CN108391068B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明能够抑制摄像单元内的电路的复杂化，并且可以提高摄影时的灵活性。本公开的摄像装置，其包括：摄像单元，包括光电变换部和电荷检测电路，所述光电变换部包含：第1电极；第2电极；以及所述第1电极和所述第2电极之间的光电变换层，并且通过光电变换生成信号电荷，所述电荷检测电路与所述第1电极连接，并检测所述信号电荷；信号线，与所述第1电极电结合；以及电压供给电路，选择性地向所述信号线供给第1电压、以及与所述第1电压不同的第2电压。

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)。专利文献1中记载的固体摄像装置具有包含下部电极、上部透明电极、以及夹持在它们之间的光电变换膜的光电变换元件。通过光电变换元件生成、由下部电极收集的信号电荷在电荷蓄积节点中蓄积。在电荷蓄积节点中蓄积的信号电荷以像素信号的形式被垂直信号线读出。为了参考，将专利文献1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2014/002367号
发明内容
发明要解决的问题
提供一种可以抑制摄像单元内的电路的复杂化，同时提高了摄影时的灵活性的摄像装置。
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，其包括：摄像单元，所述摄像单元包括：光电变换部和电荷检测电路，所述光电变换部包括：第1电极、第2电极、所述第1电极以及所述第2电极之间的光电变换层，并且通过光电变换生成信号电荷，所述电荷检测电路与所述第1电极连接，并检测所述信号电荷；以及与所述第1电极电结合的信号线，选择性地向所述信号线供给第1电压，以及与所述第1电压不同的第2电压的电压供给电路。
包含性或具体性的技术方案也可以由元件、装置、模块、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、模块、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
提供了摄影时的灵活性提高的摄像装置。
附图说明
图1为示出本公开的实施方式的摄像装置的示例性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为示出第1信号线31以及像素电极61的电结合的第1例子的图。
图4为用于说明在图2所示的摄像装置100A中适用了卷帘快门时的动作的一个例子的图。
图5A为示意地示出针对每个像素阵列PA的行将复位电压VRST在电压VH以及电压VL之间切换时的为彼此灵敏度不同的状态的摄像单元10A的配置的图。
图5B为示意地示出相对于像素阵列PA所包含的摄像单元10A的全部将复位电压VRST在电压VH以及电压VL之间切换时的灵敏度变更的摄像单元10A的配置的图。
图6为示意地示出能够以摄像单元单位控制写入像素电极61的电压的结构的概况的图。
图7为示出沿行方向以及列方向，写入像素电极61的电压彼此不同的摄像单元混合存在的例子的图。
图8为示出选择电路43的具体的结构的一个例子的图。
图9为示出选择电路43的具体的结构的另一个例子的图。
图10为示出摄像单元10A的示例性装置结构的示意剖面图。
图11为示出本公开的第1实施方式的摄像装置的另外示例性电路结构的图。
图12为示出取出像素阵列PA中的摄像单元10B的1个的电路结构的概况的图。
图13为示出包含具有反馈电路FC的摄像单元10B的摄像装置的电路结构的另外的例子的图。
图14为示出本公开的第2实施方式的摄像装置的摄像单元的示例性电路结构的图。
图15为示出本公开的第3实施方式的摄像装置的示例性电路结构的图。
图16为示出取出像素阵列PA中的摄像单元10C的1个的电路结构的概况的图。
图17为示出摄像单元的电路结构的变形例的图。
图18为示出本公开的第4实施方式的摄像装置的摄像单元的示例性电路结构的图。
图19为用于说明适用了图18所示的摄像单元10E的摄像装置的动作的一个例子的图。
图20为示出本公开的第5实施方式的摄像装置的像素阵列的示例性电路结构的图。
图21为示出本公开的第6实施方式的摄像装置的像素阵列的示例性电路结构的图。
图22为示出本公开的第6实施方式的摄像装置的像素阵列的变形例的图。
图23为用于说明适用了图21所示的摄像单元10Ex以及10Gy的摄像装置的动作的一个例子的图。
图24为具有本公开的实施方式的摄像装置的示例性摄像模块的功能框图。
图25为示出光电变换部的一个例子的示意剖面图。
图26为示出能够适用于光电变换层的材料的一个例子的图。
图27为示出光电变换部的其它例子的示意剖面图。
图28为光电变换部的另外的结构例的能量图。
图29为示出CZBDF的化学式的图。
图30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31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32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33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34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35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36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37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38为关于实施例2-2的样品的能量图
图39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40为关于比较例2-2的样品的能量图。
图41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42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。
具体实施方式
(本申请发明人的见解)
就上述专利文献1所记载的固体摄像装置而言，在操作时，向上部透明电极施加正的偏压。由此，接受光的入射通过光电变换膜产生的电子以及空穴中的一方即空穴通过下部电极收集并作为信号电荷利用。本申请的发明人着眼于通过光电变换生成的电荷，按照对应于向夹持光电变换膜的电极之间施加的电位差的电场在光电变换膜内移动这点。由此，本申请的发明人发现能够响应于施加至上部透明电极的偏压，改变收集信号电荷的效率(换言之，灵敏度)。
就专利文献1中记载的固体摄像装置而言，例如如专利文献1中的图3A所示，施加了偏压的上部透明电极，在构成固体摄像装置的像素部的多个单位像素单元之间共用地设置在光电变换膜上。即，施加至各单位像素单元的上部透明电极的偏压是共同的。为此，如果改变施加至上部透明电极的偏压，则全部的单位像素单元的灵敏度会跟随偏压而变化，无法选择性地改变一部分的单位像素单元的灵敏度。例如，无法实现位于单位像素单元的阵列的某个行的单位像素单元的灵敏度，相对于位于另一行的单位像素单元的灵敏度选择性地升高、或者降低。
在摄像装置领域，在动态范围大的场景的摄影等中，存在希望选择性地改变一部分的单位像素单元的灵敏度这样的要求。例如，在对包含释放强光的被照射体的场景进行摄影的情况下，如果单纯地进行摄影，则图像中会产生泛白。如果降低单位像素单元的灵敏度，则虽然可以抑制泛白，但图像整体的亮度下降，图像中有时会出现涂黑。已知了如下被称为“高动态范围合成”的技术，即改变灵敏度进行摄影，则通过合成在彼此灵敏度不同的状态得到的多个的图像形成没有泛白以及涂黑的图像。但是，在这样的现有技术中，在彼此灵敏度不同的状态下得到的多个图像的摄影的定时不一致。因此，例如在对包含以高速移动的物体的场景的摄影时有时会存在不适当的情况。
如果通过一次摄影获得响应于彼此不同的灵敏度的多个图像信号是有益的。尤其是，能够选择性地改变一部分单元的灵敏度是有益的。例如，能够以多个摄像单元的行单位或摄像单元的单位来改变摄像单元的灵敏度也是有益的。本申请的发明人鉴于上述进行了研究，从而获得了本申请发明。
(实施方式的概述)
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，具备：
摄像单元，包括光电变换部和电荷检测电路，所述光电变换部包含：第1电极；第2电极；以及所述第1电极和所述第2电极之间的光电变换层，并且通过光电变换生成信号电荷，所述电荷检测电路与所述第1电极连接，并检测所述信号电荷；
信号线，与所述第1电极电结合；以及
电压供给电路，选择性地向所述信号线供给第1电压、以及与所述第1电压不同的第2电压。
[项目2]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
所述电荷检测电路包含：
第1晶体管，该第1晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述信号线连接。
[项目3]
根据项目2所述的摄像装置，
还具备：
选择电路，与第1控制线、以及第2控制线连接，
所述选择电路基于所述第1控制线的电压、以及第2控制线的电压，切换所述第1晶体管的接通和断开。
[项目4]
根据项目1所述的摄像装置，
还具备：
反相放大器，具有反相输入端子、非反相输入端子、以及输出端子，
所述电荷检测电路包括：
第1晶体管，该第1晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述输出端子电连接；以及
第2晶体管，该第2晶体管的栅极与所述第1电极连接，源极以及漏极中的一方与所述反相输入端子电连接，
所述信号线与所述非反相输入端子连接。
[项目5]
根据项目1所述的摄像装置，其中，
所述电荷检测电路包含一个端子与所述第1电极连接、另一个端子与所述信号线连接的第1电容元件。
[项目6]
根据项目5所述的摄像装置，其中，
所述电压供给电路，
在第一帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第1电压，
在所述第一帧期间内的电荷蓄积期间，向所述信号线供给所述第2电压。
[项目7]
根据项目2～4中任一项所述的摄像装置，其中，
所述电压供给电路，
在第一帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第1电压，
在与所述第一帧期间不同的第二帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第2电压。
[项目8]
根据项目5所述的摄像装置，其中，
所述电压供给电路，
在第一帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第1电压，
在与所述第一帧期间不同的第二帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第2电压。
[项目9]
根据项目1～8中任一项所述的摄像装置，其中，
所述光电变换层包含相互层叠的第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10]
根据项目1～8中任一项所述的摄像装置，其中，
所述光电变换层包含相互层叠的第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11]
项目9或10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12]
一种摄像装置，其为具有1个以上摄像单元的摄像装置，
摄像装置具备：半导体基板，以及与第1信号线连接的第1电压供给电路，
1个以上的摄像单元分别具有：
光电变换部，由半导体基板支持，所述光电变换部包含：第1电极、设置在与第1电极相比远离半导体基板的第2电极、夹持在第1电极以及第2电极之间的光电变换结构；
电荷检测部，包含与第1电极连接的第1晶体管；
光电变换部的第1电极与第1信号线电结合，
第1电压供给电路在相互不同的定时向第1信号线至少施加第1电压以及与第1电压绝对值不同的第2电压。
根据项目12的结构，可以切换施加至第1信号线的电压，通过切换施加至第1信号线的电压，能够改变摄像单元的灵敏度。
[项目13]
项目12所述的摄像装置，其中，
第1电极与电荷检测部的第1晶体管的栅极连接。
根据项目13的结构，信号电荷的非破坏性读出成为可能。
[项目14]
根据项目13所述的摄像装置，其中，
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2晶体管的复位电路。
[项目15]
根据项目14所述的摄像装置，其中，
第2晶体管的源极以及漏极中的另一方与第1信号线连接。
根据项目15的结构，可以使用由第1电压供给电路向第1信号线施加的电压将电荷蓄积节点的电位复位到规定电压电平。
[项目16]
根据项目15所述的摄像装置，其中，
1个以上摄像单元为多个摄像单元，
多个摄像单元沿第1方向以及与第1方向不同的第2方向呈二维设置，
摄像装置还具备在第1方向上延伸的多个第2信号线，以及在第2方向上延伸的多个第3信号线，
各摄像单元具有选择电路，该选择电路根据多个第2信号线中对应的1个的电压电平、和多个第3信号线中对应的1个的电压电平，切换第2晶体管的接通以及断开。
根据项目16的结构，可以选择像素阵列中的任意位置的摄像单元，改变选择的摄像单元的第1电极的电位。
[项目17]
根据项目14所述的摄像装置，其中
复位电路包含使在光电变换部产生的电信号负反馈的反馈电路，
反馈电路包含反相放大器，该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，且输出端子与第2晶体管的源极以及漏极中的另一方电连接，
反相放大器的非反相输入端子与第1信号线连接。
根据项目17的结构，可以使用由第1电压供给电路向第1信号线施加的电压将电荷蓄积节点的电位复位到规定的电压电平，进一步，利用负反馈可以消除随机噪音的影响。
[项目18]
根据项目14所述的摄像装置，其中，
电荷检测部包括在第1电极和第1信号线之间连接的电容电路，
电容电路具有第1电容元件，
光电变换部的第1电极经由第1电容元件与第1信号线电结合。
根据项目18的结构，可以不向蓄积在电荷蓄积节点的电荷量施加影响而通过施加至第1信号线的电压的变化来改变第1电极的电位。因此，作为例如在电荷蓄积期间向第1信号线施加的电压，在复位期间，可以使用与施加至第1信号线的电压不同的电压。
[项目19]
根据项目18所述的摄像装置，其中，
第1电压供给电路在帧期间中，在电荷蓄积期间向第1信号线施加第1电压，在电荷蓄积期间之外的期间向第1信号线施加第2电压。
根据项目19的结构，可以在电荷蓄积期间暂时地升高或降低第1电极的电位。由于在电荷蓄积期间开始时的第1电极以及第2电极之间的电位差缩小或扩大，因此通过切换施加至第1信号线的电压改变摄像单元的灵敏度。
[项目20]
根据项目18或19所述的摄像装置，其中，
1个以上的摄像单元包含第1摄像单元以及第2摄像单元。
[项目21]
根据项目20所述的摄像装置，其中，
复位电路包含使在光电变换部产生的电信号负反馈的反馈电路，
反馈电路包含反相放大器，该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，且输出端子与第2晶体管的源极以及漏极中的另一方电连接，
第1摄像单元的第1电容元件在第1信号线和第1摄像单元的第1电极之间连接。
根据项目21的结构，可以在使施加至第1信号线的电压共用的同时，使第1电极以及第2电极之间的电位差的变化在第1摄像单元以及第2摄像单元之间不同。
[项目22]
根据项目21所述的摄像装置，其中，
第2摄像单元的第1电容元件在第1信号线和第2摄像单元的第1电极之间连接。
根据项目22的结构，可以在使施加至第1信号线的电压共用的同时，使第1电极以及第2电极之间的电位差的变化在第1摄像单元以及第2摄像单元之间不同。
[项目23]
根据项目23所述的摄像装置，其中，
第1摄像单元的反馈电路还包括在第2晶体管的源极以及漏极中的另一方和反相放大器的输出端子之间连接的第3晶体管，
第1摄像单元的电容电路还包括一个电极与第1摄像单元的第1电极连接、另一个电极与第2晶体管的源极以及漏极中的另一方连接的第2电容元件，
第2电容元件的电容值小于第1摄像单元的第1电容元件的电容值。
根据项目23的结构，可以缩小施加至第1信号线的电压的变化对于第1电极以及第2电极之间的电位差施加的影响。另外，可以更有效地降低随机噪音。
[项目24]
根据项目22或23所述的摄像装置，其中，
第1电容元件的电容值在第1摄像单元以及第2摄像单元之间不同。
根据项目24的结构，可以在使施加至第1信号线的电压共用的同时，使第1电极以及第2电极之间的电位差的变化在第1摄像单元以及第2摄像单元之间不同。
[项目25]
根据项目12～24中任一项所述的摄像装置，其还具备：
与第2电极连接的第2电压供给电路，
第2电压供给电路在彼此不同的两个电荷蓄积期间之间的定时，使施加至第2电极的电压在第3电压以及绝对值与第3电压不同的第4电压之间切换。
根据项目25的结构，可以在使施加至第1信号线的电压共用的同时，在彼此不同的帧期间中包含的两个电荷蓄积期间之间使第1电极以及第2电极之间的电位差不同。
[项目26]
根据项目20～25中任一项所述的摄像装置，其中，
第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极为彼此电分离，
摄像装置还具备与第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极连接的第2电压供给电路，
第2电压供给电路向第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极各自独立地施加彼此绝对值不同的电压。
根据项目26的结构，可以使在电荷蓄积期间向光电变换结构施加的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目27]
根据项目15所述的摄像装置，其中，
1个以上的摄像单元包含第1摄像单元以及第2摄像单元，
第1电压供给电路，通过在第1定时将第1电压施加至第1信号线，向第1摄像单元的第2晶体管供给第1电压，通过在第2定时将第2电压施加至第1信号线，向第2摄像单元的第2晶体管供给第2电压。
根据项目27的结构，可以使施加至光电变换结构的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目28]
根据项目17所述的摄像装置，其中，
1个以上的摄像单元包含第1摄像单元以及第2摄像单元，
第1电压供给电路，通过在第1定时将第1电压施加至第1信号线，向第1摄像单元的反相放大器供给第1电压，通过在第2定时将第2电压施加至第1信号线，向第2摄像单元的反相放大器供给第2电压。
根据项目28的结构，可以使施加至光电变换结构的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目29]
一种摄像装置，其为具有1个以上的摄像单元的摄像装置，
摄像装置具备：半导体基板，以及电压供给电路，
1个以上的摄像单元分别包含第1摄像单元以及第2摄像单元，所述第1摄像单元以及第2摄像单元具有：
光电变换部，由半导体基板支持，所述光电变换部包含：第1电极、设置在与第1电极相比远离半导体基板的第2电极、夹持在第1电极以及第2电极之间的光电变换结构；以及
电荷检测部，其包含与第1电极连接的第1晶体管，
第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极为彼此电分离，
电压供给电路与第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极连接，
电压供给电路向第1摄像单元的第2电极以及第2摄像单元的第2电极各自独立地施加彼此绝对值不同的电压。
根据项目29的结构，可以使施加至光电变换结构的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目30]
根据项目20～29中任一项所述的摄像装置，其中，
在某个电荷蓄积期间开始时施加至第1摄像单元的第1电极以及第2电极之间的电位差，与在某个电荷蓄积期间开始时施加至第2摄像单元的第1电极以及第2电极之间的电位差彼此不同。
[项目31]
根据项目12～30中任一项所述的摄像装置，其中，
光电变换结构包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构，
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31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，可以改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
[项目32]
根据项目12～30中任一项所述的摄像装置，其中，
光电变换结构包含具有第1光电变换层以及第2光电变换层的层叠结构，
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32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33]
根据项目31或32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34]
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，以及源极以及漏极中的一方与第1电极连接的第2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3晶体管，以及源极以及漏极中的一方与第3电极连接的第4晶体管，
摄像装置还具备：
与第2晶体管的源极以及漏极中的另一方连接，向第2晶体管的源极以及漏极中的另一方供给第1电压的第1信号线，以及
与第4晶体管的源极以及漏极中的另一方连接，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信号线。
根据项目34的结构，可以使施加至光电变换结构的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目35]
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，
第1电荷检测部包含与第1电极连接的第1晶体管，以及使在第1光电变换部产生的电信号负反馈的第1反馈电路，
第2光电变换部包含第3电极、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，
第2电荷检测部包含与第3电极连接的第2晶体管，以及使在第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的第1反相放大器，
第2反馈电路包含反相输入端子与第2晶体管的源极以及漏极中的一方电连接的第2反相放大器，
摄像装置还具备：
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信号线，以及
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与第1电压绝对值不同的第2电压的第2信号线。
根据项目35的结构，可以使施加至光电变换结构的偏压在第1以及第2摄像单元之间彼此不同。
[项目36]
根据项目34或35所述的摄像装置，其中，
在某个电荷蓄积期间开始时施加至第1电极以及第2电极之间的电位差，和在某个电荷蓄积期间开始时施加至第3电极以及第4电极之间的电位差彼此不同。
[项目37]
根据项目34～36中任一项所述的摄像装置，其中，
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37的结构，可以通过改变施加至第1电极以及第2电极之间的电位差，改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
[项目38]
根据项目34～36中任一项所述的摄像装置，其中，
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38的结构，可以通过改变施加至第1电极以及第2电极之间的电位差，改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
[项目39]
根据项目37或38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。
如参照下述附图说明的，本公开典型的实施方式的摄像装置具有多个摄像单元的阵列。各摄像单元包含由半导体基板支持的光电变换部，以及与光电变换部连接的电荷检测部。光电变换部具有像素电极、对置电极以及光电变换结构。通过光电变换生成的电荷被暂时性地保持在电荷蓄积节点中。电荷检测部读出保持在电荷蓄积节点中的电荷。通过某个实施方式的摄像装置还具有电压供给电路。电压供给电路，与和像素电极电结合的信号线连接，将彼此绝对值不同的至少2个以上的电压供给至信号线。
电压供给电路，例如，将施加至信号线的电压在彼此绝对值不同的第1以及第2电压之间切换。通过信号线电位的变化，可以改变电荷蓄积节点的电位。例如，通过信号线电位的变化，可以使在即将进行某个摄像单元的信号电荷蓄积前的电荷蓄积节点的电位，和在即将进行另一个摄像单元的信号电荷蓄积前的电荷蓄积节点的电位彼此不同。例如，通过升高信号线的电位，缩小像素电极和对置电极之间的电位差，可以使作为对象的摄像单元的灵敏度与其它的摄像单元的灵敏度不同。
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。
(摄像装置的实施方式)
图1示出本公开的实施方式的摄像装置的示例性构成的概况。如图1所示的摄像装置100包含多个摄像单元10。图1显示了多个摄像单元10中的1个作为代表。需要说明的是，图1仅为示意地示出构成摄像单元10的各部的配置。图1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。
摄像装置100具有半导体基板50，以及覆盖半导体基板50的层间绝缘层52。在半导体基板50上形成了包含杂质区域50a的多个杂质区域。摄像单元10具有半导体基板50以及由层间绝缘层51支持的光电变换部PC。摄像单元10还具有对由光电变换部PC生成的信号电荷进行检测的电荷检测部CD。电荷检测部CD包含形成于半导体基板50的杂质区域中的一个即杂质区域50a。如图1示意性地示出，杂质区域50a通过设置在层间绝缘层52中的连接部54与光电变换部PC连接。
光电变换部PC位于半导体基板50的上方。光电变换部PC包含像素电极61、对置电极62、以及夹持其间的光电变换结构64。在图1所示的例子中，在对置电极62的上方设置有滤色器72以及微镜头74。在微镜头74和对置电极62之间，代替滤色器72，或者与滤色器72一起设置了红外线透过过滤器、保护层等。
光电变换部PC中的光电变换结构64接受光的入射，通过光电变换产生正以及负的电荷(典型地，空穴-电子对)。如果向像素电极61和对置电极62之间施加电位差，则正以及负电荷依据在像素电极61以及对置电极62之间形成的电场进行移动。例如，对置电极62的电位高于像素电极61的电位，并且对置电极62以及像素电极61之间电位差Φ大于某个程度。此时，由光电变换结构64生成的正以及负电荷中，正电荷作为信号电荷能够通过像素电极61收集。收集的信号电荷在其一部分包含连接部54以及杂质区域50a的电荷蓄积区域蓄积。电荷检测部CD具有对在电荷蓄积区域中蓄积的信号电荷进行检测的功能。
在本公开的实施方式中，在摄像装置100工作时，可以改变对置电极62以及像素电极61之间的电位差。如图1所示意地示出的，在某个方式中，通过施加至与电压供给电路41连接的第1信号线31的电压的变化，可以改变像素电极61的电位。在另一方式中，通过施加至与电压供给电路42连接的蓄积控制线32的电压的变化，可以改变对置电极62的电位。即，如以下所详细说明的，在本公开的实施方式中，通过主动地改变像素电极61以及对置电极62的至少一方的电位，控制像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ。例如，控制信号电荷蓄积开始时的像素电极61和/或对置电极62的电位使得它们在多个摄像单元10之间不同。
需要说明的是，在图1中，似乎示出了第1信号线31与像素电极61连接的形式。但是，第1信号线31不是必须通过配线等与像素电极61物理地连接。只要是能够通过第1信号线31的电压的变化，使像素电极61的电压主动地产生变化即可。如下面所述，也可以经由电容元件在第1信号线31和像素电极61之间形成电结合。进一步，也可以经由第1信号线31和像素电极61之间的电结合，依据第1信号线31的电压的变化在像素电极61中产生电压的变化。另外，只要能够使像素电极61的电压产生变化即可。由此，不限于像素电极61，如图1中通过虚线所显示的，也可以是第1信号线31与具有与像素电极61的连接的连接部54以及杂质区域50a等电连接或电结合。也可以在第1信号线31和像素电极61之间夹着晶体管等开关元件。
(第1实施方式)
图2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。图2所示的摄像装置100A具有包含二维排列的多个摄像单元10A的像素阵列PA。图2示意地示出摄像单元10A设置成矩阵状的例子。图2由于受到纸面的制约，显示了从摄像单元10A中取出包含排列成2行2列的4个摄像单元10A的部分。当然摄像单元10A的数量以及排列不限于图2所示的例子。
各摄像单元10A具有光电变换部PC以及电荷检测部CD1。电荷检测部CD1与光电变换部PC的像素电极61(参照图1)连接，对通过像素电极61收集的信号电荷进行检测。在本例子中，电荷检测部CD1具有信号检测晶体管21、复位晶体管22以及地址晶体管23。这些晶体管，典型地为场效应晶体管(FET)。在下文中，作为这些的晶体管对使用了N沟道MOS的例子进行说明。
摄像装置100A具有按多个摄像单元10A的每一列设置的垂直信号线34，向各摄像单元10A供给电源电压AVDD的电源线36。信号检测晶体管21的漏极与电源线36连接。信号检测晶体管21的源极经由地址晶体管23与对应的垂直信号线34连接。
如图2示意地所示，信号检测晶体管21的栅极与光电变换部PC连接。如下面所述，信号检测晶体管21的栅极与光电变换部PC的像素电极61连接。通过光电变换部PC生成的信号电荷暂时蓄积在电荷蓄积区域。电荷蓄积区域包含信号检测晶体管21的栅极和光电变换部PC之间的电荷蓄积节点(也称为“浮动扩散节点”)FD。信号检测晶体管21，通过电源线36作为源极跟随器电源发挥功能，输出通过光电变换部PC生成的信号。即，对应于在电荷蓄积区域中蓄积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PC连接的信号检测晶体管21的连接端子不限于栅极。例如，根据电荷检测电路的电路结构，也可以为源极或漏极。
垂直信号线34与列信号处理电路(也称为“行信号蓄积电路”)44连接。列信号处理电路44进行例如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(AD转换)。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与水平信号读出电路(也称为“列扫描电路”)46连接。水平信号读出电路46，从多个列信号处理电路44到水平共用信号线45依次读出信号。
摄像装置100A还具有第1电压供给电路41，以及第2电压供给电路42。电压供给电路41与第1信号线31连接。第1信号线31与摄像单元10A的像素电极61电结合。在如图2所示例的构成中，第1信号线31与复位晶体管22的源极连接。复位晶体管22的漏极与电荷蓄积节点FD连接。即，在本例子中，电压供给电路41将用于复位电荷蓄积节点FD的电位的复位电压VRST供给至各摄像单元10A。在本说明书中，“电结合”是指基于一方的电压的主动改变而引发另一方的电压改变的关系。“电结合”解释为包括通过配线的直接连接，以及，经由晶体管等元件的连接，除此之外，还广泛包括经由电容元件的连接这样不形成电流流动路径形式的连接等。
电压供给电路41构成为能够切换彼此绝对值不同的多个电压施加至第1信号线31。在图2所示的例子中，第1信号线31与各摄像单元10A的复位晶体管22连接。因此，在本例子中，电压供给电路41，作为复位电压VRST，将彼此绝对值不同的多个电压中的任意选择性地供给至各摄像单元10A。例如，电压供给电路41，在摄像装置100A工作时，在某个期间将第1复位电压施加至第1信号线31，在另一期间将与第1复位电压绝对值不同的第2复位电压施加至第1信号线31。需要说明的是，第1信号线31不限于1根配线。第1信号线31只要是与作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。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。
电压供给电路42与蓄积控制线32连接，蓄积控制线32与各摄像单元10A的光电变换部PC连接。如后所述，蓄积控制线32与光电变换部PC的对置电极62(参照图1)连接。因此，电压供给电路42，可以经由蓄积控制线32，向各摄像单元10A的光电变换部PC的对置电极62供给规定的电压VOPP。针对蓄积控制线32，也与第1信号线31同样地，只要为与作为对象的摄像单元电结合或连接的结构体即可。即，蓄积控制线32不限于1根配线，例如也可以为网格状的结构体。在下文中，为了说明的方便，电压供给电路42供给的电压VOPP有时被称为“对置电极电压VOPP”。在某个方式中，对置电极电压VOPP，在摄像装置100A工作时，固定为一定的电压。
摄像装置100A具有按摄像单元10A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与垂直扫描电路(也称为“行扫描电路”)48连接。如图所示，复位信号线38与属于同一行的多个摄像单元10A的复位晶体管22的栅极连接。垂直扫描电路48可以通过控制复位信号线38的电位接通复位晶体管22，一次性地对属于同一行的摄像单元10A的电荷蓄积节点FD的电位进行复位。地址信号线39与属于同一行的多个摄像单元10A的地址晶体管23的栅极连接。垂直扫描电路48可以通过控制地址信号线39的电位，以行单位选择属于同一行的多个摄像单元10A。通过以行单位选择属于同一行的多个摄像单元10A，由对应垂直信号线34一次性地读出属于同一行的摄像单元10A的信号检测晶体管21的输出。
图3示出第1信号线31以及像素电极61的电结合的第1例子。图3示出取出像素阵列PA中的摄像单元10A的1个的电路结构的概况。
在图3所示例的构成中，摄像单元10A的电荷检测部CD1包含复位电路RS1、读出电路RD以及行选择电路SL。复位电路RS1包含源极以及漏极中的一方与像素电极61连接的复位晶体管22。复位电路RS1不限于包含复位晶体管22的电路。复位电路RS1只要具有能够使用由电源电压等外部供给的电压，将电荷蓄积节点FD的电位复位成所期望的电位的构成即可。读出电路RD为例如包含信号检测晶体管21以及电源线36的源极跟随器。行选择电路SL为例如地址晶体管23。
在本例子中，通过复位晶体管22的源极以及漏极中的另一方与第1信号线31连接，经由复位晶体管22像素电极61和第1信号线31彼此电结合。根据这样的电路结构，能够通过接通复位晶体管22，使用电压供给电路41施加至第1信号线31的复位电压VRST，将电荷蓄积节点FD的电位复位成所期望的电压电平。
(摄像装置的操作的一个例子)
图4示出了在图2所示的摄像装置100A中使用了卷帘快门时的操作的一个例子。图4中，第2阶段、第3阶段以及第4阶段的矩形的排列分别示意性地示出属于像素阵列PA的第1行、第2行以及第3行的摄像单元10A的操作。需要说明的是，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，取出三行示出。
如上所述，电压供给电路41构成为能够将彼此绝对值不同的至少2个电压中的任意一个选择性地施加至第1信号线31。在此，电压供给电路41具有能够作为复位电压VRST，切换第1电压VH和相对低的第2电压VL施加至第1信号线31的构成。作为第1电压VH，能够使用例如电源电压，或者使电源电压降压(或升压)的电压。对于第2电压VL也是同样的。此时，电压供给电路41也可以为向各摄像单元10A供给电源电压的电压供给电路(图2中未示出)的一部分。以下，对应于电压VH的电压电平方便地表现为高电平，对应于电压VL的电压电平方便地表现为低电平。需要说明的是，“高电平”以及“低电平”的用语仅仅意在表示相对电位的大小，高电平不意在表示等于电源电压。
需要说明的是，在本例子中，由电压供给电路42施加至蓄积控制线32的对置电极电压VOPP固定至某个电压V1。图4中，最上段的带网格的矩形表示摄像装置100A工作时的对置电极电压VOPP固定为电压V1。但是，在本公开的实施方式中，对置电极电压VOPP为一定值不是必须的，如下面所述，当然也可以控制使得对置电极电压VOPP变化。
首先，关注图4中的第2段矩形的排列。在图像信号获得时，首先对电荷蓄积节点FD的电位进行复位。即，进行电荷蓄积节点FD中的电荷的排出。具体来说，在图2所例示的结构中，接通复位晶体管22。在此，此时电压供给电路41作为复位电压VRST将高电平的电压VH施加至第1信号线31。因此，向电荷蓄积节点FD施加电压VH，像素电极61的电位复位成对应于电压VH的电平。此时像素电极61的电压电平确定暗时的图像信号的电平。该最初的复位期间为对应于所谓电子快门的期间。在图4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。通过断开复位晶体管22，开始信号电荷向电荷蓄积节点FD的蓄积。然后，在希望的定时，接通地址晶体管23，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FD的最初复位到接通地址晶体管23的期间中蓄积于电荷蓄积区域的信号电荷的量。图4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4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。在本说明书中，该信号读出的期间称为“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。
信号读出后，再次接通复位晶体管22，将像素电极61的电位再次复位成对应于电压VH的电平。图4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。在此读出的信号电平对应于暗时的电平。因此，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4中，带有相对深网状的矩形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。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。
第2信号读出期间结束后，开始下一个帧的电荷蓄积期间。第2信号读出期间结束后，也可以在与下一个帧的信号蓄积期间之间再度实施电子快门。在卷帘快门操作中，上述操作，针对像素阵列PA的各行错开开始定时地顺序实施。
关注图4中的第3段的矩形的排列。在像素阵列PA的第2行中，在最初的复位期间，将低电平电压VL供给至摄像单元10A。即，电压供给电路41，就第2行的电子快门而言，将施加至第1信号线31的电压从电压VH切换至电压VL。因此，属于像素阵列PA的第2行的摄像单元10A，通过与属于像素阵列PA的第1行的摄像单元10A的复位电压不同的复位电压被复位。换言之，属于像素阵列PA的第2行的摄像单元10A的暗时的图像信号电平与属于像素阵列PA的第1行的摄像单元10A的暗时的图像信号电平不同。
然后，开始信号电荷的蓄积。图4中的白色矩形EXP表示电荷蓄积期间。在此，在像素阵列PA的第2行中，将施加至第1信号线31的电压从电压VH切换至电压VL。由此，信号电荷蓄积开始时的像素电极61的电位在属于像素阵列PA的第1行的摄像单元10A和属于第2行的摄像单元10A不同。即，属于像素阵列PA的第2行的摄像单元10A的电荷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Φ大于属于像素阵列PA的第1行的摄像单元10A的电荷蓄积期间开始时的电位差Φ。换言之，属于像素阵列PA的第2行的摄像单元10A的灵敏度处于高于属于像素阵列PA的第1行的摄像单元10A的灵敏度的状态。因此，从属于像素阵列PA的第2行的摄像单元10A，输出了在相对灵敏度高的状态得到的图像信号。
关注图4中的第4段的矩形的排列，电压供给电路41，在属于像素阵列PA的第3行的摄像单元10A的最初的复位期间，将供给至第1信号线31的电压再次切换至高电平的电压VH。从属于像素阵列PA的第3行的摄像单元10A，与属于第1行的摄像单元10A同样地，输出在相对灵敏度低的状态得到的图像信号。
图5A示意地示出按像素阵列PA的每一行，将复位电压VRST在电压VH以及电压VL之间切换时，彼此灵敏度不同的摄像单元10A的设置。图5A中，带阴影的矩形表示相对地灵敏度降低的摄像单元10A。如该例子所示，电压供给电路41，按像素阵列PA的每一行使复位电压VRST在电压VH以及电压VL之间切换。此时，可以获得将通过具有相对低灵敏度的摄像单元得到的图像信号和通过具有相对高灵敏度的摄像单元得到的图像信号按每一行交错的输出。在该例子中，如果抽出奇数行的摄像单元10A的输出，则能够构建通过基于相对低灵敏度的摄影获得的图像，如果抽出偶数行的摄像单元10A的输出，则能够构建通过基于相对高灵敏度的摄影获得的图像。即，以彼此灵敏度不同的状态的基础得到的多个图像信号可以通过一次摄影获得。这样一来，根据本公开的实施方式，相当于信号取得后的曝光补正的处理，例如，按每一行改变增益对信号进行放大处理不是必须的，可以获得在彼此灵敏度不同的状态下得到的多个图像信号。需要说明的是，在此，示出了施加至第1信号线31的电压在彼此绝对值不同的2个电压之间切换的例子，但施加至第1信号线31的电压也可以在彼此绝对值不同的3个以上的电压之间，例如以行单位进行切换。
相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，复位电压VRST可以为相同。如果相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部共用复位电压VRST，则全部的摄像单元10A的灵敏度能够一次变化。例如，如果将相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部将复位电压VRST从电压VL切换至电压VH，则包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，可以切换至具有相对低灵敏度的状态。
图5B示意地示出相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，将复位电压VRST从电压VH切换至电压VL时的摄像单元10A的灵敏度。图5B中，带阴影的矩形表示相对灵敏度降低的摄像单元10A。相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，将复位电压VRST从电压VL切换至电压VH，则包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部灵敏度回归至相对高的灵敏度。例如，相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，如果在帧之间切换复位电压VRST，则能够按每个帧，切换获得通过具有相对低灵敏度的摄像单元获得的图像信号，和通过具有相对高灵敏度的摄像单元获得的图像信号。另外，在白天屋外这样充分的光照射到摄像单元的情况下，也可以将全部摄像单元切换至相对低灵敏度，在夜间这样入射光量少的情况下，也可以将全部摄像单元切换至相对高灵敏度。这样一来，可以对应于入射光量灵活地切换灵敏度。在白天或夜间的判断或入射光量的检测中，可以使用时间信息、照度传感器等其他传感器的输出这样的外部信息。
或者，也可以相对于包含在像素阵列PA中的摄像单元10A的全部，模拟地切换经由第1信号线31供给的电压。模拟地切换是指，例如，无阶段地变化。通过模拟地改变施加至第1信号线31的电压，能够模拟地改变摄像区域全部的灵敏度。
可以将像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ为0V附近这样的复位电压VRST，针对像素阵列PA中的摄像单元10A的全部共同地供给。如下所述，作为光电变换结构64，在电位差Φ小于某个程度的情况下，可以采用示出光电变换结构64和电极(像素电极61或对置电极62)之间不产生电荷移动的特性的结构。由此，能够实现灵敏度为0的状态。通过使像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ接近0V，可以使像素阵列PA中的全部的摄像单元10A的灵敏度实质上为0。即，能够以电的方式实现相对于像素阵列PA中的全部摄像单元10A快门断开的状态。
(摄像单元单位的灵敏度改变)
如参照图1所说明的那样，典型地，属于同一行的摄像单元10A的复位晶体管22的栅极与共同的地址信号线39连接。即，包含在像素阵列PA中的摄像单元10的复位的执行，典型地是以行为单位的。因此，在电压供给电路41按每一行交替切换施加至第1信号线31的复位电压VRST的情况下，如图5A所示，彼此不同的灵敏度的摄像单元10A按每一行交替排列。如果不是以行单位，而是使属于同一行的摄像单元10之间的灵敏度彼此不同，则是更为优选的。以下，对针对像素阵列PA中的一部分的摄像单元，对于能够使写入像素电极61的电压与其它摄像单元不同的结构的例子进行说明。
图6示意地示出能够以摄像单元单位控制写入像素电极61的电压的结构的概况。例如，沿着沿多个摄像单元的行延伸的方向(以下，简称为“行方向”)以及沿列延伸的方向(以下，简称为“列方向”)，将多个摄像单元设置成矩阵状。此时，对应于设置成矩阵状的多个摄像单元，在像素阵列PA中设置沿行方向延伸的多个行信号线和沿列方向延伸的多个列信号线。
图6示出像素阵列PA中的摄像单元10中1个摄像单元10的一部分。在多个行信号线RD以及列信号线CD中，以对应的每1个为代表显示。行信号线RD分别与行驱动器(图6中未示出)连接，向各行信号线RD在规定的定时施加来自行驱动器的规定的控制信号。行驱动器也可以为垂直扫描电路48的一部分。同样地，列信号线CD分别与列驱动器(图6中未示出)连接，向各列信号线CD在规定的定时施加来自列驱动器的规定的控制信号。
在图6所示的例子中，选择电路43位于行信号线RD和列信号线CD交叉的位置。在图6所例示的结构中，选择电路43，根据行信号线RD以及列信号线CD的电压电平，切换在电荷蓄积节点FD和第1信号线31之间连接的开关元件43s的接通以及断开。选择电路43，由例如行驱动器向行信号线RD施加高电平信号，由列驱动器向列信号线CD施加高电平信号时接通开关元件43s。
开关元件43s为例如上述复位晶体管22。选择电路43通过接通复位晶体管22，能够确立电荷蓄积节点FD和第1信号线31之间的连接。由此，像素电极61的电位能够复位到对应于由电压供给电路41施加至第1信号线31的复位电压VRST的电压电平。
需要说明的是，在图6中，开关元件43s的一端与连接部54连接，但这仅仅为示意地示出开关元件43s的连接。开关元件43s的一端不需要实际地与连接部54物理地连接。
例如，如果在某个定时中，施加至行信号线RD的信号每隔1行为高电平，并且施加至列信号线CD的信号每隔1列为高电平，则能够使位于信号为高电平的行信号线RD以及列信号线CD的交叉位置的摄像单元10的像素电极61复位成共同的电位。例如，像素电极61的电位能够复位成对应于高电平的电压VH的电压电平。
然后，通过变更施加的信号的高电平和低电平，由电压供给电路41施加至第1信号线31的复位电压VRST切换至低电平电压VL，能够使剩余的摄像单元10的像素电极61的电位复位成对应于低电平电压VL的电压电平。
图7示出沿行方向以及列方向，写入像素电极61的电压彼此不同的摄像单元混合存在的例子。与图5A以及图5B同样地，图7中的带阴影的矩形表示相对灵敏度降低的摄像单元10。通过在各摄像单元10中设置选择电路43，例如，可以沿着行方向以及列方向，交替地将彼此不同的复位电压VRST施加至摄像单元10。因此，如图7示意地示出的，将为彼此灵敏度不同的状态的摄像单元10沿行方向以及列方向交替设置为可能的。这样一来，根据本公开的实施方式，例如改变施加至第1信号线31的电压，控制像素电极61的电位。由此，能够以摄像单元的单位改变摄像单元的灵敏度。根据这样的摄像装置，例如，即使在相同时刻，可以将入射光量比较多的摄像单元切换成相对低灵敏度，将入射光量比较少的摄像单元切换成相对高灵敏度。
图8示出选择电路43的具体的结构的一个例子。在图8所示的例子中，使用AND栅极作为选择电路43A，使用复位晶体管22作为开关元件43s。在本例子中，AND栅极的输出与复位晶体管22的栅极连接，行信号线RD以及列信号线CD的信号电平均为高电平时，确立了第1信号线31和电荷蓄积节点FD之间的连接。需要说明的是，通过代替AND栅极使用NAND栅极，作为开关元件43s使用P沟道MOS，能够减少选择电路43的元件数量。
图9示出选择电路43的具体的结构的另一个例子。在图9所示的例子中，N沟道MOS作为选择电路43B使用。通过将晶体管作为选择电路43使用，可以进一步减少元件数量。作为选择电路43B的晶体管的栅极以及漏极分别与行信号线RD以及列信号线CD连接。根据该例子，基于有源阵列方式的动作，可以通过2个晶体管实现。
通过在各摄像单元中设置选择电路43，可以与有源阵列方式同样地，选择像素阵列PA中的任意位置的摄像单元。通过向选择的摄像单元施加来自第1信号线31的电压，可以改变该摄像单元的像素电极61的电位。用于选择施加来自第1信号线31的电压的摄像单元10的信号线(例如行信号线RD以及列信号线CD)的延伸方向不限定于行方向以及列方向，可以根据多个摄像单元10的配置而适当地变化。
需要说明的是，例如也可以将对置电极62按每个摄像单元10电分离。进一步，向像素电极61写入复位电压VRST时，对应于写入像素电极61的电压，也可以将像素电极61和对置电极62之间的电位差Φ为0V附近的值这样的对置电极电压VOPP施加至各摄像单元10的对置电极62。在本公开的实施方式中，在作为光电变换结构64，像素电极61和对置电极62之间的电位差为某种程度的小的情况下，采用示出在光电变换结构64和电极(像素电极61或对置电极62)之间不产生电荷的移动的这样特性的结构。赋予这样特性的光电变换结构64的结构的详细如下所述。
如果光电变换结构64具有这样的特性，通过像素电极61以及对置电极62的至少一方的电位的调整，实质上能够实现不产生由光电变换结构64到电荷蓄积区域的电荷的蓄积，并且，不产生由电荷蓄积区域向光电变换结构64的电荷的引出的状态。即，即使向光电变换结构64照射光，也能够实现电荷蓄积区域也不蓄积信号电荷，并且，不将已经蓄积在电荷蓄积区域的信号电荷引出至光电变换结构64的状态。换言之，能够实现灵敏度为0的状态。在向像素电极61写入复位电压VRST时，如果使摄像单元10为灵敏度为0的状态，则由于在向像素电极61写入复位电压VRST的过程中不开始信号电荷的蓄积，因此是有利的。
(摄像单元的装置结构)
在此，一边参照图10，一边对摄像单元的装置结构详细地说明。图10示意地示出摄像单元10A的示例性装置结构。如图10所示，多个摄像单元10A分别包含半导体基板50的一部分。覆盖半导体基板50的层间绝缘层52典型地为二氧化硅层，能够具有多个绝缘层的层叠结构。半导体基板50不限于其全体为半导体层的基板，也可以为在设置了光电变换部PC一侧的表面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。
半导体基板50具有杂质区域(在此为n型区域)50a～50e和用于摄像单元10A之间的电分离的元件分离区域50s。杂质区域50a～50e典型地为形成在半导体基板50内的扩散层。元件分离区域50s能够通过例如在规定的注入条件下，进行施主的离子注入形成。在本例子中，元件分离区域50s也可以设置在杂质区域50a和杂质区域50b之间。需要说明的是，多个摄像单元10A的行方向或列方向邻接的2个摄像单元10A之间的中心间距离(像素间距)能够为例如2μm左右。
上述信号检测晶体管21包括形成在半导体基板50上的杂质区域50b以及50c，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(典型地为多晶硅电极)。杂质区域50b以及50c各自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。如图10中未画出，但杂质区域50b与电源线36(参照图A1)连接。
如图10示意地所示，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54，与像素电极61以及杂质区域50a连接。在图示的例子中，连接部54包含一端与栅电极21g连接的接触插塞54a，一端与杂质区域50a连接的接触插塞54b，配线层54c，以及插塞54d。配线层54c使接触插塞54a以及54b的另一端之间彼此连接。像素电极61、连接部54以及杂质区域50a构成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。设置在配线层54c和像素电极61之间的插塞54d为例如由铜形成。需要说明的是，在层间绝缘层52内，除了连接部54之外，还设置了包含垂直信号线34(参照图A1)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的层数可以任意地设定。
在半导体基板50上，不仅可以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等其它晶体管。地址晶体管23包含杂质区域50c以及50d，以及位于半导体基板50的主面中的它们之间的区域上的栅电极23g(典型地为多晶硅电极)。栅电极23g与地址信号线39(图10中未示出，参照图A1)连接。杂质区域50c以及50d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，通过地址晶体管23共享信号检测晶体管21和杂质区域50c与信号检测晶体管21电连接。杂质区域50d经由图10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50a以及50e，以及位于它们之间的区域上、与复位信号线38(参照图A1)连接的栅电极22g(典型地为多晶硅电极)。杂质区域50a，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50e，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。在本例子中，杂质区域50e与第1信号线31连接。
光电变换部PC的对置电极62典型地为由透明导电性材料形成的透明电极，设置在光电变换结构64的光入射的一侧。换言之，对置电极62位于相比于像素电极61远离半导体基板50的位置。作为对置电极62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。
如图10示意地所示，对置电极62经由蓄积控制线32与电压供给电路42连接。电压供给电路42例如向对置电极62施加电压使得对置电极62的电位高于像素电极61的电位。通过相对于像素电极61的电位来提高对置电极62的电位，由光电变换在光电变换结构64内生成的正以及负电荷中，可以通过像素电极61收集正电荷。在下文中，列举了作为信号电荷利用空穴的情况。当然，也可以作为信号电荷利用电子。在作为信号电荷利用电子的情况下，只要控制使得对置电极62的电位低于像素电极61的电位即可。
在本例中，对置电极62为横跨多个摄像单元10A的单一电极。为此，经由蓄积控制线32，能够由电压供给电路42向多个摄像单元10A的对置电极62一次性施加期望大小的电压。但是，对置电极62不必须为横跨多个摄像单元10A的单一电极。如下所述，对置电极62也可以分割为多个部分。
在图10所示出的结构中，光电变换结构64也横跨多个摄像单元10A形成。这样一来，光电变换部PC其整体不需要针对每个摄像单元10A为独立的元件，光电变换部PC的一部分也可以为横跨多个摄像单元10A形成。
像素电极61典型地是按每一个摄像单元10A独立设置的。像素电极61与邻接的其它摄像单元10A的像素电极61是空间分离的。由此，像素电极61也与其它的摄像单元10A的像素电极61电分离。像素电极61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61可以为单一电极，也可以包含多个电极。像素电极61也可以作为遮光性电极。
通过像素电极61收集的信号电荷(例如空穴)可以蓄积在包含电荷蓄积节点FD的电荷蓄积区域内。通过使信号电荷蓄积在电荷蓄积节点FD内，向信号检测晶体管21的栅极施加对应于蓄积的信号电荷的量的电压。通过信号检测晶体管21放大的电压经由地址晶体管23以信号电压的形式被选择地读出。需要说明的是，电荷蓄积区域还可以含有例如电容元件。即电荷检测部CD不仅可以含有蓄积信号电荷的杂质区域50a，其一部分还可以包含能够蓄积信号电荷的例如电容元件(图10中未示出)。
在本公开的实施方式中，像素电极61和与电压供给电路41连接的第1信号线31相互电结合。由此，通过第1信号线31的电压的变化，可以使包含像素电极61的电荷蓄积节点FD的电位产生变化。如上所述，电压供给电路41具有能够切换彼此绝对值不同的至少2个电压施加至第1信号线31的结构。因此，电压供给电路41在摄像装置100A工作时通过使施加至第1信号线31的电压在多个电压之间切换，经由像素电极61和第1信号线31之间的电结合，可以改变像素电极61的电位。
(在多个摄像单元之间使复位后的像素电极的电位不同的另外的例子)
使复位后的像素电极61的电位在多个摄像单元10之间不同的可能的结构不限于参照图10说明的结构。图11示出本公开的第1实施方式的摄像装置的另外的示例性电路结构。如图11所示的摄像装置100B代替上述的摄像单元10A具有摄像单元10B。
摄像装置100B按多个摄像单元10B的每一列具有反相放大器49。反相放大器49的反相输入端子与对应的列的垂直信号线34连接，反相放大器49的输出端子与反馈线33连接。反馈线33与属于对应的列的摄像单元10B的复位晶体管22的源极连接。如图6所示可知，选择属于对应的列的摄像单元10B中的1个，接通复位晶体管22以及地址晶体管23。由此，可以形成对该摄像单元10B的光电变换部PC产生的信号负反馈的反馈环。通过利用负反馈，如专利文献1所记载的，能够消除随机噪音的影响。
在图11所示的例子中，与电压供给电路41连接的第1信号线31与各列的反相放大器49的非反相输入端子连接。在图11所示出的结构中，电压供给电路41在摄像装置100B工作时，经由第1信号线31，将用于电荷蓄积节点FD的电位的复位的参照电压VREF供给至各列的反相放大器49。
图12示出像素阵列PA中的1个摄像单元10B的电路结构的概况。在图12所示出的结构中，摄像单元10B的复位电路RS2包含使由光电变换部PC产生的信号负反馈的反馈电路FC。反馈电路FC包含反相放大器49。反相放大器49的反相输入端子经由垂直信号线34以及地址晶体管23与信号检测晶体管21的源极电连接。
如果接通复位晶体管22以及地址晶体管23，则形成了在其路径中包含反相放大器49的反馈环。通过反馈环的形成，将电荷蓄积节点FD的电压控制到使垂直信号线34的电压和施加至反相放大器49的非反相输入端子的电压之间的电压差为0的电压。在此，反相放大器49的非反相输入端子与第1信号线31连接。因此，反馈环的形成时，将电荷蓄积节点FD的电压控制到使垂直信号线34的电压与由电压供给电路41向第1信号线31供给的参照电压VREF相等的电压。即，将电荷蓄积节点FD的电位复位成规定的电位。
在图11以及图12所示的结构中，赋予暗时的图像信号的电平的像素电极61的电压电平依据施加至第1信号线31的参照电压VREF确定。在图11以及图12所列举的结构中，就电压供给电路41而言，能够通过使作为参照电压VREF施加至第1信号线31的电压在多个电压之间切换，通过第1信号线31的电位的变化，使得电荷蓄积节点FD的电位复位成规定的电压电平。
如上所述，反馈环通过接通复位晶体管22以及地址晶体管23形成。如参照图11所知，在此，属于同一行的摄像单元10B的复位晶体管22的栅极与共同的复位信号线38连接，属于同一行的摄像单元10B的地址晶体管23的栅极与共同的地址信号线39连接。即，电荷蓄积节点FD的电位的复位以行单位来实施。
因此，在属于某个行的摄像单元10B的电荷蓄积节点FD的电位的复位和属于另一行的摄像单元10B的电荷蓄积节点FD的电位的复位之间，通过切换施加至第1信号线31的参照电压，能够使在这些行之间的复位后的像素电极61的电位彼此不同。例如，电压供给电路41，也可以在奇数行的摄像单元10B的复位中将某个电压VH施加至第1信号线31，在偶数行的摄像单元10B的复位中将比电压VH低的电压VL施加至第1信号线31。此时，属于奇数行的摄像单元10B的电荷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Φ相比属于偶数行的摄像单元10B的减小。作为结果，相对灵敏度为低状态的摄像单元10B和相对灵敏度为高状态的摄像单元10B在列方向上交替排列，实现了与参照图5A说明的例子相同的状态。
这样一来，施加至第1信号线31的参照电压VREF可以在彼此绝对值不同的多个电压之间在帧期间中切换。在本说明书中，“帧期间”是指从第一行的电荷蓄积期间起，到最终行的第2信号读出的期间结束为止的期间。需要说明的是，作为参照电压VREF，可以使用任意的电压。但是，使用低于电源电压AVDD的电压从消耗电力降低的观点来看是优选的。
图13示出包含具有反馈电路FC的摄像单元10B的摄像装置的电路结构的其它例子。图13所示的摄像装置100D具有包含与第1信号线31a连接的电压供给电路41a与第2信号线31b连接的电压供给电路41b的电压供给电路41。摄像装置100D工作时，电压供给电路41a向第1信号线31a施加参照电压VRST1。电压供给电路41b向第2信号线31b施加具有与参照电压VRST1不同的绝对值的参照电压VRST2。电压供给电路41a以及41b也可以分别地为独立的单一的电压供给电路，也可以为单一的电压供给电路的一部分。
在此，第1列的反相放大器49的非反相输入端子与第1信号线31a连接，第2列的反相放大器49的非反相输入端子与第2信号线31b连接。即，电压供给电路41a经由第1信号线31向第1列的反相放大器49的非反相输入端子供给参照电压VREF1。电压供给电路41b经由第2信号线31b向第2列的反相放大器49的非反相输入端子供给参照电压VREF2。
与参照图11说明的例子同样地，在该例子中，赋予暗时的图像信号的电平的像素电极61的电压电平，也依据向设置在各列中的反相放大器49的非反相输入端子施加的参照电压VREF确定。即，在本例子中，复位后的像素电极61的电位在属于第1列的摄像单元10B和属于第2列的摄像单元10B之间彼此不同。即，实现了灵敏度不同的摄像单元10按每列排列的状态。
这样一来，通过供给至反相放大器的参照电压VREF在帧期间在多个电压之间切换，供给至反相放大器的参照电压VREF按多个摄像单元10B的每一列彼此不同，摄像单元10B的灵敏度能够例如以行单位或列单位进行变化。需要说明的是，例如奇数列的摄像单元的复位晶体管22的源极也可以与第1信号线31a连接，偶数列的摄像单元的复位晶体管22的源极可以与第2信号线31b连接。此时，如果向第1信号线31a以及第2信号线31b施加彼此绝对值不同的复位电压VRST，可以在奇数列的摄像单元和偶数列的摄像单元之间使灵敏度彼此不同。这样一来，电压供给电路41可以向多个摄像单元的一部分的摄像单元和另外一部分的摄像单元供给彼此绝对值不同的复位电压VRST。
(第2实施方式)
如上述的实施方式这样，代替使在即将开始信号电荷的蓄积之前的像素电极61的电位在多个摄像单元10之间不同，也可以使对置电极62的电位在多个摄像单元10之间不同。例如，也可以将对置电极62分割成多个部分，向分割的部分各自供给彼此绝对值不同的对置电极电压VOPP。
图14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14中，示出了包含在像素阵列PA中的2个摄像单元10Hx、10Hy的电路结构。
图14所示的摄像装置100H具有摄像单元10Hx以及10Hy。摄像单元10Hx的电荷检测部CDx以及摄像单元10Hy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，向复位电路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，在此，在复位后，摄像单元10Hx的像素电极61的电位以及摄像单元10Hy的像素电极61的电位为相同的。
摄像单元10Hx的光电变换部PCx具有对置电极62x，摄像单元10Hy的光电变换部PCy具有与对置电极62x电分离的对置电极62y。如图14所示，对置电极62x以及对置电极62y分别与第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b连接。第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b与电压供给电路42连接。
在图14所示出的结构中，电压供给电路42包含电压供给电路42a以及42b。在此，第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b分别与电压供给电路42a以及42b连接。电压供给电路42a以及42b分别向第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b供给第1对置电极电压VOPP1以及第2对置电极电压VOPP2。即，在本例子中，摄像装置100H构成为能够向与第1蓄积控制线32a连接的对置电极62x，和与第2蓄积控制线32b连接的对置电极62y独立地施加彼此不同的电极电压。电压供给电路42a以及42b也可以分别为独立的单一电压供给电路，也可以为单一的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也可以分别在摄像装置100H工作时固定为一定，也可以重复周期地或准周期地变化。例如，也可以在摄像单元10Hx的电荷蓄积期间，将与在属于和摄像单元10Hx同一行的摄像单元10Hy的电荷蓄积期间向第2蓄积控制线32b供给的对置电极电压VOPP2的绝对值不同的对置电极电压VOPP1，供给至第1蓄积控制线32a。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10Hx和摄像单元10Hy之间彼此不同，可以使摄像单元10Hx的对置电极62x的电位以及摄像单元10Hy的对置电极62y的电位在电荷蓄积期间为彼此不同的电位。如这样的例子一样如果使复位电压共用，可以使在电荷蓄积期间施加至光电变换结构64的偏压，在摄像单元10Hx和摄像单元10Hy之间彼此不同。其结果，可以使摄像单元10Hx的灵敏度和摄像单元10Hy的灵敏度彼此不同。
这样一来，通过使对置电极62在摄像单元10Hx和摄像单元10Hy之间分离，能够使彼此绝对值不同的对置电极电压独立地施加至摄像单元10Hx的对置电极62x和摄像单元10Hy的对置电极62y。通过将彼此绝对值不同的对置电极电压独立地施加至对置电极62x以及对置电极62y，与第1实施方式同样地，例如可以以行单位、列单位或摄像单元单位，使摄像单元的灵敏度彼此不同。
例如通过适用光刻，可以使摄像单元10Hx的对置电极62x以及摄像单元10Hy的对置电极62y空间分离地形成，使它们之间为电分离成为可能。例如，也可以以按多个摄像单元的每一列在空间上分离的形式，形成多个对置电极。在这种情况下，形成沿行方向排列，分别沿列方向延伸的多个带状的对置电极，相对于这些多个对置电极，也可以使第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b彼此连接。即，也可以在像素阵列PA的例如奇数列以及偶数列分别设置摄像单元10Hx以及10Hy，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，可以获得来自某个灵敏度的摄像单元的图像信号，以及来自相对灵敏度高的摄像单元的图像信号按每列交错的输出。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，形成为沿列方向排列、分别沿行方向延伸的多个带状对置电极，也可以相对于这些多个对置电极，使第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b交替连接。需要说明的是，从减少每一行的配线数量的观点来看，与前者相比，后者为优选的。
在后者的情况下，即，按多个摄像单元的每一行使对置电极电分离，形成了分别沿行方向延伸的多个带状对置电极的情况下，摄像单元10Hx以及10Hy沿列方向相互邻接。因此，此时摄像单元10Hx的电荷蓄积期间的开始定时和摄像单元10Hy的电荷蓄积期间开始定时不一致。例如，在使用了卷帘快门操作的情况下，属于某个行的摄像单元10Hx的电荷蓄积期间的开始定时和属于另一行的摄像单元10Hy的电荷蓄积期间的开始定时能够彼此不同。但是，例如通过沿列方向相互邻接的摄像单元10Hx和摄像单元10Hy独立地分别与垂直信号线34连接，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。
当然，也可以按每一个摄像单元分离地设置对置电极62。通过图案化使对置电极62按每一个摄像单元分离地形成，与各摄像单元的对置电极62分别地连接蓄积控制线。由此，可以使像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ在摄像单元单位之间不同。
电压供给电路42也可以构成为切换彼此绝对值不同的多个电压施加至蓄积控制线。例如，在电荷蓄积期间之外的期间，分别向第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b供给的对置电极电压VOPP1以及VOPP2也可以为相同的。也可以在电荷蓄积期间之外的某个期间(例如用于复位的期间)，向第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b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，施加至摄像单元10Hx的光电变换结构64的第1偏压V1和施加至摄像单元10Hy的光电变换结构64的第2偏压V2可以为0V附近的值。如上所述，通过使施加至夹持光电变换结构的一对电极的电位差Φ基本为0V，能够实现灵敏度为基本为0的状态。换言之，通过电控制，能够实现断开了快门的状态。
图14所示出的结构，也可以将第1实施方式和/或后述的其它实施方式组合。例如，在参照图1说明的结构中，也可以按多个摄像单元10A的每一行使对置电极电分离。此时，形成了分别沿行方向延伸的多个带状的对置电极。与该多个对置电极相对，第1蓄积控制线32a以及第2蓄积控制线32b也可以交替地连接。如图14所示，假定了适用向多个摄像单元10A的每一行施加彼此不同的复位电压VRST这样的操作的情况。相对于奇数行的摄像单元10A的对置电极62以及偶数行的摄像单元10A的对置电极62各自，在电荷蓄积期间之外的期间，也可以供给使得像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ为0V这样的对置电极电压VOPP。根据这样的操作，在某个帧期间和下一个帧期间之间，可以在像素电极61和光电变换结构64之间不实质上产生电荷的移动，设置快门期间。
(第3实施方式)
图15示出本公开的第3实施方式的摄像装置的示例性电路结构。图15所示的摄像装置100C与上述的摄像装置100A相比，代替摄像单元10A具有摄像单元10C。
摄像单元10C分别具有一个电极与电荷蓄积节点FD连接的电容元件25。在本例子中，复位晶体管22的源极与供给规定的复位电压VRST的复位电压线37r连接。第1信号线31与电容元件25中的另一个电极连接。在图15所示出的结构中，电压供给电路41，在摄像装置100C工作时，向第1信号线31施加偏移电压VTP。
图16示出像素阵列PA中的1个摄像单元10C的电路结构的概况。如
图16示意性地所示，摄像单元10C的电荷检测部CD3包含与像素电极61和第1信号线31之间连接的电容电路CC1。在图16所示出的结构中，电容电路CC1具有上述电容元件25，第1信号线31经由电容元件25与电荷蓄积节点FD电结合。
如图16所示，第1信号线31以及像素电极61经由电容元件25电结合。根据这样的结构，也可以通过切换施加至第1信号线31的电压，使像素电极61的电位产生变化。例如，假定在复位了电荷蓄积节点FD的电位后，断开复位晶体管22，将偏移电压VTP从低电平电压VL切换至高电平的电压VH开始了信号电荷的蓄积的情况。此时，如果将偏移电压VTP从电压VL改变至电压VH，通过经由电容元件25的第1信号线31和电荷蓄积节点FD之间的电结合，电荷蓄积节点FD的电压由刚刚复位后的电压VRST开始变化。此时的电荷蓄积节点FD的电压的变化量可以如下所示求出。
电荷蓄积节点的电容值为CFD、电容元件25的电容值为C1、刚刚复位后的电荷蓄积节点FD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FD的电荷量Q可以表示为Q＝CFDVRST-C1(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FD的电压为VFD。此时，Q＝CFDVFD-C1(VH-VFD)成立。根据电荷中性条件，右侧相等来求解VFD，则得到VFD＝(C1/(C1+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FD的电压的变化量如下述式(1)所示。
(C1/(C1+CFD))(VH-VL) (1)
根据上述式(1)，电容元件的电容值C1如果远远大于CFD，则式(1)基本为(VH-VL)。即，可知根据偏移电压VTP的切换，电荷蓄积节点FD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。
通过经由电容元件的电结合，追随施加至第1信号线31的电压的变化像素电极61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61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FD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61的电位在电荷蓄积期间选择性地变化。因此，例如，在帧期间中的电荷蓄积期间中，也可以向第1信号线31施加比其它期间更高的偏移电压VTP。由此，在除了快门期间的期间中，能够使在电荷蓄积期间中的像素电极61的电位暂时地升高。即，可以使像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ在电荷蓄积期间选择地缩小，改变摄像单元10C的灵敏度。
根据经由电容元件的电结合，在信号的读出期间，施加至第1信号线31的电压返回至原来的电压电平。因此，即使在电荷蓄积期间，作为施加至第1信号线31的偏移电压VTP使用了较高的电压的情况下，也可以不改变电源电压而从摄像单元读出信号，提高摄像装置的设计自由度。即，在读出期间中，不需要更高的电源电压。
电容元件25可以为例如具有MIS(Metal-Insulator-Semiconductor：金属-绝缘层-半导体)结构的元件，电容元件25也可以为在层间绝缘层52中具有MIM(Metal-Insulator-Metal：金属-绝缘层-金属)结构的元件。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25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FD之间的寄生电容的电容值具有与电荷蓄积节点FD的电容值相比较大，无法忽视。电容元件25也可以含有2个以上的电容元件。
图17示出摄像单元的电路结构的变形例。如图17所示的摄像单元10D具有包含电容元件25的电容电路CC1和参照图12说明的反馈电路FC。通过经由电容元件25的第1信号线31和像素电极61的电结合，在例如除了快门期间的期间中，可以使电荷蓄积期间的像素电极61的电位暂时性地升高(或降低)。
(第4实施方式)
图18示出本公开的第4实施方式的摄像装置的摄像单元的示例性电路结构。在图18所示的摄像单元10E和参照图17说明的摄像单元10D之间的区别在于，摄像单元10E的光电变换部PC的光电变换结构64为包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构这一点。
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。通过对应于希望进行检测的波长域的适当的材料分别作为第1材料以及第2材料使用，能够实现在期望的波长域具有灵敏度的光电变换结构。例如，作为第1材料以及第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。作为第1材料以及第2材料，典型地可以选择电子施与性的材料。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。
例如，第1光电变换层64a的阻抗大于第2光电变换层64b的阻抗。或者第1材料的离子势大于第2材料的离子势0.2eV以上。第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的阻抗也可以满足上述的关系，或者第1材料以及第2材料的离子势满足上述的关系。此时，通过改变像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ，可以改变光电变换结构的分光灵敏度特性。
例如，通过改变像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ，能够在摄像单元10E在可见光的波长范围选择地具有灵敏度的状态和摄像单元10E除了在可见光的波长范围之外在红外线的波长范围也具有灵敏度的状态之间切换。对应于电位差Φ的分光灵敏度特性能够改变的光电变换结构的详细如下所述。
通过采用包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构的光电变换结构，能够实现更多种的功能。在采用包含具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构的光电变换结构的情况下，上述的电压供给电路41如果为具有能够切换3个电压进行施加的结构是优选的。
图19示出了如图18所示的摄像单元10E适用的摄像装置的操作的一个例子。图19所示的例子为利用了卷帘快门操作的应用例。在到目前为止说明的例子中，作为对置电极电压VOPP施加了一定的电压。但是，在摄像装置工作时，不需要将对置电极电压VOPP固定为一定值。在此，与蓄积控制线32连接的电压供给电路42构成为能够切换彼此绝对值不同的多个电压进行施加。通过构成为能够切换彼此绝对值不同的多个电压进行施加的电压供给电路42，作为电压供给电路41，能够使用更为简单构成的电路。
在本例子中，电压供给电路42在初始的帧期间中，将某个电压V2作为对置电极电压VOPP施加至蓄积控制线32。电压供给电路42，在下一个帧期间中，将与电压V2不同的另外的电压V3作为对置电极电压VOPP施加至蓄积控制线32。换言之，在如图19所示的2个帧期间之间，电压供给电路42可以切换施加至与对置电极62连接的蓄积控制线32的电压。在此，在电压V2以及电压V3之间，电压V3＜电压V2的关系成立。电压V2为例如在向第1信号线31施加了高电平的电压VH时，使像素电极61以及对置电极62之间的电位差为0V的电压。
在图19所示的例子中，电压供给电路41将高电平的电压VH以及低电平电压VL中的任意作为偏移电压VTP施加至第1信号线31。如果关注在初始的帧期间中包含的电荷蓄积期间，则电位差Φ的绝对值大于某个程度，摄像单元10E为在可见光以及红外线的波长范围具有灵敏度的状态。图19中的“|Φ|：Lrg”表示电位差Φ的绝对值较大。
如果关注在下一个帧期间中包含的电荷蓄积期间，则从电压V3＜电压V2关系，电位差Φ的绝对值减小，摄像单元10E为在可见光的波长范围选择性地具有灵敏度的状态。图19中的“|Φ|：Mid”显示与向蓄积控制线32施加电压V2的状态相比电位差Φ的绝对值相对减小。这样一来，在不同的帧之间，改变施加至对置电极62的电压。由此，可以一边使施加至第1信号线31的电压在不同的帧的电荷蓄积期间共用，一边针对某个帧期间获得基于可见光以及红外线的图像信号，针对另外的某个帧期间获得基于可见光的图像信号。
在图示的例子中，在初始的帧期间和其后的帧期间之间，高电平的电压VH被施加至第1信号线31。通过在作为对置电极电压VOPP将电压V2施加至蓄积控制线32的状态下，作为偏移电压VTP将高电平的电压VH施加至第1信号线31，可以使电位差Φ接近0，能够使摄像单元10E的灵敏度基本为0。但是，如果将对置电极电压VOPP切换至电压V3，通过增加电位差Φ的绝对值，能够产生信号电荷的蓄积或排出。图19中，两箭头P0表示的期间为属于第2行的摄像单元10E的灵敏度为实质是0的期间，两箭头P1表示的期间为属于第2行的摄像单元10E的灵敏度为实质是0的期间。为此，在图19所示的例子中，电荷蓄积期间开始前，再度实施了用于从电荷蓄积区域排出电荷的电子快门(由矩形RT1所示)。
也可以根据帧，使施加至电荷蓄积期间的第1信号线31的偏移电压VTP在彼此绝对值不同的多个电压之间切换。根据这样的控制，针对某个帧期间可以获得基于可见光以及红外线的图像信号，针对另外的某个帧期间可以获得基于可见光的图像信号。
在图19所示的例子中，在帧期间之间，切换对置电极电压VOPP，与到目前为止说明的例子同样地，也可以使对置电极电压VOPP固定为一定值。将对置电极电压VOPP固定为一定值，也可以在帧期间之间，将施加至第1信号线31的偏移电压VTP在电压VH和VL之间切换。根据这样的控制，也可以与参照图19说明的例子同样地，针对某个帧期间获得基于可见光以及红外线的图像信号，针对另外的某个帧期间获得基于可见光的图像信号。需要说明的是，在该情况下，可以省略连续的2个电荷蓄积期间之间的偏移电压VTP为电压VH的期间以及电子快门(由矩形RT1表示)期间。
(第5实施方式)
图20示出本公开的第5实施方式的摄像装置的像素阵列的示例性电路结构。图20示意地示出包含在像素阵列PA中的多个摄像单元中在行方向邻接的2个摄像单元10Ex以及10Ey的电路结构。根据第5实施方式的摄像装置的像素阵列PA例如具有以包含2个摄像单元10Ex以及10Ey的单元对10Ep为单位的重复结构。
图20中，摄像单元10Ex以及10Ey的电路结构与参照图18说明的摄像单元10E基本相同。但是，摄像单元10Ex的电容电路CC1中的电容元件25x和摄像单元10Ey的电容电路CC1中的电容元件25y具有彼此不同的电容值。
在图20所示的结构中，摄像单元10Ex的电容电路CC1的电容元件25x和摄像单元10Ey的电容电路CC2的电容元件25y均与相同的第1信号线31连接。因此，与第1信号线31连接侧的电极的电位的变化在电容元件25x以及电容元件25y之间是共同的。但是，在此，摄像单元10Ex的电容元件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变化在摄像单元10Ex以及10Ey之间也不同。以下，对于该点进行说明。
首先，假定在复位期间以及信号读取期间，作为偏移电压VTP的低电平电压VL施加至第1信号线31，在电荷蓄积期间，也将低电平电压VL施加至第1信号线31的情况。需要说明的是，在此，对置电极电压VOPP为一定的。因此，在摄像装置工作时，摄像单元10Ex的对置电极62的电位(图20中所示的A点的电位)和摄像单元10Ey的对置电极62的电位(图20中所示的B点的电位)为相等的。
在摄影之前，对摄像单元10Ex的电荷蓄积节点FDx以及摄像单元10Ey的电荷蓄积节点FDy的电位进行复位。如已经说明的，赋予暗时的图像信号的电平的像素电极61的电压电平依据施加至反相放大器49的参照电压VREF确定。在本例子中，向摄像单元10Ex的反相放大器49的非反相输入端子施加参照电压VREF1，向摄像单元10Ey的反相放大器49的非反相输入端子施加参照电压VREF2。参照电压VREF1以及VREF2可以为相同的，也可以为彼此不同的。通过对参照电压VREF1以及VREF2进行调整，例如，可以使复位后的电荷蓄积节点FDx的电位(图20中所示的C点的电位)和复位后的电荷蓄积节点FDy的电位(图20中所示的D点的电位)相同。在此，为了简便，设复位后的电荷蓄积节点FDx以及电荷蓄积节点FDy的电压为相同电压Vr。
在电荷蓄积期间将低电平电压VL施加至第1信号线31。因此，在电荷蓄积期间，像素电极61以及对置电极62之前的电位差Φ较大。为此，在本例子中，摄像单元10Ex以及10Ey中的任意一个，例如，在可见光的波长范围以及红外线的波长范围也显示灵敏度。
接下来，假定在复位期间以及信号读取期间，将作为偏移电压VTP的低电平电压VL施加至第1信号线31，在电荷蓄积期间将中间电平的电压VM施加至第1信号线31的情况。电容元件25x以及25y的电容值分别为Cx以及Cy，通过偏移电压VTP的切换，电荷蓄积节点FDx以及FDy的电压的变化根据上述式(1)，分别利用下述式(2)以及(3)表示。
(Cx/(Cx+CFD))(VM-VL) (2)
(Cy/(Cy+CFD))(VM-VL) (3)
在此，摄像单元10Ex的电容元件25x的电容值Cx相对于CFD充分大，通过偏移电压VTP的切换，电荷蓄积节点FDx的变化与(VM-VL)相同程度。施加至光电变换结构64的电压为对置电极电压VOPP的电位和电荷蓄积节点FD的电位之间的差分。由此，在与电荷蓄积节点FD的电容值CFD相比电容元件25x的电容值Cx充分大的摄像单元10Ex中，施加至光电变换结构的电位差Φ可以与施加至第1信号线31的偏移电压的变化量△VTP＝(VM-VL)同程度缩小。
另一方面，在摄像单元10Ey的电容元件25y的电容值Cy小于电容元件25x的电容值Cx，例如与CFD为相同程度的情况下，电荷蓄积节点FDy的电压的变化量不超过(VM-VL)的一半程度。或者，在电容值Cy相对于CFD为充分小的情况下，根据式(3)可知即使改变偏移电压VTP，电荷蓄积节点FDy的电压也基本不变化。
这样一来，通过经由电容元件使第1信号线31与像素电极61电结合的结构，可以使电容元件的电容值在摄像单元之间不同，可以一边使施加至第1信号线31的偏移电压VTP共用，一边使像素电极61以及对置电极62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，减小夹在第1信号线31和像素电极61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夹在第1信号线31和像素电极61之间，不会不必要地扩大施加至第1信号线31的电压的变化量，通过施加至第1信号线31的电压的切换可以使电荷蓄积节点FD的电位产生变化。
另外，根据本结构，可以一边避免电压供给电路的结构以及配线的复杂化，一边使像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ的变化在多个摄像单元之间不同。因此，例如，可以使施加至第1信号线31的偏移电压VTP一边共用，一边通过偏移电压VTP的切换，形成摄像单元10Ex的光电变换部PCx在可见光的波长范围具有灵敏度的状态，形成摄像单元10Ey的光电变换部PCy在可见光的波长范围以及红外线的波长范围具有灵敏度的状态。
例如，像素阵列PA具有包含2个摄像单元10Ex以及10Ey的单元对10Ep作为单位的重复结构，摄像单元10Ex以及10Ey为在行方向以及列方向交替配置。此时，如果施加至第1信号线31的偏移电压VTP例如从低电平变化至高电平，例如，相对于施加至摄像单元10Ex的光电变换结构64的电位差Φx缩小，施加至摄像单元10Ey的光电变换结构64的电位差Φy基本不变化。此时，通过施加至光电变换结构64的电位差Φx缩小，就摄像单元10Ex的光电变换部PCx而言，相对于红外线的灵敏度实质上消失，摄像单元10Ex为在可见光的波长范围选择性地具有灵敏度的状态。另一方面，摄像单元10Ey仍然为在可见光的波长范围以及红外线的波长范围中具有灵敏度的状态。因此，与参照图7的例子同样地，可以实现灵敏度(在本例子中，与红外线相关的灵敏度)彼此不同的摄像单元在行方向以及列方向交替配置的状态。即，可以一边使施加至第1信号线31的偏移电压VTP共用，一边使分光灵敏度特性不同的摄像单元在像素阵列PA中混合存在。因此，可以一次性获得与彼此不同的波长域的光的图像信号。
根据本公开的实施方式，例如，根据通过在电荷蓄积期间向光电变换结构64施加的电位差Φ彼此不同的2个摄像单元中的一方取得的图像信号可以构建基于可见光以及红外线的图像。另外，可以根据另一方取得的图像信号构建基于可见光的图像。进一步，通过计算出这些摄像单元的输出信号的电平之间的差分，也可以构建基于红外线的图像。这些图像分别是根据基于与蓄积在同一电荷蓄积期间的信号电荷的量的图像信号构建的图像，因此同时性获得了保证。因此，即使在对高速移动的物体进行摄影的情况下，在基于差分的图像中不产生模糊。这一点与在2个帧之间改变摄像单元的分光灵敏度特性，基于波长域彼此不同的光的多个图像信号顺序获得的情况不同。
这样一来，根据图20所示的结构，例如，根据由摄像单元10Ey取得的图像信号可以构建基于可见光的图像，根据由摄像单元10Ex取得的图像信号可以构建基于可见光以及红外线的图像。另外，通过计算摄像单元10Ex的输出信号的电平和摄像单元10Ey的输出信号的电平之间的差分，也可以构建基于红外线的图像。即，通过更为简单的结构，能够实现与图7所示的控制相同的状态。尤其是，包含具有彼此不同电容值的电容元件的摄像单元10Ex以及10Ey作为单元对10Ep的重复结构形成像素阵列PA，由于分光灵敏度特性不同的摄像单元能够在像素阵列PA中均等地配置因此在颜色分辨率这一点上是有利的。
需要说明的是，由式(2)以及(3)可知，只要能够使将第1信号线31和像素电极61进行电结合的电容元件的电容值与电荷蓄积节点的电容值之间的比在摄像单元间不同，则可以获得上述的效果。因此，不必须使对第1信号线31和像素电极61进行电结合的电容元件的电容值在邻接的摄像单元之间不同。例如，也可以使对第1信号线31和像素电极61进行电结合的电容元件的电容值在多个摄像单元之间共用，电荷蓄积节点的电容值在多个摄像单元之间不同。
在图20所示的结构中，摄像单元10Ey的光电变换部PCy具有大于摄像单元10Ex的光电变换部PCx的电极面积。光电变换部本身也具有电容，在图20所示的例子中，与摄像单元10Ex的光电变换部PCx相比，摄像单元10Ey的光电变换部PCy作为电荷蓄积区域整体的电容值大。因此，可以认为摄像单元10Ey，不易受到施加至第1信号线31的电压的切换的影响。当然，光电变换部PCx的电极面积和光电变换部PCy的电极面积相等也可以。
摄像单元10Ey的光电变换部PCy相对来说电极面积大，且电容元件25y的电容值相对小。因此，也可以认为是变换增益高、高灵敏度的单元。另一方面，摄像单元10Ex的光电变换部PCx与光电变换部PCy相比电极面积小，且电容元件25x的电容值与电容元件25y相比大。因此，相对变换增益低，对于在高照度下的摄像是有利的。在这样的结构中，如第1～第3实施方式的光电变换结构64所示，在适用了不包括具有第1光电变换层64a以及第2光电变换层64b的层叠结构的光电变换结构的情况下，通过合成这些通过2个摄像单元获得图像数据，即使针对对比度大的场景也可以形成无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”。这样一来，根据本公开的实施方式，不进行多次摄影，也可以获得用于高动态范围合成的图像数据。即，能够在广动态范围下摄影。
(第6实施方式)
图21示出本公开的第6实施方式的摄像装置的像素阵列的示例性电路结构。如图21所示的单元对10Gp与参照图20说明的单元对10Ep相比较，代替摄像单元10Ey具有摄像单元10Gy。
图21中，右侧示出的摄像单元10Gy的复位电路RS3包含具有复位晶体管22y、反相放大器49以及反馈晶体管27的反馈电路FCy。反馈晶体管27在复位晶体管22的源极和反相放大器49的输出端子之间连接。反馈晶体管27的栅极和摄像单元10Ex的复位晶体管22x的栅极与共同的信号线连接。即，反馈晶体管27的接通以及断开的操作，与摄像单元10Ex的复位晶体管22x的接通以及断开的操作可以相同。
摄像单元10Gy包含在像素电极61和第1信号线31之间连接的电容电路CC2。与摄像单元10Ex的电容电路CC1具有在像素电极61和第1信号线31之间连接的电容元件25x相对，摄像单元10Gy的电容电路CC2除了连接在像素电极61和第1信号线31之间的电容元件25y，还具有第2电容元件26y。在本例子中，摄像单元10Gy的电荷检测部其一部分不仅包含杂质区域50a(例如参照图1)，还可以包含电容元件25y以及26y。
电容元件26y的一个电极与像素电极61连接，另一个电极与复位晶体管22y的源极连接。即，电容元件26y与复位晶体管22y并联连接。电容元件26y具有小于电容元件25y的电容值的电容值。需要说明的是，在改变偏移电压VTP的状态下的信号电荷的蓄积，可以在复位晶体管22y为断开的状态下实施。
通过经由电容元件26y，电容元件26x与电荷蓄积节点FDy连接，可以抑制电荷蓄积区域整体的合成电容的増大。即，施加至第1信号线31的电压的变化向在像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ施加的影响变小。如图21所示经由电容元件26y使电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，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+(Cy1Cy2)/(Cy1+Cy2))。在上述式中，CFDy、Cy1以及Cy2分别表示电荷蓄积节点FDy的电容值、电容元件25y的电容值以及电容元件26y的电容值。在此，在电容元件26y具有较小的电容值Cy2，并且电容元件25y具有较大的电容值Cy1的情况下，信号电荷的蓄积区域整体的电容值为约(CFDy+Cy2)。即，信号电荷的蓄积区域整体的电容值的増加小。这样一来，通过经由具有较小电容值的电容元件26y将电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，可以获得相对于偏移电压VTP的变化电荷蓄积节点FDy的电位的变化减小的效果。
例如，在刚刚复位后，施加至第1信号线31的偏移电压VTP为0V，电荷蓄积节点FDx以及FDy的电位均为1V。此时，复位晶体管22x以及22y，以及反馈晶体管27为断开的状态。在此，如果使施加至第1信号线31的偏移电压VTP升高例如5V，则电荷蓄积节点FDx的电位升高例如6V。另一方面，电荷蓄积节点FDy的电位保持为例如1V不变。
另外，电容电路CC2通过包含电容元件26y，可以一边抑制变换增益的降低，一边提高噪音消除的效果。以下，对利用了负反馈的噪音消除的概况进行说明。
例如，电荷蓄积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22y以及反馈晶体管27，形成反馈环。通过形成反馈环，使信号检测晶体管21的输出负反馈。通过使信号检测晶体管21的输出负反馈，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VREF2相等的电位。
接下来，断开复位晶体管22y。通过复位晶体管22y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22y的断开的kTC噪音相加。复位晶体管22y断开后，如下所述，实施该kTC噪音的消除。
在接通反馈晶体管27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，由于断开复位晶体管22y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22y之前(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49的正侧的输入端子的参照电压VREF2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VREF2，能够在较短的时间内消除kTC噪音。
接下来，断开反馈晶体管27。伴随反馈晶体管27的断开产生kTC噪音。但是，起因于反馈晶体管27的断开、电荷蓄积节点FDy的电压相加kTC噪音的大小，与不在摄像单元10Gy中设置电容元件25y以及电容元件26y，将反馈晶体管27与电荷蓄积节点FDy直接连接的情况相比，为(CFDy/Cy1)1/2×(Cz2/(Cy2+CFDy))倍(式中“×”表示乘法)。
根据上式，可知电容元件25y的电容值Cy1越大，产生的噪音本身越小，电容元件26y的电容值Cy2越小，衰减率越大。通过适当地设定电容值Cy1以及Cy2，通过断开反馈晶体管27产生的kTC噪音能够充分缩小。反馈晶体管27的断开后，进行消除了kTC噪音的信号的读出。
在复位晶体管22y以及反馈晶体管27为断开的状态下，电容元件25y经由电容元件26y与电荷蓄积节点FDy连接。在此，假定不经由电容元件26y，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+Cy1)。即，由于电容元件25y具有较大的电容值Cy1，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21所示，如果经由电容元件26y，电容元件25y与电荷蓄积节点FDy连接，电容值Cy2比较小，并且电容值Cy1比较大，如上所述，信号电荷的蓄积区域整体的电容值大约为(CFDy+Cy2)。即，信号电荷的蓄积区域整体的电容值的増加小，变换增益的降低得到了抑制。
图22示出了本公开的第6实施方式的摄像装置的像素阵列的变形例。如图22所示，单元对10Fp包含上述摄像单元10Ex和摄像单元10Fy。摄像单元10Fy不具有使第1信号线31与像素电极61电结合的电容元件。在第1信号线31和电荷蓄积节点FDy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FDy的电容值相比较小，可以忽视。即，第1信号线31在于摄像单元10Fy之间不具有有意的电结合。
如图22所示，也可以有意地使不具有使第1信号线31与像素电极61电结合的电容元件的摄像单元包含在像素阵列PA中。即，也可以使通过施加至第1信号线31的偏移电压VTP的切换分光灵敏度特性不变化的摄像单元Fy包含在像素阵列PA中。根据这样的结构，相对于经由电容元件使像素电极61与第1信号线电结合的摄像单元，可以产生选择性地分光灵敏度特性的变化。
图23示出使用了图21所示的摄像单元10Ex以及10Gy的摄像装置的操作的一个例子。图23所示的例子为利用了卷帘快门操作的应用例。
如图23所示，在此，电压供给电路41，在由矩形EXP表示的电荷蓄积期间将高电平电压VH施加至第1信号线31，在电荷蓄积期间之外的期间将低电平电压VL施加至第1信号线31。需要说明的是，在图23中，通过图4中的矩形RD1、RD2表示，信号读出期间，以及通过矩形RT2表示的复位期间通过单一矩形RD/RT表示。需要说明的是，在图23中通过矩形RT1表示的用于复位的期间与通过矩形RD/RT表示的期间所包含的用于复位的期间分别包括形成反馈环的期间。
在此，为了简便，复位后的电荷蓄积节点FDx以及电荷蓄积节点FDy的电压为相同电压VR。如果关注各行的电荷蓄积期间，电压供给电路41，在电荷蓄积期间的开始时刻，将施加至第1信号线31的偏移电压VTP，从复位时施加的低电平电压VL切换至高电平电压VH。此时，在摄像单元10Ex的电容元件25x的电容值Cx与电荷蓄积节点FDx的电容值CFDx相比充分大的情况下，通过使偏移电压VTP从低电平电压VL升高至电压VH，像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ缩小。图23中的“|Φ|：Mid”表示与向第1信号线31施加低电平电压VL的状态相比较，电位差Φ的绝对值相对变小。通过缩小电位差Φ，摄像单元10Ex，例如与红外线的波长范围相关的灵敏度降低，为在可见光波长范围选择地具有灵敏度的状态。
摄像单元10Gy的电容元件25y的电容值Cy如果与电荷蓄积节点FDy的电容值CFDy相比充分小，则根据上述的理由，即使将偏移电压VTP从低电平电压VL升高至电压VH，像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ的绝对值为保持为较大值。图23中的“|Φ|：Lrg”表示电位差Φ的绝对值较大。由于电位差Φ的绝对值较大，因此，摄像单元10Gy为例如在可见光以及红外线的波长范围具有灵敏度的状态。
通过在信号电荷的蓄积开始前提高偏移电压VTP，在电荷蓄积期间开始的时刻，在摄像单元10Ex和摄像单元10Gy之间像素电极61的电位彼此不同。为此，在摄像单元10Ex和摄像单元10Gy之间的电位差Φ也彼此不同，可以实现分光灵敏度特性不同的摄像单元混合存在于像素阵列PA中的状态。在摄像单元10Ex以及10Gy为行方向相互邻接的2个摄像单元，并且像素阵列PA具有包含摄像单元10Ex以及10Gy的单元对10Gp为单位的重复结构情况下，可以实现分光灵敏度特性不同的摄像单元混合存在于同一行中的状态。需要说明的是，上述的电位差Φ的大小关系也可以显示相对的关系，实现较大情况的电位差Φ低于10V。
在此，横跨电荷蓄积期间，对置电极电压VOPP为一定的某个电压V1，并且，在置位后的电荷蓄积节点FDx以及电荷蓄积节点FDy的电压为相同电压VR。为此，在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蓄积在电荷蓄积区域中的时刻，施加至摄像单元10Ex的光电变换结构64的电位差Φx和施加至摄像单元10Gy的光电变换结构64的电位差Φy之间成立Φx≠Φy的关系。即，在开始信号电荷的蓄积前，施加至光电变换结构64的偏压在摄像单元10Ex和摄像单元10Gy之间可以不同。需要说明的是，摄像单元10Ex以及摄像单元10Gy在彼此邻接等、靠近设置的情况下，射入摄像单元10Ex以及摄像单元10Gy的光的量也基本相等。因此，此时，在它们之间电荷蓄积期间如果共用，则各自的电荷蓄积区域的电位变化量之差小，横跨电荷蓄积期间均可以成立Φx≠Φy的关系。在此需要关注的是如下点，即在摄像单元10Ex以及摄像单元10Gy之间，有意要形成在信号电荷的蓄积即将开始前Φx≠Φy的关系成立的状态。
电荷蓄积期间结束后，电压供给电路41使施加至第1信号线31的偏移电压VTP从高电平的电压VH返回至低电平电压VL。然后，实施了信号电荷的读出。在摄像单元10Ex以及10Gy为像素阵列PA中相互邻接2个摄像单元的情况下，图像中的1个像素的像素值也可以通过由这些摄像单元的组获得的图像信号来确定。例如，也可以与在像素阵列PA中包含的摄像单元10Ex以及10Gy的多个组的各像素对应，从包含在像素阵列中的摄像单元10Ex以及10Gy的多个组分别抽出摄像单元10Ex的输出，确定各像素的像素值。由此，可以构建基于可见光的图像。或者，摄像单元10Gy的输出以及摄像单元10Ex的输出之间的差分如果为各像素的像素值，可以构建基于可见光的图像。也可以相对于摄像单元10Ex的输出信号和/或摄像单元10Gy的输出信号进行以规定的增益进行放大然后进行减法处理。此时，不需要摄像单元10Ex以及10Gy之间的增益为一致的。只要针对摄像单元10Ex以及10Gy的每一组确定增益之比即可。
通过在像素阵列PA中靠近设置的摄像单元10Ex以及10Gy的各自取得的图像信号，为基于不同的波长域的光的信号的同时还保证了同时性。即，可以获得基于彼此不同的波长域的光的多个图像信号。在从通过在像素阵列PA中相互邻接的2个摄像单元的组获得的图像信号确定图像中的1个像素的像素值的情况下，这些摄像单元(例如上述摄像单元10Ex以及10Gy)之间的1个微镜头和/或滤色器可以共享。例如不必须对应于摄像单元的各自配置微镜头74。
如图23所示，可以在信号电荷读出结束后，可以持续地开始信号电荷的蓄积。即，可以连续地获得多个帧的图像信号，对摄像所需要的时间的缩短产生贡献。
如以上所说明的，根据本公开的实施方式，在包含在某个帧期间的电荷蓄积期间中，可以控制像素电极61以及对置电极62之间的电位差Φ使得在像素阵列PA中的一部分的摄像单元和其它摄像单元之间不同。在某个实施方式中，通过施加至第1信号线31的电压的变化改变像素电极61的电位。根据这样的方式，施加至像素电极61的电位的变化的大小在属于同一行或同一列的摄像单元之间不同也比较容易。像素电极61与第1信号线31电分离的摄像单元也可以有意地混合存在于在像素阵列PA中。
(变形例)
图24示出具有本公开的实施方式的摄像装置的摄像模块的功能块。图24所示的摄像模块200具有上述任意实施方式的摄像装置100(例如摄像装置100A)和处理电路110。摄像模块200对通过摄像装置100得到的信号进行处理输出至外部。
处理电路110为例如DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)，接受来自摄像装置100的输出(数字像素信号DS)。处理电路110实施例如γ校正、颜色插补处理、空间插补处理、以及自动白平衡等处理。处理电路110，也可以为依据由用户指定的各种设定控制摄像装置100，对摄像模块200整体的操作进行整合的微计算机等。
处理电路110对由摄像装置100输出的数字像素信号DS进行处理，例如，算出针对G像素、B像素以及R像素各自的最适合的复位电压(VRG、VRB以及VRR)。处理电路110将该复位电压反馈至摄像装置100的电压供给电路41。在此，VRG、VRB以及VRR分别表示与G像素相关的复位电压、与B像素相关的复位电压以及与R像素相关的复位电压。复位电压也可以为由反馈线33或垂直信号线34传递的反馈信号。摄像装置100和处理电路11也可以作为一个半导体装置(所谓SOC(System on a Chip：芯片上系统))制造。由此，可以对使用了摄像装置100的电子仪器进行小型化。不进行模块化，仅将摄像装置100作为产品当然也是可能的。此时，也可以将信号处理电路与摄像装置100外部连接，在摄像装置100的外部进行信号处理。
如以上说明的，在本公开的实施方式中，在电压供给电路41以及电压供给电路42中至少电压供给电路41构成为能够切换多个电压输出。例如，电压供给电路41，在电荷蓄积期间和快门期间之间，切换彼此绝对值不同的电压施加至第1信号线31。通过切换施加至与像素电极61电结合的第1信号线31的电压，可以以电的方式切换各种操作。例如，通过切换施加至第1信号线31的电压，可以将像素阵列PA中的摄像单元的灵敏度一起降低实施全局快门。
电压供给电路41只要可以构成为在摄像装置工作时向第1信号线31施加规定的电压即可。电压供给电路41不限于特定的电源电路，可以为生成规定电压的电路，也可以为将由其它电源供给的电压改变为规定的电压的电路。关于与蓄积控制线32连接的电压供给电路42也是同样的，在摄像装置工作时，构成为能够向蓄积控制线32施加规定的电压即可。电压供给电路41以及42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中的一方或两者也可以为垂直扫描电路48的一部分。或者，来自电压供给电路41的电压和/或来自电压供给电路42的对置电极电压可以经由垂直扫描电路48供给至各摄像单元。
电压供给电路41可以构成为将彼此不同的3个以上的电压施加至第1信号线31。电压供给电路41能够切换供给的电压电平不限于离散的电压电平。也可以将复位电压VRST、参照电压VREF或偏移电压VTP作为模拟信号从电压供给电路41施加至第1信号线31。关于电压供给电路42也是同样的，切换彼此不同的3个以上的电压由电压供给电路42施加至蓄积控制线32，也可以将连续变化的电压由电压供给电路42施加至蓄积控制线32。
(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PC、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材料以及第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25示出光电变换部的剖面结构的一个例子。
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25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25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25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。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，阻抗与光电变换层的厚度相关，在光电变换层为包含多个材料的情况下，阻抗也与光电变换层中的这些材料的体积比相关。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材料以及第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26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，作为第1材料以及第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 GDA0001599133260000581
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 GDA0001599133260000591
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 GDA0001599133260000592
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30所示，波长在约870nm的位置具有吸收峰。图30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27示出光电变换部PC的剖面结构的另一例子。如图27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27以及上述图25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25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25以及图27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材料以及第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28为光电变换部PC的另一其它结构例中的能量图。图28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28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28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29示出CZBDF的化学式。如图28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28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28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材料的离子势中减去第1材料的离子势之差
Figure GDA0001599133260000631
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28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31示出实施例1-1的样品的外部量子效率的电压依存性。图31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31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31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31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31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32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32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32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32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25)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32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32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33显示参考例1的样品的外部量子效率的电压依存性。
如图33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33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34以及图35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34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35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 GDA0001599133260000691
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36以及图37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36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37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 GDA0001599133260000711
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28)。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38显示关于实施例2-2的样品的能量图。如图38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39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39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40显示关于比较例2-2的样品的能量图。如图40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41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41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36～图41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。
(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42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42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42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42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或64B)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42所示，例如光电变换结构64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42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42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42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。本公开的摄像装置可以用于数字照相机、医疗用照相机、机器人用照相机等。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，即使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。
符号说明
10、10A～10E 摄像单元
10Ex、10Hx、10Ey、10Fy、10Gy、10Hy 摄像单元
10Ep、10Fp、10Gp 单元对
21 信号检测晶体管
22、22x、22y 复位晶体管
23 地址晶体管
25、25x、25y、26x、26y 电容元件
27 反馈晶体管
31、31a 第1信号线
31b 第2信号线
32、32a、32b 蓄积控制线
33 反馈线
34 垂直信号线
36 电源线
37r 复位电压线
41 (第1)电压供给电路
42 (第2)电压供给电路
43、43A、43B 选择电路
49 反相放大器
50 半导体基板
52 层间绝缘层
54 连接部
61 像素电极
62、62x、62y 对置电极
64、64a、64b 光电变换结构
64a 第1光电变换层
64b 第2光电变换层
100、100A～100D、100H 摄像装置
110 处理电路
200 摄像模块
CC1、CC2 电容电路
CD、CD1、CD3、CDx、CDy 电荷检测部
CD 列信号线
FC、FCy 反馈电路
FD、FDx、FDy 电荷蓄积节点
PA 像素阵列
PC、PCx、PCy 光电变换部
RD 读出电路
RS1～RS3、RSx1、RSy1 复位电路
RD 行信号线
SL 行选择电路
64eb 电子阻挡层
64hb 空穴阻挡层
64m 混合层

Claims (11)

1.一种摄像装置，具备：
摄像单元，包括光电变换部和电荷检测电路，所述光电变换部包含：第1电极；第2电极；以及所述第1电极和所述第2电极之间的光电变换层，并且通过光电变换生成信号电荷，所述电荷检测电路与所述第1电极连接，将所述信号电荷蓄积在电荷蓄积区域中，并检测所蓄积的所述信号电荷；
信号线，与所述第1电极电结合；以及
电压供给电路，选择性地向所述信号线供给第1电压、以及与所述第1电压不同的第2电压，从而在所述信号电荷即将被蓄积到所述电荷蓄积区域之前将所述第1电极的电位复位。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述电荷检测电路包含：
第1晶体管，该第1晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述信号线连接。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，
还具备：
选择电路，与第1控制线、以及第2控制线连接，
所述选择电路基于所述第1控制线的电压、以及第2控制线的电压，切换所述第1晶体管的接通和断开。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，
还具备：
反相放大器，具有反相输入端子、非反相输入端子、以及输出端子，
所述电荷检测电路包括：
第1晶体管，该第1晶体管的源极以及漏极中的一方与所述第1电极连接，所述源极以及所述漏极中的另一方与所述输出端子电连接；以及
第2晶体管，该第2晶体管的栅极与所述第1电极连接，源极以及漏极中的一方与所述反相输入端子电连接，
所述信号线与所述非反相输入端子连接。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述电荷检测电路包含一个端子与所述第1电极连接、另一个端子与所述信号线连接的第1电容元件。
6.根据权利要求2所述的摄像装置，其中，
所述电压供给电路，
在第一帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第1电压，
在与所述第一帧期间不同的第二帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第2电压。
7.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，
所述电压供给电路，
在第一帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第1电压，
在与所述第一帧期间不同的第二帧期间内的复位期间，向所述信号线供给所述第2电压。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的摄像装置，其中，
所述光电变换层包含相互层叠的第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。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的摄像装置，其中，
所述光电变换层包含相互层叠的第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。
10.根据权利要求8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。
11.根据权利要求9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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