光电转换装置和成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开涉及光电转换装置和成像系统。
【背景技术】
[0002] 作为用于照相机的图像传感器的光电转换装置，提出了金属绝缘体半导体（MIS) 型光电转换装置。在W02012/004923(以下，称为"专利文献1"）中的图1所示的光电转换 装置中，透明电极被设置在光电转换膜的顶部，像素电极被设置在光电转换膜下面。绝缘膜 被设置在光电转换膜与像素电极之间。专利文献1描述了通过上述的配置实现相关双重采 样，从而实现噪声减少。
【发明内容】
[0003] 根据不例性实施例的光电转换装置包括包含第一电极、第二电极、设置在第一电 极与第二电极之间的光电转换层和设置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层的光电转 换单元。光电转换装置包括与第二电极电连接并且被配置为输出通过光电转换单元产生的 信号的放大单元和被配置为将第二电极上的电压复位的复位单元。光电转换单元根据第一 电极与第二电极之间的电压交替执行用于在光电转换单元中蓄积信号电荷的蓄积操作和 用于从光电转换单元排出在蓄积操作中蓄积的信号电荷的排出操作。在作为多次执行排出 操作的结果获得的多个排出操作之中的从第一排出操作到第一排出操作之后的第二排出 操作的时段中，复位单元执行用于复位第二电极上的电压的第一复位操作和用于在第一复 位操作之后复位第二电极上的电压的第二复位操作。
[0004] 参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。
【附图说明】
[0005] 图1A是根据第一示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图，图1B和 图1C是示出光电转换装置的光电转换单元的等效电路的示图。
[0006] 图2是光电转换装置的总体配置的示意图。
[0007] 图3是示出光电转换装置的列电路的等效电路的示图。
[0008] 图4是光电转换装置的平面结构的示意图。
[0009] 图5A和图5B是光电转换装置的截面结构的示意图。
[0010] 图6A~6F是光电转换装置的光电转换单元的电势的示意图。
[0011] 图7是示出在光电转换装置中使用的驱动信号的时序图的示图。
[0012] 图8是根据第二示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。
[0013] 图9是光电转换装置的总体配置的示意图。
[0014] 图10是光电转换装置的平面结构的示意图。
[0015] 图11是光电转换装置的截面结构的示意图。
[0016] 图12A~12F是光电转换装置的光电转换单元的电势的示意图。
[0017] 图13是示出在光电转换装置中使用的驱动信号的时序图的示图。
[0018] 图14是根据第三示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。
[0019] 图15是示出在光电转换装置中使用的驱动信号的时序图的示图。
[0020] 图16是根据第四示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。
[0021] 图17是示出在光电转换装置中使用的驱动信号的时序图的示图。
[0022] 图18是根据第五示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。
[0023] 图19是示出在光电转换装置中使用的驱动信号的时序图的示图。
[0024] 图20是根据第六示例性实施例的光电转换装置的像素的配置的示意图。
[0025] 图21是根据第七示例性实施例的成像系统的框图。
【具体实施方式】
[0026] -些示例性实施例使得能够减少前帧中的信号成分的影响。
[0027] 例如，由于前帧中的信号成分的影响，动态范围可减小。根据专利文献1，在开始信 号电荷的蓄积之前，向透明电极施加高电压以排出光电转换膜中的信号电荷。此时，复位晶 体管保持在关状态。因此，当开始信号电荷的蓄积时，前帧中的信号成分仍留在包含像素电 极的放大单元的输入节点上。这使得难以向光电转换膜施加足够的电压，这会导致可在光 电转换膜中蓄积的信号电荷的量即饱和电荷量的减少。还存在放大单元的输入节点上的电 压会超出可适当地保持放大单元的输入-输出特性的范围的可能性。在任一情况下，动态 范围可因此降低。
[0028] 因此，一些示例性实施例提供使得能够改善动态范围的光电转换装置。
[0029] 本发明的实施例提供光电转换装置。包含于光电转换装置中的像素包含光电转换 单元和放大由光电转换单元产生的信号的放大单元。光电转换装置可包含多个像素。在这 种情况下，光电转换装置为例如图像传感器。作为替代方案，光电转换装置可仅包含一个 像素。在这种情况下，光电转换装置为例如光学传感器。在图1A中，以举例方式示出像素 100、光电转换单元101和放大器晶体管104。
[0030] 光电转换单元包含第一电极、第二电极、设置在第一电极与第二电极之间的光电 转换层和设置在光电转换层与第二电极之间的绝缘层。在图1A中，以举例方式示出第一电 极201、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209。
[0031] 第二电极与放大单元电连接。该配置使得放大单元能够输出由光电转换单元产生 的信号。第二电极和放大单元可被短路。作为替代方案，开关可被设置在第二电极与放大 单元之间的电路径中。在图1A中，以举例方式示出指示第二电极与放大单元之间的电连接 的节点B。节点B被配置为能够被使得进入或者设定为电气浮置状态。由于节点B进入电 气浮置状态，因此，节点B上的电压可根据在光电转换单元中产生的电荷改变。因此，与在 光电转换单元中产生的电荷对应的信号可被输入到放大单元。
[0032] 光电转换装置还包括将第二电极上的电压复位的复位单元。复位单元为例如与第 二电极电连接的复位晶体管。在图1A中，以举例方式示出复位晶体管102。复位单元被控 制，使得复位单元的开状态和关状态被切换。接通复位单元允许第二电极上的电压被复位 到预定电压（以下，称为"复位电压"）。开关可被设置在复位单元与第二电极之间的电路 径中。
[0033] 光电转换装置执行用于在光电转换单元中蓄积通过入射光产生的信号电荷的蓄 积操作和用于从光电转换单元排出在蓄积操作中蓄积的信号电荷的排出操作。在执行排出 操作时将第二电极设定于电气浮置状态导致第二电极上的电压根据在排出操作中排出的 信号电荷的量改变。因此，通过将第二电极上的电压复位并然后执行排出操作，可以获得与 排出信号电荷量对应的信号。
[0034] 在本实施例中，光电转换单元根据第一电极与第二电极之间的电压（以下，称为 "电极间电压"）执行上述的蓄积操作和上述的排出操作。第一电极与第二电极之间的电压 (电极间电压）指的是第一电极的电势与第二电极的电势之间的差值。在本说明书中，除非 特别指出，否则电极间电压以外的电压指的是相对于作为基准（0V)的接地节点上的电压 的电压。
[0035] 为了选择性地执行蓄积操作和排出操作，电极间电压被控制，使得电极间电压具 有相反的极性。例如，蓄积作为信号电荷的空穴的光电转换装置通过控制电极间电压使得 第一电极上的电压比第二电极上的电压高，来执行蓄积操作。光电转换装置然后通过控制 电极间电压使得第一电极上的电压比第二电极上的电压低，来执行排出操作。蓄积作为信 号电荷的电子的光电转换装置通过控制电极间电压使得第一电极上的电压比第二电极上 的电压低，来执行蓄积操作。光电转换装置然后通过控制电极间电压使得第一电极上的电 压比第二电极上的电压高，来执行排出操作。
[0036] 在一些实施例中，可通过控制第一电极上的电压来控制电极间电压。在一些其它 的实施例中，可通过控制借助于第一电容器与第一节点电容耦合的第二节点上的电压，控 制电极间电压。第一节点被配置为包含第二电极或者通过开关与第二电极连接。
[0037] 光电转换单元交替执行上述的蓄积操作和排出操作。多次执行排出操作，并且，多 次执行蓄积操作。在多次执行的排出操作中，为了方便，其间具有单个蓄积操作的两个连续 的排出操作被称为第一排出操作和第一排出操作之后的第二排出操作（简称为"第二排出 操作"）。在从第一排出操作到第二排出操作的时段中，复位单元执行第一复位排出操作和 在第一复位操作之后执行的第二复位操作。在第一和第二复位操作中的每一个中，第二电 极上的电压被复位到复位电压。在开始第一和第二排出操作之间的单个蓄积操作之前，或 者在单个蓄积操作期间，执行第一复位操作。另外，在执行单个蓄积操作的时段内，至少执 行第二复位操作。
[0038] 该配置使得能够改善动态范围。通过第一复位操作，从包含第二电极的节点去除 基于在前一蓄积时段内蓄积的信号电荷的信号成分。这使得能够向光电转换单元施加足够 的电极间电压，从而导致光电转换单元中的饱和电荷量的增加。因此，可以改善动态范围。
[0039] 以下，参照附图详细描述本发明的示例性实施例。本发明不限于以下的示例性实 施例。在不背离本发明的范围的情况下部分地修改以下的示例性实施例的配置的变更例也 构成本发明的示例性实施例。此外，向另一示例性实施例添加以下的示例性实施例中的任 一个的配置的一部分的例子或者用另一示例性实施例的配置的一部分替代以下的示例性 实施例中的任一个的配置的一部分的例子也构成本发明的示例性实施例。
[0040] 第一示例性实施例
[0041] 图1A示意性地示出根据本示例性实施例的光电转换装置的像素100的配置。像 素100包括光电转换单元101、复位晶体管102、第一电容器103、放大器晶体管104和选择 晶体管105。虽然在图1A中仅示出一个像素100,但根据本示例性实施例的光电转换装置 包括多个像素100。而且，在图1Α中，示意性地示出光电转换单元101的截面结构。
[0042] 光电转换单元101包含第一电极201、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和 第二电极209。第一电极201包含于图1Α所示的节点Α中。第二电极209包含于图1Α所 示的节点B中。第一电极201与电压供给单元110连接。电压供给单元110向光电转换单 元101的第一电极201供给多个电压Vs。该配置使得能够实现信号电荷在光电转换单元 101中的蓄积和信号电荷从光电转换单元101的排出。实施信号电荷的排出，以读出通过光 电转换单元101产生的信号。
[0043] 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Vsl和 与第一电压Vsl不同的第二电压Vs2。如果信号电荷为空穴，那么第二电压Vs2是比第一电 压Vsl低的电压。如果信号电荷为空穴，那么例如第一电压Vsl等于5V，第二电压Vs2等于 0V。如果信号电荷为电子，那么第二电压Vs2为比第一电压Vsl高的电压。如果信号电荷 为电子，那么例如第一电压Vsl等于0V，第二电压Vs2等于5V。在本说明书中，除非特别指 示，否则，作为基准，接地节点上的电压为0V。
[0044] 图1A所示的节点B包含放大器晶体管104的栅极。放大器晶体管104是放大单 元，并且，放大器晶体管104的栅极是放大单元的输入节点。即，光电转换单元101的第二电 极209与放大单元电连接。该配置使得放大单元能够放大并且输出通过光电转换单元101 产生的信号。
[0045] 第二电极209与第一电容器103的第一端子电连接。在本不例性实施例中，第一 电容器103的第一端子包含于节点B中。即，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的第二端子包含于节点C中。第二端子与第一端子电容親合。换句 话说，节点C通过第一电容器103与节点B电容耦合。预定电压被供给到第一电容器103 的第二端子（节点C)。在本示例性实施例中，第一电容器103的第二端子（节点C)接地。 即，向第一电容器103的第二端子供给0V的电压。
[0046] 复位晶体管102的漏极与被供给复位电压Vres的节点连接。复位晶体管102的 源极与光电转换单元101的第二电极209和放大器晶体管104的栅极连接。该配置使得复 位晶体管102能够将节点B上的电压复位到复位电压Vres。即，复位晶体管102是将第二 电极209上的电压复位的复位单元。关断复位晶体管102使得被配置为包含光电转换单元 101的第二电极209的节点B进入电气浮置状态。
[0047] 在本示例性实施例中，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之间的大小关系被控制，以在光电转换单元101中蓄积信号电荷并且从光电转换 单元101排出信号电荷。复位电压Vres是第一电压Vsl与第二电压Vs2之间的中间值。例 如，如果信号电荷是空穴，那么复位电压Vres是比第一电压Vsl低且比第二电压Vs2高的 电压。如果信号电荷是电子，那么复位电压Vres是比第一电压Vsl高且比第二电压Vs2低 的电压。在本示例性实施例中，复位电压Vres等于3. 3V。复位电压Vres比电源电压低，并 且，比供给到接地节点的电压高。
[0048] 放大器晶体管104的漏极与被供给电源电压的节点连接。放大器晶体管104的源 极通过选择晶体管105与输出线130连接。电流源160与输出线130连接。放大器晶体管 104和电流源160形成源跟随器电路，并且，通过光电转换单元101产生的信号被输出到输 出线130。列电路140也与输出线130连接。来自像素100的被输出到输出线130的信号 被输入到列电路140。
[0049] 图1B和图1C示出光电转换单元101的示例性等效电路图。在本示例性实施例中， 光电转换单元101包含被配置为蓄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包含第一电极201与第二电极209之间的电容成分。在图1B和图1C所示的等效 电路中，该电容成分表不为设置在光电转换单元101的第一电极201和第二电极209之间 的第二电容器111。图1B示出光电转换单元101包含阻挡层的示例性实施例。因此，通过 使用二极管112的电路符号示出阻挡层和光电转换层。图1C示出光电转换层不包含阻挡 层的示例性实施例。因此，通过使用电阻器113的电路符号示出光电转换层。以下描述光 电转换单元101的结构。
[0050] 图2是根据本示例性实施例的光电转换装置的总体电路配置的示意图。具有与图 1A中的功能基本上相同的功能的部分被赋予相同的附图标记。
[0051] 图2示出以四行、四列的矩阵形式配置的16个像素100。包含于各列中的多个像 素100与一个输出线130连接。行驱动器电路120向像素100供给驱动信号pRES和驱动 信号pSEL。驱动信号pRES被供给到复位晶体管102的栅极。驱动信号pSEL被供给到选择 晶体管105的栅极。复位晶体管102和选择晶体管105由上述的驱动信号控制。包含于每 个行中的多个像素100与共用驱动信号线连接。驱动信号线是传送驱动信号PRES和驱动 信号PSEL等的布线。在图2中，分配诸如（η)和（n+1)的表示行的符号，以区分供给到不 同行的驱动信号。这同样适用于其它的示图。
[0052] 图2示意性地示出光电转换单元101的第一电极201的平面结构。如图2所示， 包含于每个行中的多个像素100的光电转换单元101被配置为包含共用的第一电极201。 如上所述，电压供给单元110向第一电极201供给电压Vs。在本示例性实施例中，为每个行 设置第一电极201。因此，行驱动器电路120选择从电压供给单元110向其供给电压Vs的 行。分配诸如（η)和（n+1)的表示行的符号，以区分供给到不同行的电压Vs。
[0053] 在本示例性实施例中，上述的配置使得能够逐行驱动多个像素 100。
[0054] 输出线130分别与列电路140连接。列驱动器电路150在逐列的基础上驱动列电 路140。具体而言，列驱动器电路150向多个列电路140供给驱动信号CSEL。分配诸如（m) 和（m+1)的表示列的符号，以区分供给到不同的列的驱动信号。这同样适用于其它的示图。 该配置使得对各行并行读出的信号能够依次向输出单元170输出。
[0055] 现在详细描述列电路140。图3示出第m列和第（m+1)列中的列电路140的等效 电路。其余列中的列电路140没有被示出。
[0056] 通过列放大器301放大输出线130中的每一个上的信号。列放大器301的输出节 点通过S/Η开关3