УСТРОЙСТВО ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ И СИСТЕМА ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE CAPTURING DEVICE AND IMAGE CAPTURING SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к устройству захвата изображения и системе захвата изображения.
Описание предшествующего уровня техники
[0002] Многослойное устройство захвата изображения предлагается в качестве устройства захвата изображения, используемого для датчика изображения или подобного камеры. В устройстве захвата изображения, продемонстрированном на Фиг. 1 документа WO 2012/004923, пленка фотоэлектрического преобразования расположена на полупроводниковой подложке. Прозрачный электрод расположен на пленке фотоэлектрического преобразования, а электрод пикселя расположен между пленкой фотоэлектрического преобразования и полупроводниковой подложкой. Изолирующая пленка расположена между пленкой фотоэлектрического преобразования и электродом пикселя. Согласно WO 2012/004923, такая конфигурация обеспечивает двойную коррелированную выборку (CDS), и, соответственно, шум может быть уменьшен.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Устройство захвата изображения согласно варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположено множество схем пикселей, полупроводниковый слой, расположенный на подложке, первый электрод, расположенный на полупроводниковом слое, и второй электрод, расположенный между полупроводниковым слоем и подложкой. Непрерывный участок полупроводникового слоя включает в себя светопринимающую область, расположенную между первым электродом и вторым электродом, и область удержания заряда, выполненную с возможностью удержания заряда, сгенерированного в светопринимающей области, причем область удержания заряда расположена в положении, отличном от светопринимающей области.
[0004] Устройство захвата изображения согласно другому варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположено множество схем пикселей, полупроводниковый слой, расположенный на подложке и включающий в себя, для каждой из множества схем пикселей, первый участок, выполненный с возможностью приема света, и второй участок, экранированный от света, и источник напряжения смещения, выполненный с возможностью подачи напряжения смещения на первый участок и второй участок независимо друг от друга.
[0005] Дополнительные признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0006] Фиг. 1А схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения, Фиг. 1B демонстрирует эквивалентную схему участка фотоэлектрического преобразования и Фиг. 1C демонстрирует эквивалентную схему участка фотоэлектрического преобразования.
[0007] Фиг. 2 схематически демонстрирует полную конфигурацию устройства захвата изображения.
[0008] Фиг. 3 демонстрирует эквивалентную схему схемы столбца устройства захвата изображения.
[0009] Фиг. 4А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения, Фиг. 4B схематически демонстрирует структуру в поперечном разрезе устройства захвата изображения, а Фиг. 4C схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения.
[0010] Фиг. 5А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения, а Фиг. 5B схематически демонстрирует структуру в поперечном разрезе устройства захвата изображения.
[0011] Фиг. 6А - 6C схематически демонстрируют конфигурацию пикселя устройства захвата изображения, а Фиг. 6D - 6F схематически демонстрируют потенциал устройства захвата изображения.
[0012] Фиг. 7 схематически демонстрирует энергетическую зону участка фотоэлектрического преобразования устройства захвата изображения.
[0013] Фиг. 8 демонстрирует временную диаграмму управляющих сигналов, используемых в устройстве захвата изображения.
[0014] Фиг. 9 демонстрирует временную диаграмму управляющих сигналов, используемых в устройстве захвата изображения.
[0015] Фиг. 10 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0016] Фиг. 11 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0017] Фиг. 12 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0018] Фиг. 13А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения, а Фиг. 13B схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения.
[0019] Фиг. 14А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения, а Фиг. 14B схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0020] Фиг. 15А схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения, а Фиг. 15B схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0021] Фиг. 16 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0022] Фиг. 17 схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения.
[0023] Фиг. 18 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0024] Фиг. 19А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения, а Фиг. 19B схематически демонстрирует вид в поперечном разрезе устройства захвата изображения.
[0025] Фиг. 20 схематически демонстрирует конфигурацию пикселя устройства захвата изображения.
[0026] Фиг. 21 изображает блок-схему, демонстрирующую систему захвата изображения.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0027] Например, в случае накопления зарядов во множестве пикселей в одном и том же периоде экспонирования и затем последовательного считывания сигналов из множества пикселей, как, например, при операции глобального электронного затвора, накопленные заряды или сигналы на основе зарядов удерживаются в месте, отличном от светопринимающей области. Авторы изобретения предложили использовать узел, включающий в себя электрод пикселя, расположенный под пленкой фотоэлектрического преобразования, в качестве узла для удержания сигналов. Однако в некоторых устройствах захвата изображения электрод пикселя соединен с диффузионным слоем, формирующим исток транзистора сброса и затвор усиливающего транзистора. То есть узел, включающий в себя электрод пикселя, служит в качестве входного узла участка усиления. Следовательно, поскольку сигналы удерживаются в месте, отличном от светопринимающей области, трудно выполнить двойную коррелированную выборку (CDS), если сигналы удерживаются узлом, включающим в себя электрод пикселя. Вследствие этого шум может увеличиваться. В устройстве захвата изображения трудно уменьшить шум в случае выполнения операции глобального электронного затвора или подобного. Согласно некоторым вариантам осуществления, шум может быть уменьшен.
[0028] Вариант осуществления согласно настоящему изобретению представляет собой устройство захвата изображения, включающее в себя множество пикселей. Каждый пиксель включает в себя участок фотоэлектрического преобразования и схему пикселя для считывания сигналов, которые основаны на зарядах, сгенерированных участком фотоэлектрического преобразования. Устройство захвата изображения согласно данному варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположены схемы пикселей, и полупроводниковый слой, расположенный на подложке. Непрерывный участок полупроводникового слоя включает в себя светопринимающую область, расположенную между первым электродом и вторым электродом, и область удержания заряда, отличную от светопринимающей области.
[0029] При использовании конфигурации, в которой светопринимающая область и область удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя, может быть получен по меньшей мере один из нижеследующих эффектов.
[0030] Поскольку область удержания заряда обеспечивается в дополнение к светопринимающей области и схеме пикселя, сигналы, которые основаны на сигнальных зарядах, сгенерированных в период экспонирования, могут быть удержаны в области удержания заряда с момента окончания периода экспонирования до момента считывания сигналов. При использовании такой конфигурации процесс уменьшения шума, такой, как двойная коррелированная выборка (CDS), может быть легко выполнен в случае выполнения операции глобального электронного затвора. Вследствие этого шум может быть уменьшен. Операция глобального электронного затвора является примером операции накопления зарядов в один и тот же период экспонирования во множестве пикселей и затем последовательного считывания сигналов из множества пикселей.
[0031] В полупроводниковом слое может быть применен метод уменьшения темнового тока. Следовательно, область удержания заряда расположена в полупроводниковом слое, и, соответственно, смешивание зарядов, порождающее шум при удержании сигнальных зарядов, может быть устранено. Кроме того, поскольку светопринимающая область и область удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя, шум, генерируемый в тракте передачи сигналов из светопринимающей области в область удержания заряда, может быть устранен. Способ побуждения области удержания заряда к удержанию сигналов не ограничен особым образом. Например, сигнальные заряды, сгенерированные в светопринимающей области, могут быть перенесены в область удержания заряда. В качестве альтернативы, изменение потенциала в светопринимающей области на основе сигнальных зарядов может быть передано через емкостную связь.
[0032] Поскольку светопринимающая область и область удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя, сигнальные заряды могут быть перенесены из светопринимающей области в область удержания заряда с использованием простой конфигурации. Например, заряды могут быть перенесены с использованием области переноса заряда, расположенной между светопринимающей областью и областью удержания заряда, и электрода, который подает напряжение смещения на область переноса заряда.
[0033] Другой вариант осуществления согласно настоящему изобретению представляет собой устройство захвата изображения, включающее в себя множество пикселей. Каждый пиксель включает в себя участок фотоэлектрического преобразования и схему пикселя для считывания сигналов, которые основаны на зарядах, сгенерированных участком фотоэлектрического преобразования. Устройство захвата изображения согласно данному варианту осуществления включает в себя подложку, на которой расположены схемы пикселей, и полупроводниковый слой, расположенный на подложке. Полупроводниковый слой включает в себя первый участок (светопринимающую область), который принимает свет, и второй участок (область удержания заряда), который экранирован от света. Устройство захвата изображения дополнительно включает в себя источник напряжения смещения, выполненный с возможностью подачи напряжения смещения на первый участок и второй участок независимо друг от друга.
[0034] При использовании конфигурации, включающей в себя источник напряжения смещения, выполненный с возможностью подачи напряжения смещения на первый участок и второй участок независимо друг от друга, первый участок может быть использован в качестве светопринимающей области, а второй участок может быть использован в качестве области удержания заряда. Соответственно, может быть получен по меньшей мере один из нижеследующих эффектов. Способ побуждения области удержания заряда к удержанию сигналов не ограничен особым образом. Например, сигнальные заряды, сгенерированные в светопринимающей области, могут быть перенесены в область удержания заряда. В качестве альтернативы, изменение потенциала в светопринимающей области на основе сигнальных зарядов может быть передано через емкостную связь.
[0035] Поскольку область удержания заряда для удержания зарядов расположена в полупроводниковом слое в дополнение к светопринимающей области, которая принимает свет, сигналы, которые основаны на сигнальных зарядах, сгенерированных в период экспонирования, могут быть удержаны в области удержания заряда с момента окончания периода экспонирования до момента считывания сигналов. При использовании такой конфигурации процесс уменьшения шума, такой, как двойная коррелированная выборка (CDS), может быть легко выполнен в случае выполнения операции глобального электронного затвора. Вследствие этого шум может быть уменьшен. Операция глобального электронного затвора является примером операции накопления зарядов в одном и том же периоде экспонирования во множестве пикселей и затем последовательного считывания сигналов из множества пикселей.
[0036] Поскольку область удержания заряда экранирована от света, смешивание зарядов, сгенерированных посредством фотоэлектрического преобразования при удержании сигнальных зарядов в области удержания заряда, может быть устранено. Вследствие этого шум может быть уменьшен.
[0037] В полупроводниковом слое может быть применен метод уменьшения темнового тока. Следовательно, область удержания заряда расположена в полупроводниковом слое, и, соответственно, смешивание зарядов, порождающее шум при удержании сигнальных зарядов, может быть устранено.
[0038] Согласно другому варианту осуществления первый участок может быть использован в качестве светопринимающей области, а второй участок может быть использован в качестве области OB (оптического уровня черного). Следовательно, с помощью дифференциальной обработки, выполненной в отношении сигнала из светопринимающей области и сигнала из области ОВ, шум, вызываемый темновым током или подобным, может быть подавлен.
[0039] Вследствие этого может быть получен сигнал изображения с уменьшенным шумом.
[0040] Здесь далее, со ссылкой на прилагаемые чертежи будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается нижеописанными вариантами осуществления. Модифицированный пример, полученный при изменении конфигурации части любого из нижеследующих вариантов осуществления без отступления от сущности настоящего изобретения, также является вариантом осуществления настоящего изобретения. Кроме того, пример, в котором конфигурация части любого из нижеследующих вариантов осуществления добавляется к другому варианту осуществления, или пример, в котором конфигурация части любого из нижеследующих вариантов осуществления заменяется конфигурацией части другого варианта осуществления, также является вариантом осуществления настоящего изобретения.
Первый вариант осуществления
[0041] Далее будет описан вариант осуществления настоящего изобретения. Фиг. 1А схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Устройство захвата изображения включает в себя подложку (не продемонстрирована), на которой расположены схемы пикселей 100, и полупроводниковый слой 108, расположенный на подложке. Фиг. 1А демонстрирует только один пиксель 100, однако устройство захвата изображения согласно данному варианту осуществления включает в себя множество пикселей 100.
[0042] Пиксель 100 включает в себя светопринимающую область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда, которые расположены в полупроводниковом слое 108. Светопринимающая область 101 соответствует первому участку полупроводникового слоя 108, а участок 103 удержания заряда соответствует второму участку полупроводникового слоя 108. Полупроводниковый слой 108 может состоять из неорганического полупроводника, такого как кремний. В качестве альтернативы, полупроводниковый слой 108 может состоять из органического полупроводника.
[0043] Верхний электрод 106 (S) расположен на полупроводниковом слое 108. Верхний электрод 106 (S) подает напряжение смещения на светопринимающую область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда. Верхний электрод 106 (S) соединен с источником 104 (VS) питания. Источник 104 (VS) питания подает напряжение Vs. В данном варианте осуществления верхний электрод 106 (S) подает напряжение смещения, как на светопринимающую область 101, так и на область 103 удержания заряда. С этой целью верхний электрод 106 (S) образован из проводящего слоя, который непрерывно простирается по светопринимающей области 101 и области 103 удержания заряда. С другой точки зрения, первый участок (первый электрод) верхнего электрода 106 (S) подает напряжение смещения на светопринимающую область 101, а второй участок (третий электрод) верхнего электрода 106 (S) подает напряжение смещения на область 103 удержания заряда. Первый участок (первый электрод) и второй участок (третий электрод) верхнего электрода 106 (S) могут быть изолированными друг от друга.
[0044] Пиксель 100 дополнительно включает в себя электрод 110 (P) (второй электрод), который подает напряжение смещения на правую область 101 приема, и источник 113 (VP) питания, соединенный с электродом 110 (P). Источник 113 (VP) питания подает напряжение Vp. Пиксель 100 дополнительно включает в себя электрод 112 (M) (четвертый электрод), который подает напряжение смещения на область 103 удержания заряда. Светопринимающая область 101 полупроводникового слоя 108 расположена между первым участком (первым электродом) верхнего электрода 106 (S) и электродом 110 (P). Область 103 удержания заряда полупроводникового слоя 108 расположена между вторым участком (третьим электродом) верхнего электрода 106 (S) и электродом 112 (M).
[0045] Электрод 110 (P) и электрод 112 (M) электрически изолированы друг от друга. При использовании такой конфигурации напряжение смещения может быть подано на светопринимающую область 101 и область 103 удержания заряда независимо друг от друга. В данном варианте осуществления электрод 110 (P) и электрод 112 (M) составляют источник напряжения смещения, который подает напряжение смещения на светопринимающую область 101 (первый участок) 101 и область 103 удержания заряда (второй участок) полупроводникового слоя 108 независимо друг от друга. В случае, когда напряжение смещения не подается на светопринимающую область 101 и область 103 удержания заряда независимо друг от друга, электрод 110 (P) и электрод 112 (M) могут быть непрерывными. В случае, когда напряжение смещения не подается на область 103 удержания заряда, электрод 112 (M) может быть опущен.
[0046] Верхний электрод 106 (S) выполнен с возможностью пропускания через себя заданного количества света. То есть светопринимающая область 101 выполнена с возможностью приема света. Например, в качестве верхнего электрода 106 (S) используется слой оксида олова-индия (ITO), который является прозрачным проводящим материалом, или тонкий металлический слой. В данном варианте осуществления область 103 удержания заряда экранирована от света. В частности, светоэкранирующий слой 105 для блокировки падающего света расположен на области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда. С помощью части светоэкранирующего слоя 105, расположенной на области 102 переноса заряда, генерирование зарядов в области 102 переноса заряда в процессе переноса заряда может быть устранено. Соответственно, шум может быть уменьшен. Кроме того, с помощью части светоэкранирующего слоя 105, расположенной на области 103 удержания заряда, генерирование зарядов в области 103 удержания заряда при удержании зарядов в области 103 удержания заряда может быть устранено. Соответственно, шум может быть уменьшен.
[0047] Блокирующий слой 107 для уменьшения ввода заряда с верхнего электрода 106 (S) в полупроводниковый слой 108 расположен между верхним электродом 106 (S) и полупроводниковым слоем 108. Блокирующий слой 107 может состоять из материала с запрещенной энергетической зоной, отличной от запрещенной энергетической зоны полупроводникового слоя 108. В качестве альтернативы, блокирующий слой 107 может состоять из материала с концентрацией примесей, отличной от концентрации примесей полупроводникового слоя 108. Изолирующий слой 109 расположен между электродом 110 (P) и полупроводниковым слоем 108. Изолирующий слой 109 простирается между электродом 112 (M) и полупроводниковым слоем 108 и между электродом 111 (T) переноса и полупроводниковым слоем 108. Согласно модифицированному примеру данного варианта осуществления либо блокирующий слой 107, либо изолирующий слой 109, либо оба перечисленных слоя опускаются.
[0048] Область 102 переноса заряда расположена между светопринимающей областью 101 и областью 103 удержания заряда. Пиксель 100 включает в себя электрод 111 (T) переноса, который управляет напряжением смещения, подаваемым на область 102 переноса заряда, и источник 114 (VT) питания, соединенный с электродом 111 (T) переноса. Источник 114 (VT) питания подает напряжение Vt. Согласно модифицированному примеру данного варианта осуществления область 102 переноса заряда и электрод 111 (T) переноса опускаются.
[0049] Напряжение Vm подается от источника 115 (VD) питания на электрод 112 (M) через первый конденсатор 116 (Cm). Пиксель 100 включает в себя транзистор 117 сброса и усиливающий транзистор 118, которые соединены с электродом 112 (M). Кроме того, пиксель 100 включает в себя транзистор 119 выбора, расположенный на электрической дорожке между усиливающим транзистором 118 и выводной линией 120. Транзистор 117 сброса, усиливающий транзистор 118 и транзистор 119 выбора являются примерами элементов, включенных в состав схемы пикселя. Усиливающий транзистор 118 выводит сигналы на основе зарядов, сгенерированных в светопринимающей области 101. Транзистор 117 сброса сбрасывает напряжение входного узла усиливающего транзистора 118. Транзистор 119 выбора управляет соединением между усиливающим транзистором 118 и выводной линией 120. Множество пикселей 100 соединены с одной выводной линией 120. В случае, когда множество пикселей 100 составляют пиксельную матрицу, включающую в себя множество столбцов пикселей, одна или множество выводных линий 120 располагаются в каждом столбце пикселей. Источник 121 тока и усилитель 301 столбца соединены с выводной линией 120. Усиливающий транзистор 118 и источник 121 тока составляют схему истокового повторителя. Сигнал, который выводится из пикселя 100 на выводную линию 120, вводится на усилитель 301 столбца.
[0050] Транзистор 117 сброса, усиливающий транзистор 118 и транзистор 119 выбора расположены на подложке, которая не продемонстрирована. Например, подложка является кремниевой подложкой. Полупроводниковый слой 108 расположен на подложке, на которой расположена схема пикселя, включающая в себя усиливающий транзистор 118. С другой точки зрения, полупроводниковый слой 108 укладывается в стопку на подложке, на которой расположена схема пикселя.
[0051] Фиг. 1B и 1C демонстрируют пример эквивалентных схем участка удержания заряда, включающего в себя область 103 удержания заряда. В данном варианте осуществления участок удержания заряда включает в себя полупроводниковый слой 108 и изолирующий слой 109. Таким образом, участок удержания заряда включает в себя емкостную составляющую между верхним электродом 106 (S) и электродом 112 (M). Эквивалентные схемы Фиг. 1B и 1C демонстрируют емкостную составляющую в качестве второго конденсатора 123, расположенного между верхним электродом 106 (S) и электродом 112 (M). Фиг. 1B демонстрирует вариант осуществления, в котором участок удержания заряда включает в себя блокирующий слой 107. Таким образом, блокирующий слой 107 и полупроводниковый слой 108 демонстрируются в качестве диода 124. Фиг. 1C демонстрирует вариант осуществления, в котором полупроводниковый слой 108 не включает в себя блокирующий слой. Таким образом, полупроводниковый слой 108 демонстрируется в качестве резистора 125. Структура полупроводникового слоя 108 будет описана ниже.
[0052] В данном варианте осуществления светопринимающая область 101 и область 103 удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя 108. Например, непрерывный участок полупроводникового слоя 108 является участком, состоящим из практически однородного материала в полупроводниковом слое 108. В процессе изготовления устройства захвата изображения возникают ошибки изготовления. Таким образом, непрерывный участок полупроводникового слоя 108 может включать в себя изменение в материале, вызванное ошибками изготовления. С другой точки зрения, непрерывный участок полупроводникового слоя 108 является участком, который единовременно формируется в полупроводниковом слое 108. После единовременного формирования непрерывного участка полупроводникового слоя 108 может быть обработана только ее часть. Таким образом, непрерывный участок полупроводникового слоя 108 может включать в себя множество участков, имеющих разную толщину или разную ширину.
[0053] Далее будут описаны функции отдельных участков пикселя 100. Светопринимающая область 101 полупроводникового слоя 108, первый участок (первый электрод) верхнего электрода 106 (S), расположенного на светопринимающей области 101, электрод 110 (P) и изолирующий слой 109, расположенный между полупроводниковым слоем 108 и электродом 110 (P), составляют участок фотоэлектрического преобразования. Участок фотоэлектрического преобразования генерирует заряды в соответствии с падающим светом и накапливает сгенерированные заряды в качестве сигнальных зарядов. В соответствии с напряжением, приложенным между верхним электродом 106 (S) и электродом 110 (P), можно управлять накоплением сигнальных зарядов в участке фотоэлектрического преобразования и разрядом или переносом сигнальных зарядов из участка фотоэлектрического преобразования.
[0054] Область 103 удержания заряда полупроводникового слоя 108, второй участок (третий электрод) верхнего электрода 106 (S), расположенного на области 103 удержания заряда, электрод 112 (M) и изолирующий слой 109, расположенный между полупроводниковым слоем 108 и электродом 112 (M), составляют участок удержания заряда. Участок удержания заряда удерживает сигнальные заряды в месте, отличном от участка фотоэлектрического преобразования. С помощью контролируемого напряжения смещения, подаваемого на электрод 112 (M), можно считывать сигналы из участка удержания заряда.
[0055] Область 102 переноса заряда полупроводникового слоя 108, верхний электрод 106 (S), электрод 111 (T) переноса и изолирующий слой 109, расположенный между полупроводниковым слоем 108 и электродом 111 (T) переноса, составляют участок переноса заряда. В данном варианте осуществления светопринимающая область 101 и область 103 удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя 108 с областью 102 переноса заряда между ними. При использовании такой конфигурации участок переноса заряда может переносить заряды, накопленные в светопринимающей области 101, в область 103 удержания заряда. Переносом зарядов управляют напряжением смещения, подаваемым на электрод 111 (T) переноса.
[0056] В данном варианте осуществления светопринимающая область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда расположены в разных участках полупроводникового слоя 108, который является непрерывным. Отдельными областями управляют независимо друг от друга. Соответственно, светопринимающая область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда реализуют различные функции. Светопринимающая область 101 имеет функцию генерирования зарядов посредством фотоэлектрического преобразования и функцию накопления зарядов. Область 102 переноса заряда имеет функцию переноса зарядов из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. Область 103 удержания заряда имеет функцию удержания зарядов независимо от светопринимающей области 101.
[0057] Далее будет описана схема пикселя 100. Электрод 112 (M) и затвор усиливающего транзистора 118 электрически соединены друг с другом. Как продемонстрировано на Фиг. 1А, электрод 112 (M) и затвор усиливающего транзистора 118 могут быть короткозамкнутыми. В качестве альтернативы, на электрической дорожке между электродом 112 (M) и усиливающим транзистором 118 может быть расположен переключатель.
[0058] На Фиг. 1А узел, состоящий из электрода 112 (M) и затвора усиливающего транзистора 118, демонстрируется в качестве узла B. Узел B может быть электрически плавающим. При электрически плавающем узле B напряжение узла B может быть изменено в соответствии с зарядами, удерживаемыми в области 103 удержания заряда. При использовании такой конфигурации, сигналы на основе зарядов, которые генерируются посредством фотоэлектрического преобразования и удерживаются в области 103 удержания заряда, могут быть введены в усиливающий транзистор 118. Усиливающий транзистор 118 усиливает входные сигналы и выводит их на выводную линию 120.
[0059] Схема пикселя 100 включает в себя транзистор 117 сброса, который сбрасывает напряжение электрода 112 (М). Транзистор 117 сброса подает напряжение Vres сброса на электрод 112 (M) и на затвор усиливающего транзистора 118. То есть транзистор 117 сброса сбрасывает напряжение входного узла (узла B) усиливающего транзистора 118. Транзистором 117 сброса управляют таким образом, чтобы его состояния ВКЛ/ВЫКЛ могли быть переключены. Когда транзистор 117 сброса включается, напряжение Vres сброса подается на узел B. Когда транзистор 117 сброса выключается, узел B становится электрически плавающим.
[0060] Первый конденсатор 116 (Cm) электрически соединен с электродом 112 (M). Электрод 112 (M) и первый конденсатор 116 (Cm) могут быть короткозамкнутыми. В качестве альтернативы, на электрической дорожке между электродом 112 (M) и первым конденсатором 116 (Cm) может быть обеспечен переключатель.
[0061] Первый конденсатор 116 (Cm) образован из двух обращенных друг к другу электродов с между изолятором между ними. Два электрода состоят из проводящего материала, такого как поликремний или металл. В качестве альтернативы, первый конденсатор 116 (Cm) включает в себя полупроводниковую область и электрод затвора, который расположен на полупроводниковой области через изолирующую пленку затвора. Полупроводниковая область, включенная в первый конденсатор 116 (Cm), может иметь более высокую концентрацию примесей, чем область истока или область стока транзистора. Электрод затвора состоит из проводящего материала, такого как поликремний или металл.
[0062] Первый конденсатор 116 (Cm) включает в себя первый вывод, электрически соединенный с электродом 112 (M), и второй вывод, отличный от первого вывода. Каждый вывод может состоять из проводящего материала, такого как металл или поликремний, или полупроводниковой области. Заданное напряжение подается на второй вывод. В данном варианте осуществления второй вывод (клемма) соединен с источником 115 (VD) питания, а из источника 115 (VD) питания подается множество напряжений. В качестве альтернативы, второй вывод может быть заземленным. На Фиг. 1А узел B включает в себя первый вывод, а узел C включает в себя второй вывод.
[0063] Далее будет описано управление пикселем 100. Сначала, в течение периода экспонирования, напряжениями верхнего электрода 106 (S) и электрода 110 (P) управляют таким образом, чтобы обратное смещение подавалось на светопринимающую область 101. Соответственно, сигнальные заряды, сгенерированные в светопринимающей области 101, накапливаются в светопринимающей области 101 в течение периода экспонирования. Впоследствии напряжениями электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) управляют для переноса зарядов, накопленных в светопринимающей области 101, в область 103 удержания заряда. Например, заряды могут быть перенесены при понижении потенциала области 103 удержания заряда по сравнению с потенциалом светопринимающей области 101. С помощью выполнения переноса заряда сигнальные заряды удерживаются в области 103 удержания заряда после истечения периода экспонирования.
[0064] Для считывания сигналов, удерживаемых в области 103 удержания заряда, полупроводниковый слой 108 обедняется. В частности, заряды в полупроводниковом слое 108 выводятся на верхний электрод 106 (S). Заряды могут быть выведены посредством управления напряжением между верхним электродом 106 (S) и электродом 112 (M). С этой целью в данном варианте осуществления управляют напряжением второго вывода первого конденсатора 116 (Cm). Источник 115 (VD) питания подает первое напряжение и второе напряжение, отличное от первого напряжения, причем напряжения служат в качестве напряжения Vd, на второй вывод первого конденсатора 116 (Cm). В модифицированном примере данного варианта осуществления источник VM питания (не продемонстрирован) подает первое напряжение и второе напряжение, отличное от первого напряжения, причем напряжения служат в качестве напряжения Vm, на электрод 112 (M). В другом модифицированном примере данного варианта осуществления источник 104 (VS) питания подает первое напряжение и второе напряжение, отличное от первого напряжения, причем напряжения служат в качестве напряжения Vs, на верхний электрод 106 (S). В этих модифицированных примерах второй вывод первого конденсатора 116 (Cm) заземлен, или первый конденсатор 116 (Cm) опускается.
[0065] Далее будет приведено описание операции управления напряжением узла, отличного от электрода 112 (M). Когда напряжение верхнего электрода 106 (S) или напряжение второго вывода первого конденсатора 116 (Cm) изменяется, напряжение электрода 112 (М) изменяется в соответствии с отношением значения емкости первого конденсатора 116 (Cm) и значения емкости второго конденсатора 123, сформированного из верхнего электрода 106 (S) и электрода 112 (M). Это обусловлено тем, что в эквивалентной схеме пикселя первый конденсатор 116 (Cm) и второй конденсатор 123 демонстрируются в качестве двух последовательно соединенных конденсаторов, а электрод 112 (M) (узел B) включается в узел между двумя конденсаторами.
[0066] В данном варианте осуществления напряжение электрода 112 (М) или напряжение второго вывода первого конденсатора 116 (Cm), напряжение Vres, подаваемое транзистором 117 сброса, значение емкости первого конденсатора 116 (Cm) и значение емкости второго конденсатора 123 имеют заданное соотношение. Если такое соотношение удовлетворяется, то напряжение для обеднения полупроводникового слоя 108 может быть подано между верхним электродом 106 (S) и электродом 112 (M) даже в случае изменения напряжения электрода 112 (М). Таким образом, количество зарядов, не выведенных из полупроводникового слоя 108, может быть уменьшено. Вследствие этого шум может быть уменьшен.
[0067] С помощью вышеописанного управления может быть выполнена операция глобального электронного затвора. В частности, накопление сигнальных зарядов посредством участка фотоэлектрического преобразования и перенос зарядов в участок удержания заряда выполняются единовременно или коллективно во множестве пикселей 100. Впоследствии сигналы последовательно считываются из множества пикселей 100. В данном варианте осуществления сигнальные заряды удерживаются в области 103 удержания заряда полупроводникового слоя 108 до тех пор, пока сигналы не будут считаны. Следовательно, шум, добавленный к удерживаемым сигнальным зарядам, может быть уменьшен посредством устранения темнового тока, сгенерированного в полупроводниковом слое 108. Кроме того, поскольку область 103 удержания заряда электрически изолирована от входного узла усиливающего транзистора 118, шум может быть уменьшен посредством двойной коррелированной выборки (CDS) или подобного.
[0068] Далее будут описаны напряжения, подаваемые на отдельные участки пикселя 100. В данном варианте осуществления описание будет дано в случае использования, в качестве сигнальных зарядов, дырок в числе зарядов, сгенерированных посредством фотоэлектрического преобразования. В данном описании напряжение заземленного узла является опорным напряжением 0 Вольт, если не указано иное.
[0069] Заданное напряжение Vs (в данном варианте осуществления 6 Вольт) подается на верхний электрод 106 (S) из источника 104 (VS) питания. Заданное напряжение Vp (в данном варианте осуществления 3 Вольта) подается на электрод 110 (P) участка фотоэлектрического преобразования из источника 113 (VP) питания. Напряжение Vs и напряжение Vp имеют соотношение для приложения обратного смещения к дыркам в светопринимающей области 101. Дырки, сгенерированные посредством фотоэлектрического преобразования, накапливаются около поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 в светопринимающей области 101 и изолирующим слоем 109. Участок, отличный от светопринимающей области 101 полупроводникового слоя 108, экранирован от света светоэкранирующим слоем 105. Таким образом, фотоэлектрическое преобразование главным образом выполняется в светопринимающей области 101.
[0070] В данном варианте осуществления сигнальные заряды являются дырками, и, таким образом, напряжение Vp электрода 110 (P) ниже напряжения Vt электрода 111 (T) переноса. Как будет описано ниже со ссылкой на Фиг. 4А - 4C, электрод 111 (T) переноса расположен окружающим окрестности электрода 110 (P) в плоскости, параллельной поверхности подложки. Таким образом, при задании соотношения, выраженного как Vp < Vt, в светопринимающей области 101, расположенной около электрода 110 (P), формируется потенциальная яма. Дырки, сгенерированные посредством фотоэлектрического преобразования, эффективно накапливаются в потенциальной яме в светопринимающей области 101. Кроме того, напряжение Vt электрода 111 (T) переноса формирует потенциальный барьер, и, таким образом, утечка зарядов, накопленных в светопринимающей области 101, может быть уменьшена. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, напряжение Vp электрода 110 (P) задается выше напряжения Vt электрода 111 (T) переноса.
[0071] В данном варианте осуществления источник 115 (VD) питания подает на второй вывод первого конденсатора 116 (Cm) по меньшей мере первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2, отличное от первого напряжения Vd1. В данном варианте осуществления сигнальные заряды являются дырками, и, таким образом, второе напряжение Vd2 выше первого напряжения Vd1. В данном варианте осуществления первое напряжение Vd1 равно 2 Вольта, тогда как второе напряжение Vd2 равно 8 Вольт. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, второе напряжение Vd2 ниже первого напряжения Vd1. Например, в случае, когда сигнальные заряды являются электронами, первое напряжение Vd1 равно 8 Вольт, тогда как второе напряжение Vd2 равно 2 Вольта.
[0072] В случае, когда сигнальные заряды являются дырками, напряжение Vres сброса ниже напряжения Vs, подаваемого на верхний электрод 106 (S). В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, напряжение Vres сброса выше напряжения Vs, подаваемого на верхний электрод 106 (S). В данном варианте осуществления сигнальные заряды являются дырками, и, таким образом, напряжение Vs, подаваемое на верхний электрод 106 (S), равно 6 Вольт, а напряжение Vres сброса равно 3 Вольта.
[0073] В данном варианте осуществления при подаче напряжения Vd, включающего в себя множество напряжений, на узел C, источник 115 (VD) питания управляет напряжением Vm узла B, который связан емкостным образом с узлом C через первый конденсатор 116 (Cm). Таким образом, соотношение величины постоянного тока между напряжением Vd, подаваемым на узел C, и напряжением Vres сброса, или напряжением Vs, подаваемым на верхний электрод 106 (S), не ограничено особым образом.
[0074] В данном варианте осуществления управляют напряжением Vp, подаваемым на электрод 110 (P), напряжением Vt, подаваемым на электрод 111 (T) переноса, и напряжением Vm, подаваемым на электрод 112 (M), благодаря чему сигнальные заряды, накопленные в светопринимающей области 101, быстро и полностью переносятся в область 103 удержания заряда. В случае, когда сигнальные заряды являются дырками, заряды могут быть перенесены на основе соотношения, выраженного как Vp > Vt > Vm. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, заряды могут быть перенесены на основе соотношения, выраженного как Vp < Vt < Vm.
[0075] Фиг. 2 схематически демонстрирует полную конфигурацию схемы устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 2 демонстрирует шестнадцать пикселей 100, расположенных в матрице из четырех строк и четырех столбцов. Множество пикселей 100, включенных в один столбец, соединены с одной выводной линией 120. Схема 201 управления строками подает на пиксели 100 управляющий сигнал pRES, управляющее напряжение pVP (напряжение VP электрода 110 (P)), управляющее напряжение pVT (напряжение Vt электрода 111 (T) переноса), управляющее напряжение pVD (напряжение Vd узла C) и управляющий сигнал pSEL. Управляющий сигнал pRES подается на затвор транзистора 117 сброса, продемонстрированный на Фиг. 1А. Управляющий сигнал pSEL подается на затвор транзистора 119 выбора. Транзистором 117 сброса и транзистором 119 выбора управляют посредством этих управляющих сигналов. Множество пикселей 100, включенных в одну строку, соединены с общими линиями передачи управляющих сигналов. Линии передачи управляющих сигналов являются токопроводящими линиями для передачи вышеописанного управляющего сигнала pRES, управляющего сигнала pSEL и т.д. На Фиг. 2 ссылочные позиции, обозначающие отдельные строки, такие как (n) и (n+1), присваиваются для различения управляющих сигналов, подаваемых на разные строки. Это также применимо к другим фигурам. На Фиг. 2 демонстрация светоэкранирующего слоя 105 опущена.
[0076] В данном варианте осуществления напряжением Vd, подаваемым на второй вывод (узел C) первого конденсатора 116 (Cm), управляют независимо в каждой строке. Таким образом, схема 201 управления строками выбирает строку, на которую от источника 203 напряжения будет подаваться напряжение Vd. Ссылочные позиции, обозначающие отдельные строки, такие как (n) и (n+1), присваиваются для различения напряжений Vd, подаваемых на разные строки. В данном варианте осуществления описание будет дано в случае выполнения операции глобального электронного затвора. В этом случае управляющим напряжением pVP, управляющим напряжением pVT и управляющим напряжением pVD коллективно управляют во всех строках. В качестве альтернативы, может быть выполнена операция сдвигаемого затвора. В этом случае управление выполняют для каждой строки. При использовании вышеописанной конфигурации, множеством пикселей 100 можно управлять в блоках строк в данном варианте осуществления.
[0077] Каждая выводная линия 120 соединена с одной соответствующей схемой из схем 204 столбца. Усилитель 301 столбца, продемонстрированный на Фиг. 1А, включен в состав схемы 204 столбца. Схема 202 управления столбцами управляет схемами 204 столбца в блоках столбцов. В частности, схема 202 управления столбцами подает управляющие сигналы CSEL на множество схем 204 столбца. Ссылочные позиции, обозначающие отдельные столбцы, такие как (m) и (m+1), присваиваются для различения управляющих сигналов, подаваемых на разные столбцы. То же самое применимо к другим фигурам. При использовании такой конфигурации сигналы, считываемые параллельно в блоках строк, могут быть последовательно выведены на блок вывода.
[0078] Далее будут подробно описаны схемы 204 столбца. Фиг. 3 демонстрирует графическое представление эквивалентной схемы схем 204 столбца в m-м столбце и m+1-м столбце. Демонстрация схем 204 столбца в других столбцах опускается.
[0079] Сигнал на выводной линии 120 усиливается усилителем 301 столбца. Выводной узел усилителя 301 столбца соединен с конденсатором CTS через переключатель 302 (S/H). Кроме того, выводной узел усилителя 301 столбца соединен с конденсатором CTN через переключатель 303 (S/H). Переключателем 302 (S/H) и переключателем 303 (S/H) управляют посредством управляющего сигнала pTS и управляющего сигнала pTN соответственно. При использовании такой конфигурации может быть удержан сигнал N шума, включающий шум сброса и световой сигнал S от пикселя 100. Таким образом, устройство захвата изображения согласно данному варианту осуществления может выполнять двойную коррелированную выборку, то есть считывать сигнал, из которого удален шум сброса.
[0080] Конденсатор CTS соединен с горизонтальной выводной линией 306 через горизонтальный переключатель 304 без обрыва тока. Конденсатор CTN соединен с горизонтальной выводной линией 307 через горизонтальный переключатель 305 без обрыва тока. Горизонтальными переключателями 304 без обрыва тока и 305 управляют посредством управляющего сигнала CSEL, подаваемым из схемы 202 управления столбцами.
[0081] Обе горизонтальные выводные линии 306 и 307 соединены с выходным усилителем 122. Выходной усилитель 122 усиливает сигнал разности, представляющий разность между сигналом на горизонтальной выводной линии 306 и сигналом на горизонтальной выводной линии 307, и выводит сигнал разности. Усиленный сигнал вводится в аналого-цифровой преобразователь 205 (ADC), преобразовывается из аналогового сигнала в цифровой сигнал и выводится за пределы устройства захвата изображения.
[0082] Каждая схема (цепь) 204 столбца может быть схемой аналого-цифрового преобразования. В этом случае схема аналого-цифрового преобразования включает в себя блок удержания, который удерживает цифровые сигналы памяти или счетчика. Блок удержания удерживает сигнал N шума и световой сигнал S, которые были преобразованы в цифровые сигналы.
[0083] Далее будет описана плоская структура и структура в поперечном разрезе устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 4А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения. Такие же части, как части на Фиг. 1А - 1C, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 4А демонстрирует пиксели 100 в двух строках и двух столбцах. Фиг. 4А схематически демонстрирует структуру электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) в плоскости, параллельной поверхности подложки, на которой расположена схема пикселя.
[0084] Фиг. 4B схематически демонстрирует структуру в поперечном разрезе устройства захвата изображения. Поперечный разрез, продемонстрированный на Фиг. 4B, соответствует поперечному разрезу, выполненному по линии IVB - IVB на Фиг. 4А. Те же самые части, как части на Фиг. 1А - 1C, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 4B демонстрирует микролинзу 401, планаризованный слой 402, цветовой фильтр 403 и межслойную пленку 404, расположенную между полупроводниковым слоем 108 и подложкой. Демонстрируются светопринимающая область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда в полупроводниковом слое 108. Проводящий элемент (не продемонстрирован) для соединения электродов со схемой пикселя, расположен в межслойной пленке 404.
[0085] Как продемонстрировано на Фиг. 4B, электрод 110 (P), электрод 111 (T) переноса и электрод 112 (M) расположены таким образом, чтобы их центры тяжести совпадали. При использовании такой конфигурации микролинза 401 может эффективно фокусировать падающий свет на участке фотоэлектрического преобразования (светопринимающей области 101 и электроде 110 (P)). Распределение электрического поля и распределение падения света участка фотоэлектрического преобразования соответствуют друг другу, и, соответственно, заряды, сгенерированные посредством фотоэлектрического преобразования, эффективно накапливаются в светопринимающей области 101.
[0086] В плоскости, продемонстрированной на Фиг. 4А, электрод 111 (T) переноса расположен окружающим электрод 110 (P). При использовании такой структуры заряды, накопленные в светопринимающей области 101, могут быть быстро перенесены в область 103 удержания заряда. Вследствие этого устройством захвата изображения можно управлять с высокой скоростью. Кроме того, напряжение смещения, подаваемое на электрод 111 (T) переноса, позволяет сформировать потенциальный барьер. Соответственно, сгенерированные заряды могут быть эффективно накоплены в светопринимающей области 101. Кроме того, может быть устранена утечка собранных зарядов в область 103 удержания заряда или соседние пиксели. Заряды могут быть быстро и полностью перенесены в процессе переноса заряда.
[0087] Фиг. 4C схематически демонстрирует плоскую структуру светоэкранирующего слоя 105. Пунктирные линии демонстрируют формы электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M).
[0088] Далее будет описана плоская структура и структура в поперечном разрезе схемы пикселя, расположенной на подложке. Фиг. 5А схематически демонстрирует структуру на виде сверху схемы пикселя, расположенной на подложке. То есть Фиг. 5А демонстрирует структуру в случае, когда схема пикселя проектируется на плоскость, параллельную поверхности подложки. Фиг. 5B схематически демонстрирует структуру в поперечном разрезе подложки 550 и межслойную пленку 404, и полупроводниковый слой 108, уложенные в стопку на подложке 550. Поперечный разрез, продемонстрированный на Фиг. 5B, соответствует поперечному разрезу, выполненному по линии VB - VB на Фиг. 5А. Части, имеющие те же самые функции, как функции на Фиг. 1А - 1C, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Следует отметить, что в отношении транзисторов ссылочные позиции присваиваются соответствующим электродам затвора. Проводящие элементы, формирующие линии передачи управляющих сигналов, обозначаются теми де самыми ссылочными позициями, как ссылочные позиции управляющих сигналов, подаваемых на линии передачи управляющих сигналов. Например, проводящий элемент, обозначенный как pRES, формирует линию передачи управляющих сигналов для подачи управляющего сигнала pRES.
[0089] Фиг. 5А демонстрируют четыре пикселя 100, расположенные в матрице из двух строк и двух столбцов. Только в верхнем правом пикселе части, соответствующие электроду 110 (P), электроду 111 (T) переноса и электроду 112 (M), продемонстрированным на Фиг. 4А, демонстрируются пунктирными линиями. В других пикселях демонстрация этих электродов опускается. Фиг. 5А демонстрирует электрод 502, который формирует первый вывод первого конденсатора 116 (Cm), и электрод 503, который формирует второй вывод. Электроды 502 и 503 расположены таким образом, чтобы они перекрывали друг друга на виде сверху.
[0090] Как продемонстрировано на Фиг. 5А, электрод 502, который формирует первый вывод первого конденсатора 116 (Cm), и усиливающий транзистор 118 электрически соединены друг с другом через контакт 501. Электрод 502, который формирует первый вывод первого конденсатора 116 (Cm), и электрод 112 (M) электрически соединены друг с другом через контакт 506. Электрод 503, который формирует второй вывод первого конденсатора 116 (Cm), и линия pVD передачи управляющих сигналов соединены друг с другом через контакт 507. Контакт 504 соединяет электрод 111 (T) переноса с линией pVT передачи управляющих сигналов. Контакт 505 соединяет электрод 110 (P) с линией pVP передачи управляющих сигналов.
[0091] Как продемонстрировано на Фиг. 5А и 5B, электрод 503 первого конденсатора 116 (Cm) соединен с линией pVD передачи управляющих сигналов. Линия pVD передачи управляющих сигналов передает напряжение Vd от источника 115 (VD) питания. В данном варианте осуществления линия pVD передачи управляющих сигналов выполнена для каждой строки. То есть линия pVD передачи управляющих сигналов строки и линия pVD передачи управляющих сигналов другой строки электрически изолированы друг от друга. При использовании такой конфигурации напряжением Vd второго вывода (узла C) первого конденсатора 116 (Cm) можно управлять независимо в каждой строке.
[0092] Как продемонстрировано на Фиг. 5B, устройство захвата изображения включает в себя подложку 550. Области истока и области стока транзисторов пикселей расположены в подложке 550. Транзисторы пикселей являются транзисторами, включенными в состав схемы пикселя, например, транзистором 117 сброса, усиливающим транзистором 118 и транзистором 119 выбора. Межслойная пленка 404, включающая в себя электроды затвора транзисторов пикселей и проводящие элементы, которые формируют проводные линии, расположены на подложке 550. Изолирующий слой 109 и полупроводниковый слой 108 расположены на межслойной пленке 404.
[0093] Верхний электрод 106 (S) образован из проводящего элемента, который может пропускать через себя определенное количество света. Например, в качестве материала верхнего электрода 106 (S) может быть использован индий, такой как оксид олова-индия (ITO), и/или соединение, содержащее олово, или соединение, такое как ZnO. При использовании такой конфигурации в светопринимающую область 101 может проникать большое количество света, и, соответственно, может быть увеличена чувствительность. В качестве другого примера для верхнего электрода 106 (S) может быть использован поликремниевый материал или металлический материал, имеющий толщину, позволяющую пропускать через себя определенное количество света. Поскольку металл имеет низкое сопротивление, вариант осуществления, в котором металл используется в качестве материала верхнего электрода 106 (S), является выгодным в отношении более низкого энергопотребления или более высокой скорости управления. Коэффициент пропускания света верхнего электрода 106 (S) не ограничен особым образом, при условии, что коэффициент пропускания света не равен нулю.
[0094] Для светоэкранирующего слоя 105 используется материал, имеющий небольшой коэффициент пропускания света. В одном варианте осуществления для светоэкранирующего слоя 105 используется материал, имеющий меньший коэффициент пропускания света, чем у верхнего электрода 106 (S). Например, для светоэкранирующего слоя 105 используется материал, такой как металл или органическая смола. В случае, когда для светоэкранирующего слоя 105 используется металл, светоэкранирующий слой 105 и верхний электрод 106 (S) электрически соединены друг с другом. При использовании такой конфигурации сопротивление верхнего электрода 106 (S) может быть эффективно уменьшено, и, соответственно, может быть увеличена скорость работы. В данном варианте осуществления светоэкранирующий слой 105 расположен на верхнем электроде 106 (S). В модифицированном примере данного варианта осуществления светоэкранирующий слой 105 расположен между верхним электродом 106 (S) и областью 103 удержания заряда.
[0095] Полупроводниковый слой 108 состоит из аморфного кремния с собственной проводимостью (a-Si), a-Si с низкой концентрацией носителей p-типа, a-Si с низкой концентрацией носителей n-типа или подобного. В качестве альтернативы, полупроводниковый слой 108 может состоять из полупроводникового соединения. Примеры полупроводникового соединения включают в себя полупроводниковые соединения III - V групп периодической таблицы, такие как BN, GaAs, GaP, AlSb и GaAlAsP, полупроводниковые соединения II - VI групп периодической таблицы, такие как CdSe, ZnS и HdTe, и полупроводниковые соединения IV - VI групп периодической таблицы, такие как PbS, PbTe и CuO. В качестве альтернативы, полупроводниковый слой 108 может состоять из органического материала. Например, может быть использован фуллерен, кумарин 6 (C6), родамин 6G (R6G), фталоцианин цинка (ZnPc), хинакридон, фталоцианиновое соединение или нафталоцианиновое соединение. Кроме того, для полупроводникового слоя 108 может быть использована пленка с квантовыми точками, состоящая из вышеописанного полупроводникового соединения. Полупроводниковый слой 108 может иметь низкую концентрацию примесей или полупроводниковый слой 108 может иметь собственную проводимость. При использовании такой конфигурации достаточно обедненный слой может быть расширен в полупроводниковом слое 108, и, таким образом, может быть увеличена чувствительность, а шум быть уменьшен.
[0096] Блокирующий слой 107 препятствует инжекции зарядов с тем же самым типом проводимости, как у сигнальных зарядов из верхнего электрода 106 (S), в полупроводниковый слой 108. В случае, когда верхний электрод 106 (S) состоит из ITO, верхний электрод 106 (S) также может быть использован в качестве блокирующего слоя 107 в зависимости от комбинации с полупроводником, который образует полупроводниковый слой 108. То есть может быть сформирован потенциальный барьер таким образом, чтобы заряды с тем же самым типом проводимости, как у сигнальных зарядов, не инжектировались из верхнего электрода 106 (S) в полупроводниковый слой 108.
[0097] Для блокирующего слоя 107 может быть использован полупроводник такого же самого типа, как полупроводник, используемый для полупроводникового слоя 108, то есть полупроводник n-типа или p-типа с концентрацией примесей, превышающей концентрацию у полупроводника, используемого для полупроводникового слоя 108. Например, в случае, когда для полупроводникового слоя 108 используется a-Si, для блокирующего слоя 107 используется a-Si n-типа с высокой концентрацией примесей или a-Si p-типа с высокой концентрацией примесей. Положение энергетического уровня Ферми изменяется в соответствии с разностью в концентрации примесей, и, таким образом, потенциальный барьер может быть сформирован только для одного из электронов и дырок. Тип проводимости блокирующего слоя 107 является типом проводимости, в котором заряды с типом проводимости, противоположным сигнальным зарядам, являются основными носителями заряда.
[0098] В качестве альтернативы, блокирующий слой 107 может состоять из материала, отличного от материала полупроводникового слоя 108. При использовании такой конфигурации, формируется гетеропереход. Поскольку запрещенная энергетическая зона изменяется среди материалов, потенциальный барьер может быть сформирован только для одного из электронов и дырок.
[0099] Изолирующий слой 109 расположен между полупроводниковым слоем 108 и каждым из электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M). Для изолирующего слоя 109 используется изолирующий материал. Примеры материала изолирующего слоя 109 включают в себя неорганический материал, такой как оксид кремния, аморфный оксид кремния (a-SiO), нитрид кремния или аморфный нитрид кремния (a-SiN) или органический материал. Изолирующий слой 109 может иметь толщину, препятствующую передаче зарядов вследствие туннельного эффекта. При использовании такой конфигурации ток утечки может быть уменьшен, и, таким образом, шум может быть уменьшен. В частности, изолирующий слой 109 может иметь толщину 50 нм или более.
[00100] В случае использования для блокирующего слоя 107, полупроводникового слоя 108 и изолирующего слоя 109 a-Si, a-SiO или a-Sin, может быть выполнена гидрообработка, при этом посредством водорода может быть занята свободная связь. При использовании такой конфигурации шум может быть уменьшен.
[00101] Каждый из электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) формируется из проводящего элемента из металла или подобного. Тот же самый материал, как материал проводящего элемента, который формирует токопроводящие линии, или проводящего элемента, который формирует плоский электрод для соединения с внешним компонентом, используется для электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M). При использовании такой конфигурации могут быть единовременно сформированы некоторые или все из электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса, электрода 112 (M), токопроводящих линий и плоского электрода. Соответственно, процесс изготовления может быть упрощен.
[00102] Далее со ссылкой на Фиг. 6А - 6F будут описаны операции согласно данному варианту осуществления. Фиг. 6А - 6C схематически демонстрируют работу сигнальных зарядов (дырок) в полупроводниковом слое 108. Фиг. 6D - 6F схематически демонстрируют потенциал на поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109. На каждой из Фиг. 6D - 6F и Фиг. 7 вертикальная ось представляет потенциал в отношении дырок. Потенциал в отношении дырок меньше на верхней стороне вертикальной оси. Таким образом, напряжение ниже на верхней стороне вертикальной оси. Энергетический уровень свободных электронов демонстрируется для верхнего электрода 106 (S), электрода 110 (P) и электрода 112 (M). Запрещенная энергетическая зона между энергетическим уровнем в зоне проводимости и энергетическим уровнем в валентной зоне демонстрируется для блокирующего слоя 107 и полупроводникового слоя 108. Потенциал полупроводникового слоя 108 на поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109 называется поверхностным потенциалом полупроводникового слоя 108 или просто, для удобства, поверхностным потенциалом.
[00103] Фиг. 6А демонстрирует состояние, в котором дырки, сгенерированные посредством фотоэлектрического преобразования в светопринимающей области 101, накапливаются в светопринимающей области 101. Фиг. 6D схематически демонстрирует потенциал в отношении дырок в светопринимающей области 101, области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда, соответствующих Фиг. 6А. Белые кружки представляют собой дырки. В этом случае напряжение Vp электрода 110 (P), напряжение Vt электрода 111 (T) переноса и напряжение Vm электрода 112 (M) удовлетворяют соотношению, выраженному как Vp = Vm < Vt. При таком соотношении между светопринимающей областью 101 и областью 103 удержания заряда формируется потенциальный барьер, при этом обе области электрически изолированы друг от друга. То есть электрод 111 (T) переноса функционирует в качестве изолирующего электрода для изолирования светопринимающей области 101 и области 103 удержания заряда друг от друга. Если удовлетворяется Vs=Vt, то эффективность электрической изоляции возрастает.
[00104] Фиг. 6B демонстрирует состояние, в котором дырки, накопленные в светопринимающей области 101, переносятся в область 103 удержания заряда. Фиг. 6E схематически демонстрирует потенциал в отношении дырок в светопринимающей области 101, области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда, соответствующих Фиг. 6B. В этом случае напряжение Vp электрода 110 (P), напряжение Vt электрода 111 (T) переноса и напряжение Vm электрода 112 (M) удовлетворяют соотношению, выраженному как Vp = Vt > Vm или Vp > Vt > Vm. При таком соотношении между светопринимающей областью 101 и областью 103 удержания заряда формируется градиент потенциала. Следовательно, дырки, накопленные в светопринимающей области 101, переносятся в область 103 удержания заряда вдоль поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109.
[00105] Фиг. 6C демонстрирует операцию считывания сигнальных зарядов, удерживаемых в области 103 удержания заряда, для схемы на полупроводниковой подложке. Фиг. 6F схематически демонстрирует потенциал в отношении дырок в светопринимающей области 101, области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда, соответствующих Фиг. 6C. При изменении напряжения Vm электрода 112 (M) в усиливающем транзисторе 118, соединенном с электродом 112 (M), возникает изменение в напряжении, соответствующем количеству зарядов в области 103 удержания заряда.
[00106] В данном варианте осуществления полупроводниковый слой 108 непрерывно простирается в направлении, параллельном поверхности подложки, от светопринимающей области 101 к области 103 удержания заряда через область 102 переноса заряда. Таким образом, в результате переноса зарядов, накопленных в светопринимающей области 101 единовременно во множестве пикселей, и удержания зарядов в области 103 удержания заряда до тех пор, пока сигналы не будут считаны, может быть выполнена операция глобального электронного затвора.
[00107] Далее со ссылкой на Фиг. 7 будет описана операция считывания сигналов на основе зарядов, удерживаемых в области 103 удержания заряда. Фиг. 7 схематически демонстрирует энергетическую зону полупроводникового слоя 108 в направлении, перпендикулярном поверхности подложки. На левой стороне Фиг. 7 демонстрируется энергетическая зона в светопринимающей области 101. На правой стороне Фиг. 7 демонстрируется энергетическая зона в области 103 удержания заряда. В отношении светопринимающей области 101 демонстрируется энергетическая зона верхнего электрода 106 (S), блокирующего слоя 107, полупроводникового слоя 108, изолирующего слоя 109 и электрода 110 (P). В отношении области 103 удержания заряда демонстрируется энергетическая зона верхнего электрода 106 (S), блокирующего слоя 107, полупроводникового слоя 108, изолирующего слоя 109 и электрода 112 (M).
[00108] В качестве операции в светопринимающей области 101 циклически выполняются следующие этапы p1 и p2. Этап p1 соответствует переносу зарядов, а этап p2 соответствует фотоэлектрическому преобразованию падающего света и накоплению сигнальных зарядов. Здесь далее будут описаны отдельные этапы.
[00109] На этапе p1, как было описано выше со ссылкой на Фиг. 6А - 6F, сигнальные заряды, накопленные в светопринимающей области 101, переносятся в область 103 удержания заряда через область 102 переноса заряда. Соответственно состояние светопринимающей области 101 изменяется от состояния, в котором дырки накапливаются, на состояние, в котором дырки отсутствуют. С другой стороны, состояние области 103 удержания заряда изменяется от состояния, в котором дырки отсутствуют, на состояние, в котором дырки удерживаются.
[00110] На этапе p2 выполняется фотоэлектрическое преобразование. В светопринимающей области 101 дырки в электронно-дырочных парах, сгенерированных из падающего света, накапливаются в качестве сигнальных зарядов. Электроны выводятся на верхний электрод 106 (S). Вследствие этого дырки, соответствующие количеству падающего света, накапливаются на поверхности раздела между светопринимающей областью 101 и изолирующим слоем 109.
[00111] Затем этапы p1 и p2 повторяются в светопринимающей области 101. В случае захвата движущегося изображения, повтор соответствует операции одного кадра. Эта операция может быть повторена единовременно во всех пикселях, и, таким образом, может быть выполнена операция глобального электронного затвора. После коллективного переноса заряда светопринимающая область 101 электрически изолируется от области 103 удержания заряда, и каждой областью можно управлять независимо.
[00112] В качестве операции в области 103 удержания заряда циклически выполняются следующие этапы m1 - m5. Этап m1 соответствует сбросу входного узла усиливающего транзистора 118. Этап m2 соответствует считыванию сигнала N шума (считывание N). Этап m3 соответствует переносу зарядов. Этап m4 соответствует выводу сигнальных зарядов из области 103 удержания заряда. Этап m5 соответствует считыванию светового сигнала S (считывание S). Здесь далее будут описаны отдельные этапы.
[00113] На этапе m1 включается транзистор 117 сброса. Напряжение узла, включающего в себя электрод 112 (M), то есть узла B, продемонстрированного на Фиг. 1А, сбрасывается до напряжения Vres сброса. Например, напряжение Vres сброса равно 3 Вольта.
[00114] На этапе m2 транзистор 117 сброса выключается. Соответственно, узел B переходит в электрически плавающее состояние. На данном этапе шум сброса (шум kTC) может быть сгенерирован транзистором 117 сброса. Транзистор 119 выбора включается, а усиливающий транзистор 118 выводит сигнал N шума (Vres+kTC), включающий в себя шум сброса, из пикселя 100 (считывание N). Сигнал N шума удерживается конденсатором CTN схемы 204 столбца.
[00115] На этапе m3 сигнальные заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. Этап p1 в светопринимающей области 101 и этап m3 в области 103 удержания заряда выполняются единовременно. В это время источник 115 (VD) питания подает первое напряжение Vd1 на узел C, продемонстрированный на Фиг. 1А.
[00116] На этапе m4 источник 115 (VD) питания подает второе напряжение Vd2 на узел C, продемонстрированный на Фиг. 1А. Напряжение электрода 112 (М) (узла B) изменяется в том же самом направлении, как направление изменения в напряжении узла C. Поскольку в качестве сигнальных зарядов используются дырки, первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2 задаются таким образом, чтобы напряжение Vm электрода 112 (M) в это время превышало напряжение Vs (равное 6 Вольтам) верхнего электрода 106 (S). В данном варианте осуществления первое напряжение Vd1 равно 2 Вольта, а второе напряжение Vd2 равно 8 Вольт.
[00117] Значение dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) определяется в соответствии с отношением значения C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm), соединенного с электродом 112 (M), и значения C2 емкости второго конденсатора 123, включенного в область 103 удержания заряда. В отношении величины dVd изменения в напряжении узла C, значение dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) выражается как dVB=dVd × C1/(C1+C2). Узел B, включающий в себя электрод 112 (M), может включать в себя другую емкостную составляющую. Однако другая емкостная составляющая является достаточно небольшой по сравнению со значением C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm). Таким образом, значение емкости узла B может быть расценено в качестве эквивалентной значению C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm).
[00118] В данном варианте осуществления значение dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) в достаточной мере превышает разность между напряжением Vs верхнего электрода 106 (S) и напряжением Vres сброса (Vs - Vres). Таким образом, потенциал электрода 112 (M) ниже потенциала верхнего электрода 106 (S), а градиент потенциала полупроводникового слоя 108 инвертируется. Соответственно, электроны, представленные черными кружками, инжектируются с верхнего электрода 106 (S) в полупроводниковый слой 108. Кроме того, некоторые или все из дырок, удерживаемых в качестве сигнальных зарядов на поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109, перемещаются к блокирующему слою 107. Перемещенные дырки повторно рекомбинируют с основными носителями заряда в блокирующем слое 107 и исчезают. Вследствие этого дырки в полупроводниковом слое 108 выводятся из полупроводникового слоя 108. В случае обеднения всего полупроводникового слоя 108 выводятся все дырки, удерживаемые в качестве сигнальных зарядов.
[00119] Затем первое напряжение Vd1 подается на узел C. Соответственно, градиент потенциала полупроводникового слоя 108 снова инвертируется. Таким образом, электроны, инжектированные в полупроводниковый слой 108, выводятся из полупроводникового слоя 108. С другой стороны, блокирующий слой 107 препятствует инжекции дырок из верхнего электрода 106 (S) в полупроводниковый слой 108. Таким образом, поверхностный потенциал полупроводникового слоя 108 изменяется в соответствии с количеством удерживаемых дырок. В соответствии с изменением в поверхностном потенциале напряжение электрода 112 (М) изменяется на напряжение Vsig, соответствующее количеству исчезнувших дырок из состояния сброса. То есть на узле B возникает напряжение Vsig, соответствующее количеству дырок, удерживаемых в качестве сигнальных зарядов. Напряжение Vsig, соответствующее количеству удерживаемых дырок, называется составляющей светового сигнала.
[00120] На этапе m5 включается транзистор 119 выбора. Соответственно, усиливающий транзистор 118 выводит световой сигнал S (Vsig+Vres+kTC) из пикселя 100. Световой сигнал S удерживается конденсатором CTS схемы 204 столбца. Разность между сигналом N шума (Vres+kTC), считанным на этапе m2, и световым сигналом S (Vsig+Vres+kTC), считанным на этапе m5, соответствует сигналу (составляющей светового сигнала) на основе напряжения Vsig, соответствующего удерживаемым сигнальным зарядам.
[00121] В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, второе напряжение Vd2 ниже первого напряжения Vd1. Напряжение Vres сброса задается ниже напряжения Vs верхнего электрода 106 (S).
[00122] В данном варианте осуществления градиент потенциала полупроводникового слоя 108 инвертируется, благодаря чему выводятся удерживаемые дырки. Если градиент потенциала полупроводникового слоя 108 не инвертируется, то могут возникнуть не выведенные заряды и может быть сгенерирован шум. Здеь более вероятно, что градиент потенциала будет инвертирован, поскольку значение dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) (узла B) возрастает в отношении разности между напряжением Vs верхнего электрода 106 (S) и напряжением Vres сброса (Vs - Vres). То есть шум может быть уменьшен в большей степени, поскольку величина dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) возрастает в отношении разности между напряжением Vs верхнего электрода 106 (S) и напряжением Vres сброса (Vs - Vres).
[00123] Как было описано выше, между величиной dVd изменения в напряжении узла C и величиной dVB изменения в напряжении узла B существует соотношение, выраженное как dVB=dVd × C1/(C1+C2). То есть величина dVB изменения в напряжении узла B увеличивается по мере увеличения значения C1 емкости узла B.
[00124] В данном варианте осуществления первый конденсатор 116 (Cm) соединен с электродом 112 (M). Таким образом, значение C1 емкости узла B может быть увеличено. При использовании такой конфигурации величина dVB изменения в напряжении узла B может быть увеличена. Вследствие этого полупроводниковый слой 108 может быть легко обеднен, и, таким образом, количество не выведенных зарядов может быть уменьшено. Согласно данному варианту осуществления шум может быть уменьшен.
[00125] Далее будет описана конфигурация, в которой первый конденсатор 116 (Cm) не соединен с узлом B. В этом случае емкость узла B может включать в себя емкостную составляющую, сгенерированную посредством p-n-перехода в полупроводниковой области, и паразитную емкостную составляющую токопроводящих линий. Однако величина этих емкостных составляющих является ничтожно малой по сравнению со значением C2 емкости второго конденсатора 123, включенного в область 103 удержания заряда. Таким образом, C1/(C1+C2) является почти нулевой. Таким образом, даже в случае изменения напряжения Vd узла C, напряжение узла B вряд ли будет изменено. В этом случае градиент потенциала не инвертируется, и возникает вероятность того, что некоторые из дырок, удерживаемых в качестве сигнальных зарядов, выведены не будут. Для сравнения, согласно данному варианту осуществления, количество не выведенных сигнальных зарядов может быть уменьшено, и, таким образом, шум может быть уменьшен.
[00126] Далее будет дано описание соотношения между значением C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm), значением C2 емкости второго конденсатора 123, включенного в область 103 удержания заряда, и напряжениями, которые подаются на отдельные участки.
[00127] В данном варианте осуществления область 103 удержания заряда включает в себя блокирующий слой 107, полупроводниковый слой 108 и изолирующий слой 109. Блокирующий слой 107 имеет более высокую удельную проводимость, чем полупроводниковый слой 108 и изолирующий слой 109. Таким образом, значение C2 емкости второго конденсатора 123, включенного в область 103 удержания заряда, соответствует комбинированной емкости емкостной составляющей Ci в полупроводниковом слое 108 и емкостной составляющей Cins в изолирующем слое 109. В частности, значение C2 емкости второго конденсатора 123 выражается следующим выражением (1):
C2=Ci × Cins/(Ci+Cins). (1)
[00128] При использовании области Ss электрода 110 (P) на виде сверху, толщина di полупроводникового слоя 108, толщина dins изолирующего слоя 109, относительная диэлектрическая проницаемость Ei полупроводникового слоя 108, относительная диэлектрическая проницаемость Eins изолирующего слоя 109 и диэлектрическая проницаемость E0 вакуума, емкостная составляющая Ci и емкостная составляющая Cins выражены следующими выражениями (2) и (3) соответственно:
Ci=E0 × Еi × Ss/di, (2)
Cins=E0 × Eins × Ss/dins. (3)
[00129] Краевое электрическое поле электрода 110 (P) является ничтожно малым, и, таким образом, только область Ss электрода 110 (P) на виде сверху может быть рассмотрена в качестве области, которая будет использоваться для вычисления емкости. Например, область Ss электрода 110 (P) на виде сверху является областью электрода 110 (P) на Фиг. 4А - 4C. На Фиг. 5B демонстрируется толщина di полупроводникового слоя 108 и толщина dins изолирующего слоя 109.
[00130] Значение C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) выражено следующим выражением (4) с использованием области Sd электрода 502 или электрода 503 на виде сверху, расстояния dd между электродом 502 и электродом 503, и диэлектрической проницаемости Ed изолирующего слоя между электродом 502 и электродом 503:
C1=E0 × Ed × Sd/dd. (4)
[00131] В данном варианте осуществления напряжением Vd узла C управляют таким образом, чтобы оно делилось на первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2, благодаря чему накапливаются сигнальные заряды и сигнальные заряды выводятся при обеднении полупроводникового слоя 108. Когда значение С1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) и значение С2 емкости второго конденсатора 123 удовлетворяют нижеследующему соотношению, количество зарядов, остающихся в полупроводниковом слое 108, может быть уменьшено при выведении сигнальных зарядов. Сначала будет описан вариант осуществления, в котором сигнальные заряды являются дырками.
[00132] Для упрощения предполагается, что значение С1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) в k раз больше значения C2 емкости второго конденсатора 123. То есть значение C1 емкости и значение C2 емкости имеют соотношение, выраженное следующим выражением (5):
C1=k × C2. (5)
[00133] Как было описано выше, величина dVd изменения в напряжении узла C и величина dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) (узла B) имеют соотношение (6):
dVB=dVd × C1/(C1+C2). (6)
[00134] Из выражений (5) и (6) получаем выражение (7)
dVB=dVd × k/(1+k). (7)
[00135] Для накопления дырок в качестве сигнальных зарядов напряжение Vs, подаваемое на верхний электрод 106 (S) (узел A), и напряжение Vres сброса могут удовлетворять соотношению, выраженному выражением (8)
Vs > Vres. (8)
[00136] Для переноса дырок в качестве сигнальных зарядов напряжение Vs верхнего электрода 106 (S) (узла A), напряжение Vres сброса и величина dVB изменения в напряжении электрода 112 (М) могут удовлетворять соотношению, выраженному выражением (9)
Vs < Vres+dVB. (9)
[00137] Когда удовлетворяется соотношение, выраженное выражением (8), в полупроводниковом слое 108 может быть сформирован градиент потенциала для побуждения дырок к медленному перемещению к изолирующему слою 109. Когда удовлетворяется соотношение, выраженное выражением (9), градиент потенциала в полупроводниковом слое 108 может быть легко инвертирован.
[00138] Из выражений (7) и (9) получаем выражение (10)
Vs - Vres < dVd × k/(1+k). (10)
[00139] В варианте осуществления, в котором сигнальные заряды являются дырками, второе напряжение Vd2 превышает первое напряжение Vd1. То есть величина изменения в напряжении узла C, выраженная как dVd=Vd2 - Vd1, является положительным значением. Таким образом, знак неравенства не инвертируется даже в том случае, когда обе стороны выражения (10) делятся на dVd.
[00140] Вследствие этого, касательно отношения k емкости значения C1 емкости к значению C2 емкости, из выражения (10) получаем нижеследующее выражение (11) соотношений:
[00141] Когда удовлетворяется соотношение, выраженное выражением (11), количество не выведенных зарядов может быть уменьшено. Соответственно шум может быть уменьшен.
[00142] В частности, в данном варианте осуществления значение C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) равно 4fF, а значение С2 емкости второго конденсатора 123 равно 1fF. То есть k=4. При использовании такой конфигурации шум может быть уменьшен в большей степени.
[00143] В данном варианте осуществления площадь Sd электрода 502 или электрода 503 первого конденсатора 116 (Cm) и площадь Ss электрода 112 (M) на виде сверху удовлетворяют соотношению, выраженному как Sd > 0,5 × Ss. При использовании такой конфигурации может быть легко получено соотношение вышеописанного отношения емкости.
[00144] Эффект уменьшения шума возрастает по мере увеличения значения k. Таким образом, когда значение С1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) равно или больше значения C2 емкости второго конденсатора 123, эффект уменьшения шума может быть дополнительно улучшен.
[00145] Величина dVd изменения в напряжении узла C выражена как dVd=Vd2 - Vd1 с использованием первого напряжения Vd1 и второго напряжения Vd2. Левая сторона выражения (11) может быть переписана на C1/(C1+C2) при использовании выражения (5). Таким образом, выражение (11) преобразовывается в выражение (12)
[00146] Далее будет описан вариант осуществления, в котором сигнальные заряды являются электронами. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, знаки неравенства в выражениях (8) и (9) инвертируются. Таким образом, знак неравенства в выражении (10) также инвертируется. То есть в случае, когда сигнальные заряды являются электронами, получаем следующее выражение (13):
Vs - Vres > dVd × k/(1+k). (13)
[00147] Однако в варианте осуществления, в котором сигнальные заряды являются электронами, второе напряжение Vd2 ниже первого напряжения Vd1. То есть величина dVd изменения в напряжении узла C, выраженная как dVd=Vd2 - Vd1, является отрицательным значением. Таким образом, когда обе стороны выражения (13) делятся на dVd, знак неравенства инвертируется. Вследствие этого выражения (11) и (12) получают как в случае, когда сигнальные заряды являются дырками.
[00148] Теперь будет описано соотношение, выраженное выражением (12). Значение в правой стороне уменьшается по мере уменьшения разности между напряжением Vres сброса и напряжением Vs, подаваемым на верхний электрод 106 (S) в области 103 удержания заряда. То есть даже если значение С1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) является небольшим, градиент потенциала полупроводникового слоя 108 может быть инвертирован. Когда разность между напряжением Vres сброса и напряжением Vs, подаваемым на верхний электрод 106 (S), является небольшой, количество накопленных в полупроводниковом слое 108 зарядов уменьшается.
[00149] С другой стороны, значение в правой стороне увеличивается по мере увеличения разности между напряжением Vres сброса и напряжением Vs. То есть большое значение используется в качестве значения C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm). В этом случае, поскольку разность между напряжением Vres сброса и первым напряжением Vs1 является большой, количество накопленных в полупроводниковом слое 108 зарядов может быть увеличено.
[00150] Как было описано выше, в соответствии с соотношением между значением C1 емкости первого конденсатора 116 (Cm) и значением C2 емкости второго конденсатора 123, включенного в область 103 удержания заряда, шум может быть уменьшен.
[00151] Вышеописанные значения являются всего лишь примерами, и вариант осуществления не ограничивается этими значениями. Имеется вероятность существования концентрации дефектов на поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109. В таком случае напряжение, соответствующее плоским энергетическим зонам, может быть рассмотрено на основе предшествующего уровня техники.
[00152] Далее будут описаны управляющие сигналы, используемые для управления устройством захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 8 и 9 представляют собой временные диаграммы управляющих сигналов, которые используются в устройстве захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 8 демонстрирует управляющие сигналы, соответствующие операции считывания сигналов в одной строке. Фиг. 9 демонстрирует управляющие сигналы, соответствующие операции считывания сигналов в двух строках, то есть в n-й строке и n+1-й строке.
[00153] Управляющий сигнал pSEL подается на затвор транзистора 119 выбора. Управляющий сигнал pRES подается на затвор транзистора 117 сброса. Управляющий сигнал pVT подается на электрод 111 (T) переноса. Управляющий сигнал pTS подается на переключатель 302 (S/H). Управляющий сигнал pTN подается на переключатель 303 (S/H). Управляющий сигнал CSEL подается на схему 202 управления столбцами.
[00154] Когда управляющие сигналы pSEL, pRES, pTN и pTS находятся на высоком уровне, соответствующие транзисторы или переключатели включаются. Когда управляющие сигналы pSEL, pRES, pTN и pTS находятся на низком уровне, соответствующие транзисторы или переключатели выключаются. Низкий и высокий уровни этих управляющих сигналов задаются в соответствии с пороговым напряжением соответствующих транзисторов или переключателей. Фиг. 8 демонстрирует временную диаграмму управляющего сигнала pVD. Управляющий сигнал pVD включает в себя начальное напряжение Vd0, первое напряжение Vd1 и второе напряжение Vd2.
[00155] Устройство захвата изображения согласно данному варианту осуществления выполняет так называемую операцию глобального электронного затвора. Подробное описание будет представлено со ссылкой на Фиг. 8. Период GS от момента t1 до момента t2 является периодом коллективного переноса заряда. Период HBLNK(n) от момента t2 до момента t11 является периодом гашения обратного хода строчной развертки. Период HSCAN(n) от момента t11 до момента t1 является периодом строчной развертки.
[00156] В момент t1 напряжение управляющего сигнала pVT изменяется от 6 Вольт на 3 Вольта во всех пикселях. В то же время напряжение управляющего сигнала pVD изменяется от начального напряжения Vd0 (равного 3 Вольтам) на первое напряжение Vd1 (равное 2 Вольтам) во всех пикселях. Соответственно, сигнальные заряды в светопринимающей области 101 коллективно переносятся в область 103 удержания заряда во всех пикселях. В момент t2 напряжение управляющего сигнала pVT изменяется от 3 Вольт на 6 Вольт во всех пикселях, благодаря чему перенос заряда завершается.
[00157] До момента t3 управляющий сигнал pRES(n) поддерживается на высоком уровне, и транзисторы 117 сброса пикселей 100 в n-й строке находятся во включенном состоянии. Напряжения узлов B пикселей 100 в n-й строке сбрасываются на напряжение Vres сброса. После этого, в момент t3 управляющий сигнал pRES(n) приобретает низкий уровень, и, соответственно, транзисторы 117 сброса выключаются.
[00158] Впоследствии, в момент t4, управляющий сигнал pTN(n) приобретает высокий уровень, а в момент t5 приобретает низкий уровень. Соответственно сигнал N шума, включающий в себя шум сброса (kTC, продемонстрированный на Фиг. 7), удерживается в конденсаторе CTN схемы 204 столбца.
[00159] В момент t6 напряжение управляющего сигнала pVD(n) изменяется от первого напряжения Vd1 (равного 2 Вольтам) на второе напряжение Vd2 (равное 8 Вольтам). В момент t7 напряжение управляющего сигнала pVD(n) изменяется от второго напряжения Vd2 на первое напряжение Vd1. Благодаря операции, выполняемой от момента t6 до момента t7, сигнальные заряды, удерживаемые в области 103 удержания заряда, выводятся, а напряжение Vsig, соответствующее количеству удерживаемых сигнальных зарядов, генерируется в узле B.
[00160] В момент t8 управляющий сигнал pTS(n) приобретает высокий уровень, а в момент t9 он приобретает низкий уровень. Соответственно, световой сигнал S, включающий в себя напряжение Vph и шум сброса, удерживается в конденсаторе CTS схемы 204 столбца.
[00161] В момент t10 напряжение управляющего сигнала pVD(n) изменяется от первого напряжения Vd1 на второе напряжение Vd2. Соответственно, все оставшиеся заряды в полупроводниковом слое 108 выводятся, а светопринимающая область 101 сбрасывается (пленочный сброс). Соответственно, оставшиеся заряды предшествующего кадра могут быть защищены от воздействия светового сигнала S следующего кадра.
[00162] В момент t11 управляющий сигнал pRES(n) приобретает высокий уровень, а напряжение управляющего сигнала pVD(n) изменяется от второго напряжения Vd2 на начальное напряжение Vd0. Соответственно напряжения узлов B пикселей 100 в n-й строке снова сбрасываются на напряжение Vres сброса (сброс FD). Управляющий сигнал pRES(n) сохраняет высокий уровень до момента t3 следующего кадра, а узел B сохраняет напряжение Vres сброса. После этого пиксели 100 в n-й строке начинают накапливать сигнальные заряды следующего кадра.
[00163] В момент t11 шумовой сигнал N и световой сигнал S, считанные схемой 204 столбца, выводятся на выходной усилитель 122 в каждом столбце на основе управляющего сигнала CSEL. Выходной усилитель 122 усиливает разность между световым сигналом S и шумовым сигналом N и выводит ее на преобразователь 205 ADC.
[00164] После этого, как продемонстрировано на Фиг. 9, сигналы считываются из пикселей 100 в n+1-й строке. Эта операция является аналогичной операции, выполняемой с момента t1 до момента t11 и, таким образом, ее описание будет опущено.
[00165] Как было описано выше, в данном варианте осуществления светопринимающая область 101 и область 103 удержания заряда расположены в непрерывном участке полупроводникового слоя 108. При использовании такой конфигурации шум может быть уменьшен.
Второй вариант осуществления
[00166] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что область 102 переноса заряда, электрод 111 (T) переноса и источник 114 (VT) питания, соединенный с электродом 111 (T) переноса, опускаются. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00167] Фиг. 10 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Как продемонстрировано на Фиг. 10, пиксель 100 не включает в себя область 102 переноса заряда, электрод 111 (T) переноса и источник 114 (VT) питания.
[00168] В пикселе 100 согласно данному варианту осуществления источник 150 (VP) питания, соединенный с электродом 110 (P), подает множество различных напряжений на электрод 110 (P). При управлении напряжением Vp, подаваемым от источника 150 (VP) питания, и напряжением Vd, подаваемым от источника 115 (VD) питания, заряды могут быть перенесены из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В случае, когда сигнальные заряды являются дырками, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P) и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp > Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P) и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp < Vm. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P) и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp < Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P) и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp > Vm.
[00169] Как было описано выше, в данном варианте осуществления пиксель 100 не включает в себя область 102 переноса заряда. При использовании такой конфигурации размер пикселя может быть уменьшен.
Третий вариант осуществления
[00170] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что напряжение Vt электрода 111 (T) переноса фиксируется, и тем, что на электрод 110 (P) подается множество различных напряжений. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00171] Фиг. 11 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Напряжение Vt, подаваемое на электрод 111 (T) переноса, фиксируется. Источник 150 (VP) питания, соединенный с электродом 110 (P), подает множество различных напряжений на электрод 110 (P).
[00172] В данном варианте осуществления при управлении напряжением Vp, подаваемым от источника 150 (VP) питания, и напряжением Vd, подаваемым от источника 115 (VD) питания, заряды могут быть перенесены из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В случае, когда сигнальные заряды являются дырками, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P), напряжением Vt электрода 111 (T) переноса и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp > Vt > Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp и напряжением Vt задается как Vp < Vt. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P), напряжением Vt электрода 111 (T) переноса и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp < Vt < Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp и напряжением Vt задается как Vp > Vt.
[00173] При использовании конфигурации согласно данному варианту осуществления считывание сигналов на основе зарядов в области 103 удержания заряда (этап m4 в первом варианте осуществления) и вывод зарядов из светопринимающей области 101 (пленочный сброс в первом варианте осуществления) могут быть выполнены параллельно.
Четвертый вариант осуществления
[00174] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что на электрод 110 (P) подается множество различных напряжений. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00175] Фиг. 12 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Источник 150 (VP) питания, соединенный с электродом 110 (P), подает множество различных напряжений на электрод 110 (P).
[00176] В данном варианте осуществления при управлении напряжением Vp, подаваемым от источника 150 (VP) питания, напряжением Vt, подаваемым от источника 114 (VT) питания, и напряжением Vd, подаваемым от источника 115 (VD) питания, заряды могут быть перенесены из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В случае, когда сигнальные заряды являются дырками, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P), напряжением Vt электрода 111 (T) переноса и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp > Vt > Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp и напряжением Vt задается как Vp < Vt. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, соотношение между напряжением Vp электрода 110 (P), напряжением Vt электрода 111 (T) переноса и напряжением Vm электрода 112 (M) задается как Vp < Vt < Vm, благодаря чему заряды переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда. В течение периода, когда заряды накапливаются в светопринимающей области 101, соотношение между напряжением Vp и напряжением Vt задается как Vp > Vt.
[00177] При использовании конфигурации согласно данному варианту осуществления потенциалом можно легко управлять в процессе переноса зарядов. Кроме того, при использовании конфигурации согласно данному варианту осуществления считывание сигналов на основе зарядов в области 103 удержания заряда (этап m4 в первом варианте осуществления) и вывод зарядов из светопринимающей области 101 (пленочный сброс в первом варианте осуществления) могут быть выполнены параллельно.
Пятый вариант осуществления
[00178] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления формами электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) на виде сверху. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00179] Далее будет описана плоская структура устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 13А и 13B схематически демонстрируют плоскую структуру устройства захвата изображения. Те же самые части, как на Фиг. 1А - 1C, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями.
[00180] Как продемонстрировано на Фиг. 13А, электрод 110 (P) имеет прямоугольную форму. Электрод 111 (T) переноса окружает электрод 110 (P) на виде сверху. Кроме того, электрод 112 (M) окружает электрод 111 (T) переноса на виде сверху. При использовании такой конфигурации может быть сформирован прямоугольный проем для светопринимающей области 101. Вследствие этого может быть увеличена чувствительность.
[00181] Далее будет описан модифицированный пример данного варианта осуществления. Как продемонстрировано на Фиг. 13B, электрод 111 (T) переноса и изолирующий электрод 126 расположены между электродом 110 (P) и электродом 112 (M). Фиксированное напряжение подается на изолирующий электрод 126. При использовании изолирующего электрода 126 может быть устранена диффузия зарядов. Вследствие этого может быть увеличена чувствительность.
[00182] Как было описано выше, согласно данному варианту осуществления, чувствительность может быть увеличена.
Шестой вариант осуществления
[00183] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что множество светопринимающих областей 101 совместно используют область 103 удержания заряда. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00184] Фиг. 14А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения. Фиг. 14B схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. На Фиг. 14А и 14B буквенный символ добавляется после ссылочной позиции для различения множества светопринимающих областей 101 друг от друга. Это также применимо к множеству электродов 110 (P) и множеству электродов 111 (T) переноса.
[00185] В данном варианте осуществления заряды в светопринимающей области 101a и заряды в светопринимающей области 101b переносятся в область 103 удержания заряда. С другой точки зрения, множество светопринимающих областей 101 расположены для группы из схемы пикселя и области 103 удержания заряда. Таким образом, множество сигналов во множестве светопринимающих областей 101 могут быть считаны из одной и той же схемы пикселя. В качестве альтернативы, заряды из множества светопринимающих областей 101 могут быть добавлены в область 103 удержания заряда.
Седьмой вариант осуществления
[00186] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что множество отделенных друг от друга электродов расположены на полупроводниковом слое 108. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00187] Фиг. 15А схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Верхний электрод 106 (S) и блокирующий слой 107 не располагаются на области 102 переноса заряда. Таким образом, верхний электрод 106 (S) включает в себя участок (первый электрод), расположенный на светопринимающей области 101, и участок (третий электрод), расположенный на области 103 удержания заряда, которые изолированы друг от друга. Светоэкранирующий слой 171 расположен на участке между двумя изолированными участками в светопринимающей области 101. Светоэкранирующий слой 171 формируется из изолятора, такого как смола. При использовании такой конфигурации количество света, входящего в область 103 удержания заряда, может быть уменьшено.
[00188] В модифицированном примере данного варианта осуществления светоэкранирующий слой 171 формируется из проводящего элемента, такого как металл. В этом случае верхний электрод 106 (S) не располагается на области 103 удержания заряда. Этот модифицированный пример демонстрируется на Фиг. 15B.
[00189] Фиг. 15B схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному модифицированному примеру. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. Верхний электрод 106 (S) не располагается на области 103 удержания заряда, а на нем расположены блокирующий слой 107 и светоэкранирующий слой 171. Светоэкранирующий слой 171 формируется из проводящего элемента, такого как металл. Таким образом, светоэкранирующий слой 171 подает напряжение смещения на область 103 удержания заряда. При использовании такой конфигурации светоэкранирующий слой 171 функционирует в качестве электрода (третьего электрода), способного уменьшить количество света, входящего в область 103 удержания заряда.
[00190] В данном варианте осуществления коэффициент пропускания света верхнего электрода 106 (S), расположенного в светопринимающей области 101, превышает коэффициент пропускания света светоэкранирующего слоя 171. При использовании такой конфигурации в полупроводниковом слое 108 может быть обеспечена светопринимающая область 101, которая принимает свет, и область 103 удержания заряда, которая экранируется от света. В качестве альтернативы, верхний электрод 106 (S) и светоэкранирующий слой 107 могут быть электрически соединены друг с другом. При использовании такой конфигурации сопротивление верхнего электрода 106 (S) может быть эффективно уменьшено, и, таким образом, может быть увеличена скорость работы.
[00191] На Фиг. 16 демонстрируется другой модифицированный пример данного варианта осуществления. Фиг. 16 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному модифицированному примеру. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А, обозначаются одинаковыми ссылочными позициями. В устройстве захвата изображения, продемонстрированном на Фиг. 16, верхний электрод 106 (S) включает в себя участок (первый электрод), расположенный на светопринимающей области 101, и участок (третий электрод), расположенный на области 103 удержания заряда, которые изолированы друг от друга. На участке между двумя изолированными частями в светопринимающей области 101 светоэкранирующий слой 171 не располагается. Два изолированных участка в светопринимающей области 101 называются первым электродом 106-1 и третьим электродом 106-2, соответственно.
[00192] Светопринимающая область 101 расположена между первым электродом 106-1 и электродом 110 (P) (вторым электродом). Область 103 удержания заряда расположена между третьим электродом 106-2 и электродом 112 (M) (четвертым электродом). Первый электрод 106-1, подобно верхнему электроду 106 (S) в первом варианте осуществления, соединен с источником 104 (VS) питания. Третий электрод 106-2 соединен с источником 180 (VSB) питания. Источник 180 (VSB) питания подает множество напряжений Vsb на третий электрод 106-2.
[00193] Когда дырки в качестве сигнальных зарядов переносятся из светопринимающей области 101 в область 103 удержания заряда, напряжение Vs первого электрода 106-1 и напряжение Vsb третьего электрода 106-2 удовлетворяют соотношению, выраженному как Vs > Vsb. Соответственно, может быть поддержан перенос заряда посредством электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M). Вследствие этого, перенос заряда может быть выполнен с более высокой скоростью. В случае, когда сигнальные заряды являются электронами, напряжение Vs первого электрода 106-1 и напряжение Vsb третьего электрода 106-2 удовлетворяют соотношению, выраженному как Vs < Vsb, при переносе зарядов. Соответственно, может быть поддержан перенос заряда посредством электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M). Вследствие этого, перенос заряда может быть выполнен с более высокой скоростью.
[00194] Операция считывания сигнальных зарядов, удерживаемых в области 103 удержания заряда, включает в себя операцию вывода зарядов в направлении, перпендикулярном полупроводниковому слою 108. При управлении напряжением Vsb, подаваемым на третий электрод 106-2, операция вывода зарядов может быть выполнена более надежно.
[00195] Кроме того, электрод, изолированный от первого электрода 106-1 и третьего электрода 106-2, может быть расположен между первым электродом 106-1 и третьим электродом 106-2. То есть электрод, которым можно независимо управлять, может быть расположен на области 102 переноса заряда. В этом случае электрическое поле, образованное электродом 111 (T) переноса и электродом, может устранить утечку наружу зарядов, накопленных в светопринимающей области 101.
[00196] Фиг. 17 схематически демонстрирует плоскую структуру первого электрода 106-1 и третьего электрода 106-2. Формы электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M), продемонстрированных на Фиг. 4А, представлены пунктирными линиями.
[00197] Как было описано выше, в данном варианте осуществления верхний электрод 106 (S) включает в себя участок (первый электрод), расположенный на светопринимающей области 101, и участок (третий электрод), расположенный на области 103 удержания заряда, которые изолированы друг от друга. При использовании такой конфигурации эффективность переноса зарядов может быть повышена.
Восьмой вариант осуществления
[00198] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что полупроводниковый слой 108 и электрод 112 (M) контактируют друг с другом. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00199] Фиг. 18 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Верхний электрод 106 (S) и блокирующий слой 107 не располагаются на области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда. В данном варианте осуществления перенос заряда в области 102 переноса заряда выполняется на поверхности раздела между полупроводниковым слоем 108 и изолирующим слоем 109. Таким образом, верхний электрод 106 (S) и блокирующий слой 107 могут быть опущены в области 102 переноса заряда. Кроме того, область 103 удержания заряда контактирует с электродом 112 (M). Таким образом, заряды в области 103 удержания заряда могут быть введены на затвор усиливающего транзистора 118 через электрод 112 (M). При использовании такой конфигурации верхний электрод 106 (S) и блокирующий слой 107 могут быть опущены в области 103 удержания заряда.
[00200] В данном варианте осуществления толщина полупроводникового слоя 108 в области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда меньше толщины полупроводникового слоя 108 в светопринимающей области 101. Кроме того, когда светоэкранирующий слой 105 расположен на области 102 переноса заряда и области 103 удержания заряда, количество света, входящего в область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда, может быть уменьшено.
[00201] Согласно конфигурации данного варианта осуществления, шум, вызванный светом, падающим на область 102 переноса заряда или область 103 удержания заряда, может быть уменьшен.
Девятый вариант осуществления
[00202] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что для одной микролинзы 401 обеспечиваются две группы, состоящие из светопринимающей области 101 и области 103 удержания заряда. Согласно данному варианту осуществления, пикселю 100 может быть придана функция разности фаз AF. Здесь далее будут описаны отличия от первого варианта осуществления.
[00203] Далее со ссылкой на чертежи будет описана плоская структура и структура в поперечном разрезе устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Фиг. 19А схематически демонстрирует плоскую структуру устройства захвата изображения. Те же самые части, как на Фиг. 4А, обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 19А демонстрируют пиксели 100 в двух строках и двух столбцах. Фиг. 19А схематически демонстрирует структуру электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) в плоскости, параллельной поверхности подложки, на которой расположена схема пикселя. Фиг. 19B схематически демонстрирует структуру в поперечном разрезе устройства захвата изображения. Продемонстрированный на Фиг. 19B поперечный разрез соответствует поперечному разрезу, выполненному по линии XIXB - XIXB на Фиг. 19А. Те же самые части, как на Фиг. 4B, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
[00204] В данном варианте осуществления один пиксель 100 включает в себя два подпикселя PC1 и PC2. Два подпикселя PC1 и PC2 обеспечены для одной микролинзы 401. То есть свет, собранный одной микролинзой 401, поступает на два подпикселя PC1 и PC2.
[00205] Каждый из подпикселей PC1 и PC2 имеет ту же самую конфигурацию, как пиксель 100 согласно первому варианту осуществления. Таким образом, конфигурации и операции подпикселей PC1 и PC2 являются идентичными представленным в первом варианте осуществления, и их описание будет опущено.
[00206] Два подпикселя PC1 и PC2, обеспеченные для одной микролинзы, расположены с заданным расстоянием d1 между ними. Хотя это не продемонстрировано, смежные друг другу электроды пикселей 100 могут быть расположены на расстоянии d2 между ними, которое превышает расстояние d1. Такая компоновка электродов пикселей может устранить накопление зарядов, сгенерированных в соответствии со светом, входящим в определенный пиксель в участке фотоэлектрического преобразования соседнего пикселя.
[00207] Фиг. 19B демонстрирует микролинзу 401, планаризованный слой 402, цветовой фильтр 403, светоэкранирующий слой 105, верхний электрод 106 (S), полупроводниковый слой 108, изолирующий слой 109 и межслойную пленку 404. Светопринимающая область 101, область 102 переноса заряда и область 103 удержания заряда, расположенные в полупроводниковом слое 108, продемонстрированы пунктирными линиями.
[00208] Фиг. 19А и 19B демонстрируют электрод 110 (P), соответствующий светопринимающей области 101, электрод 111 (T) переноса, соответствующий области 102 переноса заряда, и электрод 112 (M), соответствующий области 103 удержания заряда. Формы электрода 110 (P), электрода 111 (T) переноса и электрода 112 (M) являются концентрическим полукругом. В данном варианте осуществления два подпикселя PC1 и PC2 расположены линейно-симметрично относительно линии, параллельной поверхности подложки, на которой расположена схема пикселя.
[00209] В данном варианте осуществления область 103 удержания заряда, область 102 переноса заряда и светопринимающая область 101 расположены в указанном порядке от положения вблизи центра микролинзы 401 на виде сверху. При использовании такой конфигурации эффективность разделения падающих лучей света в двух подпикселях PC1 и PC2 может быть повышена, как продемонстрировано лучом LA света и лучом LB света на Фиг. 19B. Вследствие этого может быть точнее выполнено обнаружение фокуса.
[00210] Как было описано выше, в данном варианте осуществления два подпикселя PC1 и PC2 обеспечены для одной микролинзы 401. При использовании такой конфигурации сигналы обнаружения разности фаз могут быть считаны без разности по времени. Таким образом, информация о точном расстоянии до объекта может быть получена в режиме реального времени в процессе захвата движущегося изображения.
[00211] Работа пикселя 100 не ограничивается вышеописанной операцией, и может быть выполнена обычная операция для получения захваченного изображения.
Десятый вариант осуществления
[00212] Далее будет описан другой вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от вариантов осуществления с первого по четвертый тем, что электрод 111 (T) переноса расположен на высоте, отличной от высоты расположения электрода 110 (P) и электрода 112 (M). Здесь далее будут описаны отличия от вариантов осуществления с первого по четвертый.
[00213] Фиг. 20 схематически демонстрирует пиксель 100 устройства захвата изображения согласно данному варианту осуществления. Части, имеющие те же самые функции, как у продемонстрированных на Фиг. 1А или 12, обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
[00214] В данном варианте осуществления электрод 110 (P) и электрод 112 (M) образованы в одном слое. С другой стороны, электрод 111 (T) переноса образован в слое, отличном от слоя электрода 110 (P) и электрода 112 (M). Что же касается поверхности подложки, на которой расположена схема пикселя, то электрод 111 (T) переноса расположен на высоте, отличной от высоты расположения электрода 110 (P) и электрода 112 (M). Кроме того, часть электрода 111 (T) переноса перекрывает электрод 110 (P) и электрод 112 (M).
[00215] При использовании такой конфигурации интервал g между электродом 110 (P) и электродом 112 (M) может быть уменьшен. Интервал g оказывает влияние на характеристику переноса заряда. Если интервал g является небольшим, то характеристика переноса заряда улучшается. Таким образом, согласно данному варианту осуществления, эффективность переноса зарядов может быть повышена.
Одиннадцатый вариант осуществления
[00216] Далее будет описана система захвата изображения, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Примеры системы захвата изображения включают в себя цифровую фотокамеру, цифровую видеокамеру, головку камеры, копировальный аппарат, факсимильный аппарат, мобильный телефон, автомобильную камеру и спутник наблюдения. Фиг. 21 представляет собой блок-схему, демонстрирующую цифровую фотокамеру, которая является примером системы захвата изображения.
[00217] Обращаясь к Фиг. 21, барьер 1001 защищает объектив (линзу), объектив 1002 формирует оптическое изображение объекта на устройстве 1004 захвата изображения, а диафрагма 1003 изменяет количество света, проходящего через объектив 1002. Устройство 1004 захвата изображения соответствует устройствам захвата изображения, описанным выше в отдельных вариантах осуществления, и преобразовывает сформированное посредством объектива 1002 оптическое изображение в данные изображения. Здесь предполагается, что преобразователь AD сформирован на полупроводниковой подложке устройства 1004 захвата изображения. Процессор 1007 обработки сигналов выполняет различные процессы коррекции применительно к данным изображения, выводимым из устройства 1004 захвата изображения, и сжимает данные изображения. Кроме того, обращаясь к Фиг. 21, тактовый генератор 1008 выводит различные тактовые сигналы для устройства 1004 захвата изображения и процессора 1007 обработки сигналов, а общий блок 1009 расчета и управления управляет всей цифровой фотокамерой. Блок 1010 памяти кадров временно сохраняет данные изображения. Блок 1011 интерфейса (I/F) управления носителем записи используется для записи данных на носитель записи и для считывания данных с носителя записи. Носитель 1012 записи является съемным носителем записи, таким как полупроводниковая память, на который записываются данные изображения или с которого данные изображения считываются. Блок 1013 внешнего интерфейса (I/F) используется для связи с внешним компьютером или подобным. Здесь тактовый сигнал или подобный может быть введен снаружи системы захвата изображения. Система захвата изображения может включать в себя по меньшей мере устройство 1004 захвата изображения и процессор 1007 обработки сигналов, который обрабатывает сигналы изображения, выводимые с устройства 1004 захвата изображения.
[00218] В данном варианте осуществления устройство 1004 захвата изображения и преобразователь AD обеспечиваются на разных полупроводниковых подложках. В качестве альтернативы, устройство 1004 захвата изображения и преобразователь AD могут быть сформированы на одной полупроводниковой подложке. В качестве альтернативы, устройство 1004 захвата изображения и процессор 1007 обработки сигналов могут быть сформированы на одной полупроводниковой подложке.
[00219] Отдельные пиксели 100 могут быть выполнены включающими в себя первый участок 101А фотоэлектрического преобразования и второй участок 101В фотоэлектрического преобразования. Процессор 1007 обработки сигналов может быть выполненным с возможностью обработки сигналов на основе зарядов, сгенерированных в первом участке 101А фотоэлектрического преобразования, и сигналов на основе зарядов, сгенерированных во втором участке 101В фотоэлектрического преобразования, и получения информации о расстоянии, указывающей расстояние от устройства 1004 захвата изображения до объекта.
[00220] В варианте осуществления системы захвата изображения, устройство захвата изображения согласно первому варианту осуществления используется в качестве устройства 1004 захвата изображения. Таким образом, в случае варианта осуществления настоящего изобретения применительно к системе захвата изображения, может быть получено изображение с уменьшенным шумом.
[00221] Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения должен получить самую широкую интерпретацию с тем, чтобы охватить все подобные модификации и эквивалентные структуры и функции.