(57)【要約】【課題】ひとつの撮像装置で波長感度特性をフレーム単位で切り換えて撮像すること。【解決手段】撮像装置１００は、画素電極１１、電荷蓄積領域、及び単位画素セル１０と、対向電極１２と、光電変換層１５と、第一電圧、第二電圧、および第三電圧のいずれかを画素電極１１および対向電極１２の間に選択的に供給可能な電圧供給回路３２とを備える。電圧供給回路３２が第一電圧を供給することにより、光電変換層１５は、所定の波長範囲において、第一波長感度特性を示し、第二電圧を供給することにより、前記所定の波長範囲において、第二波長感度特性を示し、第三電圧を供給することにより、前記所定の波長範囲に含まれる波長の光に対して、感度を有しなくなる。電圧供給回路３２は、前記第一電圧から前記第二電圧、または前記第二電圧から前記第一電圧へ切り替える間において、前記第三電圧を供給する。【選択図】図４
2018125850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素電極、前記画素電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、及び前記電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む単位画素セルと、
前記画素電極に対向する対向電極と、
前記画素電極および前記対向電極の間に配置され、入射した光を電荷に変換する光電変換層と、
第一電圧、第二電圧、および第三電圧のいずれかを前記画素電極および前記対向電極の間に選択的に供給可能な電圧供給回路とを備え、
前記電荷は、前記電荷蓄積領域に蓄積され、
前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第一電圧を供給することにより、前記光電変換層は、所定の波長範囲において、第一波長感度特性を示し、
前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第二電圧を供給することにより、前記光電変換層は、前記所定の波長範囲において、前記第一波長感度特性と異なる第二波長感度特性を示し、
前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給することにより、前記所定の波長範囲に含まれる波長の光に対して、前記光電変換層は感度を有しなくなり、
前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、前記第一電圧から前記第二電圧、または前記第二電圧から前記第一電圧へ切り替える間の少なくとも一部の期間において、前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給する、
撮像装置。
【請求項２】
前記少なくとも一部の期間は、前記電荷蓄積領域の電位をリセットするリセット期間である、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第一波長感度特性は、可視波長域に第１の値以上の感度を有し、かつ、赤外波長域に第２の値以上の感度を有する波長感度特性であり、
前記第二波長感度特性は、可視波長域のみに第３の値以上の感度を有する波長感度特性である、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に、前記第一電圧と前記第二電圧とを交互に供給する、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、複数フレーム毎に、前記第一電圧と前記第二電圧との間で切り替える、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、所定の頻度で、前記第一電圧と前記第二電圧との間で切り替える、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記光電変換層は、複数の光電変換膜を含む、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数の光電変換膜のうち少なくとも一つは、有機材料を含む、
請求項７に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イメージセンサには、光電変換機能をもつフォトダイオードが用いられている。イメージセンサとしては、例えばＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサがある。また、近年、光電変換機能をもつ有機半導体材料を用いたイメージセンサも提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、一対の電極間にそれぞれ吸収スペクトルの異なる光電変換膜を複数積層することで、前記一対の電極間に印加する電圧に応じて撮像波長を変更する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１３１２３号公報
【特許文献２】特開２００８−２２７０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、隣り合うフレームにおいて撮像波長を切り換えることが可能な撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る撮像装置は、画素電極、前記画素電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、及び前記電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路を含む単位画素セルと、前記画素電極に対向する対向電極と、前記画素電極および前記対向電極の間に配置され、入射した光を電荷に変換する光電変換層と、第一電圧、第二電圧、および第三電圧のいずれかを前記画素電極および前記対向電極の間に選択的に供給可能な電圧供給回路と、を備える。前記電荷は、前記電荷蓄積領域に蓄積される。前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第一電圧を供給することにより、前記光電変換層は、所定の波長範囲において、第一波長感度特性を示し、前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第二電圧を供給することにより、前記光電変換層は、前記所定の波長範囲において、前記第一波長感度特性と異なる第二波長感度特性を示し、前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給することにより、前記所定の波長範囲に含まれる波長の光に対して、前記光電変換層は感度を有しなくなる。前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、前記第一電圧から前記第二電圧、または前記第二電圧から前記第一電圧へ切り替える間の少なくとも一部の期間において、前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を示す模式図である。
【図２】図２は、単位画素セルの例示的なデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、光電変換層の構成の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】図４は、実施形態に係る撮像装置における動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】図５は、実施形態に係る撮像装置において、光電変換層が有する波長感度特性の電圧依存性を示す一例である。
【図６】図６は、撮像装置における動作の比較例を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（本開示に至った知見）
有機半導体材料を有する有機光電変換素子は、従来のフォトダイオードを有する無機光電変換素子に比べて、構造及び製造プロセスを簡素化できる。また、有機半導体材料は、光電変換に寄与する波長範囲を任意に設計でき、所望の波長感度特性を有する光電変換素子を実現できる。
【０００９】
有機光電変換素子を複数配列したイメージセンサでは、各光電変換素子に印加する電圧を変更することで露光期間毎に感度を変更できるが、撮像波長を変更することはできない。撮像波長を変更するためには、イメージセンサの前面に所望の波長のみを透過する挿抜可能なフィルタを配置する方法が考えられる。しかし、この場合は装置構成が大きくなることに加え、フィルタの挿抜期間中は良好な撮像結果が得られない。
【００１０】
本開示は、隣り合うフレームにおいて撮像波長を切り換えることが可能な撮像装置を提供する。
【００１１】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１２】
本開示の一態様に係る撮像装置は、画素電極、前記画素電極に電気的に接続された電荷蓄積領域、及び前記電荷蓄積領域に電気的に接続された信号検出回路とを含む単位画素セルと、前記画素電極に対向する対向電極と、前記画素電極および前記対向電極の間に配置され、入射した光を電荷に変換する光電変換層と、第一電圧、第二電圧、および第三電圧のいずれかを前記画素電極および前記対向電極の間に選択的に供給可能な電圧供給回路とを備える。前記電荷は、前記電荷蓄積領域に蓄積される。前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第一電圧を供給することにより、前記光電変換層は、所定の波長範囲において、第一波長感度特性を示し、前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第二電圧を供給することにより、前記光電変換層は、前記所定の波長範囲において、前記第一波長感度特性と異なる第二波長感度特性を示し、前記電圧供給回路が前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給することにより、前記所定の波長範囲に含まれる波長の光に対して、前記光電変換層は感度を有しなくなる。前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、前記第一電圧から前記第二電圧、または前記第二電圧から前記第一電圧へ切り替える間の少なくとも一部の期間において、前記画素電極および前記対向電極の間に前記第三電圧を供給する。
【００１３】
ここで、感度を有しなくなる前記第三電圧の値とは、理想的には量子効率が０％になるような電圧であるが、実質的には、前記第一電圧または前記第二電圧を供給する状態において所定の波長範囲の光が光電変換層により光電変換されて生じる信号電荷の量に対して、前記第三電圧を供給するときに、所定の波長範囲の光が光電変換層により光電変換されて生じる信号電荷の量が十分に小さければよい。すなわち、前記第三電圧を供給する期間に所定の波長の光の入射に伴い生成される信号電荷の量をＱ（Ｖ３）とし、前記第一電圧または前記第二電圧を供給する期間に所定の波長の光の入射に伴い生成される信号電荷の量をそれぞれＱ（Ｖ１）、Ｑ（Ｖ２）としたとき、下記条件式（式１）を満たせば、前記第三電圧を供給する期間において光電変換層は実質的に感度を有しないといえる。
【００１４】
Ｑ（Ｖ３）／Ｑ（Ｖ１）＜０．１  かつ  Ｑ（Ｖ３）／Ｑ（Ｖ２）＜０．１・・・（式１）
【００１５】
さらに具体的には、前記画素電極および前記対向電極に供給する電圧に応じた量子効率をη（∨）とし、電圧供給期間をＴとし、被写体への放射照度をＬとしたとき、信号電荷量Ｑとのあいだには下記式（式２）の関係が成り立つ。
【００１６】
Ｑ∝η（∨）×Ｔ×Ｌ  ・・・（式２）
【００１７】
つまり、同じ放射照度で照らされている被写体を撮像する場合、前記第三電圧を供給するときの量子効率が前記第一電圧を供給するときの量子効率の１／１０であっても、前記第三電圧供給期間を前記第一電圧供給期間の１０倍の時間にすると信号電荷量は前記第一電圧供給期間と前記第三電圧供給期間とで同等になってしまい、前記式（式１）を満たさなくなる。従って、前記第三電圧の具体的な値は、量子効率の絶対値のみではなく、その供給期間及び被写体への放射照度を加味して、前記第一電圧または前記第二電圧を供給することで得られる信号電荷量に対して、前記第三電圧を供給することで得られる信号電荷量が十分少なくなるような値としてもよい。
【００１８】
ここで、前記少なくとも一部の期間は、前記電荷蓄積領域の電位をリセットするリセット期間であってもよい。
【００１９】
例えば、前記第一波長感度特性は、可視波長域に第１の値以上の感度を有し、かつ、赤外波長域に第２の値以上の感度を有する波長感度特性であり、前記第二波長感度特性は、可視波長域のみに第３の値以上の感度を有する波長感度特性であってもよい。ここで、第１の値以上の感度、第２の値以上の感度、第３の値以上の感度は、画素電極および対向電極の間に第三電圧が供給されているときの光電変換層の感度以上であってもよい。第１の値以上の感度、第２の値以上の感度、第３の値以上の感度は、光電変換層により生成される信号電荷量が上記式（式１）を満たすような感度であってもよく、光電変換層により生成される信号電荷量が上記式（式１）及び（式２）を満たすような感度であってもよい。第１の値、第２の値、第３の値は、光電変換層の量子効率が１０％以上になるような値であってもよく、光電変換層の量子効率が５０％以上になるような値であってもよい。一般的に製造されているイメージセンサの量子効率は５０％以上であるので、量子効率が５０％以上である光電変換層は、撮像用途に適している。
【００２０】
例えば、前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に、前記第一電圧と前記第二電圧とを交互に供給してもよい。
【００２１】
例えば、前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、複数フレーム毎に前記第一電圧と前記第二電圧との間で切り替えてもよい。
【００２２】
例えば、前記電圧供給回路は、前記画素電極および前記対向電極の間に供給する電圧を、所定の頻度で、前記第一電圧と前記第二電圧との間で切り替えてもよい。
【００２３】
例えば、前記光電変換層が、複数の光電変換膜を含む積層構造を有していてもよい。
【００２４】
例えば、前記複数の光電変換膜のうち少なくとも一つは、有機材料を含んでいてもよい。
【００２５】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００２６】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置、および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００２８】
（撮像装置の実施形態）
図１は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を示す。図１に示す撮像装置１００は、２次元に配列された複数の単位画素セル１０を含む画素アレイ２００を有する。図１は、単位画素セル１０が２行２列のマトリクス状に配置された例を模式的に示している。撮像装置１００における単位画素セル１０の数および配置は、図１に示す例に限定されない。
【００２９】
各単位画素セル１０は、光電変換部１３および信号検出回路１４を有する。後に図面を参照して説明するように、光電変換部１３は、互いに対向する２つの電極の間に挟まれた光電変換層を有し、入射した光を受けて信号電荷を生成する。光電変換部１３は、その全体が、単位画素セル１０毎に独立した素子である必要はなく、光電変換部１３の例えば一部分または全部が複数の単位画素セル１０にまたがっていてもよい。本実施の形態の場合は、光の入射側の電極についても、光の入射側の電極の一部分または全部が複数の単位画素セル１０にまたがっている。
【００３０】
信号検出回路１４は、光電変換部１３によって生成された信号を検出する回路である。この例では、信号検出回路１４は、信号検出トランジスタ２４およびアドレストランジスタ２６を含んでいる。信号検出トランジスタ２４およびアドレストランジスタ２６は、典型的には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、ここでは、信号検出トランジスタ２４およびアドレストランジスタ２６としてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を例示する。
【００３１】
図１において模式的に示すように、信号検出トランジスタ２４の制御端子（ここではゲート）は、光電変換部１３との電気的な接続を有する。光電変換部１３によって生成される信号電荷（正孔または電子）は、信号検出トランジスタ２４のゲートと光電変換部１３との間の電荷蓄積ノード（「フローティングディフュージョンノード」とも呼ばれる。）４１に蓄積される。電荷蓄積ノード４１は、電荷蓄積領域に相当する。光電変換部１３の構造の詳細は、後述する。
【００３２】
各単位画素セル１０の光電変換部１３は、さらに、感度制御線４２との接続を有している。図１に例示する構成において、感度制御線４２は、電圧供給回路３２に接続されている。この電圧供給回路３２は、少なくとも第一電圧、第二電圧、および、第三電圧の３種類の電圧のいずれかを光電変換部１３に選択的に供給可能に構成された回路である。電圧供給回路３２は、撮像装置１００の動作時、感度制御線４２を介して光電変換部１３に所定の電圧を供給する。電圧供給回路３２は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。後に詳しく説明するように、電圧供給回路３２から光電変換部１３に供給される電圧が、互いに異なる複数の電圧の間で切り替えられることにより、光電変換部１３からの電荷蓄積ノード４１への信号電荷の蓄積の開始および終了が制御される。換言すれば、本開示の実施形態では、電圧供給回路３２から光電変換部１３に供給される電圧を第三電圧と他の電圧との間で切り替えることによって、電子シャッタ動作が実行される。撮像装置１００の動作の例は、後述する。
【００３３】
各単位画素セル１０は、電源電圧ＶＤＤを供給する電源線４０との接続を有する。図示するように、電源線４０には、信号検出トランジスタ２４の入力端子（典型的にはドレイン）が接続されている。電源線４０がソースフォロア電源として機能することにより、信号検出トランジスタ２４は、光電変換部１３によって生成された信号電荷を、その信号電荷に応じた電圧に増幅して、信号電圧として出力する。
【００３４】
信号検出トランジスタ２４の出力端子（ここではソース）には、アドレストランジスタ２６の入力端子（ここではドレイン）が接続されている。アドレストランジスタ２６の出力端子（ここではソース）は、画素アレイ２００の列ごとに配置された複数の垂直信号線４７のうちの１つに接続されている。アドレストランジスタ２６の制御端子（ここではゲート）は、アドレス制御線４６に接続されており、アドレス制御線４６の電位を制御することにより、信号検出トランジスタ２４の出力を、対応する垂直信号線４７に選択的に読み出すことができる。
【００３５】
図示する例では、アドレス制御線４６は、垂直走査回路（「行走査回路」とも呼ばれる）３６に接続されている。垂直走査回路３６は、アドレス制御線４６に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の単位画素セル１０を行単位で選択する。これにより、選択された単位画素セル１０の信号の読み出しが実行される。
【００３６】
垂直信号線４７は、画素アレイ２００からの画素信号を周辺回路へ伝達する主信号線である。垂直信号線４７には、カラム信号処理回路（「行信号蓄積回路」とも呼ばれる）３７が接続される。カラム信号処理回路３７は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換（ＡＤ変換）などを行う。図示するように、カラム信号処理回路３７は、画素アレイ２００における単位画素セル１０の各列に対応して設けられる。これらのカラム信号処理回路３７には、水平信号読み出し回路（「列走査回路」とも呼ばれる）３８が接続される。水平信号読み出し回路３８は、複数のカラム信号処理回路３７から水平共通信号線４９に信号を順次読み出す。
【００３７】
図１に例示する構成において、単位画素セル１０は、リセットトランジスタ２８を有する。リセットトランジスタ２８は、例えば、信号検出トランジスタ２４およびアドレストランジスタ２６と同様に、電界効果トランジスタである。以下では、特に断りの無い限り、リセットトランジスタ２８としてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを適用した例を説明する。図示するように、このリセットトランジスタ２８は、リセット電圧Ｖｒを供給するリセット電圧線４４と、電荷蓄積ノード４１との間に接続される。リセットトランジスタ２８の制御端子（ここではゲート）は、リセット制御線４８に接続されており、リセット制御線４８の電位を制御することによって、電荷蓄積ノード４１の電位をリセット電圧Ｖｒにリセットすることができる。この例では、リセット制御線４８が、垂直走査回路３６に接続されている。したがって、垂直走査回路３６がリセット制御線４８に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の単位画素セル１０を行単位でリセットすることが可能である。
【００３８】
この例では、リセットトランジスタ２８にリセット電圧Ｖｒを供給するリセット電圧線４４が、リセット電圧源３４に接続されている。リセット電圧源３４は、撮像装置１００の動作時にリセット電圧線４４に所定のリセット電圧Ｖｒを供給可能な構成を有していればよく、上述の電圧供給回路３２と同様に、特定の電源回路に限定されない。電圧供給回路３２およびリセット電圧源３４の各々は、単一の電圧供給回路の一部分であってもよいし、独立した別個の電圧供給回路であってもよい。なお、電圧供給回路３２およびリセット電圧源３４の一方または両方が、垂直走査回路３６の一部分であってもよい。あるいは、電圧供給回路３２からの感度制御電圧および／またはリセット電圧源３４からのリセット電圧Ｖｒが、垂直走査回路３６を介して各単位画素セル１０に供給されてもよい。
【００３９】
リセット電圧Ｖｒとして、信号検出回路１４の電源電圧ＶＤＤを用いることも可能である。この場合、各単位画素セル１０に電源電圧を供給する電圧供給回路（図１において不図示）と、リセット電圧源３４とを共通化し得る。また、電源線４０と、リセット電圧線４４を共通化できるので、画素アレイ２００における配線を単純化し得る。ただし、リセット電圧Ｖｒと、信号検出回路１４の電源電圧ＶＤＤとに互いに異なる電圧を用いることは、撮像装置１００のより柔軟な制御を可能にする。
【００４０】
（単位画素セルのデバイス構造）
図２は、単位画素セル１０の例示的なデバイス構造を模式的に示す。図２に例示する構成では、上述の信号検出トランジスタ２４、アドレストランジスタ２６およびリセットトランジスタ２８が、半導体基板２０に形成されている。半導体基板２０は、その全体が半導体である基板に限定されない。半導体基板２０は、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであってもよい。ここでは、半導体基板２０としてＰ型シリコン（Ｓｉ）基板を用いる例を説明する。
【００４１】
半導体基板２０は、不純物領域（ここではＮ型領域）２６ｓ、２４ｓ、２４ｄ、２８ｄ、２８ｓと、単位画素セル１０間の電気的な分離のための素子分離領域２０ｔとを有する。ここでは、素子分離領域２０ｔは、不純物領域２４ｄと不純物領域２８ｄとの間にも設けられている。素子分離領域２０ｔは、例えば所定の注入条件のもとで、半導体基板２０にアクセプタのイオン注入を行うことによって形成される。
【００４２】
不純物領域２６ｓ、２４ｓ、２４ｄ、２８ｄ、２８ｓは、典型的には、半導体基板２０内に形成された拡散層である。図２に模式的に示すように、信号検出トランジスタ２４は、不純物領域２４ｓ、２４ｄと、ゲート電極２４ｇ（典型的にはポリシリコン電極）と、を含む。不純物領域２４ｓ、２４ｄは、それぞれ、信号検出トランジスタ２４の例えばソース領域およびドレイン領域として機能する。不純物領域２４ｓと不純物領域２４ｄとの間に、信号検出トランジスタ２４のチャネル領域が形成される。
【００４３】
同様に、アドレストランジスタ２６は、不純物領域２６ｓ、２４ｓと、アドレス制御線４６（図１参照）に接続されたゲート電極２６ｇ（典型的にはポリシリコン電極）と、を含む。この例では、信号検出トランジスタ２４およびアドレストランジスタ２６は、不純物領域２４ｓを共有することによって互いに電気的に接続されている。不純物領域２６ｓは、アドレストランジスタ２６の例えばソース領域として機能する。不純物領域２６ｓは、図２において不図示の垂直信号線４７（図１参照）との接続を有する。
【００４４】
リセットトランジスタ２８は、不純物領域２８ｄ、２８ｓと、リセット制御線４８（図１参照）に接続されたゲート電極２８ｇ（典型的にはポリシリコン電極）と、を含む。不純物領域２８ｓは、リセットトランジスタ２８の例えばソース領域として機能する。不純物領域２８ｓは、図２において不図示のリセット電圧線４４（図１参照）との接続を有する。
【００４５】
半導体基板２０上には、信号検出トランジスタ２４、アドレストランジスタ２６およびリセットトランジスタ２８を覆うように層間絶縁層５０（典型的には二酸化シリコン層）が配置されている。図示するように、層間絶縁層５０中には、配線層５６が配置され得る。配線層５６は、典型的には、銅などの金属から形成され、例えば、上述の垂直信号線４７などの配線をその一部に含み得る。層間絶縁層５０に含まれる絶縁層の数、および、層間絶縁層５０中に配置される配線層５６に含まれる配線層の数は、任意に設定可能であり、図２に示す例に限定されない。
【００４６】
層間絶縁層５０上には、上述の光電変換部１３が配置される。別の言い方をすれば、本開示の実施形態では、画素アレイ２００（図１参照）を構成する複数の単位画素セル１０が、半導体基板２０上に形成されている。半導体基板２０上に２次元に配列された複数の単位画素セル１０は、感光領域を形成する。隣接する２つの単位画素セル１０間の距離である画素ピッチは、例えば２μｍ程度である。
【００４７】
光電変換部１３は、画素電極１１と、対向電極１２と、これらの間に配置された光電変換層１５とを含む。この例では、対向電極１２および光電変換層１５は、複数の単位画素セル１０にまたがって形成されている。
【００４８】
他方、画素電極１１は、単位画素セル１０ごとに設けられており、隣接する他の単位画素セル１０の画素電極１１と空間的に分離されることによって、他の単位画素セル１０の画素電極１１から電気的に分離されている。
【００４９】
対向電極１２は、典型的には、透明な導電性材料から形成される透明電極である。対向電極１２は、光電変換層１５において光が入射される側に配置される。したがって、光電変換層１５には、対向電極１２を透過した光が入射する。なお、撮像装置１００によって検出される光は、可視光の波長範囲（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）内の光に限定されない。本明細書における「透明」は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味する。本明細書では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。対向電極１２には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｎＯ2などの透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅ（ＴＣＯ））を用いることができる。
【００５０】
光電変換層１５は、入射する光を受けて正孔−電子対を発生させる。光電変換層１５は、本実施の形態の場合、有機材料から形成される。光電変換層１５を構成する材料の具体例は、後述する。
【００５１】
図１を参照して説明したように、対向電極１２は、電圧供給回路３２に接続された感度制御線４２との接続を有する。また、ここでは、対向電極１２は、複数の単位画素セル１０にまたがって形成されている。したがって、感度制御線４２を介して、電圧供給回路３２から所望の大きさの感度制御電圧を複数の単位画素セル１０の間に一括して印加することが可能である。なお、電圧供給回路３２から所望の大きさの感度制御電圧を印加することができれば、対向電極１２は、単位画素セル１０ごとに分離して設けられていてもよい。同様に、光電変換層１５が単位画素セル１０ごとに分離して設けられていてもよい。
【００５２】
後に詳しく説明するように、電圧供給回路３２は、露光期間と非露光期間との間で互いに異なる電圧を対向電極１２に供給する。本明細書において、「露光期間」は、光電変換により生成される正および負の電荷の一方を電荷蓄積領域に蓄積するための期間を意味し、「電荷蓄積期間」と呼んでもよい。また、本明細書では、撮像装置の動作中であって露光期間以外の期間を「非露光期間」と呼ぶ。なお、「非露光期間」は、光電変換部１３への光の入射が遮断されている期間に限定されず、光電変換部１３に光が照射されている期間を含んでいてもよい。
【００５３】
画素電極１１の電位に対する対向電極１２の電位を制御することにより、光電変換によって光電変換層１５内に生じた正孔−電子対のうち、正孔および電子のいずれか一方を、画素電極１１によって収集することができる。例えば信号電荷として正孔を利用する場合、画素電極１１よりも対向電極１２の電位を高くすることにより、画素電極１１によって正孔を選択的に収集することが可能である。以下では、信号電荷として正孔を利用する場合を例示する。もちろん、信号電荷として電子を利用することも可能である。
【００５４】
対向電極１２に対向する画素電極１１は、対向電極１２と画素電極１１との間に適切なバイアス電圧が与えられることにより、光電変換層１５において光電変換によって発生した正および負の電荷のうちの一方を収集する。画素電極１１は、アルミニウム、銅などの金属、金属窒化物、または、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成される。
【００５５】
画素電極１１を遮光性の電極としてもよい。例えば、画素電極１１として、厚さが１００ｎｍのＴａＮ電極を形成することにより、十分な遮光性を実現し得る。画素電極１１を遮光性の電極とすることにより、半導体基板２０に形成されたトランジスタ（この例では信号検出トランジスタ２４、アドレストランジスタ２６およびリセットトランジスタ２８の少なくともいずれか）のチャネル領域または不純物領域への、光電変換層１５を通過した光の入射を抑制し得る。上述の配線層５６を利用して層間絶縁層５０内に遮光膜を形成してもよい。半導体基板２０に形成されたトランジスタのチャネル領域への光の入射を抑制することにより、トランジスタの特性のシフト（例えば閾値電圧の変動）などを抑制し得る。また、半導体基板２０に形成された不純物領域への光の入射を抑制することにより、不純物領域における意図しない光電変換によるノイズの混入を抑制し得る。このように、半導体基板２０への光の入射の抑制は、撮像装置１００の信頼性の向上に貢献する。
【００５６】
図２に模式的に示すように、画素電極１１は、プラグ５２、配線５３およびコンタクトプラグ５４を介して、信号検出トランジスタ２４のゲート電極２４ｇに接続されている。言い換えれば、信号検出トランジスタ２４のゲートは、画素電極１１との電気的な接続を有する。プラグ５２、配線５３は、例えば銅などの金属から形成される。プラグ５２、配線５３およびコンタクトプラグ５４は、信号検出トランジスタ２４と光電変換部１３との間の電荷蓄積ノード４１（図１参照）の少なくとも一部を構成する。配線５３は、配線層５６の一部であり得る。また、画素電極１１は、プラグ５２、配線５３およびコンタクトプラグ５５を介して、不純物領域２８ｄにも接続されている。図２に例示する構成において、信号検出トランジスタ２４のゲート電極２４ｇ、プラグ５２、配線５３、コンタクトプラグ５４、５５、ならびに、リセットトランジスタ２８のソース領域およびドレイン領域の一方である不純物領域２８ｄは、画素電極１１によって収集された信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能する。
【００５７】
画素電極１１によって信号電荷が収集されることにより、電荷蓄積領域に蓄積された信号電荷の量に応じた電圧が、信号検出トランジスタ２４のゲートに印加される。信号検出トランジスタ２４は、この電圧を増幅する。信号検出トランジスタ２４によって増幅された電圧が、信号電圧としてアドレストランジスタ２６を介して選択的に読み出される。
【００５８】
（光電変換層の構成の例）
上述したように、光電変換層１５に光を照射し、画素電極１１と対向電極１２との間にバイアス電圧を印加することにより、光電変換によって生じる正および負の電荷のうちの一方を画素電極１１によって収集し、収集された電荷を電荷蓄積領域に蓄積することができる。本実施の形態では、以下に説明するような互いに吸収スペクトルの異なる光電変換膜を一定の条件のもとで積層した感光層１５Ａを光電変換部１３に用いている。これによると、画素電極１１と対向電極１２との間の電位差によって、光電変換層１５の波長感度特性、つまり、撮像波長範囲を切り替えることが可能となる。また、電荷蓄積領域に既に蓄積された信号電荷は、画素電極１１と対向電極１２との間の電位差を所定の電位差以下にすることで、光電変換層１５を介して対向電極１２へ移動することを抑制できる。また、画素電極１１と対向電極１２との間の電位差を所定の電位差以下にすれば、その後、電荷蓄積領域へ信号電荷がさらに蓄積されることを抑制できる。このことは、本発明者らが新しく見出した知見の１つである。つまり、光電変換層１５に印加するバイアス電圧の大きさの制御により、複数の画素のそれぞれに転送トランジスタなどの素子を別途設けることなく、グローバルシャッタ機能を有し、また、撮像波長の電気的な切り換えが可能である。撮像装置１００における動作の典型例は、後述する。
【００５９】
以下、光電変換層１５の構成の例および光電変換層１５における波長感度特性を説明する。
【００６０】
図３は、光電変換層１５の構成の一例を示す模式的な断面図である。図３に例示される構成において、光電変換層１５は、正孔ブロッキング層１５ｈと、感光層１５Ａと、電子ブロッキング層１５ｅとを有している。正孔ブロッキング層１５ｈは、感光層１５Ａと対向電極１２との間に配置されている。電子ブロッキング層１５ｅは、感光層１５Ａと画素電極１１との間に配置されている。光電変換層１５は、典型的には、半導体材料を含む。ここでは、半導体材料として、有機半導体材料を用いる。有機半導体材料は、撮像で必要とする撮像波長において吸収ピークをもつ材料であればよいが、通常は電子供与性の有機半導体材料と、電子受容性の有機半導体材料を混合して光電変換膜を得る。これにより、光電変換層１５内で発生した励起子を電子と正孔に分離するのに必要な電界強度を半導体素子として十分使用可能な程度にまで小さくすることができる。言い換えると、同じ電圧における量子効率が増大し、光電変換特性が向上する。
【００６１】
本実施の形態の場合、対向電極１２側に配置される第一光電変換膜１５０ａは、可視波長域のみに感度を有する波長感度特性を有し、画素電極１１側に配置される第二光電変換膜１５０ｂは、可視波長域に感度を有し、かつ赤外波長域に可視波長域よりも強い感度を有する波長感度特性を有している。なおここでは、ピーク波長の十分の一未満の感度は、感度がないものとして記載している。
【００６２】
有機半導体材料で構成した光電変換層１５は、対向電極１２と画素電極１１との間に印加する電圧の大きさを変えることで、画素電極１１まで到達する信号電荷の量を制御することができる。この理由は、有機半導体材料のキャリア輸送性能が非常に低く、光電変換層１５内で発生した電荷を画素電極１１に引っ張る電界強度が強くなければ、光電変換層１５の中を移動中に再結合等で電荷が消失してしまうためである。
【００６３】
本実施の形態では、互いに吸収スペクトルの異なる第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂを対向電極１２と画素電極１１で挟む構成とした場合、第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂが所定の条件を満たす場合にのみ、対向電極１２と画素電極１１との間に印加する電圧に応じて信号電荷の画素電極１１への輸送を制御できる。このことも本発明者らが新しく見出した知見の１つである。
【００６４】
上述した所定の条件としては、例えば、第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのもつ膜抵抗の値に一定以上の差を設けることである。対向電極１２と画素電極１１間に印加された電圧は、第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのそれぞれの光電変換膜がもつ膜抵抗の比で分配される。第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのもつ膜抵抗に例えば４４倍以上の差を設けることで、膜抵抗の高い光電変換膜に印加電圧の多くが分配され、他方へ分配される電圧を光電変換閾値以下とすることができる。したがって、対向電極１２と画素電極１１間の印加電圧が低い場合は、膜抵抗の高い光電変換膜にのみ光電変換閾値以上の電界がかかり、膜抵抗の高い光電変換膜で発生した信号のみが画素電極１１へ輸送される。一方、対向電極１２と画素電極１１間の印加電圧を高くすると、膜抵抗の低い光電変換膜にも光電変換閾値以上の電界がかかるようになり、膜抵抗の低い光電変換膜も信号電荷を画素電極１１へ輸送可能な状態へと遷移する。膜抵抗は光電変換膜を構成する電子供与性材料と電子受容性材料のエネルギ準位、混合比、膜厚などによって調整可能である。
【００６５】
また、光電変換層１５に印加される電圧（すなわち、対向電極１２と画素電極１１間の印加電圧）が、積層された第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのそれぞれの光電変換閾値を下回ると、いずれの光電変換層も信号電荷を画素電極へ輸送できなくなる。この結果、第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの感度が実質的にゼロとなり、第一光電変換膜１５０ａ及び第二光電変換膜１５０ｂが感度を有しなくなる。したがって、対向電極１２と画素電極１１との間の印加電圧を選択することによって、全ての波長に対して光電変換感度がない状態と、感光層１５Ａの第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのいずれか一方のみが光電変換感度をもつ状態と、感光層１５Ａの第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの双方が光電変換感度をもつ状態と、を切り替えることができる。以上により、画素電極１１と対向電極１２との間の電位差によって、光電変換層１５の波長感度特性、つまり、撮像波長範囲を切り替え、かつ、電気的なシャッタ動作を実現することが可能となる。
【００６６】
上述した第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂとしては、例えば、ＤＴＤＣＴＢ（２−｛［７−（５−Ｎ，Ｎ−Ｄｉｔｏｌｙｌａｍｉｎｏｔｈｉｏｐｈｅｎ−２−ｙｌ）−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌ−４−ｙｌ］ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ｝ｍａｌｏｎｏｎｉｔｒｉｌｅ）とＣ７０フラーレンとの共蒸着膜、スズナフタロシアニンとＣ７０フラーレンとの共蒸着膜を用いることができる。さらに詳細には以下の材料を用いることができる。典型的には、第一光電変換膜１５０ａおよび第二光電変換膜１５０ｂは、それぞれ、電子供与性（ドナー性、ｐ型）の分子と、電子受容性（アクセプター性、ｎ型）の分子とを含む。
【００６７】
電子供与性の分子の典型例は、有機ｐ型半導体であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質を有する。有機ｐ型半導体の例は、ＤＴＤＣＴＢ等のトリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、α−セキシチオフェン（α−６Ｔ）、Ｐ３ＨＴ（ポリ３−ヘキシルチオフェン）等のチオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、ルブレン等のテトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等である。フタロシアニン化合物の例は、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、塩化アルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、Ｓｉ（ＯＳｉＲ３）２Ｎｃ（Ｒは、炭素数が１から１８のアルキル基を表し、Ｎｃはナフタロシアニンを表す。）、スズナフタロシアニン（ＳｎＮｃ）および鉛フタロシアニン（ＰｂＰｃ）等である。ドナー性有機半導体は、これらに限られず、ｎ型（アクセプター性）化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用い得る。イオン化ポテンシャルは、真空準位と最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギ準位との差である。
【００６８】
電子受容性の分子の典型例は、有機ｎ型半導体であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質を有する。有機ｎ型半導体の例は、Ｃ６０およびＣ７０等のフラーレン、フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）等のフラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、ペリレンテトラカルボキシルジイミド化合物（ＰＴＣＤＩ）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等である。アクセプタ性有機半導体は、これらに限らず、ｐ型（ドナー性）有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプタ性有機半導体として用い得る。電子親和力は、真空準位と最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギ準位との差である。
【００６９】
第一光電変換膜１５０ａとして例えば可視波長域に光電変換感度を有する有機半導体材料を用い、第二光電変換膜１５０ｂとして例えば赤外波長域に感度を有する有機半導体材料を用いることができる。
【００７０】
上記と同様の効果は、感光層１５Ａの第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの界面にエネルギ障壁を設けることでも実現可能である。例えば、信号電荷として正孔を蓄積する場合は、感光層１５Ａの第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの界面に、正孔に対して例えば０．２ｅＶ以上のエネルギ障壁が形成されるように、第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂのイオン化ポテンシャルを選択すれば良い。
【００７１】
第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの界面にエネルギ障壁を設けない場合には、波長感度特性の電圧依存性はそれぞれの第一光電変換膜１５０ａと第二光電変換膜１５０ｂの膜抵抗に支配され、波長感度特性の切り換え動作は積層順に依存しない。しかしながら、光電変換効率に着目した場合、より好ましい積層条件が存在する。上述したように、一般に、光電変換膜は電子供与性の有機半導体材料と電子受容性の有機半導体材料を混合することで得る。ここで、電子受容性材料としてはＣ６０フラーレン、Ｃ７０フラーレンおよびその類縁体を用いてもよい。これは、フラーレンのＬＵＭＯ軌道が球殻上に空間的に広がっているため、接触する電子供与性の有機半導体材料から高い効率でフラーレン分子へ電子の移動が起こるためと考えられる。従って、高効率な光電変換素子を実現しようとする場合、所望の波長に吸収をもつ電子供与性有機半導体材料と、フラーレン及びその類縁体とを混合して光電変換膜を得てもよい。ところで、フラーレン及びその類縁体は一般に可視波長域、特に青色に相当する波長帯域に強い吸収をもつことが知られている。従って、赤外波長域に吸収をもつ電子供与性有機半導体材料とフラーレン及びその類縁体を用いて赤外光電変換膜を設計すると、赤外波長域のみならず、可視波長域にも吸収をもつ特性となる。この場合、第一光電変換膜１５０ａに赤外光電変換膜を用い、第二光電変換膜１５０ｂに可視光域に感度を有する可視光電変換膜を用いるように積層すると、光の入射側に配置する第一光電変換膜で可視光の一部が吸収され、可視光電変換膜である第二光電変換膜に入射する可視光域の光量が減衰する。従って、このような場合には、可視光電変換膜を第一光電変換膜１５０ａとし、赤外光電変換膜を第二光電変換膜１５０ｂとすると、第二光電変換膜に入射する可視光域の光の光量が減衰するのを抑制することができる。一方、可視光に吸収をもつ電子供与性有機半導体とフラーレン及びその類縁体を用いて可視光電変換膜を構成する場合には、赤外波長域に吸収をもたない特性となる。このため、このような可視光電変換膜を光の入射側に配置しても赤外光を透過し、十分な光量の赤外光を赤外光電変換膜に入射させることができる。このように、良好な撮像結果を得るためには、所望の光電変換膜に所望の波長の光が十分に入射するよう、複数の光電変換膜の積層順序を決めてもよい。
【００７２】
（撮像装置１００の動作の例）
図４は、本開示の実施形態に係る撮像装置における動作の一例を説明するタイミングチャートである。図４において、部分（ａ）、（ｂ）は同期信号の立ち下がりまたは立ち上がりのタイミング、部分（ｃ）は光電変換層１５に印加されるバイアス電圧の大きさの時間的変化、部分（ｄ）は画素アレイ２００（図１参照）の各行におけるリセットおよび露光のタイミング、を示している。より具体的には、図４において、部分（ａ）は垂直同期信号Ｖｓｓの立ち下がりまたは立ち上がりのタイミングを示し、部分（ｂ）は水平同期信号Ｈｓｓの立ち下がりまたは立ち上がりのタイミングを示している。部分（ｃ）は感度制御線４２を介して電圧供給回路３２から対向電極１２に印加される電圧Ｖｂの時間的変化を示している。さらに部分（ｄ）は画素アレイ２００の各行におけるリセットおよび露光のタイミングを示している。なお、感度制御線４２を介して電圧供給回路３２から対向電極１２に印加される電圧Ｖｂの時間的変化は、画素電極１１の電位を基準としたときの対向電極１２の電位の時間的変化に相当する。
【００７３】
なお図４では、説明を簡単にするために画素アレイ２００中には３行の単位画素セル１０が存在する場合を示しているが、画素アレイ２００はさらに多くの行を備えていてもかまわない。
【００７４】
以下、図１、図２および図４を参照しながら、撮像装置１００における動作の一例を説明する。簡単のため、ここでは、画素アレイ２００に含まれる画素の行数が、ｒｏｗ＜０＞行、ｒｏｗ＜１＞行、ｒｏｗ＜２＞行の合計３行である場合における動作の例を説明する。
【００７５】
画像の取得においては、まず、画素アレイ２００中の各単位画素セル１０の電荷蓄積領域のリセットと、先に露光していた場合にはその画素信号の読み出しとが実行される。例えば、図４に示すように、垂直同期信号Ｖｓｓに基づき、ｒｏｗ＜０＞行に属する複数の画素のリセットを開始する（時刻ｔ０）。なお、図４中の網掛けの矩形は、信号の読み出し期間を模式的に表している。この読み出し期間は、単位画素セル１０の電荷蓄積領域の電位をリセットするためのリセット期間をその一部に含む。
【００７６】
ｒｏｗ＜０＞行に属する画素のリセットにおいては、ｒｏｗ＜０＞行のアドレス制御線４６の電位の制御により、そのアドレス制御線４６にゲートが接続されているアドレストランジスタ２６をＯＮとし、さらに、ｒｏｗ＜０＞行のリセット制御線４８の電位の制御により、そのリセット制御線４８にゲートが接続されているリセットトランジスタ２８をＯＮとする。これにより、電荷蓄積ノード４１とリセット電圧線４４とが接続され、電荷蓄積領域である電荷蓄積ノード４１にリセット電圧Ｖｒが供給される。すなわち、信号検出トランジスタ２４のゲート電極２４ｇおよび光電変換部１３の画素電極１１の電位が、リセット電圧Ｖｒにリセットされる。その後、垂直信号線４７を介して、ｒｏｗ＜０＞行の単位画素セル１０からリセット後の画素信号を読み出す。このときに得られる画素信号は、リセット電圧Ｖｒの大きさに対応した画素信号である。画素信号の読み出し後、リセットトランジスタ２８およびアドレストランジスタ２６をＯＦＦとする。
【００７７】
この例では、図４に模式的に示すように、水平同期信号Ｈｓｓにあわせて、ｒｏｗ＜０＞行、ｒｏｗ＜１＞行、ｒｏｗ＜２＞行の各行に属する画素のリセットを行単位で順次に実行する。以下では、水平同期信号Ｈｓｓのパルスの間隔、換言すれば、ある行が選択されてから次の行が選択されるまでの期間を「１Ｈ期間」と呼ぶことがある。この例では、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間が１Ｈ期間に相当する。
【００７８】
図４に示すように、少なくとも画素アレイ２００の単位画素セル１０がそれぞれ備える電荷蓄積領域の全てをリセットする期間であるリセット期間、画像取得の開始から、画素アレイ２００の全ての行のリセットおよび画素信号の読み出しが終了するまでの期間（時刻ｔ０からｔ３）においては、画素電極１１と対向電極１２との間には、所定の波長範囲における光電変換層１５の感度が実質的に０となる第三電圧Ｖ３が、電圧供給回路３２により印加されている。ここで、第三電圧Ｖ３は例えば０Ｖ（ボルト）である。すなわち、光電変換部１３の光電変換層１５に第三電圧Ｖ３のバイアス電圧を印加することにより、画素アレイ２００から画像信号の取得を開始するタイミング（時刻ｔ０）から露光期間の開始（時刻ｔ３）までの期間（非露光期間）を創出することができる。
【００７９】
光電変換層１５に第三電圧Ｖ３のバイアス電圧が印加された状態では、光電変換層１５からの電荷蓄積領域への信号電荷の移動は、ほとんど起こらない。これは、光電変換層１５に第三電圧Ｖ３のバイアス電圧が印加された状態では、光の照射によって生じた正および負の電荷のほとんどが、速やかに再結合し、画素電極１１によって収集される前に消滅してしまうためであると推測される。したがって、光電変換層１５に第三電圧Ｖ３のバイアス電圧が印加された状態では、光電変換層１５に光が入射しても、電荷蓄積領域への信号電荷の蓄積は、ほとんど起こらない。そのため、露光期間以外の期間における、意図しない感度（以下、「寄生感度」と呼ぶことがある。）の発生が抑制される。
【００８０】
図４の部分（ｄ）において、ある行（例えばｒｏｗ＜０＞行）に着目したとき、濃い網掛けの矩形および薄い網掛けの矩形で示される期間が、非露光期間を表している。なお、第三電圧Ｖ３は、０Ｖに限定されない。
【００８１】
画素アレイ２００の全ての行のリセットおよび画素信号の読み出しの終了後、水平同期信号Ｈｓｓに基づき、露光を開始する（時刻ｔ３）。図４の部分（ｄ）において、白の矩形は、各行における露光期間を模式的に表している。なお、図４では網掛けのある矩形が示す非露光期間と白の矩形が示す露光期間は同じ長さに記載されているが、これは説明のためであり同じ長さに限定する趣旨ではない。露光期間は被写体の暗さ及び被写体の動きの速さなどにより任意に調整される。露光期間は、電圧供給回路３２が、画素電極１１と対向電極１２との間に印加する電圧を第三電圧Ｖ３とは異なる第一電圧Ｖ１または第二電圧Ｖ２に切り替えることによって開始される。第一電圧Ｖ１は、例えば、感光層１５Ａのいずれもが光電変換閾値を超えて感度をもつような電圧である。光電変換層１５に第一電圧Ｖ１が印加されることにより、光電変換層１５中の信号電荷（この例では正孔）が画素電極１１によって収集され、電荷蓄積領域に蓄積される。図５は、実施形態に係る撮像装置１００において、光電変換層１５が有する波長感度特性の電圧依存性を示す一例である。
【００８２】
本実施の形態の場合、図５に示すような波長感度特性にて、可視波長域および赤外波長域の光に基づき光電変換された信号電荷が電荷蓄積領域に蓄積される。図４の部分（ｄ）において、ＲＧＢ＋ＩＲと記載された白い矩形の期間は、可視波長域及び赤外波長域の光に基づく信号電荷が電荷蓄積領域に蓄積される露光期間を表す。
【００８３】
電圧供給回路３２が、画素電極１１と対向電極１２との間に印加する電圧を再び第三電圧Ｖ３に切り替えることにより、露光期間が終了する（時刻ｔ６）。次に、水平同期信号Ｈｓｓに基づき、画素アレイ２００の各行に属する画素からの信号電荷の読み出しを行う。この例では、時刻ｔ６から、ｒｏｗ＜０＞行、ｒｏｗ＜１＞行、ｒｏｗ＜２＞行の各行に属する画素からの信号電荷の読み出しが行単位で順次に実行されている。以下では、ある行に属する画素が選択されてからその行に属する画素が再び選択されるまでの期間を「１Ｖ期間」と呼ぶことがある。この例では、時刻ｔ０から時刻ｔ６までの期間が１Ｖ期間に相当する。１Ｖ期間は１フレームに相当する。光電変換層１５に第一電圧Ｖ１が印加された１Ｖ期間の、次の１Ｖ期間における露光期間には、光電変換層１５に印加する電圧を第一電圧Ｖ１および第三電圧Ｖ３とは異なる第二電圧Ｖ２に切り替える。第二電圧Ｖ２は、例えば感光層１５Ａのどちらか一方のみが光電変換閾値を超えるような電圧であり、例えば、第一電圧Ｖ１と第三電圧Ｖ３の中間に対応する電圧である。本実施の形態の場合、光電変換層１５に印加される電圧が第二電圧Ｖ２のとき、図５に示すように、可視波長域の光のみに基づき光電変換された信号電荷が電荷蓄積領域に蓄積される。図４の部分（ｄ）において、ＲＧＢと記載された白い矩形の期間は、可視波長域の光のみに基づく信号電荷が電荷蓄積領域に蓄積される露光期間を表す。
【００８４】
光電変換層１５に印加する電圧を再び第三電圧Ｖ３に切替えることによって露光期間が終了する（時刻ｔ１２）。その後、水平同期信号Ｈｓｓに基づき、画素アレイ２００の各行に属する画素からの信号電荷の読み出しを行う。
【００８５】
このように、本開示の実施形態では、画素電極１１と対向電極１２との間に印加する電圧が露光期間中は第一電圧Ｖ１及び第二電圧Ｖ２のいずれか一方が選択され、第一電圧Ｖ１から第二電圧Ｖ２、または、第二電圧Ｖ２から第一電圧Ｖ１へ光電変換層１５に印加する供給電圧を切り替える間、つまり、少なくとも電荷蓄積領域を全てリセットする期間を含む非露光期間は第三電圧Ｖ３が選択される。これによって、波長感度特性が異なる光電変換層１５から得られる２種類の画像を、いわゆるグローバルシャッタによって得ることができる。
【００８６】
また、画素電極１１と対向電極１２との間に、第一電圧Ｖ１を印加する１Ｖ期間と第二電圧Ｖ２を印加する１Ｖ期間とを交互に実行することで、波長感度特性が異なる光電変換層１５から得られる２種類の動画をほぼ同時に１つの撮像装置１００で得ることができる。また、これらの２種類の動画が電気的に実現されるグローバルシャッタにより得られるため、いずれの動画においても、高速に動く被写体が歪みなく撮像された動画となる。
【００８７】
また、画素電極１１と対向電極１２との間に、第一電圧Ｖ１を印加する期間と第二電圧Ｖ２を印加する期間は交互ではなく、変更頻度は任意でよい。また、電圧変更の処理が行われる頻度はフレーム数で規定されてもよい。例えば、電圧変更の処理は数十フレームに１回、実施してもよい。また、定期的に電圧変更の処理が行われるのではなく、何らかのトリガに基づくタイミングに基づいて電圧変更の処理が行われてもよい。また、必要なタイミングで赤外光を検出するために、例えば１秒に１回だけ、可視光及び赤外光による撮像モードで撮像して赤外光による撮像情報を得、通常は可視光による撮像モードでカラー画像を取得するとしてもよい。
【００８８】
本実施の形態の場合、第一電圧Ｖ１を印加することによって可視波長域に第１の値以上の感度を有し、かつ、赤外波長域に第２の値以上の感度を有する波長感度特性となり、第一電圧Ｖ１よりも低電圧の第二電圧Ｖ２を印加することによって可視波長域のみに第３の値以上の感度を有する波長感度特性となる光電変換層１５が採用されている。従って、可視波長域から赤外波長域までの波長を使った露光期間と、可視波長域の波長のみを使った露光期間とが切り替えられる。図４からわかるように、この例における露光期間の開始（時刻ｔ３, 時刻ｔ９）および終了（時刻ｔ６, 時刻ｔ１２）は、画素アレイ２００に含まれる全ての画素において同じタイミングである。すなわち、ここで説明する動作は、所謂グローバルシャッタである。
【００８９】
一方、図６に示すように、画素電極１１と対向電極１２との間に印加する電圧を、第一電圧Ｖ１と第二電圧Ｖ２との間で切り替える間に第三電圧Ｖ３に設定しない場合、電気的に非露光状態を創出することができない。このため、画像の取得が所謂ローリングシャッタになる。また、ｒｏｗ＜１＞及びｒｏｗ＜２＞に示すように、光電変換層１５が異なる２種類の波長感度特性であるときに生成した信号電荷、つまり可視波長域の光のみによる信号電荷と、可視波長域及び赤外波長域を含む光による信号電荷とが、混在した状態で、電荷蓄積領域に蓄積されることになる。したがって、正しい画像を得ることが困難になる。
【００９０】
本実施の形態では、露光期間の終了後における、ｒｏｗ＜０＞行に属する画素からの信号電荷の読み出しにおいては、ｒｏｗ＜０＞行のアドレストランジスタ２６をＯＮとする。これにより、露光期間において電荷蓄積領域に蓄積された電荷量に対応した画素信号が垂直信号線４７に出力される。画素信号の読み出しに続けて、リセットトランジスタ２８をＯＮとして画素のリセットを行ってもよい。画素信号の読み出し後、アドレストランジスタ２６およびリセットトランジスタ２８をＯＦＦとする。画素アレイ２００の各行に属する画素からの信号電荷の読み出し後、時刻ｔ０と時刻ｔ３との間において読み出された信号との差分をとることにより、固定ノイズを除去した信号が得られる。
【００９１】
このとき、画素電極１１と対向電極１２との間には第三電圧Ｖ３が印加されているので、光電変換層１５は、感度が実質的に０となるバイアス電圧が印加された状態にある。そのため、光電変換層１５に光が入射した状態であっても、電荷蓄積領域への信号電荷のさらなる蓄積はほとんど起こらない。したがって、意図しない電荷の混入に起因するノイズの発生が抑制される。
【００９２】
なお、非露光期間における電荷蓄積領域への信号電荷の蓄積をさらに抑制するという観点から、画素電極１１と対向電極１２との間に、上述の第三電圧Ｖ３の極性を反転させた電圧を印加することによって、露光期間を終了させてもよい。なお、画素電極１１と対向電極１２との間に印加する電圧の極性を単純に反転させると、電荷蓄積領域に既に蓄積された信号電荷が光電変換層１５を介して対向電極１２へ移動することがある。この信号電荷の移動は、例えば、取得された画像中の黒点として観察される。つまり、非露光期間における電荷蓄積領域からの光電変換層１５を介した対向電極１２への信号電荷の移動は、マイナスの寄生感度の要因になり得る。
【００９３】
本実施形態では、光電変換層１５に印加される電圧を第三電圧Ｖ３に変更することで露光期間を終了させているので、電荷蓄積領域への信号電荷の蓄積が終わった後の光電変換層１５は、感度が実質的に０となるバイアス電圧が印加された状態にある。第三電圧Ｖ３がバイアス電圧として印加された状態では、電荷蓄積領域に既に蓄積された信号電荷の光電変換層１５を介した対向電極１２への移動を抑制することが可能である。換言すれば、光電変換層１５への第三電圧Ｖ３の印加により、露光期間において蓄積された信号電荷を電荷蓄積領域に保持しておくことが可能である。つまり、電荷蓄積領域から信号電荷が失われることによるマイナスの寄生感度の発生を抑制し得る。
【００９４】
このように、本実施形態では、露光期間の開始と終了、および露光期間の撮像波長が、画素電極１１と対向電極１２との間に印加される電圧Ｖｂによって制御される。すなわち、本実施形態によれば、各単位画素セル１０の撮像波長を全画素同時に切り換えて撮像することができる。
【００９５】
（本開示の撮像装置の用途）
本開示にかかる撮像装置は、医療用カメラ、ロボット用カメラ、セキュリティカメラ、車載カメラなどに用いることができる。
【００９６】
例えば、工場などにおいて、高速にコンベア上を流れる製品の表面に貼り付けられるラベルに、１）視認可能なインクなどによる情報またはデザインと、２）人間の目には見えないが赤外線を反射する（または赤外線を放出する）ＩＲインクなどによるコードとを記録しておく。この場合に、本開示に係る撮像装置を用いて、上述したラベルに対して、撮像モードを切り換えて撮像を行う。視認可能なインクなどによる情報またはデザインは、本開示に係る撮像装置を用いて撮像すれば可視波長域の画像として認識できるため、この画像を有するラベルを含む製品について、製品の外観検査を行う。また、赤外線を反射するＩＲインクなどによるコードは、本開示に係る撮像装置を用いて撮像すれば赤外波長域の画像として認識できるため、取得した画像をモニタリングすることで、肉眼では認識されずに、ラベルに埋め込まれたコードを識別して情報を読み取ることなどが可能である。これにより、製品のデザインを損なうことなく、製品のロットなどの流通識別情報の識別が可能となる。
【００９７】
また、撮像装置による個人認証を行う際に、本開示に係る撮像装置を用いて、光電変換層１５が可視波長域のみに感度を有するＲＧＢモードで撮像を行い、この撮像で得た可視波長域の画像から人の肌、髪、及び瞳の色などの顔の色情報を取得する。また、近赤外線照明を照射して本開示に係る撮像装置を用いて、光電変換層１５が可視波長域及び赤外波長域に感度を有するＲＧＢ＋ＩＲモードで撮像を行い、この撮像で得た画像から人の虹彩パターンまたは手指の静脈パターンを取得することができる。上述した顔の色情報と、人の虹彩パターンまたは手指の静脈パターンとを、例えば合成して個人情報として記録または保存を行い、個人認証に用いることができる。本開示の撮像装置を用いれば、以上のようなことが一台の撮像装置で実現できるので、複数の生体情報を組み合わせて個人認証の認証精度を向上することが可能となる。
【符号の説明】
【００９８】
１０  単位画素セル
１１  画素電極
１２  対向電極
１３  光電変換部
１４  信号検出回路
１５  光電変換層
１５Ａ  感光層
１５ｅ  電子ブロッキング層
１５ｈ  正孔ブロッキング層
２０  半導体基板
２４  信号検出トランジスタ
２６  アドレストランジスタ
３２  電圧供給回路
４１  電荷蓄積ノード
１００  撮像装置
１５０ａ  第一光電変換膜
１５０ｂ  第二光電変換膜
２００  画素アレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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