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CN106803901A - 光电转换设备以及摄像系统 - Google Patents

光电转换设备以及摄像系统 Download PDF

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CN106803901A
CN106803901A CN201611050166.XA CN201611050166A CN106803901A CN 106803901 A CN106803901 A CN 106803901A CN 201611050166 A CN201611050166 A CN 201611050166A CN 106803901 A CN106803901 A CN 106803901A
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voltage
photoelectric conversion
electrode
signal
reset
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田代和昭
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Canon Inc
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Abstract

本发明提供一种光电转换设备以及摄像系统。所述光电转换设备包括：光电转换单元，其包括第一电极、第二电极、布置在所述第一电极与所述第二电极之间的光电转换层以及布置在所述光电转换层与所述第二电极之间的绝缘层；放大器单元，其连接到所述第二电极并且输出在所述光电转换单元中生成的信号；以及复位单元，其用于对所述第二电极的电压进行复位。根据施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压，交替地执行用于在所述光电转换单元中累积信号电荷的累积操作、和用于从所述光电转换单元移除信号电荷的电荷移除操作，并且在第一累积操作与在所述第一累积操作之后执行的第二累积操作之间多次执行电荷移除操作。

Description

光电转换设备以及摄像系统
技术领域
本发明涉及光电转换设备以及摄像系统。
背景技术
作为用于照相机等的图像传感器的光电转换设备，已经提出了堆叠型光电转换设备。在国际公开WO 2012/004923号的图1中公开的光电转换设备中，在半导体基板上堆叠光电转换膜。在光电转换膜上布置透明电极，并在光电转换膜下布置像素电极。在光电转换膜与像素电极之间布置绝缘膜。国际公开WO 2012/004923号公开了这样的要点：由于能够通过这种结构进行相关双采样，所以能够减小噪声。
在国际公开WO 2012/004923号中公开的光电转换设备中，在施加到透明电极的电压VPk摆动之后，进行信号读出。虽然没有公开读出所需的时间，但是在读出结束之前的时间段，在光电转换膜中累积暗电荷和光致电荷(photo-induced charge)，并且在读出之后产生残留电荷，残留电荷变为光信号分量的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够精确地检测光信号分量、同时减小噪声的光电转换设备。
根据本发明的一方面，提供了一种光电转换设备，所述光电转换设备包括：光电转换单元，其包括第一电极、第二电极、布置在所述第一电极与所述第二电极之间的光电转换层以及布置在所述光电转换层与所述第二电极之间的绝缘层；放大器单元，其电连接到所述第二电极并且被构造为输出在所述光电转换单元中生成的信号；以及复位单元，其被构造为对所述第二电极的电压进行复位，其中，根据施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压，交替地执行用于在所述光电转换单元中累积信号电荷的累积操作、和用于从所述光电转换单元移除通过所述累积操作而累积的信号电荷的电荷移除操作，并且在第一累积操作与在所述第一累积操作之后执行的第二累积操作之间多次执行电荷移除操作，被多次执行的累积操作包括所述第一累积操作和所述第二累积操作。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步特征将变得清楚。
附图说明
图1A、图1B和图1C是示意性例示根据第一实施例的光电转换设备的像素的构造的图。
图2是示意性例示根据第一实施例的光电转换设备的总体构造的图。
图3是例示根据第一实施例的光电转换设备的列电路的等效电路的图。
图4是示意性例示根据第一实施例的光电转换设备的平面结构的图。
图5A和图5B是各自示意性例示根据第一实施例的光电转换设备的截面结构的图。
图6A、图6B、图6C、图6D、图6E、图6F和图6G是各自示意性例示根据第一实施例的光电转换设备的光电转换单元的电位分布的图。
图7是例示在根据第一实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图的图。
图8是示意性例示根据第二实施例的光电转换设备的像素的构造的图。
图9是示意性例示根据第二实施例的光电转换设备的总体构造的图。
图10是示意性例示根据第二实施例的光电转换设备的平面结构的图。
图11是示意性例示根据第二实施例的光电转换设备的截面结构的图。
图12A、图12B、图12C、图12D、图12E、图12F和图12G是各自示意性例示根据第二实施例的光电转换设备的光电转换单元的电位分布的图。
图13是例示在根据第二实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图的图。
图14是示意性例示根据第三实施例的光电转换设备的像素的构造的图。
图15是例示在根据第三实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图的图。
图16是示意性例示根据第四实施例的光电转换设备的像素的构造的图。
图17是例示在根据第四实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图的图。
图18是示意性例示根据第五实施例的光电转换设备的像素的构造的图。
图19是根据第六实施例的摄像系统的框图。
具体实施例
现在，将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的一个实施例是光电转换设备。光电转换设备中包括的像素包括光电转换单元、用于放大在光电转换单元中生成的信号的放大器单元以及用于向放大器单元供给复位电压的复位单元。光电转换设备可以包括多个像素。这种光电转换设备例如是图像传感器。或者，光电转换设备可以仅包括一个像素。这种光电转换设备例如是光电检测器。在图1A中作为示例，例示了像素100、光电转换单元101、复位晶体管102以及放大晶体管104。
光电转换单元包括第一电极、第二电极、布置在第一电极与第二电极之间的光电转换层以及布置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层。根据这种构造，光电转换单元能够累积由入射光生成的电荷作为信号电荷。通过控制供给到包括光电转换单元的像素电路的电压，能够读出来自光电转换单元的信号。在图1A中作为示例，例示了第一电极201、光电转换层205、绝缘层207以及第二电极209。
第二电极电连接到放大器单元。根据这种构造，放大器单元能够输出在光电转换单元中生成的信号。可以使第二电极和放大器单元短路。或者，可以在第二电极与放大器单元之间的电路径上布置开关。在图1A中作为示例，例示了示出第二电极和放大器单元的电连接的节点B。节点B被构造为使得其能够是电浮置(floating)状态。使节点B电浮置，从而节点B的电压能够根据在光电转换单元中生成的电荷而改变。因此，能够将与在光电转换单元中生成的电荷相对应的信号输入到放大器单元。
光电转换设备包括用于对第二电极的电压进行复位的复位单元。复位单元向第二电极供给复位电压。复位单元例如是电连接到第二电极的复位晶体管。在图1A中作为示例，例示了复位晶体管102。以对ON(开)和OFF(关)进行切换的这种方式，来控制复位单元。通过接通复位单元，将复位电压供给到第二电极。可以在复位单元与第二电极之间的电路径上布置开关。可以使复位单元和第二电极短路。
第一电容器电连接到第二电极。在图1A中作为示例，例示了第一电容器103。可以使第二电极和第一电容器短路，或者可以在第二电极与第一电容器之间的电路径上布置开关。
第一电容器被构造为例如包括彼此面对的两个电极，绝缘构件介于两个电极之间。这两个电极由诸如多晶硅、金属等的导电材料制成。或者，第一电容器被构造为包括半导体区域和布置在半导体区域上方的栅电极，栅极绝缘膜介于半导体区域与栅电极之间。期望的是，第一电容器中包括的半导体区域具有比晶体管的源极区域或漏极区域的杂质浓度更大的杂质浓度。栅电极由诸如多晶硅、金属等的导电材料制成。
第一电容器包括电连接到第二电极的第一端子和与第一端子不同的第二端子。各个端子能够由诸如金属、多晶硅等的导电材料制成或者能够由半导体区域形成。向第二端子供给预定电压。例如，第二端子可以接地。或者，可以将第二端子连接到电压供给单元，并且可以从电压供给单元供给多个电压。在图1A中，节点B包括第一端子，节点C包括第二端子。
在本发明的一个实施例中，当读出信号时，光电转换层被转换成耗尽层。为此，对光电转换单元的第一电极的电压或第一电容器的第二端子的电压进行控制。具体来说，提供用于供给第一电压和与第一电压不同的第二电压的电压供给单元。
在一些实施例中，电压供给单元将第一电压和与第一电压不同的第二电压供给到光电转换单元的第一电极。在图1A中作为示例，例示了这种电压供给单元110。在另一实施例中，电压供给单元将第一电压和与第一电压不同的第二电压供给到第一电容器的第二端子。在图8中作为示例，例示了这种电压供给单元410。
随后，将描述通过本发明的实施例的噪声减小的效果。
当光电转换单元的第一电极的电压或第一电容器的第二端子的电压改变时，光电转换单元的第二电极的电压根据第一电容器的电容值与由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值之间的比而改变。这是因为，在像素的等效电路中，第一电容器和第二电容器被表达为串联连接的两个电容器，并且第二电极包括在两个电容器之间的节点中。
在本发明的实施例中，光电转换单元的第一电极的电压或第一电容器的第二端子的电压，与由复位单元供给的电压、第一电容器的电容值以及第二电容器的电容值具有预定关系。通过满足这种关系，即使第二电极的电压改变，也能够在光电转换单元的第一电极与第二电极之间施加适于耗尽光电转换层的电压。因此，能够减少未从光电转换层移除的电荷的量。因而，能够减小噪声。
根据本发明的实施例的另一方面，第一电容器被构造为包括彼此面对的两个电极。根据这种结构，提高了电容比的设计的自由度。因而，能够容易地满足前述关系。因此，提高了减小噪声的光电转换设备的设计的自由度。
在本发明的实施例中，通过从电压供给单元交替地供给第一电压和与第一电压不同的第二电压，能够独立于节点B的复位来移除光电转换单元中的电荷。虽然将在下文中描述详情，结果，在读出光信号S之后，能够完全移除光电转换膜中残留的电荷。
下面，将参照附图详细描述本发明的实施例。然而，本发明不限于仅在下面将描述的实施例。下面将描述的通过在不脱离本发明的精神的范围内改变实施例的部分构造而获得的变型也是本发明的实施例。通过将以下实施例中的任何一个的部分构造添加到另一实施例而获得的示例或通过将其替换为另一实施例的部分构造而获得的示例也是本发明的实施例。
[第一实施例]
下面，将参照图1A至图7描述根据第一实施例的光电转换设备。
图1A示意性例示了根据本实施例的光电转换设备的像素100的构造。像素100包括光电转换单元101、复位晶体管102、第一电容器103、放大晶体管104以及选择晶体管105。虽然在图1A中例示了仅一个像素100，但是本实施例的光电转换设备包括多个像素100。在图1A中示意性例示了光电转换单元101的截面结构。
光电转换单元101包括第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207以及第二电极209。第一电极201包括在图1A中的“节点A”中。第二电极209包括在图1A中的“节点B”中。第一电极201连接到电压供给单元110。电压供给单元110被构造为使得其能够向光电转换单元101的第一电极201供给多种电压Vs。根据这种构造，能够进行光电转换单元101中的信号电荷的累积和从光电转换单元101对信号电荷的移除。进行信号电荷的移除，以读出在光电转换单元101中生成的信号。
电压供给单元110向光电转换单元101的第一电极201至少供给第一电压Vs1和与第一电压Vs1不同的第二电压Vs2。当信号电荷是空穴时，第二电压Vs2低于第一电压Vs1。当信号电荷是空穴时，例如，第一电压Vs1为5V，第二电压Vs2为0V。当信号电荷是电子时，第二电压Vs2高于第一电压Vs1。当信号电荷是电子时，例如，第一电压Vs1为0V，第二电压Vs2为5V。在本说明书中，除非另有说明，否则假设将接地节点的电压设置为0V作为基准电压。
放大晶体管104的栅极包括在图1A中的节点B中。放大晶体管104是放大器单元。放大晶体管104的栅极是放大器单元的输入节点。即，光电转换单元101的第二电极209电连接到放大器单元。根据这种构造，放大器单元能够放大在光电转换单元101中生成的信号并且输出放大的信号。
第二电极209电连接到第一电容器103的第一端子。在本实施例中，第一电容器103的第一端子包括在节点B中。即，使第二电极209和第一电容器103的第一端子短路。第一电容器103的第二端子包括在图1A中的“节点C”中。第二端子电容性地耦合到第一端子。当从另一角度考虑时，节点C经由第一电容器103电容性地耦合到节点B。将预定电压供给到第一电容器103的第二端子(节点C)。在本实施例中，使第一电容器103的第二端子(节点C)接地。即，将0V的电压供给到第一电容器103的第二端子。
复位晶体管102的漏极连接到被供给复位电压Vres的节点。复位晶体管102的源极连接到光电转换单元101的第二电极209和放大晶体管104的栅极。根据这种构造，复位晶体管102能够将节点B的电压复位到复位电压Vres。即，复位晶体管102是用于将复位电压Vres供给到第二电极209的复位单元。当复位晶体管102截止时，被构造为包括光电转换单元101的第二电极209的节点B变为电浮置状态。
在本实施例中，通过控制供给到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs与复位电压Vres之间的大小关系，来进行光电转换单元101中的信号电荷的累积以及从光电转换单元101对信号电荷的移除。复位电压Vres是第一电压Vs1与第二电压Vs2之间的中间值。例如，当信号电荷是空穴时，复位电压Vres低于第一电压Vs1并且高于第二电压Vs2。当信号电荷是电子时，复位电压Vres高于第一电压Vs1并且低于第二电压Vs2。在本实施例中，将复位电压Vres设置为3.3V。复位电压Vres低于电源电压Vdd，并且高于供给到接地的节点的电压。复位电压Vres可以等于电源电压Vdd。以下假设复位电压Vres和电源电压Vdd连接到相同的电源。在它们连接到不同的电源的情况下，将根据需要进行进一步描述。
放大晶体管104的漏极连接到被供给电源电压Vdd的节点。放大晶体管104的源极经由选择晶体管105连接到输出线130。电流源160连接到输出线130。放大晶体管104和电流源160构成源极跟随器电路，并且将光电转换单元101中生成的信号输出到输出线130。列电路140还连接到输出线130。输出到输出线130的来自像素100的信号被输入到列电路140。在本实施例中，从相同的电源供给复位电压Vres和电源电压Vdd。
图1B和图1C各自例示了光电转换单元101的等效电路图的示例。本实施例中的光电转换单元101包括被构造为累积信号电荷的光电转换层以及绝缘层。因此，光电转换单元101包括在第一电极201与第二电极209之间的电容部件。在图1B和图1C各自的等效电路中，电容部件被例示为布置在光电转换单元101的第一电极201与第二电极209之间的第二电容器111。图1B例示了在光电转换单元101包括阻挡层的情况下的等效电路的示例。因此，由二极管112的电路符号来例示阻挡层和光电转换层。图1C例示了在光电转换单元101不包括阻挡层的情况下的等效电路的示例。因此，由电阻器113的电路符号来例示光电转换层。在下文中将描述光电转换单元101的结构。
图2是示意性例示根据本实施例的光电转换设备的总体电路构造的图。具有与图1A中大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。
图2例示了以4行和4列的矩阵形式布置的16个像素100。在一列中包括的多个像素100连接到一个输出线130。行驱动电路120将驱动信号pRES和驱动信号pSEL供给到像素100。将驱动信号pRES供给到复位晶体管102的栅极。将驱动信号pSEL供给到选择晶体管105的栅极。通过这些驱动信号，来控制复位晶体管102和选择晶体管105。在一行中包括的多个像素100连接到共同的驱动信号线。驱动信号线是用于传输前述的驱动信号pRES和pSEL等的互连(interconnection)。在图2中，为了区分被供给到不同行的驱动信号，将示出行的诸如(n)、(n+1)等的参照字符添加到表示驱动信号的参照字符。对其他图也是如此。
图2示意性例示了光电转换单元101的第一电极201的平面结构。如图2中所示，在一行中包括的多个像素100的光电转换单元101被构造为包括共同的第一电极201。如上所述，电压供给单元110将电压Vs供给到第一电极201。在本实施例中，按每行布置有第一电极201。因此，行驱动电路120选择从电压供给单元110将电压Vs供给到的行。为了区分被供给到不同行的电压Vs，可以将示出行的诸如(n)、(n+1)等的参照字符添加到表示电压Vs的参照字符。
根据上述的构造，在本实施例中，能够按每行驱动多个像素100。
各个输出线130连接到列电路140。列驱动电路150按每列驱动列电路140。具体来说，列驱动电路150将驱动信号CSEL供给到多个列电路140。为了区分被供给到不同列的驱动信号，可以将示出列的诸如(m)、(m+1)等的参照字符添加到表示驱动信号的参照字符。对其他图也是如此。根据这种构造，能够将按每行并行读出的信号依次输出到输出单元170。
将详细描述列电路140。图3例示了第m列和第(m+1)列中的各列的列电路140的等效电路。未例示其他列的列电路140。
输出线130的信号被列放大器301放大。列放大器301的输出节点经由S/H开关303连接到电容器CTS。列放大器301的输出节点经由S/H开关305连接到电容器CTN。S/H开关303和S/H开关305分别由驱动信号pTS和驱动信号pTN来控制。根据这种构造，能够保持包括来自像素100的复位噪声的噪声信号N以及光信号S。因此，根据本实施例的光电转换设备能够进行相关双采样。
电容器CTS经由水平转换开关307连接到水平输出线311。电容器CTN经由水平转换开关309连接到水平输出线313。水平转换开关307和309由来自列驱动电路150的驱动信号CSEL来控制。
水平输出线311和水平输出线313二者都连接到输出单元170。输出单元170将水平输出线311的信号与水平输出线313的信号之间的差输出到模拟/数字转换单元(下面被称为A/D转换单元)180。A/D转换单元180将输入的模拟信号转换成数字信号。
列电路140可以是模拟/数字(A/D)转换电路。在这种情况下，A/D转换电路包括用于保持数字信号的诸如存储器、计数器等的保持单元。噪声信号N和光信号S中的各个被转换成数字信号并且被保持在保持单元中。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备的平面结构和截面结构。图4示意性例示了光电转换设备的平面结构。图5A和图5B示意性例示了光电转换设备的截面结构。图4例示了以2行和2列的矩阵形式布置的4个像素100。图5A中例示的截面对应于沿图4中的虚线X1-X2截取的截面。图5B中例示的截面对应于沿图4中的虚线Y1-Y2截取的截面。具有与图1A中的功能大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。然而，针对晶体管，各个附图标记表示对应的栅电极。将与被供给到相关的驱动信号线的驱动信号相同的参照字符，添加到形成驱动信号线的导电构件。例如，添加有参照字符pRES的导电构件对应于用于供给驱动信号pRES的驱动信号线。
光电转换设备包括半导体基板200。在半导体基板200中布置诸如像素晶体管的源极区域、漏极区域等的各种半导体区域。像素晶体管例如是复位晶体管102、放大晶体管104以及选择晶体管105。在半导体基板200上布置像素晶体管的栅电极以及包含形成互连的导电构件的多个互连层202。在互连层202上布置光电转换单元101。在图4中，复位晶体管102的漏极和放大晶体管的漏极连接到相同的电源线Vdd/Vres，并且被供给相同的电压。
如图5A和图5B中所示，各个像素100的光电转换单元101包括第一电极201(共同电极)、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207以及第二电极209(像素电极)。光电转换层205布置在第一电极201与第二电极209之间。阻挡层203布置在第一电极201与光电转换层205之间。阻挡层203被配设为阻挡这种状态：将与在光电转换层205中累积的信号电荷的导电类型相同的导电类型的电荷从第一电极201注入到光电转换层205中。绝缘层207布置在光电转换层205与第二电极209之间。
如图2中所示，使第一电极201按每行电绝缘。另一方面，如图5A中所示，在一行中包括的多个像素100的第一电极201由共同的导电构件制成。因此，第一电极201也被称为共同电极。由于在图2中例示了第一电极201的平面结构，所以在图4中未例示第一电极201。
如图4和图5A中所示，各个像素100的第二电极209与其他像素100的第二电极209电绝缘。因此，第二电极209也被称为单独电极。阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207连续地布置在多个像素100中。因此，在图4中，未例示阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207。
如图4、图5A和图5B中所示，第一电容器103包括上部电极211和下部电极213。上部电极211和下部电极213彼此面对，绝缘材料介于上部电极211与下部电极213之间。根据这种结构，能够提高第一电容器103的电容值的设计自由度。这是因为，通过使用诸如光刻等的半导体处理，能够简单地确定上部电极211和下部电极213的平面形状。第一电容器103可以具有另一结构。作为另一示例，可以使用具有大于预定值的电容值的p-n结电容器。
第一电容器103的上部电极211和下部电极213布置在光电转换单元101的第二电极209下方的互连层中。当从平面图观看时，上部电极211和下部电极213、与第一电极201或第二电极209的至少一部分交叠。根据这种结构，能够减小像素100的大小。上部电极211和下部电极213中的各个包括不与复位晶体管102和放大晶体管104二者交叠的部分。
本实施例的第一电容器103例如是MIM(Metal Insulator Metal，金属绝缘体金属)电容器。具体来说，上部电极211和下部电极213中的各个由诸如金属等的导电构件制成。或者，第一电容器103可以是PIP(Poly-Si Insulator Poly-Si，多晶硅绝缘体多晶硅)电容器。具体来说，上部电极211和下部电极213中的各个由多晶硅制成。或者，第一电容器103可以是MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)电容器。具体来说，上部电极211由金属或诸如高掺杂多晶硅等的显示金属性质的导电构件制成，下部电极213由半导体区域构成。
如图5A和图5B中所示，光电转换单元101的第二电极209经由导电构件219连接到放大晶体管104的栅极。光电转换单元101的第二电极209还经由导电构件219和导电构件220连接到复位晶体管102的源极区域。此外，第二电极209经由导电构件219连接到第一电容器103的上部电极211。第一电容器103的下部电极213经由接触插头215连接到半导体区域217。半导体区域217接地。
在图5B中分别例示了复位晶体管102和放大晶体管104的栅极电极。栅极绝缘膜230布置在栅极电极与半导体基板200之间。选择晶体管105的栅极电极经由导电构件221连接到用于传输驱动信号pSEL的驱动信号线。像素晶体管的源极区域和漏极区域布置在半导体基板200中。由于半导体区域217接地，所以可以将半导体区域217和布置有前述晶体管的源极区域和漏极区域的阱240电连接。
将详细描述光电转换单元101的构造。光电转换单元101的第一电极201由具有高的光透射率的导电构件制成。例如，使用诸如ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)等的包含铟和/或锡的化合物、或诸如ZnO等的化合物，作为第一电极201的材料。根据这种构造，能够将大量的光输入到光电转换层205。因此，能够提高灵敏度。作为另一示例，可以使用具有使得预定量的光穿过第一电极201的这样薄的厚度的多晶硅或金属，作为第一电极201。由于金属具有低的电阻，因此使用金属作为第一电极201的材料的示例有利于实现低的电力消耗或高的驱动速度。
阻挡层203阻挡这样的状态：将与信号电荷的导电类型相同的导电类型的电荷从第一电极201注入到光电转换层205中。通过施加到第一电极201的电压Vs，使光电转换层205耗尽。光电转换层205中的电位的倾斜根据施加到第一电极201的电压Vs与第二电极209(节点B)的电压之间的关系而反转。根据这种构造，能够进行信号电荷的累积和累积的信号电荷的移除。在下文中，将描述光电转换单元101的操作。
具体来说，光电转换层205由本征非晶硅(在下文中被称为“a-Si”)、低浓度的p型a-Si、低浓度的n型a-Si等制成。或者，光电转换层205可以由化合物半导体材料制成。例如，能够涉及诸如BN、GaAs、GaP、AlSb、GaAlAsP等的III-V族化合物半导体材料，诸如CdSe、ZnS、HgTe等的II-VI族的化合物半导体材料，或诸如PbS、PbTe、CuO等的IV-VI族的化合物半导体材料。或者，光电转换层205可以由有机材料制成。例如，能够使用富勒烯、氧杂茶邻酮6(coumarin 6，C6)、罗丹明6G(rhodamine 6G，R6G)、酞菁锌(ZnPc)、喹吖啶酮、酞菁系化合物、萘酞菁系化合物等。此外，能够使用由前述的化合物半导体制成的量子点膜，作为光电转换层205。
如果光电转换层205由半导体材料制成，则期望半导体的杂质浓度是低的或半导体是本征的。根据这种结构，由于能够使耗尽层充分地扩散到光电转换层205中，因此能够获得实现高灵敏度、噪声减小等的效果。
作为阻挡层203，能够使用与在光电转换层205中使用的半导体材料相同种类的n型或p型半导体材料，即，杂质浓度高于在光电转换层205中使用的半导体的杂质浓度的n型或p型半导体。例如，如果使用a-Si作为光电转换层205，则使用具有高杂质浓度的n型a-Si或具有高杂质浓度的p型a-Si作为阻挡层203。由于费米(Fermi)能级的位置依据杂质浓度的差异而不同，所以能够仅对电子或空穴中的任一者形成势垒。阻挡层203的导电类型是这样的导电类型：与信号电荷的导电类型相反的导电类型的电荷成为多数载流子。
或者，阻挡层203能够由与光电转换层205的材料不同的材料制成。根据这种结构，形成异质结。由于带隙依据材料的差异而不同，所以能够仅对电子或空穴中的任一者形成势垒。
绝缘层207布置在光电转换层205与第二电极209之间。使用绝缘材料作为绝缘层207。例如，使用诸如氧化硅、非晶氧化硅(下面被称为a-SiO)、氮化硅、非晶氮化硅(a-SiN)等的无机材料或有机材料作为绝缘层207的材料。由于隧道效应，所以期望将绝缘层207的厚度设置为电荷不通过绝缘层207的这样的厚度。根据这种结构，由于能够减少泄漏电流，所以能够降低噪声。具体来说，期望将绝缘层207的厚度设置为50nm或更多。
在将a-Si、a-SiO或a-SiN用于阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207的情况下，可以通过执行氢化处理由氢来终止悬空键。根据这种构造，能够减小噪声。
第二电极209由诸如金属等的导电构件制成。使用与形成互连的导电构件相同的材料、或与形成适于连接到外部的焊盘电极的导电构件相同的材料，用于第二电极209。根据这种构造，能够同时形成第二电极209和形成互连或焊盘电极的导电构件。因此，能够简化制造处理。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备中的光电转换单元101的操作。图6A至图6G各自示意性例示了光电转换单元101中的能带图。在图6A至图6G中例示了第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207以及第二电极209的能带。图6A至图6G中的纵坐标轴表示对电子的电位。在图6A至图6G中的上侧对电子的电位较高。在图6A至图6G中的上侧电压较低。针对第一电极201和第二电极209中的各个，例示了自由电子的能级。针对阻挡层203和光电转换层205中的各个，例示了导带的能级与价带的能级之间的能带隙。光电转换层205在光电转换层205与绝缘层207之间的界面处的电位被方便地称为光电转换层205的表面电位，或者被简称为表面电位。
作为光电转换单元101的操作，重复执行以下步骤(1)至(6)。步骤(1)是对放大器单元的输入节点进行复位的步骤。步骤(2)是执行噪声信号N的读出的步骤(N信号读取)。步骤(3)是从光电转换单元移除信号电荷的步骤(电荷移除操作)。步骤(4)是执行光信号S的读出的步骤(S信号读取)。步骤(5)是进行从光电转换单元对残留电荷的移除(电荷移除操作)以及在开始信号电荷的累积之前的复位的步骤。步骤(6)是进行信号电荷的累积的步骤(累积操作)。即，在本实施例中，在第一累积操作与在第一累积操作之后执行的第二累积操作之间多次执行电荷移除操作，多次执行的累积操作包括第一累积操作和第二累积操作。在步骤(5)中，在多次的电荷移除操作中，能够与在第二次之后执行的电荷移除操作同步地进行复位。下面将描述前述步骤中的各个。
图6A例示了步骤(1)和(2)中的光电转换单元101的状态。将第一电压Vs1从电压供给单元110供给到第一电极201。第一电压Vs1例如为5V。在光电转换层205中累积由白圈例示的空穴，作为在曝光时间段期间生成的信号电荷。光电转换层205的表面电位根据累积的空穴的量而在表面电位降低的这样的方向(电压增加的这样的方向)上改变。当累积电子时，表面电位根据累积的电子的量而在表面电位增加的这样的方向(电压降低的这样的方向)上改变。
在该状态下，复位晶体管102导通。因而，包括第二电极209的节点的电压，即，图1A中的节点B，被复位到复位电压Vres(下面，这种复位操作被称为“FD复位”)。在本实施例中，放大晶体管104的栅极包括在节点B中。因此，放大晶体管104的栅极的电压被复位。复位电压Vres例如为3.3V。
之后，复位晶体管102截止。因而，节点B进入电浮置状态。此时，可能产生由复位晶体管102的复位噪声(图6A至图6C中的噪声kTC1)。
光电转换层205的表面电位能够根据由复位操作引起的第二电极209的电压的改变而改变。此时，第二电极209的电压的改变方向是与由信号电荷的累积引起的第二电极209的电压的改变方向相反的方向。因此，信号电荷的空穴被保持在它们被累积在光电转换层205中的状态。由于来自第一电极201的空穴的注入被阻挡层203阻挡，所以累积在光电转换层205中的信号电荷的量不改变。
如果选择晶体管105为ON，则放大晶体管104输出来自像素100的包含复位噪声的噪声信号N(Vres+kTC1)(N信号读取)。噪声信号N被保持在列电路140的电容器CTN中。
图6B和图6C例示了步骤(3)中的光电转换单元101的状态。首先，将第二电压Vs2供给到第一电极201。由于空穴被用作信号电荷，所以第二电压Vs2低于第一电压Vs1。第二电压Vs2例如为0V。
此时，第二电极209(节点B)的电压在与第一电极201的电压的改变方向相同的方向上改变。根据连接到第二电极209的第一电容器103的电容值C1与光电转换单元101具有的第二电容器111的电容值C2之间的比，来确定第二电极209的电压的改变量dVB。第二电极209的电压的改变量dVB对第一电极201的电压的改变量dVs由dVB＝dVs×C2/(C1+C2)来表达。包括第二电极209的节点B能够包含其他的电容部件。然而，其他的电容分量充分小于第一电容器103的电容值C1。因此，可以认为节点B的电容值等于第一电容器103的电容值C1。
在本实施例中，第一电极201的电压的改变量dVs充分大于第二电极209的电压的改变量dVB。因此，第二电极209的电位低于第一电极201的电位，并且光电转换层205中的电位的倾斜被反转。因此，由黑圈例示的电子被从第一电极201注入到光电转换层205中。作为信号电荷而累积在光电转换层205中的空穴的部分或全部被移动到阻挡层203。移动的空穴与阻挡层203中的多数载流子复合并消失。因而，光电转换层205中的空穴被从光电转换层205移除。如果整个光电转换层205耗尽，则作为信号电荷而累积的所有空穴被移除。
随后，在图6C中所示的状态下，将第一电压Vs1供给到第一电极201。因而，光电转换层205中的电位的倾斜被再次反转。因此，在图6B的状态下注入到光电转换层205中的电子被从光电转换层205移除。阻挡层203阻挡空穴从第一电极201到光电转换层205中的注入。因此，光电转换层205的表面电位根据累积的空穴的量而改变。与表面电位的改变相对应，第二电极209的电压从复位状态改变根据消失的空穴的量的电压Vp的量。即，在节点B中出现根据作为信号电荷而累积的空穴的量的电压Vp。根据累积的空穴的量的电压Vp被称为光信号分量。
在图6C中所示的状态下，选择晶体管105导通。因而，放大晶体管104输出来自像素100的光信号S(Vp+Vres+kTC1)(S信号读取)。光信号S被保持在列电路140的电容器CTS中。在步骤(2)中读出的复位信号(Vres+kTC1)与在步骤(4)中读出的光信号S(Vp+Vres+kTC1)之间的差是基于根据累积的信号电荷的电压Vp的信号(光信号分量)。
图6D和图6E例示了步骤(5)中的光电转换单元101的状态。复位晶体管102导通，并且节点B的电压被复位为复位电压Vres(FD复位)。同时，以类似于图6B的方式，施加到第一电极201的电压从第一电压Vs1改变到第二电压Vs2，并且进一步从第二电压Vs2改变到第一电压Vs1。通过如上所述摆动施加到第一电极201的电压，能够移除光电转换层205中的所有光致电荷(下面，光致电荷的移除被称为“膜复位”)。在移除的光致电荷中包含从图6C至在开始累积之前的复位的时间段内累积在光电转换层205中的暗电荷和光致电荷(在本实施例中，总是照射光)。还包含在图6B中的电荷移除步骤中没有完全读出而残留在光电转换层205中的光致电荷。因此，能够防止前一帧的残留电荷等对下一帧的光信号分量产生影响的这样的情形。
之后，复位晶体管102截止。如上所述，通过在开始信号电荷的累积之前对节点B进行复位，能够消除在节点B中累积的前一帧的光信号分量。能够防止在节点B中连续累积光信号分量并且动态范围变窄的这样的情形。
同样，此时可能产生由于复位晶体管102引起的复位噪声(图6E和图6G中的噪声kTC2)。然而，能够通过在累积时间段结束之后执行步骤(1)的复位操作来消除在此产生的复位噪声。
图6F和图6G例示了步骤(6)中的光电转换单元101的状态。将第一电压Vs1供给到第一电极201，并且将复位电压Vres供给到节点B。由于复位电压Vres低于第一电压Vs1，所以光电转换层205中的电子被移除到第一电极。另一方面，使光电转换层205中的空穴朝光电转换层205与绝缘层207之间的界面移动。然而，由于无法使空穴移动到绝缘层207，所以它们被累积在光电转换层205中。如上所述，阻挡层203阻挡将空穴注入到光电转换层205中的这样的状态。因此，如果光在该状态下进入光电转换层205，则仅通过光电转换生成的电子空穴对中的空穴作为信号电荷而累积在光电转换层205中。在进行累积预定时间段之后，重复步骤(1)至(6)的操作。
光电转换层205的表面电位通过累积的空穴而改变。第二电极209的电压根据表面电位的这种改变而上升。这种电压由图6G中的电压Vp0来例示。如上所述，在图6A中的复位时，第二电极209的电压改变以便抵消改变的电压Vp0。即，第二电极209的电压降低。因此，光电转换层205的表面电位在其上升的这样的方向上改变。
如果信号电荷是电子，则第二电压Vs2高于第一电压Vs1。因此，图6A至图6G中的电位的倾斜被反转。其他操作与前述情况中的大致相同。
现在，将描述本实施例中的噪声减小的效果。在参照图6A至图6G描述的操作中，由于在图6B的状态下使光电转换层205中的电位的倾斜反转，所以累积的信号电荷被移除。如果无法使光电转换层205中的电位的倾斜反转，则产生未移除的电荷，使得存在发生噪声的可能性。由于第一电极201的电压的改变量dVs大于第二电极209(节点B)的电压的改变量dVB，所以容易使电位的倾斜反转。换言之，由于第一电极201的电压的改变量dVs大于第二电极209的电压的改变量dVB，所以能够减小噪声。
如上所述，在第一电极201的电压的改变量dVs与节点B的电压的改变量dVB之间存在(dVB＝dVs×C2/(C1+C2))的关系。通过变形该式，将第一电极201的电压的改变量dVs表达为(dVs＝dVB+(C1/C2)×dVB)。即，第一电极201的电压的改变量dVs比第二电极209的电压的改变量dVB大(C1/C2)×dVB的量。因此，节点B的电容值C1越大，第一电极201的电压的改变量dVs与第二电极209的电压的改变量dVB之间的差越大。
在本实施例中，第一电容器103连接到第二电极209。因此，能够增加节点B的电容值C1。根据这种构造，能够将第一电极201的电压的改变量dVs设置为大于第二电极209的电压的改变量dVB的值。因而，由于能够容易地使光电转换层205耗尽，所以能够减少未移除的电荷。如上所述，根据本实施例，能够降低噪声。
作为比较例，将描述第一电容器103未连接到节点B的构造。在该情况下，节点B的电容可以包含由于半导体区域的p-n结导致的电容分量以及与互连的寄生电容分量。然而，这些电容分量如此小，以致于与光电转换单元101具有的第二电容器111的电容值C2相比它们能够被忽略。因此，C1/C2的值几乎为零。因此，当将第二电压Vs2供给到第一电极201时，第一电极201的电压的改变量dVs和第二电极209的电压的改变量dVB几乎相等。因此，在图6B的状态下，存在电位的倾斜未被反转的可能性。结果，发生无法移除作为信号电荷而累积的空穴的一部分的可能性。与比较例相比，由于在本实施例中能够减少未移除的信号电荷的量，所以能够降低噪声。
随后，将描述第一电容器103的电容值C1、在光电转换单元101中包括的第二电容器111的电容值C2、以及供给到各个单元的电压之间的关系。
在本实施例中，光电转换单元101包括阻挡层203、光电转换层205以及绝缘层207。阻挡层203的电导率高于光电转换层205和绝缘层207的电导率。因此，在光电转换单元101中包括的第二电容器111的电容值C2等于光电转换层205的电容分量Ci和绝缘层207的电容分量Cins的合成电容。具体来说，由下式(1)来表达第二电容器111的电容值C2。
C2＝Ci×Cins/(Ci+Cins)...(1)
其中，分别假设当从平面图观看时的第二电极209的面积为Ss，光电转换层205的厚度为di，绝缘层207的厚度为dins，光电转换层205的介电常数为Ei，绝缘层207的介电常数为Eins，真空的介电常数为E0。由下式(2)和(3)来表达电容分量Ci和电容分量Cins。
Ci＝E0×Ei×Ss/di...(2)
Cins＝E0×Eins×Ss/dins...(3)
由于能够大致上忽略第二电极209的边缘电场，所以作为在电容的计算中使用的面积，仅仅考虑仅当从平面图观看时的第二电极209的面积Ss即可。当从平面图观看时的第二电极209的面积Ss例如是图4中的第二电极209的面积。在图5A和图5B中例示了光电转换层205的厚度di和绝缘层207的厚度dins。
假设当从平面图观看时上部电极211或下部电极213的面积为Sd，上部电极211与下部电极213之间的距离为dd，并且上部电极211与下部电极213之间的绝缘层的介电常数为Ed，由下式(4)来表达第一电容器103的电容值C1。
C1＝E0×Ed×Sd/dd...(4)
在本实施例中，通过将第一电极201(节点A)的电压Vs控制为第一电压Vs1和第二电压Vs2，来进行信号电荷的累积以及由于光电转换层205的耗尽而对信号电荷的移除。如果第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2在上述的信号电荷的移除时满足将在下文中描述的关系，则能够有效地减少光电转换层205中残留的电荷。首先，将针对信号电荷是空穴的情况进行描述。
为了简化描述，下面假设第一电容器103的电容值C1是第二电容器111的电容值C2的k倍大。即，电容值C1和电容值C2具有由下式(5)表达的关系。
C1＝k×C2...(5)
如上所述，第一电极201的电压的改变量dVs和第二电极209(节点B)的电压的改变量dVB具有由下式(6)表达的关系。
dVB＝dVs×C2/(C1+C2)...(6)
从式(5)和式(6)获得下式(7)。
dVB＝dVs/(1+k)...(7)
在此，为了累积空穴作为信号电荷，第一电压Vs1和复位电压Vres满足由以下表达式(8)表达的关系即可。
Vs1>Vres...(8)
为了传送信号电荷的空穴，第一电压Vs1、复位电压Vres、第一电极201的电压的改变量dVs以及第二电极209的电压的改变量dVB满足由以下表达式(9)表达的关系即可。
Vs1+dVs<Vres+dVB...(9)
当满足表达式(8)的关系时，能够在光电转换层205中形成适于使得空穴能够朝绝缘层207漂移的电位的倾斜。当满足表达式(9)的关系时，能够容易地使光电转换层205中的电位的倾斜反转。
从式(7)和表达式(9)获得以下表达式(10)。
Vs1–Vres+dVs<dVs/(1+k)...(10)
其中，由于k>0，通过将表达式(10)的两侧乘以(1+k)，将表达式(10)变形为以下表达式(11)。
(1+k)×(Vs1–Vres+dVs)<dVs...(11)
其中，第一电极201的电压的改变量dVs由(dVs＝Vs2–Vs1)来表达。因此，(Vs1–Vres+dVs＝Vs2–Vres)。在信号电荷是空穴的示例中，复位电压Vres高于第二电压Vs2。即，Vs2–Vres<0。因而，满足由以下表达式(12)表达的关系。
Vs1–Vres+dVs<0...(12)
因此，通过将表达式(11)的两侧除以(Vs1–Vres+dVs)，不等式的方向改变，并且获得由以下表达式(13)表达的关系。
1+k>dVs/(Vs1–Vres+dVs)...(13)
由表达式(13)，针对电容值C1和C2之间的电容比k，获得由以下表达式(14)表达的关系。
k>dVs/(Vs1–Vres+dVs)–1...(14)
如果满足表达式(14)的关系，则能够减少未移除的电荷的量。因此，能够降低噪声。
在本实施例中，第一电压Vs1为5V，并且复位电压Vres为3.3V。由于第二电压Vs2为0V，所以第一电极201的电压的改变量dVs为-5V。因此，将k的值设置为大于0.52的值。具体来说，在本实施例中，第一电容器103的电容值C1为4fF，并且第二电容器111的电容值C2为1fF。即，k＝4。根据这种构造，能够进一步减小噪声。
在本实施例中，当从平面图观看时，第一电容器103的上部电极211或下部电极213的面积Sd和第二电极209的面积Ss满足Sd>0.5×Ss的关系。根据这种构造，能够容易地获得电容比的前述关系。
k的值越大，则噪声减小的效果越大。因此，当第一电容器103的电容值C1等于或大于第二电容器111的电容值C2时，能够进一步提高噪声减小的效果。
通过使用第一电压Vs1和第二电压Vs2，由(dVs＝Vs2–Vs1)来表达第一电极201的电压的改变量dVs。因此，表达式(14)被变形为以下表达式(15)。
k>(Vs2–Vs1)/(Vs2–Vres)–1...(15)
特别地，当第二电压Vs2为0V时，表达式(15)能够被简化为以下表达式(16)。
k>Vs1/Vres–1...(16)
随后，将描述信号电荷是电子的情况。当信号电荷是电子时，表达式(8)和(9)中的各个的不等式的方向改变。因此，表达式(10)和(11)中的各个的不等式的方向也改变。然而，当信号电荷是电子时，复位电压Vres低于第二电压Vs2。因此，表达式(11)中的(Vs1–Vres+dVs＝Vs2–Vres)为正值。即，满足((Vs1–Vres+dVs)>0)的关系。因此，当将表达式(11)的两侧除以(Vs1–Vres+dVs)时，不等式的方向不改变。结果，以与信号电荷是空穴的情况类似的方式获得表达式(14)和(15)。
通过使用等式(5)能够将表达式(15)的左侧重写为C1/C2。由于((Vs2–Vres)/(Vs2–Vres)＝1)，所以通过减小表达式(15)的右侧，获得以下表达式(17)。
C1/C2>(Vres–Vs1)/(Vs2-Vres)...(17)
现在，将描述由表达式(17)示出的关系。首先，复位电压Vres等于第一电压Vs1与第二电压Vs2之间的中间值。
复位电压Vres越接近第一电压Vs1，则右侧的值越小。即，即使第一电容器103的电容值C1小，也能够使光电转换层205中的电位的倾斜反转。当复位电压Vres与第一电压Vs1之间的差小时，能够在光电转换层205中累积的电荷的量小。
另一方面，复位电压Vres越接近第二电压Vs2，则右侧的值越大。即，使用大的值作为第一电容器103的电容值C1。此时，由于复位电压Vres与第一电压Vs1之间的差大，因此能够增大能够在光电转换层205中累积的电荷的量。
为了获得饱和电荷量与第一电容器103的电容值C1之间的良好的平衡，期望的是，复位电压Vres位于在将第一电压Vs1设置为上限(或下限)并且将第二电压Vs2设置为下限(或上限)的情况下的范围的20％至80％的范围内。例如，当第一电压Vs1为5V并且第二电压Vs2为0V时，期望复位电压Vres位于1V至4V的范围内。
如果光电转换设备被用作照相机等的图像传感器，则使用低的电源电压以实现低的电力消耗。例如，在许多情况下，施加到图像传感器的电源电压等于或小于5V。因此，也使用5V或更小的电压作为表达式(14)至(17)中示出的各个电压。在这种情况下，如果第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足前述关系，则能够在由低电压驱动光电转换设备的同时减小噪声。在本实施例中，复位电压Vres和电源电压Vdd被从相同的电源供给，并且被设置为例如3.3V。然而，也能够将复位电压Vres和电源电压Vdd设置为不同的电压。在图4中所示的构造中，复位电压Vres的电源线和电源电压Vdd的电源线是像素单元中的共同线。在这种情况下，当进行复位时，电压供给源(未例示)将复位电压Vres施加到电源线Vdd/Vres。当从放大晶体管104读出信号时，电压供给源将与复位电压Vres不同的期望的电源电压Vdd施加到电源线Vdd/Vres。
如上所述，能够通过第一电容器103的电容值C1与光电转换单元101中包括的第二电容器111的电容值C2之间的关系来减小噪声。
上述的数值仅仅是示例，并且本发明不限于这些值。存在在光电转换层205与绝缘层207之间的界面处存在缺陷能级等的可能性。在这种情况下，考虑基于现有技术的平带电压即可。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备的驱动方法。图7例示了在本实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图。在图7中例示了与第n行和第(n+1)行的两行的信号的读出操作相对应的驱动信号。
驱动信号pSEL被供给到选择晶体管105的栅极。驱动信号pRES被供给到复位晶体管102的栅极。电压信号Vs被供给到光电转换单元101的第一电极201。驱动信号pTS被供给到S/H开关303。驱动信号pTN被供给到S/H开关305。驱动信号CSEL被供给到列电路140。
当驱动信号pSEL、pRES、pTN及pTS处于高电平时，对应的晶体管或开关处于开状态。当驱动信号pSEL、pRES、pTN及pTS处于低电平时，对应的晶体管或开关处于关状态。电压信号Vs包括第一电压Vs1和第二电压Vs2。
在本实施例的光电转换设备的驱动中，执行所谓的卷帘快门(rolling shutter)操作。在时刻t1之前，第n行的像素100的光电转换单元101和第(n+1)行的像素100的光电转换单元101处于信号电荷正被累积的状态。在时刻t1之前，第n行的电压信号Vs(n)和第(n+1)行的电压信号Vs(n+1)二者都是第一电压Vs1。
在时刻t1，驱动信号pSEL(n)被设置为高电平，并且第n行的像素100的选择晶体管105导通。因而，第n行的像素100的放大晶体管104输出信号。
在时刻t1，驱动信号pRES(n)被设置为高电平，并且第n行的像素100的复位晶体管102导通。因而，第n行的像素100的节点B的电压被复位为复位电压Vres。之后，在时刻t2，驱动信号pRES(n)被设置为低电平，并且复位晶体管102截止。在图6A中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。
随后，驱动信号pTN(n)在时刻t3被设置为高电平，并且在时刻t4被设置为低电平。因而，包含复位噪声(图6A至图6C中的kTC1)的噪声信号N被保持在列电路140的电容器CTN中。
在时刻t5，电压信号Vs(n)被从第一电压Vs1转变到第二电压Vs2。在图6B中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。随后，在时刻t6，电压信号Vs(n)被从第二电压Vs2转变到第一电压Vs1。在图6C中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。通过在时刻t5与时刻t6之间的时间段执行的操作，信号电荷被如上所述传送。因此，在节点B中产生与累积的信号电荷的量相对应的电压Vp。
驱动信号pTS(n)在时刻t7被设置为高电平，并且在时刻t8被设置为低电平。因而，包含电压Vp和复位噪声(图6A至图6C中的kTC1)的光信号S被保持在列电路140的电容器CTS中。
随后，驱动信号pRES(n)在时刻t9被设置为高电平，并且电压信号Vs(n)被从第一电压Vs1转变到第二电压Vs2。在图6D中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。因而，节点B被复位电压复位(FD复位)，并且同时，光电转换层205中残留的所有电荷被移除，从而进行膜复位。在时刻t10，驱动信号pRES(n)被设置为低电平，并且电压信号Vs(n)被从第二电压Vs2转变到第一电压Vs1。在图6E中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。因而，第n行的像素100的节点B的电压被再次复位到复位电压Vres。
之后，第n行的像素100开始下一帧的信号电荷的累积。在图6F和图6G中例示了在信号电荷的累积期间的光电转换单元101的能带的状态。
在时刻t11，驱动信号pSEL(n)被设置为低电平，并且从第n行的像素100到列电路140的信号的读出完成。
响应于驱动信号CSEL，读出到列电路140的噪声信号N和光信号S按每列被输出到输出单元170。输出单元170将光信号S与噪声信号N之间的差输出到A/D转换单元180。
在时刻t12，驱动信号pSEL(n+1)被设置为高电平，并且第(n+1)行的像素100的选择晶体管105导通。之后，进行从第(n+1)行的像素100的信号的读出。由于这种操作类似于在时刻t1与时刻t11之间的时间段执行的操作，所以在此省略其描述。
如上所述，本实施例的光电转换设备包括节点B，节点B电连接到光电转换单元101的第二电极209并且被构造为进入电浮置状态。第一电容器103连接到节点B。根据这种构造，能够容易地使光电转换单元101的光电转换层205耗尽。因而，能够减小噪声。通过在读出光信号S之后执行从光电转换层的电荷移除操作(膜复位)，能够移除光电转换层中残留的所有光致电荷。因而，能够防止前一帧的残留电荷等对下一帧的光信号分量产生影响的这样的情形。
[第二实施例]
将参照图8至图13描述根据本发明的第二实施例的光电转换设备。
根据本实施例的光电转换设备与根据第一实施例的光电转换设备的不同之处在于电压供给单元将电压供给到的节点。在本实施例中，将主要描述与第一实施例不同的部分，并且在此省略与第一实施例中的大致相同的部分的描述。
图8示意性例示了根据本实施例的光电转换设备的像素100的构造。具有与图1A中的功能大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。本实施例的光电转换单元101的等效电路与第一实施例中的大致相同。即，图1B和图1C例示了本实施例的光电转换单元101的等效电路。
在本实施例中，将来自电压供给单元410的电压Vd供给到第一电容器103的第二端子。电压供给单元410至少将第一电压Vd1和与第一电压Vd1不同的第二电压Vd2供给到第一电容器103的第二端子。
当信号电荷是空穴时，第二电压Vd2高于第一电压Vd1。当信号电荷是空穴时，例如，第一电压Vd1为0V，第二电压Vd2为5V。当信号电荷是电子时，第二电压Vd2低于第一电压Vd1。当信号电荷是电子时，例如，第一电压Vd1为5V，第二电压Vd2为0V。
另一方面，将预定电压Vs供给到光电转换单元101的第一电极201。在本实施例中，将3V的电压供给到光电转换单元101的第一电极201。在图1A中，节点A包括在第一电极201中。
随后，将描述由复位晶体管102供给的复位电压Vres。当信号电荷是空穴时，复位电压Vres低于供给到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs。当信号电荷是电子时，复位电压Vres高于供给到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs。
在本实施例中，通过控制节点C的电压Vd，来控制经由第一电容器103连接到节点C的节点B的电压。因此，不特别地限制供给到节点C的电压Vd、与复位电压Vres或供给到节点A的电压Vs之间的类似直流的大小关系。
图9是示意性示例本实施例的光电转换设备的总体电路构造的图。具有与图2中的功能大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。
图9示意性例示了光电转换单元101的第一电极201的平面结构。第一电极201包括在图8中的节点A中。如图9中所示，包括在多行和多列中的多个像素100的光电转换单元101被构造为包括共同的第一电极201。将电压Vs供给到第一电极201。
在本实施例中，按每行独立地控制供给到第一电容器103的第二端子(节点C)的电压Vd。因此，行驱动电路120选择从电压供给单元410将电压Vd供给到的行。为了区分被供给到不同行的电压Vd，可以将示出行的诸如(n)、(n+1)等的参照字符添加到其中。根据上述构造，在本实施例中，能够按每行驱动多个像素100。
本实施例中的列电路140的构造与第一实施例中的大致相同。即，图3例示了本实施例的列电路140的等效电路。以类似于第一实施例的方式，列电路140可以是模拟/数字(A/D)转换电路。在这种情况下，A/D转换电路包括用于保持数字信号的诸如存储器、计数器等的保持单元。噪声信号N和光信号S中的各个被转换成数字信号并被保持。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备的平面结构和截面结构。图10示意性例示了光电转换设备的平面结构。图11示意性例示了光电转换设备的截面结构。图11中例示的截面对应于沿图10中的虚线X1-X2截取的截面。与图4中的或图5A和图5B中的部分大致相同的部分由相同的附图标记来表示。同样在图10中，复位晶体管102的漏极和放大晶体管104的漏极连接到相同的电源线Vdd/Vres。在本实施例中，将复位电压Vres和电源电压Vdd设置为不同的电压。当进行复位时，电压供给源(未例示)将复位电压Vres施加到电源线Vdd/Vres。当从放大晶体管104读出信号时，电压供给源将与复位电压Vres不同的电源电压Vdd供给到电源线Vdd/Vres。也能够将复位电压Vres和电源电压Vdd设置为相同的电压。可以布置用于分别供给复位电压Vres和电源电压Vdd的多个电源线。
如图10和图11中所示，第一电容器103的下部电极213连接到导电构件420。导电构件420是用于供给来自电压供给单元410的电压Vd的互连。在本实施例中，导电构件420被按每行布置并且与其他行的导电构件420电绝缘。根据这种构造，能够按每行独立地控制第一电容器103的第二端子(节点C)的电压Vd。
由于除前述结构以外的构造与第一实施例中的类似，所以在此省略其描述。
随后，将描述本实施例的光电转换单元101的操作。图12A至图12G各自示意性例示了光电转换单元101中的能带图。图12A至图12G例示了第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207以及第二电极209的能带。图12A至图12G的纵坐标轴表示对电子的电位。在图12A至图12G中的上侧，对电子的电位较高。因此，在图12A至图12G中的上侧，电压较低。针对第一电极201和第二电极209中的各个，例示了自由电子的能级。针对阻挡层203和光电转换层205中的各个，例示了导带的能级与价带的能级之间的能带隙。光电转换层205在光电转换层205与绝缘层207之间的界面处的电位被方便地称为光电转换层205的表面电位，或者被简称为表面电位。
作为光电转换单元101的操作，重复执行以下步骤(1)至(6)的操作。步骤(1)是对放大器单元的输入节点进行复位的步骤。步骤(2)是执行噪声信号N的读出的步骤(N信号读取)。步骤(3)是从光电转换单元移除信号电荷的步骤(电荷移除操作)。步骤(4)是执行光信号S的读出的步骤(S信号读取)。步骤(5)是进行从光电转换单元对残留电荷的移除(电荷移除操作)以及在开始信号电荷的累积之前的复位的步骤。步骤(6)是进行信号电荷的累积的步骤(累积操作)。即，在本实施例中，在第一累积操作与在第一累积操作之后执行的第二累积操作之间多次执行电荷移除操作，多次执行的累积操作包括第一累积操作和第二累积操作。下面将描述前述步骤中的各个。
图12A例示了步骤(1)和(2)中的光电转换单元101的状态。将电压Vs供给到第一电极201。电压Vs例如为3V。在光电转换层205中累积由白圈例示的空穴，作为在曝光时间段期间生成的信号电荷。光电转换层205的表面电位根据累积的空穴的量而在表面电位降低的这样的方向(电压增加的这样的方向)上改变。当累积电子时，表面电位根据累积的电子的量而在表面电位增加的这样的方向(电压降低的这样的方向)上改变。将第一电压Vd1供给到节点C。第一电压Vd1例如为0V。
在该状态下，复位晶体管102导通。因而，包括第二电极209的节点的电压，即，图8中的节点B，被复位到复位电压Vres(FD复位)。在本实施例中，放大晶体管104的栅极包括在节点B中。因此，放大晶体管104的栅极的电压被复位。复位电压Vres例如为1V。
之后，复位晶体管102截止。因而，节点B进入电浮置状态。此时，可能产生由复位晶体管102的复位噪声(图12A至图12C中的噪声kTC1)。
光电转换层205的表面电位能够根据由复位操作引起的第二电极209的电压的改变而改变。此时，第二电极209的电压的改变方向是与由信号电荷的累积引起的第二电极209的电压的改变方向相反的方向。因此，信号电荷的空穴被保持在它们被累积在光电转换层205中的状态。由于来自第一电极201的空穴的注入被阻挡层203阻挡，所以累积在光电转换层205中的信号电荷的量不改变。
如果选择晶体管105为ON，则放大晶体管104输出来自像素100的包含复位噪声的噪声信号N(Vres+kTC1)(N信号读取)。噪声信号N被保持在列电路140的电容器CTN中。
图12B和图12C例示了步骤(3)中的光电转换单元101的状态。首先，将第二电压Vd2供给到节点C。由于空穴被用作信号电荷，所以第二电压Vd2高于第一电压Vd1。第二电压Vd2例如为5V。
此时，第二电极209(节点B)的电压在与节点C的电压的改变方向相同的方向上改变。根据连接到第二电极209的第一电容器103的电容值C1与光电转换单元101具有的第二电容器111的电容值C2之间的比，来确定第二电极209的电压的改变量dVB。第二电极209的电压的改变量dVB对节点C的电压的改变量dVd由(dVB＝dVd×C1/(C1+C2))来表达。包括第二电极209的节点B能够包含其他的电容部件。然而，其他的电容分量充分小于第一电容器103的电容值C1。因此，可以认为节点B的电容值等于第一电容器103的电容值C1。
在本实施例中，第二电极209的电压的改变量dVB充分大于第一电极201的电压Vs与复位电压Vres之间的差(Vs-Vres)。因此，第二电极209的电位低于第一电极201的电位，并且光电转换层205中的电位的倾斜被反转。因此，由黑圈例示的电子被从第一电极201注入到光电转换层205中。作为信号电荷而累积在光电转换层205中的空穴的部分或全部被移动到阻挡层203。移动的空穴与阻挡层203中的多数载流子复合并消失。因而，光电转换层205中的空穴被从光电转换层205移除。如果整个光电转换层205耗尽，则作为信号电荷而累积的所有空穴被移除。
随后，在图12C中所示的状态下，将第一电压Vd1供给到节点C。因而，光电转换层205中的电位的倾斜被再次反转。因此，在图12B的状态下注入到光电转换层205中的电子被从光电转换层205移除。阻挡层203阻挡空穴从第一电极201到光电转换层205中的注入。因此，光电转换层205的表面电位根据累积的空穴的量而改变。与表面电位的改变相对应，第二电极209的电压从复位状态改变根据消失的空穴的量的电压Vp的量。即，在节点B中出现根据作为信号电荷而累积的空穴的量的电压Vp。根据累积的空穴的量的电压Vp被称为光信号分量。
在图12C中所示的状态下，选择晶体管105导通。因而，放大晶体管104输出来自像素100的光信号S(Vp+Vres+kTC1)。光信号S被保持在列电路140的电容器CTS中。在步骤(2)中读出的复位信号(Vres+kTC1)与在步骤(4)中读出的光信号S(Vp+Vres+kTC1)之间的差，是基于根据累积的信号电荷的电压Vp的信号(光信号分量)。
图12D和图12E例示了步骤(5)中的光电转换单元101的状态。在本实施例中，在图12D中，通过经由第一电容器103摆动第二电极209侧的电压，对光电转换层205进行复位。之后，在图12E中，复位晶体管102导通，并且节点B的电压被复位为复位电压Vres(FD复位)。即，本实施例与第一实施例的不同之处在于膜复位的定时和FD复位的定时。以类似于图12B的方式，施加到第一电极201的电压从第一电压Vd1改变到第二电压Vd2，并且进一步从第二电压Vd2改变到第一电压Vd1。通过如上所述摆动施加到第二电极209的电压，能够移除光电转换层205中的所有光致电荷(膜复位)。在移除的光致电荷中包含从图12C至在开始累积之前的复位的时间段内累积在光电转换层205中的暗电荷和光致电荷(在本实施例中，总是照射光)。还包含在图12B中的电荷移除步骤中没有完全读出而残留在光电转换层205中的光致电荷。因此，能够防止前一帧的残留电荷等对下一帧的光信号分量产生影响的这样的情形。
如上所述，通过在开始信号电荷的累积之前对节点B进行复位，能够消除在节点B中累积的前一帧的光信号分量。能够防止在节点B中连续累积光信号分量并且动态范围变窄的这样的情形。
同样，此时可能产生由于复位晶体管102引起的复位噪声(图12E和图12G中的噪声kTC2)。然而，能够通过在累积时间段结束之后执行步骤(1)的复位操作来消除在此产生的复位噪声。
图12F和图12G例示了步骤(6)中的光电转换单元101的状态。将电压Vs供给到第一电极201，并且将复位电压Vres供给到节点B。由于复位电压Vres低于第一电极201的电压Vs，所以光电转换层205中的电子被移除到第一电极。另一方面，使光电转换层205中的空穴朝光电转换层205与绝缘层207之间的界面移动。然而，由于无法使空穴移动到绝缘层207，所以它们被累积在光电转换层205中。如上所述，阻挡层203阻挡将空穴注入到光电转换层205中的这样的状态。因此，如果光在该状态下进入光电转换层205，则仅通过光电转换生成的电子空穴对中的空穴作为信号电荷而累积在光电转换层205中。在进行累积预定时间段之后，重复步骤(1)至(6)的操作。
光电转换层205的表面电位通过累积的空穴而改变。第二电极209的电压根据表面电位的这种改变而上升。这种电压由图12G中的Vp0来例示。如上所述，在图12A中的复位时，第二电极209的电压改变以便抵消改变的电压Vp0。即，第二电极209的电压降低。因此，光电转换层205的表面电位在其上升的这样的方向上改变。
如果信号电荷是电子，则第二电压Vd2高于第一电压Vd1。因此，图12A至图12G中的电位的倾斜被反转。其他操作与前述情况中的大致相同。
现在，将描述本实施例中的噪声减小的效果。在参照图12A至图12G描述的操作中，由于在图12B的状态下使光电转换层205中的电位的倾斜反转，所以累积的空穴被移除。如果无法使光电转换层205中的电位的倾斜反转，则产生未移除的电荷，使得存在发生噪声的可能性。由于第二电极209(节点B)的电压的改变量dVB大于第一电极201的电压Vs与复位电压Vres之间的差(Vs-Vres)，所以容易使电位的倾斜反转。换言之，由于第二电极209的电压的改变量dVB大于第一电极201的电压Vs与复位电压Vres之间的差(Vs-Vres)，所以能够减小噪声。
如上所述，在节点C的电压的改变量dVd与节点B的电压的改变量dVB之间存在(dVB＝dVd×C1/(C1+C2))的关系。即，节点B的电容值C1越大，则节点B的电压的改变量dVB越大。
在本实施例中，第一电容器103连接到第二电极209。因此，能够增加节点B的电容值C1。根据这种构造，能够增加节点B的电压的改变量dVB。因而，由于能够容易地使光电转换层205耗尽，所以能够减少未移除的电荷。如上所述，根据本实施例，能够降低噪声。
作为比较例，将描述第一电容器103未连接到节点B的构造。在该情况下，节点B的电容可以包含由于半导体区域的p-n结导致的电容分量以及与互连的寄生电容分量。然而，这些电容分量如此小，以致于与光电转换单元101具有的第二电容器111的电容值C2相比它们能够被忽略。因此，C1/(C1+C2)的值几乎为零。因而，即使节点C的电压Vd被改变，节点B的电压也几乎不改变。因此，在图12B的状态下，存在电位的倾斜未被反转的可能性。结果，发生无法移除作为信号电荷而累积的空穴的一部分的可能性。与比较例相比，由于在本实施例中能够减少未移除的信号电荷的量，所以能够降低噪声。
随后，将描述第一电容器103的电容值C1、在光电转换单元101中包括的第二电容器111的电容值C2、以及供给到各个单元的电压之间的关系。在本实施例中，电容值C1和电容值C2由第一实施例中的式(4)和(1)来表达。在此省略详细描述。
在本实施例中，通过将节点C的电压Vd控制为第一电压Vd1和第二电压Vd2，来进行信号电荷的累积和由于光电转换层205的耗尽而引起的信号电荷的移除。如果第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2，在上述的信号电荷的移除时满足将在下文中描述的关系，则能够有效地减少光电转换层205中残留的电荷。首先，将针对信号电荷是空穴的情况进行描述。
为了简化描述，下面假设第一电容器103的电容值C1是第二电容器111的电容值C2的k倍大。即，电容值C1和电容值C2具有由下式(18)表达的关系。
C1＝k×C2...(18)
如上所述，节点C的电压的改变量dVd和第二电极209(节点B)的电压的改变量dVB具有由下式(19)表达的关系。
dVB＝dVd×C1/(C1+C2)...(19)
由式(18)和(19)获得下式(20)。
dVB＝dVd×k/(1+k)...(20)
在此，为了累积空穴作为信号电荷，期望供给到第一电极201(节点A)的电压Vs和复位电压Vres满足由以下表达式(21)表达的关系。
Vs>Vres...(21)
为了传送信号电荷的空穴，期望第一电极201(节点A)的电压Vs、复位电压Vres以及第二电极209的电压的改变量dVB满足由以下表达式(22)表达的关系。
Vs<Vres+dVB...(22)
当满足表达式(21)的关系时，能够在光电转换层205中形成适于使得空穴能够朝绝缘层207漂移的电位的倾斜。当满足表达式(22)的关系时，能够容易地使光电转换层205中的电位的倾斜反转。
从式(20)和表达式(22)获得以下表达式(23)。
Vs–Vres<dVd×k/(1+k)...(23)
当信号电荷是空穴时，第二电压Vd2高于第一电压Vd1。即，节点C的电压的改变量(dVd＝Vd2–Vd1)是正值。因此，即使将表达式(23)的两侧除以dVd，不等式的方向也不改变。
因此，由表达式(23)，针对电容值C1与C2之间的电容比k获得由以下表达式(24)表达的关系。
1–1/(1+k)>(Vs-Vres)/dVd...(24)
如果满足表达式(24)的关系，则能够减少未移除的电荷的量。因此，能够降低噪声。
在本实施例中，第一电极201的电压Vs为3V，并且复位电压Vres为1V。由于第一电压Vd1为0V并且第二电压Vd2为5V，所以节点C的电压的改变量dVd等于5V。因此，将k的值设置为大于2/3的值。具体来说，在本实施例中，第一电容器103的电容值C1为4fF，第二电容器111的电容值C2为1fF。即，k＝4。根据这种构造，能够进一步减小噪声。
在本实施例中，当从平面图观看时，第一电容器103的上部电极211或下部电极213的面积Sd和第二电极209的面积Ss满足Sd>0.5×Ss的关系。根据这种构造，能够容易地获得电容比的前述关系。
k的值越大，则噪声减小的效果越大。因此，当第一电容器103的电容值C1等于或大于第二电容器111的电容值C2时，能够进一步提高噪声减小的效果。
通过使用第一电压Vs1和第二电压Vs2，由(dVd＝Vd2–Vd1)来表达节点C的电压的改变量dVd。通过使用式(18)能够将表达式(24)的左侧重写为(C1/(C1+C2))。因此，表达式(24)被变形为以下表达式(25)。
C1/(C1+C2)>(Vs-Vres)/(Vd2-Vd1)...(25)
随后，将描述信号电荷是电子的情况。当信号电荷是电子时，表达式(21)和(22)中的各个的不等式的方向也改变。因此，表达式(23)的不等式的方向也改变。即，当信号电荷是电子时，获得以下表达式(26)。
Vs–Vres>dVd×k/(1+k)...(26)
然而，当信号电荷是电子时，第二电压Vd2低于第一电压Vd1。即，节点C的电压的改变量(dVd＝Vd2–Vd1)是负值。因此，如果将表达式(26)的两侧除以dVd，则不等式的方向改变。因而，以与信号电荷是空穴的情况类似的方式获得表达式(24)和(25)。
现在，将描述由表达式(25)示出的关系。复位电压Vres越接近供给到光电转换单元101的第一电极201的电压Vs，则右侧的值越小。即，即使第一电容器103的电容值C1小，也能够使光电转换层205中的电位的倾斜反转。当复位电压Vres与供给到第一电极201的电压Vs之间的差小时，能够在光电转换层205中累积的电荷的量小。
另一方面，复位电压Vres与电压Vs之间的差越大，则右侧的值越大。即，使用大的值作为第一电容器103的电容值C1。此时，由于复位电压Vres与电压Vs之间的差大，因此能够增大能够在光电转换层205中累积的电荷的量。
为了获得饱和电荷量与第一电容器103的电容值C1之间的良好的平衡，期望的是，复位电压Vres与电压Vs之间的差位于第一电压Vd1与第二电压Vd2之间的差的20％至80％的范围内。例如，当第一电压Vd1为0V并且第二电压Vd2为5V时，期望复位电压Vres与电压Vs之间的差位于1V至4V的范围内。
特别地，如果增大第一电压Vd1与第二电压Vd2之间的差，则即使复位电压Vres与电压Vs之间的差大，也能够减小第一电容器103的电容值C1。然而，如果光电转换设备被用作照相机等的图像传感器，则使用低的电源电压以实现低的电力消耗。例如，在许多情况下，施加到图像传感器的电源电压等于或小于5V。因此，也使用5V或更小的电压作为表达式(24)和(25)中示出的各个电压。因此，难以增大第一电压Vd1与第二电压Vd2之间的差。在这种情况下，如果第一电容器103的电容值C1和第二电容器111的电容值C2满足前述关系，则能够在通过低的电压来驱动光电转换设备的同时减小噪声。
如上所述，可以通过第一电容器103的电容值C1和光电转换单元101中包括的第二电容器111的电容值C2之间的关系来减小噪声。
上述数值仅仅是示例，并且本发明不限于这些值。存在在光电转换层205与绝缘层207之间的界面处存在缺陷能级等的可能性。在这种情况下，考虑基于现有技术的平带电压即可。
随后，将描述本实施例的光电转换设备的驱动方法。图13例示了在本实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图。在图13中例示了与第n行和第(n+1)行的两行的信号的读出操作相对应的驱动信号。在此将仅描述与第一实施例的驱动信号的定时不同的点。
与第一实施例的驱动方法不同的第一点是如下的点：将电压信号Vd供给到图8中的节点C。图13中例示了电压信号Vd的时序图。电压信号Vd包括第一电压Vd1和第二电压Vd2。在第一实施例中电压信号Vs是第一电压Vs1的时间段对应于在本实施例中电压信号Vd是第一电压Vd1的时间段。在第一实施例中电压信号Vs是第二电压Vs2的时间段对应于在本实施例中电压信号Vd是第二电压Vd2的时间段。
与第一实施例的驱动方法不同的第二点是如下的点：膜复位的定时和FD复位的定时与第一实施例中的不同。根据第一实施例的驱动方法，对图7中的时刻t9与时刻t10之间的时间段，同时执行膜复位和FD复位。另一方面，根据本实施例的驱动方法，对不同的时间段执行膜复位和FD复位。
即，在图13中所示的示例中，在时刻t9，电压信号Vd(n)被从第一电压Vd1转变到第二电压Vd2。在图12D中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。因此，通过移除光电转换层205中残留的所有电荷来进行膜复位。在时刻t10，电压信号Vd(n)被从第二电压Vd2转变到第一电压Vd1。在图12E中例示了此时的光电转换单元101的能带的状态。
在时刻t10，驱动信号pRES(n)被设置为高电平，并且在时刻t13，驱动信号pRES(n)被设置为低电平。因而，第n行的像素100的节点B的电压被再次复位到复位电压Vres(FD复位)。虽然在本实施例中在膜复位之后进行FD复位，但是可以紧接在膜复位之前进行FD复位。
如上所述，本实施例的光电转换设备包括节点B，节点B被以如下的方式构造：其电连接到光电转换单元101的第二电极209并且进入电浮置状态。第一电容器103连接到节点B。根据这种构造，能够容易地使光电转换单元101的光电转换层205耗尽。因而，能够减小噪声。
通过在读出光信号S之后执行从光电转换层的电荷移除操作(膜复位)，能够移除光电转换层中残留的所有光致电荷。因而，能够防止前一帧的残留电荷等对下一帧的光信号分量产生影响的这样的情形。
[第三实施例]
将参照图14至图15描述根据本发明的第三实施例的光电转换设备。
在本实施例中，示出了通过在根据第二实施例的光电转换设备中执行快门操作来控制累积时间的方法。图14是例示根据本实施例的光电转换设备中的读出操作与复位操作之间的关系的图。图15例示了在根据本实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图。下面，将参照这些附图来描述本实施例。
在根据本实施例的光电转换设备的驱动方法中，在执行某一帧的信号读出操作之后，在读出下一帧的信号之前执行复位操作。图14例示了如下的情况作为示例，其中，针对第n行的像素，在时刻tread1执行第N帧的信号读出操作之后，在时刻treset1执行复位操作。针对第n行的像素，在时刻treset1随后的时刻tread2执行第(N+1)帧的读出操作，并且在时刻treset2执行复位操作。即，从复位操作至下一读出操作的时间段是下一帧的累积时间。在图14的示例中，从时刻treset1至时刻tread2的时间段是第(N+1)帧的累积时间。
在时刻tread1的读出操作类似于图13中的时刻t1与时刻t13之间的时间段的信号读出操作。在图14中的时刻tread1读出第n行的像素100的信号之后，在时刻treset2执行第n行的像素100的快门操作。
在快门操作中，以与信号读出操作中的膜复位和FD复位类似的方式执行膜复位和FD复位。在图15的示例中，驱动信号pRES(n)被设置为高电平，并且电压信号Vd(n)被从第一电压Vd1转变到第二电压Vd2。因而，在移除光电转换层205中残留的所有电荷并进行膜复位之后，节点B被复位电压Vres复位。
即，在图14中，通过前述的复位操作(膜复位)来移除在时刻tread1与时刻treset1之间的时间段内累积在光电转换层205中的所有信号电荷。用于下一信号读出的从时刻treset1至时刻tt2的时间段(更具体地说，图15中的时刻t14与时刻t15之间的时间段)变为第(N+1)帧的累积时间。通过引入这种快门操作，能够控制累积时间。
[第四实施例]
将参照图16和图17描述根据本发明的第四实施例的光电转换设备。
根据本实施例的光电转换设备与根据第一至第三实施例的光电转换设备的不同之处在于如下的点：像素包括连接到放大器单元的后段的钳位电路。在本实施例中，将主要描述与第一至第三实施例中的部分不同的部分，并且在此适当地省略关于与第一至第三实施例中的任一者的部分大致相同的部分的描述。
图16示意性例示了根据本实施例的光电转换设备的像素100的构造。在图16中例示了2行和2列的4个像素100。具有与图1A中的功能大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。光电转换单元101的结构类似于第一至第三实施例中的任一者中的结构。因此，在图16中未例示光电转换单元101的截面结构。
在本实施例中，像素100包括两个放大器单元。第一放大器单元是包括第一放大晶体管611和电流源612的源极跟随器电路。第二放大器单元包括第二放大晶体管631。第二放大晶体管631经由选择晶体管105连接到输出线130。第二放大晶体管631和连接到输出线130的电流源160构成源极跟随器电路。在本实施例中，从相同的电源线供给复位电压Vres和电源电压Vdd。如在第二实施例中所述的，也能够将复位电压Vres和电源电压Vdd设置为不同的电压。
像素100包括用于进行全局电子快门的钳位电路。钳位电路包括钳位开关621、钳位电容器622以及钳位电压供给开关623。钳位开关621布置在第一电容器103连接到的节点B与像素100的第二放大器单元的输入节点之间的电路径上。将驱动信号pGS供给到钳位开关621。将驱动信号pCL供给到钳位电压供给开关623。
钳位电路对从第一放大器单元输出的噪声信号N进行钳位。之后，第一放大器单元输出光信号S，使得钳位电路能够消除包含在光信号S中的诸如复位噪声等的噪声。根据这种构造，能够在消除诸如复位噪声等的随机噪声的同时实现全局电子快门操作。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备的驱动方法。图17例示了在根据本实施例的光电转换设备中使用的驱动信号的时序图。在图17中例示了与第n行和第(n+1)行的两行的信号的读出操作相对应的驱动信号。在本实施例中，由于在像素中进行相关双采样，所以图3中的列电路140仅是包括S/H开关303和电容器CTS的电路即可。S/H开关303由驱动信号pTS控制。
本实施例的驱动方法与第二实施例中的驱动方法的不同之处在于如下的点：将驱动信号pGS供给到钳位开关621并且将驱动信号pCL供给到钳位电压供给开关623。在图17中例示了电压信号Vd的时序图。当驱动信号处于高电平时，对应的开关处于开状态。当驱动信号处于低电平时，对应的开关处于关状态。
在时刻t1，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)被设置为高电平，并且钳位开关621接通。在时刻t2，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)被设置为高电平。在时刻t2，驱动信号pCL(n)和驱动信号pCL(n+1)被设置为高电平。之后，在时刻t3，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)被设置为低电平。在时刻t4，驱动信号pCL(n)和驱动信号pCL(n+1)被设置为低电平。因此，第n行和第(n+1)行的像素100的钳位电路对噪声信号N进行钳位。
随后，在时刻t5，电压信号Vd(n)和电压信号Vd(n+1)被从第一电压Vd1转变到第二电压Vd2。因而，累积的信号电荷被移除。在时刻t6，电压信号Vd(n)和电压信号Vd(n+1)被设置为第一电压Vd1。因而，在节点B中生成光信号分量。此时，由于钳位开关621为开，所以在钳位电容器622中产生与信号电荷量相对应的电压Vp。
之后，在时刻t7，驱动信号pGS(n)和驱动信号pGS(n+1)被设置为低电平。因而，像素100的钳位电路被与光电转换单元101电隔离。
随后，在时刻t8，电压信号Vd(n)和电压信号Vd(n+1)被从第一电压Vd1转变到第二电压Vd2。在时刻t9，电压信号Vd(n)和电压信号Vd(n+1)被从第二电压Vd2转变到第一电压Vd1。因而，光电转换层205中残留的所有信号电荷被移除(膜复位)。
随后，在时刻t10，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)被设置为高电平。在时刻t11，驱动信号pRES(n)和驱动信号pRES(n+1)被设置为低电平。因而，节点B被复位电压复位(FD复位)。
在随后的操作中，按每行读出光信号S。由于这种操作与第二实施例中的大致相同，因此省略其描述。
通过前述操作，能够实现全局电子快门操作。在本实施例中，像素100包括钳位电路。根据这种构造，可以减小诸如复位噪声等的随机噪声。
[第五实施例]
将参照图18描述根据本发明的第五实施例的光电转换设备。
根据本实施例的光电转换设备与根据第一至第四实施例的光电转换设备的不同之处在于如下的点：像素包括连接到放大器单元的后段的采样和保持电路。在本实施例中，将主要描述与第一至第四实施例中的部分不同的部分，并且在此适当地省略关于与第一至第四实施例中的任一者的部分大致相同的部分的描述。
图18示意性例示了根据本实施例的光电转换设备的像素100的构造。在图18中例示了2行和2列的4个像素100。具有与图1A或图16中的功能大致相同的功能的部分由相同的附图标记来表示。光电转换单元101的结构类似于第一至第四实施例中的任一者中的结构。因此，在图18中未例示光电转换单元101的截面结构。
在本实施例中，像素100包括两个放大器单元。第一放大器单元是包括第一放大晶体管611和电流源612的源极跟随器电路。第二放大器单元包括第二放大晶体管631。第二放大晶体管631经由选择晶体管105连接到输出线130。第二放大晶体管631和连接到输出线130的电流源160构成源极跟随器电路。
像素100包括用于进行全局电子快门的采样和保持电路(下面被称为S/H电路)。像素100包括用于噪声信号N的S/H电路和用于光信号S的S/H电路。用于噪声信号N的S/H电路保持从第一放大器单元输出的噪声信号N。用于光信号S的S/H电路保持从第一放大器单元输出的光信号S。用于噪声信号N的S/H电路包括电容器701、第一开关711以及第二开关721。用于光信号S的S/H电路包括电容器702、第一开关712以及第二开关。在本实施例中，从相同的电源线供给复位电压Vres和电源电压Vdd。如在第二实施例中所述的，也能够将复位电压Vres和电源电压Vdd设置为不同的电压。
根据这种构造，能够在消除诸如复位噪声等的随机噪声的同时实现全局电子快门操作。
随后，将描述根据本实施例的光电转换设备的驱动方法。在该实例中，将描述用于进行全局电子快门操作的S/H电路的驱动。
首先，在第一放大器单元的输入节点被复位的状态下，将用于所有行的各个像素100的噪声信号N的S/H电路的第一开关711接通。因而，噪声信号N被保持在电容器701中。随后，执行信号电荷的传送操作。这与第一至第四实施例中的任一实施例中的类似。然后，将用于所有像素100中的各个的光信号S的S/H电路的第一开关712接通。因而，光信号S被保持。之后，按每行接通第二开关721和722。因此，按每行读出来自像素100的信号。从像素输出的信号以与第一实施例类似的方式被保持在列电路140中，并且执行用于消除噪声的差分处理。
通过前述操作，能够实现全局电子快门操作。在本实施例中，像素100包括S/H电路。根据这种构造，能够减小诸如复位噪声等的随机噪声。
[第六实施例]
将参照图19描述根据本发明的第六实施例的摄像系统。作为摄像系统，能够涉及数字静态照相机、数字摄像机、摄像头、复印装置、传真机、蜂窝电话、车载照相机、观察卫星等。图19中例示了数字静态照相机的框图作为摄像系统的示例。
在图19中，摄像系统包括用于保护透镜的挡板1001、用于将物体的光学像形成在光电转换设备1004上的透镜1002以及用于改变通过透镜1002的光量的光圈1003。光电转换设备1004是在上述各个实施例中描述的光电转换设备，并且将由透镜1002形成的光学像转换为图像数据。假设在光电转换设备1004的半导体基板上形成有A/D转换单元。提供信号处理单元1007以对从光电转换设备1004输出的图像数据进行各种校正并且压缩数据。在图19中，提供定时生成单元1008以向光电转换设备1004和信号处理单元1007输出各种定时信号。提供总体控制/运算单元1009以控制整个数字静态照相机。提供帧存储器单元(存储器单元)1010以临时存储图像数据。提供存储介质控制接口(I/F)单元1011以将图像数据记录到存储介质或从存储介质读出图像数据。存储介质1012是用于记录或读出图像数据的诸如半导体存储器等的可拆卸存储器。提供外部接口(I/F)单元1013以与外部计算机等通信。可以从摄像系统的外部输入定时信号等。摄像系统至少包括光电转换设备1004和用于处理从光电转换设备1004输出的图像信号的信号处理单元1007即可。
在本实施例中，描述了光电转换设备1004和A/D转换单元被配设在不同的半导体基板上的构造。然而，可以将光电转换设备1004和A/D转换单元配设在同一半导体基板上。可以将光电转换设备1004和信号处理单元1007形成在同一半导体基板上。
各个像素100可以被构造为包括多个光电转换单元，例如，第一光电转换单元和第二光电转换单元。信号处理单元1007可以被构造为处理基于在第一光电转换单元中生成的电荷的信号以及基于在第二光电转换单元中生成的电荷的信号，并且获得从光电转换设备1004到被摄体的距离的信息。
在摄像系统的实施例中，使用第一至第五实施例中的任一实施例中的光电转换设备作为光电转换设备1004。通过在摄像系统中应用根据本发明的实施例，能够获得噪声被减小的图像。
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以便涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (25)

1.一种光电转换设备，所述光电转换设备包括：
光电转换单元，其包括第一电极、第二电极、布置在所述第一电极与所述第二电极之间的光电转换层以及布置在所述光电转换层与所述第二电极之间的绝缘层；
放大器单元，其电连接到所述第二电极并且被构造为输出在所述光电转换单元中生成的信号；以及
复位单元，其被构造为向所述第二电极供给复位电压，其中，
根据施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电压，交替地执行用于在所述光电转换单元中累积信号电荷的累积操作、和用于从所述光电转换单元移除通过累积操作而累积的信号电荷的电荷移除操作，并且
在第一累积操作与在所述第一累积操作之后执行的第二累积操作之间多次执行电荷移除操作，被多次执行的累积操作包括所述第一累积操作和所述第二累积操作。
2.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中，
所述放大器单元在多次执行的电荷移除操作期间输出信号。
3.根据权利要求2所述的光电转换设备，其中，
所述复位单元与在多次执行的电荷移除操作中的第二次或之后执行的电荷移除操作同步地对所述第二电极进行复位。
4.根据权利要求3所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：
第一电容器，其包括第一端子和第二端子，所述第一端子电连接到所述第二电极；以及
电压供给单元，被构造为向所述第二端子至少供给第一电压和与所述第一电压不同的第二电压，其中，
供给到所述第一电极的电压Vs、第一电压Vd1、第二电压Vd2、复位电压Vres、所述第一电容器的电容值C1以及由所述第一电极和所述第二电极形成的第二电容器的电容值C2满足由以下表达式示出的关系：
C1/(C1+C2)>(Vs-Vres)/(Vd2-Vd1)。
5.根据权利要求4所述的光电转换设备，其中，
当在所述光电转换层中累积信号电荷时，将所述第一电压供给到所述第二端子，并且
当从所述光电转换层移除信号电荷时，将所述第二电压供给到所述第二端子。
6.根据权利要求4所述的光电转换设备，其中，
所述第一电压高于所述第二电压，并且
所述复位电压高于供给到所述第一电极的电压。
7.根据权利要求4所述的光电转换设备，其中，
所述第一电压低于所述第二电压，并且
所述复位电压低于供给到所述第一电极的电压。
8.根据权利要求4所述的光电转换设备，其中，
供给到所述第一电极的电压与所述复位电压之间的差，位于所述第一电压与所述第二电压之间的差的20％至80％的范围内。
9.根据权利要求3所述的光电转换设备，所述光电转换设备还包括：
第一电容器，其电连接到所述第二电极；以及
电压供给单元，其被构造为向所述第一电极至少供给第一电压和与所述第一电压不同的第二电压，其中，
第一电压Vs1、第二电压Vs2、复位电压Vres、所述第一电容器的电容值C1以及由所述第一电极和所述第二电极形成的第二电容器的电容值C2满足由以下表达式示出的关系：
C1/C2>(Vres-Vs1)/(Vs2-Vres)。
10.根据权利要求9所述的光电转换设备，其中，
当在所述光电转换层中累积信号电荷时，将所述第一电压供给到所述第一电极，并且
当从所述光电转换层移除信号电荷时，将所述第二电压供给到所述第一电极。
11.根据权利要求9所述的光电转换设备，其中
所述第一电压低于所述第二电压。
12.根据权利要求9所述的光电转换设备，其中，
所述第一电压高于所述第二电压。
13.根据权利要求9所述的光电转换设备，其中，
所述复位电压是所述第一电压与所述第二电压之间的中间值。
14.根据权利要求9所述的光电转换设备，其中，
所述第一电容器包括第一端子和第二端子，所述第一端子电连接到所述第二电极，并且
所述第二端子接地。
15.根据权利要求4至14中任一项所述的光电转换设备，其中，
所述第一电容器包括彼此面对的两个电极。
16.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，
当从平面图观看时，所述两个电极中的一个电极的面积Sd与所述第二电极的面积Ss满足如下关系：
Sd>0.5×Ss。
17.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，
当从平面图观看时，所述两个电极与所述第一电极至少部分地彼此交叠。
18.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，
当从平面图观看时，所述两个电极与所述第二电极至少部分地彼此交叠。
19.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，
当从平面图观看时，所述两个电极包括不与所述放大器单元和所述复位单元二者交叠的部分。
20.根据权利要求15所述的光电转换设备，其中，
所述两个电极由金属或多晶硅制成。
21.根据权利要求4至14中任一项所述的光电转换设备，其中，
所述放大器单元的输入节点被构造为包括所述第二电极。
22.根据权利要求4至14中任一项所述的光电转换设备，其中，
在所述第二电极与所述第一电容器之间的电路径上布置有开关。
23.根据权利要求4至14中任一项所述的光电转换设备，其中，
在所述第一电容器与所述放大器单元之间的电路径上布置有开关。
24.根据权利要求1所述的光电转换设备，其中
所述设备包括多个像素，所述多个像素各自包括所述光电转换单元，
针对所述多个像素共同地配设所述第一电极，并且
针对所述多个像素中的各个像素单独地配设所述第二电极。
25.一种摄像系统，所述摄像系统包括：
根据权利要求1至24中任一项所述的光电转换设备；以及
信号处理装置，其被构造为处理来自所述光电转换设备的信号。
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