固态成像元件、固态成像元件的校正方法、快门装置和电子设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种固态成像元件，包括：具有光电转换部的多个像素；和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。本发明还公开了该固态成像元件的校正方法、包括纳米碳层叠膜的快门装置和使用该快门装置的电子设备。
【专利说明】固态成像元件、固态成像元件的校正方法、快门装置和电子设备
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本发明公开包含于2012年6月14日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2012-134861和于2013年3月11日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2013-048221所公开的内容相关的主题，在此将该日本在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明技术涉及一种包括纳米碳层叠膜的固态成像元件、该固态成像元件的校正方法和使用该固态成像元件的电子设备。此外，本发明技术涉及一种包括纳米碳层叠膜的快门装置和包括该快门装置的电子设备。
【背景技术】
[0004]由CXD (电荷耦合器件)图像传感器和CMOS (互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的固态成像元件包括由形成在基板的光接收面侧上的光电二极管形成的光电转换部和电荷转移部。在这样的固态成像元件中，光电二极管使在传感器部上入射的光进行光电转换，产生信号电荷。然后，电荷转移部转移所产生的信号电荷，并作为视频信号输出信号电荷。这种器件具有用于使在一定的曝光时间内入射的光进行光电转换并累积信号电荷的结构。
[0005]日本专利申请未审查公开N0.2006-190958(下面称作专利文献I)提出了一种作为能够在可见光区和红外光区成像的图像传感器的器件，其使用通过层叠具有不同折射率的多个介电层形成的介电层叠膜在各波长区接收光。如专利文献I中记载的，当利用介电层叠膜进行波长选择时，由于介电层叠膜的特性的原因，可以被接收的红外光波长区是固定的。因此，可以透过介电层叠膜的光的波长不能自由地调制。此外，由于介电层叠膜的膜厚度的变化，很难控制波长的变化，并且针对相对于入射面倾斜入射的光而言，存在大的波长误差。
[0006]此外，如在日本专利申请未审查公开N0.2008-124941中记载的，在过去，铟锡氧化物(ITO)主要用作普通的透明电极用的材料。此外，日本专利申请未审查公开N0.Hei6-165003和日本专利申请未审查公开N0.2005-102162提出了如下的技术:在诸如成像装置等电子设备中使用的快门装置中使用诸如电致变色层等光控制元件，并且通过向电致变色层施加所需的电压来改变透过率。此外，在这种情况下，ITO用作透明电极以向电致变色层施加所需的电压。
[0007]然而，目前的用作透明电极的ITO具有低的透过率。因此，当ITO设于图像传感器的光入射面侧上时，每个ITO膜引起透过率减小约10%。因此，在图像传感器的光入射面侧上使用由ITO形成的透明电极降低了灵敏度。此外，由于大的ITO膜厚度，ITO的光学特性变化。
【发明内容】
[0008]鉴于以上各点，本发明公开提供了一种固态成像元件，其可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像，并且允许调节接收到的光量，还提供了所述固态成像元件的校正方法和使用所述固态成像元件的电子设备。本发明公开还提供了一种光透过特性改善的快门装置和使用所述快门装置的电子设备。
[0009]根据本发明公开的实施方案的固态成像元件包括:具有光电转换部的多个像素；和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。
[0010]在根据本发明公开的实施方案的固态成像元件中，通过向所述纳米碳层叠膜施加所需的电压改变所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区。这样可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节在所述光电转换部上入射的光量。
[0011]根据本发明公开的实施方案的固态成像元件的校正方法是一种在上述固态成像元件中针对各像素在对应于所述纳米碳层叠膜的各像素的位置调节透过率的方法。
[0012]在根据本发明公开的实施方案的固态成像元件的校正方法中，可以针对各像素调节所述纳米碳层叠膜的透过率。因此，可以调节在各像素上入射的光量。
[0013]根据本发明公开的实施方案的快门装置包括:由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部。
[0014]在根据本发明公开的实施方案的快门装置中，所述纳米碳层叠膜由多个纳米碳层形成。因此，可以改善光透过特性。
[0015]根据本发明公开的实施方案的电子设备包括:根据上述本发明公开的实施方案的固态成像元件；和用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。所述纳米碳层叠膜由多个纳米碳层形成。
[0016]在根据本发明公开的实施方案的电子设备中，通过向形成固态成像元件的纳米碳层叠膜施加所需的电压改变所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区。这样可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节在所述固态成像元件的光电转换部上入射的光量。
[0017]根据本发明公开的实施方案的电子设备包括:固态成像元件，包括光电转换部；设置在所述固态成像元件的光接收面侧的快门装置；和用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。所述快门装置是根据上述本发明公开的实施方案的快门装置。
[0018]在根据本发明公开的实施方案的电子设备中，所述快门装置包括纳米碳层叠膜，并且通过向所述纳米碳层叠膜施加电压可以调节接收的光量。
[0019]根据本发明公开，可以获得能够在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节接收的光量的固态成像元件、固态成像元件的校正方法和使用固态成像元件的电子设备。此外，根据本发明公开，可以获得光透过特性改善的快门装置和使用所述快门装置的电子设备。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1A~ID是示意性示出在石墨烯的能带结构中针对费米能级(Fermi level)的变化而言禁带变化的图；
[0021]图2是示出在膜状的石墨烯单层被夹持在一对电极之间并且施加到石墨烯层上的电压变化的情况下，在红外光区中的透过率变化的图；
[0022]
块图；
[0023]
视图;
[0024]
的图;
[0025]
[0026]
图3是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的整体的示意性方图4是根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的四个像素的示意性剖图5是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的光接收面的布局
图6是示出相对于曝光时间的IR像素的输出信号强度的图；
图7是示意性示出在根据本发明公开 的第一实施方案的固态成像元件的IR像素中的信号强度的图；
[0027]图8A是示意性示出在根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的绿色像素中校正前的信号强度的图，图8B是示意性示出在根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的绿色像素中校正后的信号强度的图；
[0028]图9是根据第一变形例的固态成像元件的四个像素的示意性剖视图；
[0029]图10是根据第二变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
[0030]图11是用于说明当根据第二变形例的纳米碳层叠膜的介电层的材料变化时，穿过纳米碳层的光的信号强度变化的示意图；
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
一图);
[0037]
二图);
[0038]
[0039]
图20B
图12是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过率之间关系的图图13是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过率之间关系的图图14是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过比之间关系的图图15是根据第三变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
图16是根据第四变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
图17A~17C是制造根据第二至第四变形例的纳米碳层叠膜的方法的工序图(第
图18A~18C是制造根据第二至第四变形例的纳米碳层叠膜的方法的工序图(第
图19是根据本发明公开的第二实施方案的固态成像元件的剖视构成图；
图20A是示出当滤光片层是红色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图， 是示出当滤光片层是绿色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图，图20C是示出当滤光片层是白色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图；
[0040]图21是根据本发明公开的第三实施方案的固态成像元件的四个像素的示意性剖视图；
[0041]图22是根据本发明公开的第四实施方案的成像装置的示意性构成图；
[0042]图23是放大地示出在根据本发明公开的第四实施方案的成像装置中使用的固态成像元件的剖视构成图；
[0043]图24A是在根据本发明公开的第四实施方案的快门装置中当第一电极和第二电 极彼此叠置时第一电极和第二电极的平面构成图，图24B是示出在根据本发明公开的第四 实施方案的快门装置中第一电极和第二电极分别作为上部和下部的平面构成图；
[0044]图25A是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过 率与一帧期间的关系的图，图25B是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下像素 累积电荷量与一帧期间的关系的图(第一图)；
[0045]图26A是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过 率与一帧期间的关系的图，图26B是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下像素 累积电荷量与一帧期间的关系的图(第二图)；
[0046]图27是根据本发明公开的第五实施方案的成像装置的剖视构成图；
[0047]图28是根据本发明公开的第六实施方案的成像装置的剖视构成图；
[0048]图29A是示出当在成像检查时改变施加电压的情况下由石墨烯层叠膜造成的光 的透过率变化的图，图29B是示出当在能够针对各像素调整施加电压的器件中施加电压V2 的情况下在各像素位置的光的透过率的图；
[0049]图30是根据本发明公开的第七实施方案的电子设备的示意性方块图；和
[0050]图31是根据本发明公开的第八实施方案的电子设备的示意性方块图。
【具体实施方式】
[0051]下面参照图1A?31说明根据本发明公开的实施方案的固态成像元件、固态成像 元件的校正方法、快门装置和电子设备的例子。按以下顺序说明本发明公开的实施方案。顺 便说一下，本发明公开并不限于下面的例子。
[0052]1.第一实施方案:在光接收部上具有由纳米碳层叠膜形成的滤光片的固态成像 元件的例子
[0053]2.第二实施方案:具有在可见光像素上部形成的纳米碳层叠膜的固态成像元件 的例子
[0054]3.第三实施方案:具有在整个表面上形成的纳米碳层叠膜的固态成像元件的例 子
[0055]4.第四实施方案:包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
[0056]5.第五实施方案:包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
[0057]6.第六实施方案:包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
[0058]7.第七实施方案:包括具有纳米碳层叠膜的固态成像元件的电子设备
[0059]8.第八实施方案:包括具有纳米碳层叠膜的成像装置的电子设备
[0060]在说明本发明技术的实施方案之前，将说明形成适用于本发明技术的纳米碳层叠 膜的纳米碳层的特性。下面，通过用石墨烯作为形成纳米碳层的纳米碳材料的例子进行说 明。
[0061]在过去，已经知道石墨烯是一种作为原子单层的极薄的薄膜状材料，并且适用于 包括电子纸、触摸面板等在内的应用。具有这种特性的石墨烯应用于电子设备是有利的，因 为石墨烯具有97.7%的高透过率、100 Q的低电阻值和0.3nm的小膜厚度。[0062]本发明技术的提出者等已经提出利用这些特性中的石墨烯的高透过率和高导电 性来使用石墨烯作为透明导电膜的技术。
[0063]作为石墨烯的另一个特性，石墨烯具有通过施加电压而使透过率变化的特征。图1A?ID是示意性示出在石墨烯的能带结构中针对费米能级Ef的变化而言禁带变化的图。
[0064]如图1A所示，与普通的半导体不同，石墨烯是一种相对于作为对称点的狄拉克点 (Dirac point) I彼此具有线性分散关系的零带隙半导体。通常，费米能级Ef存在于狄拉克 点I处，但是通过施加电压或掺杂处理可以迁移。例如，如图1B所示，当通过施加电压或掺 杂处理移动费米能级Ef时，例如，如箭头Ea所示，可能出现大于2| AEf|的能量的光学迁 移。另一方面，如箭头Eb所示，可以禁止等于或小于2| AEfI的能量的光学迁移。因此，通 过迁移费米能级Ef可以改变石墨烯对于特定频率的光的透过率。
[0065]如图1C所示，当石墨烯用n型杂质掺杂时，费米能级Ef可以从狄拉克点I迁移到 导带。此外，如图1D所示，当石墨烯用p型杂质掺杂时，费米能级Ef可以从狄拉克点I迁 移到价带。
[0066]此外，Chen等人报道称当向石墨烯施加电压时石墨烯在红外光区的透过率变化 (Nature471,617-620(2011))。图2示出了基于该报告作出的实验结果。图2示出在膜状 的石墨烯单层被夹持在一对电极之间并且施加的电压变化的情况下，在红外光区中的透过 率变化。在图2中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示透过率(%)。
[0067]如图2所示，假设施加的电压在0.25eV到4eV的范围内变化，并且图形的纵轴表 示在底部透过率为100%,表示在顶部透过率为97.6%(—层石墨烯吸收的量)。S卩，纵轴上 的位置越高，在图形中的透过率越低。根据该图形，表明在测量的整个波长区中，随着施加 的电压在增大的方向变化，在图形的横轴上的长波长区域的透过率比短波长区域越接近 100%。此外，表明施加的电压越高，透过率越接近100%的区域扩展到短波长侧越多，因此， 通过施加的电压，透过率能够被调节的光的波长区可以扩展到短波长侧。在原子单层中得 到该结果。然而，根据施加的电压的大小，透过率因而可以在从近红外光区到红外光区到太 赫区的波长区变化。
[0068]此外，这些特性不仅对于石墨烯而且对于诸如碳纳米管等其他纳米碳材料也是共 同的。在本发明技术中，应注意到纳米碳材料的特性，并且提出了使用具有纳米碳层的纳米 碳层叠膜作为光控制膜的器件。
[0069]<第一实施方案:固态成像元件的例子>
[0070]图3是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件11的整体的示意性 方块图。根据本实施方案的例子的固态成像元件11包括由在由硅制成的基板21上排列的 多个像素12形成的像素部13、垂直驱动电路14、列信号处理电路15、水平驱动电路16、输 出电路17、控制电路18等。
[0071]像素12包括由光电二极管形成的光电转换部、电荷累积电容部和多个MOS晶体 管，多个像素12在基板21上以二维阵列的形式规则地排列。形成像素12的MOS晶体管可 以是4个MOS晶体管，S卩，传输晶体管、复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管，或者可以是 不包括选择晶体管的3个MOS晶体管。
[0072]像素部13由以二维阵列的形式规则地排列的多个像素12形成。像素部13包括实 际接收光、放大通过光电转换产生的信号电荷并且输出信号电荷到列信号处理电路15的有效像素区以及用于输出作为黑电平基准的光学黑的黑基准像素区(图未示)。黑基准像 素区通常在有效像素区的外周部上形成。
[0073]控制电路18基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生作为垂直驱动电路 14、列信号处理电路15、水平驱动电路16等的操作的基准的时钟信号以及控制信号。然后， 由控制电路18产生的时钟信号、控制信号等输入到垂直驱动电路14、列信号处理电路15、 水平驱动电路16等。
[0074]垂直驱动电路14例如由移位寄存器形成。垂直驱动电路14按行单位在垂直方向 上顺次选择并扫描像素部13的各像素12。然后，基于根据各像素12的光电二极管中接收 的光量生成的信号电荷的像素信号经由垂直信号线19供应到列信号处理电路15。
[0075]列信号处理电路15例如针对每列像素12而配置。列信号处理电路15基于来自 黑基准像素区(图未示，但在有效像素区的周围形成)的信号对从一行的像素12输出的信 号每个像素列地进行信号处理，如噪声去除、信号放大等。在列信号处理电路15的输出段 和水平信号线20之间设有水平选择开关(图未示)。
[0076]水平驱动电路16例如由移位寄存器形成。水平驱动电路16顺次输出水平扫描脉 冲，由此依序选择列信号处理电路15中的每一个，以便使从每个列信号处理电路15输出的 像素信号到水平信号线20。
[0077]输出电路17对经由水平信号线20从每个列信号处理电路15顺次供应到输出电 路17的信号进行信号处理，并输出信号。
[0078]下面说明在根据本实施方案的例子的固态成像元件11中的像素部13的截面构 成。图4是根据本实施方案的例子的固态成像元件11的四个像素的示意性剖视图。图5 是示出根据本实施方案的例子的固态成像元件11的光接收面的布局的图。
[0079]如图4所示，根据本实施方案的例子的固态成像元件11包括基板30、层间绝缘膜 31、保护膜32、平坦化膜33、滤光片层34、纳米碳层叠膜35、聚光透镜36、第一透明膜37和 第二透明膜38。
[0080]基板30由硅制成的半导体形成。由光电二极管形成的光电转换部ro在基板30 的光入射侧的所需区域中形成。在光电转换部ro中，对入射光进行光电转换，从而生成并 累积号电荷。
[0081]层间绝缘膜31由SiO2膜形成，并且在包括光电转换部ro的基板30上部形成。形 成诸如表面平坦化用的保护膜32和平坦化膜33等其他所需的膜。
[0082]滤光片层34在平坦化膜33上部形成，并且形成在后述的IR(infrared)像素(红 外线像素)之外的区域中。在本实施方案的例子中，针对每个像素形成R(红色)、G(绿色) 和B (蓝色)用的各滤光片层34，没有滤光片层34的IR像素39IR在滤光片层34的同层中 设有透过全波长区中的光的第一透明膜37。第一透明膜37是用于消除由于未形成滤光片 层34而产生的元件表面水平的差异的膜，并且根据需要设置。
[0083]纳米碳层叠膜35设在第一透明膜37上部。即，在本实施方案中，纳米碳层叠膜35 设在没有滤光片层34的像素中。纳米碳层叠膜35包括在光的入射方向上层叠的多个纳米 碳层。在本实施方案中，石墨烯用作形成纳米碳层叠膜35的纳米碳层。此外，电压电源V 经由配线连接到纳米碳层叠膜35。
[0084]当未向石墨烯施加电压时，石墨烯每层吸收2.3%的光。因此，例如，当通过层叠40层石墨烯形成纳米碳层叠膜35时，2.3X40 (=92)%的光被吸收。因此，当未向纳米碳层叠膜 35施加电压时，纳米碳层叠膜35的透过率为8%。另一方面，如结合图1A?2说明的，当向 石墨烯施加预定电压(例如5V)时，在近红外光区的光的透过率可以为基本上100%。
[0085]因此，当通过层叠40层石墨烯形成纳米碳层叠膜35时，通过改变电压从OV(OFF) 到5V(ON)，透过率可以从8%变到100%。此外，如图2所示，可以调整石墨烯的透过率的光 的波长区根据施加的电压大小变化。因此，通过调节石墨烯的层叠数量和改变向纳米碳层 叠膜35施加的电压大小，可透过的光的波长区可以从近红外光区变到太赫区。
[0086]如上所述，本实施方案通过改变从电压电源V向纳米碳层叠膜35施加的施加电压 的大小，可以改变光的透过率并且将可透过的光的波长区从近红外光区变到太赫区。
[0087]此外，在本实施方案中，没有纳米碳层叠膜35的像素在纳米碳层叠膜35的同层中 设有透过全波长区中的光的第二透明膜38。第二透明膜38是用于消除由于未形成纳米碳 层叠膜35而产生的元件表面水平的差异的膜，并且根据需要设置。
[0088]纳米碳层叠膜35的一层由约0.3nm的石墨烯形成，使得纳米碳层叠膜35的层厚 度可以是纳米级的。因此，当纳米碳层叠膜35足够薄时，没有必要形成第二透明膜38。
[0089]在本实施方案中，具有R(红色)的滤光片层的像素被称作红色像素39R，具有 G(绿色)的滤光片层的像素被称作绿色像素39G，具有B(蓝色)的滤光片层的像素被称 作蓝色像素39B。此外，未设置滤光片层34而设有纳米碳层叠膜35的像素被称作IR像素 39IR。IR像素39IR可以获得基于从近红外光区到太赫区的光的信号。
[0090]聚光透镜36形成在纳米碳层叠膜35和滤光片层34上部，并且针对每个像素具有 凸状的表面。入射光由聚光透镜36会聚，并且有效率地入射到每个像素的光电转换部ro 上。
[0091]在根据本实施方案的固态成像元件11中，如图5所示，横2行和纵2行彼此相邻 配置的四个像素，即，红色像素39R、蓝色像素39B、绿色像素39G和IR像素39IR,形成一个 单位像素。红色像素39R获得根据红色的波长区中的光的信号。绿色像素39G获得根据绿 色的波长区中的光的信号。蓝色像素39B获得根据蓝色的波长区中的光的信号。IR像素 39IR获得根据近红外光区中的光的信号。
[0092]在根据本实施方案的固态成像元件11中，通过在IR像素39IR中的光接收侧设置 纳米碳层叠膜35扩展了 IR像素39IR中的动态范围。此外，在根据本实施方案的固态成像 元件11中，通过设置IR像素39IR，可以赋予除去来自红色像素39R、绿色像素39G和蓝色 像素39B的暗电流引起的噪声信号的功能(噪声消除功能)。
[0093]下面说明在根据本实施方案的固态成像元件11中的动态范围的扩展和噪声消除 功能。
[0094][动态范围的扩展]
[0095]动态范围表示为作为最大信号量的饱和信号量与噪声之比。动态范围变得越大， 可以越可靠地获得在亮场景的信号和在暗场景的信号。在根据本实施方案的固态成像元件 11中，通过在IR像素39IR中改变向纳米碳层叠膜35施加的电压大小和形成纳米碳层叠膜 35的石墨烯的层叠数量，可以改变穿过纳米碳层叠膜35的光的透过率。由此，可以扩展动 态范围。
[0096]如上所述，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，纳米碳层叠膜35吸收的光量是作为每层石墨烯的光吸收率的2.3%乘以在纳米碳层叠膜35内层叠的石墨烯层总数n的积。 因此，通过纳米碳层叠膜35中的石墨烯的层叠数量可以调节当未向纳米碳层叠膜35施加 电压时的透过率。
[0097]图6是示出相对于曝光时间IR像素的输出信号强度的图。图6示出当使用具有 不同数量的石墨烯叠层的纳米碳层叠膜35时的输出信号。形成纳米碳层叠膜35的石墨烯 的层叠数量按图6中示出的照射曲线a、b和c的顺序增多。图6示出当未向纳米碳层叠膜 35施加电压时的特性。
[0098]如图6所示，纳米碳层叠膜35中包含的石墨烯的层叠数量越大，透过率越低，因此 按照照射曲线a、b和c的顺序，到达饱和电荷量所需的时间越长。因此，通过调节形成纳米 碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量，可以调节在未施加电压时的动态范围。
[0099]另一方面，通过向纳米碳层叠膜35施加预定电压，纳米碳层叠膜35的透过率可以 为基本上100%。因此，根据是否向纳米碳层叠膜35施加电压，可以调节在亮时和暗时的纳 米碳层叠膜35的透过率。
[0100]例如，对使用被构造成在未施加电压时纳米碳层叠膜35的透过率为20%和被构造 成在施加电压时纳米碳层叠膜35的透过率为98%的IR像素39IR进行成像的情况进行说 明。当在非常亮的场景中进行拍摄时，在通常的像素中在短时间内使信号输出饱和。因此， 在亮场景中成像时，未向纳米碳层叠膜35施加电压，并且使用通过在低光透光率的像素中 成像而获得的信号。
[0101]另一方面，在例如夜间或室内的暗场景中成像获得微量的信号输出。因此，在暗场 景中成像时，向纳米碳层叠膜35施加预定电压，由此，透过率升高到98%，以进行成像。这样 即使在暗场景中也提高了灵敏度并且提供了足够的信号量。
[0102]通常的ND(中性密度)滤光片在图中具有固定的斜率，并且不允许动态范围的扩 展率变化(在图形中的斜率对应于图6的a、b和c中的一个)。另一方面，本实施方案通 过调节形成纳米碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量允许动态范围的扩展率变化(通过改变 层叠数量，可以是图6的a、b和c中的任一个)。
[0103][噪声消除功能]
[0104]下面将详细说明用于校正暗电流不均匀性的噪声消除功能。暗电流是即使当光被 完全遮断时由输出电流和热量所产生的电荷引起的噪声。当噪声消除功能被赋予固态成 像元件11时，在未施加电压时的光透过率为基本上0%而在施加电压时光透过率为基本上 100%的纳米碳层叠膜被用作纳米碳层叠膜35。在这种情况下，当未向纳米碳层叠膜35施 加电压时，IR像素39IR不会透过光，因此从IR像素39IR得到的信号分量仅是源于暗电流 的噪声分量A E。当从红色像素39R、蓝色像素39B和绿色像素39G的各自信号分量减去暗 电流引起的噪声时，可以在各自像素中除去源于暗电流的噪声信号。
[0105]例如，下面说明从在根据本实施方案的固态成像元件11中绿色像素39G的信号分 量除去暗电流引起的噪声的例子。图7是示意性示出在根据本实施方案的固态成像元件11 的IR像素39IR中的信号强度的图。图8A是示意性示出在根据本实施方案的例子的固态 成像元件11的绿色像素39G中校正前的信号强度的图。图SB是示意性示出在根据本实施 方案的例子的固态成像元件11的绿色像素39G中校正后的信号强度的图。
[0106]在图7中，图形上的“OFF”符号表不当未向纳米碳层叠膜35施加电压时的信号电平，图形上的“0N”符号表示当向纳米碳层叠膜35施加电压时的信号电平。当向纳米碳层 叠膜35施加电压时，S卩，在“0N”时，纳米碳层叠膜35的透过率为基本上100%。因此，如图 7所示，当电压为ON时，IR像素39IR获得在等于和高于红外光区的区域中的信号分量SI。 当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，即，在“OFF”时，纳米碳层叠膜35的透过率为基本上 0%。因此，当电压为OFF时，IR像素39IR仅获得源于暗电流的噪声分量AE。
[0107]另一方面，如图8A所示，绿色像素39G通过G (绿色)滤光片获得在绿色区域中的 信号分量S2。绿色像素39G也透过在红外光区中的光。因此，红外光区中的信号分量SI和 源于暗电流的噪声分量A E被加到从绿色像素39G读出的信号分量上。S卩，从绿色像素39G 读出的信号分量SG为(在绿色区域中的信号分量S2) + (在等于和高于红外光区的区域中 的信号分量SI) +(源于暗电流的噪声分量AE)。
[0108]因此，通过从绿色像素39G的总信号分量SG减去施加电压为ON时的IR像素39IR 的信号分量SI和施加电压为OFF时的IR像素39IR的噪声分量AE可以获得在绿色区域 中的信号分量S2。由此，可以自从绿色像素39G读出的信号分量SG除去红外光分量和噪声 分量A E。顺便说一下，作为转换成电荷的信号量，从各像素读出各信号分量，因此上述应用 于信号分量的减法作为应用于从各像素读出的信号量的减法进行。这同样适用于下面的内 容。
[0109]上面针对绿色像素39G进行了说明。然而，可以类似地除去红色像素39R和蓝色 像素39B的红外光分量和噪声分量AE。因此，在本实施方案中，可以使用在IR像素39IR 中获得的信号分量从可见光像素除去红外光分量和噪声分量A E，从而不需要在可见光像 素上部设置IR截止滤光片。因此元件可以小型化。
[0110]此外，当在IR像素上部未设置IR截止滤光片而仅在可见光像素上部设置IR截止 滤光片时，需要对IR截止滤光片进行图案化，工序数量增加。与此相比，本实施方案不需要 IR截止滤光片，因此可以减少工序数量增加。
[0111]上面以可见光像素上部未设置IR截止滤光片的情况作为例子进行了说明。然而， 即使当在可见光像素上部设置IR截止滤光片时，通过使用在IR像素中获得的信号分量也 可以除去噪声。下面将说明作为第一变形例的在可见光像素上部设置IR截止滤光片的例 子。
[0112][第一变形例]
[0113]图9是根据第一变形例的固态成像元件41的四个像素的示意性剖视图。
[0114]在图9中，与图4对应的部分用相同的附图标记表不,并且省略了对它们的重复说 明。如图9所示，根据变形例的固态成像元件41具有在IR像素39IR以外的红色像素39R、 绿色像素39G和蓝色像素39B上的IR截止滤光片42。
[0115]固态成像元件41在设有IR截止滤光片42的红色像素39R、绿色像素39G和蓝色 像素39B中截止红外光区的波长的光。因此，在可见光像素中获得的信号分量是源于在可 见光区的光的信号分量，还包含源于暗电流的噪声分量AE。
[0116]因此，固态成像元件41还使用IR像素39IR的信号分量校正暗电流不均匀性。此 外，下面说明从固态成像元件41的绿色像素39G的信号分量除去源于暗电流的噪声分量 A E的例子。在这种情况下，在未施加电压时光透过率为(基本上0%) 0?20%和在施加电 压时光透过率为(基本上100%) 80?100%的纳米碳层叠膜用作纳米碳层叠膜35。[0117]根据第一变形例的固态成像元件41的绿色像素39G在光入射面侧上具有IR截止 滤光片42。因此，从绿色像素39G读出的信号分量SG’包括在绿色区域中的信号分量S2和 源于暗电流的噪声分量AE。
[0118]另一方面，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，IR像素39IR不会透过光，因此从 IR像素39IR获得的信号仅是源于暗电流的噪声分量AE。
[0119]因此，通过从设有IR截止滤光片42的绿色像素39G的总信号分量SG’减去IR像 素39IR的施加电压为OFF时的噪声信号分量AE可以获得在绿色区域中的信号分量S2。
[0120]顺便说一下，在图4和图9的例子中，纳米碳层叠膜35设在滤光片层34和聚光透 镜36之间，但不限于此。只要纳米碳层叠膜35存在于光电转换部和聚光透镜36之间 即可。例如，纳米碳层叠膜35可以设置在滤光片层34和基板30之间。
[0121]采用具有通过层叠多个石墨烯层获得的结构的纳米碳层叠膜35作为例子说明了 根据上述第一实施方案的固态成像元件11和在第一变形例中说明的固态成像元件41。然 而，纳米碳层叠膜的构成不限于此。下面作为第二至第四变形例说明纳米碳层叠膜的其他 例子。
[0122][第二变形例]
[0123]纳米碳层叠膜根据纳米碳层叠膜的构成和材料可以改变纳米碳层叠膜能够透过 的光的波长区(可以调整透过率的区域)和光的透过率。图10是根据第二变形例的纳米 碳层叠膜的示意性剖视图。如图10所示，纳米碳层叠膜45包括第一电极46、介电层47和 第二电极48。
[0124]第一电极46和第二电极48均由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成。此外，在第 二变形例中，石墨烯例如用作形成第一电极46和第二电极48的纳米碳层。电压电源V经 由配线连接到第一电极46和第二电极48。
[0125]介电层47设在第一电极46和第二电极48之间。第二变形例中使用的介电 层47的材料包括例如介电常数材料，如氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)、 InGaZnOx(IGZO)、高密度聚乙烯(HDPE)等。
[0126]介电层47也可以由具有相对较高介电常数的高介电常数材料形成。例如，用于形 成介电层47的高介电常数材料包括氧化铪(HfO2)、钛酸锶(SrTiO3:ST0)、氧化锆(ZrO2)、钛 酸锆酸镧铅((Pb，La) (Zr，Tr)O3 =PLZT)等。
[0127]图11是用于说明当根据第二变形例的纳米碳层叠膜45的介电层47的材料变化 时，穿过各纳米碳层叠膜45的光的信号强度变化的辅助图。下面说明在施加电压为ON时 透过率为100%和在施加电压为OFF时透过率为0%的构成，并且说明通过纳米碳层叠膜的 构成和材料来调整可透过的光的波长区。
[0128]如图11所示，在使用仅有石墨烯的纳米碳层叠膜35 (参见图4)的情况下，在施加 电压为ON时，如箭头d所示，可以透过等于或高于红外光区(IR)的区域中的光。另一方面， 在使用具有通过在第一电极46和第二电极48之间夹持介电层47而形成的构成的纳米碳 层叠膜45的情况下，在施加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到可见光区。
[0129]例如，在纳米碳层叠膜45中的介电层47由正常介电常数材料形成的情况下，在施 加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到箭头e所示的红色区域(R)的范围。此外， 在纳米碳层叠膜45中的介电层47由高介电常数材料形成的情况下，在施加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到箭头f或g所示的绿色区域(G)或蓝色区域(B)的范围。 这是由于介电层47的材料之间的相对介电常数的差异。即，介电层47的相对介电常数越高，可透过的光的波长区可以扩展的越多。
[0130]下表1示出纳米碳层叠膜45中使用的介电层47的材料、相对介电常数e、耐受电压(MV/cm)和电荷密度(mC/cm2)之间的关系。
[0131][表1]
[0132]
【权利要求】
1.一种固态成像元件，包括: 具有光电转换部的多个像素；和 设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。
2.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于预定像素的位置。
3.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于红外线像素的位置，以获得近红外线信号分量，和 从可见光像素中的信号量减去所述红外线像素中的信号量，以获得可见光信号分量，由此校正所述可见光像素的信号量。
4.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中所述纳米碳层是石墨烯。
5.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中所述纳米碳层叠膜包括由一个`纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
6.如权利要求5所述的固态成像元件， 其中所述介电层由高介电常数材料形成。
7.如权利要求5所述的固态成像元件， 其中形成第一电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第一导电型的杂质掺杂，和 形成第二电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第二导电型的杂质掺杂。
8.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、一个绿色像素和两个红色像素形成单位像素，和 所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个红色像素中的一个的位置。
9.如权利要求8所述的固态成像元件， 其中使用在设有所述纳米碳层叠膜的红色像素中获得的信号分量进行色调校正。
10.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、两个绿色像素和一个红色像素形成单位像素，和 所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个绿色像素中的一个的位置。
11.如权利要求1所述的固态成像元件， 其中配置在彼此邻近区域中的蓝色像素、绿色像素、红色像素和白色像素这四个像素形成单位像素，和 所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述白色像素的位置。
12.一种固态成像元件的校正方法，所述固态成像元件包括具有光电转换部的多个像素和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化，所述校正方法包括: 针对各像素在对应于所述纳米碳层叠膜的各像素的位置调节透过率。
13.—种电子设备,包括: 固态成像元件，包括具有光电转换部的多个像素，和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和 用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。
14.一种快门装置，包括: 由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和 向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部。
15.如权利要求14所述的快门装置， 其中所述纳米碳层由石墨烯形成，并且所述纳米碳层叠膜包括由一层石墨烯或多层石墨烯形成的第一电极、由一层石墨烯或多层石墨烯形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
16.如权利要求15所`述的快门装置， 其中所述介电层由高介电常数材料形成。
17.如权利要求15所述的快门装置， 其中形成第一电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第一导电型的杂质掺杂，和 形成第二电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第二导电型的杂质掺杂。
18.如权利要求14所述的快门装置， 其中所述电压施加部向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压。
19.一种电子设备,包括: 固态成像元件，包括光电转换部； 快门装置，包括设置在所述固态成像元件的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部；和 用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。
20.如权利要求19所述的电子设备， 其中所述电压施加部被构造成能够向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压，和 针对所述固态成像元件的各像素调节所述快门装置的透过率。
【文档编号】H01L27/146GK103515403SQ201310218440
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月14日
【发明者】出羽恭子, 角野宏治, 原田耕一, 小林俊之 申请人:索尼公司