本发明涉及光检测装置。
背景技术
以cmos图像传感器为代表的摄像元件被广泛使用。在摄像元件的领域中，存在降低噪声、扩大动态范围、动作高速化等各种要求。
下述专利文献1在图2中公开了一种薄膜晶体管(tft)，其具有使规定的化合物分散在有机聚合物中得到的有机膜作为栅极绝缘膜。作为构成有机膜的规定的化合物，选择通过光的照射而极化状态变化的化合物。在专利文献1的薄膜晶体管中，如果对栅极绝缘膜照射光，则栅极绝缘膜的介电常数变化。因此，通过向栅极绝缘膜照射光，在源极-漏极之间流动的电流发生变化。专利文献1记载了可将这样的薄膜晶体管用于光传感器。
下述的非专利文献1提出了在光电二极管与用于排出电荷的漏极之间设置有排出栅极的结构。在非专利文献1中，将具有这样的结构的像素称为dom(draining-onlymodulation)像素。在dom像素中，在排出栅极为开的状态下，光电二极管内的电荷被排出。而如果将排出栅极设为关的状态，则能够将光电二极管内的电荷以浮动扩散传输。在dom像素中，通过将复位所需的时间实质上设为0，可以实现时间分辨率的提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－60830号公报
非专利文献
非专利文献1：k.yasutomi,et.al.,“a0.3mm-resolutiontime-of-flightcmosrangeimagerwithcolumn-gatingclock-skewcalibration”,isscc2014,dig.pp.132-133
技术实现要素：
本发明提供一种具有新颖构成的光检测装置。
根据本申请的没有限定性的某个例示性实施方式，可提供下述方案。
一种光检测装置，其具备：半导体基板，包含第一杂质区域和第二杂质区域；栅极绝缘层，位于被上述半导体基板的上述第一杂质区域与上述第二杂质区域所夹持的区域上，并且包含光电转换层；上述栅极绝缘层上的透明栅极电极；第一电荷传输通路，根据由光向上述光电转换层的入射引起的上述光电转换层的介电常数的变化，传输与在上述第一杂质区域和上述第二杂质区域之间产生的电流对应的信号电荷；第二电荷传输通路，从上述第一电荷传输通路的中途分支；第一电荷储存部，储存上述信号电荷中的经由上述第二电荷传输通路传输的电荷；第一栅极，该第一栅极切换经由上述第二电荷传输通路的电荷的传输和切断。
总体或具体方案可以通过元件、器件、系统、集成电路或方法实现。另外，总体或具体方案也可以通过任意组合元件、器件、装置、系统、集成电路和方法来实现。
所公开的实施方式的追加效果和优点可以通过说明书和附图来明确。效果和/或优点是由说明书和附图所公开的各个实施方式或特征独立带来的，为了得到它们中的一个以上并不需要所有实施方式或特征。
发明的效果
根据本申请的一个方案，提供具有新颖构成的光检测装置。
附图说明
图1是示出本申请的第一实施方式的光检测装置的示意性的平面图。
图2是图1所示的a-a’线剖视图。
图3是图1所示的b-b’线剖视图。
图4是示出具有覆盖透明栅极电极112以外的部分的遮光膜300的构成的例子的平面图。
图5是示出入射到光检测装置100a的光的强度i的时间变化的一例的图。
图6是一起示出光检测装置100a的电荷传输结构120a的平面图，和某一时刻的、第一电荷传输通路ch1内的信号电荷的分布的一例和半导体基板200内的电位的一例的图。
图7是示意性地示出具有多个光电转换结构110a及电荷传输结构120a的组的摄像装置的电路构成的一例的图。
图8是将本申请的第二实施方式的光检测装置的电荷传输结构取出并示意性地示出的平面图。
图9是一起示出电荷传输结构120b的平面图和某一时刻的、第一电荷传输通路ch1内的信号电荷的分布的一例的图。
图10是示出电荷传输结构的变形例的俯视示意图。
图11是示出本申请的第三实施方式的光检测装置的剖视示意图。
图12是示出由含有萘酞菁锡的材料形成的光电转换层中的吸收光谱的一例的图。
图13是示出光电转换层74的构成的一例的剖视示意图。
图14是示出光电转换层74中的光电流特性的典型例的曲线图。
图15是示出本申请的光检测装置的另一个变形例的剖视示意图。
符号说明
11第一电压线；12第二电压线；23第三电压线；24第四电压线；25第五电压线；26、26a～26d栅极控制线；28、28a～28d读取线；32电源线；36垂直信号线；42信号检测晶体管；44寻址晶体管；46复位晶体管；51、52电压供给电路；60场效应晶体管；64栅极绝缘层；66栅极电极；68连接部；72上部电极；74光电转换层；76下部电极；78绝缘层；100摄像装置；100a～100d光检测装置；110a～110c光电转换结构；112透明栅极电极；114栅极绝缘层；114p光电转换层；114s绝缘层；120a～120c电荷传输结构；124s、126s绝缘层；200半导体基板；212、214、222杂质区域；300遮光膜；ch1第一电荷传输通路；ch2第二电荷传输通路；fd、fda～fdd电荷储存部；gt栅极；px像素；sc信号检测电路；tc控制电极；tx、txa～txd传输栅极电极
具体实施方式
本申请的一个方案的概要如下所述。
[项目1]
一种光检测装置，其具备：
半导体基板，包含第一杂质区域和第二杂质区域；
栅极绝缘层，位于被上述半导体基板的上述第一杂质区域与上述第二杂质区域所夹持的区域上，并且包含光电转换层；
上述栅极绝缘层上的透明栅极电极；
第一电荷传输通路，根据由光向上述光电转换层的入射引起的上述光电转换层的介电常数的变化，传输与在上述第一杂质区域和上述第二杂质区域之间产生的电流对应的信号电荷；
第二电荷传输通路，从上述第一电荷传输通路的中途分支；
第一电荷储存部，储存上述信号电荷中的经由上述第二电荷传输通路传输的电荷；以及
第一栅极，切换经由上述第二电荷传输通路的电荷的传输和切断。
根据项目1的构成，通过在电荷储存部传输对应于在规定的期间照射的光的量的电荷，读取保持在电荷储存部中的电荷，由此能够实现以所期望的时间窗口的光检测。
[项目2]
根据项目1所述的光检测装置，栅极绝缘层包含光电转换层与半导体基板之间的绝缘层。
根据项目2的构成，能够抑制光电转换层与半导体基板之间的电荷的交换。
[项目3]
根据项目1或2所述的光检测装置，在透明栅极电极与半导体基板之间具备遮光膜。
根据项目3的构成，能够抑制杂散光射入半导体基板内的杂质区域、沟道，因而能够抑制由杂散光的入射引起的噪声(noise)的混入。
[项目4]
根据项目1～3中任一项所述的光检测装置，光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，在第一电压范围，随着逆向的偏压增大而输出电流密度的绝对值增大，在第二电压范围，随着正向的偏压增大而输出电流密度增大，第三电压范围在第一电压范围与第二电压范围之间，并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比所述第一电压范围和所述第二电压范围小。
[项目5]
根据项目4所述的光检测装置，还具备第一电压供给电路，该第一电压供给电路对透明栅极电极供给以第一杂质区域的电压为基准时处于第三电压范围内的电压，
在第一杂质区域和透明栅极电极之间的电位差维持为第三电压范围内的状态下，在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生与光电转换层的介电常数变化相对应的电流。
根据项目5的构成，由于不伴随从光电转换层的电荷的排出或向光电转换层的电荷的流入，所以例如在图像传感器中的应用时，能够抑制噪声、余像等的发生。
[项目6]
根据项目4所述的光检测装置，还具备第一电压供给电路，该第一电压供给电路以对光电转换层施加第三电压范围内的偏压的方式，对透明栅极电极施加电压，
在施加于光电转换层的偏压被维持为第三电压范围内的状态下，在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生与光电转换层的介电常数变化相对应的电流。
[项目7]
根据项目1～6中任一项所述的光检测装置，具有第二电压供给电路，
半导体基板包含第三杂质区域，
第一电荷传输通路的一端与第二杂质区域连接，第一电荷传输通路的另一端与第三杂质区域连接，
第二电压供给电路对第三杂质区域供给与第一杂质区域的电压不同的电压。
[项目8]
一种光检测装置，其具备：
半导体基板，包含第一杂质区域和第二杂质区域；
栅极绝缘层，位于被半导体基板的第一杂质区域和第二杂质区域所夹持的区域上；
栅极绝缘层上的栅极电极；
第一电极，与栅极电极电连接；
透光性的第二电极，与第一电极对置；
光电转换层，配置在第一电极与第二电极之间；
第一电荷传输通路，根据由光向光电转换层的入射引起的第一电极和第二电极之间的介电常数的变化，传输与在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生的电流对应的信号电荷；
第二电荷传输通路，从第一电荷传输通路的中途分支；
第一电荷储存部，储存信号电荷中的经由第二电荷传输通路传输的电荷；以及
第一栅极，切换经由第二电荷传输通路的电荷的传输和切断。
根据项目8的构成，通过在电荷储存部传输对应于在规定的期间照射的光的量的电荷，读取保持在电荷储存部中的电荷，由此能够实现以所期望的时间窗口的光检测。
[项目9]
根据项目8所述的光检测装置，光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，在第一电压范围，随着逆向的偏压的增大而输出电流密度的绝对值增大，在第二电压范围，随着正向的偏压的增大而输出电流密度增大，该第三电压范围在第一电压范围与第二电压范围之间，并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比第一电压范围和第二电压范围小。
[项目10]
根据项目8或9所述的光检测装置，还具备第一电极与光电转换层之间的第一绝缘层、以及光电转换层与第二电极之间的第二绝缘层的至少一方。
根据项目10的构成，能够在光电转换层的两主面之间施加更大的电位差。
[项目11]
根据项目9或10所述的光检测装置，还具备电压供给电路，对第二电极供给以第一杂质区域的电位为基准时处于第一电压范围内的电压，
光电转换结构以第一杂质区域和第二电极之间的电位差被维持在第一电压范围内的状态下，在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生与第一电极和第二电极之间的介电常数的变化相对应的电流。
[项目12]
根据项目9或10所述的光检测装置，还具备电压供给电路，该电压供给电路对第二电极供给以第一杂质区域的电位为基准时处于第三电压范围内的电压，
光电转换结构以第一杂质区域和第二电极之间的电位差被维持在第三电压范围内的状态下，在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生与第一电极和第二电极之间的介电常数的变化相对应的电流。
根据项目12的构成，由于没有伴随电荷从光电转换层的的排出或电荷向光电转换层的流入，所以例如在图像传感器中的应用中，能够抑制噪声、余像等的发生。
[项目13]
根据项目9或10所述的光检测装置，还具备第一电压供给电路，
第一电压供给电路以对光电转换层施加第三电压范围内的偏压的方式对第二电极施加电压，
施加于光电转换层的偏压被维持在第三电压范围内的状态下，在第一杂质区域和第二杂质区域之间产生与光电转换层的介电常数的变化相对应的电流。
[项目14]
根据项目8～13中任一项所述的光检测装置，第一电极具有遮光性。
根据项目14的构成，能够抑制杂散光向半导体基板内的杂质区域、沟道的入射，能够抑制由杂散光的入射造成的噪声的混入。
[项目15]
根据项目8～14中任一项所述的光检测装置，还具备连接部，该连接部将栅极电极与第一电极连接。
根据项目15的构成，与电荷传输结构的侧方配置光电转换层的构成相比，容易得到更大的开口率。
[项目16]
根据项目1～15中任一项所述的光检测装置，还具备：第三电荷传输通路，从第一电荷传输通路的中途分支；以及
第二电荷储存部，储存信号电荷中的经由第二电荷传输通路所传输的电荷。
根据项目16的构成，能够对应于第一电荷传输通路中的移动距离，将电荷分配在各个电荷储存部。
[项目17]
根据项目16所述的光检测装置，还具备第二栅极，切换经由第三电荷传输通路的电荷的传输和切断，
其中，第一栅极和第二栅极互相独立地切换电荷的传输和切断。
根据项目17的构成，能够独立地控制电荷向多个电荷储存部各自的传输。
[项目18]
根据项目8～17中任一项所述的光检测装置，还具备第二电压供给电路，
半导体基板包含第三杂质区域，
第一电荷传输通路的一端与第二杂质区域连接，第一电荷传输通路的另一端与第三杂质区域连接，
第二电压供给电路对第三杂质区域供给与第一杂质区域的电压不同的电压。
下面，参照附图对本申请的实施方式进行详细说明。此外，以下要说明的实施方式均示出总体或具体例子。以下实施方式所示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置和连接形态、步骤、步骤的顺序等仅是一个例子，主旨并不是限定本申请。只要不产生矛盾，则本说明书中所说明的各种方案能够相互组合。另外，就以下实施方式中的构成要素之中未记载于示出最上位概念的独立权利要求的构成要素来说，其作为任选构成要素来进行说明。在以下说明中，实质上具有相同作用的构成要素以通用的附图标记来表示，有时省略说明。
(第一实施方式)
图1～图3示出本申请的第一实施方式的光检测装置。图2示出图1所示的a-a’线截面。图3示出图1所示的b-b’线截面。为了参考，图1～图3中图示了示出互相正交的x方向、y方向以及z方向的箭头。在其他附图中，有时也图示示出x方向、y方向或z方向的箭头。此外，图1～图3仅仅是示意性地示出了构成光检测装置的各部的配置，这些附图所示的各部的尺寸未必忠实地反映现实器件中的尺寸。这在本申请的其它附图中也是同样的。
图1～图3所示的光检测装置100a具有光电转换结构110a和电荷传输结构120a。如图2示意性地所示，光电转换结构110a以及电荷传输结构120a为被半导体基板200支撑的结构。此外，本说明书中的“半导体基板”不限于其整体为半导体层的基板，也可以是在绝缘性的支撑体上设置有半导体层的基板等。以下，作为半导体基板200例示p型硅基板。
半导体基板200具有在其表面附近所形成的杂质区域212、214及222。如图2和图3示意性地所示，其中，上述的杂质区域212、214及222为n型区域。光电转换结构110a可以部分地包含这些杂质区域中的杂质区域212及214。
光电转换结构110a还具有透明栅极电极112和栅极绝缘层114。如图1和图2所示，透明栅极电极112和栅极绝缘层114在半导体基板200中，位于杂质区域212和214之间的区域上。
在利用光检测装置100a作为红外线检测装置的情况下，作为透明栅极电极112的材料，可使用对近红外线的透过率高、电阻值小的透明导电性氧化物(transparentconductingoxide(tco))。tco的例子为ito、izo、azo、fto、sno2、tio2、zno2等。作为透明栅极电极112，也可以使用au等的金属薄膜。本说明书中的“透明”是指透过要检测的波长范围的光的至少一部分的意思，并不需要遍及可见光的波长范围整体都透过光。
栅极绝缘层114在其一部分包含光电转换层114p，且位于透明栅极电极112与半导体基板200之间。在该例中，栅极绝缘层114还包含夹在光电转换层114p与半导体基板200之间的绝缘层114s。
如图1示意性地所示，在杂质区域212连接第一电压线11，在透明栅极电极112连接第二电压线12。第一电压线11和第二电压线12与未图示的电源连接。此外，为了避免复杂，在图2和图3中，省略了第一电压线11和第二电压线12的图示。这样，在本申请的附图中，有时省略布线等一部分的构成的图示。
光检测装置100a工作时，第一电压线11对杂质区域212供给规定的第一偏压vb1，第二电压线12对透明栅极电极112供给规定的第二偏压vb2。第二偏压vb2典型地为第一偏压vb1附近的大小的电压。第一偏压vb1可以为电源电压。
光电转换结构110a通过照射光，在杂质区域212与杂质区域214之间产生与所照射的光的量相应的电荷的移动。换而言之，光电转换结构110a构成为，作为表示照射到光检测装置100a的光的随时间的变化的信号，能够生成与所照射的光的量相应的电流。光电转换结构110a的结构以及工作原理的详细情况会后述。
电荷传输结构120a在与光电转换结构110a之间具有电连接。在图1～图3所例示的构成中，电荷传输结构120a经由杂质区域214与光电转换结构110a电连接。在电荷传输结构120a与光电转换结构110a之间也可以共用杂质区域214。
电荷传输结构120a具有构成为能够暂时保持电荷的至少1个电荷储存部fd。如图3示意性地所示，在该例子中，电荷储存部fd在半导体基板200以n型的杂质区域的形式形成。此外，杂质区域212、214及222以及电荷储存部fd各自中的杂质浓度不需要通用，可以适当调整。如后面详细说明的那样，电荷传输结构120a根据光电转换结构110a产生的电流，将与在规定的期间所照射的光的量对应的电荷选择地提取到电荷储存部fd。将与在规定的期间照射的光的量对应的电荷传输到电荷储存部fd，读取电荷储存部fd所保持的电荷，从而能够在所期望的时间窗口进行光检测。
在图1～图3中例示的构成中，电荷传输结构120a包含杂质区域222。在该例子中，杂质区域222沿着x方向从杂质区域214隔开间隔设置。在杂质区域222连接着具有与未图示的电源的连接的第三电压线23。光检测装置100a工作时，杂质区域222的电位通过经由第三电压线23接受规定的基准电压vdr的供给而被固定。
电荷传输结构120a包含配置在半导体基板200中的杂质区域214和杂质区域222之间的区域上的绝缘层124s和控制电极tc的层积结构。控制电极tc位于配置在半导体基板200上的绝缘层124s上。控制电极tc典型地由通过掺杂杂质而赋予了导电性的多晶硅形成。绝缘层124s例如为二氧化硅层。此外，光电转换结构110a中的绝缘层114s以及电荷传输结构120a中的绝缘层124s可以为同层的结构。换而言之，光电转换结构110a中的绝缘层114s可以是与电荷传输结构120a中的绝缘层124s具有相同厚度的二氧化硅层。作为绝缘层114s和/或绝缘层124s，可以应用在硅半导体中通常所使用的硅酸氮化膜，也可以应用hfo2膜等的high-k膜。这些绝缘层的厚度根据其材料适当设定即可。
控制电极tc构成为，通过接受适当的电压的施加，能够在半导体基板200中的杂质区域214与杂质区域222之间的区域形成反转层。其中，在控制电极tc中的杂质区域214侧的端部的附近连接着具有与未图示的电源的连接的第四电压线24，在控制电极tc中的杂质区域222侧的端部的附近连接着具有与未图示的电源的连接的第五电压线25。光检测装置100a工作时，第四电压线24对控制电极tc供给第一控制电压vc1，第五电压线25对控制电极tc供给第二控制电压vc2。即，在该例子中，控制电极tc构成为，能够对杂质区域212侧的端部和杂质区域222侧的端部分别施加第一控制电压vc1和第二控制电压vc2。此外，第四电压线24以及第五电压线25并不需要与共通的电源连接。在第四电压线24以及第五电压线25独立地连接不同电源也没有关系。
通过经由第四电压线24及第五电压线25适当地控制控制电极tc的电位，能够在半导体基板200中的位于控制电极tc的下方的部分形成反转层。通过控制电极tc的电位的控制，以连接杂质区域214和杂质区域222的方式在半导体基板200内形成的反转层例如能够作为使电荷从杂质区域222朝向杂质区域214传输的沟道起作用。以下将负责杂质区域222与杂质区域214之间的电荷的传输的沟道称为第一电荷传输通路ch1。电荷传输结构120a在其一部分具有该第一电荷传输通路ch1。
杂质区域222以及杂质区域214规定第一电荷传输通路ch1的一端以及另一端的位置。在该例子中，与杂质区域222和杂质区域214在图中的x方向隔开间隔配置相对应地，控制电极tc沿x方向从杂质区域214的位置以直线状延伸到杂质区域222的位置。在图1和图2所示的例子中，第一电荷传输通路ch1为直线状，但第一电荷传输通路ch1的形状不限于该例。第一电荷传输通路ch1可以包含例如弯曲和/或曲线部分。另外，杂质区域212、杂质区域222及杂质区域214不需要以直线状配置。
作为第一控制电压vc1以及第二控制电压vc2，选择能够在半导体基板200中的杂质区域214与杂质区域222之间的区域，形成成为电荷的移动通路的反转层的程度的大小的电压。作为第一控制电压vc1以及第二控制电压vc2，典型而言，选择第一偏压vb1和施加在第三电压线23的基准电压vdr之间的电压。
电荷传输结构120a具有从第一电荷传输通路ch1的中途分支的至少1个第二电荷传输通路ch2。如图3示意性地所示，在该例子中，电荷传输结构120a除了第一电荷传输通路ch1，还具有第二电荷传输通路ch2，该第二电荷传输通路ch2将第一电荷传输通路ch1和从第一电荷传输通路ch1沿着y方向隔开间隔所形成的电荷储存部fd连结。
参照图1和图3可知，在该例子中，电荷传输结构120a具有位于第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的传输栅极电极tx。如图3示意性地所示，传输栅极电极tx位于配置在半导体基板200上的绝缘层126s上。绝缘层126s可以为与绝缘层114s和/或绝缘层124s同层的结构。传输栅极电极tx例如由铝、铜等金属、金属氮化物或多晶硅形成，可以是与控制电极tc同层的结构。
如图1所示，在传输栅极电极tx连接着具有与后述的电压供给电路的连接的栅极控制线26。通过经由栅极控制线26从电压供给电路供给的栅极控制电压vt，控制传输栅极电极tx的电位。通过将供给到例如传输栅极电极tx的栅极控制电压vt设为高电平，能够在半导体基板200中的位于传输栅极电极tx的下方的部分形成反转层。形成于传输栅极电极tx的下方的反转层能够作为用于将电荷从第一电荷传输通路ch1传输到电荷储存部fd的沟道起作用。通过在第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间形成沟道，能够将在第一电荷传输通路ch1中移动的电荷的至少一部分向电荷储存部fd传输。其中，第二电荷传输通路ch2可以说是负责第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的电荷的传输的沟道。
如果将供给到传输栅极电极tx的栅极控制电压vt设为低电平，则电荷从第一电荷传输通路ch1向电荷储存部fd的传输被停止。在该例子中，半导体基板200中，第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的区域以及该区域上的绝缘层126s以及传输栅极电极tx构成对经由第二电荷传输通路ch2的向电荷储存部fd的电荷的传输和切断进行切换的栅极gt。由于利用栅极控制电压vt控制栅极gt的开关，所以在该例子中，可以说第二电荷传输通路ch2的开关被电控制。
电荷储存部fd具有暂时储存经由第二电荷传输通路ch2从第一电荷传输通路ch1传输的电荷的功能。如图1所示，电荷储存部fd具有与读取线28的连接。读取线28与包含信号检测晶体管等的未图示的信号检测电路连接。通过信号检测电路，读取与储存于电荷储存部fd的电荷的量相应的信号。
虽然在图1～图3中省略了图示，但光检测装置100a如图4所示，在透明栅极电极112侧可以具有覆盖透明栅极电极112以外的部分的遮光膜300。此时，光检测装置100a的透明栅极电极112侧的面中，透明栅极电极112所处的部分相当于光检测装置100a中的受光部。当然，从半导体基板200的法线方向观察时的透明栅极电极112的形状为任意。
遮光膜300例如设置为半导体基板200与透明栅极电极112之间的电平。遮光膜300可以是以覆盖杂质区域212、214及222以及电荷储存部fd的方式形成在半导体基板200上的层间绝缘层上的结构。也可以利用比半导体基板200设置得更靠上层的布线层构成遮光膜300。控制电极tc以及传输栅极电极tx也可以构成遮光膜300的一部分。通过由遮光膜300覆盖接受光的入射的面中的除去透明栅极电极112以外的部分，能够抑制杂散光向半导体基板200所形成的杂质区域、以及例如控制电极tc的下方的区域所形成的沟道等的入射。通过抑制杂散光向半导体基板200内的杂质区域、沟道的入射，能够抑制噪声的混入。此外，透过透明栅极电极112的光中，朝向光电转换层114行进的光的绝大部分能够被光电转换层114p吸收。
(光检测动作)
以下，说明光检测装置100a中的动作的典型例。
为了简化，首先，假设没有对光检测装置100a照射光的状态。检测光时，对光电转换结构110a的杂质区域212施加第一偏压vb1。第一电压线11向杂质区域212供给例如3.3v的电压作为第一偏压vb1。另外，对光电转换结构110a的透明栅极电极112施加第二偏压vb2。第二电压线12向透明栅极电极112供给以杂质区域212的电位为基准时处于规定的范围内的电压作为第二偏压vb2。其中，作为第二偏压vb2，施加与第一偏压vb1几乎相等的电压。
着眼于电荷传输结构120a。在检测光时，对杂质区域222施加基准电压vdr。作为基准电压vdr，这里使用比第一偏压vb1低的电压。经由第三电压线23对杂质区域222施加例如0v的电压。对传输栅极电极tx从栅极控制线26供给低电平的栅极控制电压vt，预先使栅极gt为关的状态。
接着，设为在对光电转换结构110a的杂质区域212和透明栅极电极112、以及电荷传输结构120a的杂质区域222和传输栅极电极tx分别施加规定的电压的状态下，对光检测装置100a照射光。所照射的光中，通过了透明栅极电极112的光射入光电转换层114p。
如果光射入光电转换层114p，则在光电转换层114p的内部产生正和负的电荷对。正和负的电荷对在典型例中为空穴-电子对。此时，通过对透明栅极电极112供给以杂质区域212的电位为基准处于适当范围内的第二偏压vb2，能够实现不产生从光电转换层114p向外部流出电荷以及从外部向光电转换层114p流入电荷的状态。此处，作为第一偏压vb1选择3.3v的电压，作为第二偏压vb2选择3.3v附近的电压。因此，能够实现施加于光电转换层114p的半导体基板200侧的主面与光电转换层114p的透明栅极电极112侧的主面之间的电位差基本为0v那样的状态。在这样的状态中，从光电转换层114p向透明栅极电极112的电荷的移动以及从透明栅极电极112的向光电转换层114p的电荷的移动被抑制。此外，在该例子中，由于在光电转换层114p与半导体基板200之间隔着绝缘层114s，所以没有光电转换层114p与半导体基板200之间的电荷的交换。
如果在施加于光电转换层114p的两主面之间的偏压被适当地调整的状态、例如偏压为0v附近那样的状态下对光电转换层114p射入光，则由光电转换生成的各电荷对中的偶极矩基本上统一为相同方向的状态。其中，着眼于光电转换层114p以及透明栅极电极112的界面附近。当将施加了规定的偏压并处于照射了光的状态下的光电转换层114p内的电场的大小设定为e时，根据高斯定律，成立e＝((σf－σp)/ε0)和e＝(σf/ε)。上述式中，σf表示透明栅极电极112中的电荷密度，σp为通过极化在光电转换层114p中产生于与透明栅极电极112相对置的表面的电荷的密度。ε0和ε分别为真空的介电常数和光电转换层114p的介电常数。由e＝((σf－σp)/ε0)和e＝(σf/ε)可以得到ε＝ε0(σf/(σf－σp))，可知通过有助于极化的电荷、例如空穴-电子对的增加使得光电转换层114p的介电常数增大。即，通过由向光电转换层114p的光的照射，有助于极化的电荷增加，光电转换层114p的介电常数增大，作为结果，栅极绝缘层114整体的介电常数增大。
由图2可知，光电转换结构110a除了栅极绝缘层114包括光电转换层114p的点以外，具有类似于场效应晶体管的结构。如果将光电转换结构110a比作场效应晶体管，则能够使杂质区域212对应于场效应晶体管的源极区域和漏极区域的一者，能够使杂质区域214对应于源极区域和漏极区域的另一者。
如果在场效应晶体管中，栅极绝缘层的介电常数增大，则阈值电压降低。或者，也可以称为有效栅极电压增大。由此，在光电转换结构110a中，通过光的入射，表现出光电转换层114p的介电常数增大，伴随栅极绝缘层114整体的介电常数的增大，在场效应晶体管中，产生与阈值电压降低时同样的效果，在杂质区域212和214之间形成沟道。
关注杂质区域214的电位。通过供给第一偏压vb1，杂质区域212的电位被设为3.3v，相对于此，杂质区域214的电位为浮动电位。其中，经由第四电压线24和第五电压线25，对控制电极tc分别施加第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，半导体基板200中，在位于控制电极tc的下方的部分形成反转层。例如，作为第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，对控制电极tc施加1.5v的电压。通过反转层的形成，在半导体基板200内形成连接杂质区域214与杂质区域222的沟道。
如果在杂质区域222与杂质区域214之间以及杂质区域214与杂质区域212之间，形成电荷能够移动的沟道，则光电转换结构110a的杂质区域212和电荷传输结构120a的杂质区域222成为互相电连接的状态。如上所述，其中，对杂质区域222施加以比施加到光电转换结构110a的杂质区域212的3.3v的电压低的0v的电压作为基准电压vdr。因此，通过这些沟道的形成，作为整体，产生从杂质区域222向杂质区域212的电子的流动。换而言之，产生从杂质区域212流向杂质区域222的电流。
此时，在光电转换结构110a的杂质区域212与杂质区域214之间流动的电流的大小依赖于将光电转换结构110a视为场效应晶体管时的阈值电压的降低的程度、即光电转换层114p的介电常数的增大的程度。换而言之，对应于射入光电转换层114p的光的量的电流在光电转换结构110a的杂质区域212与杂质区域214之间产生。因此，杂质区域214的电位根据射入光电转换层114p的光的量，在3.3v～0v之间变化。照度越高，则杂质区域214的电位越上升。
这样，杂质区域214的电位根据射入光电转换层114p的光的量变化，因此，杂质区域214与杂质区域222之间的电位差也显示对应于射入光电转换层114p的光的量的变化。作为结果，在杂质区域214和杂质区域222之间，产生对应于射入光电转换层114p的光的量的电荷的移动。以下，有时为了方便将经由第一电荷传输通路ch1在杂质区域222和杂质区域214之间移动的电荷称为“信号电荷”。在该例子中，在第一电荷传输通路ch1中从杂质区域222向杂质区域214移动的电子是信号电荷。
通过例如以电压或电流的变化的形式检测由光的照射而在杂质区域212与杂质区域222之间产生的电荷的移动，能够检测光。只是，在本申请的典型的实施方式中，进一步将在第一电荷传输通路ch1中从杂质区域222向杂质区域214传输的信号电荷的至少一部分经由第二电荷传输通路ch2暂时提取到电荷储存部fd，读取传输到电荷储存部fd的电荷。将在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷的至少一部分传输到电荷储存部fd后，读取所传输的电荷，由此能够以所期望的时间窗口进行检测。以下，说明该点。
图5表示射入光检测装置100a的光的强度i的时间变化的一例。图5中，横轴表示时间t，箭头ex示意性地表示对光电转换结构110a的曝光期间。图6一起表示了光检测装置100a的电荷传输结构120a的平面图、以及某一时刻的第一电荷传输通路ch1内的信号电荷的分布的一例和半导体基板200内的电位的一例。图6中的上侧所示的曲线图的纵轴表示电荷量c。
在图6中，第一电荷传输通路ch1用沿x方向延伸的粗的虚线箭头图示。另外，图6中，第二电荷传输通路ch2用沿y方向延伸的粗的虚线箭头图示。在其他附图中，也用粗的虚线箭头，图示第一电荷传输通路ch1或第二电荷传输通路ch2。
在图6中的右侧，表示半导体基板200内的沿y方向的电位的变化的一例。曲线图中的白圈sc示意性地表示作为信号电荷的电子。曲线图中的实线表示施加了基准电压vdr、第一控制电压vc1和第二控制电压vc2的状态下，半导体基板200内的沿y方向的电位的变化。
另外，在图6中的下侧，表示在施加了基准电压vdr、第一控制电压vc1和第二控制电压vc2的状态下，半导体基板200内的沿x方向的电位的变化的一例。其中，为了能够更为直观地理解，说明作为第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，应用满足vdr＜vc2＜vc1的关系的电压的例子。如这里所说明的例子那样，作为第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，也可以使用大小互不相同的电压。只要是能够形成连接杂质区域222与杂质区域214的沟道、能够将信号电荷从杂质区域222和杂质区域214的一者传输到另一者的电压，就能够作为第一控制电压vc1和第二控制电压vc2应用。
相对于杂质区域222的电位被固定为0v，如上所述，杂质区域214的电位在3.3v～0v之间。如果着眼于沿着x方向的作为信号电荷的电子的能量的变化，则在该例子中，电子的能量在杂质区域222附近最高，随着靠近杂质区域214而降低。因此，在施加了基准电压vdr、第一控制电压vc1和第二控制电压vc2的状态下，作为信号电荷的电子从杂质区域222向杂质区域214在第一电荷传输通路ch1中移动。到达了杂质区域214的电子经由通过光的照射在光电转换结构110a的杂质区域214与杂质区域212之间所形成沟道，从杂质区域212被排出到第一电压线11。
其中，射入光检测装置100a的光的强度i表示如图5所示的时间变化。此时，光电转换结构110a中的光电转换层114p的介电常数也对应于射入光检测装置100a的光的强度i的时间的变化而变化。因此，在光电转换结构110a中，产生与场效应晶体管的有效栅极电压随时间变化时同样的效果，在杂质区域214与杂质区域212之间的沟道流通的电流追随射入光检测装置100a的光的强度i的变化而时间性地变化。换而言之，在半导体基板200内从杂质区域214向杂质区域212移动的电荷量随着光的强度i的变化而时间性地变化。
如果在光电转换结构110a中从杂质区域214向杂质区域212移动的电荷量变化，则从杂质区域222流入第一电荷传输通路ch1、按照第一电荷传输通路ch1中的电位梯度在杂质区域214传输的电子的量，也表现出对应于入射光的强度i的时间的变化的变化。因此，通过第一电荷传输通路ch1的某个地点的信号电荷的量对应于入射光的强度i的时间变化而时间性地变化。换言之，在形成连接杂质区域222与杂质区域214的沟道后经过一定时间时的第一电荷传输通路ch1中的信号电荷的量，如在图6中上侧示意性地所示，表现出对应于入射光的强度i的时间变化的分布。这是由于整体观察时，在某一时刻流入第一电荷传输通路ch1的信号电荷的第一电荷传输通路ch1中的移动距离比在该时刻之后的时刻流入第一电荷传输通路ch1的信号电荷的移动距离大的缘故。
因此，在曝光开始后的某个时刻，第一电荷传输通路ch1中的信号电荷的量例如表示图6中在上侧示意性地表示的曲线图那样的分布。此处，在时刻td，将对传输栅极电极tx施加的栅极控制电压vt设为高电平。通过使栅极控制电压vt为高电平，如图6的右侧的曲线图中由虚线所示，第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的势垒降低，第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的栅极gt成为开的状态。
如果使栅极gt为开，则在第一电荷传输通路ch1中行进的信号电荷中，在y方向上与传输栅极电极tx重叠的区域rg附近行进的信号电荷经由第二电荷传输通路ch2选择性地被传输到电荷储存部fd。然后，从时刻td，例如，在经过图5所示的时间ts后，使栅极控制电压vt为低电平，将栅极gt设为关闭。通过关闭栅极gt，信号电荷向电荷储存部fd的传输结束。
这样，在第一电荷传输通路ch1的中途配置电荷储存部fd，控制第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fd之间的栅极gt的开和关，由此，将在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷的一部分选择性地引到电荷储存部fd。如图1和图6中示意性地所示，第一电荷传输通路ch1中的信号电荷中，传输到电荷储存部fd的电荷量依赖于从杂质区域222的端部到电荷储存部fd的沿x方向的距离ld和电荷储存部fd的宽度lw。在电荷储存部fd传输和储存的电荷量相当于从时刻td到时刻(td+ts)之间从杂质区域222流入第一电荷传输通路ch1的电荷量。即，在电荷储存部fd传输和储存的电荷量具有在图5中由箭头ex表示的、对于光电转换结构110a的曝光期间整体中，相当于在上述时间ts射入光电转换层114p的光的量的信息。因此，如果进行在电荷储存部fd所储存的电荷的读取，则以时刻td为起点的、相当于时间ts的以时间窗口tw的检测实现。这样，根据光检测装置100a，能够实现以所期望的时间窗口的光检测。
在具有光电二极管的现有的摄像元件中，例如采用如下方式：将由光电二极管生成的电荷全部浮动扩散地传输，读取所传输的电荷。相对于此，在光检测装置100a的上述的例示的动作中，将在第一电荷传输通路ch1中从杂质区域222向杂质区域214移动中的信号电荷的一部分取出并储存于电荷储存部fd。因此，与全部浮动扩散地传输由光电二极管所生成的信号电荷的现有的方式比较，能够实现更加高速的检测。在本申请的实施方式中，以往需要的用于光电二极管的复位的期间实质为0，另外，由于用于信号电荷的储存的期间不是曝光期间整体而是其一部分，所以能够实现更加高速的工作。
另外，在本申请的实施方式中，例如使用栅极控制电压vt，电控制栅极gt的开和关。通过控制栅极gt的开和关的定时，能够将在第一电荷传输通路ch1中向杂质区域214移动的信号电荷的一部分在任意的开始时刻和期间取出，储存于电荷储存部fd。即，容易以所期望的时间窗口对信号电荷的一部分采样。检测的时间窗口例如能够通过图1所示的、从杂质区域222到电荷储存部fd或传输栅极电极tx的、沿第一电荷传输通路ch1的方向的距离ld、电荷储存部fd或传输栅极电极tx的沿第一电荷传输通路ch1的方向的长度lw、将栅极gt设为开的时间等来调整。
在上述的动作例中，对控制电极tc的两端施加互不相同的电压。然而，作为第一控制电压vc1和第二控制电压vc2使用互不相同的电压对于上述的工作并不是必须。在利用电子作为信号电荷的情况下，如果杂质区域214的电位比杂质区域222的电位高，则电子能够从杂质区域222向杂质区域214移动，因此也可以对控制电极tc的两端施加共通的电压。只是，通过对控制电极tc的两端独立地施加互不相同的电压，则能够经由控制电极tc下的绝缘层124s，控制第一电荷传输通路ch1的、杂质区域222-杂质区域214之间的电位梯度的大小。因此，能够电控制从杂质区域222向杂质区域214的信号电荷的传输速度。例如通过调整杂质区域222与杂质区域214之间的电位梯度，也能够在事后调整时间窗口的起点。另外，例如，在重复上述检测工作实行的情况下，可以在每次电荷储存部fd中储存的电荷的复位时，变更第一电荷传输通路ch1的电位梯度，将不同的传输速度的基础下的信号电荷取出到电荷储存部fd。作为施加到控制电极tc的第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，可以使用高电平和低电平这样的数字信号，也可以使用任意大小的模拟信号。
(摄像装置中的应用例)
图7示意性地表示用于说明光检测装置100a在摄像装置中的应用例的的例示性的电路构成。图7所示的摄像装置100具有多个上述的光电转换结构110a和电荷传输结构120a的组。此外，在图7中，为了避免附图变得过度复杂，光电转换结构110a用白色矩形示意性地表示。
图7所示的摄像装置100包含分别具有光电转换结构110a和电荷传输结构120a的多个像素px。相邻的2个像素px之间可以被形成于半导体基板200的元件分离区域而电分离。相邻的2个像素px的中心间的距离可以为例如2微米左右。这些像素px例如通过二维地排列，形成摄像区域。其中，摄像装置100具有配置为2行2列的矩阵状的4个像素px。像素px的数量和配置当然不限于图7中例示的构成，可以任意设定。
在图7所例示的构成中，摄像装置100具有垂直扫描电路53、列信号处理电路54、负荷电路56和水平信号读取电路58作为外围电路。进而，摄像装置100具有与各像素px的光电转换结构110a连接的电压供给电路51、和与各像素px的电荷传输结构120a连接的电压供给电路52。
如图7示意性地所示，电压供给电路51具有与连接于各像素px的光电转换结构110a的透明栅极电极112的第二电压线12的连接。为了避免附图复杂化，在图7中省略了图示，但电压供给电路51可以具有与连接于各像素px的光电转换结构110a的杂质区域212的第一电压线11的连接。
摄像装置100工作时，电压供给电路51作为各像素px的透明栅极电极112供给以杂质区域212的电位为基准时在规定的范围内的电压作为第二偏压vb2。例如，电压供给电路51经由第一电压线11对各像素px中的杂质区域212施加3.3v的电压作为第一偏压vb1，经由第二电压线12对各像素px中的透明栅极电极112施加3.3v附近的电压作为第二偏压vb2。如后所述，电压供给电路51作为第二偏压vb2对透明栅极电极112应当供给的电压的范围可以根据光电转换层114p的电流-电压特性确定。
在该例子中，连接于电荷传输结构120a的控制电极tc的第四电压线24和第五电压线25与电压供给电路52连接。电压供给电路52经由第四电压线24对控制电极tc供给第一控制电压vc1，经由第五电压线25对控制电极tc供给第二控制电压vc2。如参照图6所说明的那样，通过对控制电极tc供给的第一控制电压vc1和第二控制电压vc2，能够控制第一电荷传输通路ch1中电势的梯度。此外，在该例子中，电压供给电路52也可以具有与栅极控制线26的连接。即，在该例子中，电压供给电路52也具有对传输栅极电极tx供给经由第二电荷传输通路ch2的、用于控制从第一电荷传输通路ch1向电荷储存部fd的信号电荷的传输的开始和停止的栅极控制电压vt的功能。
电压供给电路52的构成不限于特定的电路构成。只要在规定的时刻供给规定的电压即可。同样地，电压供给电路51的构成也不限于特定的电路构成。电压供给电路51和电压供给电路52不限于特定的电源电路，可以为生产规定电压的电路，也可以为将从其他电源供给的电压转换成规定的电压的电路。电压供给电路51和电压供给电路52既可以作为独立的个别的电路在例如半导体基板200上实现，也可以电压供给电路51和电压供给电路52各自为单一电源电路的一部分。另外，电压供给电路51和电压供给电路52的一部分或全部为垂直扫描电路53的一部分也没有关系。第一偏压vb1、第二偏压vb2、第一控制电压vc1、第二控制电压vc2和栅极控制电压vt的至少1个可以从垂直扫描电路53供给到各像素px。
在图7中例示的构成中，像素px各自还具有包含信号检测晶体管42、寻址晶体管44和复位晶体管46的信号检测电路sc。信号检测晶体管42、寻址晶体管44和复位晶体管46典型地为形成于半导体基板200的场效应晶体管。以下例示信号检测晶体管42、寻址晶体管44和复位晶体管46为n沟道mos的构成。
如图所示，信号检测晶体管42的栅极与连接于电荷储存部fd的读取线28连接。信号检测晶体管42的漏极与对各像素px供给电源电压vdd的电源线32连接，源极经由寻址晶体管44与垂直信号线36连接。垂直信号线36在像素px的每列设置，连接于列信号处理电路54和负荷电路56。通过负荷电路56和信号检测晶体管42形成源极跟随电路，能够将对应于在电荷储存部fd所储存的电荷量的信号读取到垂直信号线36。列信号处理电路54进行以相关二重采样为代表的噪音抑压信号处理和模拟-数字转换等。水平信号读取电路58电连接于列信号处理电路54。水平信号读取电路58将信号从列信号处理电路54依次读取到水平共通信号线59。
连接于寻址晶体管44的栅极的寻址信号线38与垂直扫描电路53连接。通过对每个寻址信号线38送出用于控制寻址晶体管44的开和关的行选择信号，利用垂直扫描电路53扫描和选择读取对象的行。信号电压从所选择的行的像素px被读取到垂直信号线36。
如图所示，在该例子中，复位晶体管46连接于电荷储存部fd。复位晶体管46连接于供给规定的复位电压vrs的复位电压线34，并被设为开，由此将电荷储存部fd的电位复位。在该例子中，连接于复位晶体管46的栅极的复位信号线39与垂直扫描电路53连接。垂直扫描电路53经由复位信号线39对像素px供给复位信号，由此能够以行单位选择像素px进行电荷储存部fd的电位的复位。
光检测装置100a能够利用通常的半导体制造工艺制造。特别是在使用硅基板作为半导体基板200的情况下，能够利用各种硅半导体工艺制造光检测装置100a。本申请的光检测装置的光电转换结构具有类似于场效应晶体管的器件结构，因此在同一半导体基板形成其他晶体管和本申请的光检测装置也比较容易。
(第二实施方式)
图8示意性地表示本申请的第二实施方式的光检测装置的电荷传输结构的一例。图8所示的光检测装置100b在具有光电转换结构和电荷传输结构的方面与图1～图3所示的光检测装置100a共通。只是，光检测装置100b具有电荷传输结构120b来代替上述的电荷传输结构120a。在图8中，省略了光检测装置100b具有的光电转换结构110a的图示。图8所示的电荷传输结构120b与参照图6等说明的电荷传输结构120a之间的主要的不同点为，电荷传输结构120b具有沿第一电荷传输通路ch1配置的多个电荷储存部。
在图8中例示的构成中，x方向上的长度为lw的4个电荷储存部fda～fdd隔开间隔g沿x方向排列。电荷储存部的数量、各电荷储存部的沿第一电荷传输通路ch1的方向上的长度和相邻的2个电荷储存部的间隔不过为例示。例如，电荷传输结构120b具有的电荷储存部的数量不限于4个，多个电荷储存部之间，宽度或间隔也可以不同。
在图8中例示的构成中，在第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd之间配置有单一的传输栅极电极tx。在该例子中，传输栅极电极tx沿着x方向从电荷储存部fda的左端延伸至电荷储存部fdd的右端。即，此处，传输栅极电极tx的x方向上的长度为(4lw+3g)。
如后所述，通过将传输栅极电极tx的电位设为高电平，能够使第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd各自之间的栅极为开的状态。通过使第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd各自之间的栅极为开，能够将在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷分配到电荷储存部fda～fdd进行传输。即，电荷传输结构120b具有4个电荷储存部fda～fdd，与此相应，具有4个从第一电荷传输通路ch1向电荷储存部传输电荷的第二电荷传输通路ch2。
在电荷储存部fda～fdd分别连接有读取线28a～28d。各个读取线28a～28d分别能够被连接于信号检测电路。即，能够构成为分别独立地读取储存于电荷储存部fda～fdd的信号电荷。
(光检测装置100b的动作)
接着，一边参照图9，一边说明利用电荷传输结构120b的信号检测工作的一例。图9一并表示电荷传输结构120b的平面图、和某一时刻的第一电荷传输通路ch1内的信号电荷的分布的一例。
在检测光之前，将各个电荷储存部fda～fdd复位。例如，使分别连接于读取线28a～28d的信号检测电路中的复位晶体管46为开的状态后，使复位晶体管46为关的状态。在该时刻，第一控制电压vc1、第二控制电压vc2和栅极控制电压vt均为低电平。由于第一控制电压vc1和第二控制电压vc2为低电平，所以在控制电极tc的下方没有形成反转层。
接着，将第一控制电压vc1和第二控制电压vc2设为高电平。此处，与参照图6说明的例子同样，对第四电压线24和第五电压线25分别施加满足vdr＜vc2＜vc1的关系的第一控制电压vc1和第二控制电压vc2。由此，与参照图6说明的例子同样，在第一电荷传输通路ch1形成如在图6中在下侧所示的电位梯度。
在该状态下，如果对光电转换结构110a射入光，则与参照图6说明的例子同样，在光电转换结构110a的杂质区域212与杂质区域214之间，产生对应于光电转换层114p的介电常数的变化的电流。根据该电流的变化，杂质区域214的电位在杂质区域212的电位与杂质区域222的电位之间发生变化。其中，对杂质区域212施加作为3.3v的电压第一偏压vb1，对杂质区域222施加0v的电压作为基准电压vdr，因此杂质区域214的电位对应于照度在3.3v～0v之间变化。照度越高，则杂质区域214的电位越接近3.3v。
如果对光电转换结构110a照射光，则通过伴随光电转换层114p的介电常数的变化的杂质区域214的电位的变化，在第一电荷传输通路ch1中产生从低电位的杂质区域222向高电位的杂质区域214电子的流动。此时，通过第一控制电压vc1和第二控制电压vc2的调节来控制电位梯度的大小，能够调整向杂质区域214的电子的传输速度。
其中，假定表示如图5所示的时间变化的光射入光电转换结构110a的情况。如参照图5和图6已经说明的那样，如果射入光电转换结构110a的光的强度随时间变化，则通过第一电荷传输通路ch1的某一地点的作为信号电荷的电子的量表现出对应于入射光的强度的时间变化的时间性的变化。因此，从对光电转换结构110a光入射的开始经过某一时间时的第一电荷传输通路ch1中的信号电荷的量如图9中在上侧示意性地所示，表示对应于入射光的强度i的时间变化的分布。
例如，在时刻td，使施加于传输栅极电极tx的栅极控制电压vt为高电平。如果使栅极控制电压vt为高电平，则第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd各自之间的势垒降低，第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd各自之间的栅极成为开的状态。
如果栅极为开，则在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷经由第二电荷传输通路ch2传输到电荷储存部fda～fdd。此时，在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷被传输到电荷储存部fda～fdd的任一个。被传输到电荷储存部fda～fdd中的哪个电荷储存部随着关注的信号电荷的时刻td时间点的行进距离的不同而不同。例如在时刻td，在y方向上位于与电荷储存部fda重叠的区域rga附近的信号电荷被传输到电荷储存部fda，在y方向上位于与电荷储存部fdd重叠的区域rgd附近的信号电荷被传输到电荷储存部fdd。这样，通过沿着第一电荷传输通路ch1配置多个电荷储存部fda～fdd，在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷能够根据使栅极为开的时间点的移动距离而分配到分配电荷储存部fda～fdd。
如图9中在上侧示意性地所示，在某一时刻的第一电荷传输通路ch1中的信号电荷的量表示某一分布。因此，储存于电荷储存部fda～fdd的电荷量表示对应于其时刻的第一电荷传输通路ch1中的信号电荷的分布的分布。这意味着以图9中的上侧的曲线图中以虚线表示的时间窗口tw1～tw4将由光入射所生成的信号电荷进行时间分解而进行检测。
例如，电子通过施加了饱和速度为0.04微米/皮秒的强度的电场的长度4微米的电荷传输通路移动到电荷储存部，需要100皮秒。因此，在将作为信号电荷的电子经由长度为4微米的电荷传输通路直接传输到电荷储存部的构成中，仅信号电荷的传输也需要100皮秒。对此，如图8和图9所示，根据沿着电荷传输通路配置多个电荷储存部，将在电荷传输通路中移动的电子分配在多个电荷储存部的构成，能够提高时间分辨率。例如，如果沿着4微米的电荷传输通路配置4个电荷储存部，则即使是在相同的电场强度下，也能够实现约25皮秒的时间分辨率。
这样，在本申请的第二实施方式中，通过将在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷对应于信号电荷的移动距离分配到多个电荷储存部，由此不会受到饱和速度的限制，能够使检测的时间分辨率提高。如果将对应于第一电荷传输通路ch1中的移动距离将信号电荷分配于多个电荷储存部的如上述例子那样的构成应用于利用例如近红外光的成像，则能够得到测定对象的深度方向的信息。此时，重复光脉冲的入射、和参照图9说明的信号电荷的传输和储存的循环，累积各电荷储存部的电荷量，由此能够提高sn比。设置于用于对电荷储存部传输电荷的第二电荷传输通路ch2的栅极的“开”在每次光脉冲的照射时以规定的时刻实行即可。
此外，检测的时间窗口通过调整电荷储存部的沿第一电荷传输通路ch1的方向的长度、相连的2个电荷储存部的间隔也能够控制。例如，可以将电荷储存部各自的沿着第一电荷传输通路ch1的方向上的长度设为对应于希望时间分解的比率的比率。
在图8和图9所示的例子中，在多个电荷储存部fda～fdd共通配置1个传输栅极电极tx，相对于此，也可以如以下所说明的那样，以与多个电荷储存部fda～fdd分别对应的方式将多个栅极电极配置在半导体基板200上。
图10示意性地表示电荷传输结构的变形例。图10所示的电荷传输结构120c以与电荷储存部fda～fdd分别对应的方式，在第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdd之间配置有传输栅极电极txa～txd。如图所示，在传输栅极电极txa～txd分别连接有栅极控制线26a～26d，因此，传输栅极电极txa～txd各自构成为能够独立施加栅极控制电压vta～vtd。即，电荷传输结构120c具有与沿第一电荷传输通路ch1配置的电荷储存部相同数量的4个栅极。可以说这些栅极与4个第二电荷传输通路ch2分别对应设置。
在如图10中例示的构成中，例如，通过在某一时刻选择性地使栅极控制电压vtb和vtd为高电平，如图所示，能够进行使第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fdb和电荷储存部fdd之间的2个栅极选择性地为开的控制。通过使沿第一电荷传输通路ch1设置的多个栅极中的一部分选择性地开，例如能够将在第一电荷传输通路ch1中移动的信号电荷中位于在y方向上与电荷储存部fdc重叠的区域rgc附近的信号电荷向着电荷储存部fdb传输。根据这样的控制，能够在栅极处于开的状态的2个电荷储存部、即该例中电荷储存部fdb和电荷储存部fdd之间良好地分离信号电荷。
此外，在与多个电荷储存部对应而将多个传输栅极电极配置在像素内的构成中，也能够利用与作为信号电荷电子的供给源即杂质区域222最靠近的电荷储存部fdd作为漏极。例如，在图10中例示的构成中，或者某一刻以后，使栅极控制电压vtd为高电平，使第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fdd之间的栅极为开，则该时刻以后流入第一电荷传输通路ch1的信号电荷优先被传输到电荷储存部fdd。因此，如果使栅极控制电压vta～vtc为高电平、使第一电荷传输通路ch1与电荷储存部fda～fdc之间的栅极为开的时刻以后也使栅极控制电压vtd为高电平，则能够抑制多余的电荷向电荷储存部fda～fdc的混入。
这样，也可以与多个电荷储存部对应而将多个传输栅极电极配置在像素内，使在多个传输栅极电极之间施加高电平的栅极控制电压的时刻不同。根据这样的构成，能够独立控制电荷向多个电荷储存部各自的传输。此外，如果使多个传输栅极电极同时为高电平，则也能够进行与在多个电荷储存部共通设置单一的栅极电极的构成同样的检测工作。
(第三实施方式)
图11示意性地表示本申请的第三实施方式的光检测装置的截面。图11所示的光检测装置100c在具有光电转换结构和电荷传输结构的方面与图1～图3所示的光检测装置100a共通。其中，光检测装置100c具有光电转换结构110b代替光电转换结构110a。
图11所示的光电转换结构110b包含形成于半导体基板200的具有杂质区域212和杂质区域214的场效应晶体管60。杂质区域212在这里发挥作为场效应晶体管60的漏极区域的功能，杂质区域214发挥作为场效应晶体管60的源极区域的功能。如图11示意性地所示，场效应晶体管60包含半导体基板200中的、位于杂质区域212与杂质区域214之间的区域上的栅极绝缘层64、和栅极绝缘层64上的栅极电极66。栅极绝缘层64例如为硅热氧化膜。场效应晶体管60中的栅极绝缘层64和电荷传输结构120a中的绝缘层124s可以为同层的结构。另外，场效应晶体管60中的栅极电极66可以与电荷传输结构120a中的控制电极tc为同层的结构。
光电转换结构110b除了场效应晶体管60以外，还包含连接部68、以及上部电极72、光电转换层74和下部电极76的层积结构。上部电极72、光电转换层74和下部电极76的层积结构位于半导体基板200的上方。光电转换层74被上部电极72和下部电极76夹持。
在图11中例示的构成中，上部电极72、光电转换层74和下部电极76的层积结构被以覆盖半导体基板200的方式形成的层间绝缘层50所支撑。连接部68配置在层间绝缘层50内，将下部电极76和场效应晶体管60的栅极电极66互相电连接。
层间绝缘层50可以具有包含硅氧化膜等的多个绝缘层的层积结构。在该例子中，在层间绝缘层50中配置有多层布线40。此处，多层布线40包含3个布线层，中央的布线层包含第一电压线11、第三电压线23、第四电压线24和第五电压线25。当然不需要这些布线全部都配置在同层。层间绝缘层50中的绝缘层的层数和多层布线40中的布线层的层数不限于图11所示的例子。
着眼于层间绝缘层50上的结构。此处，上部电极72为透明电极，通过了上部电极72的光射入光电转换层74。上部电极72与光电转换结构110a中的透明栅极电极112同样，例如能够由tco形成。在图11所示的例子中，在上部电极72的与光电转换层74相反侧配置有微透镜79。在上部电极72和微透镜79之间还可以配置红外线透过滤波器等的滤光器、光电转换层74的保护层等。
如图11中示意性地所示，在上部电极72与光电转换结构110a中的透明栅极电极112同样地连接第二电压线12。光检测装置100c工作时，第一电压线11对杂质区域212供给规定的第一偏压vb1，相对于此，第二电压线12对上部电极72供给以杂质区域212的电位为基准时处于规定的范围内的第二偏压vb2。
光电转换层74可以与上述的光电转换结构110a中的光电转换层114p为基本相同的结构。光电转换层74的厚度例如为200nm左右。构成光电转换层74的材料等的详细内容后述。
下部电极76典型地为金属电极或金属氮化物电极。用于形成下部电极76的材料的例子为al、cu、ti、tin、ta、tan、mo、ru和pt。下部电极76可以由通过掺杂杂质赋予了导电性的多晶硅等形成。此处，作为下部电极76，使用tin电极。将下部电极76作为遮光性的电极形成例如有助于杂散光向抑制场效应晶体管60的沟道区域的入射、降低噪声。
连接于下部电极76的连接部68在其一部分包含多层布线40，具有将下部电极76电连接于场效应晶体管60的栅极电极66的功能。此外，多层布线40例如由铜等金属形成。也可以通过多层布线40中的布线层，形成遮光膜。
图11所示的光电转换结构110b与参照图1～图3说明的光电转换结构110a比较，在光电转换结构110a中的光电转换层114p与绝缘层114s之间，能够具有夹着包含下部电极76、连接部68和栅极电极66的导电结构的结构。或者，也能够将光电转换结构110b本身视为单一的场效应晶体管。在设为这样的角度时，光电转换结构110b可以说是具有：包含具有栅极绝缘层64作为电介质层的电容器和具有光电转换层74作为电介质层的电容器的串联的栅极的场效应晶体管。此时，可以说在之间具有包含下部电极76、连接部68和栅极电极66的导电结构的、栅极绝缘层64和光电转换层74的层积结构构成该场效应晶体管的栅极容量，上部电极72构成栅极电极。
光检测装置100c的光的检测原理与第一实施方式基本相同。通过对杂质区域212和上部电极72分别施加规定的第一偏压vb1和第二偏压vb2，在光电转换层74的两主面之间施加了规定的范围内的偏压的状态下，经由上部电极72对光电转换层74射入光。如果对光电转换层74射入光，则在光电转换层74内生成正和负的电荷对，光电转换层74的介电常数变化。换而言之，上部电极72与下部电极76之间的介电常数变化。此时，在光电转换层74与上部电极72之间、以及下部电极76与光电转换层74之间基本上没有电荷的交换。
如果将光电转换结构110b视为单一的场效应晶体管，则通过光电转换层74的介电常数变化，产生与该晶体管的栅极容量变化时同样的效果。伴随光电转换层74的介电常数的变化，场效应晶体管60的有效栅极电压变化，在杂质区域212与杂质区域214之间产生对应于光电转换层74的介电常数的变化的电流。换而言之，场效应晶体管60的漏极电流变化。通过漏极电流的变化，在电荷传输结构120a的第一电荷传输通路ch1中，产生对应于在杂质区域212与杂质区域214之间产生的电流的变化的从杂质区域222向杂质区域214的电子的流动。电荷传输结构120a使从杂质区域222向杂质区域214移动的电子的至少一部分以所期望的时刻经由第二电荷传输通路ch2传输到电荷储存部fd。通过利用合适信号检测电路读取传输到电荷储存部fd的电荷，实现以所期望的时间窗口的光检测。
根据第二实施方式，通过将位于光电转换层74的半导体基板200侧的下部电极76利用连接部68与半导体基板200上的场效应晶体管60的栅极电极66电连接，在覆盖半导体基板200的层间绝缘层50上配置光电转换层74。在这样的构成中，从半导体基板200的法线方向观察时，上部电极72和下部电极76能够重叠的区域相当于受光部。因此，与在电荷传输结构的侧方配置光电转换层的构成相比较，容易得到更大的开口率。另外，多层布线40中的各种布线的布局的自由度提高。
与参照图7说明的例子同样，能够将多个光检测装置100c例如二维地排列，利用它们的集合作为摄像装置。此时，作为像素px的光检测装置100c各自例如如图11所示在半导体基板200设置元件分离区域200t，由此从相邻的其他光检测装置100c被电分离。另外，各像素px中的下部电极76通过在与相邻的其他像素px中的下部电极76之间空间上分离，而从其他像素px中的下部电极76被电分离。
另一方面，光电转换层74和上部电极72也可以横跨多个像素px之间形成。通过在多个像素px之间以连续的单一的层的形式形成光电转换层74和/或上部电极72，能够避免制造工序的复杂化。如果将上部电极72遍及多个像素px之间以单一的电极的形式形成，则既能够避免布线的复杂化，又能够对多个像素px的上部电极72一并供给第二偏压vb2。
(光电转换层)
以下，详细说明光电转换层114p、74的构成的典型例。此处，以光电转换层74为例进行说明。
作为构成光电转换层74的材料，典型地使用半导体材料。光电转换层74受到光的照射而在内部生成正和负的电荷对。此处，作为构成光电转换层74的材料，使用有机半导体材料。光电转换层74例如包含由下述通式(1)所示的萘酞菁锡(以下有时简称为“萘酞菁锡”)。
通式(1)中，r1～r24独立地表示氢原子或取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以为氘原子、卤原子、烷基(包括环烷基、双环烷基、三环烷基)、烯基(包括环烯基、双环烯基)、基、芳基、杂环基(也可以称为杂环基团)、氰基、羟基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、硅烷氧基(silyloxygroup)、杂环氧基、酰氧基、氨基甲酰氧基、烷氧基羰基、芳氧基羰氧基、氨基(包括苯胺基)、铵基(ammoniogroup)、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺酰基氨基、烷基磺酰基氨基、芳基磺酰基氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、杂环硫基、氨磺酰基、磺基、烷基亚磺酰基、芳基亚磺酰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、酰基、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基偶氮基、杂环偶氮基、酰亚胺基、膦基(phosphinogroup)、氧膦基(phosphinylgroup)、氧膦基氧基(phosphinyloxygroup)、氧膦基氨基(phosphinylaminogroup)、膦酰基、硅烷基(silylgroup)、肼基、脲基、硼酸基(-b(oh)2)、磷酸基(-opo(oh)2)、硫酸基(-oso3h)或其它公知的取代基。
作为由上述通式(1)所示的萘酞菁锡，可以使用市售的产品。或者，如例如日本特开2010-232410号公报所示，由上述通式(1)所示的萘酞菁锡可以将由下述通式(2)所示的萘衍生物作为起始原料来进行合成。通式(2)中的r25～r30可以为与通式(1)中的r1～r24相同的取代基。
在由上述通式(1)所示的萘酞菁锡中，从易于控制分子的凝聚态的观点考虑，r1～r24之中的8个以上为氢原子或氘原子是有益的，r1～r24之中的16个以上为氢原子或氘原子是更有益的，全部为氢原子或氘原子是进一步有益的。此外，从合成容易程度的观点考虑，由以下的式(3)所示的萘酞菁锡是有利的。
由上述通式(1)所示的萘酞菁锡在大致200nm以上1100nm以下的波段具有吸收。例如，如图12所示，由上述式(3)所示的萘酞菁锡在波长为大致870nm的位置具有吸收峰。图12是包含由上述的式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层处的吸收光谱的一个例子。此外，在吸收光谱的测定中，使用了在石英基板上层积有厚度为30nm的光电转换层的样品。
由图12可知，由包含萘酞菁锡的材料形成的光电转换层在近红外区域具有吸收。即，通过选择包含萘酞菁锡的材料作为构成光电转换层74的材料，可以实现能够对近红外线进行检测的光检测装置。
图13示意性地示出光电转换层74的构成的一个例子。在图13所例示的构成中，光电转换层74具有：空穴阻挡层74hb、使用包含由上述的通式(1)所示的萘酞菁锡的有机半导体材料所形成的光电转换层积体74a、和电子阻挡层74eb。空穴阻挡层74hb配置在光电转换层积体74a和下部电极76之间，电子阻挡层74eb配置在光电转换层积体74a和上部电极72之间。
图13所示的光电转换层积体74a包含p型半导体和n型半导体的至少一者。在图13所例示的构成中，光电转换层积体74a具有p型半导体层74p、n型半导体层74n以及夹在p型半导体层74p与n型半导体层74n之间的混合层74h。p型半导体层74p配置在电子阻挡层74eb与混合层74h之间，具有光电转换和/或空穴传输的功能。n型半导体层74n配置在空穴阻挡层74hb与混合层74h之间，具有光电转换和/或电子输送的功能。如后所述，混合层74h可以包含p型半导体和n型半导体的至少一者。
p型半导体层74p和n型半导体层74n分别包含有机p型半导体和有机n型半导体。即，光电转换层积体74a包含：包含由上述的通式(1)所示的萘酞菁锡的有机光电转换材料；以及有机p型半导体和有机n型半导体的至少一者。
有机p型半导体为供体性有机半导体，其是指主要以空穴传输性有机化合物为代表的具有容易供给电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机p型半导体是指在使两种有机材料接触来使用时电离势小的有机化合物。因此，作为供体性有机化合物，只要是具有电子供给性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如，可以使用三芳基胺化合物、联苯胺化合物、吡唑啉化合物、苯乙烯胺化合物、腙化合物、三苯基甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、p3ht等噻吩化合物、酞菁铜等酞菁化合物、花菁化合物、部花菁化合物、氧杂菁化合物、多元胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚芳撑化合物、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、苝衍生物、荧蒽衍生物)、具有含氮杂环化合物作为配体的金属配位化合物等。此外，供体性有机半导体不限于这些；如上所述，只要是电离势比用作n型化合物的有机化合物小的有机化合物，就可以作为供体性有机半导体来使用。上述的萘酞菁锡为有机p型半导体材料的一个例子。
有机n型半导体为受体性有机半导体，主要以电子输送性有机化合物为代表的具有容易接受电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机n型半导体是指在使两种有机化合物接触来使用时电子亲和力大的有机化合物。因此，作为受体性有机化合物，只要是具有电子接受性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如可以使用富勒烯、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、苝衍生物、荧蒽衍生物)、含有氮原子、氧原子、硫原子的5～7元杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲咯啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑并哒嗪、三唑并嘧啶、四氮茚、噁二唑、咪唑并吡啶、吡嗪(pyralizine)、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯并氮
混合层74h例如可以为包含p型半导体和n型半导体的体异质结结构层。在以具有体异质结结构的层的方式形成混合层74h时，能够使用由上述的通式(1)所示的萘酞菁锡作为p型半导体材料。作为n型半导体材料，例如可以使用富勒烯和/或富勒烯衍生物。体异质结结构在日本专利第5553727号公报中有详细说明。为了参考起见，将日本专利第5553727号公报的公开内容全部援引至本说明书。
通过根据希望进行检测的波段来使用适当的材料，能够实现在所期望的波段具有灵敏度的光电转换结构。构成光电转换层74的材料不限于有机半导体材料，也可以包含非晶硅等无机半导体材料。光电转换层74可以包含由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。此处，对将对萘酞菁锡和c60进行共蒸镀而得到的体异质结结构应用于光电转换层积体74a的例子进行说明。
(光电转换层中的光电流特性的典型例)
图14示出光电转换层74中的光电流特性的典型例子。图14中，粗实线的曲线图表示在照射了光的状态下的光电转换层74的例示性电流-电压特性。此外，图14中还用粗虚线一并示出没有照射光的状态下的电流-电压特性的一个例子。
图14示出了在一定的照度下，使对光电转换层74的两个主面之间施加的偏压发生了变化时的主面之间的电流密度的变化。本说明书中，偏压中的正向和逆向如下定义。在光电转换层积体74a具有层状的p型半导体和层状的n型半导体的结结构的情况下，将使p型半导体的层的电位变得比n型半导体的层高的偏压定义为正向的偏压。另一方面，将使p型半导体的层的电位变得比n型半导体的层低的偏压定义为逆向的偏压。在使用了有机半导体材料的情况下，也可以与使用了无机半导体材料的情况同样地定义正向和逆向。在光电转换层积体74a的整体具有体异质结结构的情况下，定义在光电转换层74和与光电转换层74相接的电极之间偏压的正向和逆向。具体而言，光电转换层积体74a所含的有机材料的homo和lumo能级中，在与构成电极的电极材料的费米能级之间选择能量差最小的能级。以对选择的能级容易注入电子或空穴的方式对电极施加的偏压为正向，以对选择的能级难以注入电子或空穴的方式对电极施加的偏压为逆向。例如，在相对于电极材料的费米能级，光电转换层积体74a中的受体的lumo能级为能量差最小的能级的情况下，成为对光电转换层积体74a容易注入电子的状态。此时，对与光电转换层74相接的电极施加正电压的为逆向的偏压，施加负的电压的是正向的偏压。
如图14所示，本申请的实施方式的光电转换层的光电流特性示意性地被第一至第三这三个电压范围所表征。第一电压范围是逆向偏压的电压范围，其是随着逆向偏压的增大而使输出电流密度的绝对值增大的电压范围。第一电压范围也可以称为随着对光电转换层的主面之间施加的偏压的增大而使光电流增大的电压范围。第二电压范围是正向偏压的电压范围，其是随着正向偏压的增大而使输出电流密度增大的电压范围。即，第二电压范围是随着对光电转换层的主面之间施加的偏压的增大而使正向电流增大的电压范围。第三电压范围是第一电压范围与第二电压范围之间的电压范围。
第一至第三电压范围可根据使用了线性纵轴和横轴时的光电流特性的曲线图的斜率来进行区分。为了参考起见，图14中分别用虚线l1和虚线l2示出了第一电压范围和第二电压范围各自中的曲线图的平均斜率。如图14所例示的那样，第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围中的输出电流密度相对于偏压增加的变化率相互不同。第三电压范围定义为输出电流密度相对于偏压的绝对值的变化率比第一电压范围中的变化率和第二电压范围中的变化率小的电压范围。或者，也可以根据表示电流-电压特性的曲线图中的上升或下降的位置来决定第三电压范围。在第三电压范围中，即使使偏压变化，光电转换层的主面之间的电流密度也几乎不发生变化。如下面会详细说明的那样，在该第三电压范围中，由照射光生成的正和负的电荷对只要停止照射光就迅速地再结合而消失。因此，在光检测装置工作时通过将对光电转换层的2个主面之间施加的偏压调整为第三电压范围的电压，能够实现高速的响应。
在本申请的实施方式中，工作时，杂质区域212与上部电极72或透明栅极电极112之间的电位差维持为例如上述的第三电压范围的状态下，实行光的检测。换而言之，光电转换结构110a在杂质区域212与透明栅极电极112之间的电位差维持为例如第三电压范围的状态下，在杂质区域212和杂质区域214之间产生对应于光电转换层114p的介电常数的变化的电流。同样地，光电转换结构110b在杂质区域212与上部电极72之间的电位差维持为例如第三电压范围的状态下，在杂质区域212和杂质区域214之间产生对应于光电转换层74的介电常数的变化的电流。
即，连接于第一电压线11和第二电压线12的电压供给电路51在检测光时，供给施加于光电转换层114p或光电转换层74的两主面之间的电位差例如维持为第三电压范围那样的第一偏压vb1和第二偏压vb2。第一偏压vb1和第二偏压vb2的差例如可以为0.1v左右。例如在应用光电转换结构110b的情况下，电压供给电路51构成为以杂质区域212的电位作为基准，经由第二电压线12，对上部电极72施加处于第三电压范围内的第二偏压vb2。
如上所述，如果施加于两主面之间的偏压处于第三电压范围内，则即使使偏压变化，光电转换层的主面之间的电流密度也几乎不变。换而言之，光电转换层与相邻于光电转换层的电极之间几乎不产生电荷的交换。这是由于所生成的正和负的电荷不会分离并向电极移动，而是形成偶极子，所生成的正的电荷和负的电荷自身不会被去取出到光电转换层的外部。因此，能够在光电转换层的介电常数的变化中有效地利用由光电转换产生的正和负的电荷对，在杂质区域212与杂质区域214之间，产生对应于介电常数的变化的电流。
这样，在上述的实施方式中，在检测光时，以杂质区域212的电位为基准，对光电转换层74或光电转换层114p施加第三电压范围的偏压。相对于此，在利用了光电二极管或光电转换膜的现有的光传感器中，通常，进行与图14所示的第一电压范围相对应的逆向偏压下实行光检测的工作。因此，由光电转换生成的空穴和电子分别朝向光电二极管的阴极和阳极移动。在现有的光传感器的光检测中，由光电转换生成的电荷作为信号被取出到外部电路。
电荷从光电转换层的排出和电荷向光电转换层的流入为数十毫秒左右，其速度慢。因此，在将光传感器应用于图像传感器的情况下，在伴随电荷从光电转换层的排出或电荷向光电转换层的流入的构成中，伴随着开始摄影时对光电转换层施加电压、照射光等，有可能产生噪声、余像等。在将光的检测时对光电转换层施加的偏压设定为例如第三电压范围的电压的本申请的典型的实施方式的构成中，不满足这样的电荷从光电转换层的的排出或电荷向光电转换层的流入，因此能够抑制噪声、余像等的产生。另外，在施加了第三电压范围的偏压的状态下，当光不再射入光电转换层时，正和负的电荷对以数十微秒程度以下的短时间再结合而消失。因此，根据上述的实施方式，能够实现高速的响应。由于能够实现高速的响应，因而本申请的实施方式的光检测装置对在利用了飞行时间法的距离测量、超高速摄影等中应用来说是有利的。
此外，图11中例示的器件结构乍一看与在半导体基板上配置有光电转换层的层积型的图像传感器的器件结构类似。然而，在层积型的图像传感器中，在像素电极和与像素电极相对置的透明电极之间施加了偏压，通过照射光而生成于光电转换层内的正和负的电荷的一者作为信号电荷被收集到像素电极。所收集到的信号电荷暂时储存于单位像素单元内的浮动扩散区，并在规定时刻读取与所储存的电荷量相对应的信号电压。
与此相对，本申请的光电转换结构110a和110b中，不使生成于光电转换层的正和负的电荷向电极移动，而读取与光电转换层的介电常数的变化相对应的电信号。在层积型的图像传感器中，只能利用正和负的电荷的一者作为信号电荷，而在光电转换结构110a和110b中，则以将正和负的电荷以成对的形式用于杂质区域212和杂质区域214之间的电流的变化。因此，能够实现更高的灵敏度。另外，由于是使给光电转换层的上表面与下表面之间赋予的电位差为上述的第三电压范围的电位差，所以当照射光时所生成的电荷对对迅速地再结合。即，与层积型的图像传感器不同，不需要相当于像素电极的电位的复位工作的工作。
(其他变形例)
图15示出本申请的光检测装置的其他变形例。图15所示的光检测装置100d与参照图11说明的光检测装置100c相比较，代替光电转换结构110b，而具有光电转换结构110c。图11所示的光电转换结构110b与光检测装置100d的光电转换结构110c之间的不同点在于光电转换结构110c还具有配置在光电转换层74与下部电极76之间的绝缘层78的方面。
如该例那样，例如可以通过在光电转换层74与下部电极76之间配置绝缘层78，而在杂质区域212与上部电极72之间施加较大的电位差。例如，在光检测装置100d工作时，可以在杂质区域212与上部电极72之间，以施加了处于上述的第一电压范围内的偏压的状态下，实行光的检测。此时，电压供给电路51可以构成为以杂质区域212的电位为基准，经由第二电压线12，对上部电极72施加处于第一电压范围内的第二偏压vb2。电压供给电路51也可以构成为以杂质区域212的电位为基准，交替供给处于第一电压范围内的电压和处于第三电压范围内的电压。
在对光电转换层74施加了第一电压范围的偏压的状态下，光电转换层74与下部电极76之间的绝缘层78可作为储存由光电转换生成的正和负的电荷中的一者的电容器起作用。伴随着电荷向该电容器储存，在连接部68发生静电感应，场效应晶体管60中的有效栅极电压发生变化。因此，场效应晶体管60的阈值发生变化。在输出信号的读取结束后，例如也能够通过对上部电极72施加与第二偏压vb2相反极性的电压，将储存于作为电容器的绝缘层78的电荷复位。
也可以代替在光电转换层74与下部电极76之间配置绝缘层78，或者在光电转换层74与下部电极76之间配置绝缘层78的基础上，在光电转换层74与上部电极72之间配置绝缘层。作为构成绝缘层78的材料，例如可以选择比构成光电转换层74的材料的泄漏电流小的材料。例如，能够使用硅氧化膜。作为绝缘层78，也可以使用硅氮化物的膜、氧化铝的膜等。
如以上所说明的那样，根据本申请的实施方式，能够进行以所期望的时间窗口的光检测。此外，上述的信号检测晶体管42、寻址晶体管44、复位晶体管46和场效应晶体管60各自可以为n沟道mos，也可以为p沟道mos。它们全部不需要统一为n沟道mos或p沟道mos的任一种。
可以采用作为信号电荷利用空穴来代替电子的构成。通过利用移动度相对低的空穴，在相邻的电荷储存部之间能够良好地将信号电荷分离。即，能够抑制信号电荷混入与本来所要传输的电荷储存部相邻的其他电荷储存部。
工业实用性
本申请的光检测装置能够用于图像传感器等。本申请的光检测装置通过适当地选择光电转换层的材料，能够检测可见光和/或红外线，对利用了红外线的距离测量、利用了可见光和红外线的图像的取得等有用。本申请的光检测装置能够用于数码相机、安全摄像头、医用相机、搭载于车辆所使用的相机等。车辆搭载用相机例如可以被用作为了车辆安全行驶的对控制装置的输入。或者，可以用于为了车辆安全行驶的驾驶员支援。