CN116171494A - 固态成像装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提高了量子效率。根据实施方式的固态成像装置包括：布置成矩阵的多个像素(110)，其中，每个像素包括第一半导体层(35)，光电转换部(PD1)，布置在第一半导体层上的第一表面侧上；累积电极(37)，布置为靠近第一半导体层的第二表面侧，该第二表面侧与第一表面相对，布线(61，62，63，64)，从第一半导体层的第二表面延伸；浮动扩散区(FD1)，经由布线连接到第一半导体层；以及第一栅极(11)，在从第一半导体层经由布线到浮动扩散区的电荷流动路径中形成势垒。

Description

固态成像装置和电子设备
技术领域
本公开涉及固态成像装置和电子设备。
背景技术
近年来，已经提出了其中多个光电转换元件在半导体基板的基板厚度方向上堆叠的堆叠型图像传感器。例如，专利文献1提出了堆叠型固态成像装置作为用于解决伪色的方法，其中，光电转换绿色，蓝色和红色相应波长的光的光电转换区域在同一像素的纵向方向上堆叠，并且绿色光电转换区域由有机光电转换膜构成。此外，专利文献2提出了一种结构，其中，通过光电转换产生并且累积在累积电极的上侧的电荷在纵向方向上被转移至安装在累积电极下方的收集电极。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2017-157816 A
专利文献2：JP 2016-63156A
发明内容
技术问题
然而，在常规堆叠型固态成像装置中，存在以下问题：在有机光电转换膜中产生的电荷不能被有效地存储在位于有机光电转换膜下方的半导体层中，降低了量子效率。
因此，本公开提出了能够提高量子效率的固态成像装置和电子设备。
问题的解决方案
为了解决上述问题，根据本公开的实施方式的固态成像装置包括：布置成矩阵的多个像素，其中每个像素包括：第一半导体层；光电转换部，布置在第一半导体层的第一表面的一侧上；累积电极，布置为靠近第一半导体层的与第一表面相对的一侧的第二表面的一侧；布线，从第一半导体层的第二表面延伸；浮动扩散区，经由布线连接到第一半导体层；以及第一栅极，在经由布线从第一半导体层到浮动扩散区的电荷流动路径中形成势垒。
附图说明
图1是示出根据一个实施方式的电子设备的示意性配置实施例的示意图。
图2为描述使用根据一个实施方式的电子设备的距离测量装置的示意性配置实施例的方框图。
图3是描绘在一个实施方式中的图像传感器的示意性配置实施例的框图。
图4是示出了根据一个实施方式的图像传感器的堆叠结构实施例的示图。
图5是描述根据一个实施方式的像素阵列部的示意性配置实施例的示意图。
图6是描绘根据一个实施方式的单位像素的示意性配置实施例的电路图。
图7为示出根据一个实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的电路图。
图8是描绘了根据一个实施方式的图像传感器的截面结构实施例的截面图。
图9为示出根据一个实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的示意图。
图10是描绘了根据一个实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的电路图。
图11是描绘了根据一个实施方式的变形例的图像传感器的截面结构实施例的截面图。
图12是示出根据一个实施方式的第一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图13是示出图12中的A-A截面的水平截面图。
图14是示出图12中的A-A截面的另一实施例的水平截面图。
图15是示出图12中的A-A截面的又一个实施例的水平截面图。
图16是示出根据一个实施方式的第二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图17是示出根据一个实施方式的第三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图18是示出根据一个实施方式的第四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图19是示出根据一个实施方式的第五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图20是示出图19中的B-B截面的水平截面图。
图21是示出根据一个实施方式的第六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图22是示出根据一个实施方式的第七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图23是示出图22中的C-C截面的水平截面图。
图24是示出根据一个实施方式的第八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图25是示出根据一个实施方式的第九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图26是示出了根据一个实施方式的第十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图27是描绘根据一个实施方式的第十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图28是描绘根据一个实施方式的第十二实施例的像素的截面结构实施例的垂直截面图。
图29是示出根据一个实施方式的第十三实施例的像素的截面结构实施例的垂直截面图。
图30是示出了根据一个实施方式的第十三实施例的像素的另一个截面结构实施例的垂直截面图。
图31是示出了根据一个实施方式的第十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图32是示出了图31中的D-D截面的水平截面图。
图33是示出根据一个实施方式的第十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图34是示出根据一个实施方式的第十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图35是描绘根据一个实施方式的第十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图36是示出了根据一个实施方式的第十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图37是描绘根据一个实施方式的第十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图38是示出根据一个实施方式的第二十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图39是示出根据一个实施方式的第二十实施例的像素的另一截面结构的垂直截面图。
图40是示出根据一个实施方式的第二十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图41是示出根据一个实施方式的第二十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图42是示出图41中的E-E截面的水平截面图。
图43是示出根据一个实施方式的第二十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图44是描述根据一个实施方式的第二十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图45是示出了根据一个实施方式的第二十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图46是示出图45中的F-F截面的水平截面图。
图47是示出根据一个实施方式的第二十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图48是示出图47中的G-G截面的水平截面图。
图49是示出了根据一个实施方式的第二十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图50是示出根据一个实施方式的第二十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图51是示出根据一个实施方式的第二十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图52是示出根据一个实施方式的第三十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图53是示出根据一个实施方式的第三十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图54是示出根据一个实施方式的第三十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图55是示出根据一个实施方式的第三十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图56是示出了根据一个实施方式的第三十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图57是示出根据一个实施方式的第三十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图58是描绘根据一个实施方式的第三十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图59是描述根据一个实施方式的第三十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图60是描述根据一个实施方式的第三十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图61是描述根据一个实施方式的第三十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图62是示出根据一个实施方式的第四十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图63是示出根据一个实施方式的第四十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图64是示出根据一个实施方式的第四十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图65是示出根据一个实施方式的第四十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图66是示出了根据一个实施方式的第四十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图67是示出根据一个实施方式的第四十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图68是示出根据一个实施方式的第四十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图69是示出根据一个实施方式的第四十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图70是示出根据一个实施方式的第四十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图71是描述根据一个实施方式的第四十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图72是示出根据一个实施方式的第五十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图73是示出根据一个实施方式的第五十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
图74是根据本公开的第一变形例的图像传感器的截面结构实施例的垂直截面图。
图75是示出图74中的I-I截面的水平截面图。
图76是根据本公开的第二变形例的图像传感器的截面结构实施例的垂直截面图。
图77是示出图76中的II-II截面的水平截面图。
图78是描述作为应用本公开的电子设备的成像装置的实施方式的配置实施例的框图。
图79是描述车辆控制系统的示意性配置的实施例的框图。
图80是辅助说明车外信息检测单元和成像部的安装位置的实施例的示图。
图81是示出内窥镜手术系统的示意性配置的实施例的示图。
图82是示出摄像头和摄像头控制单元(CCU)的功能配置的实施例的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方式。另外，在以下的各实施方式中，对相同部分标注相同标号并省略重复说明。
此外，将根据以下项目顺序描述本公开。
1.一个实施方式
1.1系统配置实施例
1.2固态成像装置的配置实施例
1.3固态成像装置的堆叠结构实施例
1.4单位像素的配置实施例
1.5单位像素的电路配置实施例
1.5.1电路配置的变形例
1.6单位像素的截面结构实施例
1.7各层的材料
1.8单位像素的变形例
1.8.1单位像素的配置实施例
1.8.2单位像素的电路配置实施例
1.8.3单位像素的截面结构实施例
1.9量子效率的提高
1.9.1第一实施例
1.9.2第二实施例
1.9.3第三实施例
1.9.4第四实施例
1.9.5第五实施例
1.9.6第六实施例
1.9.7第七实施例
1.9.8第八实施例
1.9.9第九实施例
1.9.10第十实施例
1.9.11第十一实施例
1.9.12第十二实施例
1.9.13第十三实施例
1.9.14第十四实施例
1.9.15第十五实施例
1.9.16第十六实施例
1.9.17第十七实施例
1.9.18第十八实施例
1.9.19第十九实施例
1.9.20第二十实施例
1.9.21.第二十一实施例
1.9.22第二十二实施例
1.9.23第二十三实施例
1.9.24第二十四实施例
1.9.25第二十五实施例
1.9.26第二十六实施例
1.9.27第二十七实施例
1.9.28第二十八实施例
1.9.29第二十九实施例
1.9.30第三十实施例
1.9.31第三十一实施例
1.9.32第三十二实施例
1.9.33第三十三实施例
1.9.34第三十四实施例
1.9.35第三十五实施例
1.9.36第三十六实施例
1.9.37第三十七实施例
1.9.38第三十八实施例
1.9.39第三十九实施例
1.9.40第四十实施例
1.9.41第四十一实施例
1.9.42第四十二实施例
1.9.43第四十三实施例
1.9.44第四十四实施例
1.9.45第四十五实施例
1.9.46第四十六实施例
1.9.47第四十七实施例
1.9.48第四十八实施例
1.9.49第四十九实施例
1.9.50第五十实施例
1.9.51第五十一实施例
1.10总结
2.截面结构的变形例
2.1第一变形例
2.2第二变形例
3.成像装置的配置实施例
4.移动体的应用例
5.内窥镜手术系统的应用例
1.一个实施方式
首先，将参照附图详细描述根据一个实施方式的固态成像装置(在下文中，称为图像传感器)、电子设备和识别系统。应注意，在本实施方式中，将举例说明根据本实施方式的技术应用于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的情况，但是本发明不限于此。例如，根据本实施例的技术可以应用于包括光电转换元件的各种传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器，飞行时间(ToF)传感器和同步型或异步型事件视觉传感器(EVS)。注意，CMOS图像传感器可以是通过应用或部分地使用CMOS工艺产生的图像传感器。
1.1系统配置实施例
图1是描述根据本实施方式的电子设备的示意性配置实施例的示意图，并且图2是描述使用根据本实施方式的电子设备的距离测量装置的示意性配置实施例的框图。
如图1所示，根据本实施方式的电子设备1包括激光光源1010、照射透镜1030、成像透镜1040、图像传感器100和系统控制单元1050。
如图2所示，激光光源1010包括例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)1012和驱动VCSEL 1012的光源驱动单元1011。然而，本发明不限于VCSEL 1012，并且可以使用诸如发光二极管(LED)的各种光源。此外，激光光源1010可以是点光源、面光源和线光源中的任一个。在面光源或线光源的情况下，激光光源1010可以具有例如其中多个点光源(例如，VCSEL)一维地或二维地布置的配置。应注意，在本实施方式中，例如，激光光源1010可发射与可见光波长带不同的波长带的光，诸如红外(IR)光。
照射透镜1030被设置在激光光源1010的发射表面侧上，并且将从激光光源1010发射的光转换为具有预定发散角的照射光。
成像透镜1040设置在图像传感器100的光接收表面侧上，并且通过在图像传感器100的光接收表面上的入射光形成图像。入射光还可包含从激光光源1010发射且由被摄体901反射的反射光。
如后面将要详细描述的，图像传感器100包括例如光接收单元1022和传感器控制单元1021，在光接收单元1022中，多个像素以二维格子形状布置，传感器控制单元1021驱动光接收单元1022以产生图像数据，如图2所示。例如，设置在光接收单元1022中的像素可包括检测可见光波段内的光的像素，检测可见光除外的波长带内的光(例如，红外光波段内的光)的像素等。此时，检测可见光除外的波长带中的光的像素可以是用于生成除了可见光之外的波长带中的光的图像数据的像素(用于图像传感器)；用于测量到对象的距离的像素(用于ToF传感器)；或用于检测亮度变化的像素(用于EVS)。在下文中，为了简化描述，从光接收单元1022的每个像素中读出的并且生成的所有数据称为图像数据。
系统控制单元1050包括例如处理器(CPU)，并且经由光源驱动单元1011驱动VCSEL1012。此外，系统控制单元1050通过控制图像传感器100来获取图像数据。此时，系统控制单元1050可通过与激光光源1010的控制同步地控制图像传感器100来获取通过检测从激光光源1010发射的照射光的反射光而获得的图像数据。
例如，从激光光源1010发射的照射光通过照射透镜1030被投射到被摄体(也称为测量目标或对象)901上。所投射的光被被摄体901反射。然后，由被摄体901反射的光通过成像透镜1040入射在图像传感器100上。图像传感器100中的光接收单元1022接收由被摄体901反射的反射光并产生图像数据。由图像传感器100生成的图像数据被提供给电子设备1的应用处理器1100。应用处理器1100可对从图像传感器100输入的图像数据执行各种类型的处理，诸如识别处理和算术处理。
1.2固态成像装置的配置实施例
图3是描绘本实施方式中的图像传感器的示意性配置实施例的框图。如图3所示，图像传感器100包括例如像素阵列部101、垂直驱动电路102、信号处理电路103、水平驱动电路104、系统控制电路105、数据处理单元108和数据存储部109。在以下描述中，垂直驱动电路102、信号处理电路103、水平驱动电路104、系统控制电路105、数据处理单元108和数据存储部109也被称为外围电路。
像素阵列部101具有其中具有根据接收的光量生成并累积电荷的光电转换元件的像素(在下文中，称为单位像素)110在行方向和列方向上(即，以二维格子形状(在下文中，也称为矩阵))布置的配置。在此，行方向是指像素行中的像素的排列方向(附图中的横向)，并且列方向是指像素列中的像素的排列方向(附图中的纵向)。
在像素阵列部101中，像素驱动线LD沿着每个像素行的行方向布线，并且垂直信号线VSL相对于矩阵状像素阵列沿着每个像素列的列方向布线。当从像素读出信号时，像素驱动线LD传输用于驱动的驱动信号。在图3中，像素驱动线LD被描绘为逐条布线，但不限于逐条布线。像素驱动线LD的一端连接到对应于垂直驱动电路102的每行的输出端。
垂直驱动电路102包括移位寄存器，地址解码器等，并且针对所有像素或以行为单位同时驱动像素阵列部101的每个像素。即，垂直驱动电路102包括控制像素阵列部101的每个像素的操作的驱动单元以及控制垂直驱动电路102的系统控制电路105。尽管未示出垂直驱动电路102的具体配置，但垂直驱动电路102通常包括读出扫描系统和扫掠(sweep)扫描系统两个扫描系统。
为了从单位像素110的每个像素读出信号，读出扫描系统以行为单位依次选择并扫描像素阵列部101的单位像素110的每个像素。从单位像素110的每个像素读出的信号是模拟信号。在读出扫描、曝光时间之前，扫掠扫描系统对读取行执行扫掠扫描，其中，读出扫描系统在读取行上执行读取扫描。
通过扫掠扫描系统的扫掠扫描，从读取行的单位像素110的每个像素的光电转换元件中清除不必要的电荷，并且重置光电转换元件。然后，通过清除(重置)扫掠扫描系统中的不必要的电荷，执行所谓的电子快门操作。这里，电子快门操作是指丢弃光电转换元件的电荷并且新开始曝光(开始电荷的累积)的操作。
通过读出扫描系统的读出操作读出的信号对应于在紧接前面的读出操作或电子快门操作之后接收的光量。然后，从由前一个读出操作的读出定时或电子快门操作的扫掠时间到由当前读出操作的读出定时的时间段是单位像素110的每个像素中的电荷累积时间段(曝光时间段)。
从垂直驱动电路102选择性扫描的像素行的每个单位像素110输出的信号通过每个像素列的每个垂直信号线VSL输入至信号处理电路103。信号处理电路103对通过像素阵列部101的每个像素列的垂直信号线VSL从所选行的每个单位像素输出的信号执行预定信号处理，并在信号处理之后临时保持像素信号。
具体地，信号处理电路103至少执行噪声去除处理，例如，作为信号处理的相关双采样(CDS)处理和双数据采样(DDS)。例如，通过CDS处理，去除对像素唯一的固定图案噪声，例如，像素中的放大晶体管的重置噪声和阈值变化。信号处理电路103还具有例如模数(AD)转换功能，将从光电转换元件读出的模拟像素信号转换成数字信号，并且输出数字信号。
水平驱动电路104包括移位寄存器，地址解码器等，并且依次选择对应于信号处理电路103的像素列的读出电路(在下文中，称为像素电路)。通过水平驱动电路104的选择性扫描，在信号处理电路103中经过每个像素电路的信号处理的像素信号被顺序地输出。
系统控制电路105包括生成各种定时信号等的定时发生器，并且基于由定时发生器生成的各种定时对垂直驱动电路102、信号处理电路103和水平驱动电路104进行驱动控制。
数据处理单元108至少具有算术处理功能，并且对从信号处理电路103输出的像素信号执行各种类型的信号处理，诸如算术处理。数据存储部109临时存储数据处理单元108中的信号处理所需的数据。
应注意，例如，从数据处理单元108输出的图像数据可在配备有图像传感器100的电子设备1中的应用处理器1100等中经受预定处理，或者可经由预定网络传输至外部。
1.3固态成像装置的堆叠结构实施例
图4是示出了根据本实施方式的图像传感器的层叠结构实施例的示图。如图4所示，图像传感器100具有其中光接收芯片121和电路芯片122垂直堆叠的堆叠结构。例如，光接收芯片121可以是包括其中多个单位像素110布置成矩阵的像素阵列部101的半导体芯片，并且例如，电路芯片122可以是包括图3中的外围电路等的半导体芯片。
对于光接收芯片121和电路芯片122的结合，例如，可以使用所谓的直接结合，其中，结合表面被平坦化并且两者通过电子力彼此结合。但是，本发明不限于此，例如也可以使用在结合面上形成的铜(Cu)电极焊盘彼此结合的所谓的Cu-Cu结合、凸块结合等。
此外，例如，光接收芯片121和电路芯片122经由诸如穿透半导体基板的硅通孔(TSV)的连接部电连接。对于使用TSV的连接，例如，可以采用所谓的双TSV方法、所谓的共用TSV方法等，在该双TSV方法中，两个TSV(即，设置在光接收芯片121中的TSV和从光接收芯片121到电路芯片122设置的TSV)通过芯片的外表面连接，在该共用TSV方法中，两者通过从光接收芯片121穿透到电路芯片122的TSV连接。
然而，在使用Cu-Cu结合或凸块结合来结合光接收芯片121和电路芯片122的情况下，两者经由Cu-Cu结合部或凸块结合部电连接。
1.4单位像素的配置实施例
接下来，将描述单位像素110的配置实施例。应注意，此处，将描述单位像素110包括检测RGB三原色中的每一颜色分量的像素(在下文中，也称为RGB像素10)以及检测红外(IR)光的像素(在下文中，也称为IR像素20)的情况作为实施例。应注意，在图5和以下描述中，在不区分透射构成RGB三原色的相应颜色分量的光的滤色器31r、31g和31b的情况下，参考标号为31。
图5是描述根据本实施方式的像素阵列部的示意性配置实施例的示意图。如图5所示，像素阵列部101具有其中单位像素110以二维格子形状排列的配置，单位像素110具有包括沿光入射方向排列的RGB像素10和IR像素20的单位像素110的结构。即，在本实施方式中，RGB像素10和IR像素20位于垂直于单位像素110的排列方向(平面方向)的方向上，并且透射通过位于入射光的光路中的上游侧的RGB像素10的光被配置为入射在位于RGB像素10的下游侧的IR像素20上。根据这种配置，IR像素20的光电转换部PD2被布置在与RGB像素10的光电转换部PD1中的入射光的入射表面相反的表面侧上。因此，在本实施方式中，沿着光入射方向排列的RGB像素10和IR像素20的入射光的光轴彼此一致或基本上一致。
应注意，在本实施方式中，例示了构成RGB像素10的光电转换部PD1由有机材料制成并且构成IR像素20的光电转换部PD2由诸如硅的半导体材料制成的情况，但是本发明不限于此。例如，光电转换部PD1和光电转换部PD2均可由半导体材料制成，光电转换部PD1和光电转换部PD2均可由有机材料制成，或者光电转换部PD1可由半导体材料制成并且光电转换部PD2可由有机材料制成。可替代地，光电转换部PD1和光电转换部PD2中的至少一者可由与有机材料和半导体材料不同的光电转换材料制成。
1.5单位像素的电路配置实施例
接下来，将描述单位像素110的电路配置实施例。图6是示出了根据本实施方式的单位像素的示意性配置实施例的电路图。如图6所示，在本实施例中，单位像素110包括一个RGB像素10和一个IR像素20。
(RGB像素10)
RGB像素10包括例如光电转换部PD1、传输栅极11、浮动扩散区FD1，复位晶体管12、放大晶体管13和选择晶体管14。
包括在像素驱动线LD中的选择控制线连接至选择晶体管14的栅极，包括在像素驱动线LD中的复位控制线连接至复位晶体管12的栅极，并且包括在像素驱动线LD中的传输控制线连接至传输栅极11的稍后将描述的累积电极(参见稍后将描述的图8中的累积电极37)。此外，一端连接至信号处理电路103的垂直信号线VSL1经由选择晶体管14连接至放大晶体管13的漏极。
在以下描述中，复位晶体管12、放大晶体管13和选择晶体管14也被统称为像素电路。像素电路可以包括浮动扩散区FD1和/或传输栅极11。
光电转换部PD1由例如有机材料制成并对入射光进行光电转换。传输栅极11传输在光电转换部PD1中产生的电荷。浮动扩散区FD1累积由传输栅极11传输的电荷。放大晶体管13使具有与累积在浮动扩散区FD1中的电荷对应的电压值的像素信号出现在垂直信号线VSL1中。复位晶体管12释放在浮动扩散区FD1中累积的电荷。选择晶体管14选择要读出的RGB像素10。
光电转换部PD1的阳极接地，并且阴极连接至传输栅极11。尽管后面将参考图8详细地描述光电转换部PD1，例如，累积电极37被布置为靠近光电转换部PD1。在曝光时，用于将光电转换部PD1中产生的电荷收集至累积电极37附近的半导体层35的电压经由传输控制线施加至累积电极37。在读出时，用于使聚集在累积电极37附近的半导体层35中的电荷通过读出电极36流出的电压通过传输控制线施加到累积电极37。
通过读出电极36流出的电荷被累积在浮动扩散区FD1中，浮动扩散区FD1包括连接读出电极36、复位晶体管12的源极和放大晶体管13的栅极的布线结构。注意，复位晶体管12的漏极可以连接到例如电源电压VDD或者向其提供低于电源电压VDD的复位电压的电源线。
放大晶体管13的源极可以经由例如恒流电路(未示出)等连接至电源线。放大晶体管13的漏极连接至选择晶体管14的源极，并且选择晶体管14的漏极连接至垂直信号线VSL1。
浮动扩散区FD1将累积的电荷转换成与电荷量对应的电压值的电压。注意，浮动扩散区FD1可以是例如接地容量。然而，本发明不限于此，并且浮动扩散区FD1可以是通过有意地将电容器等连接至传输栅极11的漏极、复位晶体管12的源极和放大晶体管13的栅极连接的节点而添加的容量等。
垂直信号线VSL1连接至信号处理电路103中为每列(即，为每条垂直信号线VSL1)设置的模数(AD)转换电路103a。AD转换电路103a包括例如比较器和计数器，并且通过比较从外部参考电压生成电路(数模转换器(DAC))输入的诸如单个斜坡或斜坡形状的参考电压与出现在垂直信号线VSL1中的像素信号来将模拟像素信号转换成数字像素信号。应注意，AD转换电路103a可包括例如相关双采样(CDS)电路等，并且可被配置为能够降低kTC噪声等。
(IR像素20)
IR像素20包括例如光电转换部PD2、传输晶体管21、浮动扩散区FD2、复位晶体管22、放大晶体管23、选择晶体管24和放电晶体管25。即，在IR像素20中，RGB像素10中的传输栅极11被传输晶体管21代替，并且增加了放电晶体管25。
浮动扩散区FD2、复位晶体管22和放大晶体管23相对于传输晶体管21之间的连接关系可类似于浮动扩散区FD1、复位晶体管12和放大晶体管13相对于RGB像素10中的传输栅极11之间的连接关系。此外，放大晶体管23、选择晶体管24和垂直信号线VSL2之间的连接关系可类似于RGB像素10中的放大晶体管13、选择晶体管14和垂直信号线VSL1之间的连接关系。
例如，传输晶体管21的源极连接至光电转换部PD2的阴极，并且漏极连接至浮动扩散区FD2。此外，包括在像素驱动线LD中的传输控制线连接至传输晶体管21的栅极。
例如，放电晶体管25的源极可连接至光电转换部PD2的阴极，并且漏极可连接至电源电压VDD或供应有低于电源电压VDD的复位电压的电源线。此外，包括在像素驱动线LD中的放电控制线连接至放电晶体管25的栅极。
在以下描述中，复位晶体管22、放大晶体管23和选择晶体管24也统称为像素电路。像素电路可包括浮动扩散区FD2、传输晶体管21和放电晶体管25中的一个或多个。
光电转换部PD2由例如半导体材料制成，并对入射光进行光电转换。传输晶体管21传输在光电转换部PD2中产生的电荷。浮动扩散区FD2累积由传输晶体管21传输的电荷。放大晶体管23使具有与累积在浮动扩散区FD2中的电荷对应的电压值的像素信号出现在垂直信号线VSL2中。复位晶体管22释放在浮动扩散区FD2中累积的电荷。选择晶体管24选择待读出的IR像素20。
光电转换部PD2的阳极接地，并且阴极连接至传输晶体管21。传输晶体管21的漏极连接至复位晶体管22的源极和放大晶体管23的栅极，并且连接这些部件的布线结构构成浮动扩散区FD2。经由传输晶体管21从光电转换部PD2流出的电荷累积在浮动扩散区FD2中。
浮动扩散区FD2将累积的电荷转换成与电荷量对应的电压值的电压。注意，浮动扩散区FD2例如可以是接地容量。然而，本发明不限于此，并且浮动扩散区FD2可以是通过有意地将电容器等连接至传输晶体管21的漏极、复位晶体管22的源极和放大晶体管23的栅极连接的节点而添加的容量等。
当释放累积在光电转换部PD2中的电荷并重置光电转换部PD2时，放电晶体管25接通。因此，在光电转换部PD2中累积的电荷经由放电晶体管25流出至电源线，并且光电转换部PD2被重置为未曝光状态。
与垂直信号线VSL1相似，垂直信号线VSL2连接至IR信号处理电路103B中为每列(即，为每个垂直信号线VSL2)设置的AD转换电路103a。
1.5.1电路配置的变形例
这里，作为变形例，将描述启用像素阵列部101中的RGB像素10的所谓的全局快门方法读出驱动的电路配置。图7为示出根据本实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的电路图。如图7所示，在本变形例中，每个单位像素110中的RGB像素10A还包括存储器MEM和传输栅极15。
存储器MEM连接至传输栅极11并且临时保持从光电转换部PD1流出的电荷。传输栅极15被设置在存储器MEM和浮动扩散区FD1之间，并且抑制电荷从存储器MEM的泄漏。
在曝光之后的电荷传输时，同时接通像素阵列部101中的所有RGB像素10的传输栅极11。传输栅极11的接通状态是相对于累积电极37配置的状态。例如，在光电转换部PD1中产生的电荷是电子的情况下，累积电极37的电位高于传输栅极的电位。在电荷是空穴的情况下，累积电极37的电位低于传输栅极的电位。因此，累积在半导体层35中的电荷经由传输栅极11流出到FD1。另一方面，传输栅极11的断开状态是指，例如，在光电转换部PD1中产生的电荷是电子的情况下，累积电极37的电位低于传输栅极11的电位。在电荷是空穴的情况下，累积电极37的电位高于传输栅极的电位。因此，在光电转换膜34中产生的电荷累积在半导体层35中。通过一次同时接通所有RGB像素10的传输栅极11，在相同周期期间在每个RGB像素10的光电转换部PD1中产生的电荷被传输至并保持在每个RGB像素10的存储器MEM中。基于在存储器MEM中保持的电荷的像素信号的读出可以类似于所谓的卷帘快门型读出驱动。注意，在以下描述中，举例说明了通过光电转换部PD1和PD2的光电转换产生的电荷是电子的情况，但是本发明不限于此。即使在电荷为空穴的情况下，根据本公开的技术也可以通过反转电位控制的方向来类似地应用。
1.6单位像素的截面结构实施例
接下来，参照图8，将描述根据一个实施方式的图像传感器100的截面结构实施例。图8是示出根据本实施方式的图像传感器的截面结构实施例的截面图。这里，将集中于其中形成了单位像素110中的光电转换部PD1和PD2的半导体芯片来描述截面结构实施例。
另外，在以下的说明中，例示光入射表面在半导体基板50的背面侧(元件形成面的相反侧)的所谓背面照射型截面结构，但本发明不限于此，也可以使用光入射表面在半导体基板50的正面侧(元件形成面侧)的所谓正面照射型截面结构。此外，在本说明书中，举例说明了有机材料用于RGB像素10的光电转换部PD1的情况，但是如上所述，有机材料和半导体材料(也称为无机材料)中的一种或两种可用作每个光电转换部PD1和PD2的光电转换材料。
应注意，在半导体材料用于光电转换部PD1的光电转换材料和光电转换部PD2的光电转换材料两者的情况下，图像传感器100可具有其中光电转换部PD1和光电转换部PD2设置在同一半导体基板50中的截面结构，可具有其中设置有光电转换部PD1的半导体基板和其中设置有光电转换部PD2的半导体基板被结合的截面结构，或者可具有其中光电转换部PD1和PD2中的一个设置于半导体基板50中，并且另一个设置于形成在半导体基板50的背面或正面上的半导体层中的截面结构。
如图8所示，本实施方式具有这样的结构，其中IR像素20的光电转换部PD2形成在半导体基板50上，并且RGB像素10的光电转换部PD1设置在半导体基板50的背面侧(与元件形成表面相对的一侧)上。应注意，在图8中，为了便于描述，半导体基板50的背面位于附图平面中的上侧，并且正面位于下侧。
对于半导体基板50，例如，可以使用诸如硅(Si)的半导体材料。然而，半导体材料不限于此，并且可以使用包括诸如GaAs、InGaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP和InGaAsP之类的化合物半导体的各种半导体材料。
(RGB像素10)
RGB像素10的光电转换部PD1设置在半导体基板50的背面侧，绝缘层53夹在光电转换部PD1与半导体基板50的背面侧之间。光电转换部PD1包括例如由有机材料制成的光电转换膜34；以及被布置为夹持光电转换膜34的透明电极33和半导体层35。相对于光电转换膜34设置在附图平面中的上侧(在下文中，附图平面中的上侧是上表面侧，并且下侧是下表面侧)的透明电极33用作例如光电转换部PD1的阳极，并且设置在下表面侧上的半导体层35用作光电转换部PD1的阴极。
用作阴极的半导体层35与形成在绝缘层53中的读出电极36电连接。读出电极36通过与穿透绝缘层53和半导体基板50的布线61、62、63和64连接而电引出至半导体基板50的前表面(正面)(下表面)侧。应注意，尽管在图8中未示出，布线64电连接至图6中所示的浮动扩散区FD1。
累积电极37隔着绝缘层53设置在作为阴极的半导体层35的下表面侧。尽管在图8中未示出，但累积电极37连接至像素驱动线L71中的传输控制线。如上所述，在曝光时，施加用于将光电转换部PD1中产生的电荷收集到累积电极37附近的半导体层35的电压，并且在读出时，施加用于使累积电极37附近的半导体层35中收集的电荷经由读出电极36流出的电压。
类似于透明电极33，读出电极36和累积电极37可以是透明导电膜。例如，诸如氧化铟锡(ITO)或氧化锌(IZO)的透明导电膜可用于透明电极33、读出电极36和累积电极37。然而，本发明不限于此，并且可使用各种导电膜，只要光电转换部PD2是能够透射待检测波长带中的光的导电膜即可。
另外，对于半导体层35，例如可以使用IGZO等透明的半导体层。然而，本发明不限于此，并且可使用各种半导体层，只要光电转换部PD2是能够传输待检测的波长带中的光的半导体层。
此外，作为绝缘层53，例如，可以使用诸如氧化硅膜(SiO2)或氮化硅膜(SiN)的绝缘膜。然而，本发明不限于此，并且可使用各种绝缘膜，只要光电转换部PD2是能够透射待检测波长带中的光的绝缘膜。
滤色器31隔着密封膜32设置在用作阳极的透明电极33的上表面侧上。例如，密封膜32由诸如氮化硅(SiN)的绝缘材料制成，并且可包括铝(Al)，钛(Ti)等的原子，以防止原子从透明电极33扩散。
尽管随后将描述滤色器31的布置，例如，针对一个RGB像素10设置选择性地透射特定波长分量的光的滤色器31。然而，在提供获取亮度信息的单色像素代替获取颜色信息的RGB像素10的情况下，可以省略滤色器31。
(IR像素20)
IR像素20的光电转换部PD2包括例如形成在半导体基板50中的p阱区域42中的p型半导体区域43和形成在p型半导体区域43的中心附近的n型半导体区域44。例如，n型半导体区域44用作累积由光电转换生成的电荷(电子)的电荷累积区域，并p型半导体区域43用作形成用于将通过光电转换生成的电荷收集到n型半导体区域44中的电位梯度的区域。
例如，选择性地透射IR光的IR滤色器41设置在光电转换部PD2的光入射面侧上。例如，IR滤色器41可布置在设置在半导体基板50的背面侧上的绝缘层53中。通过将IR滤色器41设置在光电转换部PD2的光入射表面上，可以抑制可见光入射在光电转换部PD2上，并且因此，可以改善IR光与可见光的S/N比。这使得可以获得IR光的更精确的检测结果。
例如，在半导体基板50的光入射表面上设置微细凹凸结构以便抑制入射光(在该实施例中，IR光)的反射。该凹凸结构可以是称为蛾眼结构的结构，或者可以是大小和间距与蛾眼结构不同的凹凸结构。
用作传输晶体管21的纵向晶体管45设置在半导体基板50的前表面(附图平面中的下表面)侧上，即，元件形成表面侧上。纵向晶体管45的栅电极从半导体基板50的表面到达n型半导体区域44，并且经由形成在层间绝缘膜56中的布线65和66(像素驱动线LD2的传输控制线的一部分)连接至垂直驱动电路102。
经由纵向晶体管45流出的电荷累积在浮动扩散区FD2中。浮动扩散区FD2经由形成在层间绝缘膜56中的布线(未示出)连接到复位晶体管22的源极和放大晶体管23的栅极。注意，浮动扩散区FD2、复位晶体管22、放大晶体管23和选择晶体管24可以设置在半导体基板50的元件形成表面上，或者可以设置在不同于半导体基板50的半导体基板上。
应注意，在本说明书中，已经举例说明了位于入射光的上游的RGB像素10生成RGB图像信号，并且位于下游的IR像素20基于IR光生成图像信号的情况，但是本发明不限于这种配置。例如，可在上游侧像素(对应于RGB像素10)中产生基于具有与绿色对应的波长分量的光的图像信号，并且可在下游侧像素(对应于IR像素20)中产生基于具有与红色对应的波长分量的光的图像信号和基于具有与蓝色对应的波长分量的光的图像信号。在这种情况下，选择性吸收与绿色对应的波长分量的材料被用于光电转换膜34，并且代替IR滤色器41，选择性透射与红色对应的波长分量的滤色器和选择性透射与蓝色对应的波长分量的滤色器可布置成矩阵。此外，在该配置中，可以省略滤色器31。根据该配置，能够扩大检测构成彩色图像的RGB三原色(也可以是CMY三原色等)中每个的波长分量的像素的光接收面积，从而由于提高了量子效率而能够提高S/N比。
(像素隔离结构)
半导体基板50设置有使多个单位像素110彼此电隔离的像素隔离部54，并且光电转换部PD2设置在由像素隔离部54分割的每个区域中。例如，在从半导体基板50的背面(图中的上表面)侧观看图像传感器100的情况下，像素隔离部54具有例如介于多个单位像素110之间的格子形状，并且每个光电转换部PD2形成在由像素隔离部54分割的每个区域中。
对于像素隔离部54，例如，可以使用反射诸如钨(W)或铝(Al)的光的反射膜。因此，进入光电转换部PD2的入射光可以被像素隔离部54反射，使得光电转换部PD2中的入射光的光路长度可以增加。此外，由于像素隔离部54具有光反射结构，因此可以减少光向相邻像素的泄漏，并且因此还可以进一步提高图像质量、距离测量精度等。注意，像素隔离部54具有光反射结构的配置不限于使用反射膜的配置，并且例如对于像素隔离部54，可以通过使用具有与半导体基板50的折射率不同的折射率的材料来实现。
例如，固定电荷膜55设置在半导体基板50与像素隔离部54之间。固定电荷膜55使用例如具有负固定电荷的高电介质形成，使得在与半导体基板50的界面部形成正电荷(空穴)累积区域并且抑制暗电流的产生。由于固定电荷膜55被形成为具有负的固定电荷，所以通过负的固定电荷将电场施加到与半导体基板50的界面，并且形成正电荷(空穴)累积区域。
固定电荷膜55可以由例如氧化铪膜(HfO2膜)形成。此外，例如，固定电荷膜55可形成为包含诸如铪、锆、铝、钽、钛、镁、钇和镧系元素等氧化物中的至少一种。
注意，图8描绘了像素隔离部54具有从半导体基板50的前表面到达后表面的所谓的全沟槽隔离(FTI)结构的情况，但不限于此。例如，可以采用诸如所谓的深沟槽隔离(DTI)结构的各种元件隔离结构，其中，从半导体基板50的背面或前表面到半导体基板50的中间附近形成像素隔离部54。
(光瞳校正)
由氧化硅膜、氮化硅膜等制成的平坦化膜52设置在滤色器31的上表面上。平坦化膜52的上表面通过例如化学机械抛光(CMP)来平坦化，并且在平坦化的上表面上设置用于每个单位像素110的片上透镜51。每个单位像素110的片上透镜51具有这样的曲率，使得入射光收集在光电转换部PD1和PD2中。应注意，例如，可根据距像素阵列部101的中心的距离(图像高度)来调整每个单位像素110中的片上透镜51、滤色器31、IR滤色器41以及光电转换部PD2之间的位置关系(光瞳校正)。
此外，在图8所示的结构中，可以设置用于防止倾斜入射光泄漏到相邻像素中的遮光膜。遮光膜可位于设置在半导体基板50内部的像素隔离部54的上方(入射光的光路中的上游侧)。然而，在执行光瞳校正的情况下，可根据例如距像素阵列部101的中心的距离(图像高度)来调整遮光膜的位置。这种遮光膜可设置在例如密封膜32或平坦化膜52中。此外，作为遮光膜的材料，例如，可以使用诸如铝(Al)或钨(W)的遮光材料。
1.7各层的材料
在一个实施方式中，在有机半导体用作光电转换膜34的材料的情况下，光电转换膜34的层结构可具有以下结构。然而，在堆叠结构的情况下，可适当地改变堆叠顺序。
(1)p型有机半导体的单层结构
(2)n型有机半导体的单层结构
(3-1)p型有机半导体层/n型有机半导体层的堆叠结构
(3-2)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型有机半导体层的堆叠结构
(3-3)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)的叠层结构
(3-4)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)的堆叠结构
(4)p型有机半导体和p型有机半导体的混合层(体异质结构)
这里，P型有机半导体的实施例包括萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、芘衍生物、二萘嵌苯衍生物、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、二萘嵌苯衍生物、芘衍生物、屈衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚吗啉衍生物、具有杂环化合物作为配体的金属络合物、聚噻吩衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、聚芴衍生物等。
n型有机半导体的实施例包括富勒烯和富勒烯衍生物<例如，富勒烯如C60、C70和C74(高级富勒烯、内面体富勒烯等)，或富勒烯衍生物(例如，富勒烯氟化物、PCBM富勒烯化合物、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的有机半导体和透明无机金属氧化物。
n型有机半导体的具体实施例包括有机分子、有机金属配合物、和具有包含含有氮原子、氧原子和硫原子的杂环化合物的分子骨架的一部分的亚酞菁衍生物、如吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹喔啉衍生物、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、亚吗啉吡嗪衍生物、聚亚苯基乙烯衍生物、聚苯并噻二唑衍生物和聚芴衍生物。
作为富勒烯衍生物中包含的基团等的卤素原子，可以提及以下衍生物：直链、支链或环状烷基或苯基；具有线性或稠合芳族化合物的基团；具有卤化物的基团；部分氟烷基；全氟烷基；甲硅烷基烷基；甲硅烷基烷氧基；芳基甲硅烷基；芳基硫烷基；烷基硫烷基；芳基磺酰基；烷基磺酰基；芳基硫醚基团；烷基硫醚基团；氨基；烷基氨基基团；芳氨基；羟基；烷氧基；酰氨基；酰氧基；羰基；羧基；甲酰胺基团；烷氧羰基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫族化物的组；膦基；以及膦酰基。
由如上所述的有机材料制成的光电转换膜34的膜厚度不限于以下值，而可以是例如1×10-8m(米)至5×10-7m，优选2.5×10-8m至3×10-7m，更优选2.5×10-8m至2×10-7m，并且还更优选1×10-7m至1.8×10-7m。注意，有机半导体通常被分类为p型和n型，但是p型意味着空穴容易传输，而n型意味着电子容易传输，并且有机半导体不限于具有空穴或电子作为热激发的多数载流子的解释，如无机半导体那样。
构成光电转换具有绿色波长的光的光电转换膜34的材料的实施例包括罗丹明染料、三聚氰胺花青染料、喹吖啶酮衍生物和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。
此外，构成光电转换蓝光的光电转换膜34的材料的实施例包括香豆酸染料、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)、三聚氰胺菁染料等。
此外，构成光电转换红光的光电转换膜34的材料的实施例包括酞菁染料和亚酞菁染料(亚酞菁衍生物)。
此外，作为光电转换膜34，可以使用对从紫外区域至红色区域的基本上所有可见光敏感的全色光敏有机光电转换膜。
另一方面，作为构成半导体层35的材料，优选使用具有大带隙值(例如，3.0eV(电子伏)或更大的带隙值)并具有比构成光电转换膜34的材料更高的迁移率的材料。具体实施例包括诸如IGZO的氧化物半导体材料、过渡金属二硫化物、碳化硅、金刚石、石墨烯、碳纳米管以及诸如稠合多环烃化合物和稠合杂环化合物的有机半导体材料。
可选地，在光电转换膜34中产生的电荷是电子的情况下，电离电位大于构成光电转换膜34的材料的电离电位的材料可以用作构成半导体层35的材料。另一方面，在电荷是空穴的情况下，具有比构成光电转换膜34的材料的电子亲合力小的电子亲合力的材料可用作构成半导体层35的材料。
注意，构成半导体层35的材料中的杂质浓度优选为1x1018cm-3以下。此外，光电转换膜34和半导体层35可以由相同的材料制成，只要可以满足光电转换性能和迁移率性能即可。
此外，期望使用透明材料作为透明电极33、读出电极36、半导体层35和累积电极37中的每个的材料。具体地，可以使用由Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)制成的材料。
此外，透明导电材料的带隙能量期望地为2.5eV或更大，并且优选地为3.1eV或更大。
另一方面，在透明电极33、读出电极36和累积电极37是透明电极的情况下，构成它们的透明导电材料的实施例包括导电金属氧化物。
具体地，可以例示氧化铟、氧化铟锡(包括氧化铟锡(ITO)、Sn掺杂的In2O3、结晶ITO和非晶ITO)、通过将铟作为掺杂剂添加到氧化锌中获得的氧化铟锌(IZO)、通过将铟作为掺杂剂加入至氧化镓而获得的氧化铟镓(IGO)、通过将铟和镓作为掺杂剂加入至氧化锌而获得的氧化铟镓锌(IGZO(In-GaZnO4))、通过将铟和锡作为掺杂剂添加至氧化锌获得的铟-锡-氧化锌(ITZO)、IFO(F掺杂的In2O3)、氧化锡(SnO2)、ATO(Sb掺杂的SnO2)、FTO(F掺杂的SnO2)、氧化锌(包括掺杂有其它元素的ZnO)、通过将铝作为掺杂剂加入至氧化锌中获得的铝-氧化锌(AZO)、通过将镓作为掺杂剂加入至氧化锌中获得的镓-氧化锌(GZO)、氧化钛(TiO2)、通过向氧化钛中添加铌作为掺杂剂而获得的铌-氧化钛(TNO)、氧化锑、尖晶石型氧化物以及具有YbFe2O4结构的氧化物。
可替代地，还可以例示使用氧化镓、氧化钛、氧化铌、氧化镍等作为母层的透明电极。
此外，透明电极的厚度可以是2×10-8m至2×10-7m，优选3×10-8m至1×10-7m。
1.8单位像素的变形例
在以上描述中，已经举例说明了一个单位像素包括一个RGB像素10和一个IR像素20的情况，但是本发明不限于这种配置。也就是说，每个单位像素110可包括N(N是1或更大的整数)个RGB像素10和M(M是1或更大的整数)个IR像素20。在这种情况下，N个RGB像素10可共享像素电路的一部分，并且类似地，M个IR像素20可共享像素电路的一部分。
1.8.1单位像素的配置实施例
图9是示出根据本实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的示意图。如图9所示，单元像素110A具有其中一个IR像素20相对于布置成两行和两列的四个RGB像素10布置在光入射方向上的结构。即，在本变形例中，对于位于与单位像素110A的排列方向(平面方向)垂直的方向上的四个RGB像素10的一个IR像素20，透过位于入射光的光路的上游侧的四个RGB像素10的光被配置为入射在位于四个RGB像素10的下游侧的一个IR像素20上。因此，在本变形例中，包括四个RGB像素10和IR像素20的拜耳阵列的单位阵列的入射光的光轴彼此一致或基本上一致。
1.8.2单位像素的电路配置实施例
图10是描述根据本实施方式的变形例的单位像素的示意性配置实施例的电路图。如图10中所示，单位像素110A包括多个RGB像素10-1至10-N(在图10中，N是4)和一个IR像素20。如上所述，在一个单位像素110A包括多个RGB像素10的情况下，一个像素电路(复位晶体管12、浮动扩散区FD1、放大晶体管13和选择晶体管14)可被多个RGB像素10共享(像素共享)。因此，在本变形例中，多个RGB像素10-1至10-N共享包括复位晶体管12、浮动扩散区FD1、放大晶体管13和选择晶体管14的像素电路。即，在本变形例中，多个光电转换部PD1和传输栅极11连接至共用的浮动扩散区FD1。
1.8.3单位像素的截面结构实施例
图11是描述根据本实施方式的变形例的图像传感器的截面结构实施例的截面图。应注意，在本说明书中，类似于图8，将作为实施例描述每个单位像素110A包括布置成两行和两列的四个RGB像素10和一个IR像素20的情况。此外，在以下描述中，类似于图8，将集中于其中形成单位像素110A中的光电转换部PD1和PD2的半导体芯片来描述截面结构实施例。此外，在以下描述中，引用与参考图8所描述的图像传感器100的截面结构相似的结构，并且省略多余的描述。
如图11所示，在本变形例中，在类似于图8所示的截面结构的截面结构中，片上透镜51、滤色器31和累积电极37被分成两行和两列的四个(然而，图11中示出了四个中的两个)，配置四个RGB像素10。应注意，每个单位像素210中的四个RGB像素10可构成拜耳阵列的基本阵列。
1.9量子效率的提高
随后，在具有如上所述的基本配置的单位像素110(或单位像素110A，并且在下文中同样适用)中，将用一些实施例描述用于提高量子效率的配置。应注意，在下文中，为了清楚起见，集中于光电转换部包括有机光电转换膜的像素(在该实施例中，RGB像素10)，并且省略光电转换部包括半导体的像素(在本实施例中，IR像素20)的说明和描述。另外，为了简化说明，在RGB像素10的截面结构中，滤色器31的上方的配置和读出电极36的下方的配置将不再描绘和描述。此外，在以下描述中，RGB像素10也简称为像素10。另外，在以下的说明中，作为浮动扩散区FD1的一部分，对与浮动扩散区FD1电连接的读出电极36进行说明。此外，在以下描述中，将举例说明通过光电转换膜34的光电转换产生的电荷是负电荷(即，电子)的情况。然而，通过光电转换膜34的光电转换产生的电荷可以是正电荷(即，空穴)。此外，如果没有具体提及，在每个实施例中描述的结构和效果可以类似于其他实施例。
1.9.1第一实施例
图12是示出了根据本实施方式的第一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图13是示出图12中的A-A截面的水平截面图。注意，这里，术语“垂直”是指与半导体基板50的元件形成表面垂直，术语“水平”是指与元件形成表面水平。
如图12和图13所示，在根据第一实施例的像素10中，位于光电转换膜34正下方的半导体层35的一部分向光电转换膜34的相对侧突出并且连接至读出电极36。在以下的说明中，将该突出部分称为半导体布线60。
在半导体布线60的位于半导体层35的一侧上，具有中央开口的累积电极37被布置为包围半导体布线60。累积电极37和半导体布线60利用介于其间的绝缘层53彼此电隔离。
此外，传输栅极11设置在半导体布线60的位于读出电极36的一侧。传输栅极11包括例如具有与在光电转换膜34中产生的电荷相同极性的固定电荷膜。与固定电荷膜55类似，例如，固定电荷膜的材料可形成为包含氧化铪膜(HfO2膜)或诸如铪、锆、铝、钽、钛、镁、钇和镧系元素之类的氧化物中的至少一种。当累积电极37被关断时，固定电荷膜(即，传输栅极11)的电位期望低于累积电极37附近的半导体层35的电位。类似于累积电极37，这样的传输栅极11具有中央开口的形状，并且被布置为围绕半导体布线60。传输栅极11和半导体布线60可经由绝缘层53彼此分离或接触。
应注意，在单位像素110具有共享如图11所示的像素电路的一部分的像素共享配置的情况下，可为每个像素10划分相对于半导体布线60设置的累积电极37和传输栅极11。
在这种结构中，在曝光时段期间，将用于降低累积电极37附近的半导体层35中的电位的驱动信号(也称为控制电压)从垂直驱动电路102施加至累积电极37。因此，在光电转换膜34中产生并进入半导体层35的电荷58在半导体层35中位于累积电极37附近的区域中累积。此时，由于通过具有与电荷相同极性的传输栅极11在电荷累积的区域与传输栅极11之间的半导体布线60中形成势垒，所以抑制了累积的电荷向读出电极36侧的泄漏。由此，能够提高量子效率。
此外，在第一实施例中，屏蔽电极(ASE)57被设置为包围每个像素10的累积电极(SLD)37的外围。屏蔽电极57经由作为像素驱动线LD之一的布线(未示出)连接到垂直驱动电路102。在单独驱动每个像素10的情况下，垂直驱动电路102将驱动信号施加至屏蔽电极57以在位于相邻像素10之间的半导体层35中形成势垒。因此，因为抑制了在某个像素10的光电转换膜34中生成并且进入半导体层35的电荷流出到相邻像素10，所以可以进一步提高像素10的量子效率。
注意，在图13中，已举例说明了半导体布线60的水平截面和累积电极37和传输栅极11的开口形状为圆形的情况。然而，例如，如图14和图15所示，水平截面和开口形状可以变成各种形状，例如，多边形，例如，四边形和正八边形以及椭圆形。这同样适用于稍后描述的其他实施例。
1.9.2第2实施例
图16是示出根据本实施方式的第二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图16中所示，根据第二实施例的像素10具有一种结构，其中，传输栅极11以与根据以上参照图12描述的第一实施例的像素10的截面结构类似的截面结构设置在累积电极37内部。即，在第二实施例中，累积电极37的开口的直径被扩大，并且传输栅极11被布置在与累积电极37相同的表面上。
根据这种结构，因为可以缩短半导体布线60的长度，所以可以减小图像传感器100的高度，并且可以减小图像传感器的尺寸。
1.9.3第三实施例
图17是描述根据本实施方式的第三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图17所示，根据第三实施例的像素10具有锥形形状，其中，半导体布线60在类似于根据以上参照图12描述的根据第一实施例的像素10的截面结构的截面结构中朝向读出电极36变薄。
根据这种结构，由于半导体层35侧的半导体布线60的直径增大，所以累积在半导体层35中的电荷可以平稳地传递至读出电极36侧。
另外，由于减小了读出电极36侧的半导体布线60的直径，因此能够减小与读出电极36的接触面积。因此，可以增加传播至读出电极36下方的层的光量，并且因此，例如，在IR像素20的光电转换部PD2设置在像素10下方的情况下可以进一步增加IR像素20的量子效率。
1.9.4第四实施例
图18是示出根据本实施方式的第四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图18所示，根据第四实施例的像素10具有一种结构，其中读出电极36(和浮动扩散区FD)以类似于根据参照图12描述的第一实施例的像素10的截面结构的截面结构在相邻像素10之间共享。
如上所述，根据其中共享读出电极36和浮动扩散区FD并且可以使用传输栅极11来控制电荷从每个像素10到浮动扩散区FD的传输，可以在每个像素10的读取与多个像素10的同时读取之间切换。
1.9.5第五实施例
图19是示出根据本实施方式的第五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图20是示出图19中的B-B截面的水平截面图。应注意，为了便于描述，图19描述了滤色器31上方的配置。
如图19和图20中所示，根据第五实施例的像素10具有一种结构，其中，以类似于根据上面参照图12描述的第一实施例的像素10的截面结构的截面结构，为多个(在此实施例中为两个)像素10设置一个片上透镜51。
根据这种结构，可以获取共享一个片上透镜51的像素10之间的图像平面相位差信息，并且因此，可以在控制图像传感器100的系统控制单元1050中基于图像平面相位差信息执行诸如自动聚焦的控制。
1.9.6第六实施例
在第六实施例中，将描述能够通过图7所示的全局快门方法进行读出驱动的像素10。图21是描述根据本实施方式的第六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图21所示，根据第六实施例的像素10具有一种结构，其中，构成存储器MEM的存储电极16和传输栅极15以类似于根据以上参照图12描述的第一实施例的像素10的截面结构的截面结构依次设置在传输栅极11和读出电极36之间。
类似于传输栅极11，例如，传输栅极15包括固定电荷膜，并且设置在半导体布线60的最靠近读出电极36的一侧上。然而，传输栅极15的电位可以是低于传输栅极11的电位的电位。类似于累积电极37，传输栅极15具有中央开口的形状，并且被布置为围绕半导体布线60。传输栅极15和半导体布线60可经由绝缘层53彼此分离或接触。
存储电极16设置在传输栅极11与传输栅极15之间。此外，类似于累积电极37，存储电极16具有中央开口的形状，并且被布置为包围半导体布线60。
根据这种结构，经由传输栅极11从半导体层35传输的电荷可以暂时保持在半导体布线60中位于存储电极16附近的区域中。结果，全局快门方法读出驱动变得可能。
1.9.7第七实施例
在第七实施例中，将描述能够通过在第六实施例中描述的全局快门方法进行读出驱动的像素10中的布线实施例。图22是示出根据本实施方式的第七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图23是示出图22中的C-C截面的水平截面图。
在全局快门方法读出驱动的情况下，同时驱动所有像素10中的传输栅极11(即，累积电极37)。因此，如图22和图23所示，像素阵列部101中的所有像素10的累积电极37可通过布线73联接。类似地，像素阵列部101中的所有像素10的存储电极16也可通过布线72联接。
1.9.8第八实施例
在第八实施例中，将描述能够全局快门方法的读出驱动的像素10的另一截面结构实施例。图24是示出根据本实施方式的第八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。
如图24所示，根据第八实施例的像素10具有一种结构，其中，半导体层35以类似于根据上面参考图21描述的第六实施例的像素10的截面结构的截面结构被分成两层，即第一半导体层35A和第二半导体层35B。绝缘层53介于第一半导体层35A和第二半导体层35B之间。半导体布线60穿过第一半导体层35A到第二半导体层35B并且到达读出电极36。
类似于第六实施例，累积电极37、传输栅极11和屏蔽电极57布置在第一半导体层35A与第二半导体层35B之间的绝缘层53中。另一方面，存储电极16和传输栅极15布置在第二半导体层35B与读出电极36之间的绝缘层53中。更具体地，在第二半导体层35B与读出电极36之间的半导体布线60中，存储电极16设置在第二半导体层35B侧，并且在第二半导体层35B与读出电极36之间的半导体布线60中，传输栅极15设置在读出电极36侧。
此外，在第八实施例中，为了抑制保持在第二半导体层35B中位于存储电极16附近的区域中的电荷流出到相邻像素10，与屏蔽电极57类似的屏蔽电极57B设置在相邻像素10的存储电极16之间。屏蔽电极57B经由作为像素驱动线LD之一的布线(未示出)连接到垂直驱动电路102。在单独驱动每个像素10的情况下，垂直驱动电路102将驱动信号施加至屏蔽电极57，以在位于相邻像素10之间的第二半导体层35B中形成势垒。结果，由于抑制了保持在一定像素10的存储器MEM中的电荷流出到相邻像素10的存储器MEM，因此可以进一步提高像素10的量子效率。
1.9.9第九实施例
在第九实施例中，将描述全局快门方法的驱动实施例。应注意，在本实施例中，将描述参考图21在第六实施例中描述的像素10的驱动实施例，但是本发明不限于此，并且可以类似地应用于全局快门方法驱动(在下文中，称为全局快门驱动)是可能的其他实施例。
图25是示出根据本实施方式的第九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图25所示，在根据第九实施例的全局快门驱动中，两个相邻像素10a和10b中的一个像素10执行曝光操作，在两个相邻像素10a和10b中的另一像素10中不执行曝光操作。另外，两个像素10a、10b也可以具有与上述像素10相同的结构。
具体地，例如，在像素10b执行曝光操作的同时，像素10b的累积电极37接通，并且像素10a的累积电极37断开。此外，位于两个像素10a和10b之间的屏蔽电极57断开。在这种状态下，像素10a的传输栅极11和传输栅极15以及像素10b的传输栅极11、存储电极16和传输栅极15断开。另外，像素10a的存储电极16接通。注意，累积电极37、屏蔽电极57和存储器电极16的接通状态指的是驱动信号从垂直驱动电路102被供应到各电极的状态，并且断开状态指的是驱动信号不从垂直驱动电路102供应的状态。
在这种状态下，在对应于像素10a和10b中的每一个的光电转换部PD1的光电转换膜34中产生的电荷58被吸引至像素10b的累积电极37。结果，在光电转换膜34中产生的电荷58在像素10b中的累积电极37附近的半导体层35中累积。注意，从像素10b中的累积电极37附近的半导体层35溢出的电荷58的流出目的地可以是连接到像素10b的读出电极36的浮动扩散区FD。
另一方面，在像素10a中，在存储器MEM中保持在前一帧中在累积电极37附近的半导体层35中累积的电荷59。通过在像素10b的曝光期间并行执行的像素10a的读出操作，依次读出累积在存储器MEM中的电荷59，并将其用于生成像素信号。
通过执行如上所述的操作，可以抑制由于通过累积电极37从半导体层35中的累积区域溢出的电荷流入存储器MEM中引起的寄生光接收灵敏度的降低。
1.9.10第十实施例
在第十实施例中，将描述用于实现在第九实施例中例示的全局快门驱动的像素10的变形例。图26是示出根据本实施方式的第十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。在上述第九实施例中，在执行全局快门驱动期间，位于形成一对的两个像素10a和10b之间的屏蔽电极57被断开。另一方面，在第十实施例中，如图26所示，省略成对的两个像素10a、10b之间的屏蔽电极57。因此，因为可省略用于驱动屏蔽电极57的配置，所以可获得诸如通过省略屏蔽电极57和用于驱动屏蔽电极57的像素驱动线LD的小型化以及降低全局快门驱动的功耗的效果。
1.9.11第十一实施例
在第十一实施例中，将描述用于实现在第九实施例中例示的全局快门驱动的像素10的另一变形例。图27是示出根据本实施方式的第十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图27所示，在第十一实施例中，使形成一对的两个像素10a和10b的读出电极36和浮动扩散区FD共用。如上所述，即使在读出电极36和浮动扩散区FD由形成一对的两个像素10a和10b共享的情况下，也可以通过在第九实施例中描述的驱动实现全局快门驱动。
1.9.12第十二实施例
图28是示出根据本实施方式的第十二实施例的像素的截面结构实施例的垂直截面图。如图28中所示，上面和下面描述的每个实施例中的半导体层35(包括在第八实施例中描述的第一半导体层35A和第二半导体层35B)可包括第一层35a和第二层35b的两个层。例如，第二层35b设置在半导体层35的与绝缘层53接触的表面上。
第二层35b可以是为降低形成在绝缘层53与第一层35a之间的界面陷阱能级的目的而设置的膜。此外，例如，可以使用与上述半导体层35相同的材料作为构成第一层35a和第二层35b中的每一个的材料。然而，第一层35a和第二层35b可具有不同的性质，例如，取决于组成等的差异。
如上所述，通过提供用于减小绝缘层53与第一层35a之间的界面陷阱能级的第二层35b，形成在绝缘层53与第一层35a之间的界面陷阱能级可以减小，使得在帧之间生成的残像减少。
1.9.13第十三实施例
在第十三实施例中，将给出上面或下面描述的每个实施例中的滤色器31的位置的一些实施例。在上述或下述的每个实施例中，滤色器31可以相对于光电转换膜34设置在光入射表面的一侧(片上透镜51的一侧)，如图29中所示的，或者可以相对于光电转换膜34设置在与光入射表面相对的一侧(电路芯片122(未示出)的一侧)，如图30中所示的。在滤色器31相对于光电转换膜34设置在与光入射表面相对的一侧上的情况下，滤色器31可设置在例如绝缘层53中，如图30所示。
1.9.14第十四实施例
在上述各实施例中，例示了屏蔽电极57(和屏蔽电极57B)设置于像素10之间以防止像素10之间的电荷泄漏(溢出)的配置。另一方面，在第十四实施例中，将描述在像素10之间布置具有与电荷相同极性的固定电荷膜来代替屏蔽电极57(和屏蔽电极57B)以防止像素10之间的电荷泄漏(溢出)的配置。应注意，在下文中，将描述在第一实施例中描述的像素10用作基础的情况，但是基础像素10不限于根据第一实施例的像素10，并且可以是根据另一实施例的像素10。
图31是示出根据本实施方式的第十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图32是示出了图31中的D-D截面的水平截面图。如图31和图32所示，在根据第十四实施例的像素10中，屏蔽电荷膜67设置在相邻像素10之间。屏蔽电荷膜67可包括具有与光电转换膜34中产生的电荷相同极性的固定电荷膜。在第十四实施例中，屏蔽电荷膜67被布置在与其上布置了累积电极37的表面相同的表面上。注意，屏蔽电荷膜67可与累积电极37的侧表面接触或者可与累积电极37的侧表面分离。
同样利用这种结构，因为抑制在一定像素10的光电转换膜34中产生并进入半导体层35的电荷流出到相邻像素10，所以可以进一步提高像素10的量子效率。
此外，根据本实施例，由于可省略用于驱动屏蔽电极57的配置，所以可通过省略屏蔽电极57和用于驱动屏蔽电极57的像素驱动线LD来减小尺寸。此外，在第十四实施例中，由于不需要将累积电极37与屏蔽电荷膜67分离，所以能够使累积电极37扩大。由此，能够通过累积电极37附近的半导体层35高效地收集电荷，使得能够预期量子效率的进一步提高。
在下面的实施例中，将描述屏蔽电荷膜67的位置的变形例。
1.9.15第十五实施例
图33是示出根据本实施方式的第十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图33所示，屏蔽电荷膜67可布置在其上布置累积电极37的上表面的绝缘层53的表面与作为相邻像素10之间的边界部分的半导体层35(除了半导体布线60之外)的下表面之间。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.16第十六实施例
图34是示出根据本实施方式的第十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图34所示，屏蔽电荷膜67可布置在半导体层35的下层部分中，即，与半导体层35中的绝缘层53接触的区域中，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.17第十七实施例
图35是示出根据本实施方式的第十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图35所示，屏蔽电荷膜67可布置在相邻像素10之间的边界部分处以替换该部分中的半导体层35。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.18第十八实施例
图36是示出根据本实施方式的第十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图36中所示，屏蔽电荷膜67可布置在光电转换膜34的下层部分中，即，光电转换膜34中与半导体层35接触的区域，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上重叠于累积电极37的外周部分。
1.9.19第十九实施例
图37是描述根据本实施方式的第十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图37中所示，屏蔽电荷膜67可布置在相邻像素10之间的边界部分处以替换该部分中的光电转换膜34。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.20第二十实施例
图38和图39是示出根据本实施方式的第二十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图38和图39所示，屏蔽电荷膜67可布置在绝缘层53中的累积电极37的下表面下方(在读出电极36侧上)，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。此外，如图38所示，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域与累积电极37的外周部分可彼此接触，或者如图39所示，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域与累积电极37的外周部分可在垂直方向上彼此分离。
1.9.21.第二十一实施例
图40是示出根据本实施方式的第二十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图40所示，上述实施例中的传输栅极11和屏蔽电荷膜67可被集成的固定电荷膜81取代。
1.9.22第二十二实施例
在上述实施例中，已经例示了半导体布线60布置在每个像素10的中心处的情况。然而，例如，在如图10所示的由多个像素10共享浮动扩散区FD的配置中，半导体布线60可在像素10之间共享。因此，在下面描述的第二十二实施例至第二十八实施例中，将作为实施例描述在半导体布线60由多个像素10共享的情况下的截面结构。注意，在第二十二实施例至第二十八实施例中，举例说明了读出电极36(浮动扩散区FD)和累积电极37布置在相同表面上(即，半导体基板50距元件形成表面具有相同的高度)的情况，但是本发明不限于此，它们可以布置在与上述实施例中不同的表面上。
图41是示出根据本实施方式的第二十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图42是示出图41中的E-E截面的水平截面图。如图41和图42所示，在第二十二实施例中，其中集成有传输栅极11和屏蔽电荷膜67的固定电荷膜81布置在半导体层35与累积电极37和读出电极36之间(然而，在读出电极36布置在累积电极37下方的情况下，夹持累积电极37布置在半导体层35与读出电极36相对的一侧)。在固定电荷膜81中，开口81a设置在与每个像素10的累积电极37对应的区域中。此时，累积电极37的外周边缘部分可在基板厚度方向上与固定电荷膜81重叠。在光电转换膜34中产生的电荷在半导体层35中与开口81a对应的累积区域中累积。
如上所述，在其中累积电极37和固定电荷膜81布置在不同层中的结构中，累积电极37(和开口81a)可沿相邻像素10的方向扩展。由此，能够扩大半导体层35的累积区域，能够累积更多的电荷。
注意，在本实施例中，已经举例说明了半导体层35被分成上部第一层35a和下部第二层35b的情况，但是本发明不限于此，并且半导体层35可以被配置为单层。
1.9.23第二十三实施例
图43是示出根据本实施方式的第二十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图43所示，在第二十二实施例中例示的固定电荷膜81可布置在半导体层35的下层部分中。此时，在半导体层35被分成上部第一层35a和下部第二层35b的情况下，固定电荷膜81可布置为部分地替换下部第二层35b。
1.9.24第二十四实施例
图44是描述根据本实施方式的第二十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图44所示，在第二十四实施例中，第二十三实施例中的固定电荷膜81被绝缘膜82替代。因此，例如，在第二十四实施例中，半导体层35的下层的一部分以与图42中描绘的开口81a相同的形状朝向累积电极37的一侧突出。
在这种结构中，通过控制施加到累积电极37的驱动信号，可以控制半导体层35的突出至累积电极37侧的部分的电荷的累积和释放。因此，与其他的实施例类似，能够抑制存储电荷向读出电极36侧泄漏，向相邻的像素10泄漏(溢出)。
1.9.25第二十五实施例
图45是示出根据本实施方式的第二十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图46是示出图45中的F-F截面的水平截面图。如图45和图46中所示，在第二十五实施例中，例如，在与第二十四实施例相同的结构中，固定电荷膜81由其中省略了与传输栅极11相对应的部分的固定电荷膜83替换。即，根据本实施例的固定电荷膜83对应于上述实施例中的屏蔽电荷膜67。
如上所述，即使在省略传输栅极11的情况下，也可以抑制像素10之间的电荷泄漏(溢出)，因此，可以提高量子效率。
1.9.26第二十六实施例
图47是示出根据本实施方式的第二十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。图48是示出图47中的G-G截面的水平截面图。如图47和图48所示，在第二十六实施例中，例如，在与第二十四实施例相同的结构中，固定电荷膜81由其中省略了与屏蔽电荷膜67相对应的部分的固定电荷膜84替换。即，根据本实施例的固定电荷膜84对应于上述实施例中的传输栅极11。
如上所述，即使在省略屏蔽电荷膜67的情况下，也能够抑制所累积的电荷向浮动扩散区FD泄漏，能够提高量子效率。
1.9.27第二十七实施例
图49是示出根据本实施方式的第二十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图49中所示，在第二十七实施例中，描述了其中在与参考图43的上述第二十三实施例相同的结构中不将半导体层35分成第一层35a和第二层35b的结构。如上所述，在半导体层35未被分成第一层35a和第二层35b的情况下，固定电荷膜81可布置在半导体层35的下层部分中。
1.9.28第二十八实施例
图50是示出根据本实施方式的第二十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图50中所示，在第二十八实施例中，用于控制电位的电位控制电极85隔着累积电极37(和读出电极36)设置在绝缘层53中与半导体层35相对的一侧(也称为下层)。
如上所述，通过将用于控制电位的电位控制电极85设置在累积电极37(和读出电极36)的下面，可以帮助电荷从半导体层35的累积区域流到浮动扩散区FD，并且因此，可以更平稳地读出电荷。
1.9.29第二十九实施例
在第二十九实施例至第三十四实施例中，将描述屏蔽电荷膜67的布置变化。注意，在第二十九实施例至第三十四实施例中，类似于第二十二实施例至第二十八实施例，举例说明了读出电极36(浮动扩散区FD)和累积电极37布置在相同表面上的情况，但是本发明不限于此，它们可以布置在与上述实施例中不同的表面上。
图51是示出根据本实施方式的第二十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图51所示，屏蔽电荷膜67可布置在与累积电极37相同的表面上，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67和累积电极37可彼此接触或可彼此分离。
1.9.30第三十实施例
图52是示出根据本实施方式的第三十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图52所示，屏蔽电荷膜67可布置在其上布置累积电极37的上表面的绝缘层53的表面与作为相邻像素10之间的边界部分的半导体层35(除了半导体布线60之外)的下表面之间。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.31第三十一实施例
图53是示出根据本实施方式的第三十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图53所示，屏蔽电荷膜67可布置在绝缘层53中的累积电极37的下表面下方，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域与累积电极37的外周部分可以在垂直方向上彼此接触或者可以彼此分离。
1.9.32第三十二实施例
图54是示出根据本实施方式的第三十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图54所示，屏蔽电荷膜67可布置在半导体层35的下层部分中，即，半导体层35中与绝缘层53接触的区域中，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，在半导体层35被分成第一层35a和第二层35b的情况下，屏蔽电荷膜67可布置在第一层35a的下层部分中。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.33第三十三实施例
图55是示出根据本实施方式的第三十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图55所示，屏蔽电荷膜67可布置在光电转换膜34的下层部分中，即，光电转换膜34中与半导体层35接触的区域，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上重叠于累积电极37的外周部分。
1.9.34第三十四实施例
图56是示出根据本实施方式的第三十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图56中所示，屏蔽电荷膜67可设置在相邻像素10之间的边界部分处以替换该部分中的光电转换膜34。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.35第三十五实施例
在第三十五实施例至第四十实施例中，将描述传输栅极11的布置变化。注意，在第三十五实施例至第四十实施例中，类似于第二十二实施例至第三十四实施例，例示读出电极36(浮动扩散区FD)和累积电极37布置在相同表面上的情况，但是本发明不限于此，它们可以布置在与上述实施例中不同的表面上。
图57是示出根据本实施方式的第三十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图57所示，传输栅极11可布置在读出电极36与累积电极37之间，以及绝缘层53的布置有累积电极37的上表面的表面与半导体层35的下表面(除了半导体布线60之外)之间。此时，传输栅极11的外围边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37重叠。
1.9.36第三十六实施例
图58是示出根据本实施方式的第三十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图58所示，传输栅极11可以在与读出电极36和累积电极37相同的表面上布置在读出电极36和累积电极37之间。此时，传输栅极11、读出电极36和累积电极37可以彼此接触或者可以彼此分离。
1.9.37第三十七实施例
图59是示出根据本实施方式的第三十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图59所示，传输栅极11可布置在读出电极36与累积电极37之间并且在绝缘层53中在累积电极37的下表面下方。此时，传输栅极11的外周边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37的一部分重叠。此外，传输栅极11、读出电极36和累积电极37的外周边缘可以在垂直方向上彼此接触或者可以彼此分离。
1.9.38第三十八实施例
图60是示出根据本实施方式的第三十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图60所示，传输栅极11可在半导体层35的下层部分(即，半导体层35的与绝缘层53接触的区域)中布置在读出电极36与累积电极37之间。此时，在半导体层35被分成第一层35a和第二层35b的情况下，传输栅极11可布置在第一层35a的下层上。此外，传输栅极11的外周边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37重叠。
1.9.39第三十九实施例
图61是示出根据本实施方式的第三十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图61所示，传输栅极11可以在光电转换膜34的下层部分(即，与半导体层35接触的光电转换膜34的区域)中设置在读出电极36和累积电极37之间。此时，传输栅极11的外周边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37重叠。
1.9.40第四十实施例
图62是示出根据本实施方式的第四十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图62所示，传输栅极11可以布置在读出电极36与累积电极37之间以替换该部分中的光电转换膜34。此时，传输栅极11的外周边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37重叠。
1.9.41第四十一实施例
在上述第二十二实施例至第四十实施例中，已经描述了在读出电极36(浮动扩散区FD)和累积电极37布置在相同表面上的情况下屏蔽电荷膜67和传输栅极11的布置变化。另一方面，在下面描述的第四十一实施例至第五十一实施例中，与上述的第一实施例至第二十一实施例相似，将描述在读出电极36(浮动扩散区FD)设置在累积电极37下方的情况下的布置变化。
图63是示出根据本实施方式的第四十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图63所示，在第四十一实施例中，传输栅极11和屏蔽电荷膜67可设置在与读出电极36和累积电极37相同的表面上。此时，传输栅极11、读出电极36和累积电极37可以彼此接触或者可以彼此分离，并且屏蔽电荷膜67和累积电极37可以彼此接触或者可以彼此分离。
1.9.42第四十二实施例
图64是示出根据本实施方式的第四十二实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图64所示，在第四十二实施例中，传输栅极11可以设置在读出电极36与累积电极37之间并且在绝缘层53中的累积电极37的下表面下方。此时，传输栅极11的外周边缘可在垂直方向上与读出电极36和累积电极37的一部分重叠。此外，传输栅极11、读出电极36和累积电极37的外周边缘可以在垂直方向上彼此接触或者可以彼此分离。
屏蔽电荷膜67可布置在半导体层35的下层部分中，即，半导体层35中与绝缘层53接触的区域中，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，在半导体层35被分成第一层35a和第二层35b的情况下，屏蔽电荷膜67可被设置为替换第二层35b的一部分。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.43第四十三实四十三施例
图65是示出根据本实施方式的第四十三实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图65中所示，在第四十三实施例中，传输栅极11被包括栅电极91的传输栅极替换，结构类似于根据上面参考图64描述的第四十二实施例的截面结构。栅电极91可由例如与累积电极37等类似的透明导电材料制成，并且根据从垂直驱动电路102施加的驱动信号以接通/断开半导体布线60而在半导体布线60中形成势垒。
1.9.44第四十四实施例
图66是示出根据本实施方式的第四十四实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图66中所示，在第四十四实施例中，在与根据以上参考图63描述的第四十一实施例的截面结构相同的结构中，传输栅极11被布置在读出电极36与累积电极37之间并且在绝缘层53中的累积电极37的下表面下方，并且屏蔽电荷膜67被屏蔽电极57取代，类似于第四十二实施例。
1.9.45第四十五实施例
图67是示出根据本实施方式的第四十五实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图67中所示，在第四十五实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67设置在相邻像素10之间的边界部处并且在绝缘层53中的累积电极37的下表面下方(在读出电极36侧上)。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域与累积电极37的外周部分可以在垂直方向上彼此接触或者可以彼此分离。
1.9.46第四十六实施例
图68是示出根据本实施方式的第四十六实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图68中所示，在第四十六实施例中，在与根据以上参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67被布置在相邻像素10之间的边界部处并且在与累积电极37相同的表面上。此时，屏蔽电荷膜67和累积电极37可彼此接触或者可彼此分离。
1.9.47第四十七实施例
图69是示出根据本实施例的第四十七实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图69所示，在第四十七实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67设置在绝缘层53的其上设置有累积电极37的上表面的表面与半导体层35的下表面(除了半导体布线60之外)之间，该区域为相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.48第四十八实施例
图70是示出根据本实施方式的第四十八实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图70中所示，在第四十八实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67设置在半导体层35的下层部分中，即，半导体层35中与绝缘层53接触的区域，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，在半导体层35被分成第一层35a和第二层35b的情况下，屏蔽电荷膜67可布置在第一层35a的下层部分中。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.49第四十九实施例
图71是示出根据本实施方式的第四十九实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图71所示，在第四十九实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67被设置为代替位于相邻像素10之间的边界部分处的半导体层35。此时，在半导体层35被分成第一层35a和第二层35b的情况下，屏蔽电荷膜67可被设置为替换第一层35a的一部分。此外，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.50第五十实施例
图72是示出根据本实施方式的第五十实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图72所示，在第五十实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67被布置在光电转换膜34的下层部分中，即，光电转换膜34中与半导体层35接触的区域，该区域是相邻像素10之间的边界部分。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.9.51第五十一实施例
图73是示出根据本实施方式的第五十一实施例的像素的截面结构的垂直截面图。如图73所示，在第五十一实施例中，在与根据上面参考图65描述的第四十三实施例的截面结构相同的结构中，屏蔽电荷膜67被设置为代替在相邻像素10之间的边界部分处的该部分中的光电转换膜34。此时，屏蔽电荷膜67中的开口周围的区域可在垂直方向上与累积电极37的外周部分重叠。
1.10总结
如上所述，根据本实施例，使用传输栅极11来控制累积电极37与读出电极36之间的势垒。因此，能够抑制累积电极37附近的半导体层35中累积的电荷向读出电极36侧泄漏，因此能够提高量子效率。此外，使用屏蔽电极57或屏蔽电荷膜67控制相邻像素10之间的势垒。结果，因为抑制了在一定像素10的光电转换膜34中生成并且进入半导体层35的电荷流出(溢出)到相邻像素10，所以可以进一步提高像素10的量子效率。
2.截面结构的变形例
这里，将描述根据上述实施例的图像传感器100的截面结构的一些变形例。注意，在以下描述中没有特别限制的结构可以与上述截面结构相同。
2.1第一变形例
图74是示出了根据第一变形例的图像传感器的截面结构实施例的垂直截面图。图75是示出图74中的I-I截面的水平截面图。如图74和图75所示，图像传感器100例如是堆叠型成像元件，其中，相对于入射光布置在上游侧的RGB像素10和布置在下游侧的IR像素20堆叠。例如，在上游侧，包括选择性地透射红光(R)的滤色器31r的一个RGB像素10、包括选择性地透射绿光(G)的滤色器31g的两个RGB像素10以及包括选择性地透射蓝光(B)的滤色器31b的一个RGB像素10中的四个RGB像素10被布置为在拜耳阵列中形成2行x2列的单位阵列。在像素阵列部101中，该单位阵列是重复单元，并且在包括行方向和列方向的阵列中重复地布置。
在包括布置成2行x2列的四个RGB像素10的单位阵列中，选择性地透射绿光(G)的两个滤色器31g布置在对角线上，并且选择性地透射红光(R)和蓝光(B)的滤色器31r和31b逐个布置在正交的对角线上。设置有滤色器31r、31g和31b中的一个的每个RGB像素10的光电转换膜34对与每个滤色器31对应的色光进行光电转换以产生电荷。
在透射通过滤色器31的光中，可见光区域中的光(红光(R)，绿光(G)和蓝光(B))被设置有每个滤色器31的RGB像素10的光电转换膜34吸收，并且其他光，例如，红外光区域中的光(例如，700nm或更大和1000nm或更小)(IR光)透射通过光电转换膜34。透射通过光电转换膜34的IR光被布置在相对于每个RGB像素10的下游的IR像素20的光电转换部PD1检测。如上所述，根据第一变形例的图像传感器100可同时生成可见光图像和红外光图像两者。
2.2第二变形例
图76是示出了根据第二变形例的图像传感器的截面结构实施例的垂直截面图。图77是示出图76中的II-II截面的水平截面图。在上述第一变形例中，已经描述了选择性地透射红光(R)，绿光(G)和蓝光(B)的滤色器31设置在光电转换膜34的上方(光入射侧)的实施例，但是滤色器31可设置在光电转换部PD1和光电转换部PD2之间，例如如图76所示。
在第二变形例中，例如，滤色器31具有这样的配置，其中至少选择性地透射红光(R)的滤色器31r和至少选择性地透射蓝光(B)的滤色器31b彼此对角地布置。例如，相对于入射光位于上游侧的光电转换膜34被配置为选择性地吸收对应于绿光的波长。结果，可在分别布置在滤色器31r和31b下方的上游侧的光电转换部PD1和下游侧的光电转换部PD2中获取对应于RGB三原色的信号。在第二变形例中，由于RGB三原色的光电转换部PD1和PD2的光接收面积与具有普通拜耳阵列的成像元件相比可被扩大，因此可提高S/N比。
3.成像装置的配置实施例
图78是描述作为应用本公开的电子设备的成像装置的实施方式的配置实施例的框图。
图78中的成像装置2000是摄像机、数字静态相机等。成像装置2000包括透镜组2001、固态成像装置2002、DSP电路2003、帧存储器2004，显示部2005、存储部2006、操作单元2007和电源单元2008。DSP电路2003、帧存储器2004、显示部2005、存储部2006、操作单元2007以及电源单元2008经由总线2009相互连接。
透镜组2001捕获来自被摄体的入射光(图像光)，并在固态成像装置2002的成像表面上形成图像。固态成像装置2002可以是根据上述实施方式的图像传感器100。固态成像装置2002将通过透镜组2001在成像表面上成像的入射光的光量转换成以像素为单位的电信号，并且将电信号作为像素信号提供至DSP电路2003。
DSP电路2003对从固态成像装置2002提供的像素信号执行预定图像处理，以帧为单位将图像处理之后的图像信号提供至帧存储器2004，并临时存储图像信号。
显示部2005例如包括诸如液晶面板或有机电致发光(EL)面板的面板型显示装置，并且基于暂时存储在帧存储器2004中以帧单位的像素信号显示图像。
存储部2006包括数字通用盘(DVD)、闪速存储器等，并且以临时存储在帧存储器2004中以帧为单位来读取和记录像素信号。
操作单元2007在用户的操作下发出针对成像装置2000的各种功能的操作命令。电源单元2008将电力适当地提供给DSP电路2003、帧存储器2004、显示部2005、存储部2006以及操作单元2007。
应用本技术的电子设备可以是使用图像传感器作为图像捕获单元(光电转换部)的装置，并且除了成像装置2000以外，实施例包括具有成像功能的移动终端装置，使用图像传感器作为图像读取单元的复印机等。
4.移动体的应用例
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以通过安装在任何类型的移动体(诸如汽车、电动车辆、混合电动车辆、摩托车、自行车、个人移动物品、飞机、无人机、船舶和机器人)上的设备来实现。
图79是描述车辆控制系统的示意性配置的实施例的框图，作为可应用根据本公开的实施方式的技术的移动体控制系统的实施例。
车辆控制系统12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图79所示的实施例中，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以及综合控制单元12050。另外，作为综合控制单元12050的功能结构，例示了微型计算机12051、声音/图像输出部12052、车载网络接口(I/F)12053。
驱动系统控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动系统相关的装置的操作。例如，驱动系统控制单元12010用作用于产生车辆的驱动力的驱动力产生装置(诸如内燃机，驱动电机等)、用于将驱动力传递到车轮的驱动力传递机构、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动装置等的控制装置。
车身系统控制单元12020根据各种程序来控制设置在车身上的各种装置的操作。例如，车身系统控制单元12020用作用于无钥匙进入系统、智能钥匙系统、电动车窗装置或诸如前照灯、后备灯、制动灯、转向灯、雾灯等的各种灯的控制装置。在这种情况下，从作为钥匙的替代物的移动装置发送的无线电波或各种开关的信号可以被输入到车身系统控制单元12020。车身系统控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并且控制车辆的门锁装置、电动车窗装置、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于包含车辆控制系统12000的车辆外部的信息。例如，在车外信息检测单元12030上连接有成像部12031。车外信息检测单元12030使成像部12031拍摄车外的图像，并接收该拍摄图像。另外，车外信息检测单元12030也可以基于接收到的图像，进行检测诸如人、车辆、障碍物、标志、路面上的文字等对象的处理，或者检测其距离的处理等。
成像部12031是接收光并且输出对应于接收到的光的光量的电信号的光学传感器。成像部12031可以输出电信号作为图像，或者可以输出电信号作为关于测量距离的信息。此外，成像部12031接收的光可以是可见光，或者可以是诸如红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括拍摄驾驶员的照相机。基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，车内信息检测单元12040可以计算驾驶员的疲劳度或驾驶员的集中度，或者可以确定驾驶员是否打瞌睡。
微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆外部或内部的信息来计算驱动力产生装置，转向机构或制动装置的控制目标值，并且向驱动系统控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助系统(ADAS)的功能的协作控制，该功能包括用于车辆的防碰撞或减震，基于跟随距离的跟随驾驶、维持行驶的车辆速度、车辆碰撞的警告、车辆与车道的偏离的警告等。
另外，微型计算机12051通过基于由车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车外或车内信息的信息来控制驱动力产生装置、转向机构、制动装置等，可以执行用于自动驾驶的协作控制，这使得车辆不依赖于驾驶员的操作等而自动行驶。
另外，微型计算机12051可以基于由车外信息检测单元12030获得的关于车外的信息，将控制命令输出到车身系统控制单元12020。例如，微型计算机12051可以通过根据由车外信息检测单元12030检测的前方车辆或对面车辆的位置，控制前照灯以从远光改变到近光，来执行旨在防止眩光的协作控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到输出装置，该输出装置能够视觉地或听觉地将信息通知给车辆的乘员或车辆外部。在图79的实施例中，音频扬声器12061，、显示部12062和仪表板12063被示出为输出装置。例如，显示部12062可包括车载显示器和平视显示器中的至少一个。
图80是描述成像部12031的安装位置的实施例的示意图。
在图80中，成像部12031包括成像部12101、12102、12103、12104和12105。
成像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、侧视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部挡风玻璃的上部的位置上。设置在前鼻的成像部12101和设置在车辆内部内的挡风玻璃的上部的成像部12105主要获得车辆12100的前方的图像。设置到侧视镜的成像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置到后保险杠或后门的成像部12104主要获得车辆12100的后部的图像。设置在车辆内部内的挡风玻璃的上部的成像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志、车道等。
顺便提及，图80描述了成像部12101至12104的成像范围的实施例。成像范围12111表示设置到前鼻的成像部12101的成像范围。成像范围12112和12113分别表示设置到侧视镜的成像部12102和12103的成像范围。成像范围12114表示设置到后保险杠或后门的成像部12104的成像范围。例如，通过叠加由成像部12101至12104成像的图像数据来获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
成像部12101至12104中的至少一个可具有获得距离信息的功能。例如，成像部12101至12104中的至少一个可以是由多个成像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的成像元件。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息确定在成像范围12111至12114内到每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，由此，提取存在于车辆12100的行驶路径上在与车辆12100大致相同的方向以规定的速度(例如，等于或大于0km/小时)的最近三维物体作为前方车辆。另外，微型计算机12051可以预先设定与前方车辆要保持的跟随距离，并且执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随起动控制)等。由此，能够进行不依赖于驾驶员的操作等而使车辆自动行驶的自动驾驶用的协调控制。
例如，微型计算机12051可以基于从成像部12101至12104获得的距离信息将与三维物体有关的三维物体数据分类为二轮车、标准车辆、大型车辆、行人、电线杆和其他三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并且将所提取的三维物体数据用于自动躲避障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员可以视觉识别的障碍物和车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定指示与每个障碍物碰撞的风险的碰撞风险。在碰撞风险等于或高于设定值并且因此存在碰撞可能性的情况下，微型计算机12051经由音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并且经由驾驶系统控制单元12010执行强制减速或躲避转向。微型计算机12051可由此辅助驾驶以避免碰撞。
成像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051例如可以通过确定在成像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。行人的这种识别例如通过提取作为红外照相机的成像部12101至12104的成像图像中的特征点的过程以及通过对表示对象的轮廓的一系列特征点执行图案匹配处理来确定是否是行人的过程来执行。当微型计算机12051确定在成像部12101到12104的成像图像中存在行人并因此识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，使得用于强调的正方形轮廓线被显示为叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052还可控制显示部12062，使得在期望位置处显示表示行人的图标等。
上面已经描述了可以应用根据本公开的技术的车辆控制系统的实施例。例如，根据本公开的技术可应用于上述配置中的成像部12031等。图80中所示的成像部12101、12102、12103、12104、12105等可安装在车辆12100上。通过将根据本公开的技术应用于成像部12101、12102、12103、12104、12105等，可以改善成像部12031的灵敏度。因此，不仅能够在驾驶员等上显示更清晰的图像，而且能够提高使用由成像部12031获取的图像的各种处理的精度。
5.内窥镜手术系统的应用例
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以应用于内窥镜手术系统。
图81是描述可以应用根据本公开的实施方式的技术(本技术)的内窥镜手术系统的示意性配置的实施例的示图。
在图81中，示出了外科医生(医生)11131正在使用内窥镜手术系统11000在病床11133上对患者11132进行手术的状态。如图所示，内窥镜手术系统11000包括内窥镜11100、气腹管11111、能量处置工具11112等其他手术工具11110；支承内窥镜11100的支承臂装置11120；以及载置各种内窥镜手术用装置的手推车11200。
内窥镜11100包括透镜镜筒11101和连接到透镜镜筒11101的近端的摄像头11102，透镜镜筒11101具有从其远端开始预定长度的区域插入到患者11132的体腔中。在所描绘的实施例中，内窥镜11100被描绘为包括具有硬型的透镜镜筒11101的硬镜。然而，内窥镜11100可以另外被包括作为具有柔性的透镜镜筒11101的柔性镜。
透镜镜筒11101在其远端具有开口，物镜装配在该开口中。光源装置11203连接到内窥镜11100，使得由光源装置11203产生的光被在透镜镜筒11101的内部延伸的导光件引入透镜镜筒11101的前端，并且经由物镜朝向患者11132的体腔内的观察对象照射。另外，内窥镜11100既可以是直视镜，也可以是立体镜或侧视镜。
光学系统和图像拾取元件被设置在摄像头11102的内部，使得来自观察目标的反射光(观察光)通过光学系统会聚在图像拾取元件上。通过图像拾取元件对观察光进行光电转换，生成与观察光对应的电信号，即与观察图像对应的图像信号。图像信号作为RAW数据被传输至CCU 11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等，并且整体控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201从摄像头11102接收图像信号并且针对图像信号执行用于基于图像信号显示图像的各种图像处理，诸如，例如，显影处理(去马赛克处理)。
显示装置11202在CCU 11201的控制下基于图像信号在其上显示图像，其中，通过CCU 11201对该图像信号执行了图像处理。
光源装置11203例如诸如发光二极管(LED)等光源，将拍摄手术区域时的照射光供给到内窥镜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对内窥镜手术系统11000进行各种信息的输入或指示输入。例如，用户可以输入改变内窥镜11100的拍摄条件(照射光的种类，倍率，焦距等)的指示等。
处置工具控制装置11205控制能量处置工具11112的驱动以进行组织的烧灼、切开、血管的封闭等。为了确保内窥镜11100的视野，确保手术医生的作业空间，气腹装置11206通过气腹管11111向患者11132的体腔内供给气体而使体腔膨胀。记录器11207是能够记录与手术有关的各种信息的设备。打印机11208是能够以各种形式(诸如文本，图像或图形)打印与手术有关的各种信息的设备。
注意，将拍摄手术区域时用的照射光供给到内窥镜11100的光源装置11203也可以包含白色光源，该白色光源例如包括LED、激光光源或者它们的组合。在白色光源包括红色、绿色和蓝色(RGB)激光光源的组合的情况下，由于可以针对每种颜色(每种波长)以高精度控制输出强度和输出定时，所以可以由光源装置11203进行所拍摄图像的白平衡的调整。此外，在这种情况下，如果来自各个RGB激光光源的激光束分时地照射在观察目标上并且与照射定时同步地控制摄像头11102的图像拾取元件的驱动。然后，还可以分时地拍摄分别与R，G和B颜色相对应的图像。根据该方法，即使不对图像拾取元件设置滤色器，也能够得到彩色图像。
此外，可以控制光源装置11203，使得改变要输出的光的强度持续每个预定时间。通过与光强度改变的定时同步地控制摄像头11102的图像拾取元件的驱动以分时获取图像并且合成图像，可产生没有曝光不足遮挡阴影和曝光过度亮点的高动态范围的图像。
此外，光源装置11203可以被配置为提供准备进行特殊光观察的预定波长带的光。在特殊光观察中，通过利用生物体组织的光的吸收的波长依赖性来照射与通常观察时的照射光(即白色光)相比窄的频带的光，来进行以高对比度对粘膜的表层部的血管等预定的组织进行拍摄的窄频带光观察(窄频带光观察)。或者，在特殊光观察中，也可以进行从通过激励光的照射而产生的荧光得到图像的荧光观察。在荧光观察中，能够通过向生物体组织照射激励光来进行来自生物体组织的荧光的观察(自发荧光观察)，或者通过向生物体组织局部地注入吲哚菁绿(ICG)等试剂并对生物体组织照射与试剂的荧光波长对应的激励光来得到荧光图像。光源装置11203可以配置为提供如上所述的适合于特殊光观察的窄频带光和/或激励光。
图82是描绘图81中描绘的摄像头11102和CCU 11201的功能配置的实施例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、图像拾取单元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以及控制单元11413。摄像头11102和CCU11201通过传输线缆11400连接用于彼此通信。
透镜单元11401是光学系统，被设置在与透镜镜筒11101的连接位置处。从透镜镜筒11101的远端获取的观察光被引导至摄像头11102并被引入透镜单元11401中。透镜单元11401包括包含变焦透镜和聚焦透镜的多个透镜的组合。
图像拾取单元11402所包括的图像拾取元件的数量可为一个(单板型)或多个(多板型)。在图像拾取单元11402被配置为多板型的图像拾取单元的情况下，例如，通过图像拾取元件生成与各个R，G和B相对应的图像信号，并且图像信号可被合成以获得彩色图像。图像拾取单元11402还可被配置为具有一对图像拾取元件，用于获取准备用于三维(3D)显示的右眼和左眼的相应图像信号。在进行3D显示的情况下，外科医生11131能够更准确地掌握手术区域内的生物体组织的深度。应注意，在图像拾取单元11402被配置为立体型的图像拾取单元的情况下，与各个图像拾取元件对应地设置多个透镜单元11401系统。
此外，图像拾取单元11402不一定被设置在摄像头11102上。例如，图像拾取单元11402可在透镜镜筒11101的内部设置在物镜的紧后方。
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。结果，能够适当地调整由图像拾取单元11402拾取的图像的倍率和焦点。
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将从图像拾取单元11402获取的图像信号作为RAW数据传输至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，并且将控制信号供应至摄像头控制单元11405。控制信号包括与图像拾取条件有关的信息，诸如，指定拍摄的图像的帧速率的信息，指定图像拍摄时的曝光值的信息和/或指定拍摄的图像的倍率和焦点的信息。
应注意，诸如帧速率、曝光值、倍率或者焦点的图像拾取条件可以由用户指定或者可以基于所获取的图像信号通过CCU 11201的控制单元11413自动设置。在后者的情况下，自动曝光(AE)功能、自动聚焦(AF)功能和自动白平衡(AWB)功能结合在内窥镜11100中。
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发送和从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411通过传输线缆11400接收从摄像头11102传输至其的图像信号。
此外，通信单元11411向摄像头11102发送用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。图像信号和控制信号可以通过电通信、光通信等传输。
图像处理单元11412对从摄像头11102发送到其的RAW数据形式的图像信号执行各种图像处理。
控制单元11413执行与内窥镜11100的手术区域等的图像拍摄和通过拍摄手术区域等获得的拍摄图像的显示的各种控制。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，控制单元11413基于由图像处理单元11412执行了图像处理的图像信号控制显示装置11202显示拍摄了手术区域等的拍摄图像。于是，控制单元11413可使用各种图像识别技术来识别拍摄的图像中的各种对象。例如，控制单元11413通过检测拍摄图像中包含的对象的边缘的形状、颜色等，能够识别使用了能量处置工具11112时的钳子、特定的活体区域、出血、雾等手术器具。当控制单元11413控制显示装置11202显示所拍摄的图像时，控制单元11413可以使用识别结果使得以与手术区域的图像重叠的方式显示各种手术支持信息。在重叠显示手术支持信息并提示给外科医生11131的情况下，能够减轻外科医生11131的负担，外科医生11131能够可靠地进行手术。
将摄像头11102和CCU 11201彼此连接的传输线缆11400是准备用于电信号的通信的电信号线缆，准备用于光通信的光纤或准备用于电通信和光通信两者的复合线缆。
在此，虽然在所描绘的实施例中，通过使用传输线缆11400的有线通信执行通信，但是摄像头11102与CCU 11201之间的通信可以通过无线通信执行。
上面已经描述了可以应用根据本公开的技术的内窥镜手术系统的实施例。例如，根据本公开的技术可应用于上述配置之中的内窥镜11100和摄像头11102的(图像拾取单元11402)、CCU 11201的(图像处理单元11412)等。通过将根据本公开的技术应用于这些配置，可以获得可以向操作者显示更清晰的图像的效果。
应注意，在本文中，内窥镜手术系统已被描述为实施例，但根据本公开的技术可应用于例如显微镜手术系统等。
虽然上面已经描述了本公开的实施方式，但是本公开的技术范围不限于其本身的上述实施方式，并且在不背离本公开的主旨的情况下可以做出各种修改。另外，可以适当地组合不同的实施例和变形例的部件。
此外，本说明书中描述的实施方式的效果仅是实施例并且不受限制，并且可以提供其他效果。
应注意，本技术还可具有以下配置。
(1)一种固态成像装置，包括：
多个像素，布置成矩阵，其中
每个所述像素包括：
第一半导体层，
光电转换部，布置在第一半导体层的第一表面侧，
累积电极，布置为靠近所述第一半导体层的与所述第一表面相对的一侧的第二表面的一侧，
布线，从所述第一半导体层的第二表面延伸，
浮动扩散区，经由所述布线连接至所述第一半导体层，以及
第一栅极，其在从所述第一半导体层经由所述布线到所述浮动扩散区的电荷流动路径中形成势垒。
(2)根据(1)所述的固态成像装置，其中
所述第一栅极是固定电荷膜，所述固定电荷膜具有与通过所述光电转换部的光电转换产生的电荷的极性相同的极性。
(3)根据(1)或(2)所述的固态成像装置，其中
所述第一栅极设置在与所述累积电极相同的平面上。
(4)根据(1)或(2)所述的固态成像装置，其中
所述第一栅极被布置在与所述浮动扩散区相对的一侧上，所述累积电极夹在所述第一栅极和与所述浮动扩散区相对的一侧之间。
(5)根据(1)或(2)所述的固态成像装置，其中
所述第一栅极被布置为隔着所述累积电极在与所述第一半导体层相对的一侧上。
(6)根据(4)或(5)所述的固态成像装置，其中
所述第一栅极的一部分在垂直于所述第一半导体层的主平面的方向上与所述累积电极重叠。
(7)根据(1)至(6)中任一项所述的固态成像装置，其中
每个像素进一步包括屏蔽层，所述屏蔽层设置在与相邻像素的边界处并且形成抑制电荷从每个像素流出至相邻像素的势垒。
(8)根据(7)所述的固态成像装置，其中
所述屏蔽层是固定电荷膜，所述固定电荷膜具有与通过所述光电转换部的光电转换产生的电荷的极性相同的极性。
(9)根据(7)或(8)所述的固态成像装置，其中
所述屏蔽层被布置在与所述累积电极相同的平面上。
(10)根据(7)或(8)所述的固态成像装置，其中
所述屏蔽层被布置在与所述浮动扩散区相对的一侧上，所述累积电极夹在所述屏蔽层和与所述浮动扩散区相对的一侧之间。
(11)根据(7)或(8)所述的固态成像装置，其中
所述屏蔽层被布置为隔着所述累积电极在与所述第一半导体层相对的一侧上。
(12)根据(10)或(11)所述的固态成像装置，其中
所述屏蔽层的一部分在垂直于第一半导体层的主平面的方向上与累积电极重叠。
(13)根据(1)至(12)中任一项所述的固态成像装置，其中每个所述像素还包括：
第二栅极，在比所述第一栅极更靠近所述浮动扩散区的位置处布置为靠近所述布线，以及
存储电极，被设置成在所述第一栅极与所述第二栅极之间的位置处靠近所述布线。
(14)根据(13)所述的固态成像装置，其中
每个所述像素还包括位于所述第一半导体层与所述浮动扩散区之间的第二半导体层，
所述布线包括：
第一布线，从所述第一半导体层延伸并且连接到所述第二半导体层，以及
第二布线，从所述第二半导体层延伸并且连接至所述浮动扩散区，
所述第一栅极被设置为靠近所述第一布线，
所述存储电极被设置为靠近所述第二半导体层，以及
所述第二栅极设置成靠近所述第二布线。
(15)根据(1)至(14)中任一项所述的固态成像装置，其中
所述布线的截面为圆形或多边形。
(16)根据(1)至(15)中任一项所述的固态成像装置，其中
所述布线具有直径从所述第一半导体层到所述浮动扩散区减小的锥形形状。
(17)根据(1)至(16)中任一项所述的固态成像装置，其中所述多个像素中的相邻像素连接至共用的浮动扩散区。
(18)根据(1)至(17)中任一项所述的固态成像装置，其中所述光电转换部是有机膜。
(19)根据(1)至(18)中任一项所述的固态成像装置，其中所述第一半导体层包括：
与所述光电转换部接触的第一层，以及
第二层，隔着所述第一层位于所述光电转换部的相对侧。
(20)一种电子设备，包括：
根据(1)至(19)中任一项所述的固态成像装置；
透镜，在所述固态成像装置上形成入射光的图像；以及
处理电路，对从所述固态成像装置输出的信号执行预定处理。
参考标号列表
1 电子设备
10、10-1至10-N、10A、10a、10b RGB像素
11、15 传输栅极
12、22 复位晶体管
13、23 放大晶体管
14、24 选择晶体管
16 存储电极 20IR像素 21 传输晶体管 25 放电晶体管
31、31r、31g、31b 滤色器
32 密封膜 33 透明电极 34 光电转换膜 35 半导体层
35A 第一半导体层
35B 第二半导体层
35a 第一层 35b 第二层
36 读出电极 37 累积电极
41 IR滤色器
42 p阱区域
43 p型半导体区域
44 n型半导体区域
45 纵向晶体管 51片上透镜 52平坦化膜 53绝缘层
54 像素隔离部
55 固定电荷膜
56 层间绝缘膜
57、57B 屏蔽电极
58，59 电荷
60 半导体布线
61至66、72、73 布线
67 屏蔽电荷膜
81、83、84 固定电荷膜
81a 开口
82 绝缘膜
91 栅电极
100 图像传感器
101 像素阵列部
102 垂直驱动电路
103 信号处理电路
103a AD转换电路
104 水平驱动电路
105 系统控制电路
108 数据处理单元
109 数据存储部
110、110A 单位像素
121 光接收芯片
122 电路芯片
901 被摄体
1010 激光光源
1011 光源驱动单元
1012 VCSEL
1021 传感器控制单元
1022 光接收单元
1030 照射透镜
1040 成像透镜
1050 系统控制单元
1100 应用处理器
LD 像素驱动线
MEM 存储器
PD1、PD2 光电转换部
VSL、VSL1、VSL2 垂直信号线

Claims (20)

1.一种固态成像装置，包括：
多个像素，布置成矩阵，其中
每个所述像素包括：
第一半导体层，
光电转换部，布置在所述第一半导体层上的第一表面的一侧，累积电极，布置为靠近所述第一半导体层的第二表面的一侧，所述第二表面与所述第一表面相对，
布线，从所述第一半导体层的所述第二表面延伸，
浮动扩散区，经由所述布线连接至所述第一半导体层，以及第一栅极，在从所述第一半导体层经由所述布线到所述浮动扩散区的电荷流动路径中形成势垒。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一栅极是固定电荷膜，所述固定电荷膜具有与通过所述光电转换部的光电转换产生的电荷的极性相同的极性。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一栅极设置在与所述累积电极相同的平面上。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一栅极被布置为隔着所述累积电极在与所述浮动扩散区相对的一侧上。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一栅极被布置为隔着所述累积电极在与所述第一半导体层相对的一侧上。
6.根据权利要求4所述的固态成像装置，其中，
所述第一栅极的一部分在垂直于所述第一半导体层的主平面的方向上与所述累积电极重叠。
7.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
每个所述像素进一步包括屏蔽层，所述屏蔽层设置在与相邻像素的边界处并且形成抑制电荷从每个像素流出至相邻像素的势垒。
8.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，
所述屏蔽层是固定电荷膜，所述固定电荷膜具有与通过所述光电转换部的光电转换产生的电荷的极性相同的极性。
9.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，
所述屏蔽层被布置在与所述累积电极相同的平面上。
10.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，
所述屏蔽层被布置为隔着所述累积电极在与所述浮动扩散区相对的一侧上。
11.根据权利要求7所述的固态成像装置，其中，
所述屏蔽层被布置为隔着所述累积电极的与所述第一半导体层相对的一侧上。
12.根据权利要求10所述的固态成像装置，其中，
所述屏蔽层的一部分在垂直于所述第一半导体层的主平面的方向上与所述累积电极重叠。
13.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
每个所述像素还包括：
第二栅极，在比所述第一栅极更靠近所述浮动扩散区的位置处布置为靠近所述布线，以及
存储电极，在所述第一栅极与所述第二栅极之间的位置处布置为靠近所述布线。
14.根据权利要求13所述的固态成像装置，其中，
每个所述像素还包括位于所述第一半导体层与所述浮动扩散区之间的第二半导体层，
所述布线包括：
第一布线，从所述第一半导体层延伸并且连接到所述第二半导体层，以及
第二布线，从所述第二半导体层延伸并且连接至所述浮动扩散区，
所述第一栅极被设置为靠近所述第一布线，
所述存储电极被设置为靠近所述第二半导体层，以及
所述第二栅极设置成靠近所述第二布线。
15.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述布线的截面为圆形或多边形。
16.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述布线具有直径从所述第一半导体层到所述浮动扩散区逐渐减小的锥形形状。
17.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述多个像素中的相邻像素连接至共用的浮动扩散区。
18.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述光电转换部是有机膜。
19.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，
所述第一半导体层包括：
与所述光电转换部接触的第一层，以及
第二层，隔着所述第一层位于所述光电转换部的相对侧。
20.一种电子设备，包括：
根据权利要求1所述的固态成像装置；
透镜，在所述固态成像装置上形成入射光的图像；以及
处理电路，对从所述固态成像装置输出的信号执行预定处理。
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