光電變換裝置、光電變換系統(tǒng)和光電變換裝置的驅(qū)動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光電變換裝置、光電變換系統(tǒng)和光電變換裝置的驅(qū)動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日本專利特開第2013-131900號中公開的光電變換裝置的像素包括由金屬、絕 緣膜和半導(dǎo)體構(gòu)成的所謂的MIS型光電變換單元。光電變換單元累積信號載流子。像素還 包括配置為輸出基于由光電變換單元累積的信號載流子的信號的放大晶體管。
[0003] 在日本專利特開第8-116044號中公開的MIS型光電變換單元包括第一電極、設(shè) 在相對于第一電極的基板側(cè)的第二電極，W及布置在第一電極和第二電極之間的光電變換 層。日本專利特開第8-116044號公開了：在第一電極和第二電極的電勢之間的大小關(guān)系被 設(shè)置為與信號載流子的累積時(shí)的大小關(guān)系相反W從光電變換層排出累積的信號載流子之 后，大小關(guān)系再次返回到與信號載流子的累積時(shí)的大小關(guān)系相同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種光電變換裝置，包括：光電變換單元；放大單 元；信號線；W及輸出控制單元，其中光電變換單元包括第一電極、第二電極、布置在第一 電極和第二電極之間并且累積信號載流子的光電變換層W及布置在光電變換層和第二電 極之間的絕緣層，基于累積的信號載流子的光學(xué)信號被輸出到放大單元的輸入節(jié)點(diǎn)，放大 單元的輸出節(jié)點(diǎn)與信號線相連，施加到第一電極的電勢和施加到第二電極的電勢之間的大 小關(guān)系在第一時(shí)段中是第一關(guān)系，在該第一時(shí)段期間光電變換層累積信號載流子，并且大 小關(guān)系在第二時(shí)段中是與第一關(guān)系相反的第二關(guān)系，在該第二時(shí)段期間在向第二電極施加 具有與在第一時(shí)段中施加的電勢不同的值的電勢時(shí)從光電變換層排出信號載流子，并且輸 出控制單元在第二時(shí)段的至少一部分中將信號線的電勢范圍限制在比放大單元的輸出的 電勢范圍窄的預(yù)定范圍內(nèi)，或者輸出控制單元在第二時(shí)段的至少一部分中使放大單元進(jìn)入 非工作狀態(tài)。
[0005] 此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種光電變換裝置的驅(qū)動方法，該光電變換 裝置包括光電變換單元、放大單元、信號線，該光電變換單元包括第一電極、第二電極、布置 在第一電極和第二電極之間并且累積信號載流子的光電變換層W及布置在光電變換層和 第二電極之間的絕緣層，該驅(qū)動方法包括：在第一時(shí)段中將施加到第一電極的電勢和施加 到第二電極的電勢之間的大小關(guān)系設(shè)置為第一關(guān)系，在該第一時(shí)段期間光電變換層累積信 號載流子；在第二時(shí)段中將大小關(guān)系設(shè)置為與第一關(guān)系相反的第二關(guān)系，在該第二時(shí)段期 間在向第二電極施加具有與在第一時(shí)段中施加的電勢不同的值的電勢時(shí)從光電變換層排 出信號載流子；W及在第二時(shí)段的至少一部分中將信號線的電勢范圍限制在比放大單元的 輸出的電勢范圍窄的預(yù)定范圍內(nèi)，或者在第二時(shí)段的至少一部分中使放大單元進(jìn)入非工作 狀態(tài)。
[0006] 參考附圖，從對示例性實(shí)施例的W下描述，本發(fā)明的另外特征將變得清楚。
【附圖說明】 陽007] 圖IA示出了光電變換裝置的示例配置，并且圖IB示出了列信號處理單元的示例 配置。 陽00引圖2A至圖2D示出了光電變換單元的示例操作。
[0009] 圖3示出了光電變換裝置的示例操作。
[0010] 圖4示出了光電變換裝置的示例配置。 W11] 圖5示出了光電變換裝置的示例。
[0012] 圖6示出了光電變換裝置的示例。
[0013] 圖7A示出了光電變換裝置的示例操作，并且圖7B示出了電容元件的示例配置。
[0014] 圖8示出了光電變換裝置的示例。
[0015] 圖9示出了光電變換系統(tǒng)的示例配置。
[0016] 圖10示出了光電變換裝置的示例操作。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 在累積的信號載流子被從MIS光電變換層中排出的情況下，提供給第二電極的電 勢從第一電勢變?yōu)榈诙妱?。?jù)此，與第二電極電連接的放大晶體管的輸入節(jié)點(diǎn)的電勢也 從第一電勢變?yōu)榈诙妱?。因此，由放大晶體管輸出的信號的信號電平被改變。此后，提供 給第二電極的電勢從第二電勢變?yōu)榈谝浑妱?。?jù)此，放大晶體管的輸入節(jié)點(diǎn)的電勢從第二 電勢變?yōu)榛诠鈱W(xué)信號的電勢。在光學(xué)信號的信號電平小的情況下，直到由放大晶體管輸 出的信號從當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)的電勢為第二電勢時(shí)輸出的信號電平穩(wěn)定到基于光學(xué)信號的信號 電平為止花費(fèi)時(shí)間。因此，可能發(fā)生如下情形，即直到由放大晶體管輸出的信號穩(wěn)定到基于 光學(xué)信號的信號電平為止花費(fèi)的運(yùn)個(gè)時(shí)間妨礙光電變換裝置的加速。
[0018] 此外，在由放大晶體管輸出的信號從當(dāng)輸入節(jié)點(diǎn)的電勢為第二電勢時(shí)輸出的信號 電平穩(wěn)定到基于光學(xué)信號的信號電平之前，在一些情況下，在放大晶體管的下一級中的電 路可W保持由放大晶體管輸出的信號。在運(yùn)種情況下，發(fā)生如下情形，即放大晶體管的下一 級中的電路所保持的信號的精度被減小。
[0019] 在下文中，將參考附圖來描述根據(jù)各個(gè)示例性實(shí)施例的光電變換裝置。
[0020] 第一示例性實(shí)施例
[OOW在圖IA中示出的光電變換裝置10包括像素單元1000、電容驅(qū)動單元12、垂直信 號線17、電流源18和列信號處理單元20。光電變換裝置10還包括電源單元30a。
[0022] 像素單元1000包括單元像素10a、復(fù)位單元14和像素輸出單元16。
[0023] 圖IA示出了單個(gè)像素單元1000,其對應(yīng)于跨多個(gè)行和多個(gè)列布置的多個(gè)像素單 元1000中的一個(gè)。圖IA還示出了垂直信號線17、電流源18和列信號處理單元20中的各 一個(gè)。運(yùn)些分別對應(yīng)于在對應(yīng)于布置有多個(gè)像素單元1000的各個(gè)列時(shí)所提供的多個(gè)列上 的垂直信號線17、多個(gè)列上的電流源18和多個(gè)列上的列信號處理單元20中的一個(gè)。
[0024] 單元像素IOa包括光電變換單元101a。光電變換單元IOla包括第一電極201、阻 擋層203、光電變換層205、絕緣層207和第二電極209。阻擋層203被設(shè)在第一電極201和 光電變換層205之間，并且光電變換層205被設(shè)在阻擋層203和絕緣層207之間。絕緣層 207被設(shè)在光電變換層205和第二電極209之間。
[0025] 第一電極201由針對W下波段中的光具有高透射率的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成：在該波段中 光電變換層205具有靈敏度。例如，諸如氧化銅錫（ITO)之類的包含銅和/或錫的化合物 或者諸如ZnO之類的化合物被用作第一電極201的材料。據(jù)此，根據(jù)本示例性實(shí)施例的光 電變換層205可W獲得比諸如銅之類的不透明電極被用作第一電極201的情況多的光。作 為另一示例，根據(jù)本示例性實(shí)施例的第一電極201可由具有預(yù)定量的光透過的程度的厚度 的多晶娃或金屬形成。 陽〇%] 阻擋層203抑制從第一電極201到光電變換層205的、與由光電變換層205所累 積的信號載流子具有相同導(dǎo)電類型的載流子注入光電變換層205。光電變換層205由于施 加到第一電極201的電勢Vs和第二電極209的電勢之間的電勢差而被耗盡。光電變換層 205的電勢的梯度根據(jù)施加到第一電極201的電勢Vs和第二電極209的電勢之間的關(guān)系而 被反轉(zhuǎn)。利用上述配置，光電變換層205可W執(zhí)行信號載流子的累積和累積的信號載流子 的排出。下面將描述光電變換單元IOla的操作。
[0027] 注意，根據(jù)本示例性實(shí)施例，提供給第一電極201的電源電壓是從電源單元30a提 供的電勢Vs。
[002引光電變換層205由本征非晶娃（在下文中將被稱作a-Si)、低濃度P型a-Si、低濃 度N型a-Si等形成。可替代地，光電變換層205可由化合物半導(dǎo)體形成。例如，化合物半導(dǎo) 體包括諸如BN、GaAs、GaP、Al訊或GaAlAsP之類的III-V族化合物半導(dǎo)體，諸如CdSe、ZnS 或HdTe之類的II-VI族化合物半導(dǎo)體，或者諸如化S、化Te或化0之類的IV-VI族化合物 半導(dǎo)體?？商娲?，光電變換層205可由有機(jī)材料形成。例如，富勒締、香豆素6(C6)、若丹 明6G(R6G)、獻(xiàn)菁鋒狂nPc)、哇叮晚酬、獻(xiàn)菁化合物、糞獻(xiàn)菁化合物等可W被使用。另外，通 過包括上述化合物半導(dǎo)體而構(gòu)成的量子點(diǎn)薄膜可W被用作光電變換層205。
[0029] 在光電變換層205由半導(dǎo)體構(gòu)成的情況下，該半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度可W是低的，或 者該半導(dǎo)體可W是本征的。根據(jù)上述配置，因?yàn)楹谋M層在光電變換層205中可W被充分?jǐn)U 展，因此能夠取得諸如靈敏度的增大和噪聲降低之類的優(yōu)點(diǎn)。
[0030] 使用與用于光電變換層205的半導(dǎo)體相同的材料并且還具有比用于光電變換層 205的半導(dǎo)體高的雜質(zhì)濃度的N型或P型半導(dǎo)體可W被用于阻擋層203。例如，在a-Si被 用于光電變換層205的情況下，其中滲有雜質(zhì)的N型a-Si或其中滲有雜質(zhì)的P型a-Si被 用于阻擋層203。因?yàn)橘M(fèi)米能級的位置根據(jù)雜質(zhì)濃度的差異而變化，因此阻擋層203起僅針 對于電子和空穴中的一個(gè)的勢壘的作用。在光電變換層205包括量子點(diǎn)薄膜的情況下，使 用與用于量子點(diǎn)薄膜的半導(dǎo)體相同的材料并且還具有與量子點(diǎn)薄膜的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo) 電類型的阻擋層203可被提供。例如，在量子點(diǎn)薄膜是P型化S的情況下，阻擋層203可W 是N型PbS。即使在阻擋層203使用與量子點(diǎn)薄膜相同的材料并且具有相同導(dǎo)電類型的的 情況下，當(dāng)量子點(diǎn)薄膜的雜質(zhì)濃度被設(shè)置為與阻擋層203的雜質(zhì)濃度不同時(shí)也是足夠的。
[0031] 可替代地，阻擋層203可W由與光電變換層205的材料不同的材料構(gòu)成。根據(jù)上 述配置，異質(zhì)結(jié)被形成。因?yàn)閹陡鶕?jù)材料的差異而變化，因此僅針對于電子和空穴中的一 個(gè)的勢壘可W被形成。在光電變換層205包含量子點(diǎn)薄膜的情況下，例如，PbS可被用于量 子點(diǎn)薄膜，則ZnO可被用于阻擋層203。 陽03引絕緣層207被布置在光電變換層205和第二電極209之間。例如，非晶氧化娃（在 下文中將被稱作a-SiO)、非晶氮化娃（a-SiN)或者有機(jī)材料被用作絕緣層207的材料。絕 緣層207的厚度可被設(shè)置為信號載流子不由于隧道效應(yīng)而透過的程度的厚度。利用上述配 置，漏電流可W被減小，并且噪聲可W被降低。具體而言，當(dāng)絕緣層207的厚度可W是50nm 或者更高時(shí)是足夠的。
[0033] 在非晶薄膜被用作阻擋層203、光電變換層205和絕緣層207的情況下，加氨處理 可被執(zhí)行，并且懸掛鍵可被氨終止。利用上述配置，可W降低噪聲。
[0034] 第二電極209由諸如金屬之類的導(dǎo)電構(gòu)件構(gòu)成。與構(gòu)成導(dǎo)電線的導(dǎo)電材料或構(gòu)成 用于連接到外部部分的焊盤電極的導(dǎo)電材料相同的材料被用于第二電極209。根據(jù)上述配 置，根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電變換單元IOla可W與第二電極209和構(gòu)成導(dǎo)電線的導(dǎo)電材 料或焊盤電極同時(shí)被形成。因此，與第二電極209由與構(gòu)成導(dǎo)電線的導(dǎo)電材料或焊盤電極 的材料不同的材料形成的情況相比，根據(jù)本示例性實(shí)施例的光電變換單元IOla可W被W 簡化的制造過程來制造。
[0035] 光電變換單元IOla的第一電極201被