本公开涉及摄像装置。
背景技术：
以往，在图像传感器中，使用具有光电变换功能的光敏二极管。作为图像传感器，例如有ccd图像传感器或cmos图像传感器。此外，近年来，还提出了使用具有光电变换功能的有机半导体材料的图像传感器(例如，参照日本特开2007－13123号公报)。
此外，公开了一种通过在一对电极间层叠多个吸收波谱分别不同的光电变换膜从而根据施加在上述一对电极间的电压来变更摄像波长的方法(例如，参照日本特开2008－227092号公报)。
技术实现要素：
有关本公开的一技术方案的摄像装置具备：单位像素单元，包括像素电极、与上述像素电极电连接的电荷储存区域、以及与上述电荷储存区域电连接的信号检测电路；对置电极，对置于上述像素电极；光电变换层，配置在上述像素电极及上述对置电极之间，将入射的光变换为电荷；电压供给电路，能够将第一电压、第二电压及第三电压的某个有选择地向上述像素电极及上述对置电极之间供给；上述电荷被储存在上述电荷储存区域中；通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第一电压，上述光电变换层在规定的波长范围中表现出第一波长灵敏度特性；通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第二电压，上述光电变换层在上述规定的波长范围中表现出与上述第一波长灵敏度特性不同的第二波长灵敏度特性；通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第三电压，上述光电变换层对于上述规定的波长范围中包含的波长的光不再具有灵敏度；上述电压供给电路在将对上述像素电极及上述对置电极之间供给的电压从上述第一电压向上述第二电压切换或从上述第二电压向上述第一电压切换的期间的至少一部分的期间中，对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第三电压。
附图说明
图1是表示有关实施方式的摄像装置的例示性的电路结构的示意图。
图2是表示单位像素单元的例示性的设备构造的示意性的剖面图。
图3是表示光电变换层的结构的一例的示意性的剖面图。
图4是用来说明有关实施方式的摄像装置的动作的一例的时序图。
图5是表示在有关实施方式的摄像装置中，光电变换层具有的波长灵敏度特性的电压依存性的一例。
图6是用来说明摄像装置的动作的比较例的时序图。
具体实施方式
(达到本公开的认识)
具有有机半导体材料的有机光电变换元件与以往的具有光敏二极管的无机光电变换元件相比，能够使构造及制造工艺简洁化。此外，有机半导体材料能够任意地设计对光电变换起作用的波长范围，能够实现具有希望的波长灵敏度特性的光电变换元件。
在排列了多个有机光电变换元件的图像传感器中，通过将向各光电变换元件施加的电压变更而能够按照每个曝光期间变更灵敏度，但不能变更摄像波长。为了变更摄像波长，可以考虑在图像传感器的前表面上配置仅使希望的波长透过的可插抜的滤波器的方法。但是，在此情况下，除了装置结构变大以外，在滤波器的插抜期间中也不能得到良好的摄像结果。
本公开提供一种能够在相邻的帧中切换摄像波长的摄像装置。
本公开的一技术方案的概要如下。
有关本公开的一技术方案的摄像装置具备：单位像素单元，包括像素电极、与上述像素电极电连接的电荷储存区域、以及与上述电荷储存区域电连接的信号检测电路；
对置电极，对置于上述像素电极；
光电变换层，配置在上述像素电极及上述对置电极之间，将入射的光变换为电荷；
电压供给电路，能够将第一电压、第二电压及第三电压的某个有选择地向上述像素电极及上述对置电极之间供给。
上述电荷被储存在上述电荷储存区域中。
通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第一电压，上述光电变换层在规定的波长范围中表现出第一波长灵敏度特性。
通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第二电压，上述光电变换层在上述规定的波长范围中表现出与上述第一波长灵敏度特性不同的第二波长灵敏度特性。
通过上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第三电压，上述光电变换层对于上述规定的波长范围中包含的波长的光不再具有灵敏度。
上述电压供给电路在将对上述像素电极及上述对置电极之间供给的电压从上述第一电压向上述第二电压切换或从上述第二电压向上述第一电压切换的期间的至少一部分的期间中，对上述像素电极及上述对置电极之间供给上述第三电压。
这里，不再具有灵敏度的上述第三电压的值，理想的是量子效率成为0％那样的电压，但实质上只要相对于在供给上述第一电压或上述第二电压的状态下规定的波长范围的光通过光电变换层被光电变换而产生的信号电荷的量，当供给上述第三电压时规定的波长范围的光通过光电变换层被光电变换而产生的信号电荷的量足够小就可以。即，当设在供给上述第三电压的期间中随着规定的波长的光的入射而生成的信号电荷的量为q(v3)，设在供给上述第一电压或上述第二电压的期间中随着规定的波长的光的入射而生成的信号电荷的量分别为q(v1)、q(v2)时，只要满足下述条件式(式1)，就可以说在供给上述第三电压的期间中光电变换层实质上没有灵敏度。
q(v3)/q(v1)<0.1并且q(v3)/q(v2)<0.1…(式1)
更具体地讲，当设与向上述像素电极及上述对置电极供给的电压对应的量子效率为η(∨)，设电压供给期间为t，设向被摄体的放射照度为l时，在与信号电荷量q之间，下述式(式2)的关系成立。
q∝η(∨)×t×l…(式2)
即，在对以相同的放射照度被照射的被摄体进行摄像的情况下，即使供给上述第三电压时的量子效率是供给上述第一电压时的量子效率的1/10，如果使上述第三电压供给期间为上述第一电压供给期间的10倍的时间，则信号电荷量在上述第一电压供给期间和上述第三电压供给期间中成为等同，不再满足上述式(式1)。因而，上述第三电压的具体的值不仅是量子效率的绝对值，也可以还添加考虑其供给期间及向被摄体的放射照度，相对于通过供给上述第一电压或上述第二电压而得到的信号电荷量，使通过供给上述第三电压而得到的信号电荷量成为充分变少那样的值。
这里，上述至少一部分的期间也可以是将上述电荷储存区域的电位读出的读出期间。
例如，也可以是，上述第一波长灵敏度特性是对可视波长域具有灵敏度且对红外波长域具有第一阈值以上的灵敏度的波长灵敏度特性；上述第二波长灵敏度特性是仅对可视波长域具有第二阈值以上的灵敏度的波长灵敏度特性。
例如，也可以是，上述电压供给电路对上述像素电极及上述对置电极之间交替地供给上述第一电压和上述第二电压。
例如，也可以是，上述电压供给电路按照每多个帧，将向上述像素电极及上述对置电极之间供给的电压在上述第一电压与上述第二电压之间切换。
例如，也可以是，上述电压供给电路以规定的频度，将向上述像素电极及上述对置电极之间供给的电压在上述第一电压与上述第二电压之间切换。
例如，也可以是，上述光电变换层具有包括多个光电变换膜的层叠构造。
例如，也可以是，上述多个光电变换膜中的至少一个包含有机材料。
在本公开中，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分，或框图的功能块的全部或一部分也可以由包括半导体装置、半导体集成电路(ic)或lsi(largescaleintegration：大规模集成电路)的一个或多个电子电路执行。lsi或ic既可以集成到一个芯片中，也可以将多个芯片组合而构成。例如，也可以将存储元件以外的功能块集成到一个芯片中。这里称作lsi或ic，但根据集成的程度而叫法变化，也可以被称作系统lsi、vlsi(verylargescaleintegration：超大规模集成电路)、或ulsi(ultralargescaleintegration：特大规模集成电路)。也可以以相同的目的使用在lsi的制造后编程的现场可编程门阵列(fpga)、或能够进行lsi内部的接合关系的重构或lsi内部的电路划分的设置的可重构逻辑器件。
进而，电路、单元、装置、部件或部的全部或一部分的功能或操作也可以由软件处理执行。在此情况下，将软件记录到一个或多个rom、光盘、硬盘驱动器等的非暂时性的记录介质中，当软件被处理装置(processor：处理器)执行时，由该软件确定的功能被处理装置(processor)及外围装置执行。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非暂时性记录介质、处理装置(processor)及需要的硬件设备例如接口。
以下，参照附图详细地说明本公开的实施方式。另外，以下说明的实施方式都表示包含性或具体性的例子。在以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例，不是限定本公开的意思。在本说明书中说明的各种各样的形态，只要不发生矛盾就能够相互组合。此外，关于以下的实施方式的构成要素中的在表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。在以下的说明中，实质上具有相同功能的构成要素用共通的标号表示而省略说明的情况。
(摄像装置的实施方式)
图1表示本公开的有关实施方式的摄像装置的例示性的电路结构。图1所示的摄像装置100具有包括二维地排列的多个单位像素单元10的像素阵列200。图1示意地表示单位像素单元10被配置为2行2列的矩阵状的例子。摄像装置100中的单位像素单元10的数量及配置并不限定于图1所示的例子。
各单位像素单元10具有光电变换部13及信号检测电路14。如在后面参照附图说明那样，光电变换部13具有夹在相互对置的2个电极之间的光电变换层，接受入射的光而生成信号电荷。光电变换部13不需要其整体是按照每个单位像素单元10而独立的元件，也可以是光电变换部13的例如一部分或全部跨越多个单位像素单元10。在本实施方式的情况下，关于光的入射侧的电极，光的入射侧的电极的一部分或全部也是跨越多个单位像素单元10。
信号检测电路14是检测由光电变换部13生成的信号的电路。在该例中，信号检测电路14包括信号检测晶体管24及寻址晶体管26。信号检测晶体管24及寻址晶体管26典型的是场效应晶体管(fet)，这里，作为信号检测晶体管24及寻址晶体管26而例示n沟道mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。
如在图1中示意地表示那样，信号检测晶体管24的控制端子(这里是栅极)具有与光电变换部13的电连接。由光电变换部13生成的信号电荷(空穴或电子)被储存到信号检测晶体管24的栅极与光电变换部13之间的电荷储存节点(也被称作“浮动扩散节点”)41中。电荷储存节点41相当于电荷储存区域。光电变换部13的构造的详细情况后述。
各单位像素单元10的光电变换部13还具有与灵敏度控制线42的连接。在图1所例示的结构中，灵敏度控制线42连接在电压供给电路32上。该电压供给电路32是能够至少将第一电压、第二电压及第三电压的3种电压的某种有选择地向光电变换部13供给而构成的电路。电压供给电路32在摄像装置100的动作时，经由灵敏度控制线42向光电变换部13供给规定的电压。电压供给电路32并不限定于特定的电源电路，也可以是生成规定的电压的电路，也可以是将从其他电源供给的电压变换为规定的电压的电路。如在后面详细说明那样，通过将从电压供给电路32向光电变换部13供给的电压在相互不同的多个电压之间切换，控制从光电变换部13向电荷储存节点41的信号电荷的储存的开始及结束。换言之，在本公开的实施方式中，通过将从电压供给电路32向光电变换部13供给的电压在第三电压与其他电压之间切换，执行电子快门动作。摄像装置100的动作的例子后述。
各单位像素单元10具有与供给电源电压vdd的电源线40的连接。如图示那样，在电源线40上，连接着信号检测晶体管24的输入端子(典型的是漏极)。通过电源线40作为源极跟随器电源发挥功能，信号检测晶体管24将由光电变换部13生成的信号电荷放大为与该信号电荷对应的电压，作为信号电压输出。
在信号检测晶体管24的输出端子(这里是源极)上连接着寻址晶体管26的输入端子(这里是漏极)。寻址晶体管26的输出端子(这里是源极)连接在按照像素阵列200的每个列配置的多个垂直信号线47中的1个上。寻址晶体管26的控制端子(这里是栅极)连接在地址控制线46上，通过控制地址控制线46的电位，能够将信号检测晶体管24的输出有选择地读出至对应的垂直信号线47。
在图示的例子中，地址控制线46连接在垂直扫描电路(也被称作“行扫描电路”)36上。垂直扫描电路36通过向地址控制线46施加规定的电压，以行单位选择配置在各行中的多个单位像素单元10。由此，执行所选择的单位像素单元10的信号的读出。
垂直信号线47是将来自像素阵列200的像素信号向外围电路传递的主信号线。在垂直信号线47上连接着列信号处理电路(也被称作“行信号储存电路”)37。列信号处理电路37进行以相关二重采样为代表的噪音平抑信号处理及模拟－数字变换(ad变换)等。如图示那样，列信号处理电路37与像素阵列200中的单位像素单元10的各列对应而设置。在这些列信号处理电路37上连接着水平信号读出电路(也被称作“列扫描电路”)38。水平信号读出电路38从多个列信号处理电路37向水平共用信号线49依次读出信号。
在图1所例示的结构中，单位像素单元10具有复位晶体管28。复位晶体管28例如与信号检测晶体管24及寻址晶体管26同样，是场效应晶体管。以下，只要没有特别否定，就说明作为复位晶体管28而应用了n沟道mosfet的例子。如图示那样，该复位晶体管28被连接在供给复位电压vr的复位电压线44与电荷储存节点41之间。复位晶体管28的控制端子(这里是栅极)连接在复位控制线48上，通过控制复位控制线48的电位，能够将电荷储存节点41的电位复位为复位电压vr。在该例中，复位控制线48被连接在垂直扫描电路36上。因而，通过垂直扫描电路36向复位控制线48施加规定的电压，能够将配置在各行中的多个单位像素单元10以行单位复位。
在该例中，向复位晶体管28供给复位电压vr的复位电压线44连接在复位电压源34上。复位电压源34只要具有在摄像装置100的动作时能够向复位电压线44供给规定的复位电压vr的结构就可以，与上述电压供给电路32同样，并不限定于特定的电源电路。电压供给电路32及复位电压源34分别既可以是单一的电压供给电路的一部分，也可以是独立的单独的电压供给电路。另外，也可以是电压供给电路32及复位电压源34的一方或两者是垂直扫描电路36的一部分。或者，也可以将来自电压供给电路32的灵敏度控制电压及/或来自复位电压源34的复位电压vr经由垂直扫描电路36向各单位像素单元10供给。
作为复位电压vr，也可以使用信号检测电路14的电源电压vdd。在此情况下，能够使向各单位像素单元10供给电源电压的电压供给电路(在图1中未图示)和复位电压源34共用。此外，由于能够使电源线40和复位电压线44共用，所以能够使像素阵列200中的布线简单化。但是，在复位电压vr和信号检测电路14的电源电压vdd中使用相互不同的电压，使得能够进行摄像装置100的更灵活的控制。
(单位像素单元的设备构造)
图2示意地表示单位像素单元10的例示性的设备构造。在图2中例示的结构中，上述信号检测晶体管24、寻址晶体管26及复位晶体管28被形成在半导体基板20上。半导体基板20并不限定于其整体是半导体的基板。半导体基板20也可以是在形成感光区域的一侧的表面上设有半导体层的绝缘性基板等。这里，说明作为半导体基板20而使用p型硅(si)基板的例子。
半导体基板20具有杂质区域(这里是n型区域)26s、24s、24d、28d、28s、和用于单位像素单元10间的电分离的元件分离区域20t。这里，元件分离区域20t也设在杂质区域24d与杂质区域28d之间。元件分离区域20t例如通过在规定的注入条件下对半导体基板20进行受主(acceptor)的离子注入来形成。
杂质区域26s、24s、24d、28d、28s典型的是形成在半导体基板20内的扩散层。如在图2中示意地表示内压，信号检测晶体管24包括杂质区域24s、24d和栅极电极24g(典型的是多晶硅电极)。杂质区域24s、24d分别作为信号检测晶体管24的例如源极区域及漏极区域发挥功能。在杂质区域24s与杂质区域24d之间，形成信号检测晶体管24的沟道区域。
同样，寻址晶体管26包括杂质区域26s、24s、和连接在地址控制线46(参照图1)上的栅极电极26g(典型的是多晶硅电极)。在该例中，信号检测晶体管24及寻址晶体管26通过共用杂质区域24s而相互被电连接。杂质区域26s作为寻址晶体管26的例如源极区域发挥功能。杂质区域26s具有与在图2中未图示的垂直信号线47(参照图1)的连接。
复位晶体管28包括杂质区域28d、28s、和连接在复位控制线48(参照图1)上的栅极电极28g(典型的是多晶硅电极)。杂质区域28s作为复位晶体管28的例如源极区域发挥功能。杂质区域28s具有与在图2中未图示的复位电压线44(参照图1)的连接。
在半导体基板20上，以将信号检测晶体管24、寻址晶体管26及复位晶体管28覆盖的方式配置有层间绝缘层50(典型的是二氧化硅层)。如图示那样，在层间绝缘层50中可以配置布线层56。布线层56典型的是由铜等的金属形成，例如可以在其一部分中包括上述垂直信号线47等的布线。层间绝缘层50中包含的绝缘层的数量、以及在配置于层间绝缘层50中的布线层56中包含的布线层的数量能够任意地设定，并不限定于图2所示的例子。
在层间绝缘层50上配置上述光电变换部13。换句话说，在本公开的实施方式中，构成像素阵列200(参照图1)的多个单位像素单元10被形成在半导体基板20上。二维地排列在半导体基板20上的多个单位像素单元10形成感光区域。作为邻接的2个单位像素单元10间的距离的像素间距例如是2μm左右。
光电变换部13包括像素电极11、对置电极12、和配置在它们之间的光电变换层15。在该例中，对置电极12及光电变换层15跨越多个单位像素单元10而形成。
另一方面，像素电极11按照每个单位像素单元10设置，通过与邻接的其他单位像素单元10的像素电极11在空间上分离，从其他单位像素单元10的像素电极11电分离。
对置电极12典型的是由透明的导电性材料形成的透明电极。对置电极12在光电变换层15中被配置在光入射的一侧。因而，透过了对置电极12的光向光电变换层15入射。另外，由摄像装置100检测的光并不限定于可视光的波长范围(例如，380nm以上780nm以下)内的光。本说明书中的“透明”是指使要检测的波长范围的光的至少一部分透过。在本说明书中，为了方便而将包含红外线及紫外线的电磁波的全部表现为“光”。在对置电极12中，可以使用例如ito(indiumdopedtinoxide，掺铟氧化锡)、izo(indiumzincoxide，氧化铟锌)、azo(aluminiumdopedzincoxide，掺铝氧化锌)、fto(fluorinedopedtinoxide，掺氟氧化锌)、sno2、tio2、zno2等的透明导电性氧化物(transparentconductingoxide(tco))。
光电变换层15接受入射的光而产生空穴－电子对。光电变换层15在本实施方式的情况下由有机材料形成。构成光电变换层15的材料的具体例后述。
如参照图1说明那样，对置电极12具有与连接在电压供给电路32上的灵敏度控制线42的连接。此外，这里，对置电极12跨越多个单位像素单元10而形成。因而，能够经由灵敏度控制线42从电压供给电路32将希望的大小的灵敏度控制电压对多个单位像素单元10之间一起施加。另外，只要能够从电压供给电路32施加希望的大小的灵敏度控制电压，对置电极12也可以按照每个单位像素单元10分离而设置。同样，也可以将光电变换层15按照每个单位像素单元10分离而设置。
如在后面详细说明那样，电压供给电路32向对置电极12供给在曝光期间与非曝光期间之间相互不同的电压。在本说明书中，“曝光期间”是指用来将通过光电变换生成的正及负的电荷的一方向电荷储存区域储存的期间，也称作“电荷储存期间”。此外，在本说明书中，将摄像装置的动作中的、曝光期间以外的期间称作“非曝光期间”。另外，“非曝光期间”并不限于向光电变换部13的光的入射被遮断的期间，也可以包括光照射在光电变换部13上的期间。
通过控制对置电极12相对于像素电极11的电位的电位，能够将通过光电变换在光电变换层15内产生的空穴－电子对中的空穴及电子的某一方用像素电极11收集。例如在作为信号电荷而利用空穴的情况下，通过使对置电极12的电位比像素电极11高，能够由像素电极11将空穴有选择地收集。以下，例示作为信号电荷而利用空穴的情况。当然，作为信号电荷也可以利用电子。
与对置电极12对置的像素电极11通过对对置电极12与像素电极11之间施加适当的偏置电压，将在光电变换层15中通过光电变换产生的正及负的电荷中的一方收集。像素电极11由铝、铜等的金属、金属氮化物、或通过被掺杂杂质而被赋予了导电性的多晶硅等形成。
也可以将像素电极11作为遮光性的电极。例如，通过作为像素电极11而形成厚度为100nm的tan电极，能够实现充分的遮光性。通过使像素电极11为遮光性的电极，能够抑制穿过了光电变换层15的光向形成在半导体基板20上的晶体管(在该例中，是信号检测晶体管24、寻址晶体管26及复位晶体管28的至少某个)的沟道区域或杂质区域的入射。也可以利用上述布线层56在层间绝缘层50内形成遮光膜。通过抑制光向形成在半导体基板20上的晶体管的沟道区域的入射，能够抑制晶体管的特性的移变(例如阈值电压的变动)等。此外，通过抑制光向形成在半导体基板20上的杂质区域的入射，能够抑制由杂质区域中的非意图的光电变换带来的噪声的混入。这样，向半导体基板20的光的入射的抑制对于摄像装置100的可靠性的提高是有贡献的。
如在图2中示意地表示那样，像素电极11经由插塞(plug)52、布线53及接触插塞54连接在信号检测晶体管24的栅极电极24g上。换言之，信号检测晶体管24的栅极具有与像素电极11的电连接。插塞52、布线53例如由铜等的金属形成。插塞52、布线53及接触插塞54构成信号检测晶体管24与光电变换部13之间的电荷储存节点41(参照图1)的至少一部分。布线53可以是布线层56的一部分。此外，像素电极11经由插塞52、布线53及接触插塞55也连接在杂质区域28d上。在图2中例示的结构中，信号检测晶体管24的栅极电极24g、插塞52、布线53、接触插塞54、55、以及作为复位晶体管28的源极区域及漏极区域的一方的杂质区域28d，作为储存由像素电极11收集的信号电荷的电荷储存区域发挥功能。
通过用像素电极11收集信号电荷，与储存在电荷储存区域中的信号电荷的量相应的电压被施加在信号检测晶体管24的栅极上。信号检测晶体管24将该电压放大。由信号检测晶体管24放大的电压作为信号电压经由寻址晶体管26被有选择地读出。
(光电变换层的结构的例子)
如上述那样，通过向光电变换层15照射光，在像素电极11与对置电极12之间施加偏置电压，能够将通过光电变换产生的正及负的电荷中的一方用像素电极11收集，将收集到的电荷储存到电荷储存区域中。在本实施方式中，在光电变换部13中使用将以下说明那样的吸收波谱相互不同的光电变换膜在一定的条件下层叠而成的感光层15a。由此，通过像素电极11与对置电极12之间的电位差，能够切换光电变换层15的波长灵敏度特性、即摄像波长范围。此外，通过使像素电极11与对置电极12之间的电位差成为规定的电位差以下，能够抑制已经储存在电荷储存区域中的信号电荷经由光电变换层15向对置电极12移动。此外，通过使像素电极11与对置电极12之间的电位差为规定的电位差以下，能够抑制信号电荷随后进一步向电荷储存区域储存。这是本申请发明者们新发现的认识之一。即，通过向光电变换层15施加的偏置电压的大小的控制，能够无需在多个像素的各个像素中另外设置转送晶体管等的元件而具有全局快门功能，此外能够进行摄像波长的电的切换。摄像装置100的动作的典型例后述。
以下，说明光电变换层15的结构的例及光电变换层15中的波长灵敏度特性。
图3是表示光电变换层15的结构的一例的示意性的剖面图。在图3中例示的结构中，光电变换层15具有空穴阻挡层15h、感光层15a和电子阻挡层15e。空穴阻挡层15h配置在光电变换层15与对置电极12之间。电子阻挡层15e配置在光电变换层15与像素电极11之间。光电变换层15典型的是包含半导体材料。这里，作为半导体材料而使用有机半导体材料。有机半导体材料只要是在摄像所需要的摄像波长中具有吸收峰值的材料就可以，但通常将电子施与性的有机半导体材料与电子受容性的有机半导体材料混合而得到光电变换膜。由此，能够使为了将在光电变换层15内产生的激子分离为电子和空穴所需要的电场强度变小到能够足够作为半导体元件使用的程度。换言之，相同电压下的量子效率增大，光电变换特性提高。
在本实施方式的情况下，配置在对置电极12侧的第一光电变换膜150a具有仅在可视波长域有灵敏度的波长灵敏度特性，配置在像素电极11侧的第二光电变换膜150b具有在可视波长域有灵敏度、并且在红外波长域有比可视波长域强的灵敏度的波长灵敏度特性。另外，这里不到峰值波长的十分之一的灵敏度记载为没有灵敏度。
由有机半导体材料构成的光电变换层15通过改变对对置电极12与像素电极11之间施加的电压的大小，能够控制到达像素电极11的信号电荷的量。其理由是因为，有机半导体材料的载流子输送性能非常低，如果将在光电变换层15内产生的电荷向像素电极11牵拉的电场强度不强，则在光电变换层15中移动中通过再结合等而电荷消失。
在本实施方式中，在形成将吸收波谱相互不同的第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b用对置电极12和像素电极11夹着的结构的情况下，仅在第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b满足规定的条件的情况下，能够根据施加在对置电极12与像素电极11之间的电压控制信号电荷向像素电极11的输送。这也是本申请发明者们新发现的认识之一。
作为上述规定的条件，例如是对第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b具有的膜电阻的值设置一定以上的差。施加在对置电极12与像素电极11间的电压被以第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的各自的光电变换膜具有的膜电阻的比来进行分配。通过对第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b具有的膜电阻设置例如44倍以上的差，对膜电阻较高的光电变换膜较多地分配施加电压，能够使向另一方分配的电压成为光电变换阈值以下。因而，在对置电极12与像素电极11间的施加电压较低的情况下，光电变换阈值以上的电场仅作用于膜电阻较高的光电变换膜，仅由膜电阻较高的光电变换膜产生的信号被向像素电极11输送。另一方面，如果使对置电极12与像素电极11间的施加电压变高，则光电变换阈值以上的电场也作用在膜电阻较低的光电变换膜上，膜电阻较低的光电变换膜也向能够向将信号电荷向像素电极11输送的状态变迁。膜电阻可以通过构成光电变换膜的电子施与性材料和电子受容性材料的能级、混合比、膜厚等来调整。
此外，如果对光电变换层15施加的电压(即，对置电极12与像素电极11间的施加电压)低于层叠的第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的各自的光电变换阈值，则哪个光电变换层都不再能够将信号电荷向像素电极输送。结果，第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的灵敏度实质上成为零，第一光电变换膜150a及第二光电变换膜150b不再具有灵敏度。因而，通过选择对置电极12与像素电极11之间的施加电压，能够切换对于全部的波长没有光电变换灵敏度的状态、仅感光层15a的第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的某一方具有光电变换灵敏度的状态、和感光层15a的第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的两者具有光电变换灵敏度的状态。根据以上，通过像素电极11与对置电极12之间的电位差，能够将光电变换层15的波长灵敏度特性即摄像波长范围切换，并且实现电的快门动作。
作为上述第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b，例如可以使用dtdctb(2－{[7－(5－n，n－ditolylaminothiophen－2－yl)－2，1，3－benzothiadiazol－4－yl]methylene}malononitrile)和c70富勒烯的共蒸镀膜、酞菁锡与c70富勒烯的共蒸镀膜。更详细地讲，可以使用以下的材料。典型的是，第一光电变换膜150a及第二光电变换膜150b分别包含电子施与性(施主性，p型)的分子、和电子受容性(受主性，n型)的分子。
电子施与性的分子的典型例是有机p型半导体，主要以空穴输送性有机化合物为代表，具有容易施与电子的性质。有机p型半导体的例子，是dtdctb等的三芳基胺化合物，联苯胺化合物，吡唑啉化合物，苯乙烯胺化合物，腙化合物，三苯甲烷化合物，咔唑化合物，聚硅烷化合物，α－六噻吩(以下称作“α－6t”)、p3ht(聚3－己基噻吩)等噻吩化合物，酞菁化合物，花青化合物，部花青化合物，氧杂菁化合物，聚胺化合物，吲哚化合物，吡咯化合物，吡唑化合物，聚亚芳基化合物，稠合芳族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、红荧烯等并四苯衍生物、芘衍生物、二萘嵌苯衍生物、萤蒽衍生物)，含有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。酞菁化合物的例子，是酞菁铜(cupc)、亚酞菁(subpc)、酞菁氯化铝(clalpc)、si(osir3)2nc(r表示碳数为1至18的烷基，nc表示萘酞菁)、酞菁锡(snnc)及酞菁铅(pbpc)等。施主性有机半导体并不限于这些，只要是离子势比作为n型(受主性)化合物使用的有机化合物小的有机化合物，就能够作为施主性有机半导体使用。离子势是真空能级与最高被占分子轨道(homo)的能级的差。
电子受容性的分子的典型例是有机n型半导体，主要以电子输送性有机化合物为代表，具有容易受容电子的性质。有机n型半导体的例子，是c60及c70等富勒烯，苯基c61丁酸甲酯(pcbm)等富勒烯衍生物，稠合芳香族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、二萘嵌苯衍生物、萤蒽衍生物)，含有氮原子、氧原子、硫原子的5至7元的杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、1，2－二氮杂萘、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲绕啉、四唑、吡唑、咪唑啉、噻唑、恶唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑哒嗪、三唑嘧啶、四氮杂茚、噁二唑、咪唑吡啶、吡唑烷、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯氮卓、三苯氮卓等)，亚酞菁(subpc)，聚亚芳基化合物，芴化合物，环戊二烯化合物，甲硅烷基化合物，二萘嵌苯四碳化二亚胺化合物(ptcdi)，含有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。受主性有机半导体并不限于这些，只要是电子亲和力比作为p型(施主性)有机化合物使用的有机化合物大的有机化合物，就能够作为受主性有机半导体使用。电子亲和力是真空能级与最低空分子轨道(lumo)的能级的差。
作为第一光电变换膜150a，可以使用例如在可视波长域具有光电变换灵敏度的有机半导体材料，作为第二光电变换膜150b，可以使用例如在红外波长域具有灵敏度的有机半导体材料。
通过在感光层15a的第一光电变换膜150a与第二光电变换膜150b的界面处设置能量势垒，也能够实现与上述同样的效果。例如，在作为信号电荷而储存空穴的情况下，只要选择第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的离子势、以使得在感光层15a的第一光电变换膜150a与第二光电变换膜150b的界面对于空穴形成例如0.2ev以上的能量势垒就可以。
在第一光电变换膜150a与第二光电变换膜150b的界面处没有设置能量势垒的情况下，波长灵敏度特性的电压依存性受各个第一光电变换膜150a和第二光电变换膜150b的膜电阻支配，波长灵敏度特性的切换动作不依存于层叠顺序。但是，在着眼于光电变换效率的情况下，存在更优选的层叠条件。如上述那样，通常光电变换膜通过将电子施与性的有机半导体材料与电子受容性的有机半导体材料混合而得到。这里，作为电子受容性材料也可以使用c60富勒烯、c70富勒烯及其类似物。考虑这是因为，由于富勒烯的lumo轨道在球壳上在空间上扩大，所以从接触的电子施与性的有机半导体材料以较高的效率向富勒烯分子发生电子的移动。因而，在想要实现高效率的光电变换元件的情况下，也可以将对希望的波长具有吸收的电子施与性有机半导体材料与富勒烯及其类似物混合，来得到光电变换膜。顺便说一下，已知富勒烯及其类似物通常对于可视波长域、特别是相当于蓝色的波长域具有较强的吸收。因而，如果使用对于红外波长域具有吸收的电子施与性有机半导体材料和富勒烯及其类似物设计红外光电变换膜，则成为不仅对于红外波长域、对于可视波长域也具有吸收的特性。在此情况下，如果以在第一光电变换膜150a中使用红外光电变换膜、在第二光电变换膜150b中使用对可视光域具有灵敏度的可视光电变换膜的方式层叠，则由配置在光的入射侧的第一光电变换膜将可视光的一部分吸收，向作为可视光电变换膜的第二光电变换膜入射的可视光域的光量衰减。因而，在这样的情况下，如果将可视光电变换膜作为第一光电变换膜150a，将红外光电变换膜作为第二光电变换膜150b，则能够抑制向第二光电变换膜入射的可视光域的光的光量衰减。另一方面，在使用对可视光具有吸收的电子施与性有机半导体和富勒烯及其类似物构成可视光电变换膜的情况下，成为对于红外波长域不具有吸收的特性。因此，即使将这样的可视光电变换膜配置在光的入射侧，也能够使红外光透过，使足够的光量的红外光入射到红外光电变换膜中。这样，为了得到良好的摄像结果，也可以决定多个光电变换膜的层叠顺序，以使希望的波长的光充分地入射到希望的光电变换膜中。
(摄像装置100的动作的例)
图4是说明有关本公开的实施方式的摄像装置的动作的一例的时序图。在图4中，部分(a)、(b)表示同步信号的下降或上升的定时，部分(c)表示向光电变换层15施加的偏置电压的大小的随着时间的变化，部分(d)表示像素阵列200(参照图1)的各行的复位及曝光的定时。更具体地讲，在图4中，部分(a)表示垂直同步信号vss的下降或上升的定时，部分(b)表示水平同步信号hss的下降或上升的定时。部分(c)表示经由灵敏度控制线42从电压供给电路32向对置电极12施加的电压vb的随着时间的变化。进而，部分(d)表示像素阵列200的各行中的复位及曝光的定时。另外，经由灵敏度控制线42从电压供给电路32向对置电极12施加的电压vb的随着时间的变化相当于以像素电极11的电位为基准时的对置电极12的电位的随着时间的变化。另外，在图4中，为了使说明变简单，表示了在像素阵列200中存在3行单位像素单元10的情况，但像素阵列200也可以具备更多的行。
以下，参照图1、图2及图4说明摄像装置100的动作的一例。为了简单，这里说明像素阵列200中包含的像素的行数是row(行)<0>行、row<1>行、row<2>行的合计3行的情况下的动作的例子。
在图像的取得中，首先，执行像素阵列200中的各单位像素单元10的电荷储存区域的复位、和在之前曝光的情况下其像素信号的读出。例如，如图4所示，基于垂直同步信号vss，开始属于row<0>行的多个像素的复位(时刻t0)。另外，图4中的带网格的矩形示意地表示信号的读出期间。该读出期间在其一部分中包含用来将单位像素单元10的电荷储存区域的电位复位的复位期间。
在属于row<0>行的像素的复位中，通过row<0>行的地址控制线46的电位的控制，使栅极连接在该地址控制线46上的寻址晶体管26成为on，进而，通过row<0>行的复位控制线48的电位的控制，使栅极连接在该复位控制线48上的复位晶体管28成为on。由此，电荷储存节点41与复位电压线44被连接，向作为电荷储存区域的电荷储存节点41供给复位电压vr。即，信号检测晶体管24的栅极电极24g及光电变换部13的像素电极11的电位被复位为复位电压vr。然后，经由垂直信号线47，从row<0>行的单位像素单元10将复位后的像素信号读出。此时得到的像素信号是与复位电压vr的大小对应的像素信号。在像素信号的读出后，使复位晶体管28及寻址晶体管26成为off。
在该例中，如在图4中示意地表示那样，匹配于水平同步信号hss，以行单位依次执行属于row<0>行、row<1>行、row<2>行的各行的像素的复位。以下，有时将水平同步信号hss的脉冲的间隔、换言之将从某个行被选择到下个行被选择的期间称作“1h期间”。在该例中，从时刻t0到时刻t1的期间相当于1h期间。
如图4所示，至少在将像素阵列200的单位像素单元10分别具备的电荷储存区域的全部复位的期间即复位期间、从图像取得的开始起到像素阵列200的全部的行的复位及像素信号的读出结束为止的期间(时刻t0到t3)中，在像素电极11与对置电极12之间，由电压供给电路32施加着规定的波长范围中的光电变换层15的灵敏度实质上为0的第三电压v3。这里，第三电压v3例如是0v(伏特)。即，通过对光电变换部13的光电变换层15施加第三电压v3的偏置电压，能够形成从像素阵列200开始图像信号的取得的定时(时刻t0)到曝光期间的开始(时刻t3)的期间(非曝光期间)。
在对光电变换层15施加了第三电压v3的偏置电压的状态下，几乎不发生从光电变换层15向电荷储存区域的信号电荷的移动。推测这是因为，在对光电变换层15施加了第三电压v3的偏置电压的状态下，通过光的照射产生的正及负的电荷的几乎全部迅速地再结合，在被像素电极11收集之前消失了。因而，在对光电变换层15施加了第三电压v3的偏置电压的状态下，即使光入射到光电变换层15中，也几乎不发生信号电荷向电荷储存区域的储存。因此，抑制了曝光期间以外的期间中的不想要的灵敏度(以下，有称作“寄生灵敏度”的情况)的发生。
在图4的部分(d)中，当着眼于某行(例如row<0>行)时，由较浓的带网格的矩形及较淡的带网格的矩形表示的期间表示非曝光期间。另外，第三电压v3并不限定于0v。
在像素阵列200的全部的行的复位及像素信号的读出的结束后，基于水平同步信号hss开始曝光(时刻t3)。在图4的部分(d)中，白色的矩形示意地表示各行的曝光期间。另外，在图4中，将有网格的矩形表示的非曝光期间和白色的矩形表示的曝光期间记载为相同的长度，但这是为了说明，不是要限定相同的长度。曝光期间根据被摄体的暗度及被摄体的运动的速度等而任意地调整。曝光期间通过电压供给电路32将对像素电极11与对置电极12之间施加的电压切换为与第三电压v3不同的第一电压v1或第二电压v2而开始。第一电压v1例如是感光层15a都超过光电变换阈值而具有灵敏度那样的电压。通过对光电变换层15施加第一电压v1，光电变换层15中的信号电荷(在该例中是空穴)被像素电极11收集而被储存到电荷储存区域中。图5表示在有关实施方式的摄像装置100中、光电变换层15具有的波长灵敏度特性的电压依存性的一例。
在本实施方式的情况下，以图5所示那样的波长灵敏度特性基于可视波长域及红外波长域的光被光电变换后的信号电荷储存到电荷储存区域中。在图4的部分(d)中，被记载为rgb+ir的白色的矩形的期间表示基于可视波长域及红外波长域的光的信号电荷被储存到电荷储存区域中的曝光期间。
通过电压供给电路32将对像素电极11与对置电极12之间施加的电压再次切换为第三电压v3，曝光期间结束(时刻t6)。接着，基于水平同步信号hss，进行从属于像素阵列200的各行的像素的信号电荷的读出。在该例中，从时刻t6起，以行单位依次执行从属于row<0>行、row<1>行、row<2>行的各行的像素的信号电荷的读出。以下，有将从属于某行的像素被选择到属于该行的像素再次被选择的期间称作“1v期间”的情况。在该例中，从时刻t0到时刻t6的期间相当于1v期间。1v期间相当于1帧。在对光电变换层15施加了第一电压v1的1v期间的下个1v期间中的曝光期间中，将对光电变换层15施加的电压切换为与第一电压v1及第三电压v3不同的第二电压v2。第二电压v2是例如感光层15a的仅某一方超过光电变换阈值那样的电压，例如是对应于第一电压v1与第三电压v3的中间的电压。在本实施方式的情况下，当对光电变换层15施加的电压为第二电压v2时，如图5所示，仅基于可视波长域的光光电变换后的信号电荷被储存到电荷储存区域中。在图4的部分(d)中，表示记载为rgb的白色的矩形的期间表示仅基于可视波长域的光的信号电荷被储存到电荷储存区域中的曝光期间。
通过将对光电变换层15施加的电压再次切换为第三电压v3，曝光期间结束(时刻t12)。然后，基于水平同步信号hss，进行从属于像素阵列200的各行的像素的信号电荷的读出。
这样，在本公开的实施方式中，在对像素电极11与对置电极12之间施加的电压在曝光期间中被选择为第一电压v1及第二电压v2的某一方，在将对光电变换层15施加的供给电压从第一电压v1向第二电压v2、或从第二电压v2向第一电压v1切换的期间中，即在至少包括将电荷储存区域全部读出的期间的非曝光期间中，第三电压v3被选择。由此，能够通过所谓的全局快门得到从波长灵敏度特性不同的光电变换层15得到的2种图像。
此外，通过对像素电极11与对置电极12之间交替地执行施加第一电压v1的1v期间和施加第二电压v2的1v期间，能够由1个摄像装置100大致同时得到从波长灵敏度特性不同的光电变换层15得到的2种运动图像。此外，由于这2种运动图像由被电气地实现的全局快门得到，所以在哪种运动图像中，都成为将高速运动的被摄体没有畸变地摄像的运动图像。
此外，对像素电极11与对置电极12之间施加第一电压v1的期间与施加第二电压v2的期间不是交替的，变更频度可以是任意的。此外，进行电压变更的处理的频度也可以由帧数规定。例如，电压变更的处理也可以几十帧1次而实施。此外，也可以不是定期地进行电压变更的处理，而是根据基于某种触发事件的定时来进行电压变更的处理。此外，为了以需要的定时检测红外光，例如也可以1秒仅1次以借助可视光及红外光的摄像模式摄像而得到由红外光带来的摄像信息，通常在可视光中以本实施方式的摄像模式取得彩色图像。
在本实施方式的情况下，采用通过施加第一电压v1而成为在可视波长域有灵敏度且在红外波长域有规定的第一阈值以上的灵敏度的波长灵敏度特性，通过施加比第一电压v1低电压的第二电压v2而成为仅在可视波长域具有规定的第二阈值以上的灵敏度的波长灵敏度特性的光电变换层15。因而，切换使用从可视波长域到红外波长域的波长的曝光期间、和仅使用可视波长域的波长的曝光期间。根据图4可知，该例中的曝光期间的开始(时刻t3，时刻t9)及结束(时刻t6，时刻t12)在包含于像素阵列200中的全部的像素中是相同的定时。即，这里说明的动作是所谓全局快门。
另一方面，如图6所示，在将对像素电极11与对置电极12之间施加的电压在第一电压v1与第二电压v2之间切换的期间中不设定为第三电压v3的情况下，不能电气地形成非曝光状态。因此，图像的取得成为所谓卷帘快门。此外，如row<1>及row<2>所示，当光电变换层15是不同的2种波长灵敏度特性时生成的信号电荷、即仅由可视波长域的光带来的信号电荷和由包含可视波长域及红外波长域的光形成的信号电荷以混合存在的状态被储存到电荷储存区域中。因而，难以得到正确的图像。
在本实施方式中，在曝光期间的结束后的、从属于row<0>行的像素的信号电荷的读出中，使row<0>行的寻址晶体管26成为on。由此，与在曝光期间中储存在电荷储存区域中的电荷量对应的像素信号被向垂直信号线47输出。也可以接着像素信号的读出，使复位晶体管28成为on而进行像素的复位，将像素的复位电压作为该像素的基准信号而读出。在像素信号的读出后，使寻址晶体管26及复位晶体管28成为off。在从属于像素阵列200的各行的像素的信号电荷的读出后，在时刻t0与时刻t3之间，通过取读出的像素信号与基准信号的差，得到除去了固定噪声的信号。
此时，由于在像素电极11与对置电极12之间被施加第三电压v3，所以光电变换层15处于被施加灵敏度实质上为0的偏置电压的状态。因此，即使是光入射到光电变换层15中的状态，也几乎不发生向电荷储存区域的信号电荷的进一步的储存。因而，抑制了起因于不希望的电荷的混入的噪声的发生。
另外，从进一步抑制非曝光期间中的向电荷储存区域的信号电荷的储存的观点来说，也可以通过对像素电极11与对置电极12之间施加使上述第三电压v3的极性反转的电压，来使曝光期间结束。另外，如果单纯地使对像素电极11与对置电极12之间施加的电压的极性反转，则有时已经储存在电荷储存区域中的信号电荷经由光电变换层15会向对置电极12移动。该信号电荷的移动例如被作为所取得的图像中的黑点观察到。即，非曝光期间中的从电荷储存区域经由光电变换层15向对置电极12的信号电荷的移动可能成为负向的寄生灵敏度的因素。
在本实施方式中，由于通过将对光电变换层15施加的电压变更为第三电压v3而使曝光期间结束，所以向电荷储存区域的信号电荷的储存结束后的光电变换层15处于被施加了灵敏度实质上成为0的偏置电压的状态。在第三电压v3被作为偏置电压施加的状态下，能够抑制已经储存在电荷储存区域中的信号电荷经由光电变换层15向对置电极12的移动。换言之，通过向光电变换层15的第三电压v3的施加，能够将在曝光期间中储存的信号电荷保持在电荷储存区域中。即，能够抑制因信号电荷从电荷储存区域失去而带来的负向的寄生灵敏度的发生。
这样，在本实施方式中，通过对像素电极11与对置电极12之间施加的电压vb控制曝光期间的开始和结束、以及曝光期间的摄像波长。即，根据本实施方式，能够将各单位像素单元10的摄像波长对全部像素同时切换而进行摄像。
(本公开的摄像装置的用途)
有关本公开的摄像装置能够用在医疗用照相机、机器人用照相机、安全照相机、车载照相机等中。
例如，在工厂等中，在粘贴于在输送机上高速流动的制品的表面上的标签中，预先记录1)由可辨识的墨等形成的信息或设计、2)由人的眼睛看不到但能反射红外线(或释放红外线)的ir墨等形成的代码。在此情况下，使用有关本公开的摄像装置，对上述标签切换摄像模式而进行摄像。由可辨识的墨等形成的信息或设计只要使用有关本公开的摄像装置摄像就能够作为可视波长域的图像识别，所以对于包含具有该图像的标签的制品进行制品的外观检查。此外，由反射红外线的ir墨等形成的代码如果使用有关本公开的摄像装置摄像则能够作为红外波长域的图像识别，所以通过监视所取得的图像，就能够不用肉眼识别而将植入在标签中的代码识别而读取信息等。由此，能够不损害制品的设计而进行制品的批次等的流通识别信息的识别。
此外，在进行借助摄像装置的个人认证时，使用有关本公开的摄像装置，以光电变换层15仅对可视波长域有灵敏度的rgb模式进行摄像，根据由该摄像得到的可视波长域的图像，取得人的皮肤、头发及瞳孔颜色等的脸部的颜色信息。此外，照射近红外线照明，使用有关本公开的摄像装置，以光电变换层15对可视波长域及红外波长域有灵敏度的rgb+ir模式进行摄像，根据由该摄像得到的图像，能够取得人的虹膜图案或手指的静脉图案。可以将上述脸部的颜色信息和人的虹膜图案或手指的静脉图案例如合成而作为个人信息进行记录或保存，用于个人认证。如果使用本公开的摄像装置，则能够用一台摄像装置实现以上那样的功能，所以能够将多个生体信息组合而提高个人认证的认证精度。
标号说明
10单位像素单元
11像素电极
12对置电极
13光电变换部
14信号检测电路
15光电变换层
15a感光层
15e电子阻挡层
15h空穴阻挡层
20半导体基板
24信号检测晶体管
26寻址晶体管
32电压供给电路
41电荷储存节点
100摄像装置
150a第一光电变换膜
150b第二光电变换膜
200像素阵列