03与电容器CTS连接。列放大器301的输出节点也通过S/Η开关305与 电容器CTN连接。S/Η开关303和S/Η开关305分别由驱动信号pTS和驱动信号pTN控制。 该配置使得能够保持来自像素100中的每一个的包含复位噪声的噪声信号和光学信号。因 此，根据本示例性实施例的光电转换装置能够实现相关双重采样。
[0057] 电容器CTS通过水平传送开关307与水平输出线311连接。电容器CTN通过水平 传送开关309与水平输出线313连接。水平传送开关307和309由来自列驱动器电路150 的驱动信号CSEL控制。
[0058] 水平输出线311和水平输出线313均与输出单元170连接。输出单元170向模数 转换单元180输出水平输出线311上的信号与水平输出线313上的信号之间的差值。模数 转换单元180将输入模拟信号转换成数字信号。
[0059] 列电路140中的每一个可以是模数转换电路。在这种情况下，模数转换电路包含 保持数字信号的保持单元，诸如存储器或计数器。保持单元保持噪声信号和光学信号转换 成的数字信号。
[0060] 下面，描述根据本示例性实施例的光电转换装置的平面结构和截面结构。图4示 意性地示出光电转换装置的平面结构。图5A和图5B示意性地示出光电转换装置的截面结 构。图4示出以二行、二列的矩阵形式布置的四个像素100。图5A所示的截面与沿图4中 的线VA-VA切取的截面对应。图5B所示的截面与沿图4中的线VB-VB切取的截面对应。具 有与图1A中的功能基本上相同的功能的部分被分配相同的附图标记。注意，为了指示晶体 管，向其栅电极分配附图标记。此外，形成驱动信号线的导电部件被分配与供给到驱动信号 线的驱动信号相同的附图标记。例如，被分配附图标记PRES的导电部件形成用于供给驱动 信号PRES的驱动信号线。
[0061] 光电转换装置包括半导体基板200。各种半导体区域，诸如像素晶体管的源极区域 和漏极区域，被设置在半导体基板200上。像素晶体管的例子包括复位晶体管102、放大器 晶体管104和选择晶体管105。像素晶体管的栅电极和包含形成布线的导电部件的多个布 线层202被设置在半导体基板200上。光电转换单元101被设置在布线层202的顶部。
[0062] 如图5A和图5B所示，像素100中的每一个的光电转换单元101包含第一电极 201 (共用电极）、阻挡层203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209 (像素电极）。光 电转换层205被设置在第一电极201与第二电极209之间。阻挡层203被设置在第一电极 201与光电转换层205之间。阻挡层203被设置为防止导电类型与在光电转换层205中蓄 积的信号电荷相同的电荷从第一电极201注入到光电转换层205中。绝缘层207被设置在 光电转换层205与第二电极209之间。
[0063] 如图2所示，第一电极201被逐行电气隔离。另一方面，如图5A所示，包含于每个 行中的多个像素100的第一电极201由共用导电部件构成。出于这种原因，第一电极201 也被称为共用电极。在图2中示出第一电极201的平面结构，并且，在图4中没有示出第一 电极201。
[0064] 如图4和图5A所示，像素100中的每一个的第二电极209与另一像素100的第二 电极209电气隔离。出于这种原因，第二电极209也被称为单独的电极。跨着多个像素100 连续设置阻挡层203、光电转换层205和绝缘层207。因此，在图4中没有示出阻挡层203、 光电转换层205和绝缘层207。
[0065] 如图4、图5A和图5B所不，第一电容器103中的每一个包含上电极211和下电极 213。上电极211和下电极213相互面对，其间插入有绝缘体。出于以下的原因，该配置对 第一电容器103的电容值提供高的设计灵活性。诸如光刻的半导体工艺有利于上电极211 和下电极213的平面形状的确定。第一电容器103可具有任何其它的结构。在另一例子中， 第一电容器103可以是具有比预定值大的电容值的PN结电容器。
[0066] 此外，第一电容器103的上电极211和下电极213被设置在比光电转换单元101 的第二电极209低的布线层中。在平面图中，上电极211和下电极213至少部分地与第一 电极201或第二电极209重叠。该配置可减小像素100的尺寸。此外，上电极211和下电 极213中的每一个包含不与复位晶体管102或放大器晶体管104重叠的部分。
[0067] 在本示例性实施例中，第一电容器103中的每一个为例如金属/绝缘体/金属 (M頂）电容器。具体而言，上电极211和下电极213分别由诸如金属的导电部件构成。作为 替代方案，第一电容器103中的每一个可以为多晶Si/绝缘体/多晶Si (PIP)电容器。具 体而言，上电极211和下电极213分别由多晶硅构成。作为替代方案，第一电容器103中的 每一个可以为金属氧化物半导体（M0S)电容器。具体而言，上电极211由诸如金属或多晶 硅的导电部件构成，下电极213由半导体区域构成。
[0068] 如图5A和图5B所示，光电转换单元101中的每一个的第二电极209通过导电部 件219与放大器晶体管104的栅极连接。光电转换单元101的第二电极209也通过导电部 件219和导电部件220与复位晶体管102的源极区域连接。此外，第二电极209通过导电 部件219与第一电容器103的上电极211连接。第一电容器103的下电极213通过接触插 头215与半导体区域217连接。半导体区域217接地。
[0069] 图5B示出复位晶体管102和放大器晶体管104的栅电极。栅绝缘膜230被设置 在栅电极与半导体基板200之间。像素晶体管的源极区域和漏极区域被设置在半导体基板 200上。由于半导体区域217被接地，因此，半导体区域217可与其中形成上述的晶体管的 源极区域和漏极区域的阱240电连接。
[0070] 详细描述光电转换单元101的配置。光电转换单元101的第一电极201由具有高 的光透过率的导电部件形成。例如，使用诸如氧化铟锡（ΙΤ0)的包含铟和/或锡的化合物 或诸如ZnO的化合物作为第一电极201的材料。该配置能够使得大量的光入射到光电转换 层205。因此，可以提高灵敏度。在另一例子中，可对第一电极201使用具有足以允许一定 的光量穿过的厚度的多晶硅或金属。金属具有低电阻。因此，使用金属作为第一电极201 的材料的示例性实施例可有利于减少功耗或者增加驱动速度。
[0071 ] 阻挡层203防止导电类型与信号电荷的导电类型相同的电荷从第一电极201注入 到光电转换层205中。光电转换层205通过施加到第一电极201的电压Vs被耗尽。此外， 光电转换层205的电势的梯度根据施加到第一电极201的电压Vs与第二电极209 (节点B) 上的电压之间的关系而反转。该配置使得能够蓄积信号电荷和排出蓄积的信号电荷。以下 描述光电转换单元101的操作。
[0072] 具体而言，光电转换层205由本征非晶硅（以下，称为a-Si)、低浓度p型a-Si或 低浓度η型a-Si等形成。光电转换层205也可由化合物半导体形成。化合物半导体的例 子包括：III-V族化合物半导体，诸如BN、GaAs、GaP、ALSb和GaAlAsP ;II-VI族化合物半 导体，诸如CdSe、ZnS和HdTe ;以及IV-VI族化合物半导体，诸如PbS、PbTe和CuO。作为 替代方案，光电转换层205可由有机材料形成。例如，可以使用富勒烯（fullerene)、香豆 素 6(coumarin 6)(C6)、若丹明 6G(rhodamine 6G)(R6G)、锌酿菁（zinc phthalocyanine) (ZnPc)、喹卩丫啶酮（quinacridone)、酞菁系（phthalocyanine-based)化合物或萘酞菁系 (naphthalocyanine-based)化合物等。此外，可对光电转换层205使用由上述的化合物半 导体形成的量子点薄膜。
[0073] 在光电转换层205由半导体形成的情况下，希望半导体具有低的杂质浓度或者半 导体为本征型。该配置使得耗尽层能够充分地延伸到光电转换层205,从而实现诸如高灵敏 度和噪声减少的效果。
[0074] 阻挡层203可以由种类与用于光电转换层205的半导体的种类相同且杂质浓度比 用于光电转换层205的半导体的杂质浓度高的η型或p型半导体形成。例如，在a-Si用于 光电转换层205的情况下，阻挡层203由高杂质浓度的η型a-Si或高杂质浓度的p型a-Si 形成。由于杂质浓度不同，所以费米能级的位置不同。因此，可以形成仅针对电子或者空穴 的势皇。阻挡层203是这样的导电类型：其中绝大多数载流子是导电类型与信号电荷的载 流子的导电类型相反的电荷载流子。
[0075] 作为替代，阻挡层203可以由与光电转换层205的材料不同的材料形成。这种配 置使得能够形成异质结。由于材料不同，所以带隙不同。因此，可以形成仅针对电子或者空 穴的势皇。
[0076] 绝缘层207被设置在光电转换层205和第二电极209之间。绝缘层207由绝缘材 料形成。例如，诸如硅氧化物、非晶硅氧化物（下文称为"a-SiO"）、硅氮化物、或非晶硅氮 化物（a-SiN)之类的无机材料、或者有机材料用作绝缘层207的材料。希望绝缘层207具 有足以防止电荷的隧穿的厚度。这种配置可以减少漏电流，从而可以降低噪声。具体地，希 望绝缘层207具有大于或等于50nm的厚度。
[0077] 在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， 可以执行氢化，从而通过氢来终结悬空键（dangling bond)。这种配置可以降低噪声。
[0078] 第二电极209由诸如金属之类的导电部件组成。第二电极209由与形成布线的导 电部件或形成用于外部连接的焊盘电极的导电部件相同的材料制成。这种配置使得能够同 时形成第二电极209和布线或焊盘电极。因此，可以简化制造工艺。
[0079] 接下来，将描述根据本示例性实施例的光电转换单元101的操作。图6A到6F示 意性地示出了光电转换单元101中的能带。在图6A到6F中，示出了第一电极201、阻挡层 203、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209的能带。图6A到6F中的纵轴表示电子 的电势。在图6A到6F中，电子的电势在向上的方向上沿纵轴增大。相应地，在图6A到6F 中，电压在向上的方向上沿纵轴减小。对于第一电极201和第二电极209,示出了自由电子 的能级。对于阻挡层203和光电转换层205,示出了传导带的能级和价带的能级之间的带 隙。光电转换层205在光电转换层205和绝缘层207之间的交界面处的电势被称为"光电 转换层205的表面电势"，或为方便起见简称为"表面电势"。
[0080] 在光电转换单元101的操作中，重复执行以下步骤（1)到（6) :(1)复位放大单元 的输入节点，⑵读出噪声信号，⑶排出来自光电转换单元的信号电荷，⑷读出光学信 号，（5)在开始信号电荷的蓄积之前复位，以及（6)蓄积信号电荷。在下文中，将描述各个 步骤。
[0081] 图6A示出了光电转换单元101在步骤（1)到步骤（2)中的状态。将第一电压Vsl 从电压供给单元110供给到第一电极201。第一电极Vsl等于例如5V。在光电转换层205 中，用空心圆圈绘出的空穴被蓄积作为在曝光时段期间产生的信号电荷。即，光电转换装置 执行蓄积操作。由于交替执行蓄积操作和排出操作，因此，在开始蓄积操作之前执行排出操 作。根据所蓄积的空穴数，光电转换层205的表面电势在表面电势降低的方向（即电压升 高的方向）上变化。在电子蓄积的情况下，根据所蓄积的电子数，表面电势在表面电势升高 的方向（即电压降低的方向）上变化。
[0082] 在这种状态下，复位晶体管102被接通。即，执行复位操作。该复位操作是在第一 排出操作与第一排出操作之后的第二排出操作之间执行的两个复位操作中的较晚执行的 复位操作。因此，包含第二电极209的节点上的电压，即图1A所示的节点B上的电压被复 位到复位电压Vres。在本示例性实施例中，节点B包含放大器晶体管104的栅极。因此，放 大器晶体管104的栅极处的电压被复位。复位电压Vres等于例如3. 3V。
[0083] 之后，复位晶体管102关断。因此，节点B进入电浮置状态。在该情况中，可能由 复位晶体管102产生复位噪声（图6A中所示的噪声kTCl)。
[0084] 光电转换层205的表面电势可以根据第二电极209上的电压在复位操作期间的变 化而变化。在这种情况下，第二电极209上的电压变化的方向与第二电极209上的电压由于 信号电荷的蓄积而变化的方向相反。由于这个原因，信号电荷的空穴依然蓄积在光电转换 层205中。此外，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入。因此，蓄积在光电转换层205 中的信号电荷的量不变。
[0085] 如果选择晶体管105处于接通状态，则放大器晶体管104输出来自像素100的包 括复位噪声的噪声信号（Vres+kTCl)。噪声信号被保持在列电路140的电容器CTN中。
[0086] 图6B和图6C示出了光电转换单元101在步骤⑶中的状态。首先，将第二电压 Vs2供给到第一电极201。因为空穴用作信号电荷，所以第二电压Vs2是低于第一电压Vsl 的电压。第二电压Vs2等于例如0V。
[0087] 在这种情况下，第二电极209(节点Β)上的电压在与第一电极201上的电压变化 的方向相同的方向上变化。根据与第二电极209连接的第一电容器103的电容值C1和光 电转换单元101中所包括的第二电容器111的电容值C2的比率来确定第二电极209上的 电压的变化量dVB。相对于第一电极201上的电压的变化量dVs，第二电极209上的电压的 变化量dVB由dVB = dVsXC2ACl+C2)给出。包括第二电极209的节点B还可以包括其它 电容成分。其它电容成分具有比第一电容器103的电容值C1小得多的电容值。因此，节点 B的电容值可以视为等于第一电容器103的电容值C1。
[0088] 在本示例性实施例中，第一电极201上的电压的变化量dVs比第二电极209上的 电压的变化量dVB大得多。因此，第二电极209的电势低于第一电极201的电势，并且光电 转换层205的电势梯度被反转。因此，用实心圆圈绘出的电子从第一电极201注入到光电 转换层205中。此外，作为信号电荷蓄积在光电转换层205中的空穴中的一些或全部移动 到阻挡层203。已经移动的空穴与阻挡层203中的绝大多数载流子再结合并消失。结果，光 电转换层205中的空穴被从光电转换层205排出。由于整个光电转换层205的耗尽，所以 所有作为信号电荷蓄积的空穴被排出。
[0089] 然后，在图6C中所示的状态下，将第一电压Vsl供给到第一电极201。因此，光电 转换层205的电势梯度再次反转。因此，在图6B中所示的状态下注入到光电转换层205的 电子被从光电转换层205排出。另一方面，阻挡层203防止空穴从第一电极201注入到光 电转换层205中。因此，光电转换层205的表面电势根据已蓄积的空穴的数量而变化。根 据表面电势的变化，第二电极209上的电压从复位状态改变与已消失的空穴的数量对应的 电压Vp。即，在节点B处出现与作为信号电荷蓄积的空穴的数量对应的电压Vp。与蓄积的 空穴的数量对应的电压Vp被称为"光学信号成分"。
[0090] 在图6C中所示的状态下，选择晶体管105接通。因此，放大器晶体管104输出来自 像素100的光学信号（Vp+Vres+kTCl)。将光学信号保持在列电路140的电容器CTS中。在 步骤（2)中读出的噪声信号（Vres+kTCl)和在步骤（4)中读出的光学信号（Vp+Vres+kTCl) 之差是基于与蓄积的信号电荷对应的电压Vp的信号。
[0091] 图6D示出步骤（5)中的光电转换单元101的状态。复位晶体管102被接通，并且， 节点B上的电压被复位到复位电压Vres。即，执行复位操作。该复位操作是在第一排出操 作与第一排出操作之后的第二排出操作之间执行的两个复位操作中的较早执行的复位操 作。然后，复位晶体管102被关断。以上述的方式，在开始信号电荷的蓄积之前，或者在开 始信号电荷的蓄积之后，节点B被复位，从而使得能够去除在节点B中蓄积的前一帧的光学 信号成分。这可防止由于残留于节点B上的光学