WO2022130835A1 - 撮像装置 - Google Patents

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WO2022130835A1
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electrode
control electrode
voltage
pixel electrode
photoelectric conversion
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健富 徳原
康夫 三宅
旭成 金原
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
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    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components

Definitions

  • This disclosure relates to an image pickup device.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a stacked image pickup device having variable sensitivity.
  • the present disclosure provides an imaging device capable of changing the sensitivity in a wide range.
  • the image pickup apparatus has a first surface and a second surface facing the first surface, and is on a photoelectric conversion layer that generates a signal charge and the first surface of the photoelectric conversion layer. At least one pixel electrode located, a control electrode located on the first surface of the photoelectric conversion layer and for controlling the sensitivity of the image pickup device, and a control electrode located on the second surface of the photoelectric conversion layer. A counter electrode facing the at least one pixel electrode and the control electrode, and a charge storage unit connected to the at least one pixel electrode and accumulating the signal charge. There is a line segment connecting two points on the at least one pixel electrode and overlapping with the control electrode in a plan view.
  • the sensitivity can be changed in a wide range.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a circuit configuration of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a device structure of a unit pixel cell of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view showing a pixel electrode and a control electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing an example of a region formed in the photoelectric conversion layer when a voltage is applied to the control electrode and in which a signal charge that can move to the pixel electrode exists.
  • FIG. 4B is a schematic plan view showing an example of a region formed in the photoelectric conversion layer when a voltage is applied to the control electrode and in which a signal charge that can move to the pixel electrode exists.
  • FIG. 4C is a schematic cross-sectional view showing an example of a region formed in the photoelectric conversion layer when a voltage is applied to the control electrode and in which a signal charge that can move to the pixel electrode exists.
  • FIG. 4D is a schematic plan view showing an example of a region formed in the photoelectric conversion layer when a voltage is applied to the control electrode and in which a signal charge that can move to the pixel electrode exists.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a unit pixel cell of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the potential difference between the electrodes of the image pickup apparatus according to the first embodiment and the photocurrent.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the voltage applied to the control electrode and the photocurrent in the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a first modification example of the shapes of the control electrode and the pixel electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a second modification example of the shapes of the control electrode and the pixel electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a third modification example of the shapes of the control electrode and the pixel electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a fourth modification example of the shapes of the control electrode and the pixel electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a fifth modification example of the shapes of the control electrode and the pixel electrode of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a timing chart showing another example of the operation of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a timing chart showing still another example of the operation of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 16 is a timing chart showing still another example of the operation of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • Patent Document 1 changes the sensitivity by changing the voltage of the counter electrode.
  • the sensitivity to the voltage of the counter electrode cannot be kept constant. That is, even if the potential of the counter electrode is set to a certain value, the sensitivity changes due to the accumulation of signal charges.
  • Patent Document 2 changes the sensitivity by arranging a shield electrode around the pixel electrode and changing the voltage applied to the shield electrode.
  • the shield electrodes are arranged between the pixels, it is difficult to change the sensitivity in a wide range even if the voltage applied to the shield electrodes is changed.
  • the inventors have focused on the shapes and arrangements of the pixel electrodes and shield electrodes, and have reached the present disclosure.
  • the pixel electrodes and control electrodes are shaped and arranged so as to satisfy predetermined conditions, so that the sensitivity can be changed in a wide range while keeping the sensitivity substantially constant with respect to the applied voltage.
  • An image pickup device is provided.
  • the image pickup apparatus has a first surface and a second surface facing the first surface, and has a photoelectric conversion layer that generates a signal charge and the first surface of the photoelectric conversion layer. At least one pixel electrode located in, a control electrode located on the first surface of the photoelectric conversion layer and for controlling the sensitivity of the image pickup device, and a control electrode located on the second surface of the photoelectric conversion layer. A counter electrode facing the at least one pixel electrode and the control electrode, and a charge storage unit connected to the at least one pixel electrode and accumulating the signal charge are provided. There is a line segment connecting two points on the at least one pixel electrode and overlapping with the control electrode in a plan view.
  • control electrode may be surrounded by the at least one pixel electrode.
  • control electrode may overlap with the center of the smallest circle completely including the at least one pixel electrode.
  • the image pickup device may further include a microlens located above the second surface.
  • control electrode may overlap with a point where the thickness of the microlens is maximized.
  • the incident light can be focused on the region affected by the voltage applied to the control electrode. Therefore, the sensitivity can be changed in a wider range.
  • the photoelectric conversion layer may contain an organic material.
  • the image pickup apparatus may further include at least one pixel electrode and a shield electrode surrounding the control electrode in a plan view, which is located on the first surface.
  • control electrode may be electrically connected to the shield electrode.
  • the voltage of the shield electrode and the voltage of the control electrode are shared, so the number of power supplies can be reduced.
  • the image pickup apparatus further includes a voltage supply circuit, the signal charge is a hole, the voltage supply circuit supplies a first voltage to the counter electrode, and the first voltage is supplied to the control electrode.
  • the following second voltage may be supplied.
  • the amount of signal charge collected in the pixel electrode can be controlled by the voltage applied to the control electrode. That is, the sensitivity can be changed by the voltage applied to the control electrode.
  • the voltage supply circuit supplies the second voltage to the control electrode in the first frame period, and supplies a third voltage lower than the second voltage in the second frame period different from the first frame period. May be supplied.
  • the image pickup apparatus has a first surface and a second surface facing the first surface, and has a photoelectric conversion layer that generates a signal charge and the first surface of the photoelectric conversion layer. At least one pixel electrode located in, a control electrode located on the first surface of the photoelectric conversion layer and for controlling the sensitivity of the image pickup device, and a control electrode located on the second surface of the photoelectric conversion layer. A counter electrode facing the at least one pixel electrode and the control electrode, and a charge storage unit connected to the at least one pixel electrode and accumulating the signal charge are provided. In plan view, the control electrode overlaps the center of the smallest circle that completely contains the at least one pixel electrode.
  • the image pickup apparatus has a first surface and a second surface facing the first surface, and has a photoelectric conversion layer that generates a signal charge and the first surface of the photoelectric conversion layer.
  • the signal charge is connected to the at least one pixel electrode, the counter electrode facing the control electrode, the microlens located above the second surface of the photoelectric conversion layer, and the at least one pixel electrode. It is provided with a charge storage unit for accumulating.
  • the control electrode overlaps with the point where the thickness of the microlens is maximized.
  • each figure is a schematic diagram and is not necessarily exactly illustrated. Therefore, for example, the scales and the like do not always match in each figure.
  • planar view means a view from a direction perpendicular to the semiconductor substrate.
  • FIG. 1 schematically shows an example of the circuit configuration of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the image pickup apparatus 101 includes a plurality of unit pixel cells 14 and a peripheral circuit.
  • the plurality of unit pixel cells 14 are arranged two-dimensionally on the semiconductor substrate, that is, in the row direction and the column direction to form a photosensitive region (pixel region).
  • the image pickup apparatus 101 may be a line sensor, and the plurality of unit pixel cells 14 may be arranged one-dimensionally.
  • the row and column directions refer to the directions in which the rows and columns extend, respectively. That is, in FIG. 1, the vertical direction is the column direction and the horizontal direction is the row direction.
  • Each unit pixel cell 14 includes a photoelectric conversion unit 10, an amplification transistor 11, a reset transistor 12, and an address transistor 13.
  • the photoelectric conversion unit 10 includes a pixel electrode 50, a control electrode 61, and a counter electrode 52. By adjusting the voltage applied to the control electrode 61, the amount of the signal charge generated by the photoelectric conversion captured by the pixel electrode 50 is adjusted. That is, the sensitivity of the image pickup apparatus 101 is adjusted.
  • the image pickup apparatus 101 has a voltage application circuit 60 as an example of a voltage supply circuit.
  • the voltage application circuit 60 is configured to be able to simultaneously or selectively apply at least two different voltages to the control electrode 61 during the operation of the image pickup apparatus 101.
  • the voltage application circuit 60 may have a configuration capable of changing the voltage supplied to the control electrode 61.
  • the circuit configuration of the voltage application circuit 60 is not limited to a specific circuit configuration.
  • the voltage application circuit 60 may have a configuration for converting a voltage supplied from a voltage source into a predetermined voltage.
  • the voltage application circuit 60 itself may be configured to generate a predetermined voltage.
  • the voltage supplied from the voltage application circuit 60 to the control electrode 61 is referred to as a sensitivity adjustment voltage Vc.
  • the voltage application circuit 60 sets the sensitivity adjustment voltage Vc according to the command of the operator who operates the image pickup device 101 or the command of another control circuit included in the image pickup device 101 via the sensitivity adjustment line 28, via the control electrode. Supply to 61.
  • the voltage application circuit 60 is typically provided outside the photosensitive region as part of a peripheral circuit.
  • the sensitivity adjustment line 28 is provided for each line in FIG. 1, but is not limited to this.
  • the sensitivity adjustment line 28 may be common to all pixels or may be provided for each pixel. Further, when the sensitivity adjustment line 28 is provided for each row, the sensitivity adjustment voltage Vc may be changed individually for each row or may be changed simultaneously for all the rows.
  • the pixel electrode 50 is connected to the gate electrode of the amplification transistor 11.
  • the signal charge collected by the pixel electrode 50 is stored in the charge storage node 24 located between the pixel electrode 50 and the gate electrode of the amplification transistor 11.
  • the signal charge is a hole, but the signal charge may be an electron.
  • the signal charge stored in the charge storage node 24 is applied to the gate electrode of the amplification transistor 11 as a voltage corresponding to the amount of the signal charge.
  • the amplification transistor 11 amplifies this voltage.
  • the signal voltage is selectively read by the address transistor 13.
  • the source or drain electrode of the reset transistor 12 is connected to the pixel electrode 50.
  • the reset transistor 12 resets the signal charge stored in the charge storage node 24. In other words, the reset transistor 12 resets the potentials of the gate electrode and the pixel electrode 50 of the amplification transistor 11.
  • the image pickup apparatus 101 includes a power supply wiring 21, a vertical signal line 17, an address signal line 26, and a reset signal line 27. These lines are connected to the unit pixel cell 14, respectively.
  • the power supply wiring 21 is connected to the source or drain electrode of the amplification transistor 11.
  • the vertical signal line 17 is connected to the source or drain electrode of the address transistor 13.
  • the address signal line 26 is connected to the gate electrode of the address transistor 13.
  • the reset signal line 27 is connected to the gate electrode of the reset transistor 12.
  • the image pickup apparatus 101 includes a photoelectric conversion unit control line 16 for applying a predetermined voltage to the photoelectric conversion unit 10.
  • the voltage supplied to the photoelectric conversion unit 10 via the photoelectric conversion unit control line 16 may be common to all the photoelectric conversion units 10.
  • the voltage supplied to the photoelectric conversion unit 10 via the photoelectric conversion unit control line 16 may be a voltage having a constant magnitude or a voltage that changes with time.
  • the peripheral circuit includes a vertical scanning circuit 15, a horizontal signal reading circuit 20, a plurality of column signal processing circuits 19, a plurality of load circuits 18, and a plurality of inverting amplifiers 22.
  • the vertical scanning circuit 15 is also referred to as a row scanning circuit.
  • the horizontal signal reading circuit 20 is also referred to as a column scanning circuit.
  • the column signal processing circuit 19 is also referred to as a row signal storage circuit.
  • the inverting amplifier 22 is also referred to as a feedback amplifier.
  • the vertical scanning circuit 15 is connected to the address signal line 26 and the reset signal line 27.
  • the vertical scanning circuit 15 selects a plurality of unit pixel cells 14 arranged in each row in row units, reads out a signal voltage, and resets the potential of the pixel electrode 50.
  • the power supply wiring 21 supplies a predetermined power supply voltage to the amplification transistor 11 of each unit pixel cell 14.
  • the horizontal signal reading circuit 20 is electrically connected to a plurality of column signal processing circuits 19.
  • the column signal processing circuit 19 is electrically connected to the unit pixel cell 14 arranged in each row via the vertical signal line 17 corresponding to each row.
  • the load circuit 18 is electrically connected to each vertical signal line 17.
  • the load circuit 18 and the amplification transistor 11 form a source follower circuit.
  • a plurality of inverting amplifiers 22 are provided corresponding to each row.
  • the negative input terminal of the inverting amplifier 22 is connected to the corresponding vertical signal line 17. Further, the output terminal of the inverting amplifier 22 is connected to the unit pixel cell 14 via the feedback line 23 corresponding to each row.
  • the vertical scanning circuit 15 applies a row selection signal for controlling the on / off of the address transistor 13 to the gate electrode of the address transistor 13 by the address signal line 26. As a result, the row to be read is scanned and selected. A signal voltage is read from the unit pixel cell 14 in the selected row to the vertical signal line 17. Further, the vertical scanning circuit 15 applies a reset signal for controlling on and off of the reset transistor 12 to the gate electrode of the reset transistor 12 via the reset signal line 27. As a result, the row of the unit pixel cell 14 that is the target of the reset operation is selected. The vertical signal line 17 transmits the signal voltage read from the unit pixel cell 14 selected by the vertical scanning circuit 15 to the column signal processing circuit 19.
  • the column signal processing circuit 19 performs noise suppression signal processing represented by correlated double sampling and analog-to-digital conversion (AD conversion), for example.
  • the horizontal signal reading circuit 20 sequentially reads signals from the plurality of column signal processing circuits 19 to the horizontal common signal line 29.
  • the inverting amplifier 22 is connected to the drain electrode of the reset transistor 12 via the feedback line 23. Therefore, the inverting amplifier 22 receives the output of the address transistor 13 at the negative terminal when the address transistor 13 and the reset transistor 12 are in a conducting state.
  • the inverting amplifier 22 performs a feedback operation so that the gate potential of the amplification transistor 11 becomes a predetermined feedback voltage. At this time, the output voltage value of the inverting amplifier 22 is 0V or a positive voltage in the vicinity of 0V.
  • the feedback voltage means the output voltage of the inverting amplifier 22.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the device structure of the unit pixel cell 14 in the image pickup apparatus 101 according to the present embodiment.
  • the unit pixel cell 14 includes a semiconductor substrate 31, a charge detection circuit 25, a photoelectric conversion unit 10, a sealing film 53, a color filter 54, and a microlens 55.
  • the semiconductor substrate 31 is, for example, a p-type silicon substrate.
  • the charge detection circuit 25 detects the signal charge captured by the pixel electrode 50 and outputs the signal voltage.
  • the charge detection circuit 25 includes an amplification transistor 11, a reset transistor 12, and an address transistor 13, and is formed on the semiconductor substrate 31.
  • the amplification transistor 11 is formed on the semiconductor substrate 31, and has n-type impurity regions 41C and 41D that function as drains and sources, respectively, a gate insulating layer 38B located on the semiconductor substrate 31, and a gate located on the gate insulating layer 38B. Includes electrode 39B.
  • the reset transistor 12 is formed on the semiconductor substrate 31, and has n-type impurity regions 41B and 41A that function as drains and sources, respectively, a gate insulating layer 38A located on the semiconductor substrate 31, and a gate located on the gate insulating layer 38A. Includes electrode 39A.
  • the address transistor 13 is formed on the semiconductor substrate 31, and has n-type impurity regions 41D and 41E that function as drains and sources, respectively, and a gate insulating layer 38C located on the semiconductor substrate 31 and a gate electrode located on the gate insulating layer 38C. Including 39C.
  • the n-type impurity region 41D is shared by the amplification transistor 11 and the address transistor 13, whereby the amplification transistor 11 and the address transistor 13 are connected in series.
  • an element separation region 42 is provided between the adjacent unit pixel cells 14 and between the amplification transistor 11 and the reset transistor 12.
  • the element separation region 42 electrically separates the adjacent unit pixel cells 14. Further, the leakage of the signal charge accumulated in the charge storage node 24 is suppressed.
  • Interlayer insulation layers 43A, 43B and 43C are laminated on the surface of the semiconductor substrate 31.
  • a contact plug 45A and a contact plug 45B are contained in the interlayer insulating layer 43A.
  • the wiring 46A to be connected is provided in the interlayer insulating layer 43A.
  • the n-type impurity region 41B as the drain of the reset transistor 12 is electrically connected to the gate electrode 39B of the amplification transistor 11.
  • the photoelectric conversion unit 10 is provided on the interlayer insulating layer 43C.
  • the photoelectric conversion unit 10 includes a counter electrode 52, a photoelectric conversion layer 51, a pixel electrode 50, and a control electrode 61.
  • the photoelectric conversion layer 51 is sandwiched between the counter electrode 52, the pixel electrode 50, and the control electrode 61.
  • the pixel electrode 50 and the control electrode 61 are provided on the interlayer insulating layer 43C.
  • the counter electrode 52 is formed of a conductive transparent material such as ITO.
  • the pixel electrode 50 and the control electrode 61 are formed of, for example, aluminum, a metal containing copper, or polysilicon doped with impurities to impart conductivity.
  • the sealing film 53 is an insulating film provided on the counter electrode 52.
  • the color filter 54 is provided on the sealing film 53 and selectively passes light in a specific wavelength range.
  • the color filter 54 corresponds to, for example, any of the three primary colors of RGB or infrared IR.
  • the microlens 55 is a convex lens provided on the color filter 54 and condensing incident light.
  • the control electrode 61 is connected to the wiring 46C provided on the interlayer insulating layer 43B via a plug 47 provided in the interlayer insulating layer 43C.
  • the wiring 46C is connected to the sensitivity adjusting line 28 shown in FIG.
  • the pixel electrode 50 is connected to the wiring 46A via the plug 48C provided in the interlayer insulating layer 43C, the wiring 49 provided on the interlayer insulating layer 43B, the plug 48B, the wiring 46B, and the plug 48A.
  • the wiring 46A is further connected to the n-type impurity region 41B via the contact plug 45A, and is connected to the gate electrode 39B of the amplification transistor 11 via the contact plug 45B.
  • These plugs, contact plugs and wiring are formed of a metal such as aluminum or copper, or polysilicon doped with impurities to impart conductivity.
  • the image pickup apparatus 101 detects holes as signal charges among the hole-electron pairs generated by the photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer 51.
  • the detected signal charge is stored in the charge storage node 24 (see FIG. 1) shown in FIG.
  • the charge storage node 24 includes a pixel electrode 50, a gate electrode 39B, an n-type impurity region 41B and plugs 48A, 48B, 48C, contact plugs 45A, 45B and wirings 49, 46B, 46A (see FIG. 2) connecting them. ..
  • the charge storage node 24 corresponds to a charge storage unit.
  • the photoelectric conversion layer 51 covers the control electrode 61 and the pixel electrode 50 on the interlayer insulating layer 43C, and is continuously formed over the entire plurality of unit pixel cells 14.
  • the photoelectric conversion layer 51 is formed of, for example, an organic material or amorphous silicon.
  • the photoelectric conversion layer 51 may include a charge blocking layer at the interface with the electrode.
  • the vertical scanning circuit 15, the horizontal signal reading circuit 20, the column signal processing circuit 19, the load circuit 18, and the inverting amplifier 22 shown in FIG. 1 are also formed on the semiconductor substrate 31.
  • the image pickup device 101 can be manufactured by using a general semiconductor manufacturing process.
  • the image pickup apparatus 101 can be manufactured by using various silicon semiconductor processes.
  • the control electrode 61 and the pixel electrode 50 may be formed at the same time or separately.
  • the pixel electrode 50 is in direct contact with the photoelectric conversion layer 51.
  • the control electrode 61 may be in direct contact with the photoelectric conversion layer 51, or an insulating film may be arranged between the control electrode 61 and the photoelectric conversion layer 51.
  • control electrode 61 and the pixel electrode 50 Next, an example of arrangement of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 will be described.
  • FIG. 3 is a plan view showing a pixel electrode 50 and a control electrode 61 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A1 and the circle B1 shown by the dotted lines are auxiliary lines for explanation.
  • the control electrode 61 is a square and is arranged in the center of the unit pixel cell 14.
  • the outer edge of the pixel electrode 50 is square and has a square opening.
  • the control electrode 61 is arranged in the opening of the pixel electrode 50.
  • the pixel electrode 50 completely surrounds the control electrode 61, but the pixel electrode 50 does not have to completely surround the control electrode 61.
  • the pixel electrode 50 may have a C-shaped shape in which a part of the ring is missing, or may be divided into a plurality of parts.
  • the control electrode 61 overlaps with the center point of the smallest circle completely including the pixel electrode 50 in a plan view.
  • circle B1 represents the smallest circle that completely includes the pixel electrode 50.
  • the point C1 indicates the center point of the circle B1.
  • the center point C1 of the circle B1 overlaps with the control electrode 61.
  • Such a condition means that the control electrode 61 is located near the center of the unit pixel cell 14 in a plan view.
  • the vicinity of the central portion of the unit pixel cell 14 is a region focused by the microlens 55, and more signal charges are generated than the peripheral portion in the unit pixel cell 14.
  • the sensitivity can be changed in a wide range depending on the voltage applied to the control electrode 61. Further, the higher the maximum sensitivity of the unit pixel cell 14, the wider the range in which the sensitivity can be changed by the voltage applied to the control electrode 61. In order to increase the maximum sensitivity of the unit pixel cell 14, it is desirable to increase the area of the pixel electrode 50 and bring it closer to the control electrode 61.
  • the shortest distance between the center point C1 and the pixel electrode 50 may be, for example, half or less of the radius of the circle B1. As a result, a larger effect can be obtained.
  • control electrode 61 may overlap with the point where the thickness of the microlens 55 becomes maximum in a plan view.
  • the point C1 is also an example of the point where the thickness of the microlens 55 is maximized.
  • the sensitivity can be changed in a wide range depending on the voltage applied to the control electrode 61 by arranging the point C1 at which the thickness of the microlens 55 is maximized so as to overlap the control electrode 61. ..
  • the present embodiment there is a line segment connecting two points on the pixel electrode 50 and overlapping with the control electrode 61 in a plan view.
  • the line segment A1 in FIG. 3 is an example of the above-mentioned line segment. As will be described in detail in the modification described later, the same effect can be obtained by arranging the line segments so as to exist.
  • the holes generated in the photoelectric conversion layer 51 are pixelated by setting the potentials of the pixel electrode 50 and the control electrode 61 lower than those of the counter electrode 52. It can be collected on the electrode 50.
  • a voltage of about 10 V is applied to the counter electrode 52. Further, the potential of the pixel electrode 50 is reset by turning the reset transistor 12 ON and then OFF. By resetting, the potential of the charge storage node 24 including the pixel electrode 50 is set to a reset voltage, for example, 0V as an initial value. Further, from the voltage application circuit 60, for example, a first sensitivity adjustment voltage lower than the reset voltage is applied to the control electrode 61. Here, as the first sensitivity adjustment voltage, a voltage of ⁇ 2V is applied to the control electrode 61.
  • the potentials of the pixel electrode 50 and the control electrode 61 are set lower than those of the counter electrode 52. Therefore, the holes generated by the photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer 51 move to the control electrode 61 and the pixel electrode 50.
  • the voltage of the control electrode 61 is lower than the reset voltage of the pixel electrode 50. That is, the potential difference between the control electrode 61 and the counter electrode 52 is larger than the potential difference between the pixel electrode 50 and the counter electrode 52. Therefore, the generated holes are more likely to move to the control electrode 61 than to the pixel electrode 50. As a result, the holes generated in the region 51B (see FIG.
  • the region 51B is a region of the photoelectric conversion layer 51 in which the signal charge (here, a hole) generated by the photoelectric conversion is mainly collected by the pixel electrode 50, and the region 51A is the region of the photoelectric conversion layer 51. Of these, this is a region in which the signal charge (here, holes) generated by photoelectric conversion mainly moves to the control electrode 61.
  • FIG. 4B is a plan view of the region 51A as viewed from the pixel electrode 50 and the control electrode 61 side.
  • the region 51A has a first area slightly larger than the control electrode 61 in a plane parallel to the photoelectric conversion layer 51.
  • the shape and area of the region 51A when viewed from the direction perpendicular to the photoelectric conversion layer 51 do not necessarily match the shape and area of the control electrode 61.
  • the shape and / or area of the region 51A may change depending on the voltage applied to the pixel electrode 50, the control electrode 61, and the counter electrode 52.
  • the shape and area of the region 51B when viewed from the direction perpendicular to the photoelectric conversion layer 51 do not necessarily match the shape and area of the pixel electrode 50.
  • 4A and 4B show the region 51A schematically, and there is no clear boundary between the region 51A and the region 51B.
  • the signal charge is accumulated for each frame, and the accumulated charge and the potential of the pixel electrode 50 are reset. Thereby, the light incident on the photoelectric conversion layer 51 can be detected in the region 51B having the second area.
  • 4C and 4D show an example in which the voltage application circuit 60 applies a second sensitivity adjustment voltage higher than the first sensitivity adjustment voltage to the control electrode 61.
  • the second sensitivity adjustment voltage is 5V.
  • the holes generated by the photoelectric conversion in the photoelectric conversion layer 51 move to the control electrode 61 and the pixel electrode 50 in the same manner as when the first sensitivity adjustment voltage is applied.
  • the second sensitivity adjustment voltage here 5V
  • the reset voltage here 0V
  • a second sensitivity adjustment voltage higher than the first sensitivity adjustment voltage in the example described with reference to FIGS. 4A and 4B is applied to the control electrode 61. Therefore, the amount of holes flowing into the control electrode 61 is smaller than that when the first sensitivity adjusting voltage is applied to the control electrode 61. That is, the generated holes are more likely to move to the pixel electrode 50. As a result, as schematically shown in FIG. 4C, the region 51D in which the holes that can move to the pixel electrode 50 are distributed is compared with the region 51B when the first sensitivity adjustment voltage is applied to the control electrode 61. Will grow.
  • the region 51C in which the holes that can move to the control electrode 61 are distributed is smaller than the region 51A (see FIG. 4A) when the first sensitivity adjustment voltage is applied to the control electrode 61.
  • FIG. 4D is a plan view of the region 51C as viewed from the pixel electrode 50 and the control electrode 61 side.
  • the region 51C has, for example, a third area smaller than the first area in a plane parallel to the photoelectric conversion layer 51.
  • the region 51D has a fourth area that is larger than the second area when viewed from a direction perpendicular to the photoelectric conversion layer 51, for example.
  • a signal charge is accumulated for each frame in a state where the second sensitivity adjustment voltage is applied to the control electrode 61, and the accumulated charge and the potential of the pixel electrode 50 are reset. Thereby, the light incident on the photoelectric conversion layer 51 can be detected in the region 51D having the fourth area.
  • the region 51B in which the signal charge is captured by the pixel electrode 50 is relatively small
  • the region 51B is relatively small
  • the region 51D in which the signal charge is captured by the pixel electrode 50 is relatively large. That is, when the first sensitivity adjustment voltage is applied to the control electrode 61, the sensitivity of the image pickup apparatus 101 is relatively low, and when the second sensitivity adjustment voltage is applied, the sensitivity is relatively high. In this way, the sensitivity of the image pickup apparatus 101 can be changed by changing the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61.
  • the unit pixel cell 14 When the unit pixel cell 14 has a microlens, the light is focused on the central portion of the unit pixel cell 14 by the microlens. Therefore, a larger amount of signal charge is generated in the central portion of the unit pixel cell 14 than in the peripheral portion.
  • the control electrode 61 by arranging the control electrode 61 in the central portion of the unit pixel cell 14, the destination of the signal charge generated in the central portion can be efficiently controlled by the voltage of the control electrode 61. This makes it possible to change the sensitivity in a wider range.
  • the first sensitivity adjustment voltage and the second sensitivity adjustment voltage are examples, and the sensitivity adjustment voltage Vc is not limited to the above voltage value.
  • the sensitivity is controlled by the control electrode 61, which is a third electrode, while maintaining a high electric field between the two terminals of the charge storage node 24 or the pixel electrode 50 and the counter electrode 52. Therefore, a region where the photocurrent between the two terminals is saturated can be used. By using the region where the photocurrent is saturated, even if the potential of the pixel electrode 50 changes due to the accumulation of signal charges, the influence on the photocurrent can be reduced. Thereby, according to the present embodiment, the sensitivity can be kept substantially constant with respect to the sensitivity adjustment voltage Vc.
  • Vc the control electrode 61
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the unit pixel cell 14 of the image pickup apparatus 101 according to the present embodiment.
  • the photoelectric conversion unit 10 is schematically shown, but in FIG. 5, the photoelectric conversion unit 10 is illustrated by an equivalent circuit element.
  • the unit pixel cell 14 includes an amplification transistor 11, a reset transistor 12, an address transistor 13, a laminated film capacity 10C, and a photoelectric conversion unit 10.
  • the power supply voltage VDD supplied to the amplification transistor 11 are also added.
  • the amplification transistor 11, the reset transistor 12, and the address transistor 13 constitute the charge detection circuit 25 as described above.
  • One of the two electrodes constituting the laminated film capacity 10C corresponds to the control electrode 61, and the sensitivity adjustment voltage Vc is applied.
  • the other electrode corresponds to the portion of the counter electrode 52 facing the control electrode 61. That is, the laminated film capacity 10C is a capacitor corresponding to a portion of the photoelectric conversion layer 51 sandwiched between the control electrode 61 and the counter electrode 52.
  • the photoelectric conversion unit 10 is equivalent to a photodiode as a photoelectric conversion element.
  • the cathode of the photodiode corresponds to the counter electrode 52.
  • the anode corresponds to the pixel electrode 50.
  • the charge storage node 24 is illustrated as a capacitor in FIG.
  • the control electrode 61 to which the sensitivity adjustment voltage Vc is applied has a small parasitic capacitance with respect to the pixel electrode 50, the potential fluctuation of the pixel electrode 50 due to the change of the sensitivity adjustment voltage Vc becomes small.
  • the control electrode 61 has a laminated film capacity of 10C corresponding to the facing electrode 52 facing the photoelectric conversion layer 51 as a dielectric.
  • the counter electrode 52 is connected to the voltage application circuit 60, even if the potential of the counter electrode 52 changes due to the fluctuation of the sensitivity adjustment voltage Vc, the potential is immediately returned to a predetermined voltage. With such a configuration, even if the sensitivity adjustment voltage Vc is changed, the potentials of the two terminals of the counter electrode 52 and the pixel electrode 50 hardly change.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the potential difference between the electrodes of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment and the photocurrent.
  • the horizontal axis in the figure shows the potential of the counter electrode 52 with respect to the pixel electrode 50, that is, the potential difference between the pixel electrode 50 and the counter electrode 52.
  • the vertical axis shows the magnitude of the photocurrent due to the electric charge generated by the incident light of a constant amount of light. That is, the characteristic of FIG. 6 shows the photocurrent-voltage characteristic between the two terminals in the absence of the control electrode 61, and shows the magnitude of the photocurrent when the voltage VITO is changed under a constant amount of light.
  • the characteristics in the figure are roughly classified into a region Z, a linear region, and a saturated region according to the magnitude of the voltage VITO.
  • the region Z is a region where the voltage VITO is in the vicinity of 0 V, and almost no photocurrent flows.
  • the photocurrent increases substantially linearly with increasing voltage VITO.
  • the saturated region the photocurrent does not change much even if the voltage VITO increases.
  • the region where photocurrent is generated is divided into a linear region and a saturated region.
  • the potential of the pixel electrode 50 changes due to the accumulation of signal charges, and the potential difference between the pixel electrode 50 and the counter electrode 52 changes.
  • the photocurrent also changes with the potential change of the pixel electrode 50. That is, since the sensitivity fluctuates according to the amount of accumulated signal charge, the linearity of the signal output value is broken.
  • the photoelectric conversion element when the photoelectric conversion element operates in the saturated region, the photocurrent does not change much even if the potential of the pixel electrode 50 changes. Therefore, the sensitivity is kept constant regardless of the accumulated amount of signal charge. Therefore, the signal output becomes linear with respect to the amount of incident light and the accumulation time.
  • the potential of the pixel electrode 50 can rise up to approximately the same value as the potential of the counter electrode 52, but the potential of the pixel electrode 50 in which the signal can be detected is also limited by the voltage supplied to the amplification transistor 11. For example, by setting the potential of the counter electrode 52 to a sufficiently high value, it is possible to operate the photoelectric conversion element in the saturation region in the potential range of the pixel electrode 50 where the signal can be detected.
  • the method of changing the sensitivity by the sensitivity adjustment voltage Vc of the control electrode 61 is suitable in that the linearity can be ensured in the saturated region rather than the linear region.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the voltage applied to the control electrode 61 and the photocurrent in the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the horizontal axis represents the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61.
  • the vertical axis shows the magnitude of the photocurrent corresponding to the electric charge generated by the incident light of a constant amount of light.
  • FIG. 7 shows a case where the voltage VITO shown in FIG. 6 is within the range of the saturation region. That is, the photoelectric conversion characteristic of FIG. 7 indicates the magnitude of the photocurrent when the sensitivity adjustment voltage Vc is changed under a constant amount of light when the voltage VITO is within the saturation region of FIG.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc When the sensitivity adjustment voltage Vc is high, the holes generated in the photoelectric conversion layer 51 easily flow to the pixel electrode 50 side, so that the photocurrent increases and the sensitivity increases. When the sensitivity adjustment voltage Vc becomes sufficiently high, almost all the holes generated in the photoelectric conversion layer 51 flow to the pixel electrode 50, so that the sensitivity change is slowed down. On the contrary, when the sensitivity adjustment voltage Vc is low, the holes generated in the photoelectric conversion layer 51 easily flow to the control electrode 61, so that the photocurrent to the pixel electrode 50 decreases and the sensitivity becomes low.
  • the signal charge is a hole, but the signal charge may be an electron.
  • the signal charge is an electron
  • a voltage higher than that of the counter electrode 52 is applied to the pixel electrode 50 and the control electrode 61.
  • the electrons generated by the photoelectric conversion move to the pixel electrode 50 and the control electrode 61.
  • the signal charge is an electron
  • the smaller the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode the easier it is for electrons to flow to the pixel electrode, and the higher the sensitivity of the image pickup device.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode is relatively high, electrons are likely to flow through the control electrode, and the sensitivity of the image pickup apparatus is low.
  • the sensitivity of the image pickup apparatus 101 is changed by adjusting the sensitivity adjustment voltage Vc.
  • the sensitivity of the image pickup apparatus is relatively low when the potential difference between the counter electrode 52 and the control electrode 61 is larger than the potential difference between the counter electrode 52 and the pixel electrode 50. Become.
  • the potential difference between the counter electrode 52 and the control electrode 61 is smaller than the potential difference between the counter electrode 52 and the pixel electrode 50, the sensitivity of the image pickup apparatus becomes relatively high. This relationship holds even when the signal charge is an electron.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is between a value higher than the reset voltage of the pixel electrode 50 and a value equal to or lower than the reset voltage. It is changing with. However, even if the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is changed in a range higher or lower than the reset voltage of the pixel electrode 50, the sensitivity of the image pickup apparatus 101 can be changed. For example, when the signal charge is a hole and the sensitivity adjustment voltage Vc is changed in a range lower than the reset voltage of the pixel electrode 50, the potential difference between the pixel electrode 50 and the control electrode 61 is relatively large. The larger the value, the lower the sensitivity of the image pickup device.
  • FIG. 8 is a diagram showing a first modification example of the shapes of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A2 and the circle B2 shown by the dotted lines are auxiliary lines for explanation.
  • This modification is different from the arrangement example shown in FIG. 3 in that a shield electrode 62 surrounding the pixel electrode 50 is added. A constant voltage is applied to the shield electrode 62. As a result, the shield electrode 62 prevents the signal charge from moving between the adjacent unit pixel cells 14 and prevents color mixing.
  • the shield electrode 62 may be continuously formed over a plurality of unit pixel cells 14.
  • the shield electrode 62 may be provided independently for each row, or may be provided independently for each pixel.
  • the shield electrode 62 may be electrically connected to the control electrode 61. This makes it possible to reduce the number of independent power sources.
  • FIG. 9 is a diagram showing a second modification example of the shapes of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A3 shown by the dotted line is an auxiliary line for explanation.
  • the pixel electrode 50 has an H shape and is arranged in the center of the unit pixel cell 14.
  • the control electrode 61 is arranged so as to surround the pixel electrode 50, and has a convex portion protruding toward the pixel electrode 50.
  • the convex portion of the control electrode 61 extends toward the concave portion of the pixel electrode 50 so as to face the pixel electrode 50 on both sides thereof.
  • the convex portion of the control electrode 61 is arranged so as to be inserted into the concave portion of the pixel electrode 50.
  • the line segment A3 in FIG. 9 is an example of the above-mentioned line segment.
  • the length of the side where the pixel electrode 50 and the control electrode 61 face each other becomes longer in a plan view. Therefore, the change range of the amount of the signal charge moving to the pixel electrode 50 can be widened by the sensitivity control voltage Vc applied to the control electrode 61. Further, according to this modification, the convex portion of the control electrode 61 is arranged near the center of the unit pixel cell 14. Therefore, the same effect as that described with reference to FIG. 3 can be obtained. Therefore, according to this modification, the sensitivity can be changed in a wider range.
  • FIG. 10 is a diagram showing a third modification example of the shapes of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A4 shown by the dotted line is an auxiliary line for explanation.
  • the pixel electrode 50 has a cross shape and is arranged in the center of the unit pixel cell 14.
  • the control electrode 61 is arranged so as to surround the pixel electrode 50, and has a convex portion protruding toward the pixel electrode 50.
  • the convex portion of the control electrode 61 extends toward the concave portion of the pixel electrode 50 so as to face the pixel electrode 50 on both sides thereof.
  • the convex portion of the control electrode 61 is arranged so as to be inserted into the concave portion of the pixel electrode 50.
  • the line segment A4 in FIG. 10 is an example of the above-mentioned line segment.
  • the length of the side where the pixel electrode 50 and the control electrode 61 face each other becomes longer in a plan view. Therefore, the change range of the amount of the signal charge moving to the pixel electrode 50 can be widened by the sensitivity control voltage Vc applied to the control electrode 61. Further, according to this modification, the convex portion of the control electrode 61 is arranged near the center of the unit pixel cell 14. Therefore, the same effect as that described with reference to FIG. 3 can be obtained. Therefore, according to this modification, the sensitivity can be changed in a wider range.
  • FIG. 11 is a diagram showing a fourth modification example of the shapes of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A5 and the circle B5 shown by the dotted lines are auxiliary lines for explanation.
  • the pixel electrode 50 has a C shape.
  • the control electrode 61 is arranged so as to surround the pixel electrode 50, and has a convex portion protruding toward the pixel electrode 50.
  • the convex portion of the control electrode 61 extends toward the concave portion of the pixel electrode 50 so as to face the pixel electrode 50 on both sides thereof. That is, the convex portion of the control electrode 61 is arranged so as to be inserted into the concave portion of the pixel electrode 50.
  • FIG. 11 there is a line segment connecting two points on the pixel electrode 50 and overlapping with the control electrode 61 in a plan view.
  • the line segment A5 in FIG. 11 is an example of the above-mentioned line segment.
  • the control electrode 61 overlaps with the center point of the smallest circle completely including the pixel electrode 50.
  • circle B5 represents the smallest circle that completely includes the pixel electrode 50.
  • C5 indicates the center point of the circle B5. As shown in FIG. 11, the center point C5 of the circle B5 overlaps with the control electrode 61.
  • the length of the side where the pixel electrode 50 and the control electrode 61 face each other becomes longer in a plan view. Therefore, the change range of the amount of the signal charge moving to the pixel electrode 50 can be widened by the sensitivity control voltage Vc applied to the control electrode 61. Further, according to this modification, the convex portion of the control electrode 61 is arranged near the center of the unit pixel cell 14. Therefore, the same effect as that described with reference to FIG. 3 can be obtained. Therefore, according to this modification, the sensitivity can be changed in a wider range.
  • FIG. 12 is a diagram showing a fifth modification example of the shapes of the control electrode 61 and the pixel electrode 50 of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the line segment A6 and the circle B6 shown by the dotted lines are auxiliary lines for explanation.
  • the unit pixel cell 14 in the image pickup apparatus 101 includes two pixel electrodes 50, each of which is rectangular.
  • the control electrode 61 is arranged so as to surround each of the two pixel electrodes 50, and has a portion extending between the two pixel electrodes 50.
  • the line segment A6 in FIG. 12 is an example of the above-mentioned line segment.
  • the control electrode 61 overlaps with the center point of the smallest circle completely including the pixel electrode 50.
  • circle B6 represents the smallest circle that completely includes the pixel electrode 50.
  • C6 indicates the center point of the circle B6. As shown in FIG. 12, the center point C6 of the circle B6 overlaps with the control electrode 61.
  • the length of the side where the pixel electrode 50 and the control electrode 61 face each other becomes longer in a plan view. Therefore, the change range of the amount of the signal charge moving to the pixel electrode 50 can be widened by the sensitivity control voltage Vc applied to the control electrode 61. Further, according to this modification, a part of the control electrode 61 is arranged near the center of the unit pixel cell 14. Therefore, the same effect as that described with reference to FIG. 3 can be obtained. Therefore, according to this modification, the sensitivity can be changed in a wider range.
  • FIG. 13 is a timing chart showing an example of the operation of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the figure shows an example of the timing of application and exposure of the sensitivity adjustment voltage Vc when the sensitivity adjustment voltage Vc is changed in the image pickup apparatus 101.
  • RST1, RST2, RST3, RST4, ..., RSTn are applied to the gate electrodes of the reset transistor 12 constituting the first, second, third, fourth, ..., Nth rows, respectively. It shows the timing of the gate voltage (also called the reset gate voltage).
  • the image pickup apparatus 101 performs exposure and signal reading line by line, for example. Therefore, by applying the reset gate voltage, the charge storage node 24 in the unit pixel cell 14 in each row is sequentially reset during the period of one frame. In each row of the pixel array, the period from the application of the reset gate voltage to the application of the next reset gate voltage corresponds to the exposure time.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is changed at the start timing of the second frame.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is controlled at the same timing as a whole, not for each row. While the sensitivity adjustment voltage Vc is controlled at the same timing in the entire pixel array, the timing of the exposure start of each row of pixels is deviated from row to row, as can be seen from FIG. Therefore, no matter when the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is changed, the sensitivity adjustment voltage Vc changes during the exposure time.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc In the frame in which the sensitivity adjustment voltage Vc is changed (here, the second frame), the sensitivity is different for each row, and the sensitivity adjustment voltage Vc changes in the middle of the exposure period, so that it corresponds to the sensitivity adjustment voltage Vc to be applied. It is not possible to detect incident light with the correct sensitivity. Therefore, the image data captured in the second frame in which the sensitivity adjustment voltage Vc is changed is discarded. In the next third frame, since the changed sensitivity adjustment voltage Vc is applied to any row from the start of exposure, it is possible to detect the incident light with the correct sensitivity in all the rows.
  • the sensitivity of the image pickup apparatus can be changed in frame units by changing the value of the sensitivity adjustment voltage Vc supplied from the voltage application circuit. Therefore, it is possible to realize an image pickup device capable of taking a picture with high image quality even in various environments where the brightness changes greatly.
  • control electrodes 61 of each unit pixel cell 14 are connected to each other, the wiring for driving the control electrodes can be reduced.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is changed in units of 2 frames.
  • the switching of the sensitivity adjustment voltage Vc is not limited to the unit of two frames. As described below, it is also possible to switch the sensitivity adjustment voltage Vc in units of one frame.
  • FIG. 14 is a timing chart showing another example of the operation of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the figure shows another example of timing of application of sensitivity adjustment voltage Vc, exposure, and signal readout.
  • the voltage application circuit 60 switches the sensitivity adjustment voltage Vc from V0 to Vs during one frame, and further switches the sensitivity adjustment voltage Vc to V0 again after a lapse of a certain period of time Te.
  • the voltage V0 is a voltage sufficiently low enough to make the sensitivity of the image pickup apparatus 101 almost zero. That is, in a state where the voltage V0 is applied to the control electrode 61, most of the signal charges (here, holes) generated in the photoelectric conversion layer 51 are captured by the control electrode 61. In other words, when the voltage V0 is applied to the control electrode 61, the region where the signal charge is captured by the pixel electrode 50 (for example, the region 51B shown in FIGS. 4A and 4B) is sufficiently small. The signal charge captured by the pixel electrode 50 is very small. That is, by applying the voltage V0 to the control electrode 61, it is possible to realize a state as if the photosensitive area is shielded from light.
  • the image pickup device 101 has the sensitivity required for photographing. be able to.
  • the voltage Vs is applied to the control electrode 61 in a certain period within one frame, and the voltage V0 is applied in the other period. Therefore, the collection of the signal charge by the pixel electrode 50 is executed except for the period in which the sensitivity is almost 0 and the voltage V0 is applied to the control electrode 61. That is, the period Te in which the voltage Vs is applied to the control electrode 61 in one frame contributes to the accumulation of the signal charge as an effective exposure time.
  • the effective exposure time can be adjusted by the period in which the voltage Vs is applied to the control electrode 61. As shown in FIG. 14, this effective exposure time may be common to all unit pixel cells 14. Therefore, it is possible to make the exposure periods of all the unit pixel cells included in the pixel array uniform. That is, by changing the sensitivity adjustment voltage Vc within one frame, it is possible to realize the same function as the so-called global shutter without separately providing a capacitive element or the like for accumulating signal charges in the pixel.
  • the waveform of the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the period Te is not limited to the rectangular pulse as shown by the solid line in FIG. 14, but may be a triangular wave as shown by the dotted line.
  • FIG. 15 is a timing chart showing still another example of the operation of the image pickup apparatus 101 according to the first embodiment.
  • the figure shows yet another example of the timing of application of the sensitivity adjustment voltage Vc, exposure, and signal readout.
  • V0 of an appropriate magnitude
  • the sensitivity of the image pickup apparatus 101 can be reduced to almost zero. That is, the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 can be used instead of the shutter.
  • the accumulation of signal charges is performed during the period when the voltage Vs is applied to the control electrode 61. The period in which the voltage V0 is applied to the control electrode 61 does not effectively contribute to image acquisition.
  • the voltage application circuit 60 periodically switches the sensitivity adjustment voltage Vc to V0 and Vs during one frame. Therefore, the effective exposure period and the non-exposure period are periodically repeated. For example, when shooting under a lighting fixture having periodic flicker, the influence of the periodic flicker of the lighting fixture can be canceled by periodically changing the voltage applied to the control electrode 61.
  • FIG. 16 is a timing chart showing still another example of the operation of the image pickup apparatus according to the first embodiment.
  • the figure shows yet another example of the timing of application of the sensitivity adjustment voltage Vc, exposure, and signal readout.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 is controlled at different timings for each row.
  • Vc1, Vc2, Vc3, Vc4, ..., Vcn indicate the timing of change in the sensitivity adjustment voltage Vc applied to the control electrode 61 of the unit pixel cell 14 in the first row to the nth row, respectively. ing.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc is changed according to the timing of switching the reset gate voltage from the high level to the low level.
  • the sensitivity adjustment voltage Vc in each frame can be made constant in each row of the unit pixel cell 14. That is, the sensitivity can be changed on a frame-by-frame basis for each line.
  • the image pickup apparatus of the present embodiment can adjust the sensitivity in frame units, it responds to the change in brightness at high speed and adjusts the sensitivity even in a shooting environment where the brightness changes rapidly. It is possible.
  • the image pickup device according to the present disclosure is useful for image pickup devices such as digital cameras and image sensors.
  • Photoelectric conversion unit 10C Laminated film capacity 11 Amplification transistor 12 Reset transistor 13 Address transistor 14 Unit pixel cell 15 Vertical scanning circuit 16 Photoelectric conversion unit control line 17 Vertical signal line 18 Load circuit 19 Column signal processing circuit 20 Horizontal signal readout circuit 21 Power supply Wiring 22 Inversion amplifier 23 Feedback line 24 Charge storage node 25 Charge detection circuit 26 Address signal line 27 Reset signal line 28 Sensitivity adjustment line 29 Horizontal common signal line 31 Semiconductor substrate 38A Gate insulation layer 38C Gate insulation layer 39A Gate electrode 39C Gate electrode 41C n-type impurity region 41D n-type impurity region 42 Element separation region 43A Interlayer insulation layer 43C Interlayer insulation layer 45A Contact plugs 46A, 46C, 49 Wiring 48A, 48B, 48C Plug 50 Pixel electrode 51 Transistor conversion layer 51A, 51B, 51C, 51D Region 52 Opposing electrode 53 Sealing film 54 Color filter 55 Microlens 60 Voltage application circuit 61 Control electrode 62 Shielding electrode 101 Image pickup device L1 Distance Vc Sensitivity adjustment voltage

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Abstract

撮像装置は、第１面と第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、光電変換層の第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、光電変換層の第１面上に位置する制御電極と、光電変換層の第２面上に位置し、少なくとも１つの画素電極および制御電極と対向する対向電極と、少なくとも１つの画素電極に接続され、信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備える。少なくとも１つの画素電極上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極と重なる線分が存在する。

Description

撮像装置
　本開示は、撮像装置に関する。
　特許文献１および特許文献２は、感度が可変である積層型の撮像装置を開示している。
特開２０１９－５４４９９号公報 特開２０１６－８６４０７号公報
　本開示は、広い範囲で感度を変えることができる撮像装置を提供する。
　本開示の一態様における撮像装置は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、前記光電変換層の前記第１面上に位置し、前記撮像装置の感度を制御するための制御電極と、前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備える。前記少なくとも１つの画素電極上の２点を結ぶ線分であって、平面視において前記制御電極と重なる線分が存在する。
　本開示の撮像装置によれば、広い範囲で感度を変えることができる。
図１は、実施形態１に係る撮像装置の回路構成の一例を模式的に示す図である。 図２は、実施形態１に係る撮像装置の単位画素セルのデバイス構造を模式的に示す断面図である。 図３は、実施形態１に係る撮像装置の画素電極および制御電極を示す平面図である。 図４Ａは、制御電極に電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、画素電極に移動し得る信号電荷が存在する領域の一例を示す模式的な断面図である。 図４Ｂは、制御電極に電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、画素電極に移動し得る信号電荷が存在する領域の一例を示す模式的な平面図である。 図４Ｃは、制御電極に電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、画素電極に移動し得る信号電荷が存在する領域の一例を示す模式的な断面図である。 図４Ｄは、制御電極に電圧を印加した場合において光電変換層に形成される、画素電極に移動し得る信号電荷が存在する領域の一例を示す模式的な平面図である。 図５は、第１の実施形態に係る撮像装置の単位画素セルの回路構成の一例を示す図である。 図６は、実施形態１に係る撮像装置の電極間の電位差と光電流との関係の一例を示す図である。 図７は、実施形態１に係る撮像装置における、制御電極に印加される電圧と光電流との関係の一例を示す図である。 図８は、実施形態１に係る撮像装置の制御電極および画素電極の形状等の第１の変形例を示す図である。 図９は、実施形態１に係る撮像装置の制御電極および画素電極の形状等の第２の変形例を示す図である。 図１０は、実施形態１に係る撮像装置の制御電極および画素電極の形状等の第３の変形例を示す図である。 図１１は、実施形態１に係る撮像装置の制御電極および画素電極の形状等の第４の変形例を示す図である。 図１２は、実施形態１に係る撮像装置の制御電極および画素電極の形状等の第５の変形例を示す図である。 図１３は、実施形態１に係る撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図１４は、実施形態１に係る撮像装置の動作の他の一例を示すタイミングチャートである。 図１５は、実施形態１に係る撮像装置の動作のさらに他の一例を示すタイミングチャートである。 図１６は、実施形態１に係る撮像装置の動作のさらに他の一例を示すタイミングチャートである。
　（本開示の基礎となった知見）
　特許文献１に記載の技術は、対向電極の電圧を変化させることにより、感度を変化させている。しかし、信号電荷の蓄積によって画素電極の電位が変化するため、対向電極の電圧に対して感度を一定に保てない。すなわち、対向電極の電位をある値に設定しても、信号電荷の蓄積によって感度が変化してしまう。
　特許文献２に記載の技術は、画素電極の周囲にシールド電極を配置し、シールド電極に印加する電圧を変化させることにより、感度を変化させている。しかし、シールド電極は画素間に配置されているため、シールド電極に印加する電圧を変化させても広い範囲で感度を変化させることは困難である。
　上記課題に対して、発明者らは、画素電極およびシールド電極の形状および配置に着目し、本開示に至った。本開示は、画素電極および制御電極を、所定の条件を満たすような形状および配置とすることにより、印加する電圧に対して感度をほぼ一定に保ちつつ、広い範囲で感度を変化させることができる撮像装置を提供する。
　本開示の概要は以下のとおりである。
　本開示の一態様に係る撮像装置は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、前記光電変換層の前記第１面上に位置し、前記撮像装置の感度を制御するための制御電極と、前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備える。前記少なくとも１つの画素電極上の２点を結ぶ線分であって、平面視において前記制御電極と重なる線分が存在する。
　これにより、印加する電圧に対して感度をほぼ一定に保ちつつ、広い範囲で感度を変化させることができる。
　また、例えば、平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極によって囲まれていてもよい。
　また、例えば、平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極を完全に含む最小の円の中心と重なっていてもよい。
　これにより、印加する電圧に対して感度をほぼ一定に保ちつつ、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　また、例えば、前記撮像装置は、前記第２面の上方に位置するマイクロレンズをさらに備えてもよい。
　また、例えば、平面視において、前記制御電極は、前記マイクロレンズの厚みが最大となる点と重なっていてもよい。
　これにより、制御電極に印加する電圧の影響を受ける領域に、入射光を集光することができる。よって、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　また、例えば、前記光電変換層は、有機材料を含んでもよい。
　また、例えば、前記撮像装置は、前記第１面上に位置し、平面視において前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極を囲むシールド電極をさらに備えてもよい。
　これにより、隣接する単位画素セル間の混色を抑制することができる。
　また、例えば、前記制御電極は、前記シールド電極と電気的に接続されてもよい。
　これにより、シールド電極の電圧と制御電極の電圧とが共通化されるので、電源の数を減らすことができる。
　また、例えば、前記撮像装置は、電圧供給回路をさらに備え、前記信号電荷は正孔であり、前記電圧供給回路は、前記対向電極に第１電圧を供給し、前記制御電極に前記第１電圧以下の第２電圧を供給してもよい。
　これにより、制御電極に印加する電圧によって、画素電極に集められる信号電荷の量を制御することができる。すなわち、制御電極に印加する電圧によって感度を変化させることができる。
　また、例えば、前記電圧供給回路は、前記制御電極に、第１フレーム期間において前記第２電圧を供給し、前記第１フレーム期間と異なる第２フレーム期間において前記第２電圧より低い第３電圧を供給してもよい。
　これにより、フレーム間で感度を異ならせることができる。
　本開示の一態様に係る撮像装置は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、前記光電変換層の前記第１面上に位置し、前記撮像装置の感度を制御するための制御電極と、前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備える。平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極を完全に含む最小の円の中心と重なる。
　これにより、印加する電圧に対して感度をほぼ一定に保ちつつ、感度を広い範囲で変化させることができる。
　本開示の一態様に係る撮像装置は、第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、前記光電変換層の前記第１面上に位置し、前記撮像装置の感度を制御するための制御電極と、前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、前記光電変換層の前記第２面の上方に位置するマイクロレンズと、前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を備える。平面視において、前記制御電極は、前記マイクロレンズの厚みが最大となる点と重なる。
　これにより、印加する電圧に対して感度をほぼ一定に保ちつつ、感度を広い範囲で変化させることができる。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。
　なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。
　また、本明細書において、「平面視」とは、半導体基板に垂直な方向から見たときのことを言う。
　（実施形態１）
　図１から図３を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置を説明する。
　（撮像装置１０１の構造）
　図１は、第１の実施形態に係る撮像装置１０１の回路構成の一例を、模式的に示している。撮像装置１０１は、複数の単位画素セル１４と、周辺回路とを備えている。
　複数の単位画素セル１４は、半導体基板に２次元、すなわち行方向および列方向に配列されて、感光領域（画素領域）を形成している。なお、撮像装置１０１は、ラインセンサであってもよく、複数の単位画素セル１４は、１次元に配列されていてもよい。本願明細書では、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、図１において垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。
　各単位画素セル１４は、光電変換部１０と、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ１３とを含む。以下において詳細に説明するように、本実施形態では、光電変換部１０は、画素電極５０、制御電極６１および対向電極５２を含む。制御電極６１に印加する電圧を調整することによって、光電変換により生成した信号電荷の、画素電極５０に捕捉される量を調整する。つまり、撮像装置１０１の感度を調節する。
　撮像装置１０１は、電圧供給回路の一例として電圧印加回路６０を有する。電圧印加回路６０は、撮像装置１０１の動作時に、互いに異なる少なくとも２つの電圧を、同時にまたは選択的に、制御電極６１に印加可能に構成されている。電圧印加回路６０は、制御電極６１に供給する電圧を変更可能な構成を有していればよい。電圧印加回路６０の回路構成は、特定の回路構成に限定されない。例えば、電圧印加回路６０は、電圧源から供給された電圧を、所定の電圧に変換するような構成を有し得る。あるいは、電圧印加回路６０自体が、所定の電圧を発生するように構成されていてもよい。以下、電圧印加回路６０から制御電極６１に供給される電圧を、感度調整電圧Ｖｃと呼ぶ。電圧印加回路６０は、撮像装置１０１を操作する操作者の指令、または、撮像装置１０１が備える他の制御回路等の指令に応じた感度調整電圧Ｖｃを、感度調整線２８を介して、制御電極６１に供給する。電圧印加回路６０は、典型的には、周辺回路の一部として感光領域外に設けられる。なお、感度調整線２８は図１では行毎に設けられているが、これに限らない。例えば、感度調整線２８は、全画素に共通でもよいし、画素毎に設けられてもよい。また、感度調整線２８が行毎に設けられている場合に、感度調整電圧Ｖｃは、行毎に個別に変化させてもよいし、全行で一斉に変化させてもよい。
　画素電極５０は、増幅トランジスタ１１のゲート電極に接続されている。画素電極５０によって集められた信号電荷は、画素電極５０と増幅トランジスタ１１のゲート電極との間に位置する、電荷蓄積ノード２４に蓄積される。本実施形態では、信号電荷は正孔であるが、信号電荷は電子であってもよい。
　電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷は、信号電荷の量に応じた電圧として、増幅トランジスタ１１のゲート電極に印加される。増幅トランジスタ１１は、この電圧を増幅する。信号電圧は、アドレストランジスタ１３によって、選択的に読み出される。リセットトランジスタ１２は、そのソースまたはドレイン電極が、画素電極５０に接続されている。リセットトランジスタ１２は、電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷をリセットする。換言すると、リセットトランジスタ１２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極および画素電極５０の電位をリセットする。
　複数の単位画素セル１４において上述した動作を選択的に行うため、撮像装置１０１は、電源配線２１と、垂直信号線１７と、アドレス信号線２６とリセット信号線２７を含む。これらの線は、単位画素セル１４にそれぞれ接続されている。電源配線２１は、増幅トランジスタ１１のソースまたはドレイン電極に接続される。垂直信号線１７は、アドレストランジスタ１３のソースまたはドレイン電極に接続される。アドレス信号線２６は、アドレストランジスタ１３のゲート電極に接続される。またリセット信号線２７は、リセットトランジスタ１２のゲート電極に接続される。
　また、撮像装置１０１は、光電変換部１０に所定の電圧を印加するための光電変換部制御線１６を含む。光電変換部制御線１６を介して光電変換部１０に供給される電圧は、すべての光電変換部１０に共通であってもよい。光電変換部制御線１６を介して光電変換部１０に供給される電圧は、一定の大きさの電圧であってもよいし、時間的に変化する電圧であってもよい。
　図１に例示する構成において、周辺回路は、垂直走査回路１５と、水平信号読出し回路２０と、複数のカラム信号処理回路１９と、複数の負荷回路１８と、複数の反転増幅器２２とを含む。垂直走査回路１５は、行走査回路とも称される。水平信号読出し回路２０は、列走査回路とも称される。カラム信号処理回路１９は、行信号蓄積回路とも称される。反転増幅器２２は、フィードバックアンプとも称される。
　垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６およびリセット信号線２７に接続されている。垂直走査回路１５は、各行に配置された複数の単位画素セル１４を行単位で選択し、信号電圧の読出しおよび画素電極５０の電位のリセットを行う。電源配線２１は、各単位画素セル１４の増幅トランジスタ１１に所定の電源電圧を供給する。水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９に電気的に接続されている。カラム信号処理回路１９は、各列に対応した垂直信号線１７を介して、各列に配置された単位画素セル１４に電気的に接続されている。負荷回路１８は、各垂直信号線１７に電気的に接続されている。負荷回路１８と増幅トランジスタ１１とは、ソースフォロア回路を形成する。
　複数の反転増幅器２２は、各列に対応して設けられている。反転増幅器２２の負側の入力端子は、対応した垂直信号線１７に接続されている。また、反転増幅器２２の出力端子は、各列に対応したフィードバック線２３を介して、単位画素セル１４に接続されている。
　垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６によって、アドレストランジスタ１３のオンおよびオフを制御する行選択信号を、アドレストランジスタ１３のゲート電極に印加する。これにより、読出し対象の行が走査され、選択される。選択された行の単位画素セル１４から、垂直信号線１７に信号電圧が読み出される。また、垂直走査回路１５は、リセット信号線２７を介して、リセットトランジスタ１２のオンおよびオフを制御するリセット信号を、リセットトランジスタ１２のゲート電極に印加する。これにより、リセット動作の対象となる単位画素セル１４の行が選択される。垂直信号線１７は、垂直走査回路１５によって選択された単位画素セル１４から読み出された信号電圧を、カラム信号処理回路１９へ伝達する。
　カラム信号処理回路１９は、例えば、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理、およびアナログ－デジタル変換（ＡＤ変換）を行う。
　水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９から、水平共通信号線２９に信号を順次読み出す。
　反転増幅器２２は、フィードバック線２３を介して、リセットトランジスタ１２のドレイン電極に接続されている。したがって、反転増幅器２２は、アドレストランジスタ１３とリセットトランジスタ１２とが導通状態にあるときに、アドレストランジスタ１３の出力を負端子に受ける。増幅トランジスタ１１のゲート電位が所定のフィードバック電圧となるように、反転増幅器２２はフィードバック動作を行う。このとき、反転増幅器２２の出力電圧値は、０Ｖまたは０Ｖ近傍の正電圧である。フィードバック電圧とは、反転増幅器２２の出力電圧を意味する。
　（単位画素セル１４のデバイス構造）
　図２は、本実施形態に係る撮像装置１０１中の単位画素セル１４の、デバイス構造の断面を模式的に示す断面図である。
　単位画素セル１４は、半導体基板３１と、電荷検出回路２５と、光電変換部１０と、封止膜５３と、カラーフィルタ５４と、マイクロレンズ５５とを含む。半導体基板３１は、例えば、ｐ型シリコン基板である。電荷検出回路２５は、画素電極５０によって捕捉された信号電荷を検出し、信号電圧を出力する。電荷検出回路２５は、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ１３とを含み、半導体基板３１に形成されている。
　増幅トランジスタ１１は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｃおよび４１Ｄと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｂと、ゲート絶縁層３８Ｂ上に位置するゲート電極３９Ｂとを含む。
　リセットトランジスタ１２は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｂおよび４１Ａと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ａと、ゲート絶縁層３８Ａ上に位置するゲート電極３９Ａとを含む。
　アドレストランジスタ１３は、半導体基板３１に形成され、それぞれドレインおよびソースとして機能するｎ型不純物領域４１Ｄおよび４１Ｅと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｃとゲート絶縁層３８Ｃ上に位置するゲート電極３９Ｃとを含む。ｎ型不純物領域４１Ｄは、増幅トランジスタ１１とアドレストランジスタ１３とに共用されており、これにより、増幅トランジスタ１１とアドレストランジスタ１３とが直列に接続される。
　半導体基板３１において、隣接する単位画素セル１４との間、および増幅トランジスタ１１とリセットトランジスタ１２との間には、素子分離領域４２が設けられている。素子分離領域４２によって、隣接する単位画素セル１４間の電気的な分離が行われる。また、電荷蓄積ノード２４で蓄積される信号電荷のリークが抑制される。
　半導体基板３１の表面には、層間絶縁層４３Ａ、４３Ｂおよび４３Ｃが積層されている。層間絶縁層４３Ａ中には、リセットトランジスタ１２のｎ型不純物領域４１Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ａ、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ｂ、およびコンタクトプラグ４５Ａとコンタクトプラグ４５Ｂとを接続する配線４６Ａが設けられている。これにより、リセットトランジスタ１２のドレインとしてのｎ型不純物領域４１Ｂが、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと電気的に接続されている。
　光電変換部１０は、層間絶縁層４３Ｃ上に設けられている。光電変換部１０は、対向電極５２と、光電変換層５１と、画素電極５０と、制御電極６１とを含む。光電変換層５１は、対向電極５２と、画素電極５０および制御電極６１とによって挟まれている。画素電極５０および制御電極６１は、層間絶縁層４３Ｃ上に設けられている。対向電極５２は、例えば、ＩＴＯ等の導電性透明材料によって形成される。画素電極５０および制御電極６１は、例えば、アルミニウム、銅を含む金属、または不純物がドープされ導電性が付与されたポリシリコンによって形成される。
　封止膜５３は、対向電極５２上に設けられた絶縁膜である。カラーフィルタ５４は、封止膜５３上に設けられ、特定の波長範囲の光を選択的に通過させる。カラーフィルタ５４は、例えば、ＲＧＢの三原色の何れか、または赤外線ＩＲに対応する。マイクロレンズ５５は、カラーフィルタ５４上に設けられ、入射光を集光する凸レンズである。
　図２に例示するように、制御電極６１は、層間絶縁層４３Ｃ中に設けられたプラグ４７を介して、層間絶縁層４３Ｂ上に設けられた配線４６Ｃに接続されている。配線４６Ｃは、図１に示した感度調整線２８に接続される。また、画素電極５０は、層間絶縁層４３Ｃ中に設けられたプラグ４８Ｃ、層間絶縁層４３Ｂ上に設けられた配線４９、プラグ４８Ｂ、配線４６Ｂ、およびプラグ４８Ａを介して、配線４６Ａに接続されている。配線４６Ａは、さらに、コンタクトプラグ４５Ａを介してｎ型不純物領域４１Ｂに接続され、かつ、コンタクトプラグ４５Ｂを介して増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと接続されている。これらのプラグ、コンタクトプラグおよび配線は、アルミニウム、銅等の金属、または不純物がドープされ導電性が付与されたポリシリコン等によって形成される。
　本実施形態において、撮像装置１０１は、光電変換層５１における光電変換によって生成した正孔－電子対のうち、正孔を信号電荷として検出する。検出される信号電荷は、図１に示した電荷蓄積ノード２４（図１参照）に蓄積される。電荷蓄積ノード２４は、画素電極５０、ゲート電極３９Ｂ、ｎ型不純物領域４１Ｂおよびこれらを接続するプラグ４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、コンタクトプラグ４５Ａ、４５Ｂおよび配線４９、４６Ｂ、４６Ａ（図２参照）を含む。電荷蓄積ノード２４は、電荷蓄積部に相当する。
　光電変換層５１は、層間絶縁層４３Ｃ上において、制御電極６１および画素電極５０を覆い、複数の単位画素セル１４全体にわたって連続的に形成されている。光電変換層５１は、例えば有機材料またはアモルファスシリコンから形成される。光電変換層５１は、電極との界面において電荷ブロッキング層を含んでいてもよい。
　図２には示していないが、図１に示した垂直走査回路１５、水平信号読出し回路２０、カラム信号処理回路１９、負荷回路１８および反転増幅器２２も、半導体基板３１に形成される。
　撮像装置１０１は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に半導体基板３１としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって、撮像装置１０１を製造することができる。
　制御電極６１と画素電極５０とは同時に形成してもよく、別々に形成してもよい。画素電極５０は、光電変換層５１に直接接している。制御電極６１は、光電変換層５１に直接接していてもよく、光電変換層５１との間に絶縁膜を配置してもよい。
　次に、制御電極６１および画素電極５０の配置の例について説明する。
　図３は、実施形態１に係る撮像装置１０１の画素電極５０および制御電極６１を示す平面図である。図３において、点線で示された線分Ａ１および円Ｂ１は、説明のための補助線である。
　本実施形態では、制御電極６１は正方形であり、単位画素セル１４の中央に配置される。画素電極５０の外縁は正方形であり、正方形の開口を有する。制御電極６１は、画素電極５０の開口内に配置される。本実施形態では、画素電極５０が制御電極６１の周囲を完全に囲んでいるが、画素電極５０は制御電極６１の周囲を完全に囲んでいなくてもよい。例えば、画素電極５０は、輪の一部が欠けたＣ型形状であってもよく、複数の部分に分割されていてもよい。
　本実施形態では、制御電極６１は、平面視において画素電極５０を完全に含む最小の円の中心点と重なる。図３において、円Ｂ１は、画素電極５０を完全に含む最小の円を示す。点Ｃ１は、円Ｂ１の中心点を示す。図３に示すように、円Ｂ１の中心点Ｃ１は制御電極６１と重なっている。このような条件は、制御電極６１が、平面視において単位画素セル１４の中央部近傍に位置していることを意味する。ここで、単位画素セル１４の中央部近傍は、マイクロレンズ５５によって集光される領域であり、単位画素セル１４内の周辺部よりも多くの信号電荷が発生する。したがって、本実施の形態では、制御電極６１に印加する電圧によって制御できる信号電荷の数が増えるため、画素電極５０が集める信号電荷の量を大きく変化させることができる。すなわち、制御電極６１に印加する電圧によって、広い範囲で感度を変化させることができる。また、単位画素セル１４の最大感度が高いほど、制御電極６１に印加する電圧により感度を変化させられる範囲は広くなる。単位画素セル１４の最大感度を高くするためには、画素電極５０の面積を大きくし、制御電極６１に近接させることが望ましい。なお、中心点Ｃ１と画素電極５０との最短距離は、例えば、円Ｂ１の半径の半分以下であってもよい。これにより、さらに大きな効果が得られる。
　また、上記した条件と共に、あるいは上記した条件の代わりに、平面視において、制御電極６１がマイクロレンズ５５の厚みが最大となる点と重なっていてもよい。図３において、点Ｃ１はマイクロレンズ５５の厚みが最大となる点の一例でもある。図３に示すように、マイクロレンズ５５の厚みが最大となる点Ｃ１が制御電極６１に重なるように配置することによっても、制御電極６１に印加する電圧によって広い範囲で感度を変化させることができる。
　さらに、本実施形態では、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分が存在する。図３の線分Ａ１は、上記した線分の一例である。後述する変形例において詳細に説明するが、このような線分が存在するように配置することによっても同様の効果が得られる。
　（撮像装置１０１の動作）
　次に図１、図２および図４Ａから図４Ｄを参照しながら、撮像装置１０１の例示的な動作を説明する。以下に説明するように、信号電荷が正孔である場合には、対向電極５２よりも画素電極５０および制御電極６１の電位を低く設定することにより、光電変換層５１で発生した正孔を画素電極５０に集めることができる。
　まず、対向電極５２に１０Ｖ程度の電圧を印加する。さらに、リセットトランジスタ１２をＯＮにし、その後ＯＦＦにすることによって、画素電極５０の電位をリセットする。リセットにより、画素電極５０を含む電荷蓄積ノード２４の電位が、初期値としてリセット電圧、例えば０Ｖに設定される。また、電圧印加回路６０から、例えばリセット電圧よりも低い第１の感度調整電圧を、制御電極６１に印加する。ここでは、第１の感度調整電圧として、－２Ｖの電圧を制御電極６１に印加する。
　このように、対向電極５２よりも、画素電極５０および制御電極６１の電位が低く設定されている。そのため、光電変換層５１内において光電変換により発生した正孔は、制御電極６１および画素電極５０へ移動する。ここでは、画素電極５０のリセット電圧よりも制御電極６１の電圧の方が低い。すなわち、画素電極５０と対向電極５２との間の電位差よりも、制御電極６１と対向電極５２との電位差の方が大きい。そのため、生成した正孔は、画素電極５０よりも制御電極６１へ移動しやすい。その結果、光電変換層５１内の領域のうち、画素電極５０との重なりを有する部分を含む領域５１Ｂ（図４Ａ参照）において発生する正孔は、主に画素電極５０へ移動し、信号電荷として検出される。他方、光電変換層５１のうち、制御電極６１との重なりを有する部分を含む領域５１Ａ（図４Ａ参照）において発生する正孔は、主に制御電極６１へ移動する。これは、光電変換層５１に照射された光のうち、領域５１Ｂに照射された光が検出されることを意味する。つまり、単位画素セル１４は、入射した光のうち、領域５１Ｂに入射した光を実質的に検出する。領域５１Ｂは、光電変換層５１の領域うち、光電変換によって生成された信号電荷（ここでは正孔）が主として画素電極５０に収集されるような領域であり、領域５１Ａは、光電変換層５１のうち、光電変換によって生成された信号電荷（ここでは正孔）が主として制御電極６１に移動するような領域である。
　図４Ｂは、領域５１Ａを画素電極５０および制御電極６１側から見た平面図である。この例では、領域５１Ａは、光電変換層５１と平行な平面において、制御電極６１よりも少し大きい第１の面積を有する。図４Ｂに示すように、光電変換層５１に垂直な方向から見たときの領域５１Ａの形状および面積は、制御電極６１の形状および面積と必ずしも一致しない。また、後に詳しく説明するように、領域５１Ａの形状および／または面積は、画素電極５０、制御電極６１および対向電極５２に印加される電圧によって変化し得る。光電変換層５１に垂直な方向から見たときの領域５１Ｂの形状および面積も、画素電極５０の形状および面積と必ずしも一致しない。図４Ａおよび図４Ｂは、あくまでも模式的に領域５１Ａを示しており、領域５１Ａと領域５１Ｂとの間に明確な境界が存在するわけではない。
　制御電極６１に第１の感度調整電圧を印加した状態で、フレーム毎に信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷および画素電極５０の電位のリセットを行う。これにより、光電変換層５１に入射する光を、第２の面積を有する領域５１Ｂで検出することが可能である。
　図４Ｃおよび図４Ｄは、電圧印加回路６０が、第１の感度調整電圧よりも高い第２の感度調整電圧を、制御電極６１に印加している例を示している。例えば、第２の感度調整電圧は５Ｖである。
　この例においても第１の感度調整電圧を印加したときと同様に、光電変換層５１内において光電変換で発生した正孔は、制御電極６１および画素電極５０へ移動する。この例では、第２の感度調整電圧（ここでは５Ｖ）は、リセット電圧（ここでは０Ｖ）よりも高い。そのため、光電変換層５１で生成した正孔は、制御電極６１よりも画素電極５０に向かって移動しやすい。
　さらに、この例では、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明した例における第１の感度調整電圧よりも高い第２の感度調整電圧が制御電極６１に印加されている。そのため、制御電極６１へ流れ込む正孔の量は、第１の感度調整電圧が制御電極６１に印加されている場合に比べて少ない。つまり、生成した正孔は、より画素電極５０へ移動しやすい。その結果、図４Ｃに模式的に示すように、画素電極５０へ移動し得る正孔が分布する領域５１Ｄは、第１の感度調整電圧が制御電極６１に印加されているときの領域５１Ｂに比べて大きくなる。
　また、制御電極６１へ移動し得る正孔が分布する領域５１Ｃは、第１の感度調整電圧が制御電極６１に印加されているときの領域５１Ａ（図４Ａ参照）に比べて小さくなる。
　図４Ｄは、領域５１Ｃを画素電極５０および制御電極６１側から見た平面図である。領域５１Ｃは、例えば、光電変換層５１と平行な平面において、第１の面積よりも小さい第３の面積を有する。
　領域５１Ｄは、例えば、光電変換層５１に垂直な方向から見たとき、第２の面積よりも大きい第４の面積を有する。
　制御電極６１に第２の感度調整電圧を印加した状態でフレーム毎に信号電荷を蓄積し、蓄積した電荷および画素電極５０の電位のリセットを行う。これにより、光電変換層５１に入射する光を、第４の面積を有する領域５１Ｄで検出することが可能である。
　このように、制御電極６１に第１の感度調整電圧を印加する場合には、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ｂは相対的に小さく、第２の感度調整電圧を印加する場合には、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域５１Ｄは相対的に大きい。つまり、制御電極６１に第１の感度調整電圧を印加する場合には、撮像装置１０１の感度が相対的に低く、第２の感度調整電圧を印加する場合には感度が相対的に高い。このように、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを変化させることによって、撮像装置１０１の感度を変えることができる。
　単位画素セル１４がマイクロレンズを有する場合には、マイクロレンズによって単位画素セル１４の中央部に集光される。そのため、単位画素セル１４の中央部は周辺部に比べて多くの信号電荷が発生する。本実施形態では、制御電極６１を単位画素セル１４の中央部に配置することにより、中央部に発生する信号電荷の移動先を制御電極６１の電圧によって効率的に制御できる。これにより、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　なお、第１の感度調整電圧および第２の感度調整電圧は一例であり、感度調整電圧Ｖｃは上記した電圧値に限定されない。
　本実施形態では、電荷蓄積ノード２４または画素電極５０と対向電極５２との２端子間の電界を高く維持しながら、第３の電極である制御電極６１によって感度を制御している。そのため、２端子間の光電流が飽和した領域を利用できる。光電流が飽和した領域を用いることにより、信号電荷の蓄積によって画素電極５０の電位が変化しても、光電流への影響を小さくできる。これにより、本実施形態によれば、感度調整電圧Ｖｃに対して感度をほぼ一定に保つことができる。以下、図５から７を用いて詳細に説明する。
　図５は、本実施形態に係る撮像装置１０１の単位画素セル１４の回路構成の一例を示す図である。図１では、光電変換部１０が模式的に図示されているが、図５では、光電変換部１０が等価的な回路素子により図示される。図５において、単位画素セル１４は、増幅トランジスタ１１、リセットトランジスタ１２、アドレストランジスタ１３、積層膜容量１０Ｃ、光電変換部１０を備える。同図には、リセット信号線２７のリセットゲート電圧ＶＲＳＴ、アドレス信号線２６の行選択信号ＶＳＥＬＬ、感度調整電圧Ｖｃ、対向電極５２に印加される電圧ＶＩＴＯ、リセットトランジスタ１２に供給されるリセット電圧ＶＲＥＦ及び増幅トランジスタ１１に供給される電源電圧ＶＤＤも付記してある。
　増幅トランジスタ１１、リセットトランジスタ１２およびアドレストランジスタ１３は、既に説明したように電荷検出回路２５を構成する。
　積層膜容量１０Ｃを構成する２つの電極のうち一方の電極は、制御電極６１に相当し、感度調整電圧Ｖｃが印加される。他方の電極は、対向電極５２のうち制御電極６１に対向する部分に相当する。つまり、積層膜容量１０Ｃは、光電変換層５１のうち制御電極６１と対向電極５２とで挟まれた部分に相当するキャパシタである。
　光電変換部１０は、光電変換素子としてのフォトダイオードと等価である。フォトダイオードのカソードは、対向電極５２に相当する。アノードは、画素電極５０に相当する。
　電荷蓄積ノード２４は、図５では、キャパシタとして図示されている。
　感度調整電圧Ｖｃを印加する制御電極６１は、画素電極５０に対しての寄生容量が小さいため、感度調整電圧Ｖｃを変化させたことによる画素電極５０の電位変動は小さくなる。一方、制御電極６１は対向する対向電極５２に対し、光電変換層５１を誘電体とみなした分の積層膜容量１０Ｃを有している。しかしながら、対向電極５２は電圧印加回路６０に接続されているため、感度調整電圧Ｖｃの変動によって対向電極５２の電位が変化したとしても、その電位はすぐに所定の電圧に戻される。このような構成によって、感度調整電圧Ｖｃを変化させても対向電極５２および画素電極５０の２端子の電位はほとんど変化しない。
　図６は、実施形態１に係る撮像装置１０１の電極間の電位差と光電流との関係の一例を示す図である。同図の横軸は画素電極５０に対する対向電極５２の電位、すなわち画素電極５０と対向電極５２との電位差を示す。縦軸は、一定光量の入射光によって発生する電荷による光電流の大きさを示す。つまり、図６の特性は、制御電極６１が存在しない状態での２端子間の光電流－電圧特性を示し、一定光量の下で電圧ＶＩＴＯを変化させたときの光電流の大きさを示す。
　同図の特性は、電圧ＶＩＴＯの大きさに応じて領域Ｚ、線形領域、飽和領域に大別される。領域Ｚは、電圧ＶＩＴＯが０Ｖ近辺の領域であり、光電流がほとんど流れない。線形領域では、電圧ＶＩＴＯの増加に対して光電流がほぼ線形に増加する。飽和領域では、電圧ＶＩＴＯが増加しても光電流はあまり変化しない。
　光電流が発生する領域は、線形領域と、飽和領域とに分けられる。
　光電変換素子に光が照射されて光電流が発生すると、信号電荷の蓄積によって画素電極５０の電位が変化し、画素電極５０と対向電極５２の電位差が変化する。
　光電変換素子を線形領域で動作させた場合、画素電極５０の電位変化に伴って光電流も変化する。すなわち、信号電荷の蓄積量に応じて感度が変動するため、信号出力値の線形性が崩れる。
　一方で、光電変換素子が飽和領域で動作する場合、画素電極５０の電位が変化しても光電流はあまり変化しない。そのため、信号電荷の蓄積量に依らず感度は一定に保たる。よって、信号出力は入射光量及び蓄積時間に対して線形になる。画素電極５０の電位は、最大で対向電極５２の電位とほぼ同じ値まで上昇し得るが、信号検出可能な画素電極５０の電位は、増幅トランジスタ１１に供給される電圧によっても制限される。例えば、対向電極５２の電位を十分高い値に設定することにより、信号検出可能な画素電極５０の電位範囲において光電変換素子を飽和領域で動作させることも可能である。また、感度調整電圧Ｖｃを変化させたとしても、画素電極５０と対向電極５２の電位差はほとんど変化しないため、信号電荷の蓄積によって信号出力値の線形性が崩れることはない。このように、制御電極６１の感度調整電圧Ｖｃによって感度を変化させる方法は、線形領域よりも飽和領域の方が線形性を確保できる点で適している。
　図７は、実施形態１に係る撮像装置１０１における、制御電極６１に印加される電圧と光電流との関係の一例を示す図である。横軸は、制御電極６１に印加される感度調整電圧Ｖｃを示す。縦軸は、一定光量の入射光によって発生する電荷に対応する光電流の大きさを示す。但し、図７では、図６に示した電圧ＶＩＴＯが飽和領域の範囲内にある場合を示している。つまり、図７の光電変換特性は、電圧ＶＩＴＯが図６の飽和領域の範囲内にある場合に、一定光量の下で感度調整電圧Ｖｃを変化させたときの光電流の大きさを示す。
　感度調整電圧Ｖｃが高いと、光電変換層５１で発生した正孔は画素電極５０側へ流れやすくなるため、光電流が増加し、感度が高くなる。感度調整電圧Ｖｃが十分に高くなると光電変換層５１で発生した正孔のほとんど全てが画素電極５０に流れるため、感度変化が鈍化する。逆に、感度調整電圧Ｖｃが低いと、光電変換層５１で発生した正孔は制御電極６１に流れやすくなるため、画素電極５０への光電流が減少し感度が低くなる。
　本実施形態では、制御電極６１と画素電極５０との距離Ｌ１が近いほど、図７の傾きが大きくなる。すなわち、制御電極６１の電位に対して感度を大きく変化させることができる。また、制御電極６１の面積が大きいほど、制御電極６１によって制御可能な信号電荷が多くなるため、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　なお、上記実施形態では、信号電荷は正孔であるが、信号電荷は電子であってもよい。信号電荷が電子である場合、画素電極５０および制御電極６１には、対向電極５２よりも高い電圧を印加する。これにより、光電変換により生成した電子は、画素電極５０および制御電極６１へ移動する。信号電荷が電子である場合には、制御電極に印加する感度調整電圧Ｖｃが相対的に低い方が、画素電極に電子が流れやすく、撮像装置の感度が高くなる。一方、制御電極に印加する感度調整電圧Ｖｃが相対的に高い方が、制御電極に電子が流れやすく、撮像装置の感度が低くなる。
　このように、感度調整電圧Ｖｃを調整することによって、撮像装置１０１の感度を変えることが可能である。信号電荷が正孔である場合、対向電極５２と制御電極６１との間の電位差が、対向電極５２と画素電極５０との間の電位差よりも大きいと、撮像装置の感度は、相対的に低くなる。一方、対向電極５２と制御電極６１との間の電位差が、対向電極５２と画素電極５０との間の電位差よりも小さいと、撮像装置の感度は、相対的に高くなる。なお、信号電荷が電子である場合にも、この関係は成立する。
　また、上述の図４Ａから図４Ｄを参照して説明した例では、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを、画素電極５０のリセット電圧よりも高い値と、リセット電圧以下の値との間で変化させている。しかし、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを、画素電極５０のリセット電圧よりも高い範囲あるいは低い範囲で変化させても、撮像装置１０１の感度を変えることができる。例えば、信号電荷が正孔であり、かつ、画素電極５０のリセット電圧よりも低い範囲において感度調整電圧Ｖｃを変化させる場合には、画素電極５０と制御電極６１との間の電位差が相対的に大きいほど、撮像装置の感度はより低下する。
　（電極形状の変形例）
　図８から図１２を用いて、制御電極６１および画素電極５０の形状および配置の変形例を説明する。
　図８は、実施形態１に係る撮像装置１０１の制御電極６１および画素電極５０の形状等の第１の変形例を示す図である。点線で示された線分Ａ２および円Ｂ２は、説明のための補助線である。本変形例は、図３に示す配置例と比べて、画素電極５０を囲むシールド電極６２が追加されている点が異なる。シールド電極６２には、一定の電圧が印加される。これにより、シールド電極６２は、隣接する単位画素セル１４間で信号電荷の移動を防止し、混色を防止する。
　本変形例においても、図８に示すように、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分Ａ２が存在する。また、平面視において、制御電極６１は、画素電極５０を完全に含む最小の円Ｂ２の中心点Ｃ２と重なる。本変形例によっても、図３で説明した効果と同様の効果を得ることができる。
　なお、シールド電極６２は、複数の単位画素セル１４にわたって連続的に形成されていてもよい。シールド電極６２は、行毎に独立に設けられてもよく、画素毎の独立に設けられてもよい。
　また、シールド電極６２は、制御電極６１と電気的に接続されていてもよい。これにより、独立した電源の数を低減することができる。
　図９は、実施形態１に係る撮像装置１０１の制御電極６１および画素電極５０の形状等の第２の変形例を示す図である。点線で示された線分Ａ３は、説明のための補助線である。本変形例では、画素電極５０はＨ形状を有し、単位画素セル１４の中央に配置される。制御電極６１は、画素電極５０を囲むように配置され、画素電極５０に向けて突出する凸部を有する。制御電極６１の凸部は、その両側において画素電極５０に対向するように、画素電極５０の凹部に向けて延びている。すなわち、制御電極６１の凸部が画素電極５０の凹部に入り込んだ配置となっている。本変形例においては、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分が存在する。図９の線分Ａ３は、上記した線分の一例である。
　本変形例によれば、平面視において画素電極５０と制御電極６１とが対向する辺の長さが長くなる。そのため、制御電極６１に印加する感度制御電圧Ｖｃによって、画素電極５０へ移動する信号電荷の量の変化幅を広げることができる。また、本変形例によれば、制御電極６１の凸部は単位画素セル１４の中央近傍に配置される。そのため、図３で説明した効果と同様の効果も得られる。したがって、本変形例によれば、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　図１０は、実施形態１に係る撮像装置１０１の制御電極６１および画素電極５０の形状等の第３の変形例を示す図である。点線で示された線分Ａ４は、説明のための補助線である。本変形例では、画素電極５０は十字形状を有し、単位画素セル１４の中央に配置される。制御電極６１は、画素電極５０を囲むように配置され、画素電極５０に向けて突出する凸部を有する。制御電極６１の凸部は、その両側において画素電極５０に対向するように、画素電極５０の凹部に向けて延びている。すなわち、制御電極６１の凸部が画素電極５０の凹部に入り込んだ配置となっている。本変形例においては、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分が存在する。図１０の線分Ａ４は、上記した線分の一例である。
　本変形例によれば、平面視において画素電極５０と制御電極６１とが対向する辺の長さが長くなる。そのため、制御電極６１に印加する感度制御電圧Ｖｃによって、画素電極５０へ移動する信号電荷の量の変化幅を広げることができる。また、本変形例によれば、制御電極６１の凸部は単位画素セル１４の中央近傍に配置される。そのため、図３で説明した効果と同様の効果も得られる。したがって、本変形例によれば、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　図１１は、実施形態１に係る撮像装置１０１の制御電極６１および画素電極５０の形状等の第４の変形例を示す図である。点線で示された線分Ａ５および円Ｂ５は、説明のための補助線である。本変形例では、画素電極５０はＣ形状を有する。制御電極６１は、画素電極５０を囲むように配置され、画素電極５０に向けて突出する凸部を有する。制御電極６１の凸部は、その両側において画素電極５０に対向するように、画素電極５０の凹部に向けて延びている。すなわち、制御電極６１の凸部が画素電極５０の凹部に入り込んだ配置となっている。本変形例においては、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分が存在する。図１１の線分Ａ５は、上記した線分の一例である。また、本変形例においては、平面視において、制御電極６１は、画素電極５０を完全に含む最小の円の中心点と重なる。図１１において、円Ｂ５は、画素電極５０を完全に含む最小の円を示す。Ｃ５は、円Ｂ５の中心点を示す。図１１に示すように、円Ｂ５の中心点Ｃ５は、制御電極６１と重なっている。
　本変形例によれば、平面視において画素電極５０と制御電極６１とが対向する辺の長さが長くなる。そのため、制御電極６１に印加する感度制御電圧Ｖｃによって、画素電極５０へ移動する信号電荷の量の変化幅を広げることができる。また、本変形例によれば、制御電極６１の凸部は単位画素セル１４の中央近傍に配置される。そのため、図３で説明した効果と同様の効果も得られる。したがって、本変形例によれば、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　図１２は、実施形態１に係る撮像装置１０１の制御電極６１および画素電極５０の形状等の第５の変形例を示す図である。点線で示された線分Ａ６および円Ｂ６は、説明のための補助線である。本変形例では、撮像装置１０１における単位画素セル１４は、それぞれが矩形の２つの画素電極５０を含む。制御電極６１は、２つの画素電極５０のそれぞれを囲むように配置されており、２つの画素電極５０の間に延びる部分を有する。本変形例においては、画素電極５０上の２点を結ぶ線分であって、平面視において制御電極６１と重なる線分が存在する。図１２の線分Ａ６は、上記した線分の一例である。また、本変形例においては、平面視において、制御電極６１は、画素電極５０を完全に含む最小の円の中心点と重なる。図１２において、円Ｂ６は、画素電極５０を完全に含む最小の円を示す。Ｃ６は、円Ｂ６の中心点を示す。図１２に示すように、円Ｂ６の中心点Ｃ６は、制御電極６１と重なっている。
　本変形例によれば、平面視において画素電極５０と制御電極６１とが対向する辺の長さが長くなる。そのため、制御電極６１に印加する感度制御電圧Ｖｃによって、画素電極５０へ移動する信号電荷の量の変化幅を広げることができる。また、本変形例によれば、制御電極６１の一部は単位画素セル１４の中央近傍に配置される。そのため、図３で説明した効果と同様の効果も得られる。したがって、本変形例によれば、より広い範囲で感度を変化させることができる。
　（動作例）
　次に、図１３から図１６を参照しながら、撮像装置１０１の例示的な駆動方法を説明する。図１３は、実施形態１に係る撮像装置１０１の動作の一例を示すタイミングチャートである。同図は、撮像装置１０１において感度調整電圧Ｖｃを変化させる場合における、感度調整電圧Ｖｃの印加および露光のタイミングの一例を示している。
　図１３において、ＲＳＴ１、ＲＳＴ２、ＲＳＴ３、ＲＳＴ４、・・・、ＲＳＴｎは、それぞれ、１、２、３、４、・・・、ｎ番目の行を構成しているリセットトランジスタ１２のゲート電極に印加するゲート電圧（リセットゲート電圧とも呼ぶ）のタイミングを示している。撮像装置１０１は、例えば、行毎に露光および信号の読出しを行う。このため、リセットゲート電圧の印加によって、１フレームの期間中、各行の単位画素セル１４における電荷蓄積ノード２４のリセットが順次行われる。画素アレイの各行において、リセットゲート電圧の印加後、次のリセットゲート電圧が印加されるまでの期間が露光時間に相当する。
　図１３に示す例では、第２フレームの開始のタイミングで、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを変化させている。ここでは、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃは、行毎ではなく、全体として同一のタイミングで制御される。画素アレイ全体において感度調整電圧Ｖｃが同一のタイミングで制御されることに対し、画素の各行の露光開始のタイミングは、図１３から分かるように、行毎にずれている。そのため、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃをどのタイミングで変化させても、露光時間中に感度調整電圧Ｖｃが変化してしまう。感度調整電圧Ｖｃを変化させたフレーム（ここで第２フレーム）では、行ごとに感度が異なり、また、露光期間の途中で感度調整電圧Ｖｃが変化するので、印加する感度調整電圧Ｖｃに対応する正しい感度で、入射する光を検出することはできない。したがって、感度調整電圧Ｖｃを変化させた第２フレームにおいて撮影された画像データは破棄する。次の第３フレームでは、露光開始からいずれの行においても、変更後の感度調整電圧Ｖｃが印加されているので、すべての行において、入射する光を正しい感度で検出することが可能である。
　このように、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを少なくとも２フレーム単位で変化させることによって、感度を変更した画像をフレーム単位で取得することが可能となる。したがって、本実施形態によれば、電圧印加回路から供給する感度調整電圧Ｖｃの値を変化させることにより、撮像装置の感度をフレーム単位で変化させることができる。よって、明るさが大きく変化する様々な環境下においても、高画質で撮影を行うことが可能な撮像装置を実現し得る。
　また、各単位画素セル１４の制御電極６１を互いに接続した場合には、制御電極を駆動する配線を削減可能である。
　図１３を参照して説明した動作では、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃを２フレーム単位で変化させている。しかしながら、感度調整電圧Ｖｃの切り替えは、２フレーム単位に限定されない。以下に説明するように、１フレーム単位での感度調整電圧Ｖｃの切り替えも可能である。
　図１４は、実施形態１に係る撮像装置１０１の動作の他の一例を示すタイミングチャートである。同図では、感度調整電圧Ｖｃの印加、露光および信号読出しのタイミングの他の一例を示している。図１４に示す例では、電圧印加回路６０は、１フレームの間において感度調整電圧ＶｃをＶ０からＶｓに切り替え、さらに、一定の期間Ｔｅの経過後に感度調整電圧Ｖｃを再びＶ０に切り替えている。
　この例において、電圧Ｖ０は、撮像装置１０１の感度をほぼ０とするほどに十分に低い電圧である。すなわち、制御電極６１に電圧Ｖ０が印加されている状態においては、光電変換層５１において生じた信号電荷（ここでは正孔）の大部分は、制御電極６１によって捕捉される。別の言い方をすれば、制御電極６１に電圧Ｖ０が印加されている状態においては、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域（例えば図４Ａおよび図４Ｂに示す領域５１Ｂ）が十分に小さく、画素電極５０に捕捉される信号電荷はわずかである。すなわち、制御電極６１に電圧Ｖ０を印加することによって、あたかも感光領域を遮光しているかのような状態を実現し得る。一方、電圧Ｖ０よりも適度に高い電圧Ｖｓを制御電極６１に印加することにより、画素電極５０によって信号電荷が捕捉される領域を適度に拡大し、撮影に必要な感度を撮像装置１０１に持たせることができる。
　図１４に示す例では、１フレーム内の一定期間において、制御電極６１に電圧Ｖｓを印加し、他の期間には電圧Ｖ０を印加している。そのため、画素電極５０による信号電荷の収集は、感度がほぼ０の、制御電極６１に電圧Ｖ０を印加している期間を除いて実行される。つまり、１フレームのうち制御電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間Ｔｅが、実効的な露光時間として信号電荷の蓄積に寄与する。
　このように、本動作例によれば、制御電極６１に電圧Ｖｓを印加する期間によって、実効的な露光時間を調節することが可能である。図１４に示すように、この実効露光時間は、全ての単位画素セル１４に共通であり得る。したがって、画素アレイに含まれるすべての単位画素セルにおける露光期間を揃えることが可能である。すなわち、感度調整電圧Ｖｃを１フレーム内において変化させることにより、信号電荷を蓄積するための容量素子等を画素内に別途設けることなく、いわゆるグローバルシャッタと同様の機能を実現し得る。なお、期間Ｔｅに印加される感度調整電圧Ｖｃの波形は、図１４に実線で示すような矩形状のパルスに限らず、点線で示すような三角波であってもよい。
　図１５は、実施形態１に係る撮像装置１０１の動作のさらに他の一例を示すタイミングチャートである。同図では、感度調整電圧Ｖｃの印加、露光および信号読出しのタイミングのさらに他の一例を示している。図１４を参照して説明したように、制御電極６１に適切な大きさの電圧Ｖ０を印加することにより、撮像装置１０１における感度をほぼ０に低下させ得る。つまり、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃをシャッタの代わりに使用することが可能である。図１４を参照して説明した例と同様に、この例においても、信号電荷の蓄積は、制御電極６１に電圧Ｖｓが印加されている期間に実行される。制御電極６１に電圧Ｖ０が印加されている期間は、画像の取得に実効的に寄与しない。
　図１５に示す例では、電圧印加回路６０は、１フレームの間において感度調整電圧ＶｃをＶ０およびＶｓに周期的に切り替えている。したがって、実効露光期間と非露光期間とが周期的に繰り返される。例えば、周期的なチラつきを有する照明器具のもとで撮影を行う場合、制御電極６１に印加する電圧を周期的に変化させれば、照明器具の周期的なチラつきの影響をキャンセルし得る。
　図１６は、実施形態１に係る撮像装置の動作のさらに他の一例を示すタイミングチャートである。同図では、感度調整電圧Ｖｃの印加、露光および信号読出しのタイミングのさらに他の一例を示している。本動作例では、制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃは、行毎に異なるタイミングで制御される。図１６において、Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４、・・・、Ｖｃｎは、それぞれ、第１行から第ｎ行の単位画素セル１４の制御電極６１に印加する感度調整電圧Ｖｃの変化のタイミングを示している。
　本動作例では、図１６に示すように、画素アレイの各行において、例えば、リセットゲート電圧をハイレベルからローレベルに切り替えるタイミングに合わせて感度調整電圧Ｖｃを変化させる。これにより、単位画素セル１４の各行において、各フレーム内における感度調整電圧Ｖｃを一定にすることができる。つまり、各行において、フレーム単位で感度を変更することができる。
　本動作例によれば、露光期間の途中における感度調整電圧Ｖｃの変化を回避し得るので、正しく撮影できないフレームが生じることなく、連続したフレーム撮影が可能であり、かつ、フレーム単位で感度を調整することが可能である。例えば、本実施形態の撮像装置は、フレーム単位で感度を調整することが可能であるので、明るさが急激に変化する撮影環境においても、明るさの変化に高速で対応し、感度を調節することが可能である。
　本開示による撮像装置は、デジタルカメラ、イメージセンサ等の撮像装置に有用である。
１０　光電変換部
１０Ｃ　積層膜容量
１１　増幅トランジスタ
１２　リセットトランジスタ
１３　アドレストランジスタ
１４　単位画素セル
１５　垂直走査回路
１６　光電変換部制御線
１７　垂直信号線
１８　負荷回路
１９　カラム信号処理回路
２０　水平信号読出し回路
２１　電源配線
２２　反転増幅器
２３　フィードバック線
２４　電荷蓄積ノード
２５　電荷検出回路
２６　アドレス信号線
２７　リセット信号線
２８　感度調整線
２９　水平共通信号線
３１　半導体基板
３８Ａ　ゲート絶縁層
３８Ｃ　ゲート絶縁層
３９Ａ　ゲート電極
３９Ｃ　ゲート電極
４１Ｃ　ｎ型不純物領域
４１Ｄ　ｎ型不純物領域
４２　素子分離領域
４３Ａ　層間絶縁層
４３Ｃ　層間絶縁層
４５Ａ　コンタクトプラグ
４６Ａ、４６Ｃ、４９　配線
４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ　プラグ
５０　画素電極
５１　光電変換層
５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ　領域
５２　対向電極
５３　封止膜
５４　カラーフィルタ
５５　マイクロレンズ
６０　電圧印加回路
６１　制御電極
６２　シールド電極
１０１　撮像装置
Ｌ１　距離
Ｖｃ　感度調整電圧

Claims (12)

  1. 　第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置し、感度を制御するための制御電極と、
    　前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、
    　前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    を備え、
    　前記少なくとも１つの画素電極上の２点を結ぶ線分であって、平面視において前記制御電極と重なる線分が存在する、
    撮像装置。
  2. 　平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極によって囲まれている、
    請求項１に記載の撮像装置。
  3. 　平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極を完全に含む最小の円の中心と重なる、
    請求項１または２に記載の撮像装置。
  4. 　前記第２面の上方に位置するマイクロレンズをさらに備える、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
  5. 　平面視において、前記制御電極は、前記マイクロレンズの厚みが最大となる点と重なる、
    請求項４に記載の撮像装置。
  6. 　前記光電変換層は、有機材料を含む、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
  7. 　前記第１面上に位置し、平面視において前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極を囲むシールド電極をさらに備える、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
  8. 　前記制御電極は、前記シールド電極と電気的に接続されている、
    請求項７に記載の撮像装置。
  9. 　電圧供給回路をさらに備え、
    　前記信号電荷は正孔であり、
    　前記電圧供給回路は、前記対向電極に第１電圧を供給し、前記制御電極に前記第１電圧以下の第２電圧を供給する、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。
  10. 　前記電圧供給回路は、前記制御電極に、第１フレーム期間において前記第２電圧を供給し、前記第１フレーム期間と異なる第２フレーム期間において前記第２電圧より低い第３電圧を供給する、
    請求項９に記載の撮像装置。
  11. 　第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置し、感度を制御するための制御電極と、
    　前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、
    　前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    を備え、
    　平面視において、前記制御電極は、前記少なくとも１つの画素電極を完全に含む最小の円の中心と重なる、
    撮像装置。
  12. 　第１面と前記第１面に対向する第２面とを有し、信号電荷を生成する光電変換層と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置する少なくとも１つの画素電極と、
    　前記光電変換層の前記第１面上に位置し、感度を制御するための制御電極と、
    　前記光電変換層の前記第２面上に位置し、前記少なくとも１つの画素電極および前記制御電極と対向する対向電極と、
    　前記光電変換層の前記第２面の上方に位置するマイクロレンズと、
    　前記少なくとも１つの画素電極に接続され、前記信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    を備え、
    　平面視において、前記制御電極は、前記マイクロレンズの厚みが最大となる点と重なる、
    撮像装置。
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