JP2017216743A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本開示の撮像装置は、それぞれが、第1電極、第2電極、第1電極と第2電極との間の光電変換層、第1電極に接続された電荷蓄積領域、および電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む複数の画素と、第2電極に接続された電圧供給回路とを備え、光電変換層は、光が照射されている状態で第1電圧範囲内の第1電圧が印加されたときの出力電流密度と、光が照射されていない状態で第1電圧が印加されたときの出力電流密度とが同等になる光電流特性を有し、第1電圧範囲の幅は、0.5V以上であり、電圧供給回路は、非露光期間に、光電変換層に印加されるバイアス電圧が第1電圧範囲内となるように、第2電圧を第2電極に供給する。
【選択図】図6
Description
それぞれが、第1電極、第1電極に対向する第2電極、第1電極と第2電極との間の光電変換層、第1電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、および電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む複数の単位画素セルと、記第2電極と電気的に接続された電圧供給回路であって、光電変換により生成される電荷を電荷蓄積領域に蓄積するための期間である露光期間において第1電圧を第2電極に供給し、非露光期間において第1電圧とは異なる第2電圧を第2電極に供給する電圧供給回路と、を備え、露光期間の開始および終了は、複数の単位画素セルの間において共通である、撮像装置。
複数の単位画素セルのそれぞれは、電荷蓄積領域に電気的に接続されたリセットトランジスタであって、電荷蓄積領域を初期化するためのリセット電圧の供給および遮断を切り替えるリセットトランジスタを含み、リセット電圧が供給されたときの第1電極と第2電極との間の電位差は、リセット電圧が遮断された後の第1電極と第2電極との間の電位差よりも大きい、項目1に記載の撮像装置。
リセットトランジスタは、nチャンネルの電界効果トランジスタであり、リセット電圧は、第2電圧よりも大きい、項目2に記載の撮像装置。
リセットトランジスタは、pチャンネルの電界効果トランジスタであり、
リセット電圧は、第2電圧よりも小さい、項目2に記載の撮像装置。
複数の単位画素セルは、行および列に沿って2次元に配置されており、複数の単位画素セルの信号検出回路によって検出された信号は、行ごとに異なるタイミングで読み出される、項目1から4のいずれか1項に記載の撮像装置。
1フレーム期間に、露光期間を複数回含む、項目1から5のいずれか1項に記載の撮像装置。
電圧供給回路は、複数回の露光期間のそれぞれの間で、互いに異なる大きさの第1電圧を第2電極に供給する、項目6に記載の撮像装置。
信号検出回路からの複数回の露光期間のそれぞれごとの出力に基づく複数の画像データを取得し、複数の画像データを重畳することにより多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、項目6または7に記載の撮像装置。
信号検出回路から、1フレーム期間において電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷に対応する信号を取得し、信号に基づいて多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、項目6または7に記載の撮像装置。
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲、および、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が第1電圧範囲および第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲を有する光電流特性を有し、電圧供給回路は、非露光期間に、光電変換層に印加されるバイアス電圧が第3電圧範囲内となるように、第2電圧を第2電極に供給する、項目1から9のいずれか1項に記載の撮像装置。
それぞれが、第1電極と、第1電極に電気的に接続された電荷蓄積領域と、電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路とを含む複数の単位画素セルと、
第1電極に対向する第2電極と、
第1電極および第2電極の間に配置された光電変換層と、
第2電極との接続を有する電圧供給回路であって、露光期間と非露光期間との間で、互いに異なる電圧を第2電極に供給する電圧供給回路と、を備え、
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲、および、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間の第3電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
第3電圧範囲における変化率は、第1電圧範囲における変化率および第2電圧範囲における変化率よりも小さく、
露光期間の開始および終了は、複数の単位画素セルの間において共通であり、
電圧供給回路は、非露光期間に、第2電極および信号検出回路の間に第3電圧範囲の電位差を与える電圧を第2電極に供給する、撮像装置。
1フレーム期間に、露光期間を複数回含む、項目11に記載の撮像装置。
電圧供給回路は、複数回の露光期間のそれぞれの間で、互いに異なる大きさの電圧を第2電極に供給する、項目12に記載の撮像装置。
信号検出回路からの複数回の露光期間のそれぞれごとの出力に基づく複数の画像データを取得し、複数の画像データを重畳することにより多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、項目12または13に記載の撮像装置。
信号検出回路から、1フレーム期間において電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷に対応する信号を取得し、信号に基づいて多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、項目12または13に記載の撮像装置。
複数の単位画素セルのそれぞれは、電荷蓄積領域に電気的に接続されたリセットトランジスタであって、電荷蓄積領域へのリセット電圧の供給および遮断を切り替えるリセットトランジスタを含み、
リセットトランジスタは、nチャンネルの電界効果トランジスタであり、
リセット電圧は、非露光期間において電圧供給回路が第2電極に印加する電圧よりも大きい、項目11から15のいずれかに記載の撮像装置。
複数の単位画素セルのそれぞれは、電荷蓄積領域に電気的に接続されたリセットトランジスタであって、電荷蓄積領域へのリセット電圧の供給および遮断を切り替えるリセットトランジスタを含み、
リセットトランジスタは、pチャンネルの電界効果トランジスタであり、
リセット電圧は、第2の期間において電圧供給回路が第2電極に印加する電圧よりも小さい、項目11から15のいずれかに記載の撮像装置。
リセット電圧と、非露光期間において電圧供給回路が第2電極に印加する電圧との差の絶対値は、光電変換層の破壊電圧よりも小さい、項目16または17に記載の撮像装置。
リセット電圧と、非露光期間において電圧供給回路が第2電極に印加する電圧との差の絶対値は、信号検出回路への入力電圧よりも小さい、項目16または17に記載の撮像装置。
図1は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を示す。図1に示す撮像装置100は、2次元に配列された複数の単位画素セル10を含む画素アレイPAを有する。図1は、単位画素セル10が2行2列のマトリクス状に配置された例を模式的に示している。言うまでもないが、撮像装置100における単位画素セル10の数および配置は、図1に示す例に限定されない。
図2は、単位画素セル10の例示的なデバイス構造を模式的に示す。図2に例示する構成では、上述の信号検出トランジスタ24、アドレストランジスタ26およびリセットトランジスタ28が、半導体基板20に形成されている。半導体基板20は、その全体が半導体である基板に限定されない。半導体基板20は、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。ここでは、半導体基板20としてP型シリコン(Si)基板を用いる例を説明する。
上述したように、光電変換層15に光を照射し、画素電極11と対向電極12との間にバイアス電圧を印加することにより、光電変換によって生じる正および負の電荷のうちの一方を画素電極11によって収集し、収集された電荷を電荷蓄積領域に蓄積することができる。本発明者らは、以下に説明するような光電流特性を示す光電変換層15を光電変換部13に用い、かつ、画素電極11と対向電極12との間の電位差をある程度にまで小さくすることによって、電荷蓄積領域に既に蓄積された信号電荷が光電変換層15を介して対向電極12へ移動することを抑制できることを見出した。さらに本発明者らは、電位差を小さくした後における電荷蓄積領域への信号電荷のさらなる蓄積を抑制可能であることも見出した。つまり、光電変換層15に印加するバイアス電圧の大きさの制御により、特許文献1に記載の技術のように複数の画素のそれぞれに転送トランジスタなどの素子を別途設けることなく、グローバルシャッタ機能を実現し得ることを見出した。撮像装置100における動作の典型例は、後述する。
図5は、光電変換層15が有する典型的な光電流特性を示す。図5中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層15の例示的な電流−電圧特性(I−V特性)を示している。なお、図5には、光が照射されていない状態におけるI−V特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
図6は、本開示の実施形態に係る撮像装置における動作の一例を説明するための図である。図6は、同期信号の立ち下がり(または立ち上がり)のタイミングと、光電変換層15に印加されるバイアス電圧の大きさの時間的変化と、画素アレイPA(図1参照)の各行におけるリセットおよび露光のタイミングとを合わせて示している。より具体的には、図6中の一番上のグラフは、垂直同期信号Vssの立ち下がり(または立ち上がり)のタイミングを示す。上から2番目のグラフは、水平同期信号Hssの立ち下がり(または立ち上がり)のタイミングを示している。これらのグラフの下には、感度制御線42を介して電圧供給回路32から対向電極12に印加される電圧Vbの時間的変化の一例が示されている。電圧Vbの時間的変化のグラフの下には、画素電極11の電位を基準としたときの対向電極12の電位φの時間的変化が示されている。電位φのグラフにおける両矢印G3は、上述の第3電圧範囲を示している。さらにその下のチャートは、画素アレイPAの各行におけるリセットおよび露光のタイミングを模式的に示す。
図6を参照して説明した動作の例においては、1V期間中に、全画素に共通して1回の露光期間を設け、その露光期間において蓄積された信号電荷に基づいて1つの画像を取得している。このような動作において、最終的な画像、すなわち1フレーム分の画像の形成に必要な画素信号の取得に要するトータルの時間は、(1V期間)+(画素アレイPA中の行数)×(信号の読み出し期間)におおよそ等しいといってよい(「×」は、乗算を意味する。)。本明細書では、最終的な画像の形成に必要な画素信号の取得に要するトータルの時間を、「1フレーム期間」と呼ぶ。図6に示す例では、画素アレイPA中の各行における、信号の読み出し期間が1H期間に等しく設定されているので、1フレーム期間は、(1V+8×1H)であるといえる。
再び図2を参照する。既に説明したように、本開示の実施形態では、露光期間と非露光期間との間で異なる電圧が対向電極12に印加されることにより、グローバルシャッタを実現している。非露光期間において、電圧供給回路32(図1参照)は、光電変換層15に印加されるバイアス電圧が上述の第3電圧範囲となるような電圧を、感度制御線42を介して対向電極12に供給する。他方、非露光期間における画素電極11の電位は、画素電極11および不純物領域28dをその一部に含む電荷蓄積領域に供給されるリセット電圧Vrによって決まる。既に説明したように、リセット電圧Vrは、不純物領域28dをドレイン領域(またはソース領域)として有するリセットトランジスタ28を介して電荷蓄積領域に供給される。リセットトランジスタ28は、電荷蓄積領域へのリセット電圧Vrの供給および遮断を切り替える機能を有する。
11 画素電極
12 対向電極
13 光電変換部
14 信号検出回路
15 光電変換層
15A 光電変換構造
15e 電子ブロッキング層
15h 正孔ブロッキング層
20 半導体基板
20t 素子分離領域
24d、24s、26s、28d、28s 不純物領域
24 信号検出トランジスタ
26 アドレストランジスタ
28 リセットトランジスタ
24g、26g、28g ゲート電極
32 電圧供給回路(感度制御電圧供給回路)
34 リセット電圧源(リセット電圧供給回路)
35 基板電圧供給回路
36 垂直走査回路
40 電源線
41 電荷蓄積ノード
42 感度制御線
50 層間絶縁層
44 リセット電圧線
46 アドレス制御線
47 垂直信号線
48 リセット制御線
80 カメラ部
90 表示部
100 撮像装置
100S 撮像システム
130 画像形成回路
PA 画素アレイ
Claims (13)
- それぞれが、第1電極、前記第1電極に対向する第2電極、前記第1電極と前記第2電極との間の光電変換層、前記第1電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、および前記電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む複数の画素と、
前記第2電極と電気的に接続された電圧供給回路と、
を備え、
前記光電変換層は、光が照射されている状態で第1電圧範囲内の第1電圧が印加されたときの出力電流密度と、光が照射されていない状態で前記第1電圧が印加されたときの出力電流密度とが同等になる光電流特性を有し、
前記第1電圧範囲の幅は、0.5V以上であり、
前記電圧供給回路は、非露光期間に、前記光電変換層に印加されるバイアス電圧が前記第1電圧範囲内となるように、第2電圧を前記第2電極に供給する、
撮像装置。 - 前記光電変換層の、光が照射されている状態で前記第1電圧が印加されたときの出力電流密度と、光が照射されていない状態で前記第1電圧が印加されたときの出力電流密度との差は、100μA/cm2以下である、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記電圧供給回路は、光電変換により生成される電荷を前記電荷蓄積領域に蓄積するための期間である露光期間において、前記第2電圧とは異なる第3電圧を前記第2電極に供給する、
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記露光期間の開始および終了は、前記複数の画素の間において共通である、
請求項3に記載の撮像装置。 - 1フレーム期間に、前記露光期間を複数回含む、請求項3または4に記載の撮像装置。
- 前記電圧供給回路は、前記複数回の露光期間のそれぞれの間で、互いに異なる大きさの前記第3電圧を前記第2電極に供給する、請求項5に記載の撮像装置。
- 前記信号検出回路からの前記複数回の露光期間のそれぞれごとの出力に基づく複数の画像データを取得し、前記複数の画像データを重畳することにより多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、請求項5または6に記載の撮像装置。
- 前記信号検出回路から、前記1フレーム期間において前記電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷に対応する信号を取得し、前記信号に基づいて多重露光画像を形成する画像形成回路をさらに備える、請求項5または6に記載の撮像装置。
- 前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第2電圧範囲、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第3電圧範囲、および、前記第2電圧範囲と前記第3電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第2電圧範囲および前記第3電圧範囲よりも小さい第4電圧範囲を有する光電流特性を有する、
請求項1から8のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素のそれぞれは、前記電荷蓄積領域に電気的に接続されたリセットトランジスタであって、前記電荷蓄積領域を初期化するためのリセット電圧の供給および遮断を切り替えるリセットトランジスタを含み、
前記リセット電圧が供給されたときの前記第1電極と前記第2電極との間の電位差は、前記リセット電圧が遮断された後の前記第1電極と前記第2電極との間の電位差よりも大きい、請求項1から9のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記リセットトランジスタは、nチャンネルの電界効果トランジスタであり、
前記リセット電圧は、前記第2電圧よりも大きい、請求項10に記載の撮像装置。 - 前記リセットトランジスタは、pチャンネルの電界効果トランジスタであり、
前記リセット電圧は、前記第2電圧よりも小さい、請求項10に記載の撮像装置。 - 前記複数の画素は、行および列に沿って2次元に配置されており、
前記複数の画素の前記信号検出回路によって検出された信号は、前記行ごとに異なるタイミングで読み出される、請求項1から12のいずれか1項に記載の撮像装置。
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