc的离子势，则红荧烯的离子势为5.35eV，SnNc的离子势为5.0eV。因此，就实施例2-1的样品而言，如果观察向下面电极移动的正电荷，则在红荧烯的HOMO能级和SnNc的HOMO能级之间存在0.35eV的势垒(参照图21)。另一方面，就比较例2-1的样品而言，如果观察向下面电极移动的正电荷，则在红荧烯的HOMO能级和SnNc的HOMO能级之间存在障碍。在比较例2-1的样品中未观察到红外区域的特异的灵敏度的调制，实施例2-1的样品未观察到红外区域的特异的灵敏度的调制的原因推测为在两个光电变换层之间，形成了相对于空穴的势垒。
(实施例2-2)
通过在玻璃基板上通过真空蒸镀依次堆叠如下述表9所示的材料，制作了实施例2-2的样品。就下侧光电变换层的形成而言，共蒸镀ClAlPc以及C60，就上侧光电变换层的形成而言，共蒸镀α-6T以及C70。在下侧光电变换层的形成中，调整蒸镀的条件使得ClAlPc以及C60之间的体积比为1:4，在上侧光电变换层的形成中，调整蒸镀的条件使得α-6T以及C70之间的体积比为1:1。
表9
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 α-6T:C<sub>70</sub>(1:1) 60
下侧光电变换层 ClAlPc:C<sub>60</sub>(1:4) 60
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
图31显示关于实施例2-2的样品的能量图。如图31所示，ClAlPc以及α-6T的离子势分别为5.5eV以及5.3eV，就实施例2-2的样品而言，在ClAlPc的HOMO能级和α-6T的HOMO能级之间形成了0.2eV的势垒。
针对实施例2-2的样品，与实施例1-1的样品同样，测定了外部量子效率的电压依存性。图32显示实施例2-2的样品的外部量子效率的电压依存性。如图32所示，就实施例2-2的样品而言，伴随施加至下面电极的偏压的绝对值的增大，α-6T的吸收峰位置附近(440nm附近)的外部量子效率增大。换言之，可见光区域的外部量子效率增大。即，在本例子中，在可见光区域得到了基于偏压切换的灵敏度调制的效果。
(比较例2-2)
除了相互替换用于形成上侧光电变换层的材料以及用于形成下侧光电变换层的材料之外，与实施例2-2同样地，制作了比较例2-2的样品。下述表10显示比较例2-2的样品的各层的材料以及厚度。
表10
层 材料 厚度(nm)
上面电极 Al 80
上侧光电变换层 ClAlPc:C<sub>60</sub>(1:4) 60
下侧光电变换层 α-6T:C<sub>70</sub>(1:1) 60
电子阻挡层 CZBDF 10
下面电极 ITO 150
图33显示关于比较例2-2的样品的能量图。如图33可知，在本例子中，在ClAlPc的HOMO能级以及α-6T的HOMO能级之间，未形成相对于正电荷的势垒。
针对比较例2-2的样品，与实施例1-1的样品同样，测定了外部量子效率的电压依存性。图34显示比较例2-2的样品的外部量子效率的电压依存性。如图34所示，就比较例2-2的样品而言，即使改变施加至下面电极的偏压，在外部量子效率的图中也未观察到较大的变化，未产生基于偏压切换的灵敏度的调制。
根据图29～图34可知，通过构成上侧光电变换层的材料的HOMO能级和构成下侧光电变换层的材料的HOMO能级之间形成相对于正电荷的势垒，能够实现基于偏压切换的灵敏度调制。根据实施例2-2和比较例2-2的比较可知，通过适当地选择层叠结构中两种光电变换层的材料，即使针对可见光区域，也能够实现外部量子效率的特异的增大。
根据实施例2-2和比较例2-2的比较可知，在光电变换结构中的层叠结构所包含的两个光电变换层中，作为与相对为低电位的电极(在本例子中为下面电极)接近的一方的光电变换层的材料，只要使用具有比另一方的光电变换层的材料大0.2eV左右以上的离子势的材料，不限于红外区域，也能够在特定的波长域实现外部量子效率的特异的增大效果。例如，Si(OSiR3)2NC的离子势以及CuPc的离子势分别为5.4eV以及5.2eV，因此，作为第1光电变换层64a所含有的第1材料以及第2光电变换层64b所含有的第2材料如果分别使用Si(OSiR3)2NC以及CuPc，则可以期待在可见光区域生成特异的灵敏度的调制。代替实施例2-2的红荧烯也可以使用CuPc。
需要说明的是，如以上所说明的，参照图36说明的摄像装置100F的光电变换结构66可以由包含作为施主发挥功能的第1材料以及作为受主发挥功能的第2材料至少两种材料的光电变换材料形成。因此，第1光电变换层64a或第2光电变换层64b作为光电变换结构66使用是可能的。或者，如上述参考例1的样品的混合层这样，通过例如将SnNc、DTDCTB以及C70三种材料进行共蒸镀而形成的层可以作为光电变换结构66使用。
通过使用具有这样结构的光电变换结构66，通过改变施加到夹持光电变换结构66的电极之间的电位差的变化，能够将摄像单元20的灵敏度以电的方式变化。因此，例如，通过使对置电极62x以及像素电极61x之间的电位差Φx，以及对置电极62y以及像素电极61y之间的电位差Φy彼此不同，可以一次性地获得用于高动态范围合成的两种图像信号。
(光电变换层的光电流特性的典型例)
进一步，通过将显示如以下说明的光电流特性的光电变换结构用于光电变换部PC或PC2，并且，将像素电极61和对置电极62之间的电位差Φ减小到某个程度，能够抑制经由已经蓄积在电荷蓄积区域的信号电荷的光电变换结构64或光电变换结构66向对置电极62的移动，以及减小电位差后的向电荷蓄积区域的进一步的信号电荷的蓄积。即，通过控制施加至光电变换结构的偏压的大小，能够以电的形式实现快门的功能。因此，例如，不需要在多个摄像单元各自中另外设置转送晶体管等元件，也能够实现全局快门功能。
图35显示本公开的实施方式的光电变换结构所具有的典型的光电流特性。图35中，粗实线的图形显示在光照射的状态下的光电变换结构的示例性的I-V特性。需要说明的是，在图35中，未照射光的状态下的I-V特性的一个例子也通过粗虚线来一起显示。
图35显示在一定的照度下，改变施加至光电变换结构(光电变换结构64、64a、64b或66)的两个主面之间的偏压时的主面间的电流密度的变化。在本说明书中，偏压的顺方向以及逆方向如下定义。在光电变换结构具有层状的p型半导体以及层状的n型半导体的结构造的情况下，与n型半导体层相比，p型半导体层的电位升高这样的偏压定义为顺方向偏压。另一方面，与n型半导体层相比，p型半导体层的电位降低这样的偏压定义为逆方向偏压。在使用了有机半导体材料的情况下，与使用了无机半导体材料的情况同样地，可以定义顺方向以及逆方向。在光电变换结构具有本体异质结结构的情况下，如上述日本专利第5553727号公报的图1示意地所示，在与电极对置、本体异质结结构的两个主面中的一方的表面上与n型半导体相比，出现更多p型半导体，在另一方的表面上与p型半导体相比，出现更多n型半导体。因此，与n型半导体相比出现更多p型半导体的主面侧的电位，比与p型半导体相比出现更多n型半导体的主面侧的电位高这样的偏压可以定义为顺方向的偏压。
如图35所示，例如光电变换结构64A的光电流特性大致上通过第1～第3三个电压范围来定义。第1电压范围为逆偏压的电压范围，伴随逆方向偏压的增加输出电流密度的绝对值增加的电压范围。第1电压范围也称为随着施加至光电变换结构的主面间的偏压的增加，光电流增加的电压范围。第2电压范围为顺偏压的电压范围，伴随顺方向偏压的增大输出电流密度增大的电压范围。即，第2电压范围为伴随施加至光电变换结构的主面间的偏压的增加，顺方向电流增加的电压范围。第3电压范围为第1电压范围和第2电压范围之间的电压范围。
第1～第3的电压范围通过使用了线性的纵轴以及横轴时的光电流特性的图的斜率能够区分。为了参考，在图35中，第1电压范围以及第2电压范围各自的图的平均斜率分别通过虚线L1以及虚线L2表示。如图35所示，第1电压范围、第2电压范围以及第3电压范围的相对于偏压的增加的输出电流密度的变化率彼此不同。第3电压范围定义为：相对于偏压的输出电流密度的变化率小于第1电压范围的变化率以及第2电压范围的变化率的电压范围。或者，可以基于显示I-V特性的图中升高或下降的位置，确定第3电压范围。第3电压范围典型地为大于-1V且小于+1V的电压范围。在第3电压范围下，即使改变偏压，光电变换结构的主面间的电流密度也基本不变化。如图35所示出的，在第3电压范围中，电流密度的绝对值典型地为100μA/cm2以下。
例如通过切换由电压供给电路41施加至第1电压线31的电压，来调整像素电极61的电位，信号蓄积期间开始时的像素电极61以及对置电极62之间的电位差，换言之，施加至光电变换结构的主面间的偏压能够在上述第3电压范围内。通过使施加至光电变换结构的主面间的偏压在上述第3电压范围内，能够在光电变换结构和电极之间实现实质上没有电荷的相互作用的状态。即，可以实现电快门。
产业上的可利用性
本公开的摄像装置可以适用于例如图像传感器，尤其是对于以高速移动的对象的摄影有用。本公开的摄像装置可以用于以数字照相机、医疗用照相机、机器人用照相机为代表的机器视觉用照相机等。机器视觉用照相机可以用于例如，利用图像识别进行生产工厂中的生产物的状态的判断、分类或者不良品的检测等的输入。通过适当选择光电变换结构的材料、施加至第1电压线的电压，利用红外线也可以获得图像，因此本公开的实施方式对于安全照相机、搭载在车辆中使用的照相机等也是有用的。车辆搭载用照相机可以作为例如，为了车辆安全行驶的、相对于控制装置的输入而利用。或者，可以利用作为用于车辆安全形式的、操作者的支援。红外图像能够用于例如距离检测、物体识别等传感。
符号说明
10、10x、10y 摄像单元
20、20x、20y 摄像单元
10Ax～10Ex 摄像单元
10Ay～10Fy 摄像单元
21 信号检测晶体管
22、22a 复位晶体管
22b 反馈晶体管
25x～25z 电容元件
31 第1电压线
32 第2电压线
34 垂直信号线
35、35a、35b 蓄积控制线
41 (第1)电压供给电路
42 (第2)电压供给电路
49x、49y 反相放大器
50 半导体基板
50ax～50ex 杂质区域
54x、54y 连接部
61、61x、61y 像素电极
62、62x、62xs、62y、62ys 对置电极
64、64x、64y、64a、64b 光电变换结构
64a 第1光电变换层
64b 第2光电变换层
66、66x、66y 光电变换结构
80 减法电路
100、100A～100F、100T 摄像装置
CDx、CDy 电荷检测部
FCx2、FCy2、FCy3 反馈电路
FDx、FDy 电荷蓄积节点
PC、PCx、PCy 光电变换部
PC2、PC2x、PC2y 光电变换部
RSx1、RSx2、RSy1、RSy2、RSy3 复位电路
64eb 电子阻挡层
64hb 空穴阻挡层
64m 混合层

Claims (14)

1.一种摄像装置，其具备：
第1摄像单元；
第2摄像单元；以及
电压供给电路，
所述第1摄像单元包含：
第1光电变换部，包含第1像素电极、第1对置电极、所述第1像素电极以及所述第1对置电极之间的第1光电变换层，并且通过光电变换生成第1信号电荷；以及
第1电荷检测电路，与所述第1像素电极连接，对所述第1信号电荷进行检测；
所述第2摄像单元包含：
第2光电变换部，包含第2像素电极、第2对置电极、所述第2像素电极以及所述第2对置电极之间的第2光电变换层，并且通过光电变换生成第2信号电荷；以及
第2电荷检测电路，与所述第2像素电极连接，对所述第2信号电荷进行检测；
所述电压供给电路供给电压，使得在第一帧期间内，所述第1摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第1像素电极和所述第1对置电极之间的电位差，以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间的开始时间点的所述第2像素电极和所述第2对置电极之间的电位差彼此不同。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含源极以及漏极中的一方与所述第1像素电极连接的第1复位晶体管，
所述第2电荷检测电路包含源极以及漏极中的一方与所述第2像素电极连接的第2复位晶体管，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1复位晶体管的所述源极以及所述漏极中的另一方供给第1电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2复位晶体管的所述源极以及所述漏极中的另一方供给与所述第1电压不同的第2电压。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，还具备；
具有第1反相输入端子、第1非反相输入端子、以及第1输出端子的第1反相放大器，
具有第2反相输入端子、第2非反相输入端子、以及第2输出端子的第2反相放大器，
所述第1电荷检测电路包含：
第1复位晶体管，该第1复位晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1像素电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述第1输出端子电连接；以及
第1信号检测晶体管，该第1信号检测晶体管的栅极与所述第1像素电极连接，源极以及漏极中的一方与所述第1反相输入端子电连接，
所述第2电荷检测电路包含：
第2复位晶体管，该第2复位晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第2像素电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述第2输出端子电连接；以及
第2信号检测晶体管，该第2信号检测晶体管的栅极与所述第2像素电极连接，源极以及漏极中的一方与所述第1反相输入端子电连接，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1非反相输入端子供给第1电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2非反相输入端子供给与所述第1电压不同的第2电压。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含一端与所述第1像素电极连接的第1电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第1电容元件的另一端供给第1电压，
在所述第1摄像单元的复位期间，向所述第1电容元件的另一端供给与所述第1电压不同的第2电压。
5.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，
所述第2电荷检测电路包含一端与所述第2像素电极连接的第2电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第2摄像单元的所述电荷蓄积期间，向所述第2电容元件的另一端供给第3电压，
在所述第2摄像单元的复位期间，向所述第2电容元件的另一端供给与所述第3电压不同的第4电压。
6.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1电荷检测电路包含一端与所述第1像素电极连接的第1电容元件，
所述第2电荷检测电路包含一端与所述第2像素电极连接、且具有与所述第1电容元件的电容值不同的电容值的第2电容元件，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元以及所述第2摄像单元的电荷蓄积期间，向所述第1电容元件的另一端以及所述第2电容元件的另一端供给第1电压，
在所述第1摄像单元以及所述第2摄像单元的复位期间，向所述第1电容元件的另一端以及所述第2电容元件的另一端供给与所述第1电压不同的第2电压。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1对置电极以及所述第2对置电极为连续的单一的电极。
8.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1对置电极和所述第2对置电极相互电连接。
9.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
在所述第一帧期间内，所述电压供给电路，
在所述第1摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第1对置电极供给第1电压，
在所述第2摄像单元的所述电荷蓄积期间向所述第2对置电极供给与所述第1电压不同的第2电压。
10.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层是连续的单一的光电变换层。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层分别包括相互层叠的第1层以及第2层，
所述第1层的阻抗大于所述第2层的阻抗。
12.根据权利要求1～10中任一项所述的摄像装置，其中，
所述第1光电变换层以及所述第2光电变换层分别包括相互层叠的第1层以及第2层，
所述第1层包含第1材料，
所述第2层包含第2材料，
所述第1材料的离子势比所述第2材料的离子势大0.2eV以上。
13.根据权利要求11所述的摄像装置，其中，
所述第1层包含第1材料，
所述第2层包含第2材料，
所述第1材料以及所述第2材料为电子施与性分子。
14.根据权利要求12所述的摄像装置，其中，
所述第1材料以及所述第2材料为电子施与性分子。
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