【手続補正書】
【提出日】平成29年7月4日(2017.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、第２の電極、前記第１の電極および前記第２の電極の間に配された光電変換層、ならびに、前記光電変換層および前記第２の電極の間に配された絶縁層、を含む光電変換部と、
前記第２の電極と電気的に接続され、前記光電変換部で生じた信号を出力する増幅部と、
前記第２の電極の電圧をリセットするリセット部と、を有する光電変換装置において、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧に応じて、前記光電変換部に信号電荷を蓄積する蓄積動作と、前記蓄積動作によって蓄積された信号電荷を前記光電変換部から排出する排出動作とを交互に行い、
複数回行われる前記排出動作のうち、第１の排出動作から前記第１の排出動作の次に行われる第２の排出動作までの期間に、前記リセット部が、前記第２の電極の電圧をリセットする第１のリセット動作と、前記第１のリセット動作の後に前記第２の電極の電圧をリセットする第２のリセット動作を行う、
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記期間に行われる蓄積動作の開始の前に、前記リセット部が前記第１のリセット動作を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記期間に行われる蓄積動作の開始の後に、前記リセット部が前記第１のリセット動作を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第２のリセット動作の後であって、前記第２の排出動作の前に、前記増幅部が第１の信号を出力し、
前記第２の排出動作の後であって、前記第２の電極の電圧がリセットされる前に、前記増幅部が第２の信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１の信号と前記第２の信号とを保持する保持部を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１の信号と前記第２の信号との差分を出力する信号処理部を有する、
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第１の排出動作の後であって、前記第１のリセット動作の前に、前記増幅部が第３の信号を出力する、
ことを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を第１の電圧にすることで、前記蓄積動作を行い、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を、前記第１の電圧とは逆の極性の第２の電圧にすることで、前記排出動作を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記第１の電極に第１の電圧を供給することで、前記蓄積動作を行い、
前記第１の電極に、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を供給することで、前記排出動作を行い、
前記リセット部が前記第２の電極の電圧を前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の電圧にリセットする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記第２の電極に電気的に接続された第１の容量を含み、
前記第１の電圧Ｖｓ１、前記第２の電圧Ｖｓ２、前記第１の容量の容量値Ｃ１、前記第１の電極と前記第２の電極とが形成する第２の容量の容量値Ｃ２、前記第２の電極に供給されるリセット電圧Ｖｒｅｓが、以下の式で表される関係を満たす、
【数１】
2016021611.tif 000001
ことを特徴とする請求項９に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第２の電極を含んで構成される、あるいは、前記第２の電極へスイッチを介して電気的に接続される第１のノードと、
前記第１のノードに、第１の容量を介して容量結合する第２のノードと、を有し、
前記第２のノードに第１の電圧を供給することで、前記蓄積動作を行い、
前記第２のノードに、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を供給することで、前記排出動作を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記第１の電極に供給される電圧Ｖｓ、前記第１の電圧Ｖｄ１、前記第２の電圧Ｖｄ２、前記第１の容量の容量値Ｃ１、前記第１の電極と前記第２の電極とが形成する第２の容量の容量値Ｃ２、および、前記第２の電極に供給されるリセット電圧Ｖｒｅｓが、以下の式で表される関係を満たす、
【数２】
2016021611.tif 000002
ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記第２の電極と前記増幅部の入力ノードとの間の電気経路にスイッチが配される、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
前記第２の電極は前記増幅部の入力ノードに含まれる、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１５】
それぞれが前記光電変換部を含む複数の画素を有し、
前記第１の電極は、前記複数の画素に対して共通に設けられ、
前記第２の電極は、前記複数の画素のそれぞれに対して個別に設けられる、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１６】
前記光電変換層は、量子ドット膜である、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１７】
前記第１のリセット動作と前記第２のリセット動作との間の期間に、前記リセット部がオフである、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１８】
前記第１のリセット動作と前記第２のリセット動作との間の期間に、前記蓄積動作の少なくとも一部が行われる、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の光電変換装置。
【請求項１９】
請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理装置と、を備えた撮像システム。
【請求項２０】
画素ごとに２つの前記光電変換部を含み、
前記信号処理装置が、前記２つの光電変換部で生じた電荷に基づく信号を処理し、前記光電変換装置から被写体までの距離情報を取得する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の撮像システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
光電変換部は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極および第２の電極の間に配された光電変換層と、光電変換層と第２の電極との間に配された絶縁層と、を含む。図１において、第１の電極２０１、光電変換層２０５、絶縁層２０７、および、第２の電極２０９が例示されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
第１の電極２０１は、図２に示されるとおり、行ごとに電気的に絶縁されている。一方で、図５（ａ）に示されるとおり、１つの行に含まれる複数の画素１００の第１の電極２０１は、共通の導電部材で構成される。そのため、第１の電極２０１は共通電極とも呼ばれる。第１の電極２０１の平面構造は図２に示されているので、図４において第１の電極２０１は図示されていない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
リセット動作による２の電極２０９の電圧の変化に応じて、光電変換層２０５の表面ポテンシャルは変化しうる。この時の第２の電極２０９の電圧の変化の方向は、信号電荷が蓄積することによって生じた２の電極２０９の電圧の変化とは反対の方向である。そのため、信号電荷のホールは、光電変換層２０５に蓄積されたままである。また、ブロッキング層によって第１の電極２０１からのホールの注入は阻止されるため、光電変換層２０５に蓄積された信号電荷の量は変わらない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
ここで、図６（ｃ）に示される状態の時に、選択トランジスタ１０５がオンする。これにより、増幅トランジスタ１０４が光信号（Ｖｐ＋Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）を画素１００から出力する。光信号は、列回路１４０の容量ＣＴＳに保持される。ステップ（２）で読み出されたノイズ信号（Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）と、ステップ（４）で読み出された光信号（Ｖｐ＋Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）との差分が、蓄積された信号電荷に応じた電圧Ｖｐに基づく信号である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
第１の電極２０１の電圧の変化量ｄＶｓは、第１の電圧Ｖｓ１と第２の電圧Ｖｓ２とを用いて、ｄＶｓ＝Ｖｓ２−Ｖｓ１と表される。したがって、式（１４）は、式（１５）のように変形される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０７】
ここで、式（１７）の表す関係について説明する。まず、リセット電圧Ｖｒｅｓは第１の電圧Ｖｓ１と第２の電圧Ｖｓ２との中間の値である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
一方で、リセット電圧Ｖｒｅｓが第２の電圧Ｖｓ２に近いほど、右辺の値は大きくなる。つまり、第１の容量１０３の容量値Ｃ１に大きい値が用いられる。このときには、リセット電圧Ｖｒｅｓと第１の電圧Ｖｓ１との差が大きいので、光電変換層２０５に蓄積できる電荷の量を増やすことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３３】
一方、光電変換部１０１の第１の電極２０１には、所定の電圧Ｖｓが供給される。本実施例では、光電変換部１０１の第１の電極２０１には３Ｖの電圧が供給されている。図８において、第１の電極２０１はノードＡに含まれている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３７】
図９は、光電変換部１０１の第１の電極２０１の平面構造を模式的に示している。第１の電極２０１は、図８のノードＡに含まれる。図９が示すように、複数の行および複数の列に含まれる複数の画素１００の光電変換部１０１は、共通の第１の電極２０１を含んで構成される。第１の電極２０１には、電圧Ｖｓが供給される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４５】
図１２（ａ）は、ステップ（１）からステップ（２）における光電変換部１０１の状態を示している。第１の電極２０１には、電圧Ｖｓが供給されている。電圧Ｖｓは、例えば、３Ｖである。光電変換層２０５には、露光期間中に生じた信号電荷として、白丸で示されたホールが蓄積されている。つまり、光電変換装置は蓄積動作を行っている。なお、蓄積動作と排出動作とは交互に行われるため、蓄積動作の開始前には、排出動作が行われている。蓄積されたホールの量に応じて、光電変換層２０５の表面ポテンシャルは低くなる方向（電圧が高くなる方向）へ変化する。電子が蓄積される場合、蓄積される電子の量に応じて、表面ポテンシャルは高くなる方向（電圧が低くなる方向）へ変化する。また、ノードＣには第１の電圧Ｖｄ１が供給されている。第１の電圧Ｖｄ１は、例えば、０Ｖである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４８】
リセット動作による２の電極２０９の電圧の変化に応じて、光電変換層２０５の表面ポテンシャルは変化しうる。この時の第２の電極２０９の電圧の変化の方向は、信号電荷が蓄積することによって生じた２の電極２０９の電圧の変化とは反対の方向である。そのため、信号電荷のホールは、光電変換層２０５に蓄積されたままである。また、ブロッキング層によって第１の電極２０１からのホールの注入は阻止されるため、光電変換層２０５に蓄積された信号電荷の量は変わらない。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５２】
本実施例では、第２の電極２０９の電圧の変化量ｄＶＢが、第１の電極２０１の電圧Ｖｓとリセット電圧Ｖｒｅｓの差（Ｖｓ−Ｖｒｅｓ）よりも十分に大きい。そのため、第２の電極２０９のポテンシャルは、第１の電極２０１のポテンシャルよりも低くなり、光電変換層２０５のポテンシャルの傾きが反転する。これにより、黒丸で示された電子が第１の電極２０９から光電変換層２０５へ注入される。また、信号電荷として光電変換層２０５に蓄積されたホールの一部または全部が、ブロッキング層２０３の方へ移動する。移動したホールは、ブロッキング層２０３の多数キャリアと再結合して消滅する。その結果、光電変換層２０５のホールが光電変換層２０５から排出される。光電変換層２０５の全体が空乏化する場合には、信号電荷として蓄積されたホールの全部が排出される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５４】
ここで、図１２（ｃ）に示される状態の時に、選択トランジスタ１０５がオンする。これにより、増幅トランジスタ１０４が光信号（Ｖｐ＋Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）を画素１００から出力する。光信号は、列回路１４０の容量ＣＴＳに保持される。ステップ（２）で読み出されたノイズ信号（Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）と、ステップ（４）で読み出された光信号（Ｖｐ＋Ｖｒｅｓ＋ｋＴＣ１）との差分が、蓄積された信号電荷に応じた電圧Ｖｐに基づく信号である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５８】
なお、蓄積されたホールによって光電変換層２０５の表面ポテンシャルが変化する。この表面ポテンシャルの変化に応じて、第２の電極２０９の電圧は上がる。これが図１２（ｆ）ではＶｐ０で示されている。図１２（ａ）のリセット時には、上述のとおり、変化した電圧Ｖｐ０を打ち消すように、第２の電極２０９の電圧が変化する。つまり、第２の電極２０９の電圧が下がる。したがって、光電変換層２０５の表面ポテンシャルは高くなる方向に変化する。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６０】
図１２を用いて説明した動作においては、図１２（ｂ）の状態で光電変換層２０５のポテンシャルの傾きが反転することで、蓄積したホールの排出を行っている。光電変換層２０５のポテンシャルの傾きを反転させることができないと、排出されない電荷が生じるため、ノイズが生じる可能性がある。ここで、第２の電極２０９（ノードＢ）の電圧の変化量ｄＶＢが、第１の電極２０１の電圧Ｖｓとリセット電圧Ｖｒｅｓの差（Ｖｓ−Ｖｒｅｓ）に比べて大きいほど、ポテンシャル勾配を反転させやすい。つまり、第２の電極２０９の電圧の変化量ｄＶＢが、第１の電極２０９の電圧Ｖｓとリセット電圧Ｖｒｅｓの差（Ｖｓ−Ｖｒｅｓ）に比べて大きいほど、ノイズを低減することができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８３】
しかし、信号電荷が電子の実施例では、第２の電圧Ｖｄ２が第１の電圧Ｖｄ１よりも低い。つまり、ノードＣの電圧の変化量ｄＶｄ＝Ｖｄ２−Ｖｄ１は、負の値である。したがって、式（２６）の両辺をｄＶｄで除すと、不等号の向きが変わる。その結果、信号電荷がホールの場合と同じように、式（２４）および式（２５）の関係式が得られる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８４】
ここで、式（２５）の表す関係について説明する。リセット電圧Ｖｒｅｓが光電変換部１０１の第１の電極２０１に供給される電圧Ｖｓに近いほど、右辺の値は小さくなる。つまり、第１の容量１０３の容量値Ｃ１が小さくても、光電変換層２０５のポテンシャルの傾きを反転することができるようになる。リセット電圧Ｖｒｅｓと第１の電極２０１に供給される電圧Ｖｓとの差が小さいと、光電変換層２０５に蓄積できる電荷の量が小さくなる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９３】
以上に述べたとおり、本実施例の光電変換装置は、光電変換部１０１の１回の蓄積動作に対して、リセットトランジスタ１０２が、図６（ｄ）で示される第１のリセット動作と、図６（ａ）で示される第２のリセット動作とを行う。このような構成によれば、光電変換部１０１に印加される電極間電圧が低下することを防止することができる。結果として、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０９】
以降の動作では、行ごとに光信号を読み出す。時刻ｔ７において、駆動信号ｐＳＥＬ（ｎ）がハイレベルになる。また、時刻ｔ７において、駆動信号ｐＴＳ（ｎ）がハイレベルになる。これにより、ｎ行目の画素１００の増幅トランジスタ１０４が光信号を出力する。そして、ｎ行目の画素１００から出力された光信号が、容量ＣＴＳに保持される。容量ＣＴＳに保持された光信号は、時刻ｔ９以降、列ごとに出力部１７０に出力される。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１５】
図１６は、本実施例の光電変換装置の画素１００の構成を模式的に示している。図１６には２行２列の４つの画素１００が示されている。図８と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付してある。光電変換部１０１の構造は、実施例２と同様である。そのため、図１６において、光電変換部１０１の断面構造は示していない。