CN110651366A - 固体摄像元件及摄像装置 - Google Patents

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Abstract

固体摄像元件(100)具备以矩阵状配置有多个像素单元(10)的像素阵列；各像素单元(10)具备雪崩光电二极管(1)、蓄积电荷的浮动扩散部(2)、将雪崩光电二极管(1)的阴极与浮动扩散部(2)连接的传输晶体管(3)、用于将集电于雪崩光电二极管(1)的阴极的电荷复位的第1复位晶体管(4)、用于将蓄积在浮动扩散部(2)中的电荷复位的第2复位晶体管(5)、用于将蓄积在浮动扩散部(2)中的电荷的电荷量变换为电压的放大晶体管(6)、蓄积电荷的存储部(7)、以及将浮动扩散部(2)与存储部(7)连接的计数晶体管(8)。

Description

固体摄像元件及摄像装置
技术领域
本发明涉及固体摄像元件，特别涉及检测微弱的光的固体摄像元件。
背景技术
以往，已知有检测微弱的光、具有光子计数功能的固体摄像元件(参照专利文献1、专利文献2、非专利文献1等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7－67043号公报
专利文献2：日本特开昭61－152176号公报
非专利文献
非专利文献1：ISSW 2013 9.8um SPAD－based Analogue Single PhotonCounting Pixel with Bias Controlled Sensitivity
发明内容
发明要解决的课题
但是，在以往的具有光子计数功能的固体摄像元件中，由于像素单元的尺寸比较大，所以并不一定适合于高集成化。
所以，本发明的目的是提供一种比以往更适合于高集成化的具有光子计数功能的固体摄像元件及摄像装置。
用于解决课题的手段
本发明的固体摄像元件具备以矩阵状配置有多个像素单元的像素阵列；各像素单元具备：雪崩光电二极管，具有第1模式和第2模式，在上述第1模式中，在被施加第1偏压的状态下光子入射的情况下，将与引起光电变换的光子的数量大致成比例的电荷量的电荷集电于阴极，在上述第2模式中，在被施加电位差比上述第1偏压大的第2偏压的状态下光子入射的情况下，当1个光子引起光电变换时，将饱和电荷量的电荷集电于阴极；浮动扩散部，蓄积电荷；传输晶体管，将上述雪崩光电二极管的阴极与上述浮动扩散部连接；第1复位晶体管，用于将集电于上述雪崩光电二极管的阴极的电荷复位；第2复位晶体管，用于将蓄积在上述浮动扩散部中的电荷复位；放大晶体管，用于将蓄积在上述浮动扩散部中的电荷的电荷量变换为电压；存储部，蓄积电荷；以及计数晶体管，将上述浮动扩散部与上述存储部连接。
此外，优选的是，上述存储部的电容是上述浮动扩散部的电容的5倍以上。
此外，优选的是，上述存储部是层叠构造的电容器。
此外，优选的是，上述存储部是具备电极、半导体层、以及上述电极与上述半导体层之间的绝缘层的电容器。
此外，优选的是，上述存储部是具备第1电极、第2电极、以及上述第1电极与上述第2电极之间的绝缘层的电容器。
此外，优选的是，上述雪崩光电二极管、上述浮动扩散部、上述传输晶体管、上述第1复位晶体管、上述第2复位晶体管和上述放大晶体管形成于半导体基板；上述电容器由夹着绝缘层相互对置的第1电极及第2电极构成；上述第1电极和上述第2电极形成于位于上述半导体基板的主平面的垂直方向上方的布线层区域；各像素单元的上述第1电极相互不经由导通孔而被连接。
此外，优选的是，上述第1电极在上述像素阵列外部经由导通孔被接地到规定电位。
此外，优选的是，上述第1复位晶体管的阈值电压是上述传输晶体管的阈值电压以下。
此外，优选的是，栅极被施加第1电压的状态下的上述第1复位晶体管的源极－漏极间的势垒比栅极被施加第2电压的状态下的上述传输晶体管的源极－漏极间的势垒低。
此外，优选的是，将集电于上述雪崩光电二极管的阴极的电荷中的比上述第1复位晶体管的源极－漏极间的势垒高的电势的电荷的至少一部分传输给上述第1复位晶体管的漏极。
此外，优选的是，在以上述第2模式动作的情况下，向上述传输晶体管的栅极施加第3电压的状态下的源极－漏极间的势垒比通过上述第2复位晶体管进行了初始化的状态下的上述浮动扩散部的电势高。
此外，优选的是，在以上述第1模式动作的情况下，向上述传输晶体管的栅极施加第4电压的状态下的源极－漏极间的势垒是通过上述第2复位晶体管进行了初始化的状态下的上述浮动扩散部的电势以下。
本发明的摄像装置具备：上述固体摄像元件；以及信号处理电路，基于从上述固体摄像元件输出的信号，将向上述雪崩光电二极管施加的偏压设定为上述第1偏压和上述第2偏压中的某一个。
发明效果
根据上述结构的固体摄像元件，能够使用比以往少的元件数的像素单元，实现具有光子计数功能的固体摄像元件。因此，能够使像素单元的尺寸比以往小。
因而，根据上述结构的固体摄像元件，能够提供比以往更适合于高集成化的具有光子计数功能的固体摄像元件。
此外，上述结构的摄像装置具备上述结构的固体摄像元件。
因而，根据上述结构的摄像装置，能够提供比以往更适合于高集成化的摄像装置。
附图说明
图1是有关实施方式的像素单元的电路图。
图2是表示动作模式的切换事例的图。
图3是有关实施方式的像素单元的第1布局例的剖视图。
图4是有关实施方式的像素单元的第2布局例的剖视图。
图5是有关实施方式的像素单元的第3布局例的剖视图。
图6是有关实施方式的像素单元的第4布局例的剖视图。
图7是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之1。
图8A是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之2。
图8B是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之2。
图8C是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之3。图8D是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之4。图8E是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之5。图8F是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之6。图8G是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之7。
图8H是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之8。
图8I是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之9。
图8J是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之10。
图8K是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之11。
图8L是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之12。
图9H是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之13。
图9I是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之14。
图9J是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之15。
图9K是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之16。
图9L是盖革倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之17。
图10A是盖革倍增模式时的光子计数驱动次序的时间图之1。
图10B是盖革放大模式时的光子计数驱动次序的时间图之2。
图11A是表示盖革放大模式时的光子计数特性的特性图之1。
图11B是表示盖革放大模式时的光子计数特性的特性图之2。
图11C是表示比较例的盖革放大模式时的光子计数特性的特性图之1。
图11D是表示比较例的盖革放大模式时的光子计数特性的特性图之2。
图12A是线性倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之1。
图12B是线性倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之2。
图12C是线性倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之3。
图12D是线性倍增模式时的有关实施方式的像素电路的电势图之4。
图13是线性放大模式时的驱动次序的时间图。
图14是表示有关实施方式的摄像装置的结构的框图。
图15A是以往的固体摄像元件的概念图。
图15B是表示以往的固体摄像元件的动作的时间图。
图15C是表示以往的固体摄像元件的计数器电路的框图。
图16是以往的固体摄像元件的概念图。
图17A是以往的像素电路的电路图。
图17B是表示以往的像素电路的动作的时间图。
图17C是表示以往的光子数的计测动作的时间图。
具体实施方式
(得到本发明的一技术方案的经过)
近年来，在医疗、生物、放射线计测等各种领域中，需要正确地计测达到1光子的微弱光的微弱光传感器。目前，作为微弱光传感器而广泛地使用光电倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)。但是，作为真空管设备的PMT再小也有10mm×10mm左右的大小，所以难以实现多像素化。此外，为了使用PMT来进行成像，需要通过在XY面内对被摄体进行扫描等方法来收集被摄体的各点的信息后进行图像化的处理，所以难以进行实时的摄影。在这种状况中，为了同时实现微弱光传感器的多像素化和高速化，希望微弱光传感器的固体摄像元件化。
作为检测微弱光的固体摄像元件之一，提出了对由光电二极管引起了光电变换的光子进行计数、并作为数字值的信号而将计数结果传输到像素之外的光子计数型固体摄像元件。
例如，专利文献1及专利文献2所记载的光子计数型固体摄像元件中，如果图15A所示的电路的光电二极管在图15B所示的定时的复位期间1个以上的光子引起光电变换，则判定为有光子而产生脉冲信号。并且，通过该脉冲信号，使图15C所示的数字计数器电路的计数值增加1个。
但是，在如专利文献1及专利文献2那样将数字计数型电路作为计数机构搭载在像素中的情况下，计数电路即使是1比特也如图16所示那样电路规模变大。如果为了得到希望的灰阶而增加比特数，则电路元件数和与比特数相当的信号线成比例地增加，所以像素单元尺寸变大，可知多像素化变得困难。
进而，近年来也实际存在如非专利文献1中那样具有将连接着负荷电阻且被施加了击穿电压以上的高电压的雪崩光电二极管(所谓的盖革模式APD)阵列排列的构造的固体摄像元件。该固体摄像元件为了解决上述以往的数字计数型电路的课题，将模拟电路作为计数机构搭载在像素电路中。在图17A中表示该像素电路。
该像素电路中，每当在图17B所示的定时光子向受光元件入射，则检测机构从保持着初始电压的保持机构MC将电荷进行放电。但是，实际上，根据基于光子能量的强弱的振幅VIN的偏差和控制晶体管M7的寄生电容CP的偏差，从保持机构放电的电荷量也有偏差，所以保持机构MC的电压VC的ΔV不是一定的。光子数的计测如图17C所示将复位电压与减去ΔV累计时的保持机构MC的电压VC比较来进行，但根据ΔV的偏差，难以正确地计测光子数。
发明人鉴于上述课题，想到了以下的结构的固体摄像元件：搭载的计数电路用1个晶体管和1个存储器元件缓和光子引起光电变换时的受光元件的振幅偏差，消除每一光子的模拟累计信号量的误差而抑制光子检测数与计数值的偏差，并且与通常的数字计数电路相比大幅削减元件数，进而即使用1条模拟信号线也能够读出计数值。由此，能够实现在具有高性能的光子计数功能的同时减小了像素尺寸的多像素固体摄像元件。
(实施方式)
以下，参照附图对有关实施方式的固体摄像元件进行说明。
[1.结构]
有关实施方式的固体摄像元件具备以矩阵状配置有多个像素单元的像素阵列。
图1是有关本实施方式的像素单元10的电路图。
如该图所示，像素单元10具备雪崩光电二极管1、蓄积电荷的浮动扩散部2、将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2连接的传输晶体管3、用于将集电于雪崩光电二极管1的阴极的电荷复位的第1复位晶体管4、用于将蓄积在浮动扩散部2中的电荷复位的第2复位晶体管5、用于将蓄积在浮动扩散部2中的电荷的电荷量变换为电压的放大晶体管6、蓄积电荷的存储部7、以及将浮动扩散部2与存储部7连接的计数晶体管8。像素单元10也可以还具备将放大晶体管6与垂直信号线Vsig连接的选择晶体管9。
这里，雪崩光电二极管1具有：第1模式，在被施加第1偏压(例如－25V)的状态下光子入射的情况下，将与引起光电变换的光子的数量大致成比例的电荷量的电荷集电于阴极；以及第2模式，在被施加电位差比第1偏压大的第2偏压(例如－27V)的状态下光子入射的情况下，如果1个光子引起光电变换，则将饱和电荷量的电荷集电于阴极。
这里，将把与引起光电效应的光子的数量大致成比例的电荷在阴极进行集电的、雪崩光电二极管1的第1动作模式也称作线性倍增模式，将如果1个光子引起光电效应则将饱和电荷量的电荷在阴极进行集电的、雪崩光电二极管1的第2动作模式也称作盖革倍增模式。
以下，有时将雪崩光电二极管1称作APD、将浮动扩散部2称作FD、将传输晶体管3称作TRN－TR、将第1复位晶体管4称作ADPRST－TR、将第2复位晶体管5称作FDRST－TR、将放大晶体管6称作SF－TR、将计数晶体管8称作MCT－TR。
另外，这里假设第1偏压例如是－25V、第2偏压例如是－27V而进行说明，但这些具体例不过是一例。即，第1偏压只要是能够将与引起光电变换的光子的数量大致成比例的电荷量的电荷集电于阴极的值，则怎样的值都可以，第2偏压只要是电位差比第1偏压大、且如果1个光子引起光电变换则能够将饱和电荷量的电荷集电于阴极的值，则怎样的值都可以。
接着，对与像素单元10连接的信号进行说明。
APDRST是对第1复位晶体管4进行控制的信号，是将雪崩光电二极管1的阴极的电荷复位的APD复位信号。
TRN是对传输晶体管3进行控制的信号，是将雪崩光电二极管1的阴极的电荷向浮动扩散部2传输的传输信号。
FDRST是对第2复位晶体管5进行控制的信号，是将浮动扩散部2的电荷复位的FD复位信号。
MCT是对计数晶体管8进行控制的信号，是对浮动扩散部2与存储部7的连接状态进行控制的光子计数信号。
SEL是对选择晶体管9进行控制的信号，是行选择信号。
APDBIAS是向雪崩光电二极管1的阳极侧施加的电源。
APDRSD是雪崩光电二极管1的复位漏极电源。
FDRSD是浮动扩散部2的复位漏极电源。
PIXVDD是放大晶体管6的电源。
像素单元10通过使APDBIAS变化，能够使雪崩光电二极管1的倍增率变更。
例如，如图2所示，在被摄体的照度比0.1lx亮的情况下，也可以将APDBIAS设为－25V，将雪崩光电二极管1的动作模式设为线性倍增模式。在该线性倍增模式时，雪崩光电二极管1与通常的图像传感器同样，在阴极进行集电的电荷的量与照度大致成比例地增加。
此外，在被摄体的照度不比0.1lx亮的情况下，也可以将APDBIAS设为－27V，将雪崩光电二极管1的动作模式设为盖革倍增模式。在该盖革倍增模式时，雪崩光电二极管1如果1个光子引起光电变换则发生雪崩击穿，在阴极集电的电荷的量达到饱和电平。光子引起了光电效应的像素单元10进行饱和输出而成为纯白的图像，光子没有引起光电效应的像素成为纯黑的图像，所以被摄体的图像以黑白2值的点密度被呈现。为了将其以有灰阶性的图像呈现，在该像素单元10中搭载存储部7。
对存储部7而言，其电容越大则蓄积的电荷量越增加，能够累计更多的光子，所以具有能够将输出电压的动态范围扩大的特性。
在图3中表示关于像素单元10的第1布局例的剖视图。
如该图所示，在该第1布局例中，存储部7由具备电极、半导体层、以及在电极与半导体层之间的绝缘层的层叠构造的电容器实现。
在图4中表示关于像素单元10的第2布局例的剖视图。
如该图所示，在该第2布局例中，通过将层叠构造的电容器形成于位于半导体基板的主平面的垂直方向上方的布线层区域来实现存储部7。该电容器例如也可以是具备由TiN部件构成的第1电极72、由TiN部件构成的第2电极73、以及在第1电极72与第2电极73之间由SiN部件构成的绝缘层71的结构。这里，第1电极72和第2电极73夹着绝缘层71相互对置。
这样，第2布局例的像素单元10由于存储部7被配置在布线层中，所以与第1布局例的像素单元10相比能够缩小像素尺寸。
这里，在该第2布局例中，以光子从半导体基板的主平面的垂直方向上方(即表面侧)入射为前提。因此，需要在布线层区域的一部分设置用于使光子向雪崩光电二极管1入射的开口部。
在图5中表示关于像素单元10的第3布局例的剖视图。
在该第3布局例中，是以光子从半导体基板的背面侧入射为前提的布局例。
第3布局例的像素单元10由于光子从半导体基板的背面侧入射，所以不需要在布线区域设置开口部。由此，第3布局例的像素单元10与第2布局例的像素单元10相比能够使存储部7的电容变大。此外，第3布局例的像素单元10能够使雪崩光电二极管1的开口面积变大到像素单元10的单元尺寸左右。因此，第3布局例的像素单元10与第2布局例的像素单元10相比能够提高光电变换效率。
在图6中表示关于像素单元10的第4布局例的剖视图。
如图3～图6所示，作为构成存储部7的一方的平板电极的第1电极(以下称作“VSSA电极”)连接于固定电压VSSA。如图3～图5所示，在第1～第3布局例中，VSSA电极在像素单元10内经由导通孔连接于固定电压VSSA。相对于此，如图6所示，在第4布局例中，像素单元10的VSSA电极不经由导通孔而与周围的像素单元10的VSSA电极连接，在像素单元10的外部即像素阵列的外部经由导通孔连接于固定电压VSSA。因此，第4布局例的像素单元10不需要在像素单元10的内部配置固定电压VSSA用的布线以及将VSSA电极与固定电压VSSA连接的导通孔。由此，第4布局例的像素单元10能够使存储部7的尺寸变大到像素单元10的单元尺寸左右。因此，第4布局例的像素单元10与第3布局例的像素单元10相比能够使存储部7的电容变大。
图7是雪崩光电二极管1为盖革倍增模式的情况下的像素单元10的电势图。
如上述那样，雪崩光电二极管1在盖革倍增模式的情况下，如果1个光子引起光电变换，则发生雪崩击穿，在阴极集电的电荷的量超过最大蓄积量。并且，如果超过最大蓄积量的电荷向浮动扩散部2、存储部7、进而向相邻的像素单元10溢出，则发生所谓的光晕(blooming)的现象。
如果发生光晕，则在像素间混色而不析像，不能进行图像识别。为了抑制该情况，如图7所示，第1复位晶体管4(APDRST－TR)将截止时的电势设定为比传输晶体管3(TRN－TR)的截止时的电势低。即，栅极被施加第1电压(使第1复位晶体管4(APDRST－TR)截止的电压)的状态下的第1复位晶体管4(APDRST－TR)的源极－漏极间的势垒变得比栅极被施加第2电压(使传输晶体管3(TRN－TR)截止的电压)的状态下的传输晶体管3(TRN－TR)的源极－漏极间的势垒低。设定的方法可以考虑使第1复位晶体管4(APDRST－TR)的阈值Vt比传输晶体管3(TRN－TR)的阈值Vt低。或者，将第1复位晶体管4(APDRST－TR)的截止时的APDRST的信号电平(LOW(低)电平)设定得比传输晶体管3(TRN－TR)的截止时的TRN的信号电平(LOW电平)高等。这样，第1复位晶体管4(APDRST－TR)通过将截止时的电势设定得比传输晶体管3(TRN－TR)的截止时的电势低，将雪崩光电二极管1以所需以上产生的电荷向APDRSD电源排出。即，将集电于雪崩光电二极管1的阴极的电荷中的比第1复位晶体管4(APDRST－TR)的源极－漏极间的势垒高的电势的电荷的至少一部分向第1复位晶体管4(APDRST－TR)的漏极传输。通过使用APDRSD电源作为所谓的溢出漏极，能够抑制光晕。
[2.动作]
以下，参照附图对具备上述结构的像素单元10的有关本实施方式的固体摄像元件进行的动作进行说明。
图8A～图8L及图9H～图9L是将雪崩光电二极管1的动作模式是盖革倍增模式的情况下的光子计数驱动次序用电势表示的电势图。图10A、图10B是将雪崩光电二极管1的动作模式是盖革倍增模式的情况下的光子计数驱动次序以定时表示的时间图。图11A、图11B是表示雪崩光电二极管1的动作模式是盖革倍增模式的情况下的光子计数特性的特性图。
如果开始光子计数驱动次序，则首先将第1复位晶体管4(APDRST－TR)、第2复位晶体管5(FDRST－TR)和计数晶体管8(MCT－TR)导通，将雪崩光电二极管1的阴极、浮动扩散部2和存储部7初始化(复位)。
如图8A所示，通过上述初始化，雪崩光电二极管1的阴极、浮动扩散部2和存储部7被设定为3.3V的电势。
接着，将第1复位晶体管4(APDRST－TR)、第2复位晶体管5(FDRST－TR)和计数晶体管8(MCT－TR)截止。此时，将第1复位晶体管4(APDRST－TR)的截止电平与传输晶体管3(TRN－TR)的截止电平相比将电势保持得较低。
如图8B所示，该第1复位晶体管4(APDRST－TR)的电势电平被设定为1.8V。该设定方法如已经说明的那样。
在该状态(第1复位晶体管4(APDRST－TR)的电势电平被设定为1.8V的状态)下，像素单元10处于所谓的曝光状态。
如图10A、图10B所示，为了计数1光子所需要的曝光时间为754μsec，像素单元10在60fps的16msec中能够计数到20光子为止。如果在该曝光时间754μsec内，在雪崩光电二极管1中光子引起光电效应，则在雪崩光电二极管1的阴极集电的电荷的量达到饱和电平，但在前面叙述的光晕抑制功能发挥作用，经由第1复位晶体管4(APDRST－TR)的截止势垒，电荷向APDRSD电源溢出。以雪崩光电二极管1的阴极的初始化时的3.3V为基准，达到1.8V为止的1.5V的量的雪崩光电二极管1的阴极的电容为1.5fF。因此，如图8B所示，在雪崩光电二极管1的阴极保持着14000电子。另外，通过该动作(光晕抑制功能发挥作用，电荷向APDRSD电源溢出的动作)，实现使1光子引起光电效应的情况下的向雪崩光电二极管1的阴极蓄积的电荷量变得均匀。
接着，如图8C所示，将传输晶体管3(TRN－TR)导通而将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2(FD)连接。该导通时的电势电平不是将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2(FD)完全连接的电平，而是设置2.8V的势垒的电平。即，通过第2复位晶体管5(FDRST－TR)，对传输晶体管3(TRN－TR)的栅极施加第3电压(使传输晶体管3(TRN－TR)导通的电压)的状态下的源极－漏极间的势垒变得比初始化的状态下的浮动扩散部2的电势高。理由是为了防止驱动上的误动作，详细情况后述。此时，传输晶体管3(TRN－TR)在线性状态下成为导通状态。
通过将传输晶体管3(TRN－TR)导通，蓄积在雪崩光电二极管1的阴极中的电荷被再分配到雪崩光电二极管1的阴极和浮动扩散部2(FD)。再分配的电荷量与雪崩光电二极管1的阴极及浮动扩散部2(FD)的电容成比例。这里，雪崩光电二极管1的阴极的电容为1.5fF，浮动扩散部2的电容为2.0fF。因此，如图8D所示，在其后将传输晶体管3(TRN－TR)截止之后也在浮动扩散部2(FD)中蓄积8000电子。
浮动扩散部2(FD)由于容易发生泄漏电荷，所以如图8E所示，立即使计数晶体管8(MCT－TR)导通，向存储部7传输电荷。此时，蓄积在浮动扩散部2(FD)中的电荷被再分配到浮动扩散部2(FD)和存储部7。再分配的电荷量与浮动扩散部2(FD)及存储部7的电容成比例。存储部7的电容为20fF。因此，如图8F所示，在存储部7中蓄积7270电子。
这些图8A～图8F所示的一系列的动作为光子计数动作的1个周期。
另外，即使在曝光时间754μsec的期间中多个光子引起光电效应，也被识别为1光子。
为了检测第2光子，如图8G所示，需要先将雪崩光电二极管1的阴极初始化。因此，使第1复位晶体管4(APDRST－TR)导通。另外，此时是否将浮动扩散部2(FD)初始化，取决于浮动扩散部2(FD)的电容与存储部7的电容的比率。在与浮动扩散部2(FD)的电容相比，存储部7的电容充分大的情况下，最好将浮动扩散部2(FD)初始化。通过这样，能够降低因浮动扩散部2(FD)中的泄漏电荷发生带来的影响。这里，不能说与浮动扩散部2(FD)的电容相比，存储部7的电容充分大，所以没有将浮动扩散部2(FD)初始化。理由是因为，如果蓄积在存储部7中的1光子量的电荷(如图8G所示是7270电子)在与被初始化的浮动扩散部2(FD)之间被电荷再分配，则蓄积在存储部7中的电荷减少。特别是，在1光子引起光电效应之后在下个周期中光子不引起光电效应的情况下影响较大。如果在第1光子引起光电效应后、接着第1光子而在下个周期中第2光子引起光电效应，则在雪崩光电二极管1的阴极中再次蓄积14000电子，所以没有影响。
图8H～图8L所示的次序是与图8B～图8F所示的次序同样的次序。通过将与这些次序同样的次序反复进行20次，能够将最大20次的通过光子引起光电效应而产生的电荷累积到存储部7中。
对应于发生了光电效应的光子的数量而累积在存储部7中的电荷在经由计数晶体管8(MCT－TR)而与浮动扩散部2(FD)连接的状态下由放大晶体管6(SF－TR)进行电压变换并输出。在图10A、图10B中表示其输出定时。图10A是将累积在存储部7中的电荷先用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出后、将浮动扩散部2(FD)的初始化电荷再用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出的情况下的时间图。并且，图10B是将浮动扩散部2(FD)的初始化电荷先用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出后、将累积在存储部7中的电荷再用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出的情况下的时间图。
另外，如果连续地光子引起光电效应等而在存储部7中累积并蓄积的电荷量变多，则向存储部7累积的新电荷量变少(参照图11A)。因此，如图11B所示，有光子的计数数越多则输出电压的斜率越小的趋势。另外，存储部7的电容越大，越能够抑制该趋势。为了比较，在图11C、图11D中示出表示存储部7的电容是6fF的情况下的、雪崩光电二极管1的动作模式是盖革倍增模式的情况下的光子计数特性的特性图。如图11D所示，在存储部7的电容是6fF、即浮动扩散部2(FD)的电容与存储部7的电容的比率是1:3的情况下，从光子计数数超过10的附近起，输出电压的斜率变小到难以进行光子计数数的检测的程度。发明人通过反复进行实验、研究等发现，为了使可检测的光子计数数成为20，存储部7的电容优选为浮动扩散部2(FD)的电容的5倍以上。
图9H～图9L是将第1光子引起光电效应后、接着第1光子而在下个周期中第2光子没有引起光电效应的情况下的光子计数驱动次序用电势表示的电势图。
如图9H所示，即使像素单元10成为所谓的曝光状态，光子也不引起光电效应，所以在雪崩光电二极管1的阴极中仅蓄积例如由噪声带来的10电子。因此，如图9I所示，即使将传输晶体管3(TRN－TR)导通而将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2(FD)不完全连接，在蓄积在雪崩光电二极管1的阴极中的电荷与浮动扩散部2(FD)之间也不进行电荷的再分配。
将传输晶体管3(TRN－TR)导通的情况下的电势电平不是将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2(FD)完全连接的电平、而是设置2.8V的势垒的电平的理由是，为了使得在光子没有引起光电效应的情况下，在蓄积在雪崩光电二极管1的阴极中的电荷与浮动扩散部2(FD)之间不进行电荷的再分配。因此，如图9I所示，不进行经由传输晶体管3(TRN－TR)的电荷的再分配，浮动扩散部2(FD)继续保持所蓄积的电荷量(这里是730电子)。
因此，如图9K所示，即使将计数晶体管8(MCT－TR)导通，蓄积在存储部7中的电荷量也不变动。
图12A～图12D是将雪崩光电二极管1的动作模式是线性倍增模式的情况下的驱动次序用电势表示的电势图。图13是将雪崩光电二极管1的动作模式是线性倍增模式的情况下的驱动次序用定时表示的时间图。
在雪崩光电二极管1的动作模式是线性倍增模式的情况下，具备像素单元10的有关本实施方式的固体摄像元件进行与通常的图像传感器大致同样的动作。
如果开始驱动次序，则首先将第1复位晶体管4(APDRST－TR)、第2复位晶体管5(FDRST－TR)和计数晶体管8(MCT－TR)导通，将雪崩光电二极管1的阴极、浮动扩散部2和存储部7初始化(复位)。
如图12A所示，通过上述初始化，雪崩光电二极管1的阴极、浮动扩散部2和存储部7被设定为3.3V的电势。
接着，将第1复位晶体管4(APDRST－TR)、第2复位晶体管5(FDRST－TR)和计数晶体管8(MCT－TR)截止。此时，将第1复位晶体管4(APDRST－TR)的截止电平与传输晶体管3(TRN－TR)的截止电平相比将电势保持得较低(这里是1.8V)。由此，在雪崩光电二极管1的阴极集电的电荷的量达到饱和电平的情况下，前面叙述的光晕抑制功能发挥作用，经由第1复位晶体管4(APDRST－TR)的截止势垒，电荷向APDRSD电源溢出。
在此状态(第1复位晶体管4(APDRST－TR)的电势电平被设定为1.8V的状态)下，像素单元10处于所谓的曝光状态。如图13所示，曝光时间在60fps下成为最大16msec。
另外，该曝光时间可以通过电子快门来调整。电子快门可以通过在曝光期间中将第1复位晶体管4(APDRST－TR)和第2复位晶体管5(FDRST－TR)导通来实现。
接着，通过将第2复位晶体管5(FDRST－TR)导通，如图12C所示，将浮动扩散部2(FD)初始化。在初始化后，如图12D所示，将传输晶体管3(TRN－TR)的电势电平设为3.3V，将雪崩光电二极管1的阴极与浮动扩散部2(FD)完全连接。此时，对传输晶体管3(TRN－TR)的栅极施加第4电压(使传输晶体管3(TRN－TR)导通的电压)的状态下的源极－漏极间的势垒成为通过第2复位晶体管5(FDRST－TR)进行了初始化的状态下的浮动扩散部2的电势以下。并且，蓄积在浮动扩散部2(FD)中的电荷被放大晶体管6(SF－TR)进行电压变换并输出。图13是在将浮动扩散部2(FD)的初始化电荷先用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出后、将蓄积在浮动扩散部2(FD)中的电荷再用放大晶体管6(SF－TR)变换为电压并输出的情况下的时间图。
[3.应用例]
以下，对具备上述结构的固体摄像元件的摄像装置200进行说明。
图14是表示摄像装置200的结构的框图。
如该图所示，摄像装置200具备：有关本实施方式的上述结构的固体摄像元件100；以及信号处理电路110，基于从固体摄像元件100输出的信号，将向雪崩光电二极管1施加的偏压设定为第1偏压(例如－25V)和第2偏压(例如－27V)中的某一个。
信号处理电路110具备信号处理LSI120和模拟前端电路130。
固体摄像元件100对模拟前端电路130输出像素信号SENS－OUT。并且，模拟前端电路130从SENS－OUT中检测信号成分，乘以增益，输出AFE－OUT信号。于是，信号处理LSI120将该AFE－OUT信号与预先设定的阈值电平比较，判定被摄体是否是低照度。在判定为被摄体是低照度的情况下，信号处理LSI120使用控制信号VOL－CNTL对电压开关140进行控制，将向雪崩光电二极管1施加的偏压设定为第2偏压(例如－27V)。由此，雪崩光电二极管1成为盖革倍增模式。另一方面，在判定为被摄体不是低照度的情况下，信号处理LSI120使用控制信号VOL－CNTL对电压开关140进行控制，将向雪崩光电二极管1施加的偏压设定为第1偏压(例如－25V)。由此，雪崩光电二极管1成为线性倍增模式。
这样，摄像装置200能够根据被摄体的照度，将雪崩光电二极管1的动作模式在盖革放大模式与线性倍增模式之间切换而进行图像的拍摄。
(补充)
如以上这样，作为在本申请中公开的技术的例示，对实施方式进行了说明。但是，本发明的技术并不限定于此，只要不脱离本发明的主旨，也能够应用于适当进行了变更、替换、附加、省略等的实施方式。
产业上的可利用性
有关本发明的固体摄像元件及摄像装置能够广泛地利用于拍摄图像的装置等。
标号说明
1 雪崩光电二极管
2 浮动扩散部
3 传输晶体管
4 第1复位晶体管
5 第2复位晶体管
6 放大晶体管
7 存储部
8 计数晶体管
9 选择晶体管
10 像素单元
71 绝缘层
72 第1电极
73 第2电极
100 固体摄像元件
110 信号处理电路
200 摄像装置

Claims (13)

1.一种固体摄像元件，其中，
具备以矩阵状配置有多个像素单元的像素阵列；
各像素单元具备：
雪崩光电二极管，具有第1模式和第2模式，在上述第1模式中，在被施加第1偏压的状态下光子入射的情况下，将与引起光电变换的光子的数量大致成比例的电荷量的电荷集电于阴极，在上述第2模式中，在被施加电位差比上述第1偏压大的第2偏压的状态下光子入射的情况下，当1个光子引起光电变换时，将饱和电荷量的电荷集电于阴极；
浮动扩散部，蓄积电荷；
传输晶体管，将上述雪崩光电二极管的阴极与上述浮动扩散部连接；
第1复位晶体管，用于将集电于上述雪崩光电二极管的阴极的电荷复位；
第2复位晶体管，用于将蓄积在上述浮动扩散部中的电荷复位；
放大晶体管，用于将蓄积在上述浮动扩散部中的电荷的电荷量变换为电压；
存储部，蓄积电荷；以及
计数晶体管，将上述浮动扩散部与上述存储部连接。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其中，
上述存储部的电容是上述浮动扩散部的电容的5倍以上。
3.如权利要求1或2所述的固体摄像元件，其中，
上述存储部是层叠构造的电容器。
4.如权利要求1或2所述的固体摄像元件，其中，
上述存储部是具备电极、半导体层、以及上述电极与上述半导体层之间的绝缘层的电容器。
5.如权利要求1或2所述的固体摄像元件，其中，
上述存储部是具备第1电极、第2电极、以及上述第1电极与上述第2电极之间的绝缘层的电容器。
6.如权利要求5所述的固体摄像元件，其中，
上述雪崩光电二极管、上述浮动扩散部、上述传输晶体管、上述第1复位晶体管、上述第2复位晶体管和上述放大晶体管形成于半导体基板；
上述电容器由夹着绝缘层相互对置的第1电极及第2电极构成；
上述第1电极和上述第2电极形成于位于上述半导体基板的主平面的垂直方向上方的布线层区域；
各像素单元的上述第1电极相互不经由导通孔而被连接。
7.如权利要求6所述的固体摄像元件，其中，
上述第1电极在上述像素阵列外部经由导通孔被接地到规定电位。
8.如权利要求1～7中任一项所述的固体摄像元件，其中，
上述第1复位晶体管的阈值电压是上述传输晶体管的阈值电压以下。
9.如权利要求1～7中任一项所述的固体摄像元件，其中，
栅极被施加第1电压的状态下的上述第1复位晶体管的源极－漏极间的势垒比栅极被施加第2电压的状态下的上述传输晶体管的源极－漏极间的势垒低。
10.如权利要求8或9所述的固体摄像元件，其中，
将集电于上述雪崩光电二极管的阴极的电荷中的比上述第1复位晶体管的源极－漏极间的势垒高的电势的电荷的至少一部分传输给上述第1复位晶体管的漏极。
11.如权利要求1～7中任一项所述的固体摄像元件，其中，
在以上述第2模式动作的情况下，向上述传输晶体管的栅极施加第3电压的状态下的源极－漏极间的势垒比通过上述第2复位晶体管进行了初始化的状态下的上述浮动扩散部的电势高。
12.如权利要求1～7中任一项所述的固体摄像元件，其中，
在以上述第1模式动作的情况下，向上述传输晶体管的栅极施加第4电压的状态下的源极－漏极间的势垒是通过上述第2复位晶体管进行了初始化的状态下的上述浮动扩散部的电势以下。
13.一种摄像装置，其中，具备：
权利要求1～12中任一项所述的固体摄像元件；以及
信号处理电路，基于从上述固体摄像元件输出的信号，将向上述雪崩光电二极管施加的偏压设定为上述第1偏压和上述第2偏压中的某一个。
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