光電轉換裝置和成像系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本公開涉及光電轉換裝置和成像系統。
【背景技術】
[0002] 作為用于照相機的圖像傳感器的光電轉換裝置，提出了金屬絕緣體半導體（MIS) 型光電轉換裝置。在W02012/004923(以下，稱為"專利文獻1"）中的圖1所示的光電轉換 裝置中，透明電極被設置在光電轉換膜的頂部，像素電極被設置在光電轉換膜下面。絕緣膜 被設置在光電轉換膜與像素電極之間。專利文獻1描述了通過上述的配置實現相關雙重采 樣，從而實現噪聲減少。
【發明內容】
[0003] 根據不例性實施例的光電轉換裝置包括包含第一電極、第二電極、設置在第一電 極與第二電極之間的光電轉換層和設置在光電轉換層與第二電極之間的絕緣層的光電轉 換單元。光電轉換裝置包括與第二電極電連接并且被配置為輸出通過光電轉換單元產生的 信號的放大單元和被配置為將第二電極上的電壓復位的復位單元。光電轉換單元根據第一 電極與第二電極之間的電壓交替執行用于在光電轉換單元中蓄積信號電荷的蓄積操作和 用于從光電轉換單元排出在蓄積操作中蓄積的信號電荷的排出操作。在作為多次執行排出 操作的結果獲得的多個排出操作之中的從第一排出操作到第一排出操作之后的第二排出 操作的時段中，復位單元執行用于復位第二電極上的電壓的第一復位操作和用于在第一復 位操作之后復位第二電極上的電壓的第二復位操作。
[0004] 參照附圖閱讀示例性實施例的以下說明，本發明的其它特征將變得清晰。
【附圖說明】
[0005] 圖1A是根據第一示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖，圖1B和 圖1C是示出光電轉換裝置的光電轉換單元的等效電路的示圖。
[0006] 圖2是光電轉換裝置的總體配置的示意圖。
[0007] 圖3是示出光電轉換裝置的列電路的等效電路的示圖。
[0008] 圖4是光電轉換裝置的平面結構的示意圖。
[0009] 圖5A和圖5B是光電轉換裝置的截面結構的示意圖。
[0010] 圖6A~6F是光電轉換裝置的光電轉換單元的電勢的示意圖。
[0011] 圖7是示出在光電轉換裝置中使用的驅動信號的時序圖的示圖。
[0012] 圖8是根據第二示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖。
[0013] 圖9是光電轉換裝置的總體配置的示意圖。
[0014] 圖10是光電轉換裝置的平面結構的示意圖。
[0015] 圖11是光電轉換裝置的截面結構的示意圖。
[0016] 圖12A~12F是光電轉換裝置的光電轉換單元的電勢的示意圖。
[0017] 圖13是示出在光電轉換裝置中使用的驅動信號的時序圖的示圖。
[0018] 圖14是根據第三示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖。
[0019] 圖15是示出在光電轉換裝置中使用的驅動信號的時序圖的示圖。
[0020] 圖16是根據第四示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖。
[0021] 圖17是示出在光電轉換裝置中使用的驅動信號的時序圖的示圖。
[0022] 圖18是根據第五示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖。
[0023] 圖19是示出在光電轉換裝置中使用的驅動信號的時序圖的示圖。
[0024] 圖20是根據第六示例性實施例的光電轉換裝置的像素的配置的示意圖。
[0025] 圖21是根據第七示例性實施例的成像系統的框圖。
【具體實施方式】
[0026] -些示例性實施例使得能夠減少前幀中的信號成分的影響。
[0027] 例如，由于前幀中的信號成分的影響，動態范圍可減小。根據專利文獻1，在開始信 號電荷的蓄積之前，向透明電極施加高電壓以排出光電轉換膜中的信號電荷。此時，復位晶 體管保持在關狀態。因此，當開始信號電荷的蓄積時，前幀中的信號成分仍留在包含像素電 極的放大單元的輸入節點上。這使得難以向光電轉換膜施加足夠的電壓，這會導致可在光 電轉換膜中蓄積的信號電荷的量即飽和電荷量的減少。還存在放大單元的輸入節點上的電 壓會超出可適當地保持放大單元的輸入-輸出特性的范圍的可能性。在任一情況下，動態 范圍可因此降低。
[0028] 因此，一些示例性實施例提供使得能夠改善動態范圍的光電轉換裝置。
[0029] 本發明的實施例提供光電轉換裝置。包含于光電轉換裝置中的像素包含光電轉換 單元和放大由光電轉換單元產生的信號的放大單元。光電轉換裝置可包含多個像素。在這 種情況下，光電轉換裝置為例如圖像傳感器。作為替代方案，光電轉換裝置可僅包含一個 像素。在這種情況下，光電轉換裝置為例如光學傳感器。在圖1A中，以舉例方式示出像素 100、光電轉換單元101和放大器晶體管104。
[0030] 光電轉換單元包含第一電極、第二電極、設置在第一電極與第二電極之間的光電 轉換層和設置在光電轉換層與第二電極之間的絕緣層。在圖1A中，以舉例方式示出第一電 極201、光電轉換層205、絕緣層207和第二電極209。
[0031] 第二電極與放大單元電連接。該配置使得放大單元能夠輸出由光電轉換單元產生 的信號。第二電極和放大單元可被短路。作為替代方案，開關可被設置在第二電極與放大 單元之間的電路徑中。在圖1A中，以舉例方式示出指示第二電極與放大單元之間的電連接 的節點B。節點B被配置為能夠被使得進入或者設定為電氣浮置狀態。由于節點B進入電 氣浮置狀態，因此，節點B上的電壓可根據在光電轉換單元中產生的電荷改變。因此，與在 光電轉換單元中產生的電荷對應的信號可被輸入到放大單元。
[0032] 光電轉換裝置還包括將第二電極上的電壓復位的復位單元。復位單元為例如與第 二電極電連接的復位晶體管。在圖1A中，以舉例方式示出復位晶體管102。復位單元被控 制，使得復位單元的開狀態和關狀態被切換。接通復位單元允許第二電極上的電壓被復位 到預定電壓（以下，稱為"復位電壓"）。開關可被設置在復位單元與第二電極之間的電路 徑中。
[0033] 光電轉換裝置執行用于在光電轉換單元中蓄積通過入射光產生的信號電荷的蓄 積操作和用于從光電轉換單元排出在蓄積操作中蓄積的信號電荷的排出操作。在執行排出 操作時將第二電極設定于電氣浮置狀態導致第二電極上的電壓根據在排出操作中排出的 信號電荷的量改變。因此，通過將第二電極上的電壓復位并然后執行排出操作，可以獲得與 排出信號電荷量對應的信號。
[0034] 在本實施例中，光電轉換單元根據第一電極與第二電極之間的電壓（以下，稱為 "電極間電壓"）執行上述的蓄積操作和上述的排出操作。第一電極與第二電極之間的電壓 (電極間電壓）指的是第一電極的電勢與第二電極的電勢之間的差值。在本說明書中，除非 特別指出，否則電極間電壓以外的電壓指的是相對于作為基準（0V)的接地節點上的電壓 的電壓。
[0035] 為了選擇性地執行蓄積操作和排出操作，電極間電壓被控制，使得電極間電壓具 有相反的極性。例如，蓄積作為信號電荷的空穴的光電轉換裝置通過控制電極間電壓使得 第一電極上的電壓比第二電極上的電壓高，來執行蓄積操作。光電轉換裝置然后通過控制 電極間電壓使得第一電極上的電壓比第二電極上的電壓低，來執行排出操作。蓄積作為信 號電荷的電子的光電轉換裝置通過控制電極間電壓使得第一電極上的電壓比第二電極上 的電壓低，來執行蓄積操作。光電轉換裝置然后通過控制電極間電壓使得第一電極上的電 壓比第二電極上的電壓高，來執行排出操作。
[0036] 在一些實施例中，可通過控制第一電極上的電壓來控制電極間電壓。在一些其它 的實施例中，可通過控制借助于第一電容器與第一節點電容耦合的第二節點上的電壓，控 制電極間電壓。第一節點被配置為包含第二電極或者通過開關與第二電極連接。
[0037] 光電轉換單元交替執行上述的蓄積操作和排出操作。多次執行排出操作，并且，多 次執行蓄積操作。在多次執行的排出操作中，為了方便，其間具有單個蓄積操作的兩個連續 的排出操作被稱為第一排出操作和第一排出操作之后的第二排出操作（簡稱為"第二排出 操作"）。在從第一排出操作到第二排出操作的時段中，復位單元執行第一復位排出操作和 在第一復位操作之后執行的第二復位操作。在第一和第二復位操作中的每一個中，第二電 極上的電壓被復位到復位電壓。在開始第一和第二排出操作之間的單個蓄積操作之前，或 者在單個蓄積操作期間，執行第一復位操作。另外，在執行單個蓄積操作的時段內，至少執 行第二復位操作。
[0038] 該配置使得能夠改善動態范圍。通過第一復位操作，從包含第二電極的節點去除 基于在前一蓄積時段內蓄積的信號電荷的信號成分。這使得能夠向光電轉換單元施加足夠 的電極間電壓，從而導致光電轉換單元中的飽和電荷量的增加。因此，可以改善動態范圍。
[0039] 以下，參照附圖詳細描述本發明的示例性實施例。本發明不限于以下的示例性實 施例。在不背離本發明的范圍的情況下部分地修改以下的示例性實施例的配置的變更例也 構成本發明的示例性實施例。此外，向另一示例性實施例添加以下的示例性實施例中的任 一個的配置的一部分的例子或者用另一示例性實施例的配置的一部分替代以下的示例性 實施例中的任一個的配置的一部分的例子也構成本發明的示例性實施例。
[0040] 第一示例性實施例
[0041] 圖1A示意性地示出根據本示例性實施例的光電轉換裝置的像素100的配置。像 素100包括光電轉換單元101、復位晶體管102、第一電容器103、放大器晶體管104和選擇 晶體管105。雖然在圖1A中僅示出一個像素100,但根據本示例性實施例的光電轉換裝置 包括多個像素100。而且，在圖1Α中，示意性地示出光電轉換單元101的截面結構。
[0042] 光電轉換單元101包含第一電極201、阻擋層203、光電轉換層205、絕緣層207和 第二電極209。第一電極201包含于圖1Α所示的節點Α中。第二電極209包含于圖1Α所 示的節點B中。第一電極201與電壓供給單元110連接。電壓供給單元110向光電轉換單 元101的第一電極201供給多個電壓Vs。該配置使得能夠實現信號電荷在光電轉換單元 101中的蓄積和信號電荷從光電轉換單元101的排出。實施信號電荷的排出，以讀出通過光 電轉換單元101產生的信號。
[0043] 電壓供給單元110向光電轉換單元101的第一電極201至少供給第一電壓Vsl和 與第一電壓Vsl不同的第二電壓Vs2。如果信號電荷為空穴，那么第二電壓Vs2是比第一電 壓Vsl低的電壓。如果信號電荷為空穴，那么例如第一電壓Vsl等于5V，第二電壓Vs2等于 0V。如果信號電荷為電子，那么第二電壓Vs2為比第一電壓Vsl高的電壓。如果信號電荷 為電子，那么例如第一電壓Vsl等于0V，第二電壓Vs2等于5V。在本說明書中，除非特別指 示，否則，作為基準，接地節點上的電壓為0V。
[0044] 圖1A所示的節點B包含放大器晶體管104的柵極。放大器晶體管104是放大單 元，并且，放大器晶體管104的柵極是放大單元的輸入節點。即，光電轉換單元101的第二電 極209與放大單元電連接。該配置使得放大單元能夠放大并且輸出通過光電轉換單元101 產生的信號。
[0045] 第二電極209與第一電容器103的第一端子電連接。在本不例性實施例中，第一 電容器103的第一端子包含于節點B中。即，第二電極209和第一電容器103的第一端子 短路。第一電容器103的第二端子包含于節點C中。第二端子與第一端子電容親合。換句 話說，節點C通過第一電容器103與節點B電容耦合。預定電壓被供給到第一電容器103 的第二端子（節點C)。在本示例性實施例中，第一電容器103的第二端子（節點C)接地。 即，向第一電容器103的第二端子供給0V的電壓。
[0046] 復位晶體管102的漏極與被供給復位電壓Vres的節點連接。復位晶體管102的 源極與光電轉換單元101的第二電極209和放大器晶體管104的柵極連接。該配置使得復 位晶體管102能夠將節點B上的電壓復位到復位電壓Vres。即，復位晶體管102是將第二 電極209上的電壓復位的復位單元。關斷復位晶體管102使得被配置為包含光電轉換單元 101的第二電極209的節點B進入電氣浮置狀態。
[0047] 在本示例性實施例中，供給到光電轉換單元101的第一電極201的電壓Vs與復位 電壓Vres之間的大小關系被控制，以在光電轉換單元101中蓄積信號電荷并且從光電轉換 單元101排出信號電荷。復位電壓Vres是第一電壓Vsl與第二電壓Vs2之間的中間值。例 如，如果信號電荷是空穴，那么復位電壓Vres是比第一電壓Vsl低且比第二電壓Vs2高的 電壓。如果信號電荷是電子，那么復位電壓Vres是比第一電壓Vsl高且比第二電壓Vs2低 的電壓。在本示例性實施例中，復位電壓Vres等于3. 3V。復位電壓Vres比電源電壓低，并 且，比供給到接地節點的電壓高。
[0048] 放大器晶體管104的漏極與被供給電源電壓的節點連接。放大器晶體管104的源 極通過選擇晶體管105與輸出線130連接。電流源160與輸出線130連接。放大器晶體管 104和電流源160形成源跟隨器電路，并且，通過光電轉換單元101產生的信號被輸出到輸 出線130。列電路140也與輸出線130連接。來自像素100的被輸出到輸出線130的信號 被輸入到列電路140。
[0049] 圖1B和圖1C示出光電轉換單元101的示例性等效電路圖。在本示例性實施例中， 光電轉換單元101包含被配置為蓄積信號電荷的光電轉換層、以及絕緣層。因此，光電轉換 單元101包含第一電極201與第二電極209之間的電容成分。在圖1B和圖1C所示的等效 電路中，該電容成分表不為設置在光電轉換單元101的第一電極201和第二電極209之間 的第二電容器111。圖1B示出光電轉換單元101包含阻擋層的示例性實施例。因此，通過 使用二極管112的電路符號示出阻擋層和光電轉換層。圖1C示出光電轉換層不包含阻擋 層的示例性實施例。因此，通過使用電阻器113的電路符號示出光電轉換層。以下描述光 電轉換單元101的結構。
[0050] 圖2是根據本示例性實施例的光電轉換裝置的總體電路配置的示意圖。具有與圖 1A中的功能基本上相同的功能的部分被賦予相同的附圖標記。
[0051] 圖2示出以四行、四列的矩陣形式配置的16個像素100。包含于各列中的多個像 素100與一個輸出線130連接。行驅動器電路120向像素100供給驅動信號pRES和驅動 信號pSEL。驅動信號pRES被供給到復位晶體管102的柵極。驅動信號pSEL被供給到選擇 晶體管105的柵極。復位晶體管102和選擇晶體管105由上述的驅動信號控制。包含于每 個行中的多個像素100與共用驅動信號線連接。驅動信號線是傳送驅動信號PRES和驅動 信號PSEL等的布線。在圖2中，分配諸如（η)和（n+1)的表示行的符號，以區分供給到不 同行的驅動信號。這同樣適用于其它的示圖。
[0052] 圖2示意性地示出光電轉換單元101的第一電極201的平面結構。如圖2所示， 包含于每個行中的多個像素100的光電轉換單元101被配置為包含共用的第一電極201。 如上所述，電壓供給單元110向第一電極201供給電壓Vs。在本示例性實施例中，為每個行 設置第一電極201。因此，行驅動器電路120選擇從電壓供給單元110向其供給電壓Vs的 行。分配諸如（η)和（n+1)的表示行的符號，以區分供給到不同行的電壓Vs。
[0053] 在本示例性實施例中，上述的配置使得能夠逐行驅動多個像素 100。
[0054] 輸出線130分別與列電路140連接。列驅動器電路150在逐列的基礎上驅動列電 路140。具體而言，列驅動器電路150向多個列電路140供給驅動信號CSEL。分配諸如（m) 和（m+1)的表示列的符號，以區分供給到不同的列的驅動信號。這同樣適用于其它的示圖。 該配置使得對各行并行讀出的信號能夠依次向輸出單元170輸出。
[0055] 現在詳細描述列電路140。圖3示出第m列和第（m+1)列中的列電路140的等效 電路。其余列中的列電路140沒有被示出。
[0056] 通過列放大器301放大輸出線130中的每一個上的信號。列放大器301的輸出節 點通過S/Η開關3