CN111971799A - 摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置 - Google Patents

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Abstract

一种摄像元件，包括：通过将第一电极21、光电转换层23A和第二电极22层叠而形成的光电转换部。在第一电极21与光电转换层23A之间形成有无机氧化物半导体材料层23B。无机氧化物半导体材料层23B包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子，或者包含镓(Ga)原子和铟(In)原子。

Description

摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置。
背景技术
近年来，层叠型摄像元件作为用于构成图像传感器等的摄像元件而受到关注。层叠型摄像元件具有在两个电极之间夹持有光电转换层(光接收层)的结构。另外，层叠型摄像元件需要具有如下结构：在该结构中，基于光电转换而在光电转换层中产生的信号电荷被累积和传输。常规结构需要具有把信号电荷累积于和传输至浮动漏极(FD：floatingdrain)电极的结构，并且必须进行高速传输以使信号电荷不会发生延迟。
用于解决上述问题的摄像元件(光电转换元件)例如在日本专利申请特开第2016-63165号中已经被公开。该摄像元件包括：
累积电极，其形成在第一绝缘层上；
第二绝缘层，其形成在累积电极上；
半导体层，其以覆盖累积电极和第二绝缘层的方式而被形成；
收集电极，其以与半导体层接触并与累积电极分离的方式而被形成；
光电转换层，其形成在半导体层上；以及
上电极，其形成在光电转换层上。
把有机半导体材料用于光电转换层的摄像元件能够对特定颜色(波长带)进行光电转换。另外，由于具备这种特性，在将上述摄像元件用作固态摄像装置中的摄像元件的情况下，能够获得在由芯片上彩色滤光片层(OCCF：on-chip color filter layer)和摄像元件的组合构成各个子像素、且子像素呈二维地排列着的常规固态摄像装置中不可能实现的层叠有子像素的结构(层叠型摄像元件)(例如，参见日本专利申请特开第2011-138927号)。此外，还有一个优点是：由于不需要去马赛克处理，因此不会产生伪色。在下面的说明中，为了方便起见，包含设置于半导体基板上或半导体基板上方的光电转换部的摄像元件可以被称为“第一类型摄像元件”；为了方便起见，构成第一类型摄像元件的光电转换部可以被称为“第一类型光电转换部”；为了方便起见，设置于半导体基板中的摄像元件可以被称为“第二类型摄像元件”；为了方便起见，构成第二类型摄像元件的光电转换部可以被称为“第二类型光电转换部”。
图78示出了常规的层叠型摄像元件(层叠型固态摄像装置)的构造示例。在图78所示的示例中，在半导体基板370内，层叠地形成有第三光电转换部343A和第二光电转换部341A，第三光电转换部343A和第二光电转换部341A分别是构成作为第二类型摄像元件的第三摄像元件343和第二摄像元件341的第二类型光电转换部。此外，在半导体基板370的上方(具体地，在第二摄像元件341的上方)，设置有作为第一类型光电转换部的第一光电转换部310A。这里，第一光电转换部310A包括第一电极321、含有有机材料的光电转换层323、以及第二电极322，并且第一光电转换部310A构成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，例如，根据吸收系数的差异，能够分别对蓝光和红光进行光电转换。此外，在第一光电转换部310A中，例如，能够对绿光进行光电转换。
通过第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中的光电转换而产生的电荷被暂时累积在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，随后上述电荷通过纵型晶体管(示出了栅极部345)和传输晶体管(示出了栅极部346)被分别传输至第二浮动扩散层(floating diffusion)FD2和第三浮动扩散层FD3，并且进而被分别输出至外部读取电路(未示出)。这些晶体管以及浮动扩散层FD2和FD3也形成在半导体基板370内。
通过第一光电转换部310A中的光电转换而产生的电荷经由接触孔部361和配线层362而被累积到形成于半导体基板370中的第一浮动扩散层FD1中。此外，第一光电转换部310A还经由接触孔部361和配线层362连接到用于将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部352。另外，第一浮动扩散层FD1构成复位晶体管(图示了栅极部351)的一部分。附图标记371表示元件分离区域，附图标记372表示在半导体基板370的表面上形成的氧化膜，附图标记376和381表示层间绝缘层，附图标记383表示绝缘层，附图标记314表示芯片上微透镜。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开第2016-63165号公报
专利文献2：日本专利申请特开第2011-138927号公报
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在上述日本专利申请特开第2016-63165号公报中所公开的技术中，存在如下限制：必须以相同的长度来形成累积电极和形成于该累积电极上的第二绝缘层，并且与收集电极之间的间隔等被限定得很精细。这使得制造过程复杂化，并且可能导致制造成品率的降低。此外，关于构成半导体层的材料已经提及了若干种，但是并没有提及更具体的材料的组成或其构造。此外，已经提及了半导体层的载流子迁移率与累积电荷之间的关联公式。然而，并没有提及与电荷传输的改善有关的事项，例如：对所产生的电荷的传输很重要的与半导体层的载流子迁移率有关的事项，或者与半导体层和光电转换层的与该半导体层相邻的部分之间的能级关系有关的事项。
因此，本发明的目的是提供：尽管具有简单的构造和结构，但是累积在光电转换层中的电荷的传输特性十分优异的摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置。
解决问题的技术方案
用于实现上述目的的根据本发明的第一方面的摄像元件包括：
通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的光电转换部，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，
并且其中，所述无机氧化物半导体材料层包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子。
用于实现上述目的的根据本发明的第二方面的摄像元件包括：
通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的光电转换部，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，
并且其中，所述无机氧化物半导体材料层包含镓(Ga)原子和铟(In)原子。
用于实现上述目的的本发明的层叠型摄像元件包括至少一个根据本发明的第一或第二方面的上述摄像元件。
用于实现上述目的的根据本发明的第一方面的固态摄像装置包括多个根据本发明的第一或第二方面的上述摄像元件。此外，用于实现上述目的的根据本发明的第二方面的固态摄像装置包括多个根据本发明的上述层叠型摄像元件。
附图说明
图1是实施例1的摄像元件的示意性局部横截面图。
图2是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图3是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图4是构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图5是示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图6A、图6B和图6C是分别用于说明图5(实施例1)、图20和图21(实施例4)、以及图32和图33(实施例6)的各部位的实施例1、实施例4和实施例6的摄像元件的等效电路图。
图7是构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图8是构成实施例1的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图9是实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图。
图10是构成图9所示的实施例1的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图11是实施例2的摄像元件的示意性局部横截面图。
图12是实施例3的摄像元件的示意性局部横截面图。
图13是实施例3的摄像元件的变形例的示意性局部横截面图。
图14是实施例3的摄像元件的另一变形例的示意性局部横截面图。
图15是实施例3的摄像元件的又一变形例的示意性局部横截面图。
图16是实施例4的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图17是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图18是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图19是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图20是示意性地示出在实施例4的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图21是示意性地示出在实施例4的摄像元件的另一种操作期间各部位的电位状态的图。
图22是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图23是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图24是构成实施例4的摄像元件的变形例的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图25是实施例5的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。
图26是构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极的示意性布局图。
图27是构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图28是实施例6的摄像元件的示意性局部横截面图。
图29是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图30是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图31是构成实施例6的摄像元件的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图32是示意性地示出在实施例6的摄像元件的操作期间各部位的电位状态的图。
图33是示意性地示出在实施例6的摄像元件的另一操作期间(传输期间)各部位的电位状态的图。
图34是构成实施例6的摄像元件的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图35是构成实施例6的摄像元件的第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
图36是构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图37是实施例7的摄像元件的示意性局部横截面图。
图38是通过把实施例7的摄像元件中层叠有电荷累积电极、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图。
图39是构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图40是通过把实施例8的摄像元件中层叠有电荷累积电极、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图。
图41是实施例9的摄像元件的示意性局部横截面图。
图42是实施例10和实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图。
图43A和图43B是实施例11中的电荷累积电极区段的示意性平面图。
图44A和图44B是实施例11中的电荷累积电极区段的示例性平面图。
图45是构成实施例11的摄像元件的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。
图46是构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。
图47是实施例12和实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图。
图48A和图48B是实施例12中的电荷累积电极区段的示意性平面图。
图49是实施例13的固态摄像装置中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图50是实施例13的固态摄像装置的第一变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图51是实施例13的固态摄像装置的第二变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图52是实施例13的固态摄像装置的第三变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图53是实施例13的固态摄像装置的第四变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图54是实施例13的固态摄像装置的第五变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图55是实施例13的固态摄像装置的第六变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图56是实施例13的固态摄像装置的第七变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图57是实施例13的固态摄像装置的第八变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图58是实施例13的固态摄像装置的第九变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图59A、图59B和图59C是分别示出实施例13的摄像元件区块中的读取驱动示例的图表。
图60是实施例14的固态摄像装置中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图61是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图62是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图63是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷累积电极区段的示意性平面图。
图64是实施例1中的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图65是实施例1中的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图66A、图66B和图66C分别是实施例1的摄像元件的又一个变形例的第一电极的部分等的放大示意性局部横截面图。
图67是实施例5的摄像元件的另一个变形例中的电荷排出电极的部分等的放大示意性局部横截面图。
图68是实施例1的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图69是实施例1的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图70是实施例1中的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图71是实施例4的摄像元件的另一个变形例的示意性局部横截面图。
图72是实施例1的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图73是实施例4的摄像元件的又一个变形例的示意性局部横截面图。
图74是通过把实施例7的摄像元件的变形例中层叠有电荷累积电极、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图。
图75是通过把实施例8的摄像元件的变形例中层叠有电荷累积电极、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图。
图76是实施例1的固态摄像装置的概念图。
图77是把包括本发明的摄像元件等的固态摄像装置用于电子设备(相机)的示例的概念图。
图78是常规的层叠型摄像元件(层叠型固态摄像装置)的概念图。
图79是示出在具有由GaaSnbOc构成的沟道形成区域的TFT中的Vgs与Id之间的关系的图。
图80A和图80B是示出实施例1中的评估样品的表面粗糙度的评估结果的电子显微镜照片。图80C是示出当无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc构成时的光吸收/透过特性的测定结果的图。
图81是示出基于第二条件获得的在退火之前和退火之后的无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度的变化的求出结果的电子显微镜照片。
图82是示出车辆控制系统的示意性构造的示例的框图。
图83是示出车外信息检测单元和摄像单元的安装位置的示例的说明图。
图84是示出内窥镜手术系统的示意性构造的示例的图。
图85是示出摄像头和CCU(相机控制单元)的功能构造的示例的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图基于实施例说明本发明。然而，本发明不限于上述实施例，并且各实施例中的各个数值和材料是说明性的。注意，将按以下顺序进行说明。
1.对根据本发明的第一方面和第二方面的摄像元件、根据本发明的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置的一般性说明
2.实施例1(根据本发明的第一方面和第二方面的本发明的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第二方面的固态摄像装置)
3.实施例2(实施例1的变形例)
4.实施例3(实施例1和2的变形例以及根据本发明的第一方面的固态摄像装置)
5.实施例4(实施例1至3的变形例和包含传输控制电极的摄像元件)
6.实施例5(实施例1至4的变形例和包括电荷排出电极的摄像元件)
7.实施例6(实施例1至5的变形例和包括多个电荷累积电极区段的摄像元件)
8.实施例7(第一构造和第六构造的摄像元件)
9.实施例8(本发明的第二构造和第六构造的摄像元件)
10.实施例9(第三构造的摄像元件)
11.实施例10(第四构造的摄像元件)
12.实施例11(第五构造的摄像元件)
13.实施例12(第六构造的摄像元件)
14.实施例13(第一构造和第二构造的固态摄像装置)
15.实施例14(实施例13的变形例)
16.其它
在根据本发明的第一方面的摄像元件等中，当无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，优选采用满足a>b的形态，并且包括上述形态的根据本发明的第一方面的摄像元件等优选采用如下形态：
其中，满足a+b+c＝1.00和0.20<b/(a+b)<0.40，
优选地，满足0.20<b/(a+b)<0.35。
此外，在根据本发明的第二方面的摄像元件等中，当无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，优选采用满足d>e的形态，并且包括上述形态的根据本发明的第二方面的摄像元件等优选采用如下形态：
其中，满足d+e+f＝1.00和0.20<e/(d+e)<0.40。
a、b、d和e的值对应于原子百分比的值。无机氧化物半导体材料层的组成能够基于例如ICP发射光谱分析法(高频感应耦合等离子体发射光谱分析法：ICP-AES)或X射线光电子光谱法(XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy)来求出。
注意，在形成无机氧化物半导体材料层的过程中，在某些情况下，可能混入诸如氢、其他金属或金属化合物等其他杂质，但是若为微量(例如，摩尔分数为3％以下)，杂质的混入是无妨的。
在包括上述优选形态的本发明的摄像元件等中，光电转换部可以还包括绝缘层和电荷累积电极，该电荷累积电极与第一电极分离地设置着，并且该电荷累积电极隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO(最低未占分子轨道)值E1和构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2优选满足：
E2-E1≥0.1eV，
更优选地，满足：
E2-E1>0.1eV。
HOMO(最高占据分子轨道)值能够基于例如紫外光电子光谱法(UPS方法)来求出。此外，LUMO值能够根据{(价带能级、HOMO值)+Eb}来求出。此外，带隙能级Eb能够基于下式根据光学吸收的波长λ(光学吸收端波长，单位为nm)来求出。
Eb＝hν＝h(c/λ)＝1239.8/λ[eV]
这里，“光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分”是指光电转换层的位于如下区域中的部分，该区域是：以无机氧化物半导体材料层与光电转换层之间的界面作为基准时，与光电转换层的厚度的10％以内相当的区域(即，从光电转换层的厚度的0％延伸至10％的区域)。构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1是光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分中的平均值，构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2是无机氧化物半导体材料层中的平均值。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，构成无机氧化物半导体材料层的材料的载流子迁移率为10cm2/V·s以上。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用其中无机氧化物半导体材料层为非晶形态(例如，不具有局部晶体结构的非晶形态)。无机氧化物半导体材料层是否为非晶形态能够根据X射线衍射分析来确定。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m至1.5×10-7m，优选地2×10-8m至1.0×10-7m，更优选地3×10-8m至1.0×10-7m。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，
光从第二电极入射，
光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的表面的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且无机氧化物半导体材料层的表面的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。表面粗糙度Ra和Rq的值是基于JIS B0601:2013的规定来确定的。此外，光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Rmax优选为7nm以下。光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的表面的这种平滑度能够抑制在无机氧化物半导体材料层的表面处的散射反射，并且能够改善光电转换中的亮电流特性。能够采用如下形态：其中，电荷累积电极的表面的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且电荷累积电极的表面的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。
此外，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层的载流子浓度优选小于1×1016/cm3。
此外，包括上述优选形态的本发明的摄像元件等能够采用其中在光电转换层中产生的电荷经由无机氧化物半导体材料层向第一电极移动的形态，这种情形下，电荷可以是电子。
在图78所示的常规摄像元件中，通过第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中的光电转换而产生的电荷被暂时累积在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，然后上述电荷被分别传输到第二浮动扩散层FD2和第三浮动扩散层FD3。因此，第二光电转换部341A和第三光电转换部343A能够被完全耗尽。然而，通过第一光电转换部310A中的光电转换而产生的电荷直接累积在第一浮动扩散层FD1中。因此，难以将第一光电转换部310A完全耗尽。另外，作为结果，kTC噪声增加了，随机噪声恶化了，并且所摄图像的质量可能劣化。
如上所述，本发明的摄像元件等包括电荷累积电极，该电荷累积电极与第一电极分离地设置着，并且该电荷累积电极隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。因此，当用光照射光电转换部并且该光在光电转换部中进行光电转换时，电荷能够被存储在无机氧化物半导体材料层中(或者有时，能够被存储在无机氧化物半导体材料层和光电转换层中)。因此，在曝光开始时，电荷累积部能够被完全耗尽，并且电荷能够被消除。结果，可以抑制如下现象的发生：kTC噪声增加，随机噪声劣化，并且所摄图像的质量劣化。注意，在下面的说明中，可以将无机氧化物半导体材料层、或可以将无机氧化物半导体材料层和光电转换层统称为“无机氧化物半导体材料层等”。
无机氧化物半导体材料层可以具有单层构造或多层构造。此外，构成位于电荷累积电极上方的无机氧化物半导体材料层的材料可以与构成位于第一电极上方的无机氧化物半导体材料层的材料不同。
无机氧化物半导体材料层能够例如基于溅射法形成。具体地，在根据本发明的第一方面的发光元件等中，例如，能够举例说明使用平行平板溅射装置、DC磁控溅射装置或RF溅射装置作为溅射装置，使用氩(Ar)气作为工艺气体并且使用GaaSnbOc烧结体作为靶材的溅射法。在根据本发明的第二方面的发光元件等中，例如，能够举例说明使用平行平板溅射装置、DC磁控溅射装置或RF溅射装置作为溅射装置，使用氩(Ar)气作为工艺气体并且使用GadIneOf烧结体作为靶材的溅射法。
注意，能够通过控制基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层时引入的氧气量(氧气分压)来控制无机氧化物半导体材料层的能级。具体地，当基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层时，将氧气分压＝(O2气压力)/(Ar气和O2气的总压力)优选设为0.005至0.10。此外，本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层中的氧含量小于化学计量组成中的氧含量。在此，能够基于氧含量来控制无机氧化物半导体材料层的能级。当氧含量比化学计量组成中的氧含量越低时，即，当氧空位增多时，能级会加深。
本发明的摄像元件等的示例包括CCD元件、CMOS摄像元件、接触式图像传感器(CIS：contact image sensor)和电荷调制器件(CMD：charge modulation device)型信号放大摄像元件。例如，可以用根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置和稍后所述的第一构造和第二构造的固态摄像装置构成数码相机、摄录影机、可携式摄像机、监控摄像机、车载相机、智能手机用相机、游戏用户界面相机和生物认证用相机。
[实施例1]
实施例1涉及根据本发明的第一方面和第二方面的摄像元件、本发明的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第二方面的固态摄像装置。图1示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件(以下，简称为“摄像元件”)的示意性局部横截面图。图2和图3示出了实施例1的摄像元件的等效电路图。图4示出了构成实施例1的摄像元件的光电转换部的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图5示意性地示出了在实施例1的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6A示出了用于说明实施例1的摄像元件的各部位的等效电路图。此外，图7示出了构成实施例1的摄像元件的光电转换部的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。图8示出了第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。此外，图76示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。
实施例1的摄像元件包括光电转换部，该光电转换部是通过将第一电极21、光电转换层23A和第二电极22层叠在一起而形成的。在第一电极21与光电转换层23A之间，形成有无机氧化物半导体材料层23B。另外，无机氧化物半导体材料层23B包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子(根据本发明的第一方面的摄像元件等)，或者包含镓(Ga)原子和铟(In)原子(根据本发明的第二方面的摄像元件等)。无机氧化物半导体材料层23B不包含锌(Zn)原子。即，无机氧化物半导体材料层23B由包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子的复合氧化物构成，具体地，由包含镓氧化物和锡氧化物的复合氧化物构成(根据本发明的第一方面的摄像元件等)。可替代地，无机氧化物半导体材料层23B由包含镓(Ga)原子和铟(In)原子的复合氧化物构成，具体地，由包含镓氧化物和铟氧化物的复合氧化物构成(根据本发明的第二方面的摄像元件等)。
实施例1的层叠型摄像元件包括至少一个如实施例1的摄像元件。此外，实施例1的固态摄像装置包括多个如实施例1的层叠型摄像元件。另外，例如，可以用实施例1的固态摄像装置构成数码相机、摄录影机、可携式摄像机、监控摄像机、车辆搭载用相机(车载相机)、智能手机用相机、游戏用户界面相机和生物认证用相机等。
另外，在实施例1的摄像元件中，当无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，满足a>b，并且较佳地，满足a+b+c＝1.00和0.20<b/(a+b)<0.40，优选地，满足0.20<b/(a+b)<0.35(根据本发明的第一方面的摄像元件等)。可替代地，当无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，满足d>e，并且较佳地，满足d+e+f＝1.00和0.20<e/(d+e)<0.40(根据本发明的第二方面的摄像元件等)。此外，无机氧化物半导体材料层是非晶的，并且无机氧化物半导体材料层23B的厚度为1×10-8m至1.5×10-7m。
这里，在实施例1中，光电转换部还包括绝缘层82和电荷累积电极24，该电荷累积电极24与第一电极21分离地设置着，并且该电荷累积电极24隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。无机氧化物半导体材料层23B具有与第一电极21接触的区域、与绝缘层82接触并且在其下方不存在电荷累积电极24的区域、以及与绝缘层82接触并且在其下方存在电荷累积电极24的区域。另外，光从第二电极22入射，光电转换层23A与无机氧化物半导体材料层23B之间的界面处的无机氧化物半导体材料层23B的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且无机氧化物半导体材料层23B的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。
此外，构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1和构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足下式：
E2-E1≥0.1eV，并且
优选地，满足下式：
E2-E1>0.1eV。
此外，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的载流子迁移率为10cm2/V·s以上。此外，无机氧化物半导体材料层23B的载流子浓度小于1×1016/cm3。
通过控制基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层23B时引入的氧气量(氧气分压)，能够控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。氧气分压优选被设为0.005(0.5％)至0.10(10％)。
当无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度为50nm并且无机氧化物半导体材料层23B由GaaSnbOc构成时，求解氧气分压与利用逆光电子光谱法求出的能级之间的关系，且将该结果在下面的表1-A中示出。当无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度为50nm并且无机氧化物半导体材料层23B由GadIneOf构成时，求解氧气分压与利用逆光电子光谱法求出的能级之间的关系，且将该结果在下面的表1-B中示出。在实施例1的摄像元件中，通过控制基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层23B时引入的氧气量(氧气分压)，能够控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。
b/(a+b)＝0.33
e/(d+e)＝0.35
<表1-A>
氧气分压 能级
0.5％ 4.58eV
10.0％ 4.72eV
<表1-B>
氧气分压 能级
0.5％ 4.63eV
10.0％ 4.74eV
接下来，关于光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B，针对无机氧化物半导体材料层23B的能级、光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B的能级差(E2-E1)、以及构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的载流子迁移率进行调查。如表2-A和表2-B所示，将条件分为三种条件。即，在第一种条件下，使用IGZO作为构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。在第二种条件和第三种条件下，使用以下所示的GaaSnbOc或GadIneOf作为构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。此外，无机氧化物半导体材料层23B的厚度为50nm。此外，光电转换层23A包含喹吖啶酮，并且光电转换层23A的厚度为0.1μm。这里，将构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1设为4.5eV。注意，当基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层23B时，通过使用具有不同组成的靶材，能够获得基于第二种条件和第三种条件的摄像元件等。
第二种条件：
a+b+c＝1.00
d+e+f＝1.00
b/(a+b)＝0.33
e/(d+e)＝0.35
第三种条件：
a+b+c＝1.00
d+e+f＝1.00
b/(a+b)＝0.28
e/(d+e)＝0.38
在第一种条件下，能级差(E2-E1)为0eV。在第二种条件下，与第一种条件相比，能级差(E2-E1)增大了。另外，如表2-A(根据本发明的第一方面的摄像元件等)或表2-B(根据本发明的第二方面的摄像元件等)所示，在第三种条件下，与在第二种条件下相比，载流子迁移率进一步提高了。
<表2-A>
Figure BDA0002722203050000181
<表2-B>
Figure BDA0002722203050000191
基于具有图1所示的结构的摄像元件，通过设备模拟(device simulation)来评估在这三种条件下的传输特性。注意，将光电转换层23A的LUMO值E1设为4.5eV。将电子被吸引到电荷累积电极24上方的状态下的相对电子量设为1×100。此外，将已经被吸引到电荷累积电极24上方的电子全部都被传输到第一电极21的状态下的相对电子量设为1×10-4。另外，将已经被吸引到电荷累积电极24上方的电子全部传输到第一电极21为止的时间(称为“传输时间”)作为判断传输特性的指标。传输时间的求解结果如下面的表3-A(根据本发明的第一方面的摄像元件等)所示或如下面的表3-B(根据本发明的第二方面的摄像元件等)所示。第二种条件下的传输时间短于第一种条件下的传输时间，第三种条件下的传输时间短于第二种条件下的传输时间。即，随着(E2-E1)的值增加，表现出更好的传输特性结果。这表明：无机氧化物半导体材料层23B的LUMO值E2大于光电转换层23A的LUMO值E1的这种形成方式是对于进一步提高传输特性而言的更优选因素。
<表3-A>
传输时间
第一种条件 5.3×10<sup>-6</sup>秒
第二种条件 1.4×10<sup>-7</sup>秒
第三种条件 3.8×10<sup>-8</sup>秒
<表3-B>
传输时间
第一种条件 5.1×10<sup>-6</sup>秒
第二种条件 1.3×10<sup>-7</sup>秒
第三种条件 3.6×10<sup>-7</sup>秒
为了满足摄像元件所要求的传输电荷无残留的特性，当相对电子量为1×10-4时，传输时间宜为1×10-7秒。为了满足该传输时间，第二种条件很好，而第三种条件更好。即，较佳地，无机氧化物半导体材料层23B由GaaSnbOc或GadIneOf构成，满足a＞b和d＞e，并且满足：
a+b+c＝1.00和0.20＜b/(a+b)＜0.40，
优选地，0.20＜b/(a+b)＜0.35，
或者满足d+e+f＝1.00和0.20＜e/(d+e)＜0.40。注意，在上述值超过这些范围的情况下，耗尽是很难的。例如，如果In的含量过高，则载流子浓度上升。如果Sn的含量过高，则很难进行氧空位控制，并且无法实现耗尽。此外，如果Ga的含量过低，则难以控制载流子浓度，因此必须将上述值控制在这些范围内，通过将Ga的原子比设定在这些范围内，能够使无机氧化物半导体材料层23B具有高耐热性。此外，如上所述，构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1和构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足：
E2-E1≥0.1eV，
更优选地，满足：
E2-E1＞0.1eV。
此外，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的载流子迁移率为10cm2/V·s以上。
此外，通过基于由GaaSnbOc(其中，b/(a+b)＝0.31)构成的无机氧化物半导体材料层23B而形成TFT的沟道形成区域来评估TFT特性，其结果相当于实施例1A的结果，由图79的“A”表示。另外，通过基于由GaaSnbOc(其中，b/(a+b)＝0.75)构成的无机氧化物半导体材料层23B而形成TFT的沟道形成区域来评估TFT特性，其结果相当于比较例1A的结果，由图79的“B”表示。在下面的表4中示出了实施例1A和比较例1A的特性评估结果。根据图79和表4所示的结果，表明了：与比较例1A相比，实施例1A具有更好的TFT特性，因此，实施例1A具有作为无机氧化物半导体材料的更好特性。
<表4>
载流子迁移率 SS(亚阈值摆幅)值
实施例1A 20cm<sup>2</sup>/V·s 0.2V/decade
比较例1A 10cm<sup>2</sup>/V·s 0.4V/decade
此外，从无机氧化物半导体材料层23B的X射线衍射分析的结果发现，无机氧化物半导体材料层23B是非晶的(例如，不具有局部晶体结构的非晶形态)。此外，光电转换层23A与无机氧化物半导体材料层23B之间的界面处的无机氧化物半导体材料层23B的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。具体地，当无机氧化物半导体材料层23B由GaaSnbOc(其中，b/(a+b)＝0.31)构成时，获得了
Ra＝0.6nm且
Rq＝2.5nm。
此外，当无机氧化物半导体材料层23B由GadIneOf(其中，e/(d+e)＝0.28)构成时，获得了
Ra＝0.6nm且
Rq＝2.5nm。
注意，电荷累积电极24的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且电荷累积电极24的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。具体地，获得了
Ra＝0.7nm且
Rq＝2.3nm。
此外，图80A和图80B示出了电子显微镜照片，该电子显微镜照片示出了在实施例1的无机氧化物半导体材料层23B由GaaSnbOc(其中，b/(a+b)＝0.31)构成时的评估样品中的表面粗糙度的评估结果。图80A中的电子显微镜照片是成膜后立即拍摄的，图80B中的电子显微镜照片是在350℃下退火120分钟之后拍摄的。Ra的值在退火前为0.4nm，在退火后为0.5nm。Rmax的值在退火前为6nm，在退火后为6nm。与退火之前相比，无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度在退火之后没有变化。无机氧化物半导体材料层23B具有高耐热性。此外，在图80C的曲线图中示出了光吸收/透过特性的测定结果。在图80C中，“A”表示退火后的无机氧化物半导体材料层23B的光透过率，“B”表示退火前的无机氧化物半导体材料层23B的光透过率，“C”表示退火后的无机氧化物半导体材料层23B的光吸收率，“D”表示退火前的无机氧化物半导体材料层23B的光吸收率。无机氧化物半导体材料层23B对波长为400nm的光的光透过率为5％以下。此外，无机氧化物半导体材料层23B对波长为400nm至660nm的光的光透过率为65％以上(具体地，81％)，并且电荷累积电极24对波长为400nm至660nm的光的光透过率也为65％以上(具体地，73％)。电荷累积电极24的薄层电阻值为3×10Ω/□至1×103Ω/□(具体地，128Ω/□)。
此外，图81示出了表示在第二种条件[a+b+c＝1.00,b/(a+b)＝0.33]下的评估样品的表面粗糙度的评估结果的电子显微镜照片。图81左侧的电子显微镜照片是成膜后立即拍摄的，而图81右侧的电子显微镜照片是在350℃下退火120分钟后拍摄的。Ra的值在退火前为0.6nm，在退火后为0.6nm。Rmax的值在退火前为7nm，在退火后为6nm。与退火之前相比，无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度在退火之后几乎不变。无机氧化物半导体材料层23B具有高耐热性。
在实施例1的摄像元件中，无机氧化物半导体材料层包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子，或者包含镓(Ga)原子和铟(In)原子。因此，能够以可均衡性良好的方式控制无机氧化物半导体材料层的载流子浓度(无机氧化物半导体材料层的耗尽程度)、构成无机氧化物半导体材料层的材料的载流子迁移率、以及构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2。结果，就能够提供：虽然具有简单的构造和结构，但是其中累积于光电转换层中的电荷的传输特性十分优异的摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置。即，据估计，能够通过控制构成无机氧化物半导体材料层的原子中的镓原子的比例，来控制无机氧化物半导体材料层的载流子浓度(无机氧化物半导体材料层的耗尽程度)，能够通过控制铟原子的比例来控制无机氧化物半导体材料层的载流子迁移率和传导性，此外，通过控制锡原子的比例，能够控制无机氧化物半导体材料层的非晶形态、表面平滑度和LUMO值E2。此外，能够使无机氧化物半导体材料层具有高耐热性。此外，由于无机氧化物半导体材料层仅包含两种金属，因此能够相对容易地控制在对无机氧化物半导体材料层图案化时的蚀刻，并且能够减少蚀刻残留物。另外，光电转换部具有无机氧化物半导体材料层和光电转换层的两层结构。因此，能够防止电荷累积期间的再结合，并且能够进一步提高累积于光电转换层中的电荷去往第一电极的电荷传输效率。此外，能够暂时保持光电转换层中所产生的电荷，能够控制传输时机等，并且能够抑制暗电流的产生。
以下，将对根据本发明的第一方面和第二方面的摄像元件、本发明的层叠型摄像元件、以及根据本发明的第二方面的固态摄像装置进行一般性说明，然后，将详细地说明实施例1的摄像元件和固态摄像装置。
以下，为了方便起见，可以把包括上述优选形态的本发明的摄像元件等、包括电荷累积电极的摄像元件等称为“本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等”。
在本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层对波长为400nm至660nm的光的光透过率优选为65％以上。此外，电荷累积电极对波长为400nm至660nm的光的光透过率也优选为65％以上。电荷累积电极的薄层电阻值优选为3×10Ω/□至1×103Ω/□。
本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等能够采用如下形态：其中，还包括半导体基板，并且光电转换部设置于该半导体基板的上方。注意，第一电极、电荷累积电极和第二电极等连接到稍后所述的驱动电路。
位于光入射侧的第二电极可以由多个摄像元件共用。即，第二电极能够是所谓的固体电极(solid electrode)。光电转换层可以由多个摄像元件共用。即，可以在多个摄像元件中形成一个光电转换层，或者可以针对每个摄像元件分别设置有光电转换层。无机氧化物半导体材料层优选地针对每个摄像元件而分别设置着，但是有时可以由多个摄像元件共用。即，例如如稍后所述，可以通过在摄像元件与摄像元件之间设置电荷移动控制电极，来形成在多个摄像元件中共用的单个无机氧化物半导体材料层。在形成由多个摄像元件共用的单个无机氧化物半导体材料层的情况下，从保护无机氧化物半导体材料层的端部的观点出发，较佳的是，无机氧化物半导体材料层的端部至少被光电转换层覆盖。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等能够采用如下形态：其中，第一电极在形成于绝缘层的开口中延伸以连接到无机氧化物半导体材料层。可替代地，能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层在形成于绝缘层的开口中延伸以连接到第一电极。在这种情况下，能够采用如下形态：
其中，第一电极的顶面的边缘被绝缘层覆盖，
第一电极在开口的底面上露出，并且
当将绝缘层的与第一电极的顶面接触的表面称为第一表面、并且将绝缘层的与无机氧化物半导体材料层的面对着电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，开口的侧表面具有从第一表面朝向第二表面变宽的倾斜度。此外，能够采用如下形态：其中，开口的具有从第一表面朝向第二表面变宽的倾斜度的侧表面位于电荷累积电极侧。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等能够采用如下形态：
其中，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上并具有驱动电路，
第一电极和电荷累积电极连接到驱动电路，
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极、且将电位V12施加到电荷累积电极，并且电荷被累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极、且将电位V22施加到电荷累积电极，并且累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷经由第一电极而被控制单元读出。然而，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
满足V12≥V11且V22<V21。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等还能够采用如下形态：还包括设在第一电极与电荷累积电极之间的传输控制电极(电荷传输电极)，该传输控制电极与第一电极及电荷累积电极分离地布置着，并且该传输控制电极隔着绝缘层面对着无机氧化物半导体材料层。为了方便起见，具有这种形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等被称为“本发明的包含传输控制电极的摄像元件等”。
另外，本发明的包含传输控制电极的摄像元件等能够采用如下构造：
其中，还包括控制单元，所述控制单元设置于半导体基板上并具有驱动电路，
第一电极、电荷累积电极和传输控制电极连接到驱动电路，
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积电极，并且将电位V13施加到传输控制电极，并且电荷被累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积电极，并且将电位V23施加到传输控制电极，并且累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷经由第一电极被控制单元读出。此外，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
满足V12>V13且V22≤V23≤V21。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等还能够包括电荷排出电极，所述电荷排出电极连接到无机氧化物半导体材料层，并且与第一电极和电荷累积电极分离地设置着。为了方便起见，具有这种形态的本发明的包含电荷累积电极的摄像元件等被称为“本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等”。另外，本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等能够采用如下形态：其中，电荷排出电极被设置成包围第一电极和电荷累积电极(即，呈框架形状)。电荷排出电极能够由多个摄像元件共用(共有化)。另外，在这种情况下，能够采用如下形态：
其中，无机氧化物半导体材料层在形成于绝缘层中的第二开口中延伸，以连接到电荷排出电极，
电荷排出电极的顶面的边缘被绝缘层覆盖，
电荷排出电极在第二开口的底面上露出，并且
当将绝缘层的与电荷排出电极的顶面接触的表面称为第三表面、并且将绝缘层的与无机氧化物半导体材料层的面对着电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，第二开口的侧表面具有从第三表面朝向第二表面变宽的倾斜度。
此外，本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等能够采用如下构造：
其中，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上并具有驱动电路，
第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极连接到驱动电路，
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极，将电位V12施加到电荷累积电极，并且将电位V14施加到电荷排出电极，并且电荷被累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极，将电位V22施加到电荷累积电极，并且将电位V24施加到电荷排出电极，并且累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷经由第一电极被控制单元读出。此外，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且
满足V14>V11且V24<V21。
此外，在本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等中的上述各种优选形态中，电荷累积电极能够包括多个电荷累积电极区段。为了方便起见，这种形态的本发明的包含具有电荷累积电极的摄像元件等被称为“本发明的包含多个电荷累积电极区段的摄像元件等”。电荷累积电极区段的数量只需要是2以上即可。另外，本发明的包含多个电荷累积电极区段的摄像元件等能够采用如下形态：
其中，在对N个电荷累积电极区段分别施加不同的电位的情况下，
在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间中，施加到最靠近第一电极的电荷累积电极区段(第一个光电转换部区段)的电位高于施加到最远离第一电极的电荷累积电极区段(第N个光电转换部区段)的电位，并且
在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间中，施加到最靠近第一电极的电荷累积电极区段(第一个光电转换部区段)的电位低于施加到最远离第一电极的电荷累积电极区段(第N个光电转换部区段)的电位。
包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等能够采用如下构造：
其中，在半导体基板上，设置有构成控制单元的至少浮动扩散层和放大晶体管，并且
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。另外，在这种情况下，此外，能够采用如下构造：
其中，在半导体基板上，还设置有构成控制单元的复位晶体管和选择晶体管，
浮动扩散层连接到复位晶体管的一个源极/漏极区，并且
放大晶体管的一个源极/漏极区连接到选择晶体管的一个源极/漏极区，并且选择晶体管的另一个源极/漏极区连接到信号线。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的包括电荷累积电极的摄像元件等能够采用如下形态：其中，电荷累积电极的尺寸大于第一电极。当电荷累积电极的面积由S1′表示，并且第一电极的面积由S1表示时，
尽管没有限制，但是优选满足：
4≤S1'/S1
可替代地，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等的变形例的示例包括下述的第一构造至第六构造的摄像元件。即，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中的第一构造至第六构造的各摄像元件中，
光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
无机氧化物半导体材料层和光电转换层包括N个光电转换层区段，
绝缘层包括N个绝缘层区段，
在第一构造至第三构造的摄像元件中，电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
在第四构造和第五构造的摄像元件中，电荷累积电极包括彼此分离地布置的N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...,N)光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，并且
n值越大的光电转换部区段离第一电极越远。这里，“光电转换层区段”指的是通过将光电转换层和无机氧化物半导体材料层层叠而形成的区段。
另外，在第一构造的摄像元件中，绝缘层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段逐渐变化。此外，在第二构造的摄像元件中，光电转换层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段逐渐变化。注意，在光电转换层区段中，可以通过使光电转换层的部分的厚度变化并且使无机氧化物半导体材料层的部分的厚度保持不变，来使光电转换层区段的厚度变化。此外，可以通过使光电转换层的部分的厚度保持不变并且使无机氧化物半导体材料层的部分的厚度变化，来使光电转换层区段的厚度变化。此外，可以通过使光电转换层的部分的厚度变化并且使无机氧化物半导体材料层的部分的厚度变化，来使光电转换层区段的厚度变化。此外，在第三构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，构成绝缘层区段的材料是不同的。另外，在第四构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，构成电荷累积电极区段的材料是不同的。此外，在第五构造的摄像元件中，电荷累积电极区段的面积从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段逐渐减小。面积可以连续地减小或阶梯式地减小。
可替代地，在包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等中的第六构造的摄像元件中，如果将电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠方向定义为Z方向，并且把离开第一电极的方向规定为X方向，则当沿着YZ假想平面将层叠有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分切断时，该层叠部分的横截面积根据离第一电极的距离而变化。横截面积的变化可以是连续变化或者阶梯式变化。
在第一构造和第二构造的摄像元件中，连续地设置N个光电转换层区段，还连续地设置N个绝缘层区段，并且还连续地设置N个电荷累积电极区段。在第三构造至第五构造的摄像元件中，连续地设置N个光电转换层区段。此外，在第四构造和第五构造的摄像元件中，连续地设置N个绝缘层区段。与此同时，在第三构造的摄像元件中，N个绝缘层区段被设置为分别对应于相应的光电转换部区段。此外，在第四构造和第五构造的摄像元件中，以及有时在第三构造的摄像元件中，N个电荷累积电极区段被设置为分别对应于相应的光电转换部区段。此外，在第一构造至第六构造的各摄像元件中，相同的电位被施加给所有的电荷累积电极区段。可替代地，在第四构造和第五构造的摄像元件中，以及有时在第三构造的摄像元件中，可以将不同的电位施加给N个电荷累积电极区段。
在包括第一构造至第六构造的摄像元件的本发明的摄像元件等中，规定了绝缘层区段的厚度，或者规定了光电转换层区段的厚度，或者构成绝缘层区段的材料是不同的，或者构成电荷累积电极区段的材料是不同的，或者规定了电荷累积电极区段的面积，或者规定了层叠部分的横截面积。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且通过光电转换而产生的电荷能够更容易且可靠地传输到第一电极。另外，作为结果，能够防止残像(afterimage)的产生或电荷传输残留的产生。
在第一构造至第五构造的摄像元件中，n的值越大的光电转换部区段离第一电极越远，但是光电转换部区段是否远离第一电极是以X方向为基准来判断的。另外，在第六构造的摄像元件中，把离开第一电极的方向规定为X方向，并且“X方向”的定义如下所述。也就是说，布置有多个摄像元件或层叠型摄像元件的像素区域包括以二维方式(即，在X方向和Y方向上)规则地布置的多个像素。在像素的平面形状是矩形的情况下，离第一电极最近的边的延伸方向被定义为Y方向，并且与Y方向正交的方向被定义为X方向。可替代地，在像素的平面形状是任意形状的情况下，包括离第一电极最近的线段或曲线的总体方向被定义为Y方向，并且与Y方向正交的方向被定义为X方向。
在下文中，关于第一构造至第六构造的摄像元件，将说明第一电极的电位高于第二电极的电位的情况。
在第一构造的摄像元件中，绝缘层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。然而，较佳地，绝缘层区段的厚度逐渐增加，从而形成了一种电荷传输梯度。此外，当在电荷累积期间中达到了|V12|≥|V11|的状态时，则第n个光电转换部区段能够比第(n+1)个光电转换部区段累积更多的电荷，并且与第(n+1)个光电转换部区段相比，对第n个光电转换部区段施加更强的电场，而且能够可靠地防止电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动。另外，当在电荷传输期间中达到了|V22|<|V21|的状态时，则能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
在第二构造的摄像元件中，光电转换层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。然而，较佳地，光电转换层区段的厚度逐渐增大，从而形成了一种电荷传输梯度。此外，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，施加至第n个光电转换部区段的电场比施加至第(n+1)个光电转换部区段的电场更强，并且能够可靠地防止电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
在第三构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，用于构成绝缘层区段的材料是不同的，这形成了一种电荷传输梯度。优选地，构成绝缘层区段的材料的介电常数值从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐减小的。此时，通过采用这种构造，在电荷累积期间中，当达到了V12≥V11的状态时，第n个光电转换部区段能够比第(n+1)个光电转换部区段累积更多的电荷。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
在第四构造的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的，这形成了一种电荷传输梯度。优选地，构成绝缘层区段的材料的功函数的值从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐增大的。另外，通过采用这种构造，不管电压(电位)是正的还是负的，都能够形成有利于信号电荷传输的电位梯度。
在第五构造的摄像元件中，电荷累积电极区段的面积从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐减小的，从而形成了一种电荷传输梯度。因此，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，第n个光电转换部区段能够比第(n+1)个光电转换部区段累积更多的电荷。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
在第六构造的摄像元件中，层叠部分的横截面积取决于与第一电极的距离而变化，这形成了一种电荷传输梯度。具体地，如果通过采用如下构造：其中，层叠部分的横截面的厚度是恒定不变的，并且层叠部分的横截面的宽度随着越远离第一电极而变窄，那么如同在第五构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，离第一电极较近的区域能够比离第一电极较远的区域累积更多的电荷。因此，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极较近的区域向第一电极的流动以及电荷从离第一电极较远的区域向离第一电极较近的区域的流动。另一方面，如果通过采用如下构造：其中，层叠部分的横截面的宽度是恒定不变的，并且层叠部分的横截面的厚度逐渐增加(具体地，绝缘层区段的厚度逐渐增加)，那么如同在第一构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，离第一电极较近的区域能够比离第一电极较远的区域累积更多的电荷，对离第一电极较近的区域施加比离第一电极较远的区域更强的电场，从而能够可靠地防止电荷从离第一电极较近的区域向第一电极的流动。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极较近的区域向第一电极的流动以及电荷从离第一电极较远的区域向离第一电极较近的区域的流动。另外，如果通过采用让光电转换层区段的厚度逐渐增加的构造，那么如在第二构造的摄像元件中所述的那样，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，对离第一电极较近的区域施加比离第一电极较远的区域更强的电场，并且能够可靠地防止电荷从离第一电极较近的区域向第一电极的流动。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从离第一电极较近的区域向第一电极的流动以及电荷从离第一电极较远的区域向离第一电极较近的区域的流动。
根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置的变形例可以是如下的固态摄像装置：
包括多个第一构造至第六构造的摄像元件，
其中，多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用。为了方便起见，具有这种构造的固态摄像装置被称为“第一构造的固态摄像装置”。可替代地，根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置的变形例可以是如下的固态摄像装置：
包括多个第一构造至第六构造的摄像元件、或者包括多个层叠型摄像元件，所述层叠型摄像元件均包括至少一个第一构造至第六构造的摄像元件，
多个摄像元件或多个层叠型摄像元件构成摄像元件区块，并且
第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件或多个层叠型摄像元件共用。为了方便起见，具有这种构造的固态摄像装置被称为“第二构造的固态摄像装置”。另外，如果以这种方式让第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用，则能够使其中排列有多个摄像元件的像素区域的构造和结构得以简化和小型化。
在第一构造和第二构造的固态摄像装置中，针对多个摄像元件(一个摄像元件区块)设置一个浮动扩散层。这里，对应于一个浮动扩散层而设置的多个摄像元件可以由多个如稍后说明的第一类型摄像元件构成，或者可以由至少一个第一类型摄像元件和一个以上的如稍后说明的第二类型摄像元件构成。另外，通过适当地控制电荷传输期间的时机，能够使多个摄像元件共用一个浮动扩散层。多个摄像元件关联地进行操作，并且以摄像元件区块的形式连接到稍后所述的驱动电路。即，构成摄像元件区块的多个摄像元件连接到一个驱动电路。然而，针对每个摄像元件逐一地执行对电荷累积电极的控制。此外，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。关于由多个摄像元件共用的第一电极与各摄像元件的电荷累积电极之间的布置关系，还存在着第一电极被布置成与各摄像元件的电荷累积电极相邻的情况。可替代地，还存在如下情况：第一电极被布置成与多个摄像元件中的一些电荷累积电极相邻，但不与多个摄像元件中的剩余电荷累积电极相邻。在这种情况下，电荷从多个摄像元件中的上述剩余摄像元件向第一电极的移动是经由多个摄像元件中的上述一些摄像元件而进行的移动。优选地，构成摄像元件的电荷累积电极与构成摄像元件的电荷累积电极之间的距离(为了方便，称为“距离A”)大于和第一电极相邻的摄像元件中的第一电极与电荷累积电极之间的距离(为了方便，称为“距离B”)，以便确保电荷从各摄像元件向第一电极的移动。此外，优选地，随着摄像元件距第一电极的距离越远，距离A的值越增大。注意，以上说明不仅能够应用于第一构造和第二构造的固态摄像装置，而且还能够应用于根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置。
此外，包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等能够采用如下形态：其中，光从第二电极侧入射，并且在第二电极的光入射侧形成有遮光层。可替代地，能够采用如下形态：其中，光从第二电极侧入射，并且光不入射到第一电极(在某些情况下，不入射到第一电极和传输控制电极)上。另外，在这种情况下，能够采用如下形态：其中，在第二电极的光入射侧且在第一电极(在某些情况下，第一电极和传输控制电极)上方形成有遮光层。可替代地，能够采用如下形态：其中，芯片上微透镜被设置在电荷累积电极和第二电极的上方，并且入射到芯片上微透镜上的光被聚集到电荷累积电极。这里，遮光层可以布置在第二电极的光入射侧表面的上方，或者可以布置在第二电极的光入射侧表面上。在某些情况下，可以在第二电极中形成有遮光层。构成遮光层的材料的实例包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)、不透光的树脂(例如，聚酰亚胺树脂)。
本发明的摄像元件等的具体实例包括：具备吸收蓝光(425nm～495nm的光)的光电转换层或光电转换部(为了方便，称为“第一类型蓝光光电转换层”或“第一类型蓝光光电转换部”)并且对蓝光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型蓝光摄像元件”)；具备吸收绿光(495nm～570nm的光)的光电转换层或光电转换部(为了方便，称为“第一类型绿光光电转换层”或“第一类型绿光光电转换部”)并且对绿光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型绿光摄像元件”)；以及具备吸收红光(620nm～750nm的光)的光电转换层或光电转换部(为了方便，称为“第一类型红光光电转换层”或“第一类型红光光电转换部”)并且对红光敏感的摄像元件(为了方便，称为“第一类型红光摄像元件”)。此外，为了方便，常规的不具备电荷累积电极且对蓝光敏感的摄像元件被称为“第二类型蓝光摄像元件”。为了方便，常规的不具备电荷累积电极且对绿光敏感的摄像元件被称为“第二类型绿光摄像元件”。为了方便，常规的不具备电荷累积电极且对红光敏感的摄像元件被称为“第二类型红光摄像元件”。为了方便，构成第二类型蓝光摄像元件的光电转换层或光电转换部被称为“第二类型蓝光光电转换层”或“第二类型蓝光光电转换部”。为了方便，构成第二类型绿光摄像元件的光电转换层或光电转换部被称为“第二类型绿光光电转换层”或“第二类型绿光光电转换部”。为了方便，构成第二类型红光摄像元件的光电转换层或光电转换部被称为“第二类型红光光电转换层”或“第二类型红光光电转换部”。
具备电荷累积电极的层叠型摄像元件的具体实例包括：
[A]如下的构造和结构：其中，第一类型蓝光光电转换部、第一类型绿光光电转换部和第一类型红光光电转换部在垂直方向上层叠，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第一类型绿光摄像元件的控制单元和第一类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；
[B]如下的构造和结构：其中，第一类型蓝光光电转换部和第一类型绿光光电转换部在垂直方向上层叠，
在这两个第一类型光电转换部的下方布置有第二类型红光光电转换部，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第一类型绿光摄像元件的控制单元和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；
[C]如下的构造和结构：其中，第二类型蓝光光电转换部和第二类型红光光电转换部布置在第一类型绿光光电转换部的下方，并且
第一类型绿光摄像元件的控制单元、第二类型蓝光摄像元件的控制单元和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上；以及
[D]如下的构造和结构：其中，第二类型绿光光电转换部和第二类型红光光电转换部布置在第一类型蓝光光电转换部的下方，并且
第一类型蓝光摄像元件的控制单元、第二类型绿光摄像元件的控制单元和第二类型红光摄像元件的控制单元都设置在半导体基板上。
优选地，这些摄像元件的光电转换部在垂直方向上的布置顺序是从光入射方向开始依次为蓝光光电转换部、绿光光电转换部和红光光电转换部，或者从光入射方向开始依次为绿光光电转换部、蓝光光电转换部和红光光电转换部。这是因为：更短波长的光在入射表面侧会被更有效地吸收。由于红色具有三种颜色中最长的波长，因此，从光入射表面观察而言，优选将红光光电转换部定位在最下层。这些摄像元件的层叠结构构成一个像素。此外，可以包括第一类型近红外光光电转换部(或红外光光电转换部)。这里，优选地，第一类型红外光光电转换部的光电转换层例如包括有机材料，并且布置在第一类型摄像元件的层叠结构的最下层且位于第二类型摄像元件上方。可替代地，可以在第一类型光电转换部的下方设置第二类型近红外光光电转换部(或红外光光电转换部)。
在第一类型摄像元件中，例如，第一电极形成在设置于半导体基板上的层间绝缘层上。形成于半导体基板上的摄像元件可以是背照式或前照式。
在光电转换层包括有机材料的情况下，光电转换层能够具有以下四种形态中的任一种。
(1)光电转换层由p型有机半导体构成。
(2)光电转换层由n型有机半导体构成。
(3)光电转换层由p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠结构构成。光电转换层由p型有机半导体层/[p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)]/n型有机半导体层的层叠结构构成。光电转换层由p型有机半导体层/[p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)]的层叠结构构成。光电转换层由n型有机半导体层/[p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)]的层叠结构构成。
(4)光电转换层由p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)构成。
然而，能够任意地改变层叠的顺序。
p型有机半导体的示例包括：萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、芘衍生物、苝衍生物、并四苯衍生物、并五苯衍生物、喹吖啶酮衍生物、噻吩衍生物、噻吩并噻吩衍生物、苯并噻吩衍生物、苯并噻吩并苯并噻吩衍生物、三烯丙基胺衍生物、咔唑衍生物、苝衍生物、苉衍生物、
Figure BDA0002722203050000371
衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚卟啉衍生物、以杂环化合物作为配位基的金属络合物、聚噻吩衍生物、聚苯并噻二唑衍生物和聚芴(polyfluorene)衍生物等。n型有机半导体的示例包括：富勒烯和富勒烯衍生物<例如，C60、诸如C70或C74等富勒烯(高次富勒烯)、或内嵌富勒烯等、或富勒烯衍生物(例如，富勒烯氟化物、PCBM富勒烯化合物或富勒烯多聚体等)>；具有比p型有机半导体更大(更深)的HOMO和LUMO的有机半导体；以及透明的无机金属氧化物。n型有机半导体的具体示例包括：在分子骨架的一部分中具备含有氮原子、氧原子或硫原子的杂环化合物的有机分子或有机金属络合物、或者亚酞菁衍生物。上述杂环化合物的示例例如包括：吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹噁啉衍生物、异喹啉衍生物、吖啶衍生物、吩嗪衍生物、菲咯啉衍生物、四唑衍生物、吡唑衍生物、咪唑衍生物、噻唑衍生物、噁唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并三唑衍生物、苯并噁唑衍生物、苯并噁唑衍生物、咔唑衍生物、苯并呋喃衍生物、二苯并呋喃衍生物、亚卟啉衍生物、聚对苯乙炔衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、和聚芴衍生物等。富勒烯衍生物中所包含的基团等的示例包括：卤素原子；直链、支链或环状烷基或苯基；具有直链或缩合芳族化合物的基团；包括卤化物的基团；部分氟代烷基；全氟烷基；硅烷基烷基；硅烷基烷氧基；芳基硅烷基；芳基巯基(arylsulfanyl group)；烷基巯基(alkylsulfanylgroup)；芳基磺酰基；烷基磺酰基；芳基硫醚基团；烷基硫醚基团；氨基；烷基氨基；芳基氨基；羟基；烷氧基；酰氨基；酰氧基；羰基；羧基；甲酰胺基；烷氧羰(carboalkoxy)基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫族化合物的基团；膦基(phosphine group)；膦酸基(phosphongroup)；以及它们的衍生物。尽管包括有机材料的光电转换层(也称为“有机光电转换层”)的厚度不受限制，但是上述厚度例如是1×10-8m至5×10-7m，优选地，2.5×10-8m至3×10-7m，更优选地，2.5×10-8m至2×10-7m，最优选地，1×10-7m至1.8×10-7m。注意，有机半导体通常分为p型和n型。P型表示容易传输空穴，n型表示容易传输电子，并不限定于有机半导体如同在无机半导体中那样具有空穴或电子作为热激发的多数载流子的解释。
可替代地，构成对绿光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括：罗丹明类染料、部花青类染料、喹吖啶酮衍生物和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)等。构成对蓝光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括：香豆酸染料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)和部花青类染料等。构成对红光进行光电转换的有机光电转换层的材料的示例包括：酞菁类染料和亚酞菁类染料(亚酞菁衍生物)。
可替代地，构成光电转换层的无机材料的实例包括：晶体硅、非晶硅、微晶硅、晶体硒、非晶硒、黄铜矿化合物(例如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2或AgInSe2)、以及III-V族化合物(例如，GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP或InGaAsP)，并且还包括诸如CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe、或PbS等化合物半导体。另外，包括这些材料的量子点也能够用于光电转换层。
单板彩色固态摄像装置能够由根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置以及第一构造和第二构造的固态摄像装置中的各者构成。
在包括层叠型摄像元件的根据本发明的第二方面的固态摄像装置中，与包括呈拜耳阵列的摄像元件的固态摄像装置(即，不使用彩色滤光片层来进行蓝色、绿色和红色的分光)不同，一个像素是通过在同一像素内在光入射方向上把对多种波长的光具有敏感度的摄像元件层叠起来而构成的，因此，可以提高敏感度和每单位体积的像素密度。此外，由于有机材料具有高的吸收系数，因此，有机光电转换层的膜厚度能够比常规的Si基光电转换层的膜厚度薄，并且缓和了针对来自相邻像素的光泄漏及光的入射角的限制。此外，在常规的Si基摄像元件中，由于对三种颜色的像素进行插值处理以产生彩色信号，因此产生了伪色。然而，包括层叠型摄像元件的根据本发明的第二方面的固态摄像装置能够抑制伪色的产生。有机光电转换层本身也发挥彩色滤光片层的作用。因此，即使不设置彩色滤光片层，也能够进行颜色分离。
此外，在根据本发明的第一方面的固态摄像装置中，通过使用彩色滤光片层，能够减轻对蓝色、绿色和红色的分光特性的要求，并且具有较高的量产性。根据本发明的第一方面的固态摄像装置中的摄像元件阵列的实例包括拜耳阵列、行间阵列(interline array)、G条纹RB方格阵列、G条纹RB完全方格阵列、方格补色阵列、条纹阵列、斜条纹阵列、原色色差阵列、场色差序列阵列、帧色差序列阵列、MOS阵列、改良的MOS型阵列、帧交错阵列和场交错阵列。这里，一个摄像元件构成一个像素(或子像素)。
在某些情况下，彩色滤光片层(波长选择手段)的示例包括：不仅仅透射红光、绿光和蓝光，而且视情况还透射例如青色、品红色或黄色等具有特定波长的光的滤光片层。彩色滤光片层不仅能够由使用有机化合物(例如颜料和染料等)的有机材料类彩色滤光片层构成，而且还能够由包含诸如光子晶体、应用了等离子体振子(plasmon)的波长选择元件(具有导体栅格结构的彩色滤光片层，该导体栅格结构具有设置于导体薄膜中的栅格状孔结构，例如参见日本专利申请特开第2008-177191号公报)、或者包含非晶硅等的无机材料的薄膜构成。
排列有多个根据本发明的摄像元件等而形成的像素区域包括以二维方式规则地排列的多个像素。像素区域通常包括：有效像素区域，其用于实际接收光，把通过光电转换而产生的信号电荷放大且读出到驱动电路；以及黑基准像素区域(也称为光学黑像素区域(OPB))，其用于输出作为黑电平的基准的光学黑。黑基准像素区域通常布置在有效像素区域的外围。
用光照射包括上述各种优选形态的本发明的摄像元件等，在光电转换层中发生光电转换，并且进行空穴和电子的载流子分离。另外，提取空穴的电极称为正电极，提取电子的电极称为负电极。第一电极构成负电极，第二电极构成正电极。
第一电极、电荷累积电极、传输控制电极、电荷排出电极和第二电极各自能够包含透明导电性材料。第一电极、电荷累积电极、传输控制电极和电荷排出电极可以统称为“第一电极等”。可替代地，在本发明的摄像元件等例如以如同拜耳阵列的方式被布置在平面中的情况下，第二电极能够包含透明导电性材料，并且第一电极等能够包含金属材料。在这种情况下，具体地，位于光入射侧的第二电极能够包含透明导电性材料，并且第一电极等能够包含例如Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)。包含透明导电性材料的电极可以被称为“透明电极”。这里，较佳地，透明导电性材料的带隙能在2.5eV以上，优选地，在3.1eV以上。构成透明电极的透明导电性材料的实例包括导电性金属氧化物。其具体实例包括：氧化铟、铟锡氧化物(ITO，包括：掺杂有Sn的In2O3、结晶性ITO和非晶ITO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟而获得的铟锌氧化物(IZO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟和镓而获得的铟-镓-锌氧化物(IGZO，In-GaZnO4)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铟和锡而获得的铟-锡-锌氧化物(ITZO)、IFO(掺杂有F的In2O3)、氧化锡(SnO2)、ATO(掺杂有Sb的SnO2)、FTO(掺杂有F的SnO2)、氧化锌(包括：掺杂有其他元素的ZnO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的铝而获得的铝锌氧化物(AZO)、通过向氧化锌中添加作为掺杂剂的镓而获得的镓锌氧化物(GZO)、氧化钛(TiO2)、通过向氧化钛中添加作为掺杂剂的铌而获得的铌钛氧化物(TNO)、氧化锑、CuI、InSbO4、ZnMgO、CuInO2、MgIn2O4、CdO、ZnSnO3、尖晶石型氧化物、以及具有YbFe2O4结构的氧化物。可替代地，透明电极的实例包括：含有镓氧化物、钛氧化物、铌氧化物、镍氧化物等作为母层的透明电极。透明电极的厚度可以是2×10-8m至2×10-7m，优选地，3×10-8m至1×10-7m。在需要第一电极是透明性的情况下，从简化制造工艺的观点来看，电荷排出电极也优选地包含透明导电性材料。
可替代地，在不需要透明性的情况下，作为构成用作提取电子的电极的负电极的导电性材料，负电极优选地由功函数低(例如，φ＝3.5eV～4.5eV)的导电性材料构成。其具体实例包括：碱金属(例如，Li、Na或K等)、碱金属的氟化物、碱金属的氧化物、碱土金属(例如，Mg或Ca等)、碱土金属的氟化物、碱土金属的氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠-钾合金、铝-锂合金、镁-银合金、诸如铟或镱等稀土金属、以及上述这些的合金。可替代地，构成负电极的材料的示例包括：金属，例如铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钛(Ti)、铟(In)、锡(Sn)、铁(Fe)、钴(Co)或钼(Mo)；包含上述这些金属元素的合金；包含上述这些金属的导电性粒子；包含上述这些金属的合金的导电粒子；含有杂质的多晶硅；碳材料；氧化物半导体材料；和诸如碳纳米管或石墨烯等导电性材料。也能够使用包含上述这些元素的若干层的层叠结构。此外，构成负电极的材料的实例包括有机材料(导电性高分子)，例如聚(3,4-乙二氧基噻吩-聚(苯乙烯磺酸)[PEDOT/PSS]。此外，这些导电性材料可以与粘合剂(高分子)混合，以形成糊剂或墨剂，并且糊剂或墨剂可以被硬化并被用作电极。
干法或湿法能够用作第一电极等或第二电极(负电极或正电极)的成膜方法。干法的实例包括物理气相沉积法(PVD法)和化学气相沉积法(CVD法)。使用PVD法原理的成膜方法的实例包括：使用电阻加热或高频加热的真空气相沉积法、EB(电子束)气相沉积法、各种溅射法(磁控溅射法、RF-DC结合型偏压溅射法、ECR溅射法、对靶溅射法、或高频溅射法)、离子镀法、激光烧蚀法、分子束外延法、以及激光转印法。此外，CVD法的实例包括：等离子体CVD法、热CVD法、有机金属(MO)CVD法、以及光学CVD法。与此同时，湿法的实例包括：电镀法、化学镀法、旋涂法、喷墨法、喷涂法、压印法、微接触印刷法、柔版印刷法、胶印法、凹版印刷法以及浸渍法等。图案化方法的实例包括：例如荫罩掩模、激光转印或光刻等化学蚀刻；以及使用紫外光、激光等的物理蚀刻。用于使第一电极等或第二电极平坦化的技术的实例包括激光平坦化法、回流法和化学机械抛光(CMP：Chemical Mechanical Polishing)法。
构成绝缘层的材料的实例不仅包括无机绝缘材料，还可以列举有机绝缘材料(有机聚合物)，也可使用它们的组合。无机绝缘材料的示例有：例如氧化硅材料、氮化硅(SiNY)、或氧化铝(Al2O3)等金属氧化物高介电绝缘材料。有机绝缘材料(有机聚合物)的示例有：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚乙烯苯酚(PVP)；聚乙烯醇(PVA)；聚酰亚胺；聚碳酸酯(PC)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚苯乙烯；硅烷醇衍生物(硅烷偶联剂)，例如N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)或十八烷基三氯硅烷(OTS)；酚醛清漆型酚树脂(novolac phenolic resin)；氟基树脂；诸如十八烷基硫醇、或异氰酸十二烷基酯等在一端具有能够与控制电极键合的官能团的直链烃类。氧化硅材料的实例包括氧化硅(SiOX)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、SOG(旋涂玻璃)和低介电绝缘材料(例如，聚芳醚、环全氟碳聚合物和苯并环丁烯、环状氟碳树脂、聚四氟乙烯、氟化芳醚、氟化聚酰亚胺、无定形碳和有机SOG)。绝缘层能够具有单层构造，或者可以采用层叠有多个层(例如，两层)的构造。在后一种情况下，通过至少在电荷累积电极上以及在电荷累积电极与第一电极之间的区域中形成绝缘层/下层，并使该绝缘层/下层平坦化，从而仅需要至少在电荷累积电极与第一电极之间的区域中留有绝缘层/下层、并且在留下的绝缘层/下层以及电荷累积电极上形成绝缘层/上层即可。由此，能够可靠地实现绝缘层的平坦化。构成各种层间绝缘层或绝缘材料膜的材料仅需要从上述这些材料中适当地选择。
构成控制单元的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构能够分别与常规的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构相同。驱动电路也能够具有众所周知的构造和结构。
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，并且为了将第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，仅需要形成接触孔部即可。构成接触孔部的材料的实例包括：掺杂有杂质的多晶硅；高熔点金属或金属硅化物，例如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2或MoSi2等；以及包含上述这些材料的若干层的层叠结构(例如，Ti/TiN/W)。
第一载流子阻挡层可以设置在无机氧化物半导体材料层与第一电极之间，并且第二载流子阻挡层可以设置在有机光电转换层与第二电极之间。此外，第一电荷注入层可以设置在第一载流子阻挡层与第一电极之间，并且第二电荷注入层可以设置在第二载流子阻挡层与第二电极之间。构成电子注入层的材料的实例包括：例如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)等碱金属；碱金属的氟化物；碱金属的氧化物；例如镁(Mg)或钙(Ca)等碱土金属；碱土金属的氟化物；以及碱土金属的氧化物。
各种有机层的成膜方法的示例包括干式成膜法和湿式成膜法。干式成膜法的示例包括：使用电阻加热、高频加热或电子束加热的真空气相沉积法；闪蒸沉积法；等离子体气相沉积法；EB气相沉积法；各种溅射法(双极溅射法、直流溅射法、直流磁控溅射法、高频溅射法、磁控溅射法、RF-DC结合型偏压溅射法、ECR溅射法、对靶溅射法、高频溅射法和离子束溅射法)；DC(直流)法；RF方法；多阴极法；活化反应法；电场气相沉积法；各种离子镀法(例如高频离子镀法和反应离子镀法)；激光烧蚀法；分子束外延法；激光转印法；以及分子束外延法(MBE法)。此外，CVD法的示例包括：等离子体CVD法、热CVD法、MOCVD法、以及光学CVD法。与此同时，湿式成膜法的具体实例包括：旋涂法；浸渍法；流延法；微接触印刷法；滴注法；各种印刷法，诸如丝网印刷法、喷墨印刷法、胶版印刷法、凹版印刷方法和柔版印刷方法等；冲压法；喷涂法；以及各种涂布法，例如气刀涂布法、刮涂法、棒式涂布法、刀涂布法、挤压式涂布法、逆辊涂布法、转印辊涂布法、凹版涂布法、接触式涂布法、流延涂布法、喷涂法、狭缝孔涂布法和压延涂布法(calendar coater)。在涂布方法中，溶剂的示例包括无极性或低极性的有机溶剂，例如甲苯、氯仿、己烷或乙醇。图案化方法的示例包括：例如荫罩掩模、激光转印或光刻等化学蚀刻；以及使用紫外线、激光等的物理蚀刻。用于使各种有机层平坦化的技术的示例包括激光平坦化方法和回流方法等。
根据需要，能够适当地组合上述第一构造至第六构造的摄像元件之中的两种以上。
如上所述，摄像元件或固态摄像装置可以包括芯片上微透镜或遮光层，如果需要，摄像元件或固态摄像装置还可以包括用于驱动摄像元件的驱动电路或配线。如果需要，可以设置用于控制光向摄像元件上的入射的快门，或者可以根据固态摄像装置的目的而设置光学截止滤光片。
此外，第一构造和第二构造的固态摄像装置都能够具有如下形态：其中，在一个根据本发明的摄像元件等的上方设置一个芯片上微透镜，或者能够具有如下形态：其中，摄像元件区块由两个根据本发明的摄像元件等构成，并且在摄像元件区块的上方设置一个芯片上微透镜。
例如，在将固态摄像装置和读出集成电路(ROIC)层叠起来的情况下，通过把其中形成有读出集成电路和包含铜(Cu)的连接部的驱动基板与其中形成有连接部的摄像元件以它们的连接部彼此接触的方式进行叠置，使得它们的连接部彼此接合，由此能够实施层叠，并且能够使用焊料凸块等将连接部彼此接合。
此外，用于驱动根据本发明的第一方面和第二方面的固态摄像装置的驱动方法能够是重复以下步骤的固态摄像装置驱动方法：
在所有摄像元件中，同时地一面将电荷累积在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，一面将第一电极中的电荷排出至系统的外部，并且然后
在所有摄像元件中，同时地将累积于无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷传输到第一电极，并且在传输完成之后，顺序地在各摄像元件中读出被传输至第一电极的电荷。
在这样的固态摄像装置驱动方法中，各摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不入射到第一电极上，并且在所有摄像元件中，同时地一面将电荷累积于无机氧化物半导体材料层等中，一面将第一电极中的电荷排出至系统外部。因此，能够在所有摄像元件中同时可靠地复位第一电极。此外，随后，在所有摄像元件中，同时地将累积于无机氧化物半导体材料层等中的电荷传输至第一电极，并且在完成传输之后，顺序地在各摄像元件中读出被传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
在下文中，将详细说明实施例1的摄像元件和固态摄像装置。
实施例1的摄像元件还包括半导体基板(更具体地，硅半导体层)70，并且在半导体基板70的上方设置有光电转换部。此外，实施例1的摄像元件等还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板70上并且具有驱动电路，所述驱动电路连接到第一电极21和第二电极22。这里，半导体基板70的光入射表面被定义为下方，半导体基板70的相对侧被定义为下方。包括多个配线的配线层62设置在半导体基板70的下方。
半导体基板70包括用于构成控制单元的至少浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp，并且第一电极21连接到浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp的栅极部。半导体基板70还包括用于构成控制单元的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1SEL。浮动扩散层FD1连接到复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区。放大晶体管TR1amp的另一个源极/漏极区连接到选择晶体管TR1sel的一个源极/漏极区。选择晶体管TR1sel的另一个源极/漏极区连接到信号线VSL1。这些放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1sel构成驱动电路。
具体地，实施例1的摄像元件是背照式摄像元件，并且具有通过层叠三个摄像元件而形成的结构，所述三个摄像元件是：实施例1中的第一类型绿光摄像元件(以下称为“第一摄像元件”)，其包括吸收绿光的第一类型绿光光电转换层且对绿光敏感；第二类型常规的蓝光摄像元件(以下称为“第二摄像元件”)，其包括吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层且对蓝光敏感；以及第二类型常规的红光摄像元件(以下称为“第三摄像元件”)，其包括吸收红光的第二类型红光光电转换层且对红光敏感。这里，红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70中，并且第二摄像元件比第三摄像元件更靠近光入射侧。此外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上方。由第一摄像元件、第二摄像元件和第三摄像元件的层叠结构构成一个像素。未设置彩色滤光片层。
在第一摄像元件中，第一电极21和电荷累积电极24彼此分离地形成在层间绝缘层81上。层间绝缘层81和电荷累积电极24被绝缘层82覆盖。无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A形成在绝缘层82上，并且第二电极22形成在光电转换层23A上。绝缘层83形成在包括第二电极22的整个表面上，并且芯片上微透镜14设置在绝缘层83上。未设置彩色滤光片层。第一电极21、电荷累积电极24和第二电极22分别由含有例如ITO(功函数：约4.4eV)的透明电极构成。无机氧化物半导体材料层23B由GaaSnbOc或GadIneOf构成。光电转换层23A由含有至少对绿光敏感的公知的有机光电转换材料(例如，诸如罗丹明染料、部花青染料和喹吖啶酮等有机材料)的层构成。层间绝缘层81以及绝缘层82和83分别包含公知的绝缘材料(例如，SiO2或SiN)。无机氧化物半导体材料层23B和第一电极21通过设置于绝缘层82中的连接部67彼此连接。无机氧化物半导体材料层23B在连接部67中延伸。即，无机氧化物半导体材料层23B在设置于绝缘层82中的开口部85中延伸，并连接到第一电极21。
电荷累积电极24连接到驱动电路。具体地，电荷累积电极24经由形成于层间绝缘层81中的连接孔66、焊盘部64和配线VOA连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
电荷累积电极24的尺寸大于第一电极21。当电荷累积电极24的面积由S1′表示，并且第一电极21的面积由S1表示时，尽管不受限制，但是优选满足：
4≤S1'/S1。
在实施例1中，例如，尽管不受限制，但是可以设定为S1'/S1＝8。注意，在稍后所述的实施例7～10中，三个光电转换部区段10'1、10'2和10'3的尺寸是相同的，并且其平面形状也是相同的。
元件分离区71形成在半导体基板70的第一表面(前表面)70A侧。此外，氧化膜72形成在半导体基板70的第一表面70A上。此外，在半导体基板70的第一表面侧，设置有构成第一摄像元件的控制单元的复位晶体管TR1rst、放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel，并且还设置有第一浮动扩散层FD1。
复位晶体管TR1rst包括栅极部51、沟道形成区51A、以及源极/漏极区51B和51C。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接到复位线RST1。复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C也用作第一浮动扩散层FD1，并且复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
第一电极21经由形成于层间绝缘层81中的连接孔65和焊盘部63、经由形成于半导体基板70和层间绝缘层76中的接触孔部61、以及经由形成于层间绝缘层76中的配线层62连接到复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C(第一浮动扩散层FD1)。
放大晶体管TR1amp包括栅极部52、沟道形成区52A以及源极/漏极区52B和52C。栅极部52通过配线层62连接到第一电极21和复位晶体管TR1rst的一个源极/漏极区51C(第一浮动扩散层FD1)。此外，放大晶体管TR1amp的一个源极/漏极区52B连接到电源VDD。
选择晶体管TR1sel包括栅极部53、沟道形成区53A、以及源极/漏极区53B和53C。栅极部53连接到选择线SEL1。此外，选择晶体管TR1sel的一个源极/漏极区53B与构成放大晶体管TR1amp的另一个源极/漏极区52C有共用区域，并且选择晶体管TR1sel的另一个源极/漏极区53C连接到信号线(数据输出线)VSL1(117)。
第二摄像元件包括设置于半导体基板70中的作为光电转换层的n型半导体区域41。由纵型晶体管构成的传输晶体管TR2trs的栅极部45一直延伸到n型半导体区域41，并连接到传输栅极线TG2。此外，第二浮动扩散层FD2设置在半导体基板70的位于传输晶体管TR2trs的栅极部45附近的区域45C中。累积于n型半导体区域41中的电荷经由沿着栅极部45形成的传输通道而被读出到第二浮动扩散层FD2。
在第二摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧，还布置有构成第二摄像元件的控制单元的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。复位晶体管TR2rst的栅极部连接到复位线RST2。复位晶体管TR2rst的一个源极/漏极区连接到电源VDD，并且另一个源极/漏极区也用作第二浮动扩散层FD2。
放大晶体管TR2amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。放大晶体管TR2amp的栅极部连接到复位晶体管TR2rst的另一个源极/漏极区(第二浮动扩散层FD2)。此外，放大晶体管TR2amp的一个源极/漏极区连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。选择晶体管TR2sel的栅极部连接到选择线SEL2。此外，选择晶体管TR2sel的一个源极/漏极区与构成放大晶体管TR2amp的另一个源极/漏极区有共用区域，并且选择晶体管TR2sel的另一个源极/漏极区连接到信号线(数据输出线)VSL2。
第三摄像元件包括设置在半导体基板70中的作为光电转换层的n型半导体区域43。传输晶体管TR3trs的栅极部46连接到传输栅极线TG3。此外，第三浮动扩散层FD3设置在半导体基板70的位于传输晶体管TR3trs的栅极部46附近的区域46C中。累积于n型半导体区域43中的电荷通过沿着栅极部46形成的传输通道46A而被读出到第三浮动扩散层FD3。
在第三摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧，还设置有构成第三摄像元件的控制单元的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel。
复位晶体管TR3rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。复位晶体管TR3rst的栅极部连接到复位线RST3。复位晶体管TR3rst的一个源极/漏极区连接到电源VDD，并且复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区也用作第三浮动扩散层FD3。
放大晶体管TR3amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。放大晶体管TR3amp的栅极部连接到复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区(第三浮动扩散层FD3)。此外，放大晶体管TR3amp的一个源极/漏极区连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区。选择晶体管TR3sel的栅极部连接到选择线SEL3。此外，选择晶体管TR3sel的一个源极/漏极区与构成放大晶体管TR3amp的另一个源极/漏极区有共用区域，并且选择晶体管TR3sel的另一个源极/漏极区连接到信号线(数据输出线)VSL3。
复位线RST1、RST2和RST3、选择线SEL1、SEL2和SEL3、以及传输栅极线TG2和TG3连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112，并且信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到构成驱动电路的列信号处理电路113。
p+层44设置在n型半导体区域43与半导体基板70的前表面70A之间，以便抑制暗电流的产生。p+层42形成在n型半导体区域41与n型半导体区域43之间，此外，n型半导体区域43的侧表面的一部分被p+层42包围。p+层73形成在半导体基板70的背面70B侧。HfO2膜74和绝缘材料膜75被形成为从p+层73延伸到半导体基板70内部的要形成接触孔部61的部分。在层间绝缘层76中，形成有多层配线，但并未图示出来。
HfO2膜74具有负的固定电荷。通过形成这种膜，能够抑制暗电流的产生。代替HfO2膜，也能够使用如下膜：氧化铝(Al2O3)膜、氧化锆(ZrO2)膜、氧化钽(Ta2O5)膜、氧化钛(TiO2)膜、氧化镧(La2O3)膜、氧化镨(Pr2O3)膜、氧化铈(CeO2)膜、氧化钕(Nd2O3)膜、氧化钷(Pm2O3)膜、氧化钐(Sm2O3)膜、氧化铕(Eu2O3)膜、氧化钆(Gd2O3)膜、氧化铽(Tb2O3)膜、氧化镝(Dy2O3)膜、氧化钬(Ho2O3)膜、氧化铥(Tm2O3)膜、氧化镱(Yb2O3)膜、氧化镥(Lu2O3)膜、氧化钇(Y2O3)膜、氮化铪膜、氮化铝膜、氮氧化铪膜、或氧氮化铝膜。这些膜的成膜方法的实例包括CVD法、PVD法和ALD法。
在下文中，参考图5和图6A，将说明实施例1的包括电荷累积电极的层叠型摄像元件(第一摄像元件)的操作。实施例1的摄像元件还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板70上并具有驱动电路。第一电极21、第二电极22和电荷累积电极24连接到该驱动电路。这里，第一电极21的电位被设定得高于第二电极22的电位。即，例如，第一电极21设定为正电位，第二电极22设定为负电位。通过光电转换层23A中的光电转换产生的电子被读出到浮动扩散层。这类似地适用于其它实施例。
在图5、稍后所述的实施例4中的图20和图21、以及实施例6中的图32和图33中使用的附图标记如下。
PA：无机氧化物半导体材料层23B的与位于电荷累积电极24与第一电极21之间或位于传输控制电极(电荷传输电极)25与第一电极21之间的区域面对着的区域的点PA处的电位
PB：无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积电极24面对着的区域的点PB处的电位
PC1：无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积电极区段24A面对着的区域的点PC1处的电位
PC2：无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积电极区段24B面对着的区域的点PC2处的电位
PC3：无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积电极区段24C面对着的区域的点PC3处的电位
PD：无机氧化物半导体材料层23B的与传输控制电极(电荷传输电极)25面对着的区域的点PD处的电位
FD：第一浮动扩散层FD1处的电位
VOA：电荷累积电极24处的电位
VOA-A：电荷累积电极区段24A处的电位
VOA-B：电荷累积电极区段24B处的电位
VOA-C：电荷累积电极区段24C处的电位
VOT：传输控制电极(电荷传输电极)25处的电位
RST：复位晶体管TR1rst的栅极部51处的电位
VDD：电源的电位
VSL1：信号线(数据输出线)VSL1
TR1rst：复位晶体管TR1rst
TR1amp：放大晶体管TR1amp
TR1sel：选择晶体管TR1sel
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积电极24。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换而产生的空穴从第二电极22通过配线VOU传送到驱动电路。与此同时，由于第一电极21的电位被设得高于第二电极22的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，满足V12≥V11，优选地满足V12>V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引至电荷累积电极24，并且该电子停留在无机氧化物半导体材料层23B(或者无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A)(以下，它们将被统称为“无机氧化物半导体材料层23B等”)的与电荷累积电极24面对着的区域中。即，电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足V12>V11，因此，光电转换层23A内部产生的电子不会向第一电极21移动。随着光电转换的执行过程，无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积期间的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积电极24。这里，满足V22<V21。结果，已经停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子被读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
以这种方式，完成了包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与常规的这些晶体管的操作相同。此外，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。此外，如在现有技术中那样，能够通过相关双采样(CDS：correlateddouble sampling)处理去除第一浮动扩散层FD1的复位噪声。
如上所述，在实施例1中，由于包括了电荷累积电极(所述电荷累积电极与第一电极分离地布置着并且隔着绝缘层面对着光电转换层)，因此，当用光照射光电转换层并在光电转换层中对光进行光电转换时，无机氧化物半导体材料层等跟绝缘层和电荷累积电极形成一种电容器，并且电荷能够累积于无机氧化物半导体材料层等中。因此，在曝光开始时，电荷存储部能够被完全耗尽并且电荷能够被消除。结果，能够抑制kTC噪声增加、随机噪声劣化、以及所摄图像的质量降低等现象的发生。此外，由于能够同时复位所有像素，因此能够实现所谓的全局快门功能。
图76示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。实施例1的固态摄像装置100包括：摄像区域111，其中，层叠型摄像元件101呈二维阵列方式排列着；作为层叠型摄像元件101的驱动电路(外围电路)的垂直驱动电路112；列信号处理电路113；水平驱动电路114；输出电路115；驱动控制电路116等。不用说，上述这些电路能够由众所周知的电路构成，并且也能够使用其它电路构造(例如，在常规的CCD摄像装置或CMOS摄像装置中使用的各种电路)来构成上述这些电路。在图76中，仅在一行中显示了层叠型摄像元件101的附图标记“101”。
驱动控制电路116基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生时钟信号或控制信号，所述时钟信号或所述控制信号作为垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114的操作的基准。此外，所产生的时钟信号或控制信号被输入到垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114。
例如，垂直驱动电路112由移位寄存器构成，并且垂直驱动电路112在垂直方向上以行为单位顺序地选择和扫描摄像区域111中的层叠型摄像元件101。此外，基于与由各个层叠型摄像元件101接收到的光量对应地产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)通过信号线(数据输出线)117(VSL)被传送到列信号处理电路113。
例如，列信号处理电路113被布置成对应于层叠型摄像元件101的每列。使用来自黑基准像素的信号(尽管未示出，但其形成在有效像素区域周围)，对从一行层叠型摄像元件101输出的图像信号针对每个摄像元件进行例如噪声消除或信号放大等信号处理。在列信号处理电路113的输出级中，水平选择开关(未示出)连接并设置在列信号处理电路113和水平信号线118之间。
例如，水平驱动电路114由移位寄存器构成。通过顺序地输出水平扫描脉冲，水平驱动电路114顺序地选择各个列信号处理电路113，并将来自各个列信号处理电路113的信号输出到水平信号线118。
输出电路115对从各个列信号处理电路113经由水平信号线118顺序地提供过来的信号进行信号处理，然后输出该信号。
图9示出了实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图，图10示出了第一电极、电荷累积电极和用于构成控制单元的晶体管的示意性布局图，如图所示，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
例如，实施例1的摄像元件能够通过以下方法来制造。即，首先，制备SOI基板。然后，基于外延生长方法在SOI基板的表面上形成第一硅层，并且在第一硅层上形成p+层73和n型半导体区域41。随后，基于外延生长方法在第一硅层上形成第二硅层，并且在第二硅层上形成元件分离区71、氧化膜72、p+层42、n型半导体区域43和p+层44。此外，在第二硅层上形成构成摄像元件的控制单元的各种晶体管等。进而，在第二硅层上还形成配线层62、层间绝缘层76和各种配线，然后，将层间绝缘层76和支撑基板(未示出)贴合在一起。随后，移除SOI基板以使第一硅层暴露出来。第二硅层的表面相当于半导体基板70的前表面70A，并且第一硅层的表面相当于半导体基板70的背面70B。此外，第一硅层和第二硅层被统一表示为半导体基板70。随后，在半导体基板70的背面70B侧形成用于形成接触孔部61的开口，并且形成HfO2膜74、绝缘材料膜75和接触孔部61。进而，还形成了焊盘部63和64、层间绝缘层81、连接孔65和66、第一电极21、电荷累积电极24和绝缘层82。接下来，连接部67被开口，并形成无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22、绝缘层83和芯片上微透镜14。结果，能够获得实施例1的摄像元件。
此外，尽管未示出，但是绝缘层82能够具有包括绝缘层/下层和绝缘层/上层的两层构造。即，仅需要至少在电荷累积电极24上以及位于电荷累积电极24与第一电极21之间的区域中形成绝缘层/下层(更具体地，仅需要在包括电荷累积电极24的层间绝缘层81上形成绝缘层/下层)，接着使绝缘层/下层平坦化，然后在绝缘层/下层和电荷累积电极24上形成绝缘层/上层。结果，能够可靠地使绝缘层82平坦化。然后，仅需要在由此获得的绝缘层82中形成连接部67的开口。
[实施例2]
实施例2是实施例1的变形。图11的示意性局部横截面图所示的实施例2的摄像元件是前照式摄像元件，并且上述摄像元件具有通过层叠三个摄像元件而形成的结构，所述三个摄像元件是：实施例1的第一类型绿光摄像元件(第一摄像元件)，其包括用于吸收绿光的第一类型绿光光电转换层且对绿光敏感；第二类型常规的蓝光摄像元件(第二摄像元件)，其包括用于吸收蓝光的第二类型蓝光光电转换层且对蓝光敏感；以及第二类型常规的红光摄像元件(第三摄像元件)，其包括用于吸收红光的第二类型红光光电转换层且对红光敏感。这里，红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)设置在半导体基板70中，并且第二摄像元件比第三摄像元件更靠近光入射侧。此外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上方。
如同实施例1中一样，在半导体基板70的前表面70A侧设置用于构成控制单元的各种晶体管。这些晶体管能够具有基本上与实施例1中所述的晶体管相同的构造和结构。此外，半导体基板70包括第二摄像元件和第三摄像元件，并且这些摄像元件能够具有基本上与实施例1中所述的第二摄像元件和第三摄像元件相同的构造和结构。
层间绝缘层81形成在半导体基板70的前表面70A的上方。在层间绝缘层81的上方，设置有用于构成实施例1的摄像元件的包括电荷累积电极的光电转换部(第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22和电荷累积电极24等)。
以这种方式，除了实施例2的摄像元件是前照式之外，实施例2的摄像元件的构造和结构能够与实施例1的摄像元件的构造和结构相同。因此，省略其详细说明。
[实施例3]
实施例3是实施例1和实施例2的变形。
图12的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件是背照式摄像元件，并且上述摄像元件具有通过层叠实施例1的第一类型第一摄像元件和第二类型第二摄像元件这两个摄像元件而形成的结构。此外，图13的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例是前照式摄像元件，并且上述摄像元件具有通过层叠实施例1的第一类型第一摄像元件和第二类型第二摄像元件这两个摄像元件而形成的结构。这里，第一摄像元件吸收原色光，第二摄像元件吸收互补色光。可替代地，第一摄像元件吸收白光，第二摄像元件吸收红外线。累积于n型半导体区域41中的电荷通过沿着栅极部45形成的传输通道45A被读出到第二浮动扩散层FD2。
图14的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例是背照式摄像元件，并且是由实施例1的第一类型第一摄像元件构成。此外，图15的示意性局部横截面图所示的实施例3的摄像元件的变形例是前照式摄像元件，并且是由实施例1的第一类型第一摄像元件构成。这里，第一摄像元件由用于吸收红光的摄像元件、用于吸收绿光的摄像元件、以及用于吸收蓝光的摄像元件这三种摄像元件构成。此外，根据本发明的第一方面的固态摄像装置由多个上述摄像元件构成。能够列举拜耳阵列作为多个摄像元件的布置。在各摄像元件的光入射侧，根据需要可以设置有用于进行蓝色、绿色和红色的分光的彩色滤光片层。
代替设置有一个如实施例1的包括电荷累积电极的第一类型光电转换部，可以采用层叠两个第一类型光电转换部的形态(即，把两个分别包括电荷累积电极的光电转换部进行层叠，并且在半导体基板中设置两个光电转换部的控制单元的形态)，或者能够采用层叠三个第一类型光电转换部的形态(即，把三个分别包括电荷累积电极的光电转换部进行层叠，并且在半导体基板中设置三个光电转换部的控制单元的形态)。在下表中，示出了第一类型摄像元件和第二类型摄像元件的层叠结构的示例。
Figure BDA0002722203050000571
[实施例4]
实施例4是实施例1至实施例3的变形，并且实施例4涉及本发明的包括传输控制电极(电荷传输电极)的摄像元件等。图16示出了实施例4的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。图17和图18示出了实施例4的摄像元件的等效电路图。图19示出了构成实施例4的摄像元件的光电转换部的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图20和图21示意性地示出了在实施例4的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6B示出了用于说明实施例4的摄像元件的各部位的等效电路图。此外，图22示出了构成实施例4的摄像元件的光电转换部的第一电极、传输控制电极和电荷累积电极的示意性布局图。图23示出了第一电极、传输控制电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
实施例4的摄像元件还包括：位于第一电极21与电荷累积电极24之间的传输控制电极(电荷传输电极)25，其与第一电极21和电荷累积电极24分离地布置着，且隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。传输控制电极25通过形成于层间绝缘层81中的连接孔68B、焊盘部68A和配线VOT连接到构成驱动电路的像素驱动电路。注意，在图16、图25、图28、图67、图71和图73中，为了简化附图和方便起见，位于层间绝缘层81下方的各种摄像元件构成要素统一由附图标记13表示。
在下文中，参考图20和图21，将说明实施例4的摄像元件(第一摄像元件)的操作。注意，对于图20和图21，施加到电荷累积电极24上的电位值和点PD处的电位值特别地是不同的。
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积电极24，并将电位V13施加到传输控制电极25。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过配线VOU传送到驱动电路。另外，第一电极21的电位被设得高于第二电极22的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，满足V12>V13(例如，V12>V11>V13或V11>V12>V13)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极24，并且电子停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中。即，电荷累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足V12>V13，因此能够可靠地防止在光电转换层23A内部产生的电子向第一电极21移动。随着光电转换的执行过程，无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积期间的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积电极24，并将电位V23施加到传输控制电极25。这里，满足V22≤V23≤V21(优选地，V22<V23<V21)。在将电位V13施加到传输控制电极25的情况下，仅需要满足V22≤V13≤V21(优选地，V22<V13<V21)即可。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子被可靠地读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
以这种方式，完成了包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与常规的这些晶体管的操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。
图24示出了构成实施例4的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图，如图所示，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是将另一个源极/漏极区51B连接到电源VDD。
[实施例5]
实施例5是实施例1至实施例4的变形，并且实施例5涉及本发明的包括电荷排出电极的摄像元件等。图25示出了实施例5的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。图26示出了构成实施例5的摄像元件的包括电荷累积电极的光电转换部的第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极的示意性布局图。图27示出了第一电极、电荷累积电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
实施例5的摄像元件还包括电荷排出电极26，电荷排出电极26通过连接部69连接到无机氧化物半导体材料层23B，并且电荷排出电极26与第一电极21和电荷累积电极24分离地布置着。这里，电荷排出电极26被布置成围绕第一电极21和电荷累积电极24(即，呈框架形状)。电荷排出电极26连接到构成驱动电路的像素驱动电路。无机氧化物半导体材料层23B在连接部69中延伸。即，无机氧化物半导体材料层23B在形成于绝缘层82中的第二开口部86中延伸，从而连接到电荷排出电极26。电荷排出电极26由多个摄像元件共用(共有)。电荷排出电极26能够用作例如光电转换部的浮动扩散部或溢流漏极(overflow drain)。
在实施例5中，在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，将电位V12施加到电荷累积电极24，并将电位V14施加到电荷排出电极26，而且电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过配线VOU传送到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极22的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。因此，满足V14>V11(例如，V12>V14>V11)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极24，并且电子停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中。这能够可靠地防止电子朝着第一电极21移动。然而，未被充分地被吸引至电荷累积电极24的电子或未完全累积到无机氧化物半导体材料层23B等中的电子(所谓的溢流电子)经由电荷排出电极26被传送到驱动电路。
在电荷累积期间的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，将电位V22施加到电荷累积电极24，并将电位V24施加到电荷排出电极26。这里，满足V24<V21(例如，V24<V22<V21)。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子被可靠地读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
以这种方式，完成了包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与常规的这些晶体管的操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作与常规的包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作相同。
在实施例5中，所谓的溢流电子通过电荷排出电极26被传送到驱动电路。因此，能够抑制向相邻像素的电荷累积部的泄漏，并且能够抑制光晕(blooming)的发生。另外，这还能够改善摄像元件的摄像性能。
[实施例6]
实施例6是实施例1至实施例5的变形，并且实施例6涉及本发明的包括多个电荷累积电极区段的摄像元件等。
图28示出了实施例6的摄像元件的一部分的示意性局部横截面图。图29和图30示出了实施例6的摄像元件的等效电路图。图31示出了构成实施例6的摄像元件的包括电荷累积电极的光电转换部的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。图32和图33示意性地示出了在实施例6的摄像元件的操作期间各部位的电位状态。图6C示出了用于说明实施例6的摄像元件的各部位的等效电路图。此外，图34示出了构成实施例6的摄像元件的包含电荷累积电极的光电转换部的第一电极和电荷累积电极的示意性布局图。图35示出了第一电极、电荷累积电极、第二电极和接触孔部的示意性透视图。
在实施例6中，电荷累积电极24包括多个电荷累积电极区段24A、24B和24C。电荷累积电极区段的数量只需要为2以上即可，并且在实施例6中该数量被设为“3”。另外，在实施例6的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。因此，即，例如将正电位施加到第一电极21，并且将负电位施加到第二电极22。另外，在电荷传输期间中，施加到位于离第一电极21最近的位置处的电荷累积电极区段24A的电位高于施加到位于离第一电极21最远的位置处的电荷累积电极区段24C的电位。以这种方式，通过向电荷累积电极24赋予电位梯度，已经停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子更可靠地被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
在图32所示的示例中，在电荷传输期间中，由于满足电荷累积电极区段24C的电位<电荷累积电极区段24B的电位<电荷累积电极区段24A的电位，所以，已经停留在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中的电子被同时读出到第一浮动扩散层FD1。与此同时，在图33所示的示例中，在电荷传输期间中，通过使电荷累积电极区段24C的电位、电荷累积电极区段24B的电位和电荷累积电极区段24A的电位逐级变化(即，通过使电荷累积电极区段24C的电位、电荷累积电极区段24B的电位和电荷累积电极区段24A的电位以阶梯形式或斜坡形式变化)，已经停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极区段24C面对着的区域中的电子就被移动至无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极区段24B面对着的区域。随后，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极区段24B面对着的区域中的电子就被移动至无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极区段24A面对着的区域。随后，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极区段24A面对着的区域中的电子被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
图36示出了构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是连接到电源VDD。
[实施例7]
实施例7是实施例1至实施例6的变形，并且实施例7涉及第一构造和第六构造的摄像元件。
图37示出了实施例7的摄像元件的示意性局部横截面图。图38示出了通过把层叠有电荷累积电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图。实施例7的摄像元件的等效电路图与图2和图3中所述的实施例1的摄像元件的等效电路图相同。构成实施例7的摄像元件的包含电荷累积电极的光电转换部的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图与图4中所述的实施例1的摄像元件相同。此外，实施例7的摄像元件(第一摄像元件)的操作与实施例1的摄像元件的操作基本相同。
这里，在实施例7的摄像元件或稍后所述的实施例8～12的摄像元件中，
光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段(具体地，三个光电转换部区段10'1、10'2和10'3)，
无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A包括N个光电转换层区段(具体地，三个光电转换层区段23'1、23'2和23'3)，
绝缘层82包括N个绝缘层区段(具体地，三个绝缘层区段82'1、82'2和82'3)。
在实施例7～9中，电荷累积电极24包括N个电荷累积电极区段(具体地，各个实施例中为三个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3)，
在实施例10和11中，以及在某些情况下在实施例9中，电荷累积电极24包括彼此分离地布置着的N个电荷累积电极区段(具体地，三个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3)，
第n(其中，n＝1,2,3,...,N)个光电转换部区段10'n包括第n个电荷累积电极区段24'n、第n个绝缘层区段82'n和第n个光电转换层区段23'n，并且
n值越大的光电转换部区段离第一电极21越远。这里，光电转换层区段23'1、23'2和23'3表示通过层叠无机氧化物半导体材料层和光电转换层而形成的区段，并且在附图中，为了简化附图，该区段仅以一层表示。这也适用于以下说明。
注意，在光电转换层区段中，可以通过使光电转换层部分的厚度变化并且使无机氧化物半导体材料层部分的厚度保持不变，来使光电转换层区段的厚度变化。此外，可以通过使光电转换层部分的厚度保持不变并且使无机氧化物半导体材料层部分的厚度变化，来使光电转换层区段的厚度变化。此外，可以通过使光电转换层部分的厚度变化并且使无机氧化物半导体材料层部分的厚度变化，来使光电转换层区段的厚度变化。
可替代地，实施例7的摄像元件或稍后说明的实施例8和11的摄像元件包括：
光电转换部，其是通过层叠第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22而形成的。
光电转换部还包括电荷累积电极24，该电荷累积电极24与第一电极21分离地布置着，并且该电荷累积电极24隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。
如果将电荷累积电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向定义为Z方向，并且把离开第一电极21的方向规定为X方向，则当沿着YZ假想平面把层叠有电荷累积电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠部分切断时，该层叠部分的横截面积取决于距第一电极的距离而变化。
此外，在实施例7的摄像元件中，绝缘层区段的厚度从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N逐渐变化。具体地，绝缘层区段的厚度逐渐增加。可替代地，在实施例7的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是恒定不变的，并且层叠部分的横截面的厚度(具体地，绝缘层区段的厚度)取决于距第一电极21的距离而逐渐增加。注意，绝缘层区段的厚度呈阶梯式增加。第n个光电转换部区段10'n中的绝缘层区段82'n的厚度是恒定不变的。当第n个光电转换部区段10'n中的绝缘层区段82'n的厚度是“1”时，第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)中的绝缘层区段82'(n+1)的厚度的实例包括2至10，但是不限于上述这些值。在实施例7中，通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，而使绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度逐渐增加。光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度是恒定不变的。
在下文中，将说明实施例7的摄像元件的操作。
在电荷累积期间中，驱动电路将电位V11施加到第一电极21，并将电位V12施加到电荷累积电极24。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中发生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过配线VOU传送到驱动电路。与此同时，第一电极21的电位被设得高于第二电极22的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极21，将负电位施加到第二电极22。因此，满足V12≥V11，优选地，满足V12>V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极24，并且电子停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中。即，电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。由于V12>V11，因此，在光电转换层23A内部产生的电子不会向第一电极21移动。随着光电转换的执行过程，无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电位变为更负的值。
在实施例7的摄像元件中，采用其中让绝缘层区段的厚度逐渐增加的构造。因此，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，第n个光电转换部区段10'n能够累积比第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)更多的电荷，向第n个光电转换部区段10'n施加了比第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)更强的电场，并且能够可靠地防止电荷从第一个光电转换部区段10'1向第一电极21流动。
在电荷累积期间的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层FD1的电位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间中，驱动电路将电位V21施加到第一电极21，并且将电位V22施加到电荷累积电极24。这里，满足V21>V22。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子被读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
更具体地，当在电荷传输期间中达到了V21>V22的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段10'1向第一电极21的流动以及确保电荷从第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)向第n个光电转换部区段10'n的流动。
以这种方式，完成了包括电荷累积、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在实施例7的摄像元件中，绝缘层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。可替代地，当用YZ假想平面切断层叠有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的横截面积取决于距第一电极的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换而产生的电荷。
由于实施例7的摄像元件能够通过与实施例1的摄像元件基本类似的方法来制造，因此省略其详细说明。
注意，在实施例7的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷累积电极24和绝缘层82时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷累积电极24'3的导电性材料层。将导电性材料层图案化，以将导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1、10'2和10'3以及第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'3。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层区段82'3的绝缘层。绝缘层被图案化和平坦化，以获得绝缘层区段82'3。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'2的导电性材料层。使导电性材料层图案化，并将导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1和10'2以及第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'2。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层区段82'2的绝缘层。将绝缘层图案化和平坦化，以获得绝缘层区段82'2。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'1的导电性材料层。使导电性材料层图案化，并使导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1和第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21和电荷累积电极24'1。接下来，在整个表面上形成绝缘层。将绝缘层平坦化以获得绝缘层区段82'1(绝缘层82)。然后，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A。以这种方式，能够获得光电转换部区段10'1、10'2和10'3。
图39示出了构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR1rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是连接到电源VDD。
[实施例8]
实施例8的摄像元件涉及本发明的第二构造和第六构造的摄像元件。图40示出了其中层叠有电荷累积电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极的那部分被放大的示意性局部横截面图，在实施例8的摄像元件中，光电转换层区段的厚度从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N逐渐变化。可替代地，在实施例8的摄像元件中，层叠部分的横截面的宽度是恒定不变的，并且层叠部分的横截面的厚度(具体地，光电转换层区段的厚度)取决于距第一电极21的距离而逐渐增大。更具体地，光电转换层区段的厚度逐渐增大。注意，光电转换层区段的厚度呈阶梯式增加。第n个光电转换部区段10'n中的光电转换层区段23'n的厚度是恒定不变的。当第n个光电转换部区段10'n中的光电转换层区段23'n的厚度是“1”时，第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)中的光电转换层区段23'(n+1)的厚度的实例包括2至10，但是不限于上述这些值。在实施例8中，通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，而使光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度是恒定不变的。此外，在光电转换层区段中，例如，仅需要通过改变光电转换层的部分的厚度而保持无机氧化物半导体材料层的部分的厚度不变，来改变光电转换层区段的厚度。
在实施例8的摄像元件中，光电转换层区段的厚度逐渐增加。因此，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，向第n个光电转换部区段10'n施加了比第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)更强的电场，并且能够可靠地防止电荷从第一个光电转换部区段10'1向第一电极21的流动。然后，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段10'1向第一电极21的流动以及确保电荷从第(n+1)个光电转换部区段10'(n+1)向第n个光电转换部区段10'n的流动。
以这种方式，在实施例8的摄像元件中，光电转换层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。可替代地，当用YZ假想平面切断层叠有电荷累积电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的横截面积取决于距第一电极的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换产生的电荷。
在实施例8的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷累积电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷累积电极24'3的导电性材料层。使导电性材料层图案化，并将该导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1、10'2和10'3以及第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'3。随后，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'2的导电性材料层。使导电性材料层图案化，并将该导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1和10'2以及第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21的一部分和电荷累积电极24'2。随后，在整个表面上形成用于形成电荷累积电极24'1的导电性材料层。使导电性材料层图案化，并将该导电性材料层留在将要形成光电转换部区段10'1和第一电极21的区域中。因此，能够获得第一电极21和电荷累积电极24'1。接下来，在整个表面上共形地形成绝缘层82。然后，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A，并使光电转换层23A平坦化。以这种方式，能够获得光电转换部区段10'1、10'2和10'3。
[实施例9]
实施例9涉及第三构造的摄像元件。图41示出了实施例9的摄像元件的示意性局部横截面图。在实施例9的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，用于构成绝缘层区段的材料是不同的。这里，用于构成绝缘层区段的材料的相对介电常数的值从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N是逐渐减小的。在实施例9的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。在后一种情况下，如实施例10中所述，彼此分离地设置的电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
此外，通过采用上述构造，形成了一种电荷传输梯度。在电荷累积期间中，当达到了V12≥V11的状态时，第n个光电转换部区段能够累积比第(n+1)个光电转换部区段更多的电荷。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
[实施例10]
实施例10涉及第四构造的摄像元件。图42示出了实施例10的摄像元件的示意性局部横截面图。在实施例10的摄像元件中，对于相邻的光电转换部区段，用于构成电荷累积电极区段的材料是不同的。这里，用于构成绝缘层区段的材料的功函数的值从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N是逐渐增大的。在实施例10的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。在后一种情况下，电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3通过焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
[实施例11]
实施例11的摄像元件涉及第五构造的摄像元件。图43A、图43B、图44A和图44B示出了实施例11中的电荷累积电极区段的示意性平面图。图45示出了构成实施例11的摄像元件的包含电荷累积电极的光电转换部的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图。实施例11的摄像元件的示意性局部横截面图与图42或图47所示的示意性局部横截面图类似。在实施例11的摄像元件中，电荷累积电极区段的面积从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N是逐渐减小的。在实施例11的摄像元件中，可以将相同的电位施加到所有N个电荷累积电极区段，或者可以将不同的电位施加到N个电荷累积电极区段中的各者。具体地，如实施例10中所述，彼此分离地设置的电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3仅需要通过焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
在实施例11中，电荷累积电极24包括多个电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3。电荷累积电极区段的数量只需要为2以上即可，并且该数量在实施例11中被设为“3”。另外，在实施例11的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位。因此，即，例如，将正电位施加到第一电极21，将负电位施加到第二电极22。因此，在电荷传输期间中，施加到位于离第一电极21最近的位置处的电荷累积电极区段24'1的电位高于施加到位于离第一电极21最远的位置处的电荷累积电极区段24'3的电位。以这种方式，通过向电荷累积电极24提供电位梯度，已经停留在无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极24面对着的区域中的电子更可靠地被读出到第一电极21并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制单元。
此外，在电荷传输期间中，通过满足：电荷累积电极区段24'3的电位<电荷累积电极区段24'2的电位<电荷累积电极区段24'1的电位，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中的电子能够被同时读出到第一浮动扩散层FD1。可替代地，在电荷传输期间中，通过使电荷累积电极区段24'3的电位、电荷累积电极区段24'2的电位和电荷累积电极区段24'1的电位逐级变化(即，通过电荷累积电极区段24'3的电位、电荷累积电极区段24'2的电位和电荷累积电极区段24'1的电位以阶梯形状或倾坡形状的方式变化)，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极区段24'3的区域中的电子就被移动至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极区段24'2的区域。随后，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极区段24'2的区域中的电子就被移动至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极区段24'1的区域。随后，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极区段24'1的区域中的电子能够被可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
图46示出了构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷累积电极以及构成控制单元的晶体管的示意性布局图，复位晶体管TR3rst的另一个源极/漏极区51B可以接地，而不是连接到电源VDD。
在实施例11的摄像元件中，通过采用上述构造，同样形成了一种电荷传输梯度。即，电荷累积电极区段的面积从第一个光电转换部区段10'1到第N个光电转换部区段10'N是逐渐减小的。因此，当在电荷累积期间中达到了V12≥V11的状态时，第n个光电转换部区段能够累积比第(n+1)个光电转换部区段更多的电荷。此外，当在电荷传输期间中达到了V22<V21的状态时，能够可靠地确保电荷从第一个光电转换部区段向第一电极的流动以及电荷从第(n+1)个光电转换部区段向第n个光电转换部区段的流动。
[实施例12]
实施例12涉及第六构造的摄像元件。图47示出了实施例12的摄像元件的示意性局部横截面图。此外，图48A和图48B示出了实施例12中的电荷累积电极区段的示意性平面图。实施例12的摄像元件包括光电转换部，所述光电转换部是通过层叠第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22而形成的。光电转换部还包括电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)，该电荷累积电极24与第一电极21分离地布置着，并且该电荷累积电极24隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。另外，如果将电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向定义为Z方向，并把离开第一电极21的方向规定为X方向，则当沿着YZ假想平面把层叠有电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠部分切断时，该层叠部分的横截面积取决于距第一电极21的距离而变化。
具体地，在实施例12的摄像元件中，层叠部分的横截面的厚度是恒定不变的，并且层叠部分的横截面的宽度随着该层叠部分远离第一电极21而变窄。注意，上述宽度可以连续变窄(见图48A)，或者可以阶梯式地变窄(见图48B)。
以这种方式，在实施例12的摄像元件中，当用YZ假想平面切断层叠有电荷累积电极24(24″1、24″2和24″3)、绝缘层82和光电转换层23A的层叠部分时，该层叠部分的横截面积取决于距第一电极的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且能够更容易且可靠地传输通过光电转换而产生的电荷。
[实施例13]
实施例13涉及第一构造和第二构造的固态摄像装置。
实施例13的固态摄像装置包括：
光电转换部，其是通过层叠第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22而形成的。
光电转换部还包括多个摄像元件，各个摄像元件包括电荷累积电极24，该电荷累积电极24与第一电极21分离地布置着，并且该电荷累积电极24隔着绝缘层82面对着无机氧化物半导体材料层23B。
多个摄像元件构成摄像元件区块。
第一电极21由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用。
可替代地，实施例13的固态摄像装置包括多个如实施例1～12中所述的摄像元件。
在实施例13中，针对多个摄像元件设置有一个浮动扩散层。另外，通过适当地控制电荷传输期间的时机，多个摄像元件能够共用一个浮动扩散层。另外，在这种情况下，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。
注意，除了构成摄像元件区块的多个摄像元件共用第一电极21之外，实施例13的固态摄像装置具有与实施例1～12中所述的固态摄像装置基本相同的构造和结构。
图49(实施例13)、图50(实施例13的第一变形例)、图51(实施例13的第二变形例)、图52(实施例13的第三变形例)和图53(实施例13的第四变形例)示意性地示出了实施例13的固态摄像装置中的第一电极21和电荷累积电极24的布置状态。图49、图50、图53和图54示出了16个摄像元件，并且图51和图52分别示出了12个摄像元件。另外，两个摄像元件构成摄像元件区块。摄像元件区块由虚线包围。附于第一电极21和电荷累积电极24的下标被示出用于分别区分第一电极21和电荷累积电极24。这类似地适用于以下说明。此外，在一个摄像元件的上方布置有一个芯片上微透镜(图49～图58未示出)。另外，在一个摄像元件区块中，两个电荷累积电极24被布置为使得第一电极21插入到这两个电荷累积电极24之间(见图49和图50)。可替代地，一个第一电极21被布置成面对着并排排列的两个电荷累积电极24(见图53和图54)。即，第一电极与各个摄像元件的电荷累积电极相邻地布置。可替代地，第一电极与多个摄像元件的一些电荷累积电极相邻地布置着，并且不与多个摄像元件的剩余电荷累积电极相邻地布置(见图51和图52)。在这种情况下，电荷从多个摄像元件中的上述剩余摄像元件向第一电极的传输是经由多个摄像元件的上述一些摄像元件传输的。优选地，构成摄像元件的电荷累积电极与构成摄像元件的电荷累积电极之间的距离A比与第一电极相邻的摄像元件中的第一电极和电荷累积电极之间的距离B长，以便确保电荷从各个摄像元件传输到第一电极。此外，优选地，摄像元件的位置离第一电极越远，距离A的值就越大。此外，在图50、图52和图54所示的示例中，电荷移动控制电极27被设置在构成摄像元件区块的多个摄像元件之间。通过设置电荷移动控制电极27，能够可靠地抑制位于电荷移动控制电极27两边的摄像元件区块中的电荷的传输。注意，当施加到电荷移动控制电极27的电位被称为V17时，仅需要满足V12>V17。
电荷移动控制电极27可以在第一电极侧形成为与第一电极21或电荷累积电极24相同的电平，或者形成为与第一电极21或电荷累积电极24不同的电平(具体地，比第一电极21或电荷累积电极24低的电平)。在前一种情况下，由于能够缩短电荷移动控制电极27与光电转换层之间的距离，所以能够易于控制电位。与此同时，由于能够缩短电荷移动控制电极27与电荷累积电极24之间的距离，所以后一种情况有利于小型化。
在下文中，将说明由第一电极212以及两个电荷累积电极2421和2422构成的摄像元件区块的操作。
在电荷累积期间中，驱动电路将电位Va施加到第一电极212，并将电位VA施加到电荷累积电极2421和2422。通过入射到光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。通过光电转换产生的空穴从第二电极22通过配线VOU输送到驱动电路。与此同时，第一电极212的电位被设得高于第二电极22的电位，即，例如，将正电位施加到第一电极212，并将负电位施加到第二电极22。因此，满足VA≥Va，优选地，满足VA>Va。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷累积电极2421和2422，并且电子停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421和2422的区域中。即，电荷被累积于无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足VA≥Va，因此，在光电转换层23A的内部产生的电子不会朝着第一电极212移动。随着光电转换的执行过程，无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421和2422的区域中的电位变为更负的值。
在电荷累积期间的后期，执行复位操作。结果，复位了第一浮动扩散层的电位，并且第一浮动扩散层的电位变为电源的电位VDD。
在完成复位操作之后，读出电荷。即，在电荷传输期间中，驱动电路将电位Vb施加到第一电极212，将电位V21-B施加到电荷累积电极2421，并将电位V22-B施加到电荷累积电极2422。这里，满足V21-B<Vb<V22-B。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中的电子被读出到第一电极212，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。即，累积于无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中的电荷被读出到控制单元。当完成读取时，满足V22-B≤V21-B<Vb。注意，在图53和图54所示的示例中，可以满足V22-B<Vb<V21-B。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中的电子被读出到第一电极212，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。此外，在图51和图52所示的示例中，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中的电子可以通过与电荷累积电极2422相邻的第一电极213被读出到第一浮动扩散层。以这种方式，累积于无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中的电荷被读出到控制单元。注意，当累积于无机氧化物半导体材料层23B等的与电荷累积电极2421面对着的区域中的电荷被读取到控制单元的读取过程完成时，可以复位第一浮动扩散层的电位。
图59A示出了实施例13的摄像元件区块中的读出驱动示例。
通过以下步骤A至H，读出来自与电荷累积电极2421和电荷累积电极2422对应的两个摄像元件的信号。
[步骤-A]
将自动归零信号输入比较器
[步骤-B]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤-C]
在与电荷累积电极2421对应的摄像元件中的P相读取和向第一电极212的电荷传输
[步骤-D]
在与电荷累积电极2421对应的摄像元件中的D相读取和向第一电极212的电荷传输
[步骤-E]
一个共用浮动扩散层的复位操作
[步骤-F]
将自动归零信号输入比较器
[步骤-G]
在与电荷累积电极2422对应的摄像元件中的P相读取和向第一电极212的电荷传输
[步骤-H]
在与电荷累积电极2422对应的摄像元件中的D相读取和向第一电极212的电荷传输
基于相关双采样(CDS)处理，[步骤-C]中的P相读数与[步骤-D]中的D相读数之间的差是来自与电荷累积电极2421对应的摄像元件的信号，并且[步骤-G]中的P相读数与[步骤-H]中的D相读数之间的差是来自与电荷累积电极2422对应的摄像元件的信号。
注意，可以省略[步骤-E]的操作(见图59B)。此外，可以省略[步骤-F]的操作。在这种情况下，可以进一步省略[步骤-G]的操作(见图59C)。[步骤-C]中的P相读数与[步骤-D]中的D相读数之间的差是来自与电荷累积电极2421对应的摄像元件的信号，并且[步骤-D]中的D相读数与[步骤-H]中的D相读数之间的差是来自与电荷累积电极2422对应的摄像元件的信号。
在示意性地示出第一电极21和电荷累积电极24的布置状态的图55(实施例13的第六变形例)和图56(实施例13的第七变形例)的变形例中，摄像元件区块包括4个摄像元件。这些固态摄像装置的操作能够基本上类似于图49～54所示的固态摄像装置的操作。
在示意性地示出第一电极21和电荷累积电极24的布置状态的图57和图58的第八变形例和第九变形例中，摄像元件区块包括16个摄像元件。如图57和图58所示，电荷移动控制电极27A1、27A2和27A3分别设置在电荷累积电极2411和电荷累积电极2412之间、电荷累积电极2412和电荷累积电极2413之间、以及电荷累积电极2413和电荷累积电极2414之间。此外，如图58所示，电荷移动控制电极27B1、27B2和27B3分别设置在电荷累积电极2421、2431和2441与电荷累积电极2422、2432和2442之间、电荷累积电极2422、2432和2442与电荷累积电极2423、2433和2443之间、以及电荷累积电极2423、2433和2443与电荷累积电极2424、2434和2444之间。此外，电荷移动控制电极27C设置在摄像元件区块与摄像元件区块之间。另外，在这些固态摄像装置中，通过控制16个电荷累积电极24，能够从第一电极21读取累积于无机氧化物半导体材料层23B中的电荷。
[步骤-10]
具体地，首先，从第一电极21读出在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2411的区域中累积的电荷。接下来，从第一电极21经由无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2411的区域读出在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2412的区域中累积的电荷。接下来，从第一电极21经由无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2412和电荷累积电极2411的区域读出在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2413的区域中累积的电荷。
[步骤-20]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2414的区域。
[步骤-21]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2431的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2432的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2433的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2434的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域。
[步骤-22]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2441的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2431的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2442的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2432的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2443的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2433的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2444的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2434的区域。
[步骤-30]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够经由第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域中累积的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域中累积的电荷。
[步骤-40]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2414的区域。
[步骤-41]
在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2431的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2432的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2433的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2434的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域。
[步骤-50]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够经由第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2431的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2432的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2433的区域中累积的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2434的区域中累积的电荷。
[步骤-60]
随后，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2421的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2411的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2422的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2412的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2423的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2413的区域。在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2424的区域中累积的电荷被传输至无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2414的区域。
[步骤-70]
然后，通过再次执行[步骤-10]，能够经由第一电极21读取在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2441的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2442的区域中累积的电荷、在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2443的区域中累积的电荷、以及在无机氧化物半导体材料层23B等的面对着电荷累积电极2444的区域中累积的电荷。
在实施例13的固态摄像装置中，由于第一电极由构成摄像元件区块的多个摄像元件共用，因此能够使其中排列有多个摄像元件的像素区域中的构造和结构简化和小型化。注意，针对一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以由多个第一类型摄像元件构成，或者可以由至少一个第一类型摄像元件和一个以上的第二类型摄像元件构成。
[实施例14]
实施例14是实施例13的变形。在示意性地示出了第一电极21和电荷累积电极24的布置状态的图60、图61、图62和图63所示的实施例14的固态摄像装置中，摄像元件区块包括两个摄像元件。另外，在摄像元件区块的上方设置有一个芯片上微透镜14。注意，在图61和图63所示的示例中，电荷移动控制电极27设置在构成摄像元件区块的多个摄像元件之间。
例如，与构成摄像元件区块的电荷累积电极2411、2421、2431和2441对应的光电转换层对从图中右上方入射的光高度敏感。此外，与构成摄像元件区块的电荷累积电极2412、2422、2432和2442对应的光电转换层对从图中左上方入射的光高度敏感。因此，例如，通过将包括电荷累积电极2411的摄像元件和包括电荷累积电极2412的摄像元件组合，能够获取像面相位差信号。此外，如果将来自包括电荷累积电极2411的摄像元件的信号添加至来自包括电荷累积电极2412的摄像元件的信号，则一个摄像元件能够由这些摄像元件的组合构成。在图60所示的示例中，第一电极211设置在电荷累积电极2411与电荷累积电极2412之间。然而，如图62所示的示例中那样，通过将一个第一电极211设置成面对着并排布置的两个电荷累积电极2411和2412，能够进一步提高敏感度。
至此，已经基于优选的实施例说明了本发明。然而，本发明不限于上述这些实施例。实施例中所述的层叠型摄像元件、摄像元件和固态摄像装置的结构和构造、制造条件、制造方法和使用的材料都是说明性的，并且能够适当地改变。能够适当地组合实施例的摄像元件。例如，实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件、以及实施例11的摄像元件能够任意组合。实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件、以及实施例12的摄像元件能够任意组合。本发明的摄像元件的构造和结构能够应用于发光元件(例如有机EL元件)，或者能够应用于薄膜晶体管的沟道形成区域。
在某些情况下，也能够共用浮动扩散层FD1、FD2、FD3、51C、45C和46C。
例如，图64示出了实施例1中所述的摄像元件的变形例，第一电极21能够在形成于绝缘层82中的开口部85A中延伸，并连接到无机氧化物半导体材料层23B。
可替代地，例如，图65示出了实施例1中所述的摄像元件的变形例，图66A示出了第一电极的部分等的放大示意性局部横截面图，第一电极21的顶面的边缘被绝缘层82覆盖，并且第一电极21在开口85B的底面上露出；并且当将绝缘层82的与第一电极21的顶表面接触的表面称为第一表面82a，并将绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面对着电荷累积电极24的部分接触的表面称为第二表面82b时，开口85B的侧表面具有从第一表面82a朝向第二表面82b加宽的斜面。以这种方式，通过使开口85B的侧表面倾斜，电荷从无机氧化物半导体材料层23B向第一电极21的移动变得更顺利。注意，在图66A所示的示例中，开口85B的侧表面相对于开口85B的轴线是旋转对称的。然而，如图66B所示，开口85C可以这样形成：开口85C的具有从第一表面82a朝向第二表面82b加宽的斜面的侧表面被定位在电荷累积电极24侧。结果，电荷难以从无机氧化物半导体材料层23B的与电荷累积电极24相反的部分穿过开口85C移动。此外，开口85B的侧表面具有从第一表面82a朝向第二表面82b加宽的倾斜度。然而，如图66A所示，开口85B的侧表面在第二表面82b中的边缘可以位于第一电极21的边缘的外部；或者，如图66C所示，可以位于第一电极21的边缘的内部。通过采用前一种构造，进一步促进了电荷的传输。通过采用后一种构造，能够减少在形成开口时形状的变化。
通过使包含在基于蚀刻方法在绝缘层中形成开口时将形成的抗蚀剂材料的蚀刻掩模回流，并利用所述蚀刻掩模来蚀刻绝缘层82，能够形成这些开口85B和85C。
可替代地，关于实施例5中所述的电荷排出电极26，如图67所示，能够采用如下形态：其中，无机氧化物半导体材料层23B在形成于绝缘层82中的第二开口86A中延伸，并连接到电荷排出电极26，所述电荷排出电极26的顶面的边缘被绝缘层82覆盖，并且电荷排出电极26在第二开口86A的底面上露出，并且当将绝缘层82的与电荷排出电极26的顶面接触的表面称为第三表面82c，将绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面对着电荷累积电极24的部分接触的表面称为第二表面82b时，第二开口86A的侧表面具有从第三表面82c朝向第二表面82b加宽的斜度。
此外，例如，图68示出了实施例1中所述的摄像元件的变形例，能够采用如下构造：其中，光从第二电极22侧入射，并且遮光层15形成在第二电极22的光入射侧。注意，设置于光电转换层的光入射侧的各种配线能够用作遮光层。
注意，在图68所示的示例中，遮光层15形成在第二电极22的上方，即，遮光层15形成在第二电极22的光入射侧和第一电极21的上方。然而，如图69所示，遮光层15还可以设置在第二电极22的光入射侧表面上。此外，如图70所示，在某些情况下，遮光层15可以形成在第二电极22中。
可替代地，能够采用如下结构：其中，光从第二电极22侧入射，并且光不会入射到第一电极21上。具体地，如图68所示，遮光层15形成在第二电极22的光入射侧和第一电极21的上方。可替代地，如图72所示，能够采用如下结构：其中，芯片上微透镜14设置在电荷累积电极24和第二电极22的上方，并且入射到芯片上微透镜14上的光被聚集到电荷累积电极24且不会到达第一电极21。注意，如实施例4中所述的那样，在设置有传输控制电极25的情况下，能够采用如下结构：其中，光不会入射到第一电极21和传输控制电极25上。具体地，如图71所示，遮光层15能够形成在第一电极21和传输控制电极25的上方。可替代地，能够采用如下结构：其中，入射到芯片上微透镜14上的光不会到达第一电极21，或说不会到达第一电极21和传输控制电极25。
通过采用上述那些构造和结构，或者可替代地，通过设置遮光层15，使得光仅入射到位于电荷累积电极24的上方的光电转换层23A的一部分上，或者可替代地，通过设计芯片上微透镜14，位于第一电极21的上方(或第一电极21和传输控制电极25的上方)的光电转换层23A的一部分对光电转换没有贡献。因此，能够更可靠地同时复位所有像素，并且能够更容易地实现全局快门功能。即，包括多个具有上述构造和结构的摄像元件的固态摄像装置的驱动方法重复以下步骤：
在所有的摄像元件中，同时地一面将电荷累积于无机氧化物半导体材料层23B等中，一面将第一电极21中的电荷排出到系统外部；然后
在所有的摄像元件中，同时地将累积于无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷传输到第一电极21，并且在完成传输之后，顺序地在各摄像元件中读出被传输到第一电极21的电荷。
在固态摄像装置的上述驱动方法中，各摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不会入射到第一电极上，并且在所有的摄像元件中，同时一面将电荷累积于无机氧化物半导体材料层等中，一面将第一电极中的电荷排出到系统外部。因此，在所有的摄像元件中，能够可靠地同时复位第一电极。另外，随后，在所有的摄像元件中，累积于无机氧化物半导体材料层等中的电荷被同时传输到第一电极，并且在完成传输之后，顺序地在各摄像元件中读出被传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
在形成多个摄像元件共有的单个无机氧化物半导体材料层23B的情况下，从保护无机氧化物半导体材料层23B的端部的观点出发，期望无机氧化物半导体材料层23B的端部被至少光电转换层23A覆盖。在这种情况下，摄像元件的结构仅需要是其示意性横截面图由图1所示的无机氧化物半导体材料层23B的右端示出的结构。
此外，在实施例4的变形例中，如图73所示，可以从离第一电极21最近的位置朝向电荷累积电极24设置多个传输控制电极。注意，图73示出了设置有两个传输控制电极25A和25B的示例。另外，能够采用如下结构：其中，芯片上微透镜14设置在电荷累积电极24和第二电极22的上方，并且入射至芯片上微透镜14的光被聚集到电荷累积电极24并且不会到达第一电极21以及传输控制电极25A和25B。
在图37和图38所示的实施例7中，通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，来使绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度逐渐增加。与此同时，图74示出了通过把实施例7的变形例中的层叠有电荷累积电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图，电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度可以是恒定不变的，并且绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度可以逐渐增加。注意，光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度是恒定不变的。
此外，在图40所示的实施例8中，通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度逐渐减小，来使光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。与此同时，图75示出了通过把实施例8的变形例中的层叠有电荷累积电极、光电转换层和第二电极的部分放大而获得的示意性局部横截面图，可以通过使电荷累积电极区段24'1、24'2和24'3的厚度恒定不变，并且使绝缘层区段82'1、82'2和82'3的厚度逐渐减小，来使光电转换层区段23'1、23'2和23'3的厚度逐渐增加。
不言而喻，上述各种变形例也能够应用于实施例2～14。
在实施例中，已经将本发明应用于CMOS式固态摄像装置的情况作为示例进行了说明，在所述CMOS式固态摄像装置中，将与入射光量对应的信号电荷作为物理量进行检测的单位像素以矩阵方式布置。然而，本发明不限于CMOS式固态摄像装置的应用，并且本发明还能够应用于CCD式固态摄像装置。在后一种情况下，具有CCD式结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输信号电荷，水平传输寄存器在水平方向上传输信号电荷，并且信号电荷被放大以输出像素信号(图像信号)。此外，本发明不限于普通的列式固态摄像装置，在所述列式固态摄像装置中，像素以二维矩阵的方式形成，并且针对每个像素列设置列信号处理电路。此外，在某些情况下，能够省略选择晶体管。
此外，本发明的摄像元件不限于应用于检测可见光的入射光量的分布并将该分布描绘为图像的固态摄像装置，而是本发明的摄像元件和层叠型摄像元件还能够应用于如下固态摄像装置：所述固态摄像装置用于将红外线、X射线和粒子等的入射量的分布描绘为图像。此外，从广义上讲，本发明能够应用于例如指纹检测传感器等用于检测其它物理量(例如，压力和电容)的分布并将该分布成像为图像的通用固态摄像装置(物理量分布检测装置)。
此外，本发明不限于以行为单位顺序扫描摄像区域的各单位像素并从各单位像素读取像素信号的固态摄像装置。本发明还能够应用于X-Y地址型固态摄像装置，所述X-Y地址型固态摄像装置用于以像素为单位地选择任意像素，并且从所选的像素中以像素为单位地读取像素信号。固态摄像装置可以形成为一个芯片，或者可以是具有摄像功能的模块形式，其中，摄像区域和驱动电路或光学系统被封装在一起。
此外，本发明不限于固态摄像装置的应用，而且还能够应用于摄像装置。这里，摄像装置指的是相机系统(例如，数码相机或数码摄像机)，或者具有摄像功能的电子设备(例如手机)。有时将安装在电子设备上的模块形式(即，相机模块)用作摄像装置。
图77作为概念图示出了其中将包括本发明的摄像元件的固态摄像装置201用于电子设备(相机)200的示例。电子设备200包括固态摄像装置201、光学透镜210、快门装置211、驱动电路212和信号处理电路213。光学透镜210在固态摄像装置201的成像表面上形成来自被摄体的图像光(入射光)的图像。结果，信号电荷在固态摄像装置201中存储一段时间。快门装置211控制固态摄像装置201的光照期间和遮光期间。驱动电路212提供驱动信号，用于控制固态摄像装置201的传输操作等和快门装置211的快门操作。固态摄像装置201通过从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)来传送信号。信号处理电路213执行各种信号处理。已经经过了信号处理的视频信号被存储在诸如存储器等存储介质中，或被输出到监视器。在这样的电子设备200中，能够减小固态摄像装置201的像素尺寸，并且能够提高电荷传输效率，因此，能够得到像素特性改善的电子设备200。能够应用固态摄像装置201的电子设备200不限于相机，并且固态摄像装置201能够应用于诸如数码相机或用于移动装置(例如手机)的相机模块等摄像装置。
根据本发明的技术(本技术)能够应用于各种产品。例如，根据本发明的技术可以被实现为安装在下列任何类型的移动体上的装置，所述移动体例如是：汽车、电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车、自行车、个人移动设备、飞机、无人机、轮船、或机器人。
图82是示出作为能够应用根据本发明的技术的移动体控制系统的示例的车辆控制系统的示意性构造示例的框图。
车辆控制系统12000包括通过通信网络12001连接的多个电子控制单元。在图82所示的示例中，车辆控制系统12000包括：驱动系统控制单元12010、车身系统控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040以及集成控制单元12050。此外，作为集成控制单元12050的功能构造，示出了微型计算机12051、声音图像输出单元12052以及车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序来控制与车辆的驱动系统有关的设备的操作。例如，驱动系统控制单元12010起到下述各设备的控制装置的作用，这些设备是：诸如内燃机或驱动电机等用于产生车辆的驱动力的驱动力产生设备；用于将驱动力传递到车轮的驱动力传递机构；用于调节车辆的舵角的转向机构；以及用于产生车辆的制动力的制动设备等。
车身系统控制单元12020根据各种程序来控制安装在车体上的各种设备的操作。例如，车身系统控制单元12020起到下述各设备的控制装置的作用，这些设备是：无钥匙进入系统；智能钥匙系统；自动车窗装置；或者诸如前灯、后灯、刹车灯、转向指示灯和雾灯等各种灯。在这种情况下，能够将从代替钥匙的便携式设备发送的无线电波或各种开关的信号输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些无线电波或信号的输入，并且控制车辆的门锁装置、自动车窗装置和灯等。
车外信息检测单元12030检测其上安装有车辆控制系统12000的车辆的外部信息。例如，摄像单元12031连接到车外信息检测单元12030。车外信息检测单元12030使摄像单元12031拍摄车辆外部的图像，并且接收所拍摄的图像。基于所接收到的图像，车外信息检测单元12030可以对行人、车辆、障碍物、交通标志、或路面上的字母等执行物体检测处理或距离检测处理。
摄像单元12031是用于接收光并且输出与所接收的光量对应的电信号的光传感器。摄像单元12031能够将该电信号作为图像输出，或者能够将该电信号作为距离测量信息输出。此外，由摄像单元12031接收的光可以是可见光或诸如红外光等非可见光。
车内信息检测单元12040检测车辆内部的信息。例如，用于检测驾驶员状态的驾驶员状态检测单元12041连接到车内信息检测单元12040。例如，驾驶员状态检测单元12041包括用于拍摄驾驶员的相机。车内信息检测单元12040可以基于从驾驶员状态检测单元12041输入的检测信息来计算驾驶员的疲劳程度或专注程度，或者可以判定驾驶员是否在打瞌睡。
微型计算机12051能够基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车外和车内的信息来计算驱动力产生设备、转向机构、或制动设备的控制目标值，并且能够向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051能够执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS：advanced driver assistance system)功能的协同控制，所述高级驾驶员辅助系统功能包括：车辆的碰撞避免或撞击减轻、基于车间距离的跟随行驶、车速保持行驶、车辆的碰撞警告、以及车辆的车道偏离警告等。
此外，微型计算机12051能够基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获取的车辆周围的信息来控制驱动力产生设备、转向机构、或制动设备等，从而执行旨在实现例如不依赖驾驶员的操作而自主行驶的自动驾驶的协同控制。
此外，基于由车外信息检测单元12030获取的车辆外部信息，微型计算机12051能够向车身系统控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051能够根据由车外信息检测单元12030检测到的前车或对面来车的位置来控制前灯，从而执行旨在防眩光(例如，将远光灯切换到近光灯)的协调控制。
声音图像输出单元12052将声音输出信号或图像输出信号中的至少一者发送到输出设备，该输出设备能够在视觉上或在听觉上向车上的乘客或车辆外部通知信息。在图82的示例中，作为输出设备，示出了音频扬声器12061、显示单元12062和仪表面板12063。例如，显示单元12062可以包括板载显示器(on-board display)和/或平视显示器(head-updisplay)中的至少一者。
图83是示出摄像单元12031的安装位置的示例的图。
在图83中，作为摄像单元12031，车辆12100包括摄像单元12101、12102、12103、12104和12105。
例如，摄像单元12101、12102、12103、12104和12105被设置于如下位置：车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门、以及车厢中的前挡风玻璃的上部等。设置于前鼻的摄像单元12101和设置于车厢中的前挡风玻璃的上部的摄像单元12105主要获取车辆12100前方的图像。设置于侧视镜的摄像单元12102和12103主要获取车辆12100侧面的图像。设置于后保险杠或后门的摄像单元12104主要获取车辆12100后方的图像。由摄像单元12101和12105获取的前方图像主要用于检测前车、行人、障碍物、交通信号灯、交通标志、或车道等。
注意，图83示出了摄像单元12101～12104的摄像范围的示例。摄像范围12111表示设置于前鼻的摄像单元12101的摄像范围。摄像范围12112和12113分别表示设置于侧视镜的摄像单元12102和12103的摄像范围。摄像范围12114表示设置于后保险杠或后门的摄像单元12104的摄像范围。例如，通过叠加由摄像单元12101～12104摄取的图像数据，获得了从上方观看到的车辆12100的俯视图像。
摄像单元12101～12104中的至少一者可以具有获取距离信息的功能。例如，摄像单元12101～12104中的至少一者可以是包括多个摄像元件的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，微型计算机12051基于从摄像单元12101～12104获得的距离信息来确定与摄像范围12111～12114内的每个三维物体的距离以及该距离随时间的变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而能够将如下三维物体提取为前车：特别地，所述三维物体在行驶道路上最靠近车辆12100，并且在与车辆12100基本相同的方向上以预定速度(例如，大于或等于0km/h)行驶。此外，微型计算机12051能够预先设定在前车的前方要确保的车间距离，并且能够执行自动制动控制(包括跟随停止控制)和自动加速控制(包括跟随起动控制)等。以这种方式，能够执行旨在实现例如不依赖驾驶员的操作而自主行驶的自动驾驶的协同控制。
例如，基于从摄像单元12101～12104获得的距离信息，微型计算机12051将关于三维物体的三维物体数据分类为两轮车辆、普通车辆、大型车辆、行人和诸如电线杆等其他三维物体并提取数据，并且能够使用所提取的数据来自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够看见的障碍物和难以看见的障碍物。然后，微型计算机12051判断用于表示与各个障碍物发生碰撞的危险度的碰撞风险。当碰撞风险高于设定值并存在碰撞可能性时，微型计算机12051能够通过音频扬声器12061或显示单元12062向驾驶员输出警告，或者通过驱动系统控制单元12010执行强制减速或避让转向，来执行用于避免碰撞的驾驶辅助。
摄像单元12101～12104中的至少一者可以是检测红外线的红外相机。例如，微型计算机12051能够通过判定摄像单元12101～12104的拍摄图像中是否存在行人，来识别出该行人。例如，通过以下过程来执行行人的这种识别：在作为红外相机的摄像单元12101～12104的拍摄图像中提取特征点；以及对表示物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理，并判定行人是否存在。如果微型计算机12051判定摄像单元12101～12104的拍摄图像中存在行人并识别出该行人时，声音图像输出单元12052控制显示单元12062，使得显示单元12062在识别出的行人上叠加并显示用于强调的矩形轮廓线。此外，声音图像输出单元12052可以控制显示单元12062，使显示单元12062在所期望的位置处显示用于表示行人的图标等。
此外，例如，根据本发明的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图84是示出能够应用根据本发明的技术(本技术)的内窥镜手术系统的示意性构造示例的图。
图84示出了外科医生(医生)11131使用内窥镜手术系统11000对病床11133上的患者11132进行手术的情况。如图所示，内窥镜手术系统11000包括：内窥镜(endoscope)11100；诸如气腹管(pneumoperitoneum tube)11111、或能量处置工具11112等其他手术工具11110；支撑内窥镜11100的支撑臂装置11120；以及安装有用于内窥镜手术的各种装置的推车11200。
内窥镜11100包括：镜筒11101，从该镜筒11101的顶端起的预定长度的区域被插入患者11132的体腔中；以及摄像头11102，该摄像头11102连接到镜筒11101的近端。在所示的示例中，示出了构造为包括刚性镜筒11101的所谓的刚性镜的内窥镜11100，但是内窥镜11100也可以被构造为包括柔性镜筒的所谓的柔性镜。
在镜筒11101的顶端处，设置安装有物镜的开口。光源装置11203连接到内窥镜11100。由光源装置11203产生的光通过在镜筒11101内延伸的光导被引导到该镜筒的顶端，并且该光通过上述物镜照射患者11132体腔中的观察目标。注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜(forward-viewing endoscope)、斜视内窥镜(oblique-viewing endoscope)或侧视内窥镜(side-viewing endoscope)。
在摄像头11102内部设置有光学系统和摄像元件。来自观察目标的反射光(观察光)通过该光学系统会聚到摄像元件上。观察光通过摄像元件进行光电转换，并且产生了对应于观察光的电信号，即，对应于观察图像的图像信号。该图像信号作为原始数据被传送到相机控制单元(camera control unit：CCU)11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU：central processing unit)和图形处理单元(GPU：graphics processing unit)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201接收来自摄像头11102的图像信号，并且例如对该图像信号进行诸如显像处理(去马赛克处理)等用于显示基于该图像信号的图像的各种图像处理。
在CCU 11201的控制下，显示装置11202显示基于图像信号(由CCU11201进行了图像处理)的图像。
例如，光源装置11203包括诸如发光二极管(LED：light emitting diode)等光源，并且将用于对手术部位等进行摄像的照射光提供给内窥镜11100。
输入装置11204是内窥镜手术系统11000的输入接口。用户能够通过输入装置11204将各种信息和指令输入到内窥镜手术系统11000。例如，用户输入用于改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、倍率和焦距等)的指令等。
处置工具控制装置11205控制能量处置工具11112的驱动，用于烧灼和切割组织、或密封血管等。为了确保内窥镜11100的视野和外科医生的工作空间，气腹装置11206通过气腹管11111将气体送入体腔中，以使患者11132的体腔膨胀。记录仪11207是能够记录与手术有关的各种信息的装置。打印机11208是能够以诸如文本、图形和图表等各种形式打印与手术有关的各种信息的装置。
注意，例如，用于将对手术部位进行摄像用的照射光提供给内窥镜11100的光源装置11203可以包括LED、激光光源、或由LED和激光光源的组合构成的白光源。在白光源由RGB激光光源的组合构成的情况下，能够以高精度来控制各颜色(各波长)的输出强度和输出时刻，因此，能够通过光源装置11203执行所拍摄图像的白平衡的调整。此外，在这种情况下，通过以时分方式(time division manner)用来自R、G、B激光光源各者的激光照射观察对象，并与照射时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，从而也可以以时分方式来拍摄对应于R、G、B各者的图像。根据这种方法，在摄像元件中没有设置彩色滤光片的情况下，也能够获得彩色图像。
此外，可以控制光源装置11203的驱动，从而改变以预定时间间隔输出的光强度。通过与改变光强度的时刻同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动并以时分方式(timedivision manner)获取图像，并且合成这些图像，从而能够产生没有所谓的遮蔽阴影(blocked up shadow)或溢出高光(blown out highlight)的高动态范围图像。
此外，光源装置11203可以被配置成能够提供与特殊光观察相对应的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，利用人体组织中的光吸收的波长依赖性，通过用比常规观察时的照射光(换句话说，白光)更窄的带域的光照射，以高对比度拍摄诸如黏膜表层的血管等预定组织，即，执行所谓的窄带摄像。可替代地，在特殊光观察中，可以执行荧光观察，以通过用激发光照射而产生的荧光来获得图像。在荧光观察中，例如，可以通过利用激发光照射人体组织来观察来自该人体组织的荧光(自发荧光观察)，或者可以通过将诸如吲哚菁绿(ICG：indian cyanine green)等试剂注射到人体组织中，并且利用与该试剂的荧光波长对应的激发光照射人体组织来获得荧光图像。光源装置11203能够被构造成能够提供与这种特殊光观察对应的窄带光和/或激发光。
图85是示出图84所示的摄像头11102和CCU 11201的功能构造的示例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU 11201包括通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输线缆11400可通信地彼此连接。
透镜单元11401是设置在与镜筒11101的连接部分处的光学系统。从镜筒11101的顶端引入的观察光被引导到摄像头11102，并入射到透镜单元11401上。透镜单元11401包括多个透镜(包括变焦透镜和聚焦透镜)的组合。
摄像单元11402包括摄像元件。摄像单元11402可以包括一个摄像元件(所谓的单板型)或多个摄像元件(所谓的多板型)。在摄像单元11402包括多板型摄像元件的情况下，例如，可以通过各摄像元件产生与R、G和B各者对应的图像信号，并且可以通过合成这些图像信号来获得彩色图像。可替代地，摄像单元11402可以包括用于分别获取与三维(3D)显示对应的右眼图像信号和左眼图像信号的一对摄像元件。通过执行3D显示，外科医生11131能够更精确地掌握手术部位中的生物组织的深度。注意，在摄像单元11402包括多板型摄像元件的情况下，能够与各摄像元件对应地设置多个透镜单元11401。
此外，摄像单元11402并非必须设置在摄像头11102中。例如，摄像单元11402可以设置在镜筒11101内且紧接在物镜的后方。
驱动单元11403包括致动器，并且在摄像头控制单元11405的控制下，驱动单元11403将透镜单元11401的变焦透镜和聚焦透镜沿着光轴移动预定距离。因此，能够适当地调整通过摄像单元11402拍摄的图像的放大率和焦点。
通信单元11404包括用于向CCU 11201发送各种信息和从CCU 11201接收各种信息的通信装置。通信单元11404通过传输线缆11400将从摄像单元11402获得的图像信号作为原始数据发送到CCU 11201。
此外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并将该控制信号提供给摄像头控制单元11405。例如，上述控制信号包括与摄像条件相关的信息，例如，表示规定所摄图像的帧率的信息、表示规定摄像时的曝光值的信息和/或表示规定所摄图像的放大率和焦点的信息等。
注意，诸如上述的帧率、曝光值、放大率和焦点等摄像条件可以由用户适当地指定，或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于所获取的图像信号来自动地设置。在后一种情况下，内窥镜11100具有所谓的自动曝光(AE：auto exposure)功能、自动聚焦(AF：autofocus)功能和自动白平衡(AWB：auto white balance)功能。
摄像头控制单元11405基于通过通信单元11404接收的来自CCU 11201的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411包括用于向摄像头11102发送各种信息和从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411接收通过传输线缆11400从摄像头11102发送的图像信号。
此外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号发送到摄像头11102。上述图像信号和上述控制信号能够通过电通信或光学通信等进行传输。
图像处理单元11412对作为从摄像头11102发送来的原始数据的图像信号进行各种图像处理。
控制单元11413执行与通过内窥镜11100对手术部位等进行摄像以及显示通过对手术部位等进行摄像而获得的拍摄图像有关的各种控制。例如，控制单元11413产生用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
此外，基于由图像处理单元11412进行了图像处理的图像信号，控制单元11413致使显示装置11202显示手术部位等的所摄图像。在这种情况下，控制单元11413可以利用各种图像识别技术来识别所摄图像中的各种物体。例如，控制单元11413通过检测所摄图像中所包括的物体的边缘的形状或颜色等，能够识别出诸如镊子等手术工具、特定活体部分、出血、以及在使用能量处置工具11112时的薄雾等。当显示装置11202显示出所摄图像时，控制单元11413可以使显示装置11202利用识别结果在手术部位的图像上叠加并显示各种手术辅助信息。手术辅助信息被叠加和显示，并被呈现给外科医生11131。这可以减轻外科医生11131的负担，并且使外科医生11131能够可靠地进行手术。
将摄像头11102连接到CCU 11201的传输线缆11400是与电信号通信对应的电信号线缆、与光通信对应的光纤或者它们的复合线缆。
这里，在所示的示例中，使用传输线缆11400以有线的方式执行通信，但是也可以以无线的方式执行摄像头11102与CCU 11201之间的通信。
注意，这里以内窥镜手术系统为例进行了说明。然而，根据本发明的技术还可以应用于例如显微手术系统等。
注意，本发明能够具有以下构造。
[A01]<摄像元件：第一方面>
一种摄像元件，包括：
光电转换部，所述光电转换部是通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含镓(Ga)原子和锡(Sn)原子。
[A02]根据[A01]所述的摄像元件，其中，当所述无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，满足a>b。
[A03]根据[A01]或[A02]所述的摄像元件，其中，当所述无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，满足：
a+b+c＝1.00和
0.20<b/(a+b)<0.40。
[A04]根据[A03]所述的摄像元件，其中，
满足0.20<b/(a+b)<0.35。
[A05]<摄像元件：第一方面>
一种摄像元件，包括：
光电转换部，所述光电转换部是通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的，其中，
在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含镓(Ga)原子和铟(In)原子。
[A06]根据[A05]所述的摄像元件，其中，当所述无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，满足d>e。
[A07]根据[A05]或[A06]所述的摄像元件，其中，当所述无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，满足：
d+e+f＝1.00和
0.20<e/(d+e)<0.40。
[A08]根据[A01]至[A07]中任一项所述的摄像元件，其中，所述光电转换部还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分离地设置着，并且所述电荷累积电极隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层。
[A09]根据[A01]至[A08]中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1和构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足下式：
E2-E1≥0.1eV。
[A10]根据[A09]所述的摄像元件，其中，满足下式：
E2-E1>0.1eV。
[A11]根据[A01]至[A10]中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的载流子迁移率为10cm2/V·s以上。
[A12]根据[A01]至[A11]中任一项所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层是非晶的。
[A13]根据[A01]至[A12]中任一项所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m至1.5×10-7m。
[A14]根据[A01]至[A13]中任一项所述的摄像元件，其中，
光从所述第二电极入射，
所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面处的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。
[B01]根据[A01]至[A14]中任一项所述的摄像元件，其中，所述光电转换部还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分离地设置着，并且所述电荷累积电极隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层。
[B02]根据[B01]所述的摄像元件，还包括半导体基板，其中，
所述光电转换部设置在所述半导体基板的上方。
[B03]根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中，所述第一电极在形成于所述绝缘层中的开口内延伸且连接到所述无机氧化物半导体材料层。
[B04]根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层在形成于所述绝缘层中的开口内延伸且连接到所述第一电极。
[B05]根据[B04]所述的摄像元件，其中，
所述第一电极的顶面的边缘被所述绝缘层覆盖，
所述第一电极在所述开口的底面上露出，并且
当将所述绝缘层的与所述第一电极的顶面接触的表面称为第一表面，并且将所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对着所述电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，所述开口的侧表面具有从所述第一表面朝向所述第二表面变宽的斜度。
[B06]根据[B05]所述的摄像元件，其中，所述开口的具有从所述第一表面朝向所述第二表面变宽的斜度的所述侧表面位于所述电荷累积电极侧。
[B07]<第一电极和电荷累积电极的电位控制>
根据[B01]至[B06]中任一项所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上且具有驱动电路，
其中，所述第一电极和所述电荷累积电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V11、且向所述电荷累积电极施加电位V12，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中，而且
在电荷传输期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V21、且向所述电荷累积电极施加电位V22，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中的电荷经由所述第一电极被所述控制单元读出。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V12≥V11和V22<V21。
[B08]<传输控制电极>
根据[B01]至[B07]中任一项所述的摄像元件，其在所述第一电极与所述电荷累积电极之间还包括传输控制电极，所述传输控制电极与所述第一电极及所述电荷累积电极分开布置着，并且所述传输控制电极隔着所述绝缘层面对着所述无机氧化物半导体材料层。
[B09]<第一电极、电荷累积电极和传输控制电极的电位控制>
根据[B08]所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上且具有驱动电路，
其中，所述第一电极、所述电荷累积电极和所述传输控制电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V11、向所述电荷累积电极施加电位V12、且向所述传输控制电极施加电位V13，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中，而且
在电荷传输期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V21、向所述电荷累积电极施加电位V22、且向所述传输控制电极施加电位V23，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中的电荷经由所述第一电极被所述控制单元读出。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V12>V13和V22≤V23≤V21。
[B10]<电荷排出电极>
根据[B01]至[B09]中任一项所述的摄像元件，还包括电荷排出电极，所述电荷排出电极连接到所述无机氧化物半导体材料层，并且所述电荷排出电极与所述第一电极及所述电荷累积电极分离地设置着。
[B11]根据[B10]所述的摄像元件，其中，所述电荷排出电极以围绕所述第一电极及所述电荷累积电极的方式设置着。
[B12]根据[B10]或[B11]所述的摄像元件，其中，
所述无机氧化物半导体材料层在形成于所述绝缘层中的第二开口内延伸且连接到所述电荷排出电极，
所述电荷排出电极的顶面的边缘被所述绝缘层覆盖，
所述电荷排出电极在所述第二开口的底面上露出，并且
当将所述绝缘层的与所述电荷排出电极的顶面接触的表面称为第三表面，并且将所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对着所述电荷累积电极的部分接触的表面称为第二表面时，所述第二开口的侧表面具有从所述第三表面朝向所述第二表面变宽的斜度。
[B13]<第一电极、电荷累积电极和电荷排出电极的电位控制>
根据[B10]至[B12]中任一项所述的摄像元件，还包括控制单元，所述控制单元设置在半导体基板上且具有驱动电路，
其中，所述第一电极、所述电荷累积电极和所述电荷排出电极连接到所述驱动电路，
在电荷累积期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V11、向所述电荷累积电极施加电位V12、且向所述电荷排出电极施加电位V14，并且电荷被累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中，而且
在电荷传输期间中，所述驱动电路向所述第一电极施加电位V21、向所述电荷累积电极施加电位V22、且向所述电荷排出电极施加电位V24，并且累积于所述无机氧化物半导体材料层(或所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层)中的电荷经由所述第一电极被所述控制单元读出。
然而，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位，并且
满足V14>V11且V24<V21。
[B14]<电荷累积电极区段>
根据[B01]至[B13]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极包括多个电荷累积电极区段。
[B15]根据[B14]所述的摄像元件，其中，
在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间中，向最靠近所述第一电极的所述电荷累积电极区段施加的电位高于向最远离所述第一电极的所述电荷累积电极区段施加的电位，并且
在所述第一电极的电位低于所述第二电极的电位的情况下，在电荷传输期间中，向最靠近所述第一电极的所述电荷累积电极区段施加的电位低于向最远离所述第一电极的所述电荷累积电极区段施加的电位。
[B16]根据[B01]至[B15]中任一项所述的摄像元件，其中，
在所述半导体基板上，设置有用于构成控制单元的至少浮动扩散层和放大晶体管，并且
所述第一电极连接到所述浮动扩散层和所述放大晶体管的栅极部。
[B17]根据[B16]所述的摄像元件，其中，
在所述半导体基板上，还设置有用于构成所述控制单元的复位晶体管和选择晶体管，
所述浮动扩散层连接到所述复位晶体管的一个源极/漏极区，而且
所述放大晶体管的一个源极/漏极区连接到所述选择晶体管的一个源极/漏极区，并且所述选择晶体管的另一个源极/漏极区连接到信号线。
[B18]根据[B01]至[B17]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷累积电极的尺寸大于所述第一电极。
[B19]根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且在所述第二电极的光入射侧形成有遮光层。
[B20]根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且光不会入射到所述第一电极上。
[B21]根据[B20]所述的摄像元件，其中，在所述第二电极的光入射侧且在所述第一电极的上方形成有遮光层。
[B22]根据[B20]所述的摄像元件，其中，
在所述电荷累积电极和所述第二电极的上方设置有芯片上微透镜，并且
入射到所述芯片上微透镜的光被聚集至所述电荷累积电极。
[B23]<摄像元件：第一构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n个(其中，n＝1,2,3,...,N)光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，
n值越大的光电转换部区段离所述第一电极越远，并且
所述绝缘层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。
[B24]<摄像元件：第二构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...,N)个光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，
n值越大的所述光电转换部区段离所述第一电极越远，并且
所述光电转换层区段的厚度从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐变化的。
[B25]<摄像元件：第三构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积电极包括N个电荷累积电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...,N)个光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，
n值越大的所述光电转换部区段离所述第一电极越远，并且
对于相邻的所述光电转换部区段，用于构成所述绝缘层区段的材料是不同的。
[B26]<摄像元件：第四构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积电极包括相互分离地设置着的N个电荷累积电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...,N)个光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，
n值越大的所述光电转换部区段离所述第一电极越远，并且
对于相邻的所述光电转换部区段，用于构成所述电荷累积电极区段的材料是不同的。
[B27]<摄像元件：第五构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部区段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层区段，
所述绝缘层包括N个绝缘层区段，
所述电荷累积电极包括相互分离地设置着的N个电荷累积电极区段，
第n(其中，n＝1,2,3,...,N)个光电转换部区段包括第n个电荷累积电极区段、第n个绝缘层区段和第n个光电转换层区段，
n值越大的所述光电转换部区段离所述第一电极越远，并且
所述电荷累积电极区段的面积从第一个光电转换部区段到第N个光电转换部区段是逐渐减小的。
[B28]<摄像元件：第六构造>
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，
如果将所述电荷累积电极、所述绝缘层、所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层的层叠方向定义为Z方向，并且把离开所述第一电极的方向规定为X方向，则当沿着YZ假想平面把层叠有所述电荷累积电极、所述绝缘层、所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层的层叠部分切断时，所述层叠部分的横截面积依赖于距所述第一电极的距离而变化。
[C01]<层叠型摄像元件>
一种层叠型摄像元件，其包括至少一个根据[A01]至[A14]中任一项所述的摄像元件。
[C02]<层叠型摄像元件>
一种层叠型摄像元件，其包括至少一个根据[A01]至[B28]中任一项所述的摄像元件。
[D01]<固态摄像装置：第一方面>
一种固态摄像装置，其包括多个根据[A01]至[A14]中任一项所述的摄像元件。
[D02]<固态摄像装置：第一方面>
一种固态摄像装置，其包括多个根据[A01]至[B28]中任一项所述的摄像元件。
[D03]<固态摄像装置：第二方面>
一种固态摄像装置，其包括多个根据[C01]所述的层叠型摄像元件。
[D04]<固态摄像装置：第二方面>
一种固态摄像装置，其包括多个根据[C02]所述的层叠型摄像元件。
[E01]<固态摄像装置：第一构造>
一种固态摄像装置，其包括：
光电转换部，所述光电转换部是通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的，
其中，所述光电转换部包括多个根据[A01]至[B28]中任一项所述的摄像元件，
由多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
构成所述摄像元件区块的所述多个摄像元件共用所述第一电极。
[E02]<固态摄像装置：第二构造>
一种固态摄像装置，其包括多个根据[A01]至[B28]中任一项所述的摄像元件，
其中，由多个摄像元件构成摄像元件区块，并且
构成所述摄像元件区块的所述多个摄像元件共用所述第一电极。
[E03]根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，其中，在一个所述摄像元件的上方设置有一个芯片上微透镜。
[E04]根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，其中，
由两个摄像元件构成摄像元件区块，并且
在所述摄像元件区块的上方设置有一个芯片上微透镜。
[E05]根据[E01]至[E04]中任一项所述的固态摄像装置，其中，针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。
[E06]根据[E01]至[E05]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极与各个所述摄像元件的所述电荷累积电极相邻地设置着。
[E07]根据[E01]至[E06]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极与所述多个摄像元件中的一部分所述电荷累积电极相邻地设置着，但是与所述多个摄像元件中的剩余所述电荷累积电极并非相邻地设置着。
[E08]根据[E07]所述的固态摄像装置，其中，构成所述摄像元件的所述电荷累积电极与构成所述摄像元件的所述电荷累积电极之间的距离大于与所述第一电极相邻的所述摄像元件中的所述第一电极与所述电荷累积电极之间的距离。
[F01]<固态摄像装置驱动方法>
一种固态摄像装置驱动方法，所述固态摄像装置包括：
光电转换部，所述光电转换部是通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的，
所述光电转换部还包括电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分离地设置着，并且所述电荷累积电极隔着绝缘层面对着所述光电转换层，
所述固态摄像装置包括多个摄像元件，各个所述摄像元件具有如下的结构：该结构中，光从所述第二电极侧入射，并且光不入射到所述第一电极上，
所述驱动方法包括：
在所有的所述摄像元件中，同时地一面将电荷累积于所述无机氧化物半导体材料层中，一面将所述第一电极中的电荷排出到系统外部；然后
在所有的所述摄像元件中，同时地将累积于所述无机氧化物半导体材料层中的电荷传输到所述第一电极，并且在所述传输完成之后，顺序地在各个所述摄像元件中读出被传输到所述第一电极的电荷。
附图标记列表
10′1、10′2、10′3：光电转换部区段
13：位于层间绝缘层下方的各种摄像元件构成要素
14：芯片上微透镜(OCL：On-chip micro lens)
15：遮光层
21：第一电极
22：第二电极
23A：光电转换层
23B：无机氧化物半导体材料层
23′1、23′2、23′3：光电转换层区段
24、24″1、24″2、24″3：电荷累积电极
24A、24B、24C、24′1、24′2、24′3：电荷累积电极区段
25、25A、25B：传输控制电极(电荷传输电极)
26：电荷排出电极
27、27A1、27A2、27A3、27B1、27B2、27B3、27C：电荷移动控制电极
41、43：n型半导体区域
42、44、73：p+层
45、46：传输晶体管的栅极部
51：复位晶体管TR1rst的栅极部
51A：复位晶体管TR1rst的沟道形成区
51B、51C：复位晶体管TR1rst的源极/漏极区
52：放大晶体管TR1amp的栅极部
52A：放大晶体管TR1amp的沟道形成区
52B、52C：放大晶体管TR1amp的源极/漏极区
53：选择晶体管TR1sel的栅极部
53A：选择晶体管TR1sel的沟道形成区
53B、53C：选择晶体管TR1sel的源极/漏极区
61：接触孔部
62：配线层
63、64、68A：焊盘部
65、68B：连接孔
66、67、69：连接部
70：半导体基板
70A：半导体基板的第一表面(前表面)
70B：半导体基板的第二表面(背面)
71：元件分离区
72：氧化膜
74：HfO2膜
75：绝缘材料膜
76、81：层间绝缘层
82：绝缘层
82′1、82′2、82′3：绝缘层区段
82a：绝缘层的第一表面
82b：绝缘层的第二表面
82c：绝缘层的第三表面
83：绝缘层
85、85A、85B、85C：开口
86、86A：第二开口
100：固态摄像装置
101：层叠型摄像元件
111：摄像区域
112：垂直驱动电路
113：列信号处理电路
114：水平驱动电路
115：输出电路
116：驱动控制电路
117：信号线(数据输出线)
118：水平信号线
200：电子设备(相机)
201：固态摄像装置
210：光学透镜
211：快门装置
212：驱动电路
213：信号处理电路
FD1、FD2、FD3、45C、46C：浮动扩散层
TR1trs、TR2trs、TR3trs：传输晶体管
TR1rst、TR2rst、TR3rst：复位晶体管
TR1amp、TR2amp、TR3amp：放大晶体管
TR1sel、TR2sel、TR3sel：选择晶体管
VDD：电源
TG1、TG2、TG3：传输栅极线
RST1、RST2、RST3：复位线
SEL1、SEL2、SEL3：选择线
VSL、VSL1、VSL2、VSL3：信号线(数据输出线)
VOA、VOT、VOU：配线

Claims (17)

1.一种摄像元件，包括：
通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的光电转换部，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含镓原子和锡原子。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
当所述无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，满足a>b。
3.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，
当所述无机氧化物半导体材料层由GaaSnbOc表示时，满足
a+b+c＝1.00和0.20<b/(a+b)<0.40。
4.根据权利要求3所述的摄像元件，其中，
满足0.20<b/(a+b)<0.35。
5.一种摄像元件，包括：
通过将第一电极、光电转换层和第二电极层叠而形成的光电转换部，
其中，在所述第一电极与所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含镓原子和铟原子。
6.根据权利要求5所述的摄像元件，其中，
当所述无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，满足d>e。
7.根据权利要求5所述的摄像元件，其中，
当所述无机氧化物半导体材料层由GadIneOf表示时，满足
d+e+f＝1.00和0.20<e/(d+e)<0.40。
8.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，
所述光电转换部还包括绝缘层和电荷累积电极，所述电荷累积电极与所述第一电极分离地设置着，并且所述电荷累积电极隔着所述绝缘层与所述无机氧化物半导体材料层面对着。
9.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，
构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1和构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足下式：
E2-E1≥0.1eV。
10.根据权利要求9所述的摄像元件，其中，满足下式：
E2-E1>0.1eV。
11.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的载流子迁移率为10cm2/V·s以上。
12.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层是非晶的。
13.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8m至1.5×10-7m。
14.根据权利要求1或5所述的摄像元件，其中，
光从所述第二电极入射，
所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面处的所述无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra为1.5nm以下，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值为2.5nm以下。
15.一种层叠型摄像元件，其包括至少一个根据权利要求1至14中任一项所述的摄像元件。
16.一种固态摄像装置，其包括多个根据权利要求1至14中任一项所述的摄像元件。
17.一种固态摄像装置，其包括多个根据权利要求15所述的层叠型摄像元件。
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