JPWO2010116974A1 - 光電変換装置および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る撮像装置1の構成を示す図である。
図2を参照して、光電変換装置3は、画素アレイ10と、複数の負荷回路11と、複数のアンプQと、垂直走査部13と、制御部14と、水平走査部15と、セレクタ16と、出力部17とを備える。
図3を参照して、画素Pは、フォトダイオードPDと、読出回路Gと、スイッチSWBとを含む。フォトダイオードPDのカソードにはカソード電圧VKが印加され、フォトダイオードPDのアノードにはアノード電圧VAが印加される。
この発明の実施の形態2による光電変換装置は、図10に示すように、画素アレイ26を備える。画素アレイ26は、m行n列(ただし、m,nの各々は2以上の整数である)に配列されたm×n個の画素P11〜Pmnと、それぞれm行に対応して設けられた制御信号線群CL1〜CLmと、それぞれn列に対応して設けられた信号線SL1〜SLnとを含む。画素Pは、対応の制御信号線群CLを介して与えられる複数の信号によって制御され、入射光量に応じたレベルの画素電流と、入射光量がゼロの場合の画素電流に相当する基準電流とを対応の信号線SLに順次出力する。
ところで、通常のCMOSイメージセンサは、たとえば、複数の光電変換素子と、光電変換素子に対応して設けられ、対応の光電変換素子からの電荷を増幅する複数のアンプとを備える。そして、通常時は各アンプの出力を画素信号の生成に用い、低照度時は各アンプの出力を合成したものを画素信号の生成に用いることにより、低照度時でも良好な画像を得る。すなわち、各アンプの出力を合成することにより信号およびノイズを加算していくと、信号は倍で増えていき、ノイズは2乗平均で増えていく。このため、画素信号のS/N(Signal to Noise)比が良好になる。このような方法は、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサでも採用されている。
垂直走査部13は、まず、制御部14から与えられる垂直走査信号に基づいて、画素行1を選択し、選択した画素行1のスイッチSWB11,SWB12,SWB13,SWB14をオンする。また、垂直走査部13は、選択していない画素行に対応する各スイッチSWBをオフし、また、すべてのスイッチSWAをオフする。
次に、光電変換装置に入射する光の量が通常レベルより少ない低照度時について説明する。
図23を参照して、この変更例は、図19および図20に示す各画素電極ELをたとえば45度斜めに配置した構成である。
図24を参照して、2つの画素電極ELAは、矩形状に半周回し、かつ互いに対向している。また、2つの矩形状の画素電極ELBは、2つの画素電極ELAによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。2つのスイッチSWAは、互いに対向する画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図25を参照して、各画素電極ELは、六角形の形状を有している。3つのスイッチSWAは、隣り合う画素電極EL間にそれぞれ接続されている。
図26を参照して、4つの画素電極ELAは、八角形の形状を有している。また、4つの画素電極ELBは、四角形の形状を有している。4つのスイッチSWAは、隣り合う画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図27を参照して、2つの画素電極ELAは、円状に半周回し、かつ互いに対向している。また、2つの半円状の画素電極ELBは、2つの画素電極ELAによって形成される空間に設けられ、互いに対向している。2つのスイッチSWAは、互いに対向する画素電極ELAおよびELB間にそれぞれ接続されている。
図28を参照して、矩形状の画素電極ELAと、画素電極ELAより小さい矩形状の画素電極ELBとが、画素行方向に交互に配置されている。
ところで、一般的な単板カラー化方式を採用する固体撮像装置は、たとえば、700nm(ナノメータ)〜1000nmの波長の近赤外領域における近赤外光を遮断するIRカットフィルタと、ベイヤー配列のRGBカラーフィルタとを備える。そして、昼間等の通常時はIRカットフィルタおよびRGBカラーフィルタを組み合わせてカラーカメラとして動作し、夜間等の低照度時はIRカットフィルタを光軸から取り外して白黒カメラとして動作する。
W=R+G+B+IR
Ye=R+G+IR
Cy=G+B+IR
Bk=IR
この関係に基づき、画像信号処理部4は、以下の式に従って、RGBカラー画像を得るための電気信号R、G,およびBを算出する。
G=W−R−B−Bk
より詳細には、Gは、以下のように導出される。
W−R−B−Bk
=ΔW+Cy+Ye−Bk
=−(R+G+B+IR)+(G+B+IR)+(R+G+IR)
=G+IR−IR
=G
R=W−Cy
より詳細には、Rは、以下のように導出される。
W−Cy
=R+G+B+IR−(G+B+IR)
=R
B=W−Ye
より詳細には、Bは、以下のように導出される。
W−Ye
=R+G+B+IR−(R+G+IR)
=B
すなわち、信号W,信号Ye,信号Cy,信号Bkは、それぞれIR(近赤外線領域)成分を含むが、これらのIR成分は相殺されるため、信号W,信号Ye,信号Cy,信号Bkに基づいて信号R、G,およびBを得ることができる。
Y=W+IR+Cy+IR+Ye+IR=2×R+3×G+2×B+3×IR
また、画像信号処理部4は、白黒画像を得るための信号B/Wを以下の式に従って算出する。
B/W=W+Cy+Ye+Bk=2×R+3×G+2×B+4×IR
図33は、レッド、グリーン、ブルーのカラーフィルタの透過率を示す図である。
図34を参照して、太陽光は、可視光領域で光の強弱の時間変化が大きく、近赤外領域で光の強弱の時間変化が少なく、また、1000nm以上の波長では光の強弱の時間変化が非常に少ない。
ところで、イメージセンサには、有効撮像部と光学的黒部が設けられており、有効撮像部の画素で読み出された光電流は、光学的黒部の画素で読み出された黒電流に基づいて補正される。
なお、以上の実施の形態5では、本願発明がCIGS薄膜を用いた光電変換装置に適用された場合について説明したが、本願発明は、CIGS薄膜以外の化合物半導体薄膜や、有機半導体薄膜、光電変換薄膜、あるいは光電変換厚膜を用いた光電変換装置にも適用可能である。また、本願発明は、光電変換装置に限らず、フォトセンサやラインセンサにも適用可能である。
一般に、固体撮像素子では、シリコン基板においてフォトダイオードが形成され、シリコン基板における1画素分の画素領域において、フォトダイオードと、フォトダイオードからの電荷を読み出して電流を出力する読出回路を構成する複数のトランジスタとが配置される。そして、フォトダイオードの受光面積を確保するために、読出回路から出力された電流を増幅するアンプは画素領域外に配置される。
図46を参照して、画素Pは、フォトダイオードPDと、差動増幅器85と、キャパシタCと、スイッチSWGと、スイッチSWBとを含む。フォトダイオードPDのカソードにはカソード電圧VKが印加され、フォトダイオードPDのアノードにはアノード電圧VAが印加される。差動増幅器85、キャパシタC、およびスイッチSWGは、読出回路Gを構成する。
図47を参照して、差動増幅器85は、NチャネルMOSトランジスタM1,M2と、PチャネルMOSトランジスタM3,M4と、電流源ISと、出力回路86とを含む。
ところで、このような固体撮像装置では、受光量のダイナミックレンジを拡大するために、たとえば、光電変換素子からの電荷を蓄積する時間長の異なる複数の期間においてそれぞれ得られた電気信号を合成する方法が採用されている。
図51を参照して、画素アレイは、半導体基板21と、読出回路層22と、複数の画素電極ELAおよびELBと、CIGS薄膜23と、CdS(硫化カドミウム)層24と、透明電極25とを含む。
出力部17は、受光量がX1未満である場合には画素電極ELAからの電荷に基づく読出信号を選択し、受光量がX1以上である場合には画素電極ELAおよび画素電極ELBからの電荷に基づく読出信号を選択する。
図58を参照して、光電変換装置は、さらに、カラーフィルタCFを含む。
本実施の形態8は、実施の形態7に係る光電変換装置と比べて各画素電極が略同じサイズを有する光電変換装置に関する。以下で説明する内容以外は実施の形態7に係る光電変換装置と同様である。
図62を参照して、上記のようなスイッチSWKの設定により、スイッチSWKを介して互いに電気的に接続され、かつ読出回路Gに接続された画素電極を含む3つの画素電極のグループAと、読出回路Gに接続された1つの画素電極を含むグループBとがつくられる。グループAおよびBは、スイッチSWKを介して互いに電気的に接続されていない。
to Noise)比すなわち画素信号のS/N比を大幅に改善することができることから、画質を大幅に向上させることができる。
図67を参照して、この変更例における画素アレイは、CIGS薄膜23の延在方向におけるサイズが略同じである9つの画素電極ELからなる画素電極群を複数含む。各画素電極群の9つの画素電極ELは、CIGS薄膜23の表面において互いに近接して設けられている。また、これらの画素電極群は、カラーフィルタCFの同一画素かつ同一色に対応する領域ごとに設けられている。また、画素アレイは、複数のスイッチSWKを含む。
ところで、従来の第1のイメージセンサでは、CIGS薄膜の表面に透明電極が形成され、CIGS薄膜の裏面に複数の画素電極が形成されている。CIGS薄膜に光が照射されると、光量に応じた量の電子−正孔対が発生する。CIGS薄膜に発生した電子−正孔対のうちの正孔すなわち正電荷は、画素電極を介して読出回路に流れる。
カラー画像および近赤外(Near Infrared:NIR)画像を得るための従来の撮像装置は、たとえば、可視光と近赤外光とを分離する分光フィルタ機能を有するプリズムと、このプリズムを通過した可視光に基づいてカラー画像を生成するカラー撮像部と、このプリズムを通過した近赤外光に基づいて近赤外画像を生成する近赤外撮像部とを備える。このような構成は、2板撮像方式と呼ばれている。
図76を参照して、撮像装置100は、光電変換部101と、画像信号処理部102と、表示部103と、制御部104と、レンズ105と、記憶部111〜114と、発光素子X1〜X4とを備える。発光素子X1〜X4は、たとえばLED(Light Emitting Diode)である。
Claims (25)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極上に設けられ、受けた光を電荷に変換する光電変換膜と、
前記第1の電極と前記半導体基板との間に接続された配線と、
前記絶縁層内に設けられ、前記第1の電極に接続された第1の面状電極と、
前記絶縁層内において前記第1の面状電極と前記半導体基板の間に設けられた第2の面状電極とを備える、光電変換装置。 - 前記第1および第2の面状電極間に形成される容量に前記光電変換膜で変換された電荷が蓄積され、前記蓄積された電荷は前記配線を通して前記半導体基板に与えられる、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- さらに、前記半導体基板の表面に形成され、前記配線を介して与えられる前記電荷に基づいて読出信号を出力する読出回路を備える、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- さらに、前記光電変換膜上に設けられた第2の電極を備える、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- 前記第2の電極は透明電極である、請求の範囲第4項に記載の光電変換装置。
- 前記第2の電極はZnOを含む、請求の範囲第5項に記載の光電変換装置。
- さらに、前記光電変換膜と前記第2の電極との間に設けられたバッファ層を備える、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- 前記バッファ層はCdSを含む、請求の範囲第7項に記載の光電変換装置。
- 前記第1の電極は複数設けられ、
前記配線および前記第1の面状電極は各第1の電極に対応して設けられ、
前記第2の面状電極は複数の前記第1の面状電極に共通に設けられ、
各第1の面状電極と前記第2の面状電極は、所定の間隔を開けて互いに対向して設けられている、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1および第2の面状電極は互いに対向して設けられ、
前記第2の面状電極と前記半導体基板は互いに対向して設けられている、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。 - 前記光電変換膜はCu(Inx,Ga(1−x))Se2(0≦x≦1)を含む、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- 前記第1の電極はMoを含む、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。
- 前記配線の一部は前記第1の電極と前記第1の面状電極との間に設けられ、
さらに、前記第1の電極と前記配線の一部とを接続する第1のビアホールと、
前記配線の一部と前記第1の面状電極を接続する第2のビアホールとを備える、請求の範囲第1項に記載の光電変換装置。 - 前記第1のビアホールは複数設けられ、
前記第2のビアホールは複数設けられている、請求の範囲第13項に記載の光電変換装置。 - 請求の範囲第1項に記載の光電変換装置と、
被写体からの光を集光して前記光電変換膜に与えるレンズとを備える、撮像装置。 - 複数行複数列に配置され、各々が入射光量に応じたレベルの信号を出力する複数の画素と、各行に対応して設けられた制御信号線と、各列に対応して設けられた読出信号線とを含む画素アレイと、
前記複数行を1行ずつ順次選択し、選択した行の制御信号線を介してその行の各画素を活性化させる垂直走査部と、
前記垂直走査部によって1行が選択されている間に前記複数列を1列ずつ順次選択する水平走査部と、
前記水平走査部によって選択された列の読出信号線を介して、前記垂直走査部によって活性化された画素の出力信号を読み出す読出回路とを備え、
前記画素アレイは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に複数行複数列に設けられた複数の画素電極と、
前記複数の画素電極上に設けられ、受けた光を電荷に変換する光電変換膜と、
各画素電極に対応して設けられ、対応の画素電極と前記半導体基板との間に接続された配線と、
各画素電極に対応して前記絶縁層内に設けられ、対応の画素電極に接続された第1の面状電極と、
前記複数の画素電極に共通に設けられ、前記絶縁層内において複数の前記面状電極と第1の面状電極と前記半導体基板の間に設けられた第2の面状電極とを備える、撮像装置。 - さらに、被写体からの光を集光して前記画素アレイに与えるレンズを備える、請求の範囲第16項に記載の撮像装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられた第1および第2の電極と、
前記第1および第2の電極上に設けられ、受けた光を電荷に変換する光電変換膜と、
前記第1の電極と前記半導体基板との間に接続された第1の配線と、
前記半導体基板に形成され、前記第1の配線に接続された第1のトランジスタと、
前記絶縁層内に設けられ、前記第1のトランジスタと接続された第1の面状電極と、
前記絶縁層内において前記第1の面状電極と前記半導体基板との間に設けられた第2の面状電極と、
前記第2の電極と前記半導体基板との間に接続された第2の配線と、
前記半導体基板に形成され、前記第2の配線に接続された第2のトランジスタと、
前記絶縁層内に設けられ、前記第2のトランジスタと接続された第3の面状電極と、
前記絶縁層内において前記第3の面状電極と前記半導体基板との間に設けられた第4の面状電極とを備える、光電変換装置。 - 前記第1および第2の面状電極によって第1のキャパシタが形成され、
前記第3および第4の面状電極によって第2のキャパシタが形成され、
さらに、第1の期間は前記光電変換膜で発生した電荷によって充電された前記第1のキャパシタの電圧に応じたレベルの第1の画素信号を生成し、第2の期間は前記光電変換膜で発生した電荷によって充電された前記第2のキャパシタの電圧に応じたレベルの第2の画素信号を生成する信号発生回路を備える、請求の範囲第18項に記載の光電変換装置。 - さらに、前記第1の期間の開始時に前記第1のキャパシタに現れる電圧を予め定められた電圧にリセットし、前記第2の期間の開始時に前記第2のキャパシタに現れる電圧を予め定められた電圧にリセットする第1のリセット回路を備える、請求の範囲第19項に記載の光電変換装置。
- 前記第1のリセット回路は、
一方端子が前記予め定められた電圧を受け、他方端子が前記第1のキャパシタに接続される第1のスイッチと、
一方端子が前記予め定められた電圧を受け、他方端子が前記第2のキャパシタに接続される第2のスイッチとを含む、請求の範囲第20項に記載の光電変換装置。 - さらに、前記第1の期間は、前記信号発生回路によって前記第1の画素信号が生成された後に前記第2のキャパシタの電圧を前記予め定められた電圧にリセットし、前記第2の期間は、前記信号発生回路によって前記第2の画素信号が生成された後に前記第1のキャパシタの電圧を前記予め定められた電圧にリセットする第2のリセット回路を備え、
前記信号発生回路は、さらに、前記第1の期間は、前記第2のリセット回路によってリセットされた前記第2のキャパシタの電圧に応じたレベルの第1の基準信号を生成し、前記第2の期間は、前記第2のリセット回路によってリセットされた前記第1のキャパシタの電圧に応じたレベルの第2の基準信号を生成する、請求の範囲第20項に記載の光電変換装置。 - 複数行複数列に配置された複数の画素回路と、
第1の期間内に前記複数行を1行ずつ順次選択し、第2の期間内に前記複数行を1行ずつ順次選択する行選択回路とを備え、
各画素回路は、
入射光量に応じた値の電流を出力する光電変換素子と、
第1のノードと基準電圧のラインとの間に接続された第1のキャパシタと、
第2のノードと前記基準電圧のラインとの間に接続された第2のキャパシタと、
前記第1の期間の開始時に前記第1のノードを予め定められた電圧にリセットし、前記第2の期間の開始時に前記第2のノードを前記予め定められた電圧にリセットする第1のリセット回路と、
前記第1の期間は前記光電変換素子の出力ノードと前記第1のノードとを接続し、前記第2の期間は前記光電変換素子の出力ノードと前記第2のノードとを接続する切換回路と、
前記行選択回路によって対応の行が選択されている場合に活性化され、前記第1の期間は、前記光電変換素子の出力電流によって充電された前記第2のノードの電圧に応じたレベルの第1の画素信号を生成し、前記第2の期間は、前記光電変換素子の出力電流によって充電された前記第1のノードの電圧に応じたレベルの第2の画素信号を生成する信号発生回路とを含み、
さらに、各画素回路の前記信号発生回路で生成された前記第1および第2の画素信号を読み出す読出回路を備える、光電変換装置。 - 前記第1のリセット回路は、一方電極が前記予め定められた電圧を受け、他方電極が前記光電変換素子の出力ノードに接続され、前記第1および第2の期間の各々の開始時に所定時間だけ導通するスイッチング素子を含む、請求の範囲第23項に記載の光電変換装置。
- 各画素回路は、さらに、前記第1の期間は、前記信号発生回路によって前記第1の画素信号が生成された後に前記第2のノードを前記予め定められた電圧にリセットし、前記第2の期間は、前記信号発生回路によって前記第2の画素信号が生成された後に前記第1のノードを前記予め定められた電圧にリセットする第2のリセット回路を含み、
前記信号発生回路は、さらに、前記第1の期間は、前記第2のリセット回路によってリセットされた前記第2のノードの電圧に応じたレベルの第1の基準信号を生成し、前記第2の期間は、前記第2のリセット回路によってリセットされた前記第1のノードの電圧に応じたレベルの第2の基準信号を生成し、
前記読出回路は、さらに、各画素回路の前記信号発生回路で生成された前記第1および第2の基準号を読み出す、請求の範囲第23項に記載の光電変換装置。
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