CN102256068B - 固态成像装置和成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态成像装置，所述固态成像装置包括光电转换层和MOS晶体管电路。光电转换层形成在半导体基板上。MOS晶体管电路读出与在光电转换层中产生并接着被收集的电荷相对应的信号并形成在半导体基板中，所述电荷具有给定极性。MOS晶体管电路包括电荷积聚部分、复位晶体管和输出晶体管。电荷积聚部分与光电转换层电连接。复位晶体管将电荷积聚部分的电位复位到复位电位。输出晶体管输出与电荷积聚部分的电位相对应的信号。复位晶体管和输出晶体管具有带电体，所述带电体的极性与给定极性相反。在MOS晶体管电路中，满足以下公式(1)：GND＜Vs≤GND+ΔV2+(Vdd/5)…(1)。

Description

固态成像装置和成像设备
技术领域
本发明涉及一种固态成像装置和一种成像设备。
背景技术
JP-A-2007-103786公开了一种固态成像装置，其中“B”(蓝色)和“R”(红色)光由硅基板内的光电二极管检测，而“G”(绿色)光由硅基板上的光电转换器检测。
在所述固态成像装置中，对于硅基板上的光电转换器，光电转换层中产生的电荷中的空穴积聚在像素电极中，并且对应于积聚孔的信号由信号读出电路读取，所述信号读出电路由n沟道MOS晶体管形成。在固态成像装置中，对于硅基板内的光电二极管，在此产生的电荷中的电子积聚，并且对应于所述电子的信号由信号读出电路读取，所述信号读出电路由n沟道MOS晶体管形成。
根据固态成像装置，对于硅基板上的光电转换器，光电转换层中产生的空穴用作用于信号读取的电荷，由此通过使在光电转换层中产生的电荷在光电转换层内移动期间消除所述电荷的概率降低以及使电荷通过陷阱能级被俘获的概率降低可以增强对G光的灵敏度。
另一方面，对于B光和R光，需要在硅基板内处理电荷，并因此使得迁移率比空穴高的电子用作用于信号读取的电荷。因此，可以使对应于B光和R光产生的电子在所述电子移动期间被消除的概率降低，并且还可以防止对于R光和B光的灵敏度降低。
总之，对于固态成像装置需要宽动态范围，并且宽动态范围在JP-A-2007-103786中所述的固态成像装置也是需要的。然而，动态范围扩大没有在JP-A-2007-103786指出。尤其地，从硅基板上的光电转换部拉出作为用于信号的电荷的光电转换层堆叠型固态成像装置，如JP-A-2007-103786中的固态成像装置，包括与在拉出电子作为用于信号的电荷的硅基板中使用普通光电二极管的光电转换部的读出电路不同的读出电路。为此，需要一种对动态范围扩大的设计。
发明内容
本发明的一个目的是提供可以获得高灵敏度和宽动态范围的固态成像装置和成像设备。
[1]根据本发明的一个方面，一种固态成像装置包括光电转换层和MOS晶体管电路。光电转换层形成在半导体基板上。MOS晶体管电路读出与在光电转换层中产生并接着被收集的电荷相对应的信号，并且该MOS晶体管电路形成在半导体基板中，所述电荷具有给定极性。MOS晶体管电路包括电荷积聚部分、复位晶体管和输出晶体管。电荷积聚部分与光电转换层电连接。复位晶体管将电荷积聚部分的电位复位到复位电位。输出晶体管输出与电荷积聚部分的电位相对应的信号。复位晶体管和输出晶体管具有带电体，所述带电体的极性与给定极性相反。在MOS晶体管电路中，满足以下公式(1)：
GND+ΔV2＜Vs＜GND+ΔV2+(Vdd/5)...(1)
其中，GND表示所有电位的基准电位，Vs表示复位晶体管的复位源电压，ΔV2表示电荷积聚部分在复位晶体管处于该复位晶体管的导通状态下的情况下的第一电位与电荷积聚部分在复位晶体管已经刚刚从该复位晶体管的导通状态变成该复位晶体管的截止状态之后的第二电位之间的差值，其中Vdd是所述固态成像装置的电源电压。
[2]在[1]的固态成像装置中，满足以下公式(2)：
Vfd＞(Vrg1+ΔV1)...(2)
其中，Vrg1表示半导体基板的位于复位晶体管的栅电极之下的区域在复位晶体管处于该复位晶体管的截止状态下的情况下的电位，Vfd表示所述第二电位，ΔV1表示第二电位Vfd与电位Vrg1之间的临界电位差，该ΔV1使得在所述复位晶体管的所述截止状态下不会发生所述电荷从所述电荷积聚部分泄漏到所述复位晶体管的复位电源中。
[3]在[2]的固态成像装置中，满足以下公式(3)：
Vrg2＞Vs...(3)
其中，Vrg2表示半导体基板的位于复位晶体管的栅电极之下的区域在复位晶体管处于该复位晶体管的导通状态下的情况下的电位，保持公式(3)的关系，并且复位晶体管的阈值电压在满足公式(1)-(3)的范围内。
[4]在[2]或[3]的固态成像装置中，
其中，满足以下公式(4)：
(Vrg1+ΔV1-Vdd)＜Vth＜(Vrg1+ΔV1)...(4)
其中，Vdd表示输出晶体管的电源电压，而Vth表示输出晶体管的阈值电压。
[5]根据本发明的另一个方面，一种成像设备包括[1]-[4]中任一项的固态成像装置。
本发明的成像设备包括上述的固态成像装置。
根据本发明，可以提供可以获得高灵敏度和宽动态范围的固态成像装置和成像设备。
附图说明
图1是显示本发明的一个实施例中的固态成像装置的示意性结构的剖面模型图；
图2是显示包括图1中显示的固态成像装置的***电路的整个结构的实例的视图；
图3为显示图1中显示的固态成像装置中的读出电路的结构的视图；
图4A-4D是用于说明图1中显示的固态成像装置中的读出电路的操作的电位图；
图5A-5D是用于说明在图1中显示的固态成像装置被构造成通过像素电极收集电子时读出电路的操作的电位图；
图6是显示将为保护装置的晶体管增加到图3中显示的电路的结构的视图；
图7是显示将为保护装置的二极管增加到图3中显示的电路的结构的视图；
图8是显示图1中所示的固态成像装置的像素的变型例的视图；和
图9A-9D是用于说明图8中所示的固态成像装置中的读出电路的操作的电位图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的一个实施例中的固态成像装置100。固态成像装置100在所述固态成像装置安装在例如诸如数码相机或数码摄像机的成像设备中或者安装在成像模块中的状态下使用，所述成像模块安装在电子内窥镜、具有照相机的移动电话或类似设备中。
图1中显示的固态成像装置100包括基板101、绝缘层102、连接电极103、像素电极104、连接部分105、连接部分106、有机层107、相对电极108、缓冲层109、密封层110、滤色器111、分隔壁112、遮光层113、保护层114、相对电极电压供应部分115和读出电路116。
基板101是为硅或类似材料的半导体基板。绝缘层102形成在基板101上。多个像素电极104和多个连接电极103形成在绝缘层102的前表面中。
有机层107形成为至少包括光电转换层。光电转换层为由产生与接收到的光相对应的电荷的光电转换材料形成的层。有机层107以覆盖多个像素电极104的方式设置在所述多个像素电极上。
有机层107在像素电极104上具有固定厚度，而即使在所述有机层的厚度在像素部分外(有效像素区外)的部分处改变时，也不会引起问题。另外，有机层107不仅包括仅由有机材料制成的层形成的层，而且还包括由部分包含无机材料的层形成的层。
相对电极108为与像素电极104相对的电极，并且相对电极108以覆盖有机层107的方式设置在该层上。此外，相对电极108由是透明的以输入光的导电材料形成，以便使光进入到有机层107中。另外，相对电极108甚至形成在布置在有机层107外的连接电极103上并与连接电极103电连接。
连接部分106被埋入绝缘层102中，并且所述连接部分中的每一个都为插塞或类似物以用于电连接连接电极103和相对电极电压供应部分115。相对电极电压供应部分115形成在基板101中，并且所述相对电极电压供应部分通过连接部分106和连接电极103将预定电压施加到相对电极108。在要施加到相对电极108的电压高于固态成像装置100的电源电压Vdd的情况下，所述预定电压以使电源电压Vdd通过电荷泵或类似的升压电路而增加的方式被供应。
像素电极104为用于收集有机层107中产生的电荷的电荷收集电极，所述有机层被置于这些像素电极104与和所述像素电极104相对的相对电极108之间。
读出电路116设置在基板101中而分别对应于多个像素电极104，并且所述读出电路读出与通过相应的像素电极104收集的电荷相对应的信号。
读出电路116由每一个都包括形成在基板101中的MOS(金属氧化物半导体)晶体管的电路构成，并且所述读出电路通过未示出的布置在绝缘层102中的遮光层被屏蔽掉光。读出电路116的细节稍后将说明。
缓冲层109以覆盖相对电极108的方式形成在该相对电极108上。密封层110以覆盖缓冲层109的方式形成在该缓冲层109上。滤色器111形成在密封层110上的与各自的像素电极104相对的位置处。分隔壁112设置在相邻的滤色器111之间，所述分隔壁用于增强滤色器111的光收集效率。
遮光层113形成在密封层110上除了设置滤色器111和分隔壁112之外的区域的位置，并且所述遮光层可防止光进入到形成在有效像素区外的有机层107中。
保护层114形成在滤色器111、分隔壁112和遮光层113上，并且所述保护层保护整个固态成像装置100。
另外，在图1的实例中，像素电极104和连接电极103的形式为所述像素电极和所述连接电极被埋入绝缘层102的前表面部分中，但是所述像素电极和所述连接电极可以适当地形成在绝缘层102上。此外，设置每一个都由连接电极103、连接部分106和相对电极电压供应部分115组成的多个组，但是仅有一个组可以适当地设置。电压被从相对电极108的两个端部供应到该相对电极108，如图1的实例，由此可以防止相对电极108中出现电压降。所述组的数量考虑到装置的芯片面积可以适当地增加或减少。
固态成像装置100具有多个像素部分。所述多个像素部分在在平面中从光的输入侧观察基板101的状态下以二维形式排列。所述像素部分包括光电转换器、滤色器111和读出电路116，所述光电转换器包括像素电极104、有机层107和与像素电极104相对的相对电极108。
接下来将说明***电路的构造实例。
图2是显示包括图1中显示的固态成像装置100的***电路的整个结构的实例的视图。如图2所示，固态成像装置100包括图1中显示的结构、垂直驱动器121、定时信号发生器122、信号处理电路123、水平驱动器124、LVDS电路125、串行化部分126和焊盘127。
图2中显示的像素区内的单独方框表示读出电路116。与固态成像装置100的***电路一样，可以采用与普通的MOS式图像传感器中采用的***电路基本上相同的电路。
焊盘127为用于从外部输入及输出到外部的界面。
定时信号发生器122供应用于驱动固态成像装置100的定时信号，从而还执行诸如重新分级读出和部分读出的读出操作。
信号处理电路123被设置成与各列读出电路116相对应。此外，信号处理电路123执行用于从相应列输出的信号的相关二重抽样(CDS)过程，从而将处理的信号转换成数字信号。通过信号处理电路123进行处理之后的信号被储存在每列设置的存储器中。
垂直驱动器121执行用于从读出电路116读出信号的控制等。
水平驱动器124执行用于连续地读出储存在信号处理电路123的存储器中的一行信号并用于将所述信号输出到LVDS125的控制。
LVDS电路125根据LVDS(低压差分信号)传送数字信号。
串行化部分126将输入的并行数字信号串行化并输出串行化的信号。
接下来将说明光电转换层的优选结构实例。
光电转换层包括p型有机半导体和n型有机半导体。通过连结p型有机半导体和n型有机半导体形成给体-受体界面可以增加激子解离效率。因此，其中p型有机半导体和n型有机半导体相互连结的光电转换层表现出高光电转换效率。特别是，优选其中p型有机半导体和n型有机半导体相互混合的光电转换层，这是因为增加的结界面面积将增加光电转换效率。
P型有机半导体(化合物)为给体型有机半导体，并且为趋向于典型地通过空穴传输有机化合物捐赠电子的有机化合物。更具体地，p型有机半导体为在相互接触使用时具有较低电离电位的两个有机化合物的有机化合物。因此，任何给电子有机化合物都可以用作给体型有机半导体。
可用实例为三芳胺化合物、联苯胺化合物、吡唑啉化合物、苯乙烯基胺(stytrylamine)化合物、腙化合物、三苯甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、噻吩化合物、酞菁化合物、花青化合物、部花青化合物、氧杂菁(oxonol)化合物、聚胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚芳撑(polyarylene)化合物、稠合芳族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、丁省衍生物、芘衍生物、苝衍生物和荧蒽衍生物)以及具有作为配体的含有氮的杂环化合物的金属配合物。
如上所述，其它有机化合物也可以用作给体型有机半导体，只要该有机化合物与用作n型(受体型)化合物的有机化合物相比具有较低的电离电位即可。
n型有机半导体(化合物)为受体型有机半导体，并且为趋向于典型地通过电子传输有机化合物接受电子的有机化合物。更具体地，n型有机半导体为在相互接触使用时具有较高电子亲合性的两个有机化合物的有机化合物。因此，任何接受电子的有机化合物都可以用作受体型有机半导体。
可用实例为稠合芳族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、丁省衍生物、芘衍生物、苝衍生物和荧蒽衍生物)、含有(一个或多个)氮原子、(一个或多个)氧原子和/或(一个或多个)硫原子的3-5元杂环化合物(例如，吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪(pydazine)、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲咯啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、吲唑、苯并咪唑、苯并***(benzotrizole)、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、***并哒嗪、***并嘧啶(triazolopyrimizine)、四氮杂茚(tetrazainedene)、噁二唑、咪唑并吡啶、pyralizine、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶(thiadiazolopyridine)、二苯并氮杂和三苯并氮杂(tribenzazepine)、聚芳撑化合物、芴化合物、环戊二烯化合物、甲硅烷基化合物以及具有作为配体的含氮杂环化合物的金属配合物。
如上所述，其它有机化合物也可以用作受体型有机半导体，只要该有机化合物与用作p型(给体型)化合物的有机化合物相比具有较高的电子亲合性即可。
尽管任何有机染料都可以用作p型或n型有机半导体，但是优选的实例是花青染料、苯乙烯基染料、半花青染料、部花青染料(包括零次甲基(zero-methine)部花青染料(纯部花青染料)、3-核部花青染料、4-核部花青染料、若丹菁(Rhodacyanine)染料、复合花青染料、复合部花青染料、allopolar染料、氧杂菁染料、半氧杂菁染料、方酸(squarium)染料、克酮酸染料、氮杂次甲基染料、香豆素染料、亚芳基染料、蒽醌染料、三苯甲烷染料、偶氮染料、偶氮甲碱染料、螺环染料、金属茂染料、芴酮染料、flugido染料、苝染料、紫环酮染料、吩嗪染料、吩噻嗪染料、醌染料、二苯基甲烷染料、多烯染料、吖啶染料、吖啶酮染料、二苯胺染料、喹吖啶酮染料、喹酞嗪(quinophtharone)染料、吩噁嗪染料、酞苝(phthaloperylene)染料、二酮吡咯并吡咯染料、二噁烷染料、卟啉染料、叶绿素染料、酞菁染料、金属配合物染料以及稠合芳族碳环染料(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、丁省衍生物、芘衍生物、苝衍生物以及荧蒽衍生物)。
特别优选的是使用在电子传输性方面优越的富勒烯或富勒烯衍生物作为n型有机半导体。富勒烯包括富勒烯C60、富勒烯C70、富勒烯C76、富勒烯C78、富勒烯C80、富勒烯C82、富勒烯C84、富勒烯C90、富勒烯C96、富勒烯C240、富勒烯C540混合富勒烯以及富勒烯纳米管。可使用的富勒烯衍生物为上述各种类型的具有取代基团的富勒烯。
作为富勒烯衍生物的取代基团优选的是烷基、芳基或杂环基。作为烷基更优选的是碳数为1-12中的任一个的烷基，作为芳基或杂环基优选的是苯环、萘环、蒽环、菲环、芴环、苯并菲环、并四苯环、联苯环、吡咯环、呋喃环、噻吩环、咪唑环、噁唑环、噻唑环、吡啶环、吡嗪环、嘧啶环、哒嗪环、中氮茚环、吲哚环、苯并呋喃环、苯并噻吩环、异苯并呋喃环(isobenzofurane)环、苯并咪唑环、咪唑并吡啶环、二甲基喹啉(quinolidine)环、喹啉环、酞嗪环、萘啶环、喹喔啉环、喹噁唑啉(quinoxazoline)环、异喹啉环、咔唑环、菲啶环、吖啶环、菲咯啉环、噻蒽环、苯并吡喃环、呫吨环、吩噻噁环、吩噻嗪环或吩嗪环，更优选的为苯环、萘环、蒽环、二氢菲(phenanthrane)环、吡啶环、咪唑环、噁唑环或噻唑环，以及特别优选的是苯环、萘环或吡啶环。这些环中的每一个还可以具有取代基团，并且所述取代基团还可以尽可能地通过结合而形成环。另外，上述环中的每一个都可以具有多个取代基团，并且所述环可以相同或不同。此外，多个取代基团可以尽可能地通过结合而形成一个或多个环。
由于光电转换层包含富勒烯或富勒烯衍生物，因此通过光电转换产生的电荷可以通过富勒烯分子或富勒烯衍生物分子被快速传输到像素电极104或相对电极108。当电荷的路径在富勒烯分子或富勒烯衍生物分子相结合的状态下形成时，电荷传输性增强，并且光电转换器的快速响应变得可实现。为此，光电转换层中应该优选地至少包含40％的富勒烯或富勒烯衍生物。然而，当富勒烯或富勒烯衍生物的含量过大时，p型有机半导体的含量变小，并且结临界面的面积变小，使得激子离化效率降低。
当日本专利第4,213,832号等中指出的三芳胺化合物被用作与光电转换层中的富勒烯或富勒烯衍生物相混合的p型有机半导体时，光电转换器的高S/N比变得可实现，并且这是特别优选的。当光电转换层内的富勒烯或富勒烯衍生物的比例过大时，三芳胺化合物的数量变少，并且输入光的吸收量减少。因此，光电转换效率降低，使得光电转换层中含有的富勒烯或富勒烯衍生物应该优选地具有最多85％的组分。
接下来将说明读出电路116的结构。
图3为显示图1中显示的固态成像装置100中的读出电路116的结构的视图。
读出电路116可以为具有3个晶体管或4个晶体管结构的公知的MOS晶体管电路。在图3的实例中，该读出电路包括为电荷积聚部分的浮动扩散FD、复位晶体管204、输出晶体管205和选择晶体管206。复位晶体管204、输出晶体管205和选择晶体管206中的每一个都由n沟道MOS晶体管(n型MOS晶体管)构成。
浮动扩散FD与像素电极104电连接，并且所述浮动扩散FD的电位根据像素电极104的电位改变。在图3的实例中，将施加到相对电极108的电压VPX被设置成使得信号电流Isig在光电转换层107内在曝光期期间可以从相对电极108朝向像素电极104流动(换句话说，可以通过像素电极104收集空穴)。因此，在曝光期期间，信号电流Isig流动到像素电极104，由此使像素电极104的电位上升，并因此还使浮动扩散FD的电位上升。
复位晶体管204用于将浮动扩散FD的电位复位成复位电位。复位晶体管204具有电连接到浮动扩散FD的漏极端子，并且未示出的复位电源连接到复位晶体管204的源极端子，以便从所述复位电源供应电压VS。当加在复位晶体管204的栅极端子上的复位脉冲RG变为高电平时，复位晶体管204被导通，并且电子从复位晶体管204的源极注入到所述复位晶体管的漏极中。浮动扩散FD的电位由于所述电子下降到复位电位。
输出晶体管205将浮动扩散FD的电位转换成电压信号并接着输出所述电压信号。该输出晶体管205具有电连接到浮动扩散FD的栅极端子，并且固态成像装置100的电源连接到输出晶体管205的漏极端子，以便从该电源供应电源电压Vdd。此外，输出晶体管205的源极端子连接到选择晶体管206的漏极端子。
选择晶体管206用于选择性地将输出晶体管205的输出信号输出到信号线。该选择晶体管206具有连接到信号线的源极端子。当加在选择晶体管206的栅极端子上的选择脉冲RW变为高电平时，该选择晶体管206导通，并且通过输出晶体管205转换的电压信号输出到信号线。
保护电路300连接到浮动扩散FD。保护电路300可以包括防止浮动扩散FD的电位增加到电源电压Vdd以上的二极管或晶体管。
读出电路116由于这种电路结构可以在信号线上读出与通过像素电极104收集的电荷(或空穴)相对应的信号。
接下来将参照连接到复位晶体管204的漏极区的浮动扩散FD、复位晶体管204的源极区RS以及为基板101的位于复位晶体管204的栅电极下的区域的复位晶体管204的区域RC的各个电位说明读出电路116的操作。
图4A-4D是用于说明图1中显示的固态成像装置100中的读出电路116的操作的电位图。图4A-4D中显示的电位具有参照基准电位GND(例如，接地电位)获得的数值。
图4A是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在复位晶体管204进入该复位晶体管的导通状态时的截面电位的视图。
图4B是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在复位晶体管204从该复位晶体管的导通状态刚刚进入该复位晶体管的截止状态之后的截面电位的视图。
图4C是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在有机层107的光电转换层中产生的电荷在复位晶体管204进入该复位晶体管的截止状态之后被积聚在浮动扩散FD中时的截面电位的视图。
图4D是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在电荷进入浮动扩散FD的积聚已经从图4C的状态前进到浮动扩散FD的电位达到Vdd的饱和状态时的截面电位的视图。在每一个视图中，由倾斜阴影线表示的部分表示收集电子的区域。
首先，在曝光开始之前，复位脉冲通过垂直驱动器121被供应到复位晶体管204的栅电极，由此使该复位晶体管204进入其导通状态。
如图4A所示，当复位晶体管204进入其导通状态时，沟道区RC的电位变为高于源极区RS的电位Vs的电位Vrg2。因此，浮动扩散FD的电位变成与源极区RS的电位Vs相同，并且浮动扩散FD被复位到复位电位Vs。
随后，当复位脉冲的供应停止时，复位晶体管204进入该复位晶体管的截止状态。复位晶体管204刚刚进入该复位晶体管的截止状态之后电位变成如图4B所示。
如图4B所示，沟道区RC的电位从电位Vrg2下降到电位Vrg1，并且浮动扩散FD的电位根据浮动扩散FD与复位晶体管的栅极之间的寄生电容变为低于复位电位Vs的ΔV2。
当积聚时段以复位脉冲的供应停止开始时，光电转换层中产生的电荷中的空穴积聚在浮动扩散FD中。由于浮动扩散FD中存在大量电子，因此积聚的空穴立即与电子相结合而被消除。因此，浮动扩散FD的电位改变。如图4C所示，积聚的空穴增加得越多，则浮动扩散FD的电位变得越高。
此外，如图4D所示，当浮动扩散FD的电位已经到达输出晶体管205的电源电压Vdd附近时达到饱和状态。另外，饱和状态被设置在浮动扩散FD的电位已经到达输出晶体管205的电源电压Vdd时的原因如下：当浮动扩散FD的电位超过电源电压Vdd时，过大的电压施加到浮动扩散FD，因此，该浮动扩散FD被认为出现故障。
固态成像装置100的信号电压的动态范围由根据如图4D所示的空穴积聚h变化的浮动扩散FD的电压的振幅确定。也就是说，作为浮动扩散FD的电位在空穴h没有积聚的状态下(图4B中所示)和空穴h被积聚且浮动扩散FD的电位达到Vdd(图4D中所示)之间的差，电压的振幅变得越大，并且动态范围变得越宽。浮动扩散FD的电位在图4D中的饱和状态下为电源电压Vdd。例如，Vdd为3.3V。因此，浮动扩散FD在图4B中显示的状态下的电位接近基准电位GND(例如，0V)，动态范围变得更宽。
浮动扩散FD在复位晶体管204刚刚进入该复位晶体管的截止状态之后的电位Vfd(复位)由以下公式(1)确定：
Vfd(复位)＝Vs-ΔV2...(1)
如上所述，在固态成像装置100中，当公式(1)的Vfd(复位)与基准电位GND匹配时，可获得最大动态范围，复位电位Vs被确定为满足通过将基准电位GND代入公式(1)的电位Vfd(复位)简化的以下公式(2)：
Vs＝GND+ΔV2...(2)
然而，在固态成像装置100中，事实上，供应给像素的电压在像素中不同。需要电压Vs来确定，使得在所有像素中的Vfd(复位)变成尽可能地接近基准电位GND。如上所述，为了扩大动态范围，优选地将Vfd(复位)设小，使得Vfd(复位)接近GND。然而，如果Vfd(复位)变得小于基准电位GND，则会发生电荷泄露到基板101中，并且电荷的泄露相当大地降低图像质量。因此，需要将电压Vs设定成使得所有像素中的Vfd(复位)变成接近基准电位GND，并且不会变得小于基准电位GND。
通过发明人的仔细研究，在固态成像装置100中，发现供应给像素的电压差直到为电源电压Vdd的±10％。因此，要供应给像素的最高电压与最低电压之间的电压差可以至多为电源电压Vdd的20％。通过使电压Vfd(复位)应该被设定为不小于基准电位GND且考虑电压差，公式(2)可以被修改为以下公式(2’)：
GND＜Vs＜GND+ΔV2+(Vdd/5)...(2’)
当满足公式(2’)时，可以获得最宽动态范围。
另一方面，当复位截止之后的浮动扩散的电位被设定为如图4所示低时，往往会发生浮动扩散与复位晶体管204的源极区RS之间的泄露。因此，需要一种设计，使得在图4B的状态下，开始积聚到浮动扩散FD中的空穴不能超过沟道区RC的电位泄漏到源极区RS中。通过发明人的仔细研究，为了防止电荷泄露出来，发现沟道区RC的电位Vrg1与电位Vfd(复位)之间的关系是重要的。具体地，当ΔV1表示使电荷从浮动扩散FD到复位晶体管204的电源(源极区RS)中的泄漏不会发生在该复位晶体管204的截止状态下的临界电位时，重要的是确定电位Vrg1和电位Vfd(复位)以满足以下公式(3)：
Vfd(复位)＞(Vrg1+ΔV1)...(3)
另外，电位Vrg1可以使用复位晶体管204的阈值电压Vth_rs和调制度m、以及在复位晶体管204处于其截止状态下时施加到该晶体管204的栅电极的电压(在该实施例中设定为电压GND)由以下公式(4)表示：
Vrg1＝(GND-Vth_rs)×m...(4)
为了防止图像滞后，需要完全复位，其中，浮动扩散FD的电位和复位晶体管204的源极区RS的电位变成与图4A的状态下相同的电位。对于弯曲复位，沟道区RC的电位Vrg2与源极区RS的电位Vs之间的关系是重要的。具体地，电位Vrg2和电位Vs被确定为满足以下公式(5)：
Vrg2＞Vs...(5)
另外，电位Vrg2可以使用复位晶体管204的阈值电压Vth_rs和调制度m、以及在复位晶体管204处于其导通状态下时施加到该晶体管204的栅电极的电压(在该实施例中设定为电压Vdd)由以下公式(6)表示：
Vrg2＝(Vdd-Vth_rs)×m...(6)
根据公式(3)-(6)，复位晶体管204的阈值电压Vth_rs的范围被如下确定。
当使用公式(6)减公式(5)时获得以下公式(7)：
{Vdd-(Vs/m)}＞Vth_rs...(7)
此外，当使用公式(1)和公式(4)减公式(3)时获得以下公式(8)：
Vth_rs＞{GND+(ΔV1+ΔV2-Vs)/m}...(8)
当通过将公式(2)代入公式(7)和公式(8)消去项Vs时获得以下公式(9)：
{GND+(ΔV1-GND)/m}＜Vth_rs＜{Vdd-(ΔV2+GND)/m}...(9)
依此方式，阈值电压Vth_rs满足固态成像装置100中的公式(9)的关系。由于满足公式(9)的关系，能够获得基于复位晶体管204的完全复位，同时获得最大动态范围。进一步地，可以防止在从其中积聚的电荷量小的刚刚复位之后的状态到饱和状态的一定时段中出现由于电荷从浮动扩散FD泄漏到源极区RS中造成的渗漏。
通常的MOS型图像传感器中使用的数值(GND＝0V，Vdd＝3.3V，以及m＝0.9)被代入公式(9)。进一步地，假定ΔV1＝ΔV2＝0.5V。接着，获得0.55＜Vth_rs＜2.75。在该范围中，固态成像装置100可以在不会造成由于电荷泄漏引发的泄漏的情况下没有问题地进行操作，同时获得最大动态范围。
接下来，为了比较将说明一般结构的操作，其中电子通过固态成像装置100中的像素电极104收集，并且其中与电子数量相对应的信号由读出电路116读取。在该结构中，为了将动态范围扩大到最大，复位晶体管204的源极区RS的电位Vs(在该结构的情况下，源极区变为漏极区，但是名称保持不变)通常在电源电压Vdd下被设定，并且在随后的说明中应该假定Vs＝Vdd。
当通过像素电极104收集电子时，供应给像素的电子在像素中是不同的，这类似于通过像素电极收集空穴的情况。为了便于比较，像素中的供应电压差在确保说明中被设定为零。
图5A-5D为用于说明在其中电子由图1中显示的固态成像装置100中的像素电极104收集的结构的情况下的读出电路116的操作的电位图。
图5A是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在复位晶体管204进入该复位晶体管的导通状态时的截面电位的视图。
图5B是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在复位晶体管204刚刚从该复位晶体管的导通状态进入该复位晶体管的截止状态之后的截面电位的视图。
图5C是显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在有机层107的光电转换层中产生的电子在复位晶体管204已经进入该复位晶体管的截止状态之后被积聚在浮动扩散FD中时的截面电位的视图。
图5D为显示浮动扩散FD、沟道区RC和源极区RS在电子到浮动扩散FD中的积聚从图5C的状态进行到不能再积聚任何电子的饱和状态时的截面电位的视图。
首先，在曝光开始之前，复位脉冲通过垂直驱动器121被供应到复位晶体管204的栅电极，由此使该复位晶体管204进入其导通状态。
如图5A所示，当复位晶体管204进入其导通状态时，沟道区RC的电位变为高于源极区RS的电位Vdd的电位。因此，浮动扩散FD的电位变成与源极区RS的电位Vdd相同，并且浮动扩散FD被复位到复位电位Vdd。
随后，当复位脉冲的供应停止时，复位晶体管204进入其截止状态。复位晶体管204刚刚进入其截止状态之后的电位变成截止状态，如图5B所示。
如图5B所示，沟道区RC的电位下降到电位Vrg1，并且浮动扩散FD的电位根据浮动扩散FD与复位晶体管的栅极之间的寄生电容变为低于复位电位Vdd的ΔV2。
当积聚时段以复位脉冲的供给停止开始时，光电转换层中产生的电荷中的电子积聚在浮动扩散FD中。当电子积聚在浮动扩散FD中时，随着积聚在所述浮动扩散FD中的电子增加得越多，浮动扩散FD的电位变得越低，如图5C所示。
此外，如图5D所示，当浮动扩散FD的电位达到通过将ΔV1增加到电位Vrg1获得的电位时达到饱和状态。即使当电子在形成饱和状态之后积聚时，泄漏到源极区RS中的积聚电子也不会改变，并因此使信号大小不会改变。当浮动扩散FD的电位小于基准电位GND时，信号电荷渗漏出来进入到基板中，并因此浮动扩散FD的最小电位必须高于饱和状态下的基准电位GND。
通过如图5B中的浮动扩散FD的电位与图5D中的浮动扩散FD的电位之间的电位差的宽度来确定在电子通过像素电极104收集的结构的情况下的动态范围。也就是说，当图5B中所示的状态下的浮动扩散FD的电位变高时，动态范围变高。如果图5B中显示的状态下的浮动扩散FD的电位变为电位Vdd，则可以获得最宽动态范围。
源极区RS的电位Vs需要被设置到高于电位Vdd的(Vdd+ΔV2)，以便浮动扩散FD在复位晶体管204刚刚进入其截止状态之后的电位可以为电位Vdd。然而，为了获得该状态，源极区RS的耐受电压可以为电位Vdd或更大。因此，需要在所有像素中的每一个源极区RS中进行特别设置。由于对于每一个像素进行特别设置使得像素尺寸变大并且制造过程数量增加，从而导致像素数量减少且成本增加。
相比之下，根据其中空穴通过像素电极104收集的上述结构，电位Vs被确定为满足公式(2)，以便获得最大动态范围。虽然电位差ΔV2根据设计也会不同，但是电位差ΔV2不会变成大于电位Vdd。因此，源极区RS可以为标准杂质区并且可以通过标准制造过程形成。因此，像素尺寸的减小和制造成本的降低成为可能。因此，根据固态成像装置100，在没有泄漏的情况下可以获得最宽动态范围，同时基于像素尺寸的减小实现像素数量的增加和成本的减少。
接下来将说明可防止浮动扩散FD的电位超过电位Vdd的保护电路300的布置的实例。
图6显示了图3中显示的保护电路300的布置之一。图6中显示的保护电路300由nMOS型晶体管207构成。晶体管207具有与像素电极104和浮动扩散FD电连接的栅极端子和漏极端子，并且具有供应有电压VLMT的源极端子。
由于晶体管207，可以防止浮动扩散FD的电位上升到通过将晶体管207的阈值电压Vth增加到电压VLMT(即，VLMT+Vth的值)获得的值或更大。值(VLMT+Vth)被设定到电位Vdd附近，由此可以防止浮动扩散FD的电位变为电位Vdd或更高。
图7显示了图3中显示的保护电路的布置之一。图7中显示的保护电路由二极管208构成。二极管208具有与像素电极104和浮动扩散FD电连接的阴极，并且具有供应有电压VLMT的阳极。
由于二极管208，可以防止浮动扩散FD的电位上升到通过将二极管208的击穿电压Vb增加到电压VLMT(即，VLMT+Vb的值)获得的值或更大。值(VLMT+Vb)被设定到电位Vdd附近，由此可以防止浮动扩散FD的电位变为电位Vdd或更高。
为了扩大动态范围，可以省略图3中所示的保护电路300。当省略保护电路300时，在积聚期间，浮动扩散FD的电位可以上升到电位Vdd以上。然而，在这种情况下，在浮动扩散FD的电位高于Vdd的电位的操作区域，不能在外面读取信号，这是因为操作区域在连接到浮动扩散FD的前置电路的活动区域。因此，如果省略保护电路300，则浮动扩散FD的饱和电位可以被认为是电位Vdd，这类似于设置保护电路300的情况。
到目前为止说明了浮动扩散FD的电压大小的宽度。为了实现最宽的动态范围，需要将输出晶体管205适当操作的电压范围设定成使得能够将浮动扩散的电位输出给信号线。其中输出晶体管205输出与浮动扩散FD的电位相对应的信号的浮动扩散FD的电位的范围如下所示：
Vth_SF＜(浮动扩散FD的电位)＜(Vdd+Vth_SF)
Vth_SF表示输出晶体管205的阈值电压。根据此，为了将图4B的状态下的浮动扩散的电位作为信号输出，输出晶体管205的阈值电压Vth_SF应该优选地满足以下公式(10)的关系：
(Vrg1+ΔV1-Vdd)＜Vth_SF＜(Vrg1+ΔV1)...(10)
通过满足公式(10)，当信号电荷不会积聚在浮动扩散FD中时，输出晶体管输出表示相对于信号线的空电平(blacklevel)的适当信号。另外，阈值电压Vth_SF理想的应该在公式(10)的范围内尽可能地大，从而扩大动态范围。
相对于图3中所示的电路，所有晶体管可以被认为是p沟道MOS晶体管，并且可以通过像素电极104来收集电子，使得由P沟道MOS晶体管构成的读出电路116读取与校正的电子相对应的信号。图8显示了此结构。
图8是显示图3中所示的读出电路的变型例的视图。图8中所示的读出电路的结构与图3中所示的读出电路相同，除了以下不同之外：其中，复位晶体管204、输出晶体管205、和选择晶体管206被p沟道MOS晶体管替换，保护电路300被改变成使得浮动扩散FD的电位不会小于基准电位GND的电位，读出电路形成在n阱(未示出)中，并且该n阱相对于电源电压被偏压。半导体区包括浮动扩散FD和晶体管中的每一个以及保护电路的半导体区。
在图8中，将低于基准电位GND的电压值，例如，-10V，施加到相对电极108。将基准电位GND施加到输出晶体管205的漏极。图9显示了读出电路的每一部分在复位晶体管处于“导通”状态的状态下的电位、复位晶体管在刚刚从“导通”状态切换到“截止”状态的状态下的电位、信号电荷积聚状态的电位和其中电荷不再积聚的饱和状态下的电位。
除了每一幅图的轴和GND的电位以及Vdd的电位的位置之外，图9A-9D与图4相同。在图9A-9D中，当图上的位置越高，电位则变得越高。
以下说明图9A-9D。
当如图9A所示，当复位晶体管204进入其导通状态时，沟道区RC的电位变为低于源极区RS的电位Vs的电位Vrg2。因此，浮动扩散FD的电位变成与源极区RS的电位Vs相同，并且浮动扩散FD被复位到复位电位Vs。
随后，当复位脉冲的供应停止时，复位晶体管204进入该复位晶体管的截止状态。复位晶体管204刚刚进入该复位晶体管的截止状态之后电位变成如图9B所示。
如图9B所示，沟道区RC的电位从电位Vrg2上升到电位Vrg1，并且浮动扩散FD的电位根据浮动扩散FD与复位晶体管的栅极之间的寄生电容变得高于复位电位Vs的ΔV2。在图9B中，ΔV1是浮动扩散FD的电位与沟道区RC的电位之间的电压差。ΔV1被设定为最小值，使得浮动扩散中的积聚电子不会泄露出来进入到复位晶体管204的源极区。
当积聚时段以复位脉冲的供应停止开始时，光电转换层中产生的电荷中的电子积聚在浮动扩散FD中。当电子积聚在浮动扩散FD中时，浮动扩散FD的电位随着积聚在该浮动扩散FD中的电子越来越多而越来越低，如图9C中所示。
此外，如图9D所示，当浮动扩散FD的电位已经到达大约基准电位GND的电位时达到饱和状态。如上所示，读出电路包括保护电路300，使得浮动扩散FD的电位不会低于基准电位GND。
在该结构中，公式(1)、(2)、(2’)和(3)-(10)可以被改变如下：
Vfd(复位)＝Vs+ΔV2...(1a)
Vs＝Vdd-ΔV2...(2a)
Vdd-ΔV2-(Vdd/5)＜Vs＜Vdd...(2a’)
Vfd(复位)＜(Vrg1-ΔV1)...(3a)
Vrg1＝(Vdd-Vth_rs)×m...(4a)
Vrg2＜Vs...(5a)
Vrg2＝(GND-Vth_rs)×m...(6a)
{GND-(Vs/m)}＜Vth_rs...(7a)
Vth_rs＜{Vdd-(ΔV1+ΔV2+Vs)/m}...(8a)
{GND-(Vdd-ΔV2)/m}＜Vth_rs＜{Vdd-(Vdd+ΔV1)/m}...(9a)
(Vrg1-ΔV1-Vdd×2)＜Vth_SF＜(Vrg1-ΔV1-Vdd)...(10a)
如上所示，即使引入图8的结构，当满足公式(2a’)的关系时，在增加像素数量的情况下通过减小像素尺寸和降低成本来实现最宽动态范围。
在图8中所示的读出电路中，还可以省略保护电路。当省略保护电弧时，应该控制由读出晶体管读出的信号的电位，使得输出晶体管不能读出电位低于基准电位GND的信号。
如上所述，本说明书中公开了下面将指出的事项。
公开的固态成像装置为包括形成在半导体基板上的光电转换层以及MOS晶体管电路的固态成像装置，所述MOS晶体管读出与在光电转换层中产生并接着被收集的电荷相对应的信号且形成在半导体基板中，其中MOS晶体管电路包括与光电转换层电连接的电荷积聚部分、将电荷积聚部分的电位复位到复位电位的复位晶体管以及输出与电荷积聚部分的电位相对应的信号的输出晶体管；复位晶体管和输出晶体管具有极性与在光电转换层中产生并接着被收集的电荷的极性相反的带电体(carrier)；并且令“GND”表示所有电位的基准电位，“Vs”表示复位电位，“ΔV2”表示电荷积聚部分在复位晶体管处于其导通状态下的情况下的第一电位与电荷积聚部分在复位晶体管已经从其导通状态刚刚变成其截止状态之后的第二电位之间的差值，保持GND＜Vs≤GND+ΔV2+(Vdd/5)...(11)的关系。
公开的固态成像装置为下述的固态成像装置，其中令“Vrg1”表示半导体基板的位于复位晶体管的栅电极之下的区域在复位晶体管处于其截止状态下的情况下的电位，“ΔV1”表示使得在复位晶体管的截止状态下不会发生电荷从电荷积聚部分到复位晶体管的复位电源中的泄漏的临界电位，而“Vfd”表示第二电位，保持Vfd＞(Vrg1+ΔV1)的关系。
公开的成像装置为下述的固态成像装置，其中令“Vrg2”表示半导体基板的位于复位晶体管的栅电极之下的区域在复位晶体管处于其导通状态下的电位，保持Vrg2＞Vs...(13)的关系，并且复位晶体管的阈值电压在满足(11)、(12)和(13)的关系的范围内。
公开的固态成像装置为下述的固态成像装置，其中令“Vdd”表示输出晶体管的电源电压，而“Vth”表示输出晶体管的阈值电压，保持(Vrg1+ΔV1-Vdd)＜Vth＜(Vrg1+ΔV1)的关系。
一种公开的成像设备为包括如上限定的固态成像设备的成像设备。
[附图标记说明]
101基板
116读出电路
204复位晶体管
205输出晶体管

Claims (6)

1.一种固态成像装置，包括：
光电转换层，所述光电转换层形成在半导体基板上；和
MOS晶体管电路，所述MOS晶体管电路读出与在所述光电转换层中产生并接着被收集的电荷相对应的信号，并且所述MOS晶体管电路形成在所述半导体基板中，所述电荷具有给定极性，
其中，所述MOS晶体管电路包括：
电荷积聚部分，所述电荷积聚部分与所述光电转换层电连接；
复位晶体管，所述复位晶体管将所述电荷积聚部分的电位复位到复位电位；和
输出晶体管，所述输出晶体管输出与所述电荷积聚部分的电位相对应的信号，
所述复位晶体管和所述输出晶体管具有带电体，所述带电体的极性与所述给定极性相反，
满足以下公式(1)：
GND+ΔV2＜Vs＜GND+ΔV2+(Vdd/5)...(1)
其中，GND表示所有电位的基准电位，Vs表示所述复位晶体管的所述复位电位，而ΔV2表示所述电荷积聚部分在所述复位晶体管处于该复位晶体管的导通状态下的情况下的第一电位与所述电荷积聚部分在所述复位晶体管从该复位晶体管的导通状态已经刚刚变成该复位晶体管的截止状态之后的第二电位之间的差值，其中Vdd是所述固态成像装置的电源电压。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中，满足以下公式(2)：
Vfd＞(Vrg1+ΔV1)...(2)
其中，Vrg1表示所述半导体基板的位于所述复位晶体管的栅电极之下的区域在所述复位晶体管处于该复位晶体管的截止状态下的情况下的电位，Vfd表示所述第二电位，ΔV1表示第二电位Vfd与电位Vrg1之间的临界电位差，该ΔV1使得在所述复位晶体管的所述截止状态下不会发生所述电荷从所述电荷积聚部分泄漏到所述复位晶体管的复位电源中。
3.根据权利要求2所述的固态成像装置，其中，满足以下公式(3)：
Vrg2＞Vs...(3)
其中，Vrg2表示所述半导体基板的位于所述复位晶体管的所述栅电极之下的所述区域在所述复位晶体管处于该复位晶体管的导通状态下的情况下的电位，保持公式(3)的关系，并且所述复位晶体管的阈值电压在满足公式(1)-(3)的范围内。
4.根据权利要求2或3所述的固态成像装置，其中，满足以下公式(4)：
(Vrg1+ΔV1-Vdd)＜Vth＜(Vrg1+ΔV1)...(4)
其中，Vdd表示所述输出晶体管的电源电压，而Vth表示所述输出晶体管的阈值电压。
5.一种成像设备，所述成像设备包括根据权利要求1-3中任一项所述的固态成像装置。
6.一种成像设备，所述成像设备包括根据权利要求4所述的固态成像装置。
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