CN116762172A - 摄像装置 - Google Patents

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CN116762172A CN202180087265.8A CN202180087265A CN116762172A CN 116762172 A CN116762172 A CN 116762172A CN 202180087265 A CN202180087265 A CN 202180087265A CN 116762172 A CN116762172 A CN 116762172A
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voltage
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平濑顺司
山田隆善
西村佳寿子
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

摄像装置具备：光电转换部，通过光电转换而生成电荷；电荷积蓄部，积蓄所述电荷；以及金属‑氧化物‑半导体电容，包括第1端子、第2端子、栅极、氧化物层以及至少1个半导体区域。在曝光中，所述第1端子与所述电荷积蓄部电连接，所述栅极与所述第1端子电连接，所述至少1个半导体区域与所述第2端子电连接，所述氧化物层位于所述栅极与所述至少1个半导体区域之间。

Description

摄像装置
技术领域
本公开涉及摄像装置。
背景技术
在数字相机等中使用图像传感器。作为图像传感器，可以举出CCD(电荷耦合器件(Charge Coupled Device))图像传感器及CMOS(互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor))图像传感器等。
在一例所涉及的图像传感器中，在半导体基板设置有光电二极管。
在其他例所涉及的图像传感器中，在半导体基板的上方设置有光电转换层。具有这样的构造的摄像装置有时被称为层叠型的摄像装置。在专利文献1及专利文献2中记载了层叠型的摄像装置。
在一个具体例所涉及的层叠型的摄像装置中，通过光电转换，产生信号电荷。产生的电荷被积蓄于电荷积蓄部。与电荷积蓄部中积蓄的电荷量相应的信号经由形成于半导体基板的CCD电路或者CMOS电路而被读出。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-171439号公报
专利文献2：日本特开2018-117347号公报
发明内容
本发明所要解决的课题
本公开提供适于确保中间照度下的信号噪音(S/N)比并且实现宽动态范围的技术。
用于解决课题的手段
本公开提供一种摄像装置，具备：
光电转换部，通过光电转换而生成电荷；
电荷积蓄部，积蓄所述电荷；以及
金属-氧化物-半导体电容，包括第1端子、第2端子、栅极、氧化物层以及至少1个半导体区域，
在曝光中，所述第1端子与所述电荷积蓄部电连接，
所述栅极与所述第1端子电连接，
所述至少1个半导体区域与所述第2端子电连接，
所述氧化物层位于所述栅极与所述至少1个半导体区域之间。
发明效果
本公开所涉及的技术适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置的电路结构的示意图。
图2是第1实施方式所涉及的像素的电路图。
图3是第1实施方式所涉及的光电转换部的构成图。
图4是表示第1实施方式所涉及的MOS电容的电容值相对于端子间电压的关系的曲线图。
图5是表示S/N比相对于照度的关系的曲线图。
图6是表示第2实施方式所涉及的MOS电容的电容值相对于端子间电压的关系的曲线图。
图7是第3实施方式所涉及的像素的电路图。
具体实施方式
(本公开所涉及的一个方式的概要)
本公开的第1方式所涉及的摄像装置具备：
光电转换部，通过光电转换而生成电荷；
电荷积蓄部，积蓄所述电荷；以及
金属-氧化物-半导体电容，包括第1端子、第2端子、栅极、氧化物层以及至少1个半导体区域。在曝光中，所述第1端子与所述电荷积蓄部电连接，
所述栅极与所述第1端子电连接，
所述至少1个半导体区域与所述第2端子电连接，
所述氧化物层位于所述栅极与所述至少1个半导体区域之间。
第1方式所涉及的技术适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。
在本公开的第2方式中，例如，在第1方式所涉及的摄像装置中，
所述MOS电容的电容值也可以与所述电荷积蓄部的电位相应地连续变化。
第2方式所涉及的技术适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。
在本公开的第3方式中，例如，在第1或者第2方式所涉及的摄像装置中，
作为所述MOS电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性，也可以具有拐点，
如果所述电荷积蓄部的电位连续地变化，则所述端子间电压及所述电容值也可以跨所述拐点而连续地变化。
根据第3方式，易于与电荷积蓄部的电位的变化相应地使MOS电容的电容值大为变化。
在本公开的第4方式中，例如，第3方式所涉及的摄像装置也可以还具备：设定器，将所述电荷积蓄部的电位变化的范围，设定为从第1电位到第2电位的范围，
所述C-V特性也可以包括具有所述拐点的第1带域，
如果所述电荷积蓄部的电位从所述第1电位变化到所述第2电位，则所述端子间电压及所述电容值也可以从所述第1带域的一端处的所述端子间电压及所述电容值，变化到所述第1带域的另一端处的所述端子间电压及所述电容值。
第4方式是摄像装置的一个构成例。
在本公开的第5方式中，例如，在第1至第4方式中任1个所涉及的摄像装置中，
所述第2端子也可以被施加第1直流电位，以使所述MOS电容的电容值与作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压相应地连续变化。
根据第5方式，能够使摄像装置的构造简单。
在本公开的第6方式中，例如，在第1至第5方式中任1个所涉及的摄像装置中，
作为所述MOS电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性，也可以包括第1带域及第2带域，
所述第2带域中的所述电容值比所述第1带域中的所述电容值小，
所述第2带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值，也可以比所述第1带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值小，
所述摄像装置的摄影模式也可以包括第1模式及第2模式，
在所述第1模式下，所述第2端子也可以被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第1带域内变化，
在所述第2模式下，所述第2端子也可以被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第2带域内变化。
在第6方式的第2模式下，易于抑制从噪声的偏差及信号的偏差中选择的至少1个。
所述电荷也可以是正电荷，所述第2模式下的所述第2端子的电位也可以比所述第1模式下的所述第2端子的电位高。另外，所述电荷也可以是负电荷，所述第2模式下的所述第2端子的电位也可以比所述第1模式下的所述第2端子的电位低。
在本公开的第7方式中，例如，在第1至第6方式中任1个所涉及的摄像装置中，
作为所述MOS电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性，也可以具备第1带域及第3带域，
所述第3带域中的所述电容值比所述第1带域中的所述电容值大，
所述第3带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值，也可以比所述第1带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值小，
所述摄像装置的摄影模式也可以包括第1模式及第3模式，
在所述第1模式下，所述第2端子也可以被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第1带域内变化，
在所述第3模式下，所述第2端子也可以被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第3带域内变化。
在第7方式的第3模式下，易于抑制从噪声的偏差及信号的偏差中选择的至少1个。
所述电荷也可以是正电荷，所述第3模式下的所述第2端子的电位也可以比所述第1模式下的所述第2端子的电位低。另外，所述电荷也可以是负电荷，所述第3模式下的所述第2端子的电位也可以比所述第1模式下的所述第2端子的电位高。
在本公开的第8方式中，例如，第1至第7方式中任1个所涉及的摄像装置也可以还具备：
放大晶体管，输出与所述电荷积蓄部的电位相应的输出信号，
所述摄像装置也可以与所述输出信号相应地切换向所述第2端子施加的电位。
根据第8方式，能够切换摄影模式。
在本公开的第9方式中，例如，第1至第8方式中任1个所涉及的摄像装置也可以还具备：电压源，向所述第2端子施加电位。
第9方式是摄像装置的一个构成例。
在本公开的第10方式中，例如，第1至第9方式中任1个所涉及的摄像装置也可以还具备：半导体基板，包括所述至少1个半导体区域，
所述光电转换部也可以位于与所述半导体基板相离的位置。
根据第10方式的构成，与光电转换部是被设置于半导体基板的光电二极管的构成相比，光电转换部不容易对MOS电容的电容值造成影响。
本公开的第11方式所涉及的摄像装置具备：
电荷积蓄部，积蓄通过光电转换而生成的电荷；以及
晶体管，具有相互电连接的源极区域及漏极区域。所述晶体管作为MOS电容发挥功能，该MOS电容包括在曝光中与所述电荷积蓄部电连接的第1端子。
第11方式所涉及的技术适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。
本公开的第12方式所涉及的摄像装置具备：
电荷积蓄部，积蓄通过光电转换而生成的电荷；以及
金属-氧化物-半导体电容，包括在曝光中与所述电荷积蓄部电连接的第1端子、氧化物层以及源极/漏极区域。
在实施方式中，“上”、“下”等用语不过是为了指定部件间的相互的配置而使用，其意图不在于限定摄像装置被使用时的姿态。
在实施方式中，可以适宜地进行杂质区域的导电型的变更等、伴随着信号电荷的正负变化的各要素的调整。另外，可以适宜地替换伴随着信号电荷的正负变化的用语。
在以下的实施方式中，可以使用“电荷积蓄部与要素X电连接”这样的表现。具体而言，在以下的实施方式中，即使在电荷积蓄部由要素X的一部分或者全部构成的情况下，也可以使用上述的表现。因此，上述的表现应该解释为包含电荷积蓄部由要素X的一部分或者全部构成的情况。另外，在以下的实施方式中，可以如“具有/具备电荷积蓄部和要素X”这样列出电荷积蓄部和其他要素。具体而言，在以下的实施方式中，即使在电荷积蓄部由要素X的一部分或者全部构成的情况下，也能够如上列出。在如上列出的状况下，应该允许电荷积蓄部由要素X的一部分或者全部构成。例如，在以下的实施方式中，溢出晶体管的源极及漏极中的一方可以构成电荷积蓄部。复位晶体管的源极及漏极中的一方可以构成电荷积蓄部。光电转换部可以构成电荷积蓄部。
在以下的实施方式中，可以使用“具有/具备MOS电容和特定晶体管”这样的表现。该表现应该解释为包含MOS电容通过使用特定晶体管而构成的情况。也就是说，该表现应该解释为包含MOS电容与特定晶体管在部分或者整体上重复的情况。
在实施方式中，有时使用第1、第2、第3……这样的序数词。在对某要素附加序数词的情况下，不必须存在顺序更小的同种的要素。例如，使用用语“第3模式”，并不意味着必须与第3模式一起存在第2模式。另外，能够根据需要变更序数词的编号，或者删除序数词，或者附加序数词。
概括或者具体的方式也可以由元件、设备、模组、系统或者方法实现。另外，概括或者具体的方式也可以通过元件、设备、模组、系统及方法的任意组合来实现。
被公开的实施方式的追加的效果及优点根据说明书及附图而明确。效果以及/或者优点由说明书及附图所公开的各种实施方式或者特征分别提供，为了得到其1个以上而不需要其全部。
以下，参照附图详细说明本公开的实施方式。此外，以下说明的实施方式均表示概括性或者具体性的例子。以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接方式、步骤、步骤的顺序等是一例，其主旨不在于对本公开进行限定。本说明书中说明的各种方式只要不产生矛盾则能够相互组合。另外，在以下的实施方式中的构成要素之中，关于在表示最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。在以下的说明中，具有实质上相同的功能的构成要素由共通的参照标记表示，有时省略说明。
(第1实施方式)
图1是表示第1实施方式所涉及的摄像装置1的电路结构的示意图。
在本实施方式中，摄像装置1是层叠型的固体摄像装置。摄像装置1具备多个像素14、驱动电路部、光电转换控制线16、多个垂直信号线17、多个电源布线62、电源布线21、电压线75及多个反馈线23。
多个像素14在半导体基板9以2维排列。具体而言，多个像素14在行方向及列方向上排列。多个像素14构成感光区域。感光区域也被称为像素区域。摄像装置1也可以是线传感器。在该情况下，多个像素14可以以1维排列。
驱动电路部顺次驱动多个像素14，读出通过光电转换而得到的信号。驱动电路部包括垂直扫描部15、水平信号读出部20、多个列信号处理部19、多个负载部18及多个差分放大器22。垂直扫描部15也被称为行扫描电路。水平信号读出部20也被称为列扫描电路。列信号处理部19也被称为行信号积蓄部。差分放大器22也被称为反馈放大器。
各像素14具有光电转换部10、放大晶体管11、复位晶体管12、地址晶体管13、溢出晶体管60及MOS(金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor))电容70。地址晶体管13也被称为行选择晶体管。溢出晶体管60也被称为防烧屏(烧灼)用晶体管。
在本实施方式中，晶体管11、12、13及60是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor))。具体而言，在本实施方式中，晶体管11、12、13及60是N型MOSFET。但是，晶体管11、12、13及60也可以是P型MOSFET。晶体管11、12、13及60也可以是双极型晶体管等与MOSFET不同种类的晶体管。这些对于第3实施方式中的带域控制晶体管56也是同样的。
电源布线21是源极跟随器电源用的布线。电源布线21向各像素14供给规定的电源电压。
按像素14的每行设置有信号线。各行的像素14经由对应的信号线与垂直扫描部15电连接。
按像素14的每列设置有垂直信号线17。各列的像素14与对应的垂直信号线17电连接。
按每条垂直信号线17设置有负载部18。各负载部18与对应的垂直信号线17电连接。负载部18与放大晶体管11协同动作而形成源极跟随器电路。
按每条垂直信号线17设置有列信号处理部19。各列信号处理部19与对应的垂直信号线17电连接。这些列信号处理部19与水平信号读出部20电连接。这些列信号处理部19在水平方向即行方向上排列。
按每条垂直信号线17设置有差分放大器22。差分放大器22的负侧的输入端子与对应的垂直信号线17电连接。差分放大器22的正侧的输入端子被施加规定的电位。差分放大器22的输出端子经由与各列对应的反馈线23与像素14电连接。
图2是第1实施方式所涉及的像素14的电路图。
光电转换部10与复位晶体管12的源极及漏极中的一方、溢出晶体管60的源极及漏极中的一方、MOS(金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor))电容70的第1端子Cv、以及放大晶体管11的栅极电极电连接。放大晶体管11的源极及漏极中的一方与电源布线21电连接。放大晶体管11的源极及漏极中的另一方与地址晶体管13的源极及漏极中的一方电连接。地址晶体管13的源极及漏极中的另一方与垂直信号线17电连接。复位晶体管12的源极及漏极中的另一方与反馈线23电连接。
光电转换部10将光转换为电荷。这样，光电转换部10生成与入射光的照度相应的电荷。像这样通过光电转换部10中的光电转换而生成的电荷被称为信号电荷。
在本实施方式中，信号电荷是正电荷。但是，信号电荷也可以是负电荷。
图3是第1实施方式所涉及的光电转换部10的构成图。光电转换部10被设置在半导体基板9的上方。光电转换部10具有光电转换层10a、像素电极10b及对置电极10c。光电转换层10a被配置在像素电极10b与对置电极10c之间。光电转换层10a通过光电转换而生成电荷。像素电极10b收集该电荷。
通过光电转换而生成的电荷被积蓄于电荷积蓄部24。具体而言，在光电转换部10中生成的电荷被积蓄于电荷积蓄部24。电荷积蓄部24的电位与电荷积蓄部24中积蓄的电荷的量相应地变化。在本实施方式中，电荷积蓄部24是设置于半导体基板9的扩散区域。
在本实施方式中，多个像素14中的对置电极10c构成连在一起的电极。另外，多个像素14中的光电转换层10a构成连在一起的膜。
MOS电容70具有第1端子Cv及第2端子TT。第1端子Cv与电荷积蓄部24电连接。通过MOS电容70及电荷积蓄部24被电连接，能够按每个像素无干扰地由MOS电容70及电荷积蓄部24顺利地分担电荷的积蓄。具体而言，第1端子Cv及电荷积蓄部24不经由开关元件等开关而被相互连接。
MOS电容70是可变电容。具体而言，MOS电容70的电容值与第1端子Cv和第2端子TT之间的电位差相应地变化。
摄像装置1具备电压源77。电压源77向第2端子TT施加电位。具体而言，电压源77经由电压线75向第2端子TT施加电位。电压源77可以被包括在驱动电路部中。
在曝光中，光电转换部10、电荷积蓄部24及第1端子Cv被电连接。在该构成中，在它们之间不需要配置晶体管。这在抑制每个像素14的输出特性的偏差的观点上是有利的。此外，在光电转换部10具有光电转换层10a、像素电极10b及对置电极10c的情况下，“曝光”可以通过向对置电极10c施加电压来实现。
MOS电容70被设置于半导体基板9。光电转换部10位于与半导体基板9相离的位置。根据该构成，与光电转换部10是被设置于半导体基板9的光电二极管的构成相比，光电转换部10不容易对MOS电容70的电容值造成影响。
放大晶体管11输出与电荷积蓄部24的电位相应的输出信号。输出信号具体而言是信号电压。
地址晶体管13选择性地输出来自放大晶体管11的输出信号。这样，输出信号从放大晶体管11经由地址晶体管13而从垂直信号线17被读出。
复位晶体管12将电荷积蓄部24的电位复位。复位晶体管12也可以说成是将电荷积蓄部24中积蓄的信号电荷复位。
溢出晶体管60在电荷积蓄部24的电位达到了阈值电位时成为导通(turn on、变为导通)。通过溢出晶体管60变为导通，电荷积蓄部24中积蓄的过多的电荷经由溢出晶体管60向电源布线62排出。由此，能够防止烧屏(烧灼)等故障。阈值电位例如是电源电位VDD。
根据以上的说明能够理解，在本实施方式中，构成有设定器65。设定器65将电荷积蓄部24的电位变化的范围，设定为从第1电位到第2电位的范围。
设定器65可以包括复位晶体管12。在该情况下，复位晶体管12可以将电荷积蓄部24的电位复位为第1电位。
设定器65可以包括溢出晶体管60。在该情况下，溢出晶体管60在电荷积蓄部24的电位达到了第2电位时，可以将电荷积蓄部24中积蓄的电荷排出。
设定器65可以包括光电转换部10。在该情况下，对置电极10c可以被施加第2电位。
第1电位与第2电位之差作为一例是0V以上且6V以下，在一个具体例中是0.5V以上且4V以下。典型地，第1电位的绝对值比第2电位的绝对值小。在信号电荷是正电荷的情况下，第2电位可以是比第1电位高的电位。在该情况下，例如，第1电位是0V以上且1V以下，第2电位是3V以上且6V以下。在信号电荷是负电荷的情况下，可以省略溢出晶体管60。
在本实施方式中，电荷积蓄部24是复位晶体管12的源极及漏极中的一方。另外，电荷积蓄部24是溢出晶体管60的源极及漏极中的一方。也就是说，电荷积蓄部24兼具积蓄信号电荷的功能、作为复位晶体管12的源极及漏极中的一方的功能、以及作为溢出晶体管60的源极及漏极中的一方的功能。
以下，说明摄像装置1的动作。
垂直扫描部15将行选择信号向地址晶体管13的栅极电极施加。行选择信号对地址晶体管13的导通及关断进行控制。通过行选择信号，在垂直方向即列方向上对读出对象的行进行扫描，选择读出对象的行。从被选择的行的像素14向垂直信号线17读出输出信号。
垂直扫描部15向复位晶体管12的栅极电极施加复位信号。复位信号对复位晶体管12的导通及关断进行控制。通过复位信号，选择成为复位动作的对象的像素14的行。
光电转换控制线16与全部像素14电连接。通过光电转换控制线16，向摄像装置1内的全部光电转换部10施加相同的恒压。如上所述，在本实施方式中，多个像素中的对置电极10c构成连在一起的电极。通过光电转换控制线16，向该连在一起的电极施加恒压。在本实施方式中，该恒压是正的恒压。
如上所述，垂直信号线17与对应的列的像素14内的地址晶体管13的源极及漏极中的另一方电连接。垂直信号线17在列方向即垂直方向上传递从像素14被读出的输出信号。
列信号处理部19进行噪音抑制信号处理及模拟-数字转换(AD转换)等。噪音抑制信号处理例如是相关双采样。
水平信号读出部20从多个列信号处理部19向未图示的水平共通信号线顺次读出信号。
此外，电源布线21在感光区域中的像素14的垂直方向上布线。垂直方向是图1的纸面上的垂直方向。在垂直方向上布线的理由如下。即，像素14按每行被选择。因此，假如将电源布线21在行方向上布线，则一行的像素驱动电流全部在1根布线中流动，电压下降变大。通过在垂直方向上布线，能够避免这样的事态。通过电源布线21，向全部像素14的放大晶体管11施加共通的源极跟随器电源电压。
在地址晶体管13和复位晶体管12处于导通状态时，差分放大器22的负侧的输入端子被供给地址晶体管13的输出信号。差分放大器22进行反馈动作，以使放大晶体管11的栅极电位成为规定的反馈电压。反馈电压是差分放大器22的输出电压。在本实施方式中，差分放大器22的输出电压是正的电压。
在摄像装置1中，由垂直扫描部15选择的1行的像素14被选择。在被选择的像素14内的光电转换部10中通过光电转换而得到的信号电荷，被放大晶体管11放大。与信号电荷对应的输出信号从放大晶体管11经由地址晶体管13向垂直信号线17输出。其后，输出信号经由列信号处理部19向水平信号读出部20输入，由水平信号读出部20选择并输出。
通过使复位晶体管12成为导通状态，将像素14内的信号电荷排出。此时，从复位晶体管12产生被称为kTC噪音的热噪音。在使复位晶体管12成为关断状态并开始电荷积蓄部24中的信号电荷的积蓄时，该热噪音也残留。
如下抑制该热噪音。即，垂直信号线17与差分放大器22的负侧的输入端子电连接。垂直信号线17的电压即向负侧的输入端子的输入电压由差分放大器22反相放大。反相放大后的电压经由反馈线23被反馈至复位晶体管12的源极及漏极中的另一方。由此，能够通过负反馈控制来抑制在复位晶体管12中产生的热噪音。具体而言，热噪音的交流成分可以被反馈至复位晶体管12的源极及漏极中的另一方。在本实施方式中，直流成分如上所述是0V以上且1V以下。
以下说明MOS电容70。图4是表示第1实施方式所涉及的MOS电容70的电容值相对于端子间电压的关系的曲线图。
在图4中，横轴是MOS电容70的端子间电压。端子间电压详细而言，是第1端子Cv的电位与第2端子TT的电位之差。横轴的单位是伏特(V)。纵轴是MOS电容70的电容值。纵轴的单位是任意单位(a.u)。这些在后述的图6中也是同样的。
以下，有时将MOS电容70的端子间电压称为Cv-TT间电压。有时将MOS电容70的电容值称为电容值C。有时将电容值C相对于Cv-TT间电压的关系称为C-V特性。根据图4能够理解，电容值C可以依赖于Cv-TT间电压而变化。在本实施方式中，通过这样的C-V特性，MOS电容70成为可变电容。
在本实施方式中，电容值C与Cv-TT间电压相应地连续变化。具体而言，如果Cv-TT间电压连续地变化，则电容值C连续地变化。这些特征适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。在该上下文中，中间照度意味着，比摄像装置1呈现灵敏度的最低照度大而且比摄像装置1呈现灵敏度的最高照度低的照度。以下，说明能够得到这样的优点的理由。
图5是表示S/N比相对于照度的关系的曲线图。在图5中，横轴是照度。横轴的单位是勒克斯(lux)。纵轴是S/N比。实线表示本实施方式的摄像装置1所涉及的S/N比相对于照度的关系。虚线表示以往的1像素2单元方式的摄像装置所涉及的S/N比相对于照度的关系。1像素2单元方式的摄像装置例如是专利文献2中记载的装置。
在1像素2单元方式中，在1个像素内构成有第1摄像单元及第2摄像单元。第1摄像单元是在照度低时被利用的单元，高灵敏度而且低饱和。第2摄像单元是在照度高时被利用的单元，低灵敏度而且高饱和。在1像素2单元方式中，使用第1摄像单元及第2摄像单元实现宽动态范围。其中，在1像素2单元方式中，存在中间照度下S/N比低而画质易于劣化的问题。具体地，在1像素2单元方式中，基于来源于在照度低时被使用的第1摄像单元的信号的数据，与基于来源于在照度高时被使用的第2摄像单元的信号的数据，在相当于中间照度的照度下通过软件被连结。在形成有该连结部的中间照度下，与来源于第1摄像单元的信号相关的S/N比高，而与来源于第2摄像单元的信号相关的S/N比低。根据图5也能够理解，在中间照度下S/N比急剧降低。
相对于此，在本实施方式中，能够使电容值C相对于照度增加而连续地增加。这能够实现中间照度下S/N比不会急剧降低的“无缝的”S/N比，并且实现宽动态范围。
从其他观点也能够说明本实施方式的优点。
在典型的层叠型的摄像装置中，无法将电荷积蓄部中积蓄的电荷完全转送。因此，有时采用通过反馈环路来消除噪声的构成。如果使电荷积蓄部的电容值变小，则易于确保噪声消除的效率。另外，如果使电荷积蓄部的电容值变小，则易于确保转换增益。电荷积蓄部的电容值小的构成有利于暗场景中的摄像。另一方面，如果使电荷积蓄部的电容值变大，则能够使电荷积蓄部的电位的变化相对于电荷积蓄部中积蓄的信号电荷的量的变化变得平缓。这意味着摄像装置高饱和。电荷积蓄部的电容值大的构成有利于明亮的场景中的摄像。电荷积蓄部的电容值大的构成也可以说能够实现宽动态范围。像这样，电荷积蓄部的电容值小的构成和大的构成各有利弊。
相对于此，在本实施方式中，在进行反馈动作时，能够使MOS电容70的电容值C变小。在暗场景中的摄像时，通过使电容值C变小，能够确保转换增益。另一方面，在明亮的场景中的摄像时，通过使电容值C变大，能够提高摄像装置1的饱和电平。根据本实施方式，能够实现兼具这样的优点的摄像装置1。具体而言，通过MOS电容70的电容值C连续地变化，能够抑制噪声的影响并且实现宽动态范围。
在本实施方式中，电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化。具体而言，如果电荷积蓄部24的电位连续地变化，则电容值C连续地变化。这些特征适于确保中间照度下的S/N比并且实现宽动态范围。
具体而言，第2端子TT被施加电位，以使电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化。另外，具体而言，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下电容值C连续地变化。
在本实施方式中，MOS电容70的C-V特性具有拐点IP。如果电荷积蓄部24的电位连续地变化，则Cv-TT间电压及电容值C跨拐点IP连续地变化。根据该构成，易于使MOS电容70的电容值C与电荷积蓄部24的电位的变化相应地大为变化。具体而言，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下Cv-TT间电压及电容值C跨拐点IP连续地变化。在该上下文中，拐点IP是用Cv-TT间电压对电容值C进行2阶微分而得到的值的符号发生变化的点。
在本实施方式中，MOS电容70的C-V特性具备第1带域B1。第1带域B1具有拐点IP。如果电荷积蓄部24的电位从第1电位变化到第2电位，则Cv-TT间电压及电容值C从第1带域B1的一端的值变化到另一端的值。具体而言，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位从第1电位变化到第2电位的情况下Cv-TT间电压及电容值C从第1带域B1的一端的值变化到另一端的值。
在本实施方式中，第2端子TT被施加第1直流电位，以使电容值C与Cv-TT间电压相应地连续变化。该结构简单。第1直流电位例如是0V以上且2V以下。具体而言，第2端子TT被施加第1直流电位，以使在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下电容值C连续地变化。
在图4所示的例子所涉及的第1带域B1中，如果Cv-TT间电压增加，则电容值C连续地单调变化。在此，单调变化意味着总是增加或者总是减少。第1带域B1可以被称为可变电容带域。具体而言，在本实施方式的第1带域B1中，如果Cv-TT间电压增加，则电容值C连续地单调增加。
在图4所示的具体例中，第1电位是1V。第2电位是3V。第2端子TT被施加的电位是0V。可变电容带域是Cv-TT间电压为1V以上且小于3V的带域。
在本实施方式中，摄像装置1具备特定晶体管80。特定晶体管80典型地是包括栅极、氧化物层及至少1个半导体区域的MOSFET。MOS电容70通过使用特定晶体管80而构成。特定晶体管80的源极区域及漏极区域相互电连接。将特定晶体管80的源极区域及漏极区域电连接，适于实现图4所示的MOS电容70的C-V特性。特定晶体管80的源极区域及漏极区域可以通过布线等电连接。特定晶体管80也可以具备源极区域及漏极区域被一体化而成的单一的半导体区域即源极/漏极区域，来替代源极区域及漏极区域。
在本实施方式中，第1端子Cv及第2端子TT中的一方与特定晶体管80的源极及漏极电连接。第1端子Cv及第2端子TT中的另一方与特定晶体管80的栅极电极电连接。在图1及图2的例中，第2端子TT与特定晶体管80的源极及漏极电连接。第1端子Cv与特定晶体管80的栅极电极电连接。特定晶体管80可以被设置于半导体基板9。
在本实施方式中，摄像装置1的摄影模式具备第1模式。在第1模式下，如果电荷积蓄部24的电位连续地变化，则MOS电容70的电容值C连续地变化。具体而言，在第1模式下，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下MOS电容70的电容值C连续地变化。
以下，关于其他几个实施方式进行说明。以下，针对在已经说明的实施方式与其后说明的实施方式中共通的要素，附加相同的参照标记，有时省略其说明。与各实施方式相关的说明只要在技术上不矛盾，就能够相互适用。只要在技术上不矛盾，各实施方式也可以相互组合。
(第2实施方式)
在第2实施方式中，可以与实施方式1同样使用图1及图2所示的电路结构。在第2实施方式中，摄像装置1的摄影模式除了第1模式之外，还具备第2模式及第3模式。
图6是表示第2实施方式所涉及的MOS电容70的电容值相对于端子间电压的关系的曲线图。C-V特性除了第1带域B1之外，还具备第2带域B2及第3带域B3。
在图6的例中，第2带域B2是Cv-TT间电压比第1带域B1低的带域。第3带域B3是Cv-TT间电压比第1带域B1高的带域。
在图6的例中，第2带域B2与第1带域B1相连。第3带域B3与第1带域B1相连。但是，第2带域B2也可以与第1带域B1相离。第3带域B3也可以与第1带域B1相离。
在第1模式下，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第1带域B1内变化。在第2模式下，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第2带域B2内变化。在第3模式下，第2端子TT被施加电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第3带域B3内变化。
在第2带域B2中，与第1带域B1相比，电容值C较小。另外，在第2带域B2中，与第1带域B1相比，电容值C的变化相对于Cv-TT间电压的变化的比率的绝对值较小。因此，在第2模式下，易于抑制从噪声的偏差及信号的偏差中选择的至少1个，并且进行高灵敏度而且低饱和的摄像。此外，电容值C的变化相对于Cv-TT间电压的变化的比率详细而言，是用Cv-TT间电压对电容值C进行微分而得到的值。
在第3带域B3中，与第1带域B1相比，电容值C较大。另外，在第3带域B3中，与第1带域B1相比，电容值C的变化相对于Cv-TT间电压的变化的比率的绝对值较小。因此，根据第3模式，易于抑制从噪声的偏差及信号的偏差中选择的至少1个，并且进行低灵敏度而且高饱和的摄像。
在本实施方式中，电荷积蓄部24中积蓄的电荷是正电荷。第2模式下的第2端子TT的电位比第1模式下的第2端子TT的电位高。第3模式下的第2端子TT的电位比第1模式下的第2端子TT的电位低。
在变形例中，电荷积蓄部24中积蓄的电荷是负电荷。第2模式下的第2端子TT的电位比第1模式下的第2端子TT的电位低。第3模式下的第2端子TT的电位比第1模式下的第2端子TT的电位高。
在第1模式下，第2端子TT被施加第1直流电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第1带域B1内变化。在第2模式下，第2端子TT被施加第2直流电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第2带域B2内变化。在第3模式下，第2端子TT被施加第3直流电位，以使在电荷积蓄部24的电位变化的情况下Cv-TT间电压在第3带域B3内变化。该结构简单。
在图6所示的例子所涉及的第1带域B1中，如果Cv-TT间电压增加，则电容值C连续地单调变化。第1带域B1可以被称为可变电容带域。具体而言，在本实施方式的第1带域B1中，如果Cv-TT间电压增加，则电容值C连续地单调增加。另一方面，第2带域B2可以被称为低电容稳定带域。第3带域B3可以被称为高电容稳定带域。
第2实施方式中的与第1带域B1对应的Cv-TT间电压，不同于第1实施方式中的与第1带域B1对应的Cv-TT间电压。通过调整向MOS电容70注入杂质的注入量等，能够调整与第1带域B1对应的Cv-TT间电压。关于与第2带域B2对应的Cv-TT间电压以及与第3带域B3对应的Cv-TT间电压，也是同样的。但是，第2实施方式中的与第1带域B1对应的Cv-TT间电压，也可以与第1实施方式中的与第1带域B1对应的Cv-TT间电压相同。
在第2实施方式中，第1直流电位例如是1V以上且3V以下。第2直流电位例如是3V以上且5V以下。第3直流电位例如是0V以上且1V以下。
在图6所示的具体例中，第1电位是1V。第2电位是3V。在第1模式下第2端子TT被施加的电位是2V。在第2模式下第2端子TT被施加的电位是4V。在第3模式下第2端子TT被施加的电位是0V。可变电容带域是Cv-TT间电压为-1V以上且小于1V的带域。低电容稳定带域是Cv-TT间电压为-3V以上且小于-1V的带域。高电容稳定带域是Cv-TT间电压为1V以上且小于3V的带域。
在本实施方式中，摄像装置1与从放大晶体管11输出的输出信号相应地切换向第2端子TT施加的电位。像这样，摄像装置1切换摄影模式。
如参照图6说明的那样，MOS电容70的第2端子TT可以被施加各种电位。严密地说，与第2端子TT被施加的电位相应地，C-V特性由于MOS电容70的反偏压效应而变化。在典型例中，如果使第2端子TT被施加的电位变高，则图6的C-V特性曲线在整体上向右偏移。其中，通过考虑该偏移而设定向第2端子TT的施加电位，能够将MOS电容70的电容值C调整为期望的值。
在一例中，感光区域被分为多个区域。能够相互独立地设定向属于某区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT施加的共通电位、以及向属于别的区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT施加的共通电位。例如，属于第1区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT被施加第1共通电位。属于第2区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT被施加第2共通电位。属于第3区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT被施加第3共通电位。第1共通电位、第2共通电位及第3共通电位能够相互独立地设定。根据该构成，能够按每个区域设定要利用MOS电容70的C-V特性的哪一个带域。例如，能够以在第1区域中利用第1带域B1、在第2区域中利用第2带域B2且在第3区域中利用第3带域B3的方式使摄像装置1动作。
在上述的例中，在将感光区域分为多个区域之后，向属于各区域的多个像素14的MOS电容70的第2端子TT施加共通的电位。像这样，能够避免控制变得过度复杂，并且按每个区域调整灵敏度及饱和电平。但是，也能够向各像素14中的MOS电容70的第2端子TT施加相互独立的电位。
(第3实施方式)
图7是第3实施方式所涉及的像素94的电路图。像素94不仅具有放大晶体管11、地址晶体管13、复位晶体管12及溢出晶体管60，还具有带域控制晶体管56、第1电容元件51及第2电容元件52。
放大晶体管11的栅极电极、电荷积蓄部24、MOS电容70的第1端子Cv、光电转换部10及第1电容元件51的一端被电连接。放大晶体管11的源极及漏极中的一方与电源布线21电连接。在本实施方式中，电荷积蓄部24也是复位晶体管12的源极及漏极中的一方，而且是溢出晶体管60的源极及漏极中的一方。复位晶体管12的源极及漏极中的另一方、带域控制晶体管56的源极及漏极中的一方、第1电容元件51的另一端及第2电容元件52的一端被电连接。第2电容元件52的另一端被施加直流电位。放大晶体管11的源极及漏极中的另一方、地址晶体管13的源极及漏极中的一方及带域控制晶体管56的源极及漏极中的另一方被电连接。地址晶体管13的源极及漏极中的另一方与垂直信号线17电连接。
为了抑制在使复位晶体管12关断时产生的kTC噪声，使用带域控制晶体管56、第1电容元件51及第2电容元件52。关于抑制kTC噪声的详细技术，请参照专利文献2等。
第3实施方式的MOS电容70的C-V特性与参照图6说明的第2实施方式的MOS电容70的C-V特性是同样的。在第3实施方式中，可以与第2实施方式同样地向第2端子TT施加电位。其中，在图7所示的第3实施方式的电路结构中，也可以按照第1实施方式而使用MOS电容70。
对于第1实施方式至第3实施方式中说明的技术，能够适用各种改变。
也可以省略图示的一部分要素。例如，可以省略溢出晶体管60。
光电转换部10也可以是被设置于半导体基板9的光电二极管。摄像装置1也可以具有转送晶体管。
在此，说明“积蓄通过光电转换而生成的电荷的电荷积蓄部”这样的表现。参照图1、图2及图7说明的电荷积蓄部24可以对应于该表现所涉及的电荷积蓄部。另外，在光电转换部10是光电二极管的方式中，光电二极管可以积蓄通过光电转换而生成的电荷。因此，在该方式中，作为光电转换部10的光电二极管可以对应于上述的表现所涉及的电荷积蓄部。MOS电容70的第1端子Cv可以与该光电二极管电连接。
将MOS电容70的电容值C相对于电荷积蓄部24的电位的关系，定义为C-E特性。说明“电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化”这样的表现。该表现意味着，在上述C-E特性中，MOS电容70的电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化。该表现并不意味着，随着光电转换部10中的光电转换进行，光电转换部10的电位必须连续地经时变化。例如考虑如下方式：光电转换部10及电荷积蓄部24经由转送晶体管被连接，通过转送晶体管变为导通(turn on)，光电转换部10的电荷被转送至电荷积蓄部24，电荷积蓄部24的电位以阶段性变化。在该方式中，也能够实现“MOS电容70的电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化”的特征。关于“在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下MOS电容70的电容值C连续地变化”的特征也是同样的。
进一步说明“电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化”这样的表现。该表现意味着，在上述C-E特性的至少一部分中，电容值C与电荷积蓄部24的电位相应地连续变化。关于“在电荷积蓄部24的电位连续地变化的情况下电容值C连续地变化”这样的表现也是同样的。
说明“电容值C与Cv-TT间电压相应地连续变化”这样的表现。该表现意味着，在MOS电容70的C-V特性的至少一部分中，电容值C与Cv-TT间电压相应地连续变化。关于“在Cv-TT间电压连续地变化的情况下电容值C连续地变化”这样的表现也是同样的。
工业实用性
本公开的摄像装置例如对图像传感器、数字相机等是有用的。本公开的摄像装置能够用于医疗用相机、机器人用相机、安防相机、被搭载于车辆而使用的相机等。
附图标记说明：
1摄像装置
9半导体基板
10光电转换部
10a 光电转换层
10b 像素电极
10c 对置电极
11放大晶体管
12复位晶体管
13地址晶体管
14、94像素
15垂直扫描部
16光电转换控制线
17垂直信号线
18负载部
19列信号处理部
20水平信号读出部
21电源布线
22差分放大器
23反馈线
24电荷积蓄部
51第1电容元件
52第2电容元件
56带域控制晶体管
60溢出晶体管
62电源布线
65设定器
70MOS电容
Cv第1端子
TT第2端子
75电压线
77电压源
80特定晶体管
B1第1带域
B2第2带域
B3第3带域
IP拐点

Claims (12)

1.一种摄像装置，具备：
光电转换部，通过光电转换而生成电荷；
电荷积蓄部，积蓄所述电荷；以及
金属-氧化物-半导体电容，包括第1端子、第2端子、栅极、氧化物层以及至少1个半导体区域，
在曝光中，所述第1端子与所述电荷积蓄部电连接，
所述栅极与所述第1端子电连接，
所述至少1个半导体区域与所述第2端子电连接，
所述氧化物层位于所述栅极与所述至少1个半导体区域之间。
2.如权利要求1所述的摄像装置，
所述金属-氧化物-半导体电容的电容值与所述电荷积蓄部的电位相应地连续变化。
3.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
作为所述金属-氧化物-半导体电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性具有拐点，
如果所述电荷积蓄部的电位连续地变化，则所述端子间电压及所述电容值跨所述拐点而连续地变化。
4.如权利要求3所述的摄像装置，还具备：
设定器，将所述电荷积蓄部的电位变化的范围设定为从第1电位到第2电位的范围，
所述C-V特性包括具有所述拐点的第1带域，
如果所述电荷积蓄部的电位从所述第1电位变化到所述第2电位，则所述端子间电压及所述电容值从所述第1带域的一端处的所述端子间电压及所述电容值，变化到所述第1带域的另一端处的所述端子间电压及所述电容值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的摄像装置，
所述第2端子被施加第1直流电位，以使所述金属-氧化物-半导体电容的电容值与作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压相应地连续变化。
6.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
作为所述金属-氧化物-半导体电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性，包括第1带域及第2带域，
所述第2带域中的所述电容值比所述第1带域中的所述电容值小，
所述第2带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值，比所述第1带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值小，
所述摄像装置的摄影模式包括第1模式及第2模式，
在所述第1模式下，所述第2端子被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第1带域内变化，
在所述第2模式下，所述第2端子被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第2带域内变化。
7.如权利要求1或者2所述的摄像装置，
作为所述金属-氧化物-半导体电容的电容值相对于作为所述第1端子与所述第2端子之间的电压的端子间电压的关系而被定义的C-V特性，包括第1带域及第3带域，
所述第3带域中的所述电容值比所述第1带域中的所述电容值大，
所述第3带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值，比所述第1带域中的所述电容值的变化相对于所述端子间电压的变化的比率的绝对值小，
所述摄像装置的摄影模式包括第1模式及第3模式，
在所述第1模式下，所述第2端子被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第1带域内变化，
在所述第3模式下，所述第2端子被施加电位，以使在所述电荷积蓄部的电位变化的情况下所述端子间电压在所述第3带域内变化。
8.如权利要求1至7中任一项所述的摄像装置，还具备：
放大晶体管，输出与所述电荷积蓄部的电位相应的输出信号，
所述摄像装置与所述输出信号相应地切换向所述第2端子施加的电位。
9.如权利要求1至8中任一项所述的摄像装置，还具备：
电压源，向所述第2端子施加电位。
10.如权利要求1至9中任一项所述的摄像装置，还具备：
半导体基板，包括所述至少1个半导体区域，
所述光电转换部与所述半导体基板相离。
11.一种摄像装置，具备：
电荷积蓄部，积蓄通过光电转换而生成的电荷；以及
晶体管，具有相互电连接的源极区域及漏极区域，
所述晶体管作为金属-氧化物-半导体电容发挥功能，该金属-氧化物-半导体电容包括在曝光中与所述电荷积蓄部电连接的第1端子。
12.一种摄像装置，具备：
电荷积蓄部，积蓄通过光电转换而生成的电荷；以及
金属-氧化物-半导体电容，包括在曝光中与所述电荷积蓄部电连接的第1端子、氧化物层及源极/漏极区域。
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