光電轉(zhuǎn)換裝置和成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開(kāi)涉及光電轉(zhuǎn)換裝置和成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 層疊型光電轉(zhuǎn)換裝置已被提議作為用于照相機(jī)的圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換裝置。在 TO2012/004923(下文稱(chēng)為"專(zhuān)利文獻(xiàn)1"）的圖1中所示的光電轉(zhuǎn)換裝置中，光電轉(zhuǎn)換膜層 疊在半導(dǎo)體襯底上方。透明電極被設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換膜之上，并且像素電極被設(shè)置在光電轉(zhuǎn) 換膜下面。絕緣膜被設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換膜和像素電極之間。專(zhuān)利文獻(xiàn)1描述了采用上述配置 能夠進(jìn)行相關(guān)雙采樣，并實(shí)現(xiàn)了噪聲的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)某示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置包括光電轉(zhuǎn)換單元，該單元包括第一電極、 第二電極、設(shè)置在第一電極和第二電極之間的光電轉(zhuǎn)換層、以及設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層和第二 電極之間的絕緣層。光電轉(zhuǎn)換裝置包括：放大單元，與第二電極電連接，并被配置為輸出由 光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的信號(hào)；復(fù)位單元，被配置為向第二電極供應(yīng)復(fù)位電壓；第一電容器，包 括與第二電極電連接的第一端子、和第二端子；以及電壓供應(yīng)單元，被配置為向第二端子至 少供應(yīng)第一電壓和與第一電壓不同的第二電壓。滿(mǎn)足以下關(guān)系：
[0004]
[0005] 其中，Vs表不供應(yīng)給第一電極的電壓，Vdl表不第一電壓，Vd2表不第二電壓，Vres 表不復(fù)位電壓，Cl表不第一電容器的電容值，C2表不由第一電極和第二電極形成的第二電 容器的電容值。
[0006] 根據(jù)另一示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置包括光電轉(zhuǎn)換單元，該單元包括第一電 極、第二電極、設(shè)置在第一電極和第二電極之間的光電轉(zhuǎn)換層、以及設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層和第 二電極之間的絕緣層。光電轉(zhuǎn)換裝置包括：放大單元，與第二電極電連接，并被配置為輸出 由光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的信號(hào)；復(fù)位單元，被配置為向第二電極供應(yīng)復(fù)位電壓；第一電容器， 與第二電極電連接；以及電壓供應(yīng)單元，被配置為向第一電極至少供應(yīng)第一電壓和與第一 電壓不同的第二電壓。滿(mǎn)足以下關(guān)系：
[0007
[0008] 其中，Vsl表不第一電壓，Vs2表不第二電壓，Vres表不復(fù)位電壓，C1表不第一電 容器的電容值，C2表示由第一電極和第二電極形成的第二電容器的電容值。
[0009] 根據(jù)另一示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置包括光電轉(zhuǎn)換單元，該單元包括第一電 極、第二電極、設(shè)置在第一電極和第二電極之間的光電轉(zhuǎn)換層、以及設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層和第 二電極之間的絕緣層。光電轉(zhuǎn)換裝置包括：放大單元，與第二電極電連接，并被配置為輸出 由光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的信號(hào)；以及第一電容器，與第二電極電連接，并包括彼此相對(duì)的兩個(gè) 電極。
[0010] 參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1A是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖，圖1B和 圖1C是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換單元的等效電路的示圖。
[0012] 圖2是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的整體配置的示意圖。
[0013] 圖3是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的列電路的等效電路的示意圖。
[0014] 圖4是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的平面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015] 圖5A和圖5B是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的截面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0016] 圖6A至6F是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換單元的電位的示意圖。
[0017] 圖7是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖的示意圖。
[0018] 圖8是根據(jù)第二示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖。
[0019] 圖9是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0020] 圖10是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的平面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0021] 圖11是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的截面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022] 圖12A至12F是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置的光電轉(zhuǎn)換單元的電位的示意圖。
[0023] 圖13是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖的示意圖。
[0024] 圖14是根據(jù)第三示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖；
[0025] 圖15是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖的示意圖。
[0026] 圖16是根據(jù)第四示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖。
[0027] 圖17是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖的示意圖。
[0028] 圖18是根據(jù)第五示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖。
[0029] 圖19是示出了光電轉(zhuǎn)換裝置中所使用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖的示意圖。
[0030] 圖20是根據(jù)第六示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素的配置的示意圖。
[0031] 圖21是根據(jù)第七實(shí)施例的成像系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 某些示例性實(shí)施例可以降低噪聲。
[0033] 在光電轉(zhuǎn)換裝置中，當(dāng)從光電轉(zhuǎn)換膜讀出信號(hào)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換膜可能未充分耗盡。結(jié) 果，未從光電轉(zhuǎn)換膜排出的電荷可能殘留在光電轉(zhuǎn)換膜中。在從光電轉(zhuǎn)換膜讀出信號(hào)時(shí)殘 留在光電轉(zhuǎn)換膜中的電荷可能導(dǎo)致輸出信號(hào)中的噪聲。
[0034] 根據(jù)專(zhuān)利文獻(xiàn)1，通過(guò)向透明電極施加高電壓來(lái)使光電轉(zhuǎn)換膜耗盡。然而，由于電 容耦合，改變透明電極上的電壓也可能改變像素電極上的電壓。這可能阻止光電轉(zhuǎn)換膜的 兩端被施加上足夠使光電轉(zhuǎn)換膜耗盡的電壓。結(jié)果，可能產(chǎn)生噪聲。
[0035] 另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，包括像素電極的節(jié)點(diǎn)上的電壓由復(fù)位晶體管來(lái)復(fù)位。由復(fù) 位晶體管供應(yīng)的復(fù)位電壓等于電源電壓（VDD)。這可能使得難以在透明電極和像素電極之 間施加足夠的電壓，而導(dǎo)致難以耗盡光電轉(zhuǎn)換膜。結(jié)果，可以產(chǎn)生噪聲。
[0036] 特別是在以小于或等于5V的低電源電壓驅(qū)動(dòng)的光電轉(zhuǎn)換裝置中，由上述殘留在 光電轉(zhuǎn)換膜中的電荷導(dǎo)致的噪聲由于以下原因?qū)⒆兊蔑@著。因?yàn)楦唠妷翰豢捎茫怨怆?轉(zhuǎn)換膜更加難以耗盡。
[0037] 在某些示例性實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置可以降低噪聲。
[0038] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了光電轉(zhuǎn)換裝置。光電轉(zhuǎn)換裝置中所包括的像素包括光電轉(zhuǎn) 換單元、用于放大由光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的信號(hào)的放大單元、以及向放大單元供應(yīng)復(fù)位電壓 的復(fù)位單元。光電轉(zhuǎn)換裝置可以包括多個(gè)像素。在這種情況中，光電轉(zhuǎn)換裝置例如是圖像 傳感器。作為替代，光電轉(zhuǎn)換裝置可以包括單個(gè)像素。在這種情況中，光電轉(zhuǎn)換裝置例如是 光學(xué)傳感器。在圖1A中，以舉例的方式示出了像素100、光電轉(zhuǎn)換單元101、復(fù)位晶體管102 和放大器晶體管104。
[0039] 光電轉(zhuǎn)換單元包括第一電極、第二電極、設(shè)置在第一電極和第二電極之間的光電 轉(zhuǎn)換層、以及設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層和第二電極之間的絕緣層。這種配置使得光電轉(zhuǎn)換單元能 夠積聚由入射光產(chǎn)生的電荷作為信號(hào)電荷。另外，可以通過(guò)控制要向包括光電轉(zhuǎn)換單元的 像素電路供應(yīng)的電壓來(lái)讀出來(lái)自光電轉(zhuǎn)換單元的信號(hào)。在圖1A中以舉例的方式示出了第 一電極201、光電轉(zhuǎn)換層205、絕緣層207和第二電極209。
[0040] 第二電極與放大單元電連接。這種配置使得放大單元能夠輸出由光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn) 生的信號(hào)。第二電極和放大單元可以短路。作為替代，可以在第二電極和放大單元之間的 電通路上設(shè)置開(kāi)關(guān)。在圖1A中，以舉例的方式示出了指示第二電極和放大單元之間的電連 接的節(jié)點(diǎn)B。節(jié)點(diǎn)B被配置為能夠進(jìn)入或設(shè)置為電浮動(dòng)狀態(tài)。由于節(jié)點(diǎn)B進(jìn)入電浮動(dòng)狀態(tài)， 節(jié)點(diǎn)B上的電壓可以根據(jù)在光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷而改變。因此，與在光電轉(zhuǎn)換單元 中產(chǎn)生的電荷對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以被輸入到放大單元。
[0041] 復(fù)位單元使第二電極上的電壓復(fù)位。復(fù)位單元向第二電極供應(yīng)復(fù)位電壓。復(fù)位 單元例如是與第二電極電連接的復(fù)位晶體管。在圖1A中以舉例的方式示出了復(fù)位晶體管 102。對(duì)復(fù)位單元進(jìn)行控制使得復(fù)位單元的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)被切換。接通復(fù)位單元?jiǎng)t 向第二電極供應(yīng)復(fù)位電壓?？梢栽趶?fù)位單元和第二電極之間的電通路上設(shè)置開(kāi)關(guān)。另外， 復(fù)位單元和第二電極可以短路。
[0042] 第一電容器與第二電極電連接。圖1A以舉例的方式示出了第一電容器103。第 二電極和第一電容器可以短路，或者可以在第二電極和第一電容器之間的電通路上設(shè)置開(kāi) 關(guān)。
[0043] 第一電容器例如包括其之間插有絕緣體的彼此相對(duì)的兩個(gè)電極。兩個(gè)電極由諸如 多晶硅或金屬之類(lèi)的導(dǎo)電材料組成。作為替代，第一電容器被配置為包括半導(dǎo)體區(qū)和設(shè)置 在半導(dǎo)體區(qū)上方的柵電極，在半導(dǎo)體區(qū)和柵電極之間具有柵極絕緣膜。第一電容器中所包 括的半導(dǎo)體區(qū)優(yōu)選地具有比晶體管的源區(qū)或漏區(qū)更高的雜質(zhì)濃度。柵電極由諸如多晶硅或 金屬之類(lèi)的導(dǎo)電材料組成。
[0044] 第一電容器包括與第二電極電連接的第一端子、以及不同于第一端子的第二端 子。第一端子和第二端子中的每一個(gè)可以由諸如多晶硅或金屬之類(lèi)的導(dǎo)電材料組成，或可 以由半導(dǎo)體區(qū)形成。預(yù)定電壓被供應(yīng)到第二端子。例如，第二端子可以接地。作為替代，第 二端子可以與電壓供應(yīng)單元連接，并且可以從電壓供應(yīng)單元向第二端子供應(yīng)多個(gè)電壓。在 圖1A中，節(jié)點(diǎn)B包括第一端子，節(jié)點(diǎn)C包括第二端子。
[0045] 在本實(shí)施例中，當(dāng)讀出信號(hào)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換層耗盡。為了實(shí)現(xiàn)耗盡，對(duì)光電轉(zhuǎn)換單元 的第一電極上的電壓或第一電容器的第二端子上的電壓進(jìn)行控制。具體地，提供了供應(yīng)第 一電壓和不同于第一電壓的第二電壓的電壓供應(yīng)單元。
[0046] 在某些實(shí)施例中，電壓供應(yīng)單元向光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極供應(yīng)第一電壓和不同 于第一電壓的第二電壓。圖1A以舉例的方式示出了電壓供應(yīng)單元110。在某些實(shí)施例中， 電壓供應(yīng)單元向第一電容器的第二端子供應(yīng)第一電壓和不同于第一電壓的第二電壓。在圖 8中以舉例的方式示出了電壓供應(yīng)單元410。
[0047] 現(xiàn)在將根據(jù)本實(shí)施例來(lái)描述降噪效果。
[0048] 由于以下原因，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極上的電壓或第一電容器的第二端子上 的電壓改變時(shí)，光電轉(zhuǎn)換單元的第二電極上的電壓根據(jù)第一電容器的電容值與由第一電極 和第二電極形成的第二電容器的電容值的比率而改變。在像素的等效電路中，第一電容器 和第二電容器被表示為串聯(lián)的兩個(gè)電容器，第二電極被表示為兩個(gè)電容器之間的節(jié)點(diǎn)或被 包括在兩個(gè)電容器之間的節(jié)點(diǎn)中。
[0049] 在本實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極上的電壓或第一電容器的第二端子上的 電壓、由復(fù)位單元供應(yīng)的電壓、第一電容器的電容值和第二電容器的電容值具有預(yù)定的關(guān) 系。通過(guò)滿(mǎn)足這種關(guān)系，即使第二電極上的電壓改變，也可以在光電轉(zhuǎn)換單元的第一電極和 第二電極之間施加使光電轉(zhuǎn)換層耗盡的電壓。因此，可以減少未從光電轉(zhuǎn)換層排出的電荷 量。因此，可以實(shí)現(xiàn)降噪。
[0050] 在本實(shí)施例的不同方面中，第一電容器被配置為包括彼此相對(duì)的兩個(gè)電極。這種 配置提高了電容比的設(shè)計(jì)靈活性。因此，上述關(guān)系可以容易地滿(mǎn)足。因此，可以改善具有降 低的噪聲的光電轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)靈活性。
[0051] 下面，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本發(fā)明不限于以下示例性實(shí) 施例。其中在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對(duì)以下示例性實(shí)施例的配置進(jìn)行部分修改的變 型也構(gòu)成本發(fā)明的示例性實(shí)施例。另外，其中以下示例性實(shí)施例中的任一個(gè)示例性實(shí)施例 的部分配置被添加到另一個(gè)示例性實(shí)施例的示例，或者其中以下示例性實(shí)施例中的任一個(gè) 示例性實(shí)施例的部分配置由另一個(gè)示例性實(shí)施例的部分配置所替代的示例也構(gòu)成了本發(fā) 明的示例性實(shí)施例。
[0052] 第一示例性實(shí)施例
[0053] 圖1A示意性地示出了根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的像素100的配置。像 素100包括光電轉(zhuǎn)換單元101、復(fù)位晶體管102、第一電容器103、放大器晶體管104和選擇 晶體管105。盡管圖1A中僅示出了一個(gè)像素100,但是根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝 置包括多個(gè)像素100。另外，在圖1A中示意性地示出了光電轉(zhuǎn)換單元101的截面結(jié)構(gòu)。
[0054] 光電轉(zhuǎn)換單元101包括第一電極201、阻擋層203、光電轉(zhuǎn)換層205、絕緣層207和 第二電極209。第一電極201被包括在圖1A中所示的節(jié)點(diǎn)A中。第二電極209被包括在圖 1A中所示的節(jié)點(diǎn)B中。第一電極201連接到電壓供應(yīng)單元110。電壓供應(yīng)單元110向光電 轉(zhuǎn)換單元101的第一電極201供應(yīng)多個(gè)電壓Vs。這種配置使得信號(hào)電荷能夠積聚光電轉(zhuǎn)換 單元101中并且使得信號(hào)電荷能夠從光電轉(zhuǎn)換單元101排出。執(zhí)行信號(hào)電荷的排出以讀出 由光電轉(zhuǎn)換單元101產(chǎn)生的信號(hào)。
[0055] 電壓供應(yīng)單元110向光電轉(zhuǎn)換單元101的第一電極201至少供應(yīng)第一電壓Vsl和 不同于第一電壓Vsl的第二電壓Vs2。如果信號(hào)電荷為空穴，則第二電壓Vs2是低于第一 電壓Vsl的電壓。例如，如果信號(hào)電荷為空穴，則第一電壓Vsl等于5V，第二電壓Vs2等于 0V。如果信號(hào)電荷為電子，則第二電壓Vs2為高于第一電壓Vsl的電壓。例如，如果信號(hào)電 荷為電子，則第一電壓Vsl等于0V，第二電壓Vs2等于5V。在本說(shuō)明書(shū)中，除非另有說(shuō)明， 否則接地節(jié)點(diǎn)上的電壓是作為基準(zhǔn)的0V。
[0056] 圖1A中所示的節(jié)點(diǎn)B包括放大器晶體管104的柵極。放大器晶體管104為放大 單元，放大器晶體管104的柵極是該放大單元的輸入節(jié)點(diǎn)。即，光電轉(zhuǎn)換單元101的第二電 極209與該放大單元電連接。這種配置使得放大單元能夠放大并輸出由光電轉(zhuǎn)換單元101 產(chǎn)生的信號(hào)。
[0057] 第二電極209與第一電容器103的第一端子電連接。在本不例性實(shí)施例中，第一 電容器103的第一端子被包括在節(jié)點(diǎn)B中。即，第二電極209和第一電容器103的第一端 子短路。第一電容器103的第二端子被包括在節(jié)點(diǎn)C中。第二端子與第一端子電容親合。 換句話說(shuō)，節(jié)點(diǎn)C經(jīng)由第一電容器103與節(jié)點(diǎn)B電容耦合。預(yù)定電壓被供應(yīng)到第一電容器 103的第二端子（節(jié)點(diǎn)C)。在本示例性實(shí)施例中，第一電容器103的第二端子（節(jié)點(diǎn)C)接 地。即，向第一電容器103的第二端子供應(yīng)0V的電壓。
[0058] 復(fù)位晶體管102的漏極與被供應(yīng)復(fù)位電壓Vres的節(jié)點(diǎn)連接。復(fù)位晶體管102的 源極與光電轉(zhuǎn)換單元101的第二電極209和放大器晶體管104的柵極連接。這種配置使得 復(fù)位晶體管102能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)B上的電壓復(fù)位到復(fù)位電壓Vres。即，復(fù)位晶體管102是向第 二電極209供應(yīng)復(fù)位電壓Vres的復(fù)位單元。斷開(kāi)復(fù)位晶體管102使被配置為包括光電轉(zhuǎn) 換單元101的第二電極209的節(jié)點(diǎn)B進(jìn)入電浮動(dòng)狀態(tài)。
[0059] 在本示例性實(shí)施例中，對(duì)供應(yīng)給光電轉(zhuǎn)換單元101的第一電極201的電壓Vs與復(fù) 位電壓Vres之間的大小關(guān)系進(jìn)行控制，以在光電轉(zhuǎn)換單元101中積聚信號(hào)電荷并從光電轉(zhuǎn) 換單元101排出信號(hào)電荷。復(fù)位電壓Vres是第一電壓Vsl和第二電壓Vs2之間的中間值。 例如，如果信號(hào)電荷為空穴，則復(fù)位電壓Vres是比第一電壓Vsl低且比第二電壓Vs2高的 電壓。如果信號(hào)電荷為電子，則復(fù)位電壓Vres為比第一電壓Vsl高且比第二電壓Vs2低的 電壓。在本示例性實(shí)施例中，復(fù)位電壓Vres等于3. 3V。復(fù)位電壓Vres低于電源電壓，并高 于要供應(yīng)到接地節(jié)點(diǎn)的電壓。
[0060] 放大器晶體管104的漏極與被供應(yīng)電源電壓的節(jié)點(diǎn)連接。放大器晶體管104的源 極經(jīng)由選擇晶體管105與輸出線130連接。電流源160連接到輸出線130。放大器晶體管 104和電流源160形成源極跟隨器電路，并且由光電轉(zhuǎn)換單元101產(chǎn)生的信號(hào)被輸出到輸出 線130。列電路140也連接到輸出線130。被輸出到輸出線130的來(lái)自像素100的信號(hào)被 輸入到列電路140。
[0061] 圖1B和1C示出了光電轉(zhuǎn)換單元101的示例等效電路圖。在本示例性實(shí)施例中，光 電轉(zhuǎn)換單元101包括被配置為積聚信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換層以及絕緣層。因此，光電轉(zhuǎn)換單 元101包括第一電極201和第二電極209之間的電容分量。在圖1B和圖1C所示出的等效 電路中，該電容分量被表不為設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換單元101的第一電極201和第二電極209之 間的第二電容器111。圖1B示出了其中光電轉(zhuǎn)換單元101包括阻擋層的示例性實(shí)施例。因 此，使用二極管112的電路符號(hào)來(lái)示出阻擋層和光電轉(zhuǎn)換層。圖1C示出了其中光電轉(zhuǎn)換層 不包括阻擋層的示例性實(shí)施例。因此，使用電阻器113的電路符號(hào)來(lái)示出光電轉(zhuǎn)換層。以 下描述光電轉(zhuǎn)換單元101的結(jié)構(gòu)。
[0062] 圖2是示出了根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電轉(zhuǎn)換裝置的整體電路配置的示意圖。具 有與圖1A中的部分基本上相同的功能的部分被分配相同的附圖標(biāo)記。
[0063] 圖2示出了以四行四列的矩陣布置的16個(gè)像素100。每列中所包括的多個(gè)像素 100連接到一條輸出線130。行驅(qū)動(dòng)器電路120向像素