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] 层叠型光电转换装置已被提议作为用于照相机的图像传感器的光电转换装置。在 TO2012/004923(下文称为"专利文献1"）的图1中所示的光电转换装置中，光电转换膜层 叠在半导体衬底上方。透明电极被设置在光电转换膜之上，并且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和像素电极之间。专利文献1描述了采用上述配置 能够进行相关双采样，并实现了噪声的降低。
【发明内容】
[0003] 根据某示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电极、 第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第二 电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出由 光电转换单元产生的信号；复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；第一电容器，包 括与第二电极电连接的第一端子、和第二端子；以及电压供应单元，被配置为向第二端子至 少供应第一电压和与第一电压不同的第二电压。满足以下关系：
[0004]
[0005] 其中，Vs表不供应给第一电极的电压，Vdl表不第一电压，Vd2表不第二电压，Vres 表不复位电压，Cl表不第一电容器的电容值，C2表不由第一电极和第二电极形成的第二电 容器的电容值。
[0006] 根据另一示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电 极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第 二电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出 由光电转换单元产生的信号；复位单元，被配置为向第二电极供应复位电压；第一电容器， 与第二电极电连接；以及电压供应单元，被配置为向第一电极至少供应第一电压和与第一 电压不同的第二电压。满足以下关系：
[0007
[0008] 其中，Vsl表不第一电压，Vs2表不第二电压，Vres表不复位电压，C1表不第一电 容器的电容值，C2表示由第一电极和第二电极形成的第二电容器的电容值。
[0009] 根据另一示例性实施例的光电转换装置包括光电转换单元，该单元包括第一电 极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电转换层、以及设置在光电转换层和第 二电极之间的绝缘层。光电转换装置包括：放大单元，与第二电极电连接，并被配置为输出 由光电转换单元产生的信号；以及第一电容器，与第二电极电连接，并包括彼此相对的两个 电极。
[0010] 参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
【附图说明】
[0011] 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是示出了光电转换装置的光电转换单元的等效电路的示图。
[0012] 图2是示出了光电转换装置的整体配置的示意图。
[0013] 图3是示出了光电转换装置的列电路的等效电路的示意图。
[0014] 图4是示出了光电转换装置的平面结构的示意图。
[0015] 图5A和图5B是示出了光电转换装置的截面结构的示意图。
[0016] 图6A至6F是示出了光电转换装置的光电转换单元的电位的示意图。
[0017] 图7是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。
[0018] 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。
[0019] 图9是示出了光电转换装置的整体结构的示意图。
[0020] 图10是示出了光电转换装置的平面结构的示意图。
[0021] 图11是示出了光电转换装置的截面结构的示意图。
[0022] 图12A至12F是示出了光电转换装置的光电转换单元的电位的示意图。
[0023] 图13是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。
[0024] 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；
[0025] 图15是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。
[0026] 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。
[0027] 图17是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。
[0028] 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。
[0029] 图19是示出了光电转换装置中所使用的驱动信号的时序图的示意图。
[0030] 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。
[0031] 图21是根据第七实施例的成像系统的框图。
【具体实施方式】
[0032] 某些示例性实施例可以降低噪声。
[0033] 在光电转换装置中，当从光电转换膜读出信号时，光电转换膜可能未充分耗尽。结 果，未从光电转换膜排出的电荷可能残留在光电转换膜中。在从光电转换膜读出信号时残 留在光电转换膜中的电荷可能导致输出信号中的噪声。
[0034] 根据专利文献1，通过向透明电极施加高电压来使光电转换膜耗尽。然而，由于电 容耦合，改变透明电极上的电压也可能改变像素电极上的电压。这可能阻止光电转换膜的 两端被施加上足够使光电转换膜耗尽的电压。结果，可能产生噪声。
[0035] 另外，在专利文献1中，包括像素电极的节点上的电压由复位晶体管来复位。由复 位晶体管供应的复位电压等于电源电压（VDD)。这可能使得难以在透明电极和像素电极之 间施加足够的电压，而导致难以耗尽光电转换膜。结果，可以产生噪声。
[0036] 特别是在以小于或等于5V的低电源电压驱动的光电转换装置中，由上述残留在 光电转换膜中的电荷导致的噪声由于以下原因将变得显著。因为高电压不可用，所以光电 转换膜更加难以耗尽。
[0037] 在某些示例性实施例中，光电转换装置可以降低噪声。
[0038] 本发明的实施例提供了光电转换装置。光电转换装置中所包括的像素包括光电转 换单元、用于放大由光电转换单元产生的信号的放大单元、以及向放大单元供应复位电压 的复位单元。光电转换装置可以包括多个像素。在这种情况中，光电转换装置例如是图像 传感器。作为替代，光电转换装置可以包括单个像素。在这种情况中，光电转换装置例如是 光学传感器。在图1A中，以举例的方式示出了像素100、光电转换单元101、复位晶体管102 和放大器晶体管104。
[0039] 光电转换单元包括第一电极、第二电极、设置在第一电极和第二电极之间的光电 转换层、以及设置在光电转换层和第二电极之间的绝缘层。这种配置使得光电转换单元能 够积聚由入射光产生的电荷作为信号电荷。另外，可以通过控制要向包括光电转换单元的 像素电路供应的电压来读出来自光电转换单元的信号。在图1A中以举例的方式示出了第 一电极201、光电转换层205、绝缘层207和第二电极209。
[0040] 第二电极与放大单元电连接。这种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以短路。作为替代，可以在第二电极和放大单元之间的 电通路上设置开关。在图1A中，以举例的方式示出了指示第二电极和放大单元之间的电连 接的节点B。节点B被配置为能够进入或设置为电浮动状态。由于节点B进入电浮动状态， 节点B上的电压可以根据在光电转换单元中产生的电荷而改变。因此，与在光电转换单元 中产生的电荷对应的信号可以被输入到放大单元。
[0041] 复位单元使第二电极上的电压复位。复位单元向第二电极供应复位电压。复位 单元例如是与第二电极电连接的复位晶体管。在图1A中以举例的方式示出了复位晶体管 102。对复位单元进行控制使得复位单元的接通状态和断开状态被切换。接通复位单元则 向第二电极供应复位电压。可以在复位单元和第二电极之间的电通路上设置开关。另外， 复位单元和第二电极可以短路。
[0042] 第一电容器与第二电极电连接。图1A以举例的方式示出了第一电容器103。第 二电极和第一电容器可以短路，或者可以在第二电极和第一电容器之间的电通路上设置开 关。
[0043] 第一电容器例如包括其之间插有绝缘体的彼此相对的两个电极。两个电极由诸如 多晶硅或金属之类的导电材料组成。作为替代，第一电容器被配置为包括半导体区和设置 在半导体区上方的栅电极，在半导体区和栅电极之间具有栅极绝缘膜。第一电容器中所包 括的半导体区优选地具有比晶体管的源区或漏区更高的杂质浓度。栅电极由诸如多晶硅或 金属之类的导电材料组成。
[0044] 第一电容器包括与第二电极电连接的第一端子、以及不同于第一端子的第二端 子。第一端子和第二端子中的每一个可以由诸如多晶硅或金属之类的导电材料组成，或可 以由半导体区形成。预定电压被供应到第二端子。例如，第二端子可以接地。作为替代，第 二端子可以与电压供应单元连接，并且可以从电压供应单元向第二端子供应多个电压。在 图1A中，节点B包括第一端子，节点C包括第二端子。
[0045] 在本实施例中，当读出信号时，光电转换层耗尽。为了实现耗尽，对光电转换单元 的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上的电压进行控制。具体地，提供了供应第 一电压和不同于第一电压的第二电压的电压供应单元。
[0046] 在某些实施例中，电压供应单元向光电转换单元的第一电极供应第一电压和不同 于第一电压的第二电压。图1A以举例的方式示出了电压供应单元110。在某些实施例中， 电压供应单元向第一电容器的第二端子供应第一电压和不同于第一电压的第二电压。在图 8中以举例的方式示出了电压供应单元410。
[0047] 现在将根据本实施例来描述降噪效果。
[0048] 由于以下原因，当光电转换单元的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上 的电压改变时，光电转换单元的第二电极上的电压根据第一电容器的电容值与由第一电极 和第二电极形成的第二电容器的电容值的比率而改变。在像素的等效电路中，第一电容器 和第二电容器被表示为串联的两个电容器，第二电极被表示为两个电容器之间的节点或被 包括在两个电容器之间的节点中。
[0049] 在本实施例中，光电转换单元的第一电极上的电压或第一电容器的第二端子上的 电压、由复位单元供应的电压、第一电容器的电容值和第二电容器的电容值具有预定的关 系。通过满足这种关系，即使第二电极上的电压改变，也可以在光电转换单元的第一电极和 第二电极之间施加使光电转换层耗尽的电压。因此，可以减少未从光电转换层排出的电荷 量。因此，可以实现降噪。
[0050] 在本实施例的不同方面中，第一电容器被配置为包括彼此相对的两个电极。这种 配置提高了电容比的设计灵活性。因此，上述关系可以容易地满足。因此，可以改善具有降 低的噪声的光电转换装置的设计灵活性。
[0051] 下面，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。本发明不限于以下示例性实 施例。其中在不脱离本发明的范围的情况下对以下示例性实施例的配置进行部分修改的变 型也构成本发明的示例性实施例。另外，其中以下示例性实施例中的任一个示例性实施例 的部分配置被添加到另一个示例性实施例的示例，或者其中以下示例性实施例中的任一个 示例性实施例的部分配置由另一个示例性实施例的部分配置所替代的示例也构成了本发 明的示例性实施例。
[0052] 第一示例性实施例
[0053] 图1A示意性地示出了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。尽管图1A中仅示出了一个像素100,但是根据本示例性实施例的光电转换装 置包括多个像素100。另外，在图1A中示意性地示出了光电转换单元101的截面结构。
[0054] 光电转换单元101包括第一电极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被包括在图1A中所示的节点A中。第二电极209被包括在图 1A中所示的节点B中。第一电极201连接到电压供应单元110。电压供应单元110向光电 转换单元101的第一电极201供应多个电压Vs。这种配置使得信号电荷能够积聚光电转换 单元101中并且使得信号电荷能够从光电转换单元101排出。执行信号电荷的排出以读出 由光电转换单元101产生的信号。
[0055] 电压供应单元110向光电转换单元101的第一电极201至少供应第一电压Vsl和 不同于第一电压Vsl的第二电压Vs2。如果信号电荷为空穴，则第二电压Vs2是低于第一 电压Vsl的电压。例如，如果信号电荷为空穴，则第一电压Vsl等于5V，第二电压Vs2等于 0V。如果信号电荷为电子，则第二电压Vs2为高于第一电压Vsl的电压。例如，如果信号电 荷为电子，则第一电压Vsl等于0V，第二电压Vs2等于5V。在本说明书中，除非另有说明， 否则接地节点上的电压是作为基准的0V。
[0056] 图1A中所示的节点B包括放大器晶体管104的栅极。放大器晶体管104为放大 单元，放大器晶体管104的栅极是该放大单元的输入节点。即，光电转换单元101的第二电 极209与该放大单元电连接。这种配置使得放大单元能够放大并输出由光电转换单元101 产生的信号。
[0057] 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的第一端子被包括在节点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的第二端子被包括在节点C中。第二端子与第一端子电容親合。 换句话说，节点C经由第一电容器103与节点B电容耦合。预定电压被供应到第一电容器 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的第二端子供应0V的电压。
[0058] 复位晶体管102的漏极与被供应复位电压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。这种配置使得 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是向第 二电极209供应复位电压Vres的复位单元。断开复位晶体管102使被配置为包括光电转 换单元101的第二电极209的节点B进入电浮动状态。
[0059] 在本示例性实施例中，对供应给光电转换单元101的第一电极201的电压Vs与复 位电压Vres之间的大小关系进行控制，以在光电转换单元101中积聚信号电荷并从光电转 换单元101排出信号电荷。复位电压Vres是第一电压Vsl和第二电压Vs2之间的中间值。 例如，如果信号电荷为空穴，则复位电压Vres是比第一电压Vsl低且比第二电压Vs2高的 电压。如果信号电荷为电子，则复位电压Vres为比第一电压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低于电源电压，并高 于要供应到接地节点的电压。
[0060] 放大器晶体管104的漏极与被供应电源电压的节点连接。放大器晶体管104的源 极经由选择晶体管105与输出线130连接。电流源160连接到输出线130。放大器晶体管 104和电流源160形成源极跟随器电路，并且由光电转换单元101产生的信号被输出到输出 线130。列电路140也连接到输出线130。被输出到输出线130的来自像素100的信号被 输入到列电路140。
[0061] 图1B和1C示出了光电转换单元101的示例等效电路图。在本示例性实施例中，光 电转换单元101包括被配置为积聚信号电荷的光电转换层以及绝缘层。因此，光电转换单 元101包括第一电极201和第二电极209之间的电容分量。在图1B和图1C所示出的等效 电路中，该电容分量被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示出了其中光电转换单元101包括阻挡层的示例性实施例。因 此，使用二极管112的电路符号来示出阻挡层和光电转换层。图1C示出了其中光电转换层 不包括阻挡层的示例性实施例。因此，使用电阻器113的电路符号来示出光电转换层。以 下描述光电转换单元101的结构。
[0062] 图2是示出了根据本示例性实施例的光电转换装置的整体电路配置的示意图。具 有与图1A中的部分基本上相同的功能的部分被分配相同的附图标记。
[0063] 图2示出了以四行四列的矩阵布置的16个像素100。每列中所包括的多个像素 100连接到一条输出线130。行驱动器电路120向像素