CN103515403B - 固态成像元件、固态成像元件的校正方法、快门装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态成像元件，包括：具有光电转换部的多个像素；和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。本发明还公开了该固态成像元件的校正方法、包括纳米碳层叠膜的快门装置和使用该快门装置的电子设备。

Description

固态成像元件、固态成像元件的校正方法、快门装置和电子 设备
相关申请的交叉参考
本发明公开包含于2012年6月14日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2012-134861和于2013年3月11日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2013-048221所公开的内容相关的主题，在此将该日本在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明技术涉及一种包括纳米碳层叠膜的固态成像元件、该固态成像元件的校正方法和使用该固态成像元件的电子设备。此外，本发明技术涉及一种包括纳米碳层叠膜的快门装置和包括该快门装置的电子设备。
背景技术
由CCD(电荷耦合器件)图像传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器为代表的固态成像元件包括由形成在基板的光接收面侧上的光电二极管形成的光电转换部和电荷转移部。在这样的固态成像元件中，光电二极管使在传感器部上入射的光进行光电转换，产生信号电荷。然后，电荷转移部转移所产生的信号电荷，并作为视频信号输出信号电荷。这种器件具有用于使在一定的曝光时间内入射的光进行光电转换并累积信号电荷的结构。
日本专利申请未审查公开No.2006-190958(下面称作专利文献1)提出了一种作为能够在可见光区和红外光区成像的图像传感器的器件，其使用通过层叠具有不同折射率的多个介电层形成的介电层叠膜在各波长区接收光。如专利文献1中记载的，当利用介电层叠膜进行波长选择时，由于介电层叠膜的特性的原因，可以被接收的红外光波长区是固定的。因此，可以透过介电层叠膜的光的波长不能自由地调制。此外，由于介电层叠膜的膜厚度的变化，很难控制波长的变化，并且针对相对于入射面倾斜入射的光而言，存在大的波长误差。
此外，如在日本专利申请未审查公开No.2008-124941中记载的，在过去，铟锡氧化物(ITO)主要用作普通的透明电极用的材料。此外，日本专利申请未审查公开No.Hei6-165003和日本专利申请未审查公开No.2005-102162提出了如下的技术：在诸如成像装置等电子设备中使用的快门装置中使用诸如电致变色层等光控制元件，并且通过向电致变色层施加所需的电压来改变透过率。此外，在这种情况下，ITO用作透明电极以向电致变色层施加所需的电压。
然而，目前的用作透明电极的ITO具有低的透过率。因此，当ITO设于图像传感器的光入射面侧上时，每个ITO膜引起透过率减小约10%。因此，在图像传感器的光入射面侧上使用由ITO形成的透明电极降低了灵敏度。此外，由于大的ITO膜厚度，ITO的光学特性变化。
发明内容
鉴于以上各点，本发明公开提供了一种固态成像元件，其可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像，并且允许调节接收到的光量，还提供了所述固态成像元件的校正方法和使用所述固态成像元件的电子设备。本发明公开还提供了一种光透过特性改善的快门装置和使用所述快门装置的电子设备。
根据本发明公开的实施方案的固态成像元件包括：具有光电转换部的多个像素；和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。
在根据本发明公开的实施方案的固态成像元件中，通过向所述纳米碳层叠膜施加所需的电压改变所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区。这样可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节在所述光电转换部上入射的光量。
根据本发明公开的实施方案的固态成像元件的校正方法是一种在上述固态成像元件中针对各像素在对应于所述纳米碳层叠膜的各像素的位置调节透过率的方法。
在根据本发明公开的实施方案的固态成像元件的校正方法中，可以针对各像素调节所述纳米碳层叠膜的透过率。因此，可以调节在各像素上入射的光量。
根据本发明公开的实施方案的快门装置包括：由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部。
在根据本发明公开的实施方案的快门装置中，所述纳米碳层叠膜由多个纳米碳层形成。因此，可以改善光透过特性。
根据本发明公开的实施方案的电子设备包括：根据上述本发明公开的实施方案的固态成像元件；和用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。所述纳米碳层叠膜由多个纳米碳层形成。
在根据本发明公开的实施方案的电子设备中，通过向形成固态成像元件的纳米碳层叠膜施加所需的电压改变所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区。这样可以在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节在所述固态成像元件的光电转换部上入射的光量。
根据本发明公开的实施方案的电子设备包括：固态成像元件，包括光电转换部；设置在所述固态成像元件的光接收面侧的快门装置；和用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。所述快门装置是根据上述本发明公开的实施方案的快门装置。
在根据本发明公开的实施方案的电子设备中，所述快门装置包括纳米碳层叠膜，并且通过向所述纳米碳层叠膜施加电压可以调节接收的光量。
根据本发明公开，可以获得能够在从近红外光区到可见光区的范围内进行成像并允许调节接收的光量的固态成像元件、固态成像元件的校正方法和使用固态成像元件的电子设备。此外，根据本发明公开，可以获得光透过特性改善的快门装置和使用所述快门装置的电子设备。
附图说明
图1A～1D是示意性示出在石墨烯的能带结构中针对费米能级(Fermi level)的变化而言禁带变化的图；
图2是示出在膜状的石墨烯单层被夹持在一对电极之间并且施加到石墨烯层上的电压变化的情况下，在红外光区中的透过率变化的图；
图3是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的整体的示意性方块图；
图4是根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的四个像素的示意性剖视图；
图5是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的光接收面的布局的图；
图6是示出相对于曝光时间的IR像素的输出信号强度的图；
图7是示意性示出在根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的IR像素中的信号强度的图；
图8A是示意性示出在根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的绿色像素中校正前的信号强度的图，图8B是示意性示出在根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件的绿色像素中校正后的信号强度的图；
图9是根据第一变形例的固态成像元件的四个像素的示意性剖视图；
图10是根据第二变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
图11是用于说明当根据第二变形例的纳米碳层叠膜的介电层的材料变化时，穿过纳米碳层的光的信号强度变化的示意图；
图12是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过率之间关系的图；
图13是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过率之间关系的图；
图14是示出在纳米碳层叠膜中可透过的光的波长和透过比之间关系的图；
图15是根据第三变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
图16是根据第四变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图；
图17A～17C是制造根据第二至第四变形例的纳米碳层叠膜的方法的工序图(第一图)；
图18A～18C是制造根据第二至第四变形例的纳米碳层叠膜的方法的工序图(第二图)；
图19是根据本发明公开的第二实施方案的固态成像元件的剖视构成图；
图20A是示出当滤光片层是红色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图，图20B是示出当滤光片层是绿色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图，图20C是示出当滤光片层是白色滤光片时固态成像元件的光接收面的布局的图；
图21是根据本发明公开的第三实施方案的固态成像元件的四个像素的示意性剖视图；
图22是根据本发明公开的第四实施方案的成像装置的示意性构成图；
图23是放大地示出在根据本发明公开的第四实施方案的成像装置中使用的固态成像元件的剖视构成图；
图24A是在根据本发明公开的第四实施方案的快门装置中当第一电极和第二电极彼此叠置时第一电极和第二电极的平面构成图，图24B是示出在根据本发明公开的第四实施方案的快门装置中第一电极和第二电极分别作为上部和下部的平面构成图；
图25A是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过率与一帧期间的关系的图，图25B是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下像素累积电荷量与一帧期间的关系的图(第一图)；
图26A是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过率与一帧期间的关系的图，图26B是示出在快门装置被进行电压的脉冲施加的情况下像素累积电荷量与一帧期间的关系的图(第二图)；
图27是根据本发明公开的第五实施方案的成像装置的剖视构成图；
图28是根据本发明公开的第六实施方案的成像装置的剖视构成图；
图29A是示出当在成像检查时改变施加电压的情况下由石墨烯层叠膜造成的光的透过率变化的图，图29B是示出当在能够针对各像素调整施加电压的器件中施加电压V2的情况下在各像素位置的光的透过率的图；
图30是根据本发明公开的第七实施方案的电子设备的示意性方块图；和
图31是根据本发明公开的第八实施方案的电子设备的示意性方块图。
具体实施方式
下面参照图1A～31说明根据本发明公开的实施方案的固态成像元件、固态成像元件的校正方法、快门装置和电子设备的例子。按以下顺序说明本发明公开的实施方案。顺便说一下，本发明公开并不限于下面的例子。
1.第一实施方案：在光接收部上具有由纳米碳层叠膜形成的滤光片的固态成像元件的例子
2.第二实施方案：具有在可见光像素上部形成的纳米碳层叠膜的固态成像元件的例子
3.第三实施方案：具有在整个表面上形成的纳米碳层叠膜的固态成像元件的例子
4.第四实施方案：包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
5.第五实施方案：包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
6.第六实施方案：包括具有纳米碳层叠膜的快门装置和图像传感器的成像装置
7.第七实施方案：包括具有纳米碳层叠膜的固态成像元件的电子设备
8.第八实施方案：包括具有纳米碳层叠膜的成像装置的电子设备
在说明本发明技术的实施方案之前，将说明形成适用于本发明技术的纳米碳层叠膜的纳米碳层的特性。下面，通过用石墨烯作为形成纳米碳层的纳米碳材料的例子进行说明。
在过去，已经知道石墨烯是一种作为原子单层的极薄的薄膜状材料，并且适用于包括电子纸、触摸面板等在内的应用。具有这种特性的石墨烯应用于电子设备是有利的，因为石墨烯具有97.7%的高透过率、100Ω的低电阻值和0.3nm的小膜厚度。
本发明技术的提出者等已经提出利用这些特性中的石墨烯的高透过率和高导电性来使用石墨烯作为透明导电膜的技术。
作为石墨烯的另一个特性，石墨烯具有通过施加电压而使透过率变化的特征。图1A～1D是示意性示出在石墨烯的能带结构中针对费米能级Ef的变化而言禁带变化的图。
如图1A所示，与普通的半导体不同，石墨烯是一种相对于作为对称点的狄拉克点(Dirac point)1彼此具有线性分散关系的零带隙半导体。通常，费米能级Ef存在于狄拉克点1处，但是通过施加电压或掺杂处理可以迁移。例如，如图1B所示，当通过施加电压或掺杂处理移动费米能级Ef时，例如，如箭头Ea所示，可能出现大于2|ΔEf|的能量的光学迁移。另一方面，如箭头Eb所示，可以禁止等于或小于2|ΔEf|的能量的光学迁移。因此，通过迁移费米能级Ef可以改变石墨烯对于特定频率的光的透过率。
如图1C所示，当石墨烯用n型杂质掺杂时，费米能级Ef可以从狄拉克点1迁移到导带。此外，如图1D所示，当石墨烯用p型杂质掺杂时，费米能级Ef可以从狄拉克点1迁移到价带。
此外，Chen等人报道称当向石墨烯施加电压时石墨烯在红外光区的透过率变化(Nature471，617-620(2011))。图2示出了基于该报告作出的实验结果。图2示出在膜状的石墨烯单层被夹持在一对电极之间并且施加的电压变化的情况下，在红外光区中的透过率变化。在图2中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示透过率(%)。
如图2所示，假设施加的电压在0.25eV到4eV的范围内变化，并且图形的纵轴表示在底部透过率为100%，表示在顶部透过率为97.6%(一层石墨烯吸收的量)。即，纵轴上的位置越高，在图形中的透过率越低。根据该图形，表明在测量的整个波长区中，随着施加的电压在增大的方向变化，在图形的横轴上的长波长区域的透过率比短波长区域越接近100%。此外，表明施加的电压越高，透过率越接近100%的区域扩展到短波长侧越多，因此，通过施加的电压，透过率能够被调节的光的波长区可以扩展到短波长侧。在原子单层中得到该结果。然而，根据施加的电压的大小，透过率因而可以在从近红外光区到红外光区到太赫区的波长区变化。
此外，这些特性不仅对于石墨烯而且对于诸如碳纳米管等其他纳米碳材料也是共同的。在本发明技术中，应注意到纳米碳材料的特性，并且提出了使用具有纳米碳层的纳米碳层叠膜作为光控制膜的器件。
<第一实施方案：固态成像元件的例子>
图3是示出根据本发明公开的第一实施方案的固态成像元件11的整体的示意性方块图。根据本实施方案的例子的固态成像元件11包括由在由硅制成的基板21上排列的多个像素12形成的像素部13、垂直驱动电路14、列信号处理电路15、水平驱动电路16、输出电路17、控制电路18等。
像素12包括由光电二极管形成的光电转换部、电荷累积电容部和多个MOS晶体管，多个像素12在基板21上以二维阵列的形式规则地排列。形成像素12的MOS晶体管可以是4个MOS晶体管，即，传输晶体管、复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管，或者可以是不包括选择晶体管的3个MOS晶体管。
像素部13由以二维阵列的形式规则地排列的多个像素12形成。像素部13包括实际接收光、放大通过光电转换产生的信号电荷并且输出信号电荷到列信号处理电路15的有效像素区以及用于输出作为黑电平基准的光学黑的黑基准像素区(图未示)。黑基准像素区通常在有效像素区的外周部上形成。
控制电路18基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟产生作为垂直驱动电路14、列信号处理电路15、水平驱动电路16等的操作的基准的时钟信号以及控制信号。然后，由控制电路18产生的时钟信号、控制信号等输入到垂直驱动电路14、列信号处理电路15、水平驱动电路16等。
垂直驱动电路14例如由移位寄存器形成。垂直驱动电路14按行单位在垂直方向上顺次选择并扫描像素部13的各像素12。然后，基于根据各像素12的光电二极管中接收的光量生成的信号电荷的像素信号经由垂直信号线19供应到列信号处理电路15。
列信号处理电路15例如针对每列像素12而配置。列信号处理电路15基于来自黑基准像素区(图未示，但在有效像素区的周围形成)的信号对从一行的像素12输出的信号每个像素列地进行信号处理，如噪声去除、信号放大等。在列信号处理电路15的输出段和水平信号线20之间设有水平选择开关(图未示)。
水平驱动电路16例如由移位寄存器形成。水平驱动电路16顺次输出水平扫描脉冲，由此依序选择列信号处理电路15中的每一个，以便使从每个列信号处理电路15输出的像素信号到水平信号线20。
输出电路17对经由水平信号线20从每个列信号处理电路15顺次供应到输出电路17的信号进行信号处理，并输出信号。
下面说明在根据本实施方案的例子的固态成像元件11中的像素部13的截面构成。图4是根据本实施方案的例子的固态成像元件11的四个像素的示意性剖视图。图5是示出根据本实施方案的例子的固态成像元件11的光接收面的布局的图。
如图4所示，根据本实施方案的例子的固态成像元件11包括基板30、层间绝缘膜31、保护膜32、平坦化膜33、滤光片层34、纳米碳层叠膜35、聚光透镜36、第一透明膜37和第二透明膜38。
基板30由硅制成的半导体形成。由光电二极管形成的光电转换部PD在基板30的光入射侧的所需区域中形成。在光电转换部PD中，对入射光进行光电转换，从而生成并累积信号电荷。
层间绝缘膜31由SiO2膜形成，并且在包括光电转换部PD的基板30上部形成。形成诸如表面平坦化用的保护膜32和平坦化膜33等其他所需的膜。
滤光片层34在平坦化膜33上部形成，并且形成在后述的IR(infrared)像素(红外线像素)之外的区域中。在本实施方案的例子中，针对每个像素形成R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)用的各滤光片层34，没有滤光片层34的IR像素39IR在滤光片层34的同层中设有透过全波长区中的光的第一透明膜37。第一透明膜37是用于消除由于未形成滤光片层34而产生的元件表面水平的差异的膜，并且根据需要设置。
纳米碳层叠膜35设在第一透明膜37上部。即，在本实施方案中，纳米碳层叠膜35设在没有滤光片层34的像素中。纳米碳层叠膜35包括在光的入射方向上层叠的多个纳米碳层。在本实施方案中，石墨烯用作形成纳米碳层叠膜35的纳米碳层。此外，电压电源V经由配线连接到纳米碳层叠膜35。
当未向石墨烯施加电压时，石墨烯每层吸收2.3%的光。因此，例如，当通过层叠40层石墨烯形成纳米碳层叠膜35时，2.3×40(=92)%的光被吸收。因此，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，纳米碳层叠膜35的透过率为8%。另一方面，如结合图1A～2说明的，当向石墨烯施加预定电压(例如5V)时，在近红外光区的光的透过率可以为基本上100%。
因此，当通过层叠40层石墨烯形成纳米碳层叠膜35时，通过改变电压从0V(OFF)到5V(ON)，透过率可以从8%变到100%。此外，如图2所示，可以调整石墨烯的透过率的光的波长区根据施加的电压大小变化。因此，通过调节石墨烯的层叠数量和改变向纳米碳层叠膜35施加的电压大小，可透过的光的波长区可以从近红外光区变到太赫区。
如上所述，本实施方案通过改变从电压电源V向纳米碳层叠膜35施加的施加电压的大小，可以改变光的透过率并且将可透过的光的波长区从近红外光区变到太赫区。
此外，在本实施方案中，没有纳米碳层叠膜35的像素在纳米碳层叠膜35的同层中设有透过全波长区中的光的第二透明膜38。第二透明膜38是用于消除由于未形成纳米碳层叠膜35而产生的元件表面水平的差异的膜，并且根据需要设置。
纳米碳层叠膜35的一层由约0.3nm的石墨烯形成，使得纳米碳层叠膜35的层厚度可以是纳米级的。因此，当纳米碳层叠膜35足够薄时，没有必要形成第二透明膜38。
在本实施方案中，具有R(红色)的滤光片层的像素被称作红色像素39R，具有G(绿色)的滤光片层的像素被称作绿色像素39G，具有B(蓝色)的滤光片层的像素被称作蓝色像素39B。此外，未设置滤光片层34而设有纳米碳层叠膜35的像素被称作IR像素39IR。IR像素39IR可以获得基于从近红外光区到太赫区的光的信号。
聚光透镜36形成在纳米碳层叠膜35和滤光片层34上部，并且针对每个像素具有凸状的表面。入射光由聚光透镜36会聚，并且有效率地入射到每个像素的光电转换部PD上。
在根据本实施方案的固态成像元件11中，如图5所示，横2行和纵2行彼此相邻配置的四个像素，即，红色像素39R、蓝色像素39B、绿色像素39G和IR像素39IR，形成一个单位像素。红色像素39R获得根据红色的波长区中的光的信号。绿色像素39G获得根据绿色的波长区中的光的信号。蓝色像素39B获得根据蓝色的波长区中的光的信号。IR像素39IR获得根据近红外光区中的光的信号。
在根据本实施方案的固态成像元件11中，通过在IR像素39IR中的光接收侧设置纳米碳层叠膜35扩展了IR像素39IR中的动态范围。此外，在根据本实施方案的固态成像元件11中，通过设置IR像素39IR，可以赋予除去来自红色像素39R、绿色像素39G和蓝色像素39B的暗电流引起的噪声信号的功能(噪声消除功能)。
下面说明在根据本实施方案的固态成像元件11中的动态范围的扩展和噪声消除功能。
[动态范围的扩展]
动态范围表示为作为最大信号量的饱和信号量与噪声之比。动态范围变得越大，可以越可靠地获得在亮场景的信号和在暗场景的信号。在根据本实施方案的固态成像元件11中，通过在IR像素39IR中改变向纳米碳层叠膜35施加的电压大小和形成纳米碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量，可以改变穿过纳米碳层叠膜35的光的透过率。由此，可以扩展动态范围。
如上所述，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，纳米碳层叠膜35吸收的光量是作为每层石墨烯的光吸收率的2.3%乘以在纳米碳层叠膜35内层叠的石墨烯层总数n的积。因此，通过纳米碳层叠膜35中的石墨烯的层叠数量可以调节当未向纳米碳层叠膜35施加电压时的透过率。
图6是示出相对于曝光时间IR像素的输出信号强度的图。图6示出当使用具有不同数量的石墨烯叠层的纳米碳层叠膜35时的输出信号。形成纳米碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量按图6中示出的照射曲线a、b和c的顺序增多。图6示出当未向纳米碳层叠膜35施加电压时的特性。
如图6所示，纳米碳层叠膜35中包含的石墨烯的层叠数量越大，透过率越低，因此按照照射曲线a、b和c的顺序，到达饱和电荷量所需的时间越长。因此，通过调节形成纳米碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量，可以调节在未施加电压时的动态范围。
另一方面，通过向纳米碳层叠膜35施加预定电压，纳米碳层叠膜35的透过率可以为基本上100%。因此，根据是否向纳米碳层叠膜35施加电压，可以调节在亮时和暗时的纳米碳层叠膜35的透过率。
例如，对使用被构造成在未施加电压时纳米碳层叠膜35的透过率为20%和被构造成在施加电压时纳米碳层叠膜35的透过率为98%的IR像素39IR进行成像的情况进行说明。当在非常亮的场景中进行拍摄时，在通常的像素中在短时间内使信号输出饱和。因此，在亮场景中成像时，未向纳米碳层叠膜35施加电压，并且使用通过在低光透光率的像素中成像而获得的信号。
另一方面，在例如夜间或室内的暗场景中成像获得微量的信号输出。因此，在暗场景中成像时，向纳米碳层叠膜35施加预定电压，由此，透过率升高到98%，以进行成像。这样即使在暗场景中也提高了灵敏度并且提供了足够的信号量。
通常的ND(中性密度)滤光片在图中具有固定的斜率，并且不允许动态范围的扩展率变化(在图形中的斜率对应于图6的a、b和c中的一个)。另一方面，本实施方案通过调节形成纳米碳层叠膜35的石墨烯的层叠数量允许动态范围的扩展率变化(通过改变层叠数量，可以是图6的a、b和c中的任一个)。
[噪声消除功能]
下面将详细说明用于校正暗电流不均匀性的噪声消除功能。暗电流是即使当光被完全遮断时由输出电流和热量所产生的电荷引起的噪声。当噪声消除功能被赋予固态成像元件11时，在未施加电压时的光透过率为基本上0%而在施加电压时光透过率为基本上100%的纳米碳层叠膜被用作纳米碳层叠膜35。在这种情况下，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，IR像素39IR不会透过光，因此从IR像素39IR得到的信号分量仅是源于暗电流的噪声分量ΔE。当从红色像素39R、蓝色像素39B和绿色像素39G的各自信号分量减去暗电流引起的噪声时，可以在各自像素中除去源于暗电流的噪声信号。
例如，下面说明从在根据本实施方案的固态成像元件11中绿色像素39G的信号分量除去暗电流引起的噪声的例子。图7是示意性示出在根据本实施方案的固态成像元件11的IR像素39IR中的信号强度的图。图8A是示意性示出在根据本实施方案的例子的固态成像元件11的绿色像素39G中校正前的信号强度的图。图8B是示意性示出在根据本实施方案的例子的固态成像元件11的绿色像素39G中校正后的信号强度的图。
在图7中，图形上的“OFF”符号表示当未向纳米碳层叠膜35施加电压时的信号电平，图形上的“ON”符号表示当向纳米碳层叠膜35施加电压时的信号电平。当向纳米碳层叠膜35施加电压时，即，在“ON”时，纳米碳层叠膜35的透过率为基本上100%。因此，如图7所示，当电压为ON时，IR像素39IR获得在等于和高于红外光区的区域中的信号分量S1。当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，即，在“OFF”时，纳米碳层叠膜35的透过率为基本上0%。因此，当电压为OFF时，IR像素39IR仅获得源于暗电流的噪声分量ΔE。
另一方面，如图8A所示，绿色像素39G通过G(绿色)滤光片获得在绿色区域中的信号分量S2。绿色像素39G也透过在红外光区中的光。因此，红外光区中的信号分量S1和源于暗电流的噪声分量ΔE被加到从绿色像素39G读出的信号分量上。即，从绿色像素39G读出的信号分量SG为(在绿色区域中的信号分量S2)+(在等于和高于红外光区的区域中的信号分量S1)+(源于暗电流的噪声分量ΔE)。
因此，通过从绿色像素39G的总信号分量SG减去施加电压为ON时的IR像素39IR的信号分量S1和施加电压为OFF时的IR像素39IR的噪声分量ΔE可以获得在绿色区域中的信号分量S2。由此，可以自从绿色像素39G读出的信号分量SG除去红外光分量和噪声分量ΔE。顺便说一下，作为转换成电荷的信号量，从各像素读出各信号分量，因此上述应用于信号分量的减法作为应用于从各像素读出的信号量的减法进行。这同样适用于下面的内容。
上面针对绿色像素39G进行了说明。然而，可以类似地除去红色像素39R和蓝色像素39B的红外光分量和噪声分量ΔE。因此，在本实施方案中，可以使用在IR像素39IR中获得的信号分量从可见光像素除去红外光分量和噪声分量ΔE，从而不需要在可见光像素上部设置IR截止滤光片。因此元件可以小型化。
此外，当在IR像素上部未设置IR截止滤光片而仅在可见光像素上部设置IR截止滤光片时，需要对IR截止滤光片进行图案化，工序数量增加。与此相比，本实施方案不需要IR截止滤光片，因此可以减少工序数量增加。
上面以可见光像素上部未设置IR截止滤光片的情况作为例子进行了说明。然而，即使当在可见光像素上部设置IR截止滤光片时，通过使用在IR像素中获得的信号分量也可以除去噪声。下面将说明作为第一变形例的在可见光像素上部设置IR截止滤光片的例子。
[第一变形例]
图9是根据第一变形例的固态成像元件41的四个像素的示意性剖视图。
在图9中，与图4对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。如图9所示，根据变形例的固态成像元件41具有在IR像素39IR以外的红色像素39R、绿色像素39G和蓝色像素39B上的IR截止滤光片42。
固态成像元件41在设有IR截止滤光片42的红色像素39R、绿色像素39G和蓝色像素39B中截止红外光区的波长的光。因此，在可见光像素中获得的信号分量是源于在可见光区的光的信号分量，还包含源于暗电流的噪声分量ΔE。
因此，固态成像元件41还使用IR像素39IR的信号分量校正暗电流不均匀性。此外，下面说明从固态成像元件41的绿色像素39G的信号分量除去源于暗电流的噪声分量ΔE的例子。在这种情况下，在未施加电压时光透过率为(基本上0%)0～20%和在施加电压时光透过率为(基本上100%)80～100%的纳米碳层叠膜用作纳米碳层叠膜35。
根据第一变形例的固态成像元件41的绿色像素39G在光入射面侧上具有IR截止滤光片42。因此，从绿色像素39G读出的信号分量SG’包括在绿色区域中的信号分量S2和源于暗电流的噪声分量ΔE。
另一方面，当未向纳米碳层叠膜35施加电压时，IR像素39IR不会透过光，因此从IR像素39IR获得的信号仅是源于暗电流的噪声分量ΔE。
因此，通过从设有IR截止滤光片42的绿色像素39G的总信号分量SG’减去IR像素39IR的施加电压为OFF时的噪声信号分量ΔE可以获得在绿色区域中的信号分量S2。
顺便说一下，在图4和图9的例子中，纳米碳层叠膜35设在滤光片层34和聚光透镜36之间，但不限于此。只要纳米碳层叠膜35存在于光电转换部PD和聚光透镜36之间即可。例如，纳米碳层叠膜35可以设置在滤光片层34和基板30之间。
采用具有通过层叠多个石墨烯层获得的结构的纳米碳层叠膜35作为例子说明了根据上述第一实施方案的固态成像元件11和在第一变形例中说明的固态成像元件41。然而，纳米碳层叠膜的构成不限于此。下面作为第二至第四变形例说明纳米碳层叠膜的其他例子。
[第二变形例]
纳米碳层叠膜根据纳米碳层叠膜的构成和材料可以改变纳米碳层叠膜能够透过的光的波长区(可以调整透过率的区域)和光的透过率。图10是根据第二变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图。如图10所示，纳米碳层叠膜45包括第一电极46、介电层47和第二电极48。
第一电极46和第二电极48均由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成。此外，在第二变形例中，石墨烯例如用作形成第一电极46和第二电极48的纳米碳层。电压电源V经由配线连接到第一电极46和第二电极48。
介电层47设在第一电极46和第二电极48之间。第二变形例中使用的介电层47的材料包括例如介电常数材料，如氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)、InGaZnOx(IGZO)、高密度聚乙烯(HDPE)等。
介电层47也可以由具有相对较高介电常数的高介电常数材料形成。例如，用于形成介电层47的高介电常数材料包括氧化铪(HfO2)、钛酸锶(SrTiO3：STO)、氧化锆(ZrO2)、钛酸锆酸镧铅((Pb，La)(Zr，Tr)O3：PLZT)等。
图11是用于说明当根据第二变形例的纳米碳层叠膜45的介电层47的材料变化时，穿过各纳米碳层叠膜45的光的信号强度变化的辅助图。下面说明在施加电压为ON时透过率为100%和在施加电压为OFF时透过率为0%的构成，并且说明通过纳米碳层叠膜的构成和材料来调整可透过的光的波长区。
如图11所示，在使用仅有石墨烯的纳米碳层叠膜35(参见图4)的情况下，在施加电压为ON时，如箭头d所示，可以透过等于或高于红外光区(IR)的区域中的光。另一方面，在使用具有通过在第一电极46和第二电极48之间夹持介电层47而形成的构成的纳米碳层叠膜45的情况下，在施加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到可见光区。
例如，在纳米碳层叠膜45中的介电层47由正常介电常数材料形成的情况下，在施加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到箭头e所示的红色区域(R)的范围。此外，在纳米碳层叠膜45中的介电层47由高介电常数材料形成的情况下，在施加电压为ON时，可透过的光的波长区可以扩展到箭头f或g所示的绿色区域(G)或蓝色区域(B)的范围。这是由于介电层47的材料之间的相对介电常数的差异。即，介电层47的相对介电常数越高，可透过的光的波长区可以扩展的越多。
下表1示出纳米碳层叠膜45中使用的介电层47的材料、相对介电常数ε、耐受电压(MV/cm)和电荷密度(mC/cm2)之间的关系。
[表1]
材料 相对介电常数ε 耐受电压(MV/cm) 电荷密度(mC/cm2)
SiO2 4 10 3.5
Al2O3 8.2 8.2 6
IGZO 9 - -
HfO2 18.5 7.4 12
ZrO2 29 6 15.4
HDPE 2.3 - -
PLZT 200 3 53.1
CaF2 6.6 0.3 0.17
下面，说明通过使用具有如上表1所示的不同相对介电常数的Al2O3和IGZO作为介电层47来扩展可透过的光的波长区的例子。
图12和图13示出纳米碳层叠膜45的光透过谱的例子。
图12示出在纳米碳层叠膜45中的介电层47由Al2O3形成的例子。在这种情况下，施加电压在-70V～+70V的范围内变化。图形的纵轴表示在底部透过率为97.5%，在顶部透过率为100%。
图13示出在纳米碳层叠膜45中的介电层47由IGZO形成的例子。在这种情况下，施加电压在-20V～+40V的范围内变化。图形的纵轴表示在底部透过率为95%，在顶部透过率为115%。
此外，图14是通过处理图13得到的图形，以说明光透过谱随着施加电压的变化，并且示出当图13中的0V施加电压的光谱设为基准时的光谱比a(0V/0V)和光谱比b(+20V/0V)。
如图12所示，在介电层47的材料是Al2O3的情况下，在施加电压等于和高于+30V处的光谱(中粗线)表现出从1100nm附近的光谱上升。即，表明施加电压可以扩展可透过的光的波长区(可以调整透过率的区域)到1100nm附近。另一方面，如图14所示，在介电层47的材料是IGZO的情况下，在施加电压+20V处的光谱(中粗线)表现出从比1000nm更短的波长侧的光谱上升。即，表明施加电压可以扩展可透过的光的波长区到比1000nm更短的波长侧。
从上表1中，比较作为介电层47的材料的IGZO和Al2O3的相对介电常数表明IGZO具有较高的相对介电常数。因此，表明介电层47的材料的相对介电常数越高，施加电压迁移禁止跃迁的波长侧越短，并且可透过的光的波长区可以扩展的波长侧越短。
此外，如图12所示，表明施加电压越高，可透过的光的波长区可以扩展的波长侧越短。例如，表明施加电压10V可以扩展可透过的光的波长区到1200nm附近，施加电压30V可以扩展可透过的光的波长区到1100nm附近。
如上所述，由于介电层47夹持在第一电极46和第二电极48之间的构成，除了仅有石墨烯的纳米碳层叠膜35(参见图4)的效果之外，根据第二变形例的纳米碳层叠膜45扩展可透过的光的波长区。此外，通过选择夹持在第一电极46和第二电极48之间的介电层47的材料，可以任意地设定可透过的光的波长区。即，通过选择具有较高相对介电常数的材料作为介电层47中的材料，可透过的光的波长区可以扩展到较短波长侧。
此外，通过施加电压的大小，纳米碳层叠膜45可以调整可透过的光的波长区和其透过率。
[第三变形例]
图15是根据第三变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图。如图15所示，根据第三变形例的纳米碳层叠膜50不同于图10所示的纳米碳层叠膜45之处仅在于，根据第三变形例的纳米碳层叠膜50使用掺杂杂质的石墨烯作为第一电极51和第二电极53。如图15所示，纳米碳层叠膜50包括第一电极51、介电层47和第二电极53。因此，与图10所示的纳米碳层叠膜相似的构成元件用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
第一电极51和第二电极53均由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成。此外，在第三变形例中，掺杂n型杂质的石墨烯用作形成第一电极51的一个纳米碳层或多个纳米碳层，掺杂p型杂质的石墨烯用作第二电极53。电压电源V经由配线连接到第一电极51和第二电极53。n型第一电极51连接到电压电源V的负极侧。p型第二电极53连接到电压电源V的正极侧。
与结合图10说明的在纳米碳层叠膜45中的介电层47相似的介电层适用作为介电层47。即，介电层47由如上所述的正常介电常数材料或高介电常数材料形成。
具有这种构成的纳米碳层叠膜50扩展可透过的波长范围，如下。如上面图1A～1D所示，通过施加电压的大小和掺杂杂质，石墨烯的费米能级Ef可以移动。费米能级Ef的可移动范围对应于纳米碳层叠膜50中的可透过的光的波长区的一部分。即，当纳米碳层叠膜50中的第一电极51和第二电极53使用的石墨烯的费米能级Ef通过掺杂处理等迁移时，该迁移量对应于波长能量。通过该波长能量的大小，纳米碳层叠膜50中的可透过的光的波长区扩展。
即，通过使用与纳米碳层叠膜50中的介电层47相同的材料和使用掺杂杂质的石墨烯作为第一电极51和第二电极53，可以扩展纳米碳层叠膜50中的可透过的光的波长区。
此外，通过使用掺杂杂质的石墨烯作为第一电极51和第二电极53，除了第二变形例的效果之外，如上所述的根据第三变形例的纳米碳层叠膜50可以扩展透过率调整范围，即，扩展了可以调整透过率的范围宽度。
[第四变形例]
图16是根据第四变形例的纳米碳层叠膜的示意性剖视图。如图16所示，根据第四变形例的纳米碳层叠膜55是其中介电层47和图10所示的纳米碳层叠膜45交替层叠的例子。即，根据第四变形例的纳米碳层叠膜55是其中第一电极46、介电层47和第二电极48交替层叠并且其中在层叠方向的两端表面夹持在介电层47之间的例子。因此，与图10所示的纳米碳层叠膜相似的构成元件用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
在这种情况下，与结合图10说明的纳米碳层叠膜45的第一电极46、第二电极48和介电层47相似的第一电极、第二电极和介电层适用作为第一电极46、第二电极48和介电层47。顺便说一下，象结合图15说明的纳米碳层叠膜50中那样，可以通过使用掺杂杂质的石墨烯形成第一电极和第二电极。
如图16所示，引导电极49分别连接到纳米碳层叠膜55的第一电极46和第二电极48的端部。电压电源V经由引导电极49连接。
在如上所述的根据第四变形例的纳米碳层叠膜55中，形成第一电极46和第二电极48的纳米碳层和介电层47交替层叠。由此，除了第三变形例的效果之外，根据第四变形例的纳米碳层叠膜55可以进一步扩展调整范围。
顺便说一下，根据包括上述各构成的纳米碳层叠膜的实施方案的固态成像元件11和41不限于图4和图9的剖视图所示的构成，相反，材料、层叠顺序等可以进行各种设定，从而实现所需的功能和性能。
此外，根据本实施方案的固态成像元件11和41使用具有Si基的光电转换部PD作为传感器部分的器件，但是不限于Si基的器件。例如，可以提供各种作为光电转换部PD的有机光电转换膜、热辐射计型器件等。在这种情况下，通过在光入射面侧设置纳米碳层叠膜，可以获得与本实施方案相似的效果。
[制造纳米碳层叠膜的方法]
下面，结合图17A～17C和图18A～18C说明制造根据第二至第四变形例的纳米碳层叠膜的方法的例子。
首先，如图17A所示，在铜箔56的一个主表面上形成第一电极46。
此时，轧制的厚度为18μm的铜箔56被放置在电炉中，在氢气氛下(氢气流量20sccm)于980°C下烧制。以10sccm的流量供给甲烷气体30分钟。在铜箔56上形成作为第一电极46的一个纳米碳层。顺便说一下，通过膜形成时间可以控制纳米碳层的数量。接下来，尽管未示出，在铜箔56上形成第一电极46之后，将第一电极46切成23mm×17mm的大小。
接下来，如图17B所示，通过旋涂法在第一电极46上涂布聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙酮稀溶液，其后，干燥并除去丙酮稀溶液。由此，在第一电极46上形成PMMA膜57。
接下来，将其上形成有第一电极46和PMMA膜57的铜箔56浸渍在硝酸铁水溶液中约40分钟，以除去铜箔56。
如图17C所示，准备由切成25mm×25mm的厚度为1mm的石英晶片形成的基板58，并将基板58贴合到第一电极46的露出面侧。
接下来，将贴合到基板58上的第一电极46和PMMA膜57浸渍在丙酮溶剂中3分钟，以除去PMMA膜57。
其后，如图18A所示，将具有23mm×17mm开口的金属掩模59放置在基板58上的第一电极46侧。
接下来，如图18B所示，在腔室内的温度设定为200°C之后，在金属掩模59的开口内露出的第一电极46上通过原子层沉积法将由氧化铝(Al2O3)形成的介电层47成膜为膜厚度20nm。
接下来，如图18C所示，在介电层47上贴合第二电极48。此时，象上面结合图17A和图17B说明的过程那样，形成用PMMA膜57涂布的第二电极48，并将第二电极48转移到介电层47上。其后，将转写有第二电极48的基板58浸渍在丙酮溶剂中3分钟，以除去PMMA膜57。由此，可以形成根据第二变形例的纳米碳层叠膜45。
当制作根据第四变形例的纳米碳层叠膜55时，重复结合图18A～18C说明的过程。将介电层47和纳米碳层叠膜45层叠在纳米碳层叠膜45上。其后，通过结合图18B说明的过程使介电层47成膜，使得在上述层叠结构的层叠方向的两端处的表面夹持在介电层47之间。
因此，得到纳米碳层叠膜55。此外，在本实施方案中的纳米碳层叠膜55具有通过交替层叠形成第一电极46和第二电极48的纳米碳层和介电层47得到的9层。然而，通过重复图18B和图18C的过程，可以形成还包括多层的纳米碳层叠膜。其后，如图16所示，通过在纳米碳层叠膜55的端面涂布形成引导电极49，从而施加正电位和负电位，并且连接电压电源。
顺便说一下，在各成膜过程中，例如，适用通过辊对辊方式的连续成膜方法或者局部加热电极并连续使石墨烯成膜的方法。
如上所述，根据本实施方案的制造方法，可以获得具有夹持在由纳米碳层形成的电极之间的介电层的纳米碳层叠膜。
<2.第二实施方案：固态成像元件的例子>
接下来，说明根据本发明公开的第二实施方案的固态成像元件。图19是根据本实施方案的例子的固态成像元件61的构成的剖视图。在图19中，与图4对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。根据本实施方案的例子的固态成像元件61是其中滤光片层62形成在纳米碳层叠膜50下部的例子。
纳米碳层叠膜50与结合图15说明的纳米碳层叠膜50相似。具体而言，在本实施方案中的纳米碳层叠膜50包括第一电极51、介电层47和第二电极53。掺杂n型杂质的石墨烯用作形成第一电极51的纳米碳层，掺杂p型杂质的石墨烯用作第二电极53。电压电源V经由配线连接到第一电极51和第二电极53。
在本实施方案中的纳米碳层叠膜50形成为使得在第一电极51和第二电极53之间未施加电压时不会透过光，并且在第一电极51和第二电极53之间施加电压时，根据预定电压的值透过可见光。顺便说一下，介电层47由如上所述的正常介电常数材料或高介电常数材料形成。
滤光片层62根据用途可以是红色滤光片、绿色滤光片或白色滤光片。滤光片层62设置在平坦化膜33上部，并且设置在与其他像素的滤光片层34相同的层中。因此，在本实施方案中，透过可见光的滤光片设置在设有纳米碳层叠膜50的IR像素中。由此，在IR像素63IR中，在未向纳米碳层叠膜50施加电压时，光未入射，并且在向纳米碳层叠膜50施加电压时，透过波长对应于滤光片层62的光透过性的可见光。下面，说明滤光片层62是红色滤光片、绿色滤光片和白色滤光片的情况。
[2-1红色滤光片用于IR像素的情况]
首先，说明红色滤光片用作滤光片层62的情况。在这种情况下，纳米碳层叠膜50形成为使得在第一电极51和第二电极53之间未施加电压时不会透过光，并且在第一电极51和第二电极53之间施加预定电压(例如10V)时，透过从红外光区到红色区的波长的光。
在下面的说明中，将说明作为IR+R像素63IR的设有纳米碳层叠膜50的像素。
图20A是示出当滤光片层62是红色滤光片时固态成像元件61的光接收面的布局的图。在这种情况下，如图20A所示，横2行和纵2行彼此相邻配置的四个像素，即，红色像素39R、蓝色像素39B、绿色像素39G和IR+R(红色)像素63IR，形成一个单位像素。红色像素39R获得根据红色区中的光的信号分量。绿色像素39G获得根据绿色区中的光的信号分量。蓝色像素39B获得根据蓝色区中的光的信号分量。IR+R像素63IR仅在向纳米碳层叠膜50施加电压时获得根据红外光区和红色区中的光的信号分量。
因此，根据本实施方案的固态成像元件61，IR+R像素63IR由于施加电压获得根据红外光区中的光的信号分量和作为可见光分量的根据红色区中的光的信号分量。这样消除了分辨率下降的问题，因为设置IR像素不会减少可见光像素。此外，由于通过施加电压可以改变透过率，所以可以针对在夜间等暗场景中的高灵敏度成像时的分辨率下降采取措施。此外，由于IR+R像素63IR兼用作IR像素和红色像素，所以通过使用在IR+R像素63IR中得到的红色区的高分辨率信号的高频分量可以补偿在亮场景中成像时绿色像素39G的信号劣化的量。即，通过合成鲜明色调的高频分量可以校正模糊的颜色。
可以通过下式表示需要待校正的像素的输出信号。
输出信号=接收的信号+C1×红色像素的高频分量+C2×绿色像素的高频分量+C3×蓝色像素的高频分量
其中C1、C2和C3是系数。根据待校正的位置处的信号确定各系数。
在本实施方案的例子中，上述系数设定为C1=0.50，C2=0.48，C3=0.02，并且通过使用红色的高频分量校正绿色像素的信号。这种信号处理可以改善图像的模糊部分。
此外，在根据本实施方案的固态成像元件61中，象在第一实施方案中那样，可以调节向IR+R像素63IR的纳米碳层叠膜50施加的电压大小和纳米碳层叠膜50中包含的石墨烯的层叠数量。这样扩展了动态范围。
此外，在本实施方案中，象在第一实施方案中那样，可以赋予除去来自红色像素39R、蓝色像素39B和绿色像素39G的暗电流引起的噪声信号ΔE的功能(噪声消除功能)。具体而言，在本实施方案中，红色像素39R、绿色像素39G和蓝色像素39B允许红外光区的光和各色区的光穿过滤光片层。因此，红色像素39R、绿色像素39G和蓝色像素39B获得在红外光区中的信号分量和根据各色区的光的信号分量，并且噪声分量ΔE被加到这些信号分量上。
另一方面，通过调节向纳米碳层叠膜50施加的电压，调节在IR+R像素63IR中可透过的光的波长区，从而除了噪声分量ΔE之外，仅获得在红外光区中的信号分量。
因此，从在可见光像素中得到的各色区的信号分量、红外光分量和噪声分量ΔE之和除去施加电压被调节的IR+R像素63IR中得到的红外光分量和噪声分量ΔE。由此，可以消除噪声。
[2-2绿色滤光片用于IR像素的情况]
接下来，说明绿色滤光片用作滤光片层62的情况。在这种情况下，纳米碳层叠膜50形成为使得在第一电极51和第二电极53之间未施加电压时不会透过光，并且在第一电极51和第二电极53之间施加预定电压(例如30V)时，透过达到绿色的波长区的光。
在下面的说明中，将说明作为IR+G像素63IR的设有纳米碳层叠膜50的像素。
图20B是示出当滤光片层62是绿色滤光片时固态成像元件61的光接收面的布局的图。在这种情况下，如图20B所示，横2行和纵2行彼此相邻配置的四个像素，即，红色像素39R、蓝色像素39B、绿色像素39G和IR+G(绿色)像素63IR，形成一个单位像素。红色像素39R获得根据红色区中的光的信号分量。绿色像素39G获得根据绿色区中的光的信号分量。蓝色像素39B获得根据蓝色区中的光的信号分量。IR+G像素63IR仅在向纳米碳层叠膜50施加电压时获得根据红外光区和绿色区中的光的信号分量。
根据本实施方案的固态成像元件61，当向纳米碳层叠膜50施加的电压设为30V时，例如，IR+G像素63IR由于施加电压获得根据红外光区中的光的信号分量和作为可见光分量的根据绿色区中的光的信号分量。因此，设置IR像素不会减少可见光像素。因此，不存在由于设置IR像素而使分辨率下降的问题，并且不存在由于通过施加电压可以改变透过率而使在夜间等暗场景中的分辨率下降的问题。此外，由于IR+G像素63IR兼具产生IR像素和绿色像素的效果，所以即使是在夜间等也可以高分辨率地进行从可见光区到红外光区范围的成像。
此外，如图20B所示，由于一个单位像素中设置的绿色像素39G的比例是一个单位像素整体的一半，所以绿色的分辨率可以提高表观分辨率。这是因为人眼的分光灵敏度在绿色附近具有峰值。
此外，在根据本实施方案的固态成像元件61中，象在第一实施方案中那样，通过调节向IR+G像素63IR的纳米碳层叠膜50施加的电压大小和纳米碳层叠膜50的膜厚度可以扩展动态范围。
此外，在本实施方案中，象在滤光片层62是红色滤光片的情况中那样，可以赋予除去来自红色像素39R、蓝色像素39B和绿色像素39G的暗电流引起的噪声信号ΔE的功能(噪声消除功能)。
[2-3白色滤光片用于IR像素的情况]
接下来，说明白色滤光片用作滤光片层62的情况。在这种情况下，纳米碳层叠膜50形成为使得在第一电极51和第二电极53之间未施加电压时不会透过光，并且在第一电极51和第二电极53之间施加预定电压(例如10V)时，透过白色光(即，全波长)。
在下面的说明中，将说明作为IR+W像素63IR的设有纳米碳层叠膜50的像素。
图20C是示出当滤光片层62是白色滤光片时固态成像元件61的光接收面的布局的图。在这种情况下，如图20C所示，横2行和纵2行彼此相邻配置的四个像素，即，红色像素39R、蓝色像素39B、绿色像素39G和IR+W像素63IR，形成一个单位像素。红色像素39R获得根据红色区中的光的信号分量。绿色像素39G获得根据绿色区中的光的信号分量。蓝色像素39B获得根据蓝色区中的光的信号分量。IR+W像素63IR仅在向纳米碳层叠膜50施加电压时获得根据红外光区和白色光的信号分量。
当向纳米碳层叠膜50施加的电压例如设为10V时，根据本实施方案的固态成像元件61可以扩展纳米碳层叠膜50的可透过的波长区域到全波长。因此，在根据本实施方案的固态成像元件61中，从可见光像素读出的信号分量是在红外光区中的信号分量、在可见光区中的信号分量和噪声分量ΔE。此外，从IR+W像素63IR读出的信号分量是在向纳米碳层叠膜50施加的电压为ON时的在红外光区中的信号分量、白色光的信号分量和噪声分量ΔE。另一方面，在施加的电压为OFF时，从IR+W像素63IR读出的仅有噪声信号ΔE。
根据如上所述的本实施方案的固态成像元件61，IR+W像素63IR由于施加电压获得根据红外光区中的光的信号分量和根据白色光的信号分量。由此，根据本实施方案的固态成像元件61消除了由于设置IR像素而使分辨率下降的问题，并且消除了由于通过施加电压可以改变透过率而使在夜间等暗场景中的分辨率下降的问题。此外，由于IR+W像素63IR兼具产生IR像素和白色像素的效果，所以即使是在夜间等也可以高分辨率地进行从可见光区到近红外光区范围的成像。
此外，在根据本实施方案的固态成像元件61中，象在第一实施方案中那样，通过调节向纳米碳层叠膜50施加的电压大小和形成纳米碳层叠膜50的石墨烯的膜厚度可以扩展动态范围。
此外，在本实施方案中，象在滤光片层62是红色滤光片的情况中那样，可以赋予除去来自红色像素39R、蓝色像素39B和绿色像素39G的暗电流引起的噪声信号的功能(噪声消除功能)。
在本实施方案中使用的固态成像元件61的剖视图不限于图20A～20C，相反，材料、层叠顺序等可以进行各种设定，从而实现所需的功能和性能。
此外，象在第一变形例中那样，根据本实施方案的固态成像元件61可以在IR+R(G或W)像素63IR之外的像素上部具有IR截止滤光片。此外，当在像素单位中可以控制针对各像素设置的纳米碳层叠膜的透过率时，纳米碳层叠膜可以设置在整个有效像素区上部。
此外，纳米碳层叠膜50可以通过使用与图10所示的纳米碳层叠膜45相似的材料形成。此外，象在图16所示的纳米碳层叠膜55中那样，纳米碳层叠膜50可以具有其中形成第一电极和第二电极的纳米碳层和介电层交替层叠的构成。在这种情况下，纳米碳层的层叠数量也可以根据目的变化。此外，纳米碳层的材料不限于本实施方案的那些，只要材料可以表现出与石墨烯相似的特性。
此外，根据本实施方案的固态成像元件61使用具有Si基的光电转换部PD作为传感器部分的器件，但是不限于Si基的器件。例如，可以提供各种作为光电转换部PD的有机光电转换膜、热辐射计型器件等。
<3.第三实施方案：固态成像元件的例子>
接下来，说明根据本发明公开的第三实施方案的固态成像元件。图21是根据本实施方案的固态成像元件101的四个像素的示意性剖视图。根据本实施方案的例子的固态成像元件101具有其中根据第二变形例的纳米碳层叠膜45在整个像素区上分别形成并且未设置滤光片的构成。在图21中，与图4对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
在下面的说明中，假设透过红色波长区中的光的设有纳米碳层叠膜45的像素是红色像素103R，透过绿色波长区中的光的设有纳米碳层叠膜45的像素是绿色像素103G。相似地，以下说明假设透过蓝色波长区中的光的设有纳米碳层叠膜45的像素是蓝色像素103B，透过从近红外光区到太赫区中的光的设有纳米碳层叠膜45的像素是IR像素103IR。
纳米碳层叠膜45与结合图10说明的纳米碳层叠膜45相似。具体而言，纳米碳层叠膜45包括第一电极46、介电层47和第二电极48。
与结合图10说明的纳米碳层叠膜45的第一电极46、第二电极48和介电层47相似的第一电极、第二电极和介电层适用作为第一电极46、第二电极48和介电层47。顺便说一下，介电层47由如上所述的正常介电常数材料或高介电常数材料形成。
介电层47设置为夹持在第一电极46和第二电极48之间，由具有所需介电常数的材料形成，从上表1中所示的材料针对各像素选择材料。
通过使用高介电常数材料形成可见光像素中的介电层47。通过使用正常介电常数材料形成IR像素103IR中的介电层47。此外，通过按照像素中的目标光接收波长降低的顺序使用相对介电常数增大的高介电常数材料形成可见光像素中的介电层47。例如，通过使用SiO2形成IR像素中的介电层47，通过使用HfO2形成红色像素103R中的介电层47，通过使用ZrO2形成绿色像素103G中的介电层47，通过使用PLZT形成蓝色像素103B中的介电层47。
顺便说一下，在本实施方案中，通过针对各像素选择的不同材料形成介电层47，但是可以通过使用相同材料形成。在这种情况下，例如，绿色像素103G和蓝色像素103B中的介电层47由相同材料形成，并且仅有蓝色像素103B的第一电极和第二电极由掺杂杂质的石墨烯形成。这样可以扩展蓝色像素103B中的可透过的光的波长区，使得即使当使用与绿色像素103G中的介电层47相同的材料时，也可以获得根据蓝色的波长区中的光信号。
此外，在本实施方案中，横2行和纵2行彼此相邻配置的四个像素，即，红色像素103R、绿色像素103G、蓝色像素103B和IR像素103IR，形成一个单位像素。尽管在本实施方案中上述四个像素形成一个单位像素，但是红色像素103R、蓝色像素103B或绿色像素103G可以用来代替IR像素103IR。
此外，确定形成各纳米碳层叠膜45的纳米碳层(石墨烯)的层叠数量，使得在未施加电压时不透过光，并且在施加预定电压时透过目标波长的光。
在具有如上所述构成的固态成像装置中，全部像素在未向纳米碳层叠膜45施加电压时不透过光，而仅获得噪声信号ΔE。另一方面，在向纳米碳层叠膜45施加电压时，各像素获得各自的信号，如下。
例如，红色像素103R获得根据红外光区和红色区中的光的信号分量和噪声分量ΔE。相似地，绿色像素103G获得根据从红外光区到绿色区的光的信号分量和噪声分量ΔE。此外，蓝色像素103B获得根据从红外光区到蓝色区域的光的信号分量和噪声分量ΔE。此外，IR像素103IR获得根据红外光区中的光的信号分量和噪声分量ΔE。
如上所述，根据本实施方案的固态成像元件101具有其中纳米碳层叠膜45针对各像素设置并且通过选择具有所需介电常数的介电层47可以调整可透过的光的波长区和透过率的构成。因此，使用在各像素中获得的信号分量，甚至没有设置滤光片层的构成也可以获得各色的信号分量，如下。
在红色像素103R的红色区中的信号分量可以通过从在向纳米碳层叠膜45施加电压时在红色像素103R中得到的全体信号分量减去在IR像素103IR中得到的全体信号分量而获得。
此外，在绿色像素103G中，在绿色区中的信号分量可以通过从在向纳米碳层叠膜45施加电压时绿色像素103G的全体信号分量减去红色像素103R的全体信号分量而获得。
此外，在蓝色像素103B中，在蓝色区中的信号分量可以通过从在向纳米碳层叠膜45施加电压时蓝色像素103B的全体信号分量减去绿色像素103G的全体信号分量而获得。
应当指出的是，从按如上所述获得的各色区的信号分量中除去在红外光区中的信号分量和噪声分量ΔE，并且仅获得噪声被消除的信号分量。
此外，在IR像素103IR中，在红外光区中的信号分量可以通过从IR像素的全体信号分量减去在施加电压为OFF时的红色、绿色或蓝色像素的噪声分量ΔE而获得。
如上所述，根据本实施方案的固态成像元件101，图10所示的纳米碳层叠膜45针对各像素设置，由此即使在未设置滤光片层时也可以分离在各像素上入射的光的透过波长。因此，与设有滤光片层的构成相比，没有入射光的损失，并且器件的高度可以降低(厚度减小)。
此外，在根据本实施方案的固态成像元件101中，象在第二实施方案中那样，通过调节向各像素的纳米碳层叠膜45施加的电压大小和纳米碳层叠膜45的膜厚度可以扩展各像素中的动态范围。
此外，在本实施方案中，如上所述，可以赋予除去来自红色像素103R、蓝色像素103B和绿色像素103G的暗电流引起的噪声信号ΔE的功能(噪声消除功能)。
在本实施方案中使用的固态成像元件101不限于图21的剖视图中所示的构成，相反，材料、层叠顺序等可以进行各种设定，从而实现所需的功能和性能。只要纳米碳层叠膜45存在于光电转换部PD和聚光透镜36之间即可。例如，纳米碳层叠膜45可以设置在平坦化膜33和基板30之间。
此外，在本实施方案中，象在第二实施方案中那样，例如，当设置红色像素103R代替IR像素103IR时，可见光像素没有减少，因此消除了分辨率下降的问题。此外，通过使用在红色像素103R中得到的红色区的高分辨率信号的高频分量可以补偿绿色像素103G的信号劣化的量。即，通过合成鲜明色调的高频分量可以校正模糊的颜色。
此外，例如，当设置绿色像素103G代替IR像素103IR时，可见光像素没有减少，因此消除了分辨率下降的问题。此外，由于一个单位像素中设置的绿色像素103G的比例是一个单位像素整体的一半，所以绿色的分辨率可以提高表观分辨率。
此外，象在图15所示的纳米碳层叠膜50中那样，根据本实施方案的固态成像元件101的纳米碳层叠膜45可以具有其中掺杂杂质的石墨烯设置作为第一电极和第二电极的构成。此外，象在图16所示的纳米碳层叠膜55中那样，纳米碳层叠膜45可以具有其中形成第一电极和第二电极的纳米碳层和介电层交替层叠的构成。
此外，纳米碳层叠膜45的介电层47可以在根据本实施方案的固态成像元件101的整个像素区中由正常介电常数材料形成。在这种情况下，全部像素形成作为IR像素103IR。因此，在例如夜间或室内的暗场景中成像时，灵敏度提高，并且可以获得足够的信号量。此外，滤光片层可以在纳米碳层叠膜45下部形成。
此外，纳米碳层的材料不限于本实施方案的那些，只要材料可以表现出与石墨烯相似的特性。
此外，根据本实施方案的固态成像元件101使用具有Si基的光电转换部PD作为传感器部分的器件，但是不限于Si基的器件。例如，可以提供各种作为光电转换部PD的有机光电转换膜、热辐射计型器件等。
此外，尽管使用CMOS型固态成像元件说明了上面的第一至第三实施方案，但是根据本发明公开的实施方案的纳米碳层叠膜也适用于CCD型固态成像元件。
在上面的第一至第三实施方案的固态成像元件中使用的纳米碳层叠膜例如可以用作电子设备的快门装置中的光控制元件。下面示出其中纳米碳层叠膜用在快门装置中的例子。
<4.第四实施方案：具有快门装置的成像装置的例子>
接下来，说明根据本发明公开的第四实施方案的成像装置。图22是根据本实施方案的成像装置65的示意性构成图。根据本实施方案的成像装置65是其中快门装置73设置在安装于树脂封装体66内的固态成像元件72的光入射侧上的例子。
根据本实施方案的成像装置65包括固态成像元件72、密封固态成像元件72的树脂封装体66、密封玻璃70a和70b、和快门装置73。
树脂封装体66由电绝缘材料形成，并且由一侧具有底部、另一侧具有开口的浅底壳体构成。固态成像元件72安装在树脂封装体66的底面上。密封玻璃70a和70b和快门装置73形成在树脂封装体66的开口端侧。
图23是放大地示出固态成像元件72的剖视构成图。如图23所示，固态成像元件72包括其内形成有多个光电转换部PD的基板130、层间绝缘膜131、滤光片层134和聚光透镜136。
层间绝缘膜131例如由SiO2形成。图中未示出的配线根据需要设置在层间绝缘膜131内。滤光片层134设置在平坦化的层间绝缘膜131上。R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)的各滤光片层134例如以拜耳排列(Bayer arrangement)方式形成。此外，在全部像素中透过相同色光的滤光片层可以用作滤光片层134。根据滤光片层134的规格可以在滤光片层134中选择颜色的各种组合。
聚光透镜136设置在滤光片层134上部，并且针对每个像素形成为凸状。由聚光透镜136会聚的光有效率地入射到每个像素的光电转换部PD上。在本实施方案中使用的固态成像元件72是常用的固态成像元件，并且不限于图23所示的例子。
在具有这种构成的固态成像元件72中，图中未示出的连接配线连接在树脂封装体66内。经由连接配线可以建立与树脂封装体66的外侧的电连接。
密封玻璃70a和70b由透明元件形成，并且形成为密封树脂封装体66的开口部，因此维持树脂封装体66的内部在气密状态下。快门装置73形成在夹持于两个密封玻璃70a和70b之间的区域中。
[快门装置]
接下来，说明快门装置73。根据本实施方案的快门装置73包括具有第一电极67、介电层71和第二电极68的纳米碳层叠膜69和作为电压施加部的电压电源V。在第一电极67和第二电极68之间施加电压以调整光的透过率。
介电层71例如由氧化铝(Al2O3)形成，并且形成为夹持在第一电极67和第二电极68之间。顺便说一下，介电层71不限于此，可以由如上所述的其他介电常数材料(正常介电常数材料或高介电常数材料)形成。
第一电极67和第二电极68均由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成。在本实施方案中，石墨烯用作形成第一电极67和第二电极68的纳米碳层。后述的多根配线设置在第一电极67和第二电极68的对应于固态成像元件72的有效像素区的各自面内。快门装置73允许经由这些根配线将电压施加到介电层71。
图24A是在根据本实施方案的例子快门装置73中当第一电极67和第二电极68彼此叠置时第一电极67和第二电极68的平面构成图。图24B是示出在根据本实施方案的例子快门装置73中第一电极67和第二电极68分别作为上部和下部的平面构成图。
如图24A和图24B所示，电压施加用的多根第一配线67a设置在第一电极67内并以固态成像元件72的像素间距在一个方向上延伸。焊垫部67b设置在每根第一配线67a的一端。焊垫部67b与电压电源V连接。从电压电源V将电压选择性地供给到所需的焊垫部67b，由此将电压施加到与焊垫部67b连接的第一配线67a。
电压施加用的多根第二配线68a设置在第二电极68内并以固态成像元件72的像素间距在与第一配线67a直交的方向上延伸。焊垫部68b设置在每根第二配线68a的一端。焊垫部68b与电压电源V连接。从电压电源V将电压选择性地供给到所需的焊垫部68b，由此将电压施加到与焊垫部68b连接的第二配线68a。
在图24A和图24B中，针对每根配线设置的焊垫部67b和68b被编号以识别焊垫部67b和68b的位置。第一电极67和第二电极68被层叠，使得图24B中所示的点a和a’、点b和b’、点c和c’、和点d和d’彼此重合。
在这种快门装置73中，电压电源V连接到第一配线67a和第二配线68a，使得可以在所需的配线之间施加电压。因此，当电压施加到第一配线67a和第二配线68a时，可以针对对应于施加电压的配线的各像素调整光的透过率和可透过的光的波长区。下面详细说明快门装置73的操作。
在快门装置73中，当5[v]的电压需要施加到图24A和图24B中的区域X时，例如，5[v]的电压被施加到第一电极67的第9个焊垫部67b，并且0[v]的电压被施加到第二电极68的第6个焊垫部68b。由此，5[v]的电压可以施加到这些焊垫部67b和68b彼此交差的区域X。然后，向区域X的电压施加改变了区域X的透过率。
因此，当在成像时需要局部调整透过率的情况下，根据本实施方案的快门装置73通过在所需配线之间施加电压可以改变像素单位中的透过率。因此，当在电压施加时快门装置73中的可透过的波长是红外光区中的光的情况下，快门装置73可以用作红外光区的快门。
常用的相机的机械快门位于大直径的透镜外侧，并且由于器件的存在，快门部分是昂贵的。在本实施方案中使用的石墨烯层的原子单层的厚度为0.3nm，因此，即使层叠在本实施方案中使用的石墨烯层的厚度为约10nm。因此，与机械快门相比，根据本实施方案的快门装置73可以小型化。
此外，根据本实施方案的成像装置65可以在有效像素区的各像素中调节光的透过率和可透过的光的波长区。因此，在1次成像时通过向暗部施加电压并因而调节光的透过率，可以防止曝光不足。此外，即使在用雪覆盖的山等亮地方也可以防止曝光过度。
此外，在根据本实施方案的快门装置73中，象在第一至第三实施方案中那样，通过调节施加到纳米碳层叠膜69的电压大小和纳米碳层(石墨烯)的膜厚度，可以扩展动态范围。
此外，根据本实施方案的成像装置65也可以通过利用快速反应(GHz)的信号处理等的电压施加方法扩展动态范围。下面例如说明利用快速反应(GHz)的信号处理方法的例子。
例如，根据本实施方案的快门装置73的纳米碳层叠膜69根据直流施加电压的大小可以调节可透过的光的波长区。此外，当进行电压的脉冲施加时，可以用固定的光的透过波长调整光的透过率。
图25A是示出根据本实施方案的快门装置73被进行具有脉冲周期T和VHigh期间t1的电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过率与一帧期间的关系的图。图25B是示出在图25A所示的脉冲电压被施加到快门装置73的情况下像素累积电荷量与一帧期间的关系的图。
如图25A所示，图形的纵轴表示施加电压的大小或光的透过率，图形的横轴表示从快门装置73的快门打开到快门关闭的一帧期间的时间。此外，假设向根据本实施方案的快门装置73施加的任意电压是VHigh和VLow，并且VHigh和VLow一起施加的时间是脉冲周期T，施加VHigh的时间是脉冲宽度t1。此时，占空比D是D=t1/T。
如图25A的图形所示，在VHigh期间，透过率比在VLow期间高，因此获得大的信号电荷量。因此，如图25B所示，在VHigh期间获得的信号电荷量以比在VLow期间更快的速度累积。另一方面，在VLow期间，透过率比在VHigh期间低，因此获得小的信号电荷量。因此，如图25B所示，在VLow期间获得的信号电荷量以慢速度累积。在进行电压的脉冲施加的情况下，通过将在VHigh期间和VLow期间的累积信号量加起来获得在一帧期间获得的累积信号量。
因此，当施加电压的时间在每个VHigh期间和VLow期间变化时，可以改变矩形波的占空比D。此外，本实施方案通过改变占空比D也可以改变集成的透过率。即，通过改变光的透过率，并且获得分别对应于VHigh和VLow的信号电荷，从而可以获得在成像时的亮部分和暗部分的信息量。
接下来，说明其中通过改变电压的施加时间来改变矩形波的占空比D的例子。图26A是示出快门装置73被进行具有脉冲周期T和VHigh期间t2(<t1)的电压的脉冲施加的情况下电压大小和光的透过率与一帧期间的关系的图。图26B是示出在图26A所示的脉冲电压被施加到快门装置73的情况下像素累积电荷量与一帧期间的关系的图。
在图26A中，假设向根据本实施方案的快门装置73一起施加的任意电压VHigh和VLow的施加时间是脉冲周期T，施加VHigh的时间是脉冲宽度t2。
从图25B和图26B可以理解，通过将VHigh期间从t1变到t2(<t1)，图形中的斜率更缓和。这是因为由于在脉冲周期T的VHigh期间比例减小而使通过将VHigh期间和VLow期间的累积信号量加起来得到的累积信号量的累积速度作为整体变慢。
因此，通过向根据本实施方案的快门装置73进行电压的脉冲施加并改变矩形波的占空比，可以扩展达到饱和电荷量的期间。因此，可以扩展动态范围。
此外，这种快门装置73由用于电极的石墨烯形成，由此，与铟锡氧化物(ITO)用于电极的情况相比，光透过性改善。
尽管说明了其中根据上述第四实施方案的成像装置65具有设置在安装于树脂封装体66内的固态成像元件72的光入射侧上的快门装置73的例子，但是成像装置65的剖视图不限于图22。此外，普通的固态成像元件可以用作在本实施方案中的固态成像元件72，并且在本实施方案中固态成像元件的构成不受限制。
此外，在本实施方案中使用的快门装置73的结构不限于图22。不仅如图24A所示的形态而且各种设定都是可以的，只要可以调整光的透过率。此外，作为设有快门装置73的基板，例如可以使用Qz基板，还可以使用诸如PET膜等薄膜。当快门装置73形成在PET膜上时，快门装置整体上形成为柔性片，并且快门本身可以片状形式处理，从而快门装置可以小型化。
在本实施方案中使用的快门装置73具有分别与焊垫部67b和68b连接的第一配线67a和第二配线68a，并且通过选择施加电压的焊垫部67b和68b局部地调节透过率。然而，在本实施方案中可使用的快门装置73不限于此。例如，可以单独地配置选择电路，并且选择电路可被用于将电压选择性地施加到所需的第一配线67a和第二配线68b。
尽管说明了其中根据上述第四实施方案的成像装置65具有设置在固态成像元件72的光入射侧上的快门装置73并且在快门装置73和固态成像元件72的光入射侧之间具有空间的例子，但是在快门装置73和固态成像元件72彼此紧密接触的情况下也可以调整光的透过率。在这种情况下，可以准确地调节有效像素区的各像素中的光的透过率。下面例举其中快门装置73和固态成像元件72彼此紧密接触的成像装置的例子。
<5.第五实施方案：具有快门装置的成像装置的例子>
图27是具有根据本实施方案的例子的快门装置的成像装置75的剖视构成图。根据本实施方案的成像装置75是具有直接在第四实施方案中使用的固态成像元件72上的快门装置73的例子。即，设置在固态成像元件72外侧上的模制树脂(图未示)和快门装置73紧密接触，并彼此一体化。在图27中，与图22对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
如图27所示，根据本实施方案的成像装置75具有形成在聚光透镜136上部的快门装置73，平坦化膜76在快门装置73和聚光透镜136之间。快门装置73包括第一电极67、介电层71和第二电极68。这种快门装置73的构成与根据第四实施方案的快门装置73相似，并且可以使用与根据第四实施方案的快门装置73相似的材料。
在本实施方案中，电压施加用的配线在第一电极67和第二电极68中针对每个有效像素以像素间距配置，并且通过向各像素施加电压可以针对各像素调整光的透过率和可透过的光的波长区。
在第四实施方案中，如上所述，向针对各配线部分设置的焊垫部施加电压的方法用作向第一电极67和第二电极68施加所需的施加电压以调整光的透过率和可透过的光的波长区的例子。相似地，在本实施方案中，例举了向针对各配线部分设置的焊垫部施加电压的方法或使用选择电路向所需的像素选择性地施加电压的方法。
在根据本实施方案的成像装置75中，图24A中所示的焊垫部67b和68b以及选择电路设置到形成固态成像元件72的基板130上，并且向各像素施加电压。
当快门装置的操作和固态成像元件的操作彼此同步时，可以根据在固态成像元件的光电转换部PD中累积的信号量改变向快门装置施加的电压。下面说明其中快门装置的操作和固态成像元件的操作彼此同步的例子。
<6.第六实施方案：具有快门装置的成像装置的例子>
图28是根据本发明公开的第六实施方案的成像元件的剖视构成图。在图28中，与图27对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
如图28所示，用于检测在光电转换部PD中产生和累积的信号电荷的累积电荷检测电路82经由放大电路83连接到快门装置73中的第二电极68。在各像素的光电转换部PD中产生和累积的信号电荷被转移到累积电荷检测电路82。累积电荷检测电路82将检测到的信号电荷量变换为电位。该电位通过输出配线经由放大电路83施加到第二电极68。
根据本实施方案的成像装置80被构造成使得基于从全部像素的光电转换部PD转移到累积电荷检测电路82的信号电荷量的电位从累积电荷检测电路82输出到第二电极68。此外，具有接地的一个端子的电压保持电容C连接在放大电路83和第二电极68之间。第一电极67接地。
通过这样的构成，在根据本实施方案的成像装置80中，基于在光电转换部PD中产生和累积的信号电荷量的电位被供给到快门装置73的第二电极68。根据供给的电位来调节快门装置73的第一电极67和第二电极68的透过率。例如，当强烈的光线入射时，基于信号输出，通过快门装置73的第一电极67和第二电极68的光的透过率下降。由此，动态范围扩展。
此外，象在第四实施方案中那样，根据本实施方案的成像装置80也可以通过利用快速反应(GHz)的信号处理等的电压施加方法扩展动态范围。
根据本实施方案的成像装置80可以改变各像素中的透过率。因此，在成像检查时等进行透过率测量，并且如果各像素的输出信号不同于现有的透过率测量结果，则可以通过施加电压针对各像素校正来自测量的透过率的变化。下面说明在针对各像素设定通过纳米碳层叠膜69的光的透过率的情况下的透过率校正方法。
[像素校正方法]
图29A是示出当在成像检查时改变施加电压的情况下由石墨烯层叠膜造成的光的透过率变化的图。图29B示出从实际输出信号预测的透过率(或各像素的实际测量的透过率)。
例如，如图29A所示，当在成像检查时向在本实施方案中使用的纳米碳层叠膜69施加电压V2的情况下，光的透过率是T2。如图29B所示，当在纳米碳层叠膜69中向对应于像素A的区域施加电压V2的情况下，光的透过率是T1。在这种情况下，表明当透过率T2被设置作为基准值时，像素A中相对于透过率T2发生变化ΔT(T1-T2)。
在像素A中，在成像检查时为了将透过率T1改变到作为基准的透过率T2，通过控制电压进行校正。如图29A所示，在光的透过率T1时的施加电压为V1，在光的透过率T2时的施加电压为V2。因此，当透过率T1被校正为透过率T2时，通过经由电压V2和V1之间的差ΔV校正在像素A中的施加电压，可以实现目标透过率T2。相似地可以校正相对于作为基准的透过率T2的其他像素的透过率迁移量。
在例如其中电压施加用配线和焊垫部设置到纳米碳层叠膜上使得可以针对各像素调节施加电压的器件以及在具有针对各像素设置的电荷累积电路的器件中，可以实现如在本实施方案中描述的在各像素位置校正光的透过率的方法。此外，在本实施方案中的校正方法不限于各像素中的光的透过率的变化。同样在纳米碳层叠膜的膜厚度在晶片之间或在批次之间的不同的情况下，通过改变施加电压可以实现所需的光的透过率。
根据上述第五和第六实施方案的成像装置75和80具有与固态成像元件72的上部紧密接触的快门装置73，因此与根据第四实施方案的成像装置65相比，可以准确地进行像素的空间选择。因此，可以准确地调节有效像素区的各像素中的光的透过率和可透过的光的波长区。此外，可以实现高度降低，由此装置可以小型化。此外，可以获得与第四实施方案相似的效果。
此外，根据本实施方案的快门装置73由用于电极的石墨烯形成，由此，与铟锡氧化物(ITO)用于电极的情况相比，光透过性改善。
此外，根据本实施方案的成像装置75和80使用具有Si基的光电转换部PD作为传感器部分的器件，但是不限于Si基的器件。例如，可以提供各种作为光电转换部PD的有机光电转换膜、热辐射计型器件等。
根据第四至第六实施方案的快门装置73包括具有第一电极67、介电层71和第二电极68的纳米碳层叠膜69和作为电压施加部的电压电源V。然而，在本实施方案中可使用的快门装置73不限于此。例如，象在图10所示的纳米碳层叠膜中那样，介电层71可以由正常介电常数材料或高介电常数材料形成。此外，象在图15所示的纳米碳层叠膜中那样，纳米碳层叠膜69可以具有其中掺杂杂质的石墨烯作为第一电极和第二电极的构成。此外，象在图16所示的纳米碳层叠膜中那样，纳米碳层叠膜69可以具有其中形成第一电极和第二电极的纳米碳层和介电层交替层叠的构成。此外，快门装置73可以具有其中电压电源V经由配线与具有通过层叠多个纳米碳层获得的结构的纳米碳层叠膜连接的构成。
<7.第七实施方案：电子设备>
下面说明根据本发明公开的第七实施方案的电子设备。图30是根据本实施方案的电子设备85的示意性方块图。根据本实施方案的电子设备85包括固态成像元件88、光学透镜86、机械快门87、驱动电路90和信号处理电路89。根据本实施方案的电子设备85代表其中在上述本发明公开的第一实施方案中的固态成像元件11用作电子设备(相机)中的固态成像元件88的实施方案。
光学透镜86在固态成像元件88的成像面上形成来自对象的像光(入射光)的图像。由此，在固态成像元件88内累积相应的信号电荷一定期间。机械快门87控制固态成像元件88的光照射期间和固态成像元件88的遮光期间。驱动电路90供给用于控制固态成像元件88的传输操作的驱动信号。根据从驱动电路90供给的驱动信号(定时信号)进行固态成像元件88的信号传输。信号处理电路89进行各种信号处理。来自信号处理的视频信号被记录在诸如存储器等记录介质上或输出到监视器。
根据本实施方案的电子设备85由于固态成像元件88扩展了动态范围而改善了图像质量。此外，由于固态成像元件88具有噪声消除功能，所以可以除去因暗电流发生的噪声信号分量。
固态成像元件88可以适用的电子设备85不限于相机，相反，固态成像元件88也适用于诸如数码相机、包括便携式电话在内的移动设备的相机模块等成像装置。
在本实施方案中，第一实施方案中的固态成像元件11用作电子设备中的固态成像元件88。然而，在第一变形例以及第二和第三实施方案中制造的固态成像元件41、61和101也可以用作固态成像元件88。
在上述第四至第六实施方案中的具有纳米碳层叠膜的快门装置和组入快门装置的成像装置也可以用作电子设备的各部分。下面示出其例子。
<8.第八实施方案：电子设备>
下面说明根据本发明公开的第八实施方案的电子设备91。图31是根据本实施方案的例子的电子设备91的示意性方块图。根据本实施方案的电子设备91是其中图30所示的机械快门和固态成像元件利用设有快门装置的成像装置92代替的例子。具体而言，根据本实施方案的电子设备91包括成像装置92、光学透镜86、驱动电路90和信号处理电路89。顺便说一下，成像装置92代表其中使用本发明公开的第四实施方案的成像装置65的实施方案。在图31中，与图30对应的部分用相同的附图标记表示，并且省略了对它们的重复说明。
在根据本实施方案的电子设备91中，设有快门装置的成像装置92形成在光学透镜86和信号处理电路89之间。成像装置92包括具有形成第一电极和第二电极的纳米碳层叠膜69的快门装置和固态成像元件。
在本实施方案中，在成像装置92的快门装置中的第一电极和第二电极由纳米碳层形成，并且可以使用与第四实施方案相似的材料。
成像装置92被构造成基于来自驱动电路90的信号供给所需的电位。该电位被施加到成像装置92的快门装置中的第一电极和第二电极。由此，动态范围扩展，使得图像质量改善。
在本实施方案中，第四实施方案中的成像装置65用作电子设备中的成像装置92。然而，根据第五和第六实施方案的成像装置也可以用作电子设备中的成像装置92。
尽管上在作为第一至第八实施方案示出了本发明公开的实施方案，然而本发明公开不限于上述例子，相反，在不脱离本发明公开的精神的情况下，可以进行各种改变。此外，根据第一至第八实施方案的构成可以彼此组合。
顺便说一下，本发明公开也可以采用以下构成。
(1)一种固态成像元件，包括：
具有光电转换部的多个像素；和
设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化。
(2)如(1)所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于预定像素的位置。
(3)如(1)或(2)所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于红外线像素的位置，以获得近红外线信号分量，和
从可见光像素中的信号量减去所述红外线像素中的信号量，以获得可见光信号分量，由此校正所述可见光像素的信号量。
(4)如(1)～(3)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层是石墨烯。
5.如(1)～(4)中任一项所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
(6)如(5)所述的固态成像元件，
其中所述介电层由高介电常数材料形成。
(7)如(5)或(6)所述的固态成像元件，
其中形成第一电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第一导电型的杂质掺杂，和
形成第二电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第二导电型的杂质掺杂。
(8)如(1)～(7)中任一项所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、一个绿色像素和两个红色像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个红色像素中的一个的位置。
(9)如(8)所述的固态成像元件，
其中使用在设有所述纳米碳层叠膜的红色像素中获得的信号分量进行色调校正。
(10)如(1)～(7)中任一项所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、两个绿色像素和一个红色像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个绿色像素中的一个的位置。
(11)如(1)～(7)中任一项所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的蓝色像素、绿色像素、红色像素和白色像素这四个像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述白色像素的位置。
(12)一种固态成像元件的校正方法，所述固态成像元件包括具有光电转换部的多个像素和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化，所述校正方法包括：
针对各像素在对应于所述纳米碳层叠膜的各像素的位置调节透过率。
(13)一种电子设备，包括：
固态成像元件，包括具有光电转换部的多个像素，和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和
用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。
(14)一种快门装置，包括：
由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和
向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部。
(15)如(14)所述的快门装置，
其中所述纳米碳层由石墨烯形成，并且所述纳米碳层叠膜包括由一层石墨烯或多层石墨烯形成的第一电极、由一层石墨烯或多层石墨烯形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
(16)如(15)所述的快门装置，
其中所述介电层由高介电常数材料形成。
(17)如(15)或(16)所述的快门装置，
其中形成第一电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第一导电型的杂质掺杂，和
形成第二电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第二导电型的杂质掺杂。
(18)如(14)～(17)中任一项所述的快门装置，
其中所述电压施加部向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压。
(19)一种电子设备，包括：
固态成像元件，包括光电转换部；
快门装置，包括设置在所述固态成像元件的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，根据向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化，和向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部；和
用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路。
(20)如(19)所述的电子设备，
其中所述电压施加部被构造成能够向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压，和
针对所述固态成像元件的各像素调节所述快门装置的透过率。

Claims (19)

1.一种固态成像元件，包括：
具有光电转换部的多个像素；和
设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，通过改变所述纳米碳层叠膜的层叠数量和向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
2.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于预定像素的位置。
3.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层叠膜设置在对应于红外线像素的位置，以获得近红外线信号分量，和
从可见光像素中的信号量减去所述红外线像素中的信号量，以获得可见光信号分量，由此校正所述可见光像素的信号量。
4.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中所述纳米碳层是石墨烯。
5.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中所述介电层由高介电常数材料形成。
6.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中形成第一电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第一导电型的杂质掺杂，和
形成第二电极的所述一个纳米碳层或所述多个纳米碳层用第二导电型的杂质掺杂。
7.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、一个绿色像素和两个红色像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个红色像素中的一个的位置。
8.如权利要求7所述的固态成像元件，
其中使用在设有所述纳米碳层叠膜的红色像素中获得的信号分量进行色调校正。
9.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的一个蓝色像素、两个绿色像素和一个红色像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述两个绿色像素中的一个的位置。
10.如权利要求1所述的固态成像元件，
其中配置在彼此邻近区域中的蓝色像素、绿色像素、红色像素和白色像素这四个像素形成单位像素，和
所述纳米碳层叠膜设置在对应于所述单位像素中的所述白色像素的位置。
11.一种固态成像元件的校正方法，所述固态成像元件包括具有光电转换部的多个像素和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，通过改变所述纳米碳层叠膜的层叠数量和向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化，所述校正方法包括：
针对各像素在对应于所述纳米碳层叠膜的各像素的位置调节透过率，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
12.一种电子设备，包括：
固态成像元件，包括具有光电转换部的多个像素，和设置在所述光电转换部的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，通过改变所述纳米碳层叠膜的层叠数量和向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和
用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
13.一种快门装置，包括：
由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，通过改变所述纳米碳层叠膜的层叠数量和向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和
向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
14.如权利要求13所述的快门装置，
其中所述纳米碳层由石墨烯形成，并且所述纳米碳层叠膜包括由一层石墨烯或多层石墨烯形成的所述第一电极、由一层石墨烯或多层石墨烯形成的所述第二电极以及夹持在所述第一电极和所述第二电极之间的所述介电层。
15.如权利要求14所述的快门装置，
其中所述介电层由高介电常数材料形成。
16.如权利要求14所述的快门装置，
其中形成第一电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第一导电型的杂质掺杂，和
形成第二电极的所述一层石墨烯或所述多层石墨烯用第二导电型的杂质掺杂。
17.如权利要求13所述的快门装置，
其中所述电压施加部向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压。
18.一种电子设备，包括：
固态成像元件，包括光电转换部；
快门装置，包括设置在所述固态成像元件的光接收面侧并由多个纳米碳层形成的纳米碳层叠膜，通过改变所述纳米碳层叠膜的层叠数量和向所述纳米碳层叠膜施加的电压，在所述纳米碳层叠膜中光的透过率和可透过的光的波长区变化；和向所述纳米碳层叠膜施加电压的电压施加部；和
用于处理从所述固态成像元件输出的输出信号的信号处理电路，
其中所述纳米碳层叠膜包括由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第一电极、由一个纳米碳层或多个纳米碳层形成的第二电极以及夹持在第一电极和第二电极之间的介电层。
19.如权利要求18所述的电子设备，
其中所述电压施加部被构造成能够向所述纳米碳层叠膜的预定区域选择性地施加电压，和
针对所述固态成像元件的各像素调节所述快门装置的透过率。
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