CN106328749A - 包含光电转换部和对产生的电荷进行传输的电荷传输路径的拍摄元件 - Google Patents

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CN106328749A CN201610161610.9A CN201610161610A CN106328749A CN 106328749 A CN106328749 A CN 106328749A CN 201610161610 A CN201610161610 A CN 201610161610A CN 106328749 A CN106328749 A CN 106328749A
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Abstract

提供能够实现更高的时间分辨率的拍摄元件。拍摄元件具备光电转换部、对由光电转换部产生的电荷进行传输的第1电荷传输路径、从第1电荷传输路径的中途分支的第2电荷传输路径、从第1电荷传输路径的中途的在电荷的传输方向上与上述第二电荷传输路径不同的位置分支的第3电荷传输路径、将电荷中的经由第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积的第1电荷蓄积部、以及将电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积的第2电荷蓄积部，第1电荷传输路径在中途不具有栅极。

Description

包含光电转换部和对产生的电荷进行传输的电荷传输路径的拍摄元件
技术领域
本发明涉及拍摄元件。
背景技术
在荧光寿命成像(Fluorescence-Lifetime Imaging Microscopy(FLIM))、利用飞行时间法(Time-of-flight method)的距离计测、超高速摄影等中，需要能够高速动作的拍摄元件。例如，在荧光寿命成像中，对试料照射光脉冲，以几纳秒左右的极短时间间隔反复检测从试料发出的荧光。如果能够提高测定中的时间分辨率，则可以期待得到有关观察对象的新认知。
利用拍摄元件的测定中的时间分辨率依存于各像素的动作速度。例如在利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型的拍摄元件的检测中，反复执行以光电二极管中的电荷排出(光电二极管的复位)、基于曝光的电荷蓄积、以及向浮置扩散部的电荷传输为1周期的动作。即，测定中的时间分辨率依存于该周期所需要的时间。在上述周期中，特别是来自像素内的电荷的排出以及向浮置扩散部的电荷的传输所需要的时间对拍摄元件的高速动作有较大影响。
以下的非专利文献1中，提出了在光电二极管与用于电荷排出的漏极之间设有排出栅极的构造。在非专利文献1中，将具有这样的构造的像素称作DOM(draining-only modulation)像素。DOM像素中，在排出栅极开启(open)的状态下光电二极管内的电荷被排出。另一方面，如果将排出栅极设为关闭(close)的状态，则能够将光电二极管内的电荷向浮置扩散部传输。根据DOM像素，通过将复位所需的时间实质性地设为0，实现时间分辨率的提高。
非专利文献1：K.Yasutomi,et.al.,“A 0.3mm-resolution Time-of-FlightCMOS range imager with column-gating clock-skew calibration”,ISSCC2014,Dig.pp.132-133
发明内容
但是，拍摄元件要求时间分辨率的进一步提高。
根据本申请的非限定性的某个例示性的实施方式，提供以下拍摄元件。
拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由光电转换部产生的电荷进行传输；第2电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将电荷中的经由第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。第1电荷传输路径在中途不具有栅极。
其他拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由光电转换部产生的电荷进行传输；第2电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将电荷中的经由第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。第1电荷传输路径是单一的路径。
再其他的拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由光电转换部产生的电荷连续地进行传输；第2电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将电荷中的经由第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。
根据本申请的一实施方式，能实现更高的时间分辨率。
附图说明
图1是本申请的第一实施方式的拍摄元件的示意性的平面图。
图2是图1所示的A－A’线剖面图。
图3是图1所示的B－B’线剖面图。
图4是本申请的第一实施方式的拍摄元件的例示性的电路结构的概略图。
图5是表示向光电二极管12入射的光的强度I的时间变化的一例的图。
图6是将像素10A的平面图、某时刻下的电荷传输路径Ch1内的信号电荷的分布的一例、以及半导体基板2内的电位的一例一并表示的图。
图7是本申请的第一实施方式的其他例的拍摄元件的示意性的平面图。
图8是本申请的第二实施方式的拍摄元件的示意性的平面图。
图9是将第二实施方式中的像素10C的平面图、和某时刻下的电荷传输路径Ch1内的信号电荷的分布的一例一并表示的图。
图10是表示第二实施方式中的对控制电极Tc施加的第一电压V1及第二电压V2、以及对传输栅极电极Tx施加的栅极控制电压Vt的一例的时序图。
图11A是表示图10所示的时刻T1下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例的图。
图11B是表示图10所示的时刻T1下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例的图。
图12A是表示图10所示的时刻T2下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例的图。
图12B是表示图10所示的时刻T2下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例的图。
图13A是表示图10所示的时刻T3下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例的图。
图13B是表示图10所示的时刻T3下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例的图。
图14是表示本申请的第二实施方式的其他例的拍摄元件的示意性的平面图。
图15是本申请的第二实施方式的其他例的拍摄元件的示意性的平面图。
图16是本申请的第三实施方式的拍摄元件的示意性的平面图。
图17是本申请的第三实施方式的其他例的拍摄元件的示意性的平面图。
图18是本申请的第四实施方式的拍摄元件的示意性的平面图。
图19是表示第四实施方式的电荷传输路径Ch1中的、沿X方向的电位变化的一例的曲线图。
图20是本申请的第四实施方式的其他例的拍摄元件的示意性的平面图。
图21是图20所示的A－A’线剖面图。
图22是表示第四实施方式的其他例的电荷传输路径Ch1中的、沿X方向的电位变化的一例的曲线图。
图23是表示第四实施方式的其他例的电荷传输路径Ch1中的、沿X方向的电位变化的其他例的曲线图。
符号说明
2 半导体基板
10A～10I 像素
12 光电转换部
14 漏极
16 绝缘层
21，22，23a～23d，24，32 电源线
26，26a～26d，26m，27 栅极控制线
28，28a～28h，29 读出线
34 复位电压线
36 垂直信号线
38 地址信号线
39 复位信号线
42 放大晶体管
44 地址晶体管
46 复位晶体管
50 垂直扫描电路
52 电压供给电路
54 列信号处理电路
56 负载电路
58 水平信号读出电路
59 水平共通信号线
100 拍摄元件
FD，FD2，FDa～FDh 电荷蓄积部
Gt 栅极
Rg，Rga，Rgc，Rgd 区域
Tc，Tc1，Tc2，Tca～Tcd 控制电极
Tx，Tx1，Tx2，Txa～Txd，Txm 传输栅极电极
具体实施方式
在上述的DOM像素中，每当将排出栅极关闭，需要使由光电二极管生成的电荷移动至浮置扩散部。因此，应用DOM像素的拍摄元件中的时间分辨率依存于排出栅极的响应速度以及从光电二极管向浮置扩散部的电荷传输速度。从光电二极管向浮置扩散部的电荷传输速度根据硅(Si)基板中的迁移率而受到限制。因而，根据每当复位则将电荷向浮置扩散部传输、并读出在浮置扩散部中蓄积的电荷的现有方式，时间分辨率的进一步提高是困难的。
在详细说明本申请的实施方式之前，说明本申请的一个方式的概要。本申请的一个方式的概要如以下那样。
[技术方案1]
一种拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由光电转换部产生的电荷进行传输；至少一个第2电荷传输路径，从第1电荷传输路径的中途分支；至少1个第1电荷蓄积部，对电荷中的经由至少1个第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及至少1个栅极，切换经由至少1个第2传输路径的、电荷的传输及截断。
根据技术方案1的结构，能够提供实现更高速的动作的拍摄元件。此外，能够实现任意的时间窗的检测。
[技术方案2]
技术方案1记载的拍摄元件，至少1个第2电荷传输路径包含多个第2电荷传输路径，至少1个第1电荷蓄积部包含分别将经由多个第2电荷传输路径中对应的1个传输的电荷进行蓄积的多个第1电荷蓄积部。
根据技术方案2的结构，能够根据第1电荷传输路径中的移动距离将电荷向各个第1电荷蓄积部进行分配。
[技术方案3]
技术方案2记载的拍摄元件，至少1个栅极包含对多个第2传输路径分别设置的多个栅极。
根据技术方案3的结构，能够独立地控制向各个第1电荷蓄积部的电荷的传输。
[技术方案4]
技术方案1～3中的任一个记载的拍摄元件，在第1电荷传输路径的终端还具备漏极。
根据技术方案4的结构，能够通过使由光电转换部产生的电荷向漏极移动而实现经由第1电荷传输路径的电荷的传输。
[技术方案5]
技术方案1～3中的任一个记载的拍摄元件，还具备设于第1电荷传输路径的终端的、对经由第1电荷传输路径传输的电荷进行蓄积的第2电荷蓄积部。
根据技术方案5的结构，通过将栅极开启的时间的控制，能够对2个电荷蓄积部以任意的比率分配电荷。
[技术方案6]
一种拍摄元件，具备：光电转换部；漏极；第一电荷传输路径，将光电转换部与漏极连结；至少1个电荷蓄积部，沿着第一电荷传输路径而配置；至少1个第二电荷传输路径，从第一电荷传输路径朝向至少1个电荷蓄积部将电荷进行传输；以及至少1个栅极，位于第一电荷传输路径与至少1个电荷蓄积部之间。
根据技术方案6的结构，能够提供实现更高速的动作的拍摄元件。此外，能够实现任意的时间窗的检测。
[技术方案7]
技术方案6记载的拍摄元件，至少1个电荷蓄积部包含多个电荷蓄积部。
根据技术方案7的结构，能够实现不基于电荷的饱和速度的时间分辨率。
[技术方案8]
技术方案7记载的拍摄元件，至少1个栅极包含多个栅极。
根据技术方案8的结构，能够独立地控制多个栅极的开启的定时。
[技术方案9]
技术方案8记载的拍摄元件，多个栅极包含与多个电荷蓄积部相同数量的栅极；多个栅极的每一个对应于多个电荷蓄积部而配置在多个电荷蓄积部的每一个与第一电荷传输路径之间。
根据技术方案9的结构，能够在栅极处于开启状态的2个电荷蓄积部之间良好地将信号电荷分离。
[技术方案10]
技术方案6～9的任一项记载的拍摄元件，还具备设在第一电荷传输路径上并且沿第一电荷传输路径延伸的控制电极、对控制电极的一端供给第一电压的第1电源线、以及对控制电极的另一端供给第二电压的第2电源线。
根据技术方案10的结构，能够对控制电极Tc的两端独立地施加互不相同的电压，所以能够控制第一电荷传输路径中的电位梯度。通过控制第一电荷传输路径中的电位梯度，能够电气性地控制第一电荷传输路径中的信号电荷的传输速度。
[技术方案11]
技术方案6～9的任一项记载的拍摄元件，还具备配置在第一电荷传输路径上的第一控制电极、配置在第一电荷传输路径上且比第一控制电极更接近漏极的第二控制电极、对第一控制电极供给第一电压的第1电源线、以及对第二控制电极供给第二电压的第2电源线。
根据技术方案11的结构，能够独立地控制第1控制电极Tc1的电位和第2控制电极Tc2的电位，所以能够更高速地控制电荷传输路径Ch1中的电位梯度。
[技术方案12]
技术方案7～9的任一项记载的拍摄元件，还具备对应于多个电荷蓄积部而配置在第一电荷传输路径上的多个控制电极、以及对应于多个控制电极而设置且对多个控制电极的每一个独立地供给电压的多个电源线。
根据技术方案12的结构，能够实现不依存于第二电荷传输路径中的传输速度的检测动作。
[技术方案13]
一种拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷进行传输；第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。上述第1电荷传输路径在中途不具有栅极。
[技术方案14]
一种拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷进行传输；第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。上述第1电荷传输路径是单一的路径。
[技术方案15]
一种拍摄元件，具备：光电转换部；第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷连续地进行传输；第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。
[技术方案16]
技术方案13～15中的任一项记载的拍摄元件，还具备：第一栅极，切换经由上述第2电荷传输路径传输的电荷的传输及截断；以及第二栅极，切换经由上述第3电荷传输路径传输的电荷的传输及截断。
[技术方案17]
技术方案16记载的拍摄元件，上述第一栅极和上述第二栅极是单一的栅极。
[技术方案18]
技术方案13～17中的任一项记载的拍摄元件，还具备在上述第1电荷传输路径的上述终端设置的漏极。
[技术方案19]
技术方案13～17中的任一项记载的拍摄元件，还具备在上述第1电荷传输路径的终端设置的、将经由上述第1电荷传输路径传输的电荷进行蓄积的第3电荷蓄积部。
[技术方案20]
技术方案13～19中的任一项记载的拍摄元件，在上述第1电荷传输路径中，从始端到终端而形成有使上述电荷传输的电位梯度。
以下，参照附图，详细说明本申请的实施方式。另外，以下说明的实施方式均表示总括性或具体性的例子。以下的实施方式中表示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置以及连接形态、步骤、步骤的顺序等是一例而不意欲限定本申请。本说明书中说明的各种方式只要不发生矛盾就能相互组合。此外，以下的实施方式中的构成要素中，关于表示最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，设为任意的构成要素进行说明。在以下的说明中，具有实质相同的功能的构成要素用共通的参照符号表示，有省略说明的情况。
(第一实施方式)
图1～图3示意性地表示本申请的第一实施方式的拍摄元件中的像素构造的一例。图1示意性地表示从拍摄面的法线方向观察时的、构成像素的各部的配置。图2及图3分别示意性地表示图1所示的A－A’线剖面及B－B’线剖面。图1～图3中，为了参考，图示出表示相互正交的X方向、Y方向以及Z方向的箭头。Z方向是拍摄面的法线方向。在其他附图中，也有对表示X方向、Y方向或Z方向的箭头进行图示的情况。
图1～图3所示的像素10A包含光电转换部12、漏极14和电荷蓄积部FD。另外，图1～图3只不过是用于说明的示意性的图，附图中的各部的尺寸并不一定反映出实际尺寸。对于其他附图也同样，存在附图中所示的要素的尺寸与该要素的实际尺寸不一致的情况。
光电转换部12包含能够接受入射的光而生成电荷(以下有时称作“信号电荷”)的光电转换元件。这里，作为光电转换元件，例示光电二极管。以下，方便起见将光电转换部12称作光电二极管12。
如图2及图3所示，在该例中，光电二极管12、漏极14以及电荷蓄积部FD形成在硅(Si)基板等半导体基板2内。半导体基板2不限定于其整体为半导体的基板，也可以是在形成感光区域的一侧的表面设有半导体层的绝缘性基板等。以下，作为半导体基板2，例示p型硅基板。在该例中，通过在p型硅基板中形成杂质区域(这里是N型区域)，形成光电二极管12。此外，该例中，漏极14以及电荷蓄积部FD是形成在p型硅基板中的杂质区域(这里是N型区域)。
在图1～图3中，虽然省略了图示，但像素10A之中，光电二极管12以外的部分被遮光层覆盖。该遮光层例如可以设在以将漏极14以及电荷蓄积部FD覆盖的方式形成在半导体基板2上的层间绝缘层上。遮光层可以是比半导体基板2设在上层的布线层。也可以是，后述的控制电极Tc以及传输栅极电极Tx构成遮光层的一部分。
漏极14与连接于未图示的电源的电源线24具有连接。拍摄元件动作时，漏极14的电位经由电源线24接受规定电压Vdr的供给从而被固定。另外，以下，为了避免附图复杂，在平面图以外的图中，有将电源线24等布线的图示省略的情况。
在图1～图3所例示的结构中，光电二极管12以及漏极14沿X方向隔开间隔而配置。如后面详细说明的那样，拍摄元件动作时，由光电二极管12生成的信号电荷例如由于漏极14的电位被固定为规定电位而从光电二极管12朝向漏极14在半导体基板2的内部移动。即，半导体基板2之中，处于光电二极管12与漏极14之间的区域具有将由光电二极管12产生的电荷进行传输的作为电荷传输路径Ch1的功能。这样，像素10A包括将光电二极管12与漏极14连结的电荷传输路径Ch1。这里，电荷传输路径Ch1是直线状的，但电荷传输路径Ch1的形状不限定于该例。电荷传输路径Ch1例如也可以包括弯曲及/或曲线部分。此外，电荷传输路径Ch1将由光电二极管12生成的信号电荷朝向漏极14连续地传输。这里，“连续地传输”意味着，不在路径的中途向电荷蓄积部等暂时蓄积信号电荷而连续传输直至终端。
如图2所示，该例中，在半导体基板2中的光电二极管12与漏极14之间的区域上，层叠有绝缘层16以及控制电极Tc。即，该例中，像素10A在电荷传输路径Ch1上具有沿电荷传输路径Ch1延伸的控制电极Tc。控制电极Tc典型地由通过被掺加杂质而赋予导电性的多晶硅形成。绝缘层16例如是二氧化硅层。
如图1所示，在控制电极Tc中的光电二极管12侧的端部附近以及漏极14侧的端部附近，分别连接有与未图示的电源具有连接的电源线21及22。通过经由电源线21及22对控制电极Tc的电位进行控制，能够在光电二极管12与漏极14之间的区域形成反型层。该反型层作为用来将由光电二极管12生成的信号电荷向漏极14传输的沟道发挥功能。即，电荷传输路径Ch1也可以是形成于半导体基板2的反型层。
该例中，控制电极Tc构成为，通过具有与电源线21及22的连接，能够对光电二极管12侧的端部以及漏极14侧的端部分别供给第一电压V1以及第二电压V2。第一电压V1以及第二电压V2典型地讲是互不相同的电压。在控制电极Tc的两端，通过经由电源线21及22独立地施加第一电压V1以及第二电压V2，能够对电荷传输路径Ch1中的电势(potential)的梯度进行控制。如在后面详细说明的那样，在像素10A中，通过对电荷传输路径Ch1中的电势的梯度进行控制，使由光电二极管12生成的信号电荷朝向漏极14移动。如果能够使由光电二极管12生成的信号电荷朝向漏极14移动，则第一电压V1以及第二电压V2也可以是共通的电压。
如图1及图3所示，电荷蓄积部FD沿Y方向而与电荷传输路径Ch1隔开间隔地形成。电荷蓄积部FD具有作为将信号电荷暂时蓄积的存储器的功能。如图所示，在该例中，在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间，配置有传输栅极电极Tx。传输栅极电极Tx由铝、铜等金属、金属氮化物、或者多晶硅形成。如图3所示，传输栅极电极Tx形成于在半导体基板2上形成的绝缘层16上。
传输栅极电极Tx连接有与后述的电压供给电路具有连接的栅极控制线26。由经由栅极控制线26从电压供给电路供给的栅极控制电压Vt，对传输栅极电极Tx的电位进行控制。例如通过将供给到传输栅极电极Tx的栅极控制电压Vt设为高电平，能够在半导体基板2中的、电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的区域形成反型层。通过在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的区域形成反型层，能够在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间形成用于电荷移动的沟道。通过在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间形成沟道，能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷的至少一部分朝向电荷蓄积部FD传输。
即，像素10A包含用于将电荷传输路径Ch1中的电荷向电荷蓄积部FD传输的电荷传输路径Ch2。该电荷传输路径Ch2可以是从电荷传输路径Ch1分支的路径。上述的电荷蓄积部FD将经由电荷传输路径Ch2传输的电荷进行蓄积。
如果将供给到传输栅极电极Tx的栅极控制电压Vt设为低电平，则从电荷传输路径Ch1向电荷蓄积部FD的电荷传输停止。在该例中，半导体基板2中的、电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的区域、以及该区域上的绝缘层16及传输栅极电极Tx构成对经由电荷传输路径Ch2向电荷蓄积部FD的电荷的传输/非传输进行切换的栅极Gt。如上述那样，栅极Gt的开闭利用栅极控制电压Vt来控制。即，在该例中，电荷传输路径Ch2的开闭被电气性地控制。
电荷蓄积部FD具有将从电荷传输路径Ch1传输的信号电荷暂时蓄积的功能。如图1所示，电荷蓄积部FD与读出线28具有连接。如后述那样，读出线28连接于包含放大晶体管等的信号检测电路，与在电荷蓄积部FD中蓄积的电荷的量相对应的信号经由信号检测电路而被读出。
上述的像素10A能够利用公知的半导体工艺进行制造。另外，半导体基板2的表面之中，形成绝缘层16的一侧的表面没有被硅化物化是有益的。特别是，半导体基板2中与电荷传输路径Ch1对应的区域以及与电荷传输路径Ch2对应的区域(典型地讲是扩散层)没有被硅化物化是有益的。通过不将半导体基板2中与电荷传输路径Ch1对应的区域以及与电荷传输路径Ch2对应的区域硅化物化，能够抑制由于金属的存在引起的噪声的混入。此外，能够抑制由于信号电荷优先在硅化物中移动而带来的迁移率的偏差，使沟道的电阻均匀化。
参照图4。图4表示本申请的第一实施方式的拍摄元件的例示性的电路结构的概略。图4所示的拍摄元件100包含参照图1～图3说明的像素10A以及周边电路。图4中，示出了排列为2行2列的矩阵状的4个像素10A。但是，这只不过是用于说明的例示，像素10A的数量及配置不限于图4所示的结构。这些像素10A例如通过被二维排列，形成感光区域(像素区域)。邻接的两个像素10A之间被形成于半导体基板2的元件分离区域(这里是P型区域，未图示)电气性地分离。像素10A也可以一维排列。
在图4例示的结构中，作为周边电路，拍摄元件100具有垂直扫描电路(也称作“行扫描电路”)50、电压供给电路52、列信号处理电路(也称作“行信号蓄积电路”)54、负载电路56以及水平信号读出电路(也称作“列扫描电路”)58。列信号处理电路54以及负载电路56按像素阵列的每个列设置。
该例中，用于控制电荷传输路径Ch1中的电势梯度的第一电压V1以及第二电压V2分别经由电源线21及22被从电压供给电路52供给。此外，该例中，用于控制经由电荷传输路径Ch2的、从电荷传输路径Ch1向电荷蓄积部FD的信号电荷的传输的开始及停止的栅极控制电压Vt也被从电压供给电路52供给。电压供给电路52的结构不限于特定的电路结构。能够将规定的电压以规定的定时供给即可。电压供给电路52也可以是垂直扫描电路50的一部分。即，也可以从垂直扫描电路50向像素10A供给第一电压V1、第二电压V2以及栅极控制电压Vt的至少一个。
各个像素10A具有与供给电源电压VDD的电源线32的连接。此外，各个像素10A还具有与供给电荷蓄积部FD的复位中的基准电压Vrs的复位电压线34、以及对漏极14供给一定电压的电源线24的连接。
在图4例示的结构中，各个像素10A除了光电转换部12、漏极14、电荷蓄积部FD以外，具有放大晶体管42、地址(address)晶体管44以及复位晶体管46。放大晶体管42、地址晶体管44以及复位晶体管46典型地是场效应晶体管(FET)。以下，例示放大晶体管42、地址晶体管44以及复位晶体管46为N沟道MOS的结构。
在图4例示的结构中，放大晶体管42的控制端子(这里是栅极)具有与连接于电荷蓄积部FD的读出线28的连接。放大晶体管42的输入端子以及输出端子的一方(这里是漏极)连接于电源线32。放大晶体管42的输入端子以及输出端子的另一方(这里是源极)连接于地址晶体管44的输入端子以及输出端子的一方(这里是漏极)。地址晶体管44的输入端子以及输出端子的另一方(这里是源极)连接于垂直信号线36。
地址晶体管44的控制端子(这里是栅极)连接于地址信号线38。该例中，地址信号线38连接于垂直扫描电路50，用于对地址晶体管44的导通及截止进行控制的行选择信号经由地址信号线38从垂直扫描电路50被供给到地址晶体管44的栅极。通过按每个地址信号线38将行选择信号送出，将读出对象的行进行扫描及选择。从被选择的行的像素10A将信号电压读出到垂直信号线36。即，在该例中，由放大晶体管42和地址晶体管44形成信号检测电路SC。信号检测电路SC也可以包含电容元件等其他要素。
如图所示，在该例中，垂直扫描电路50还具有与复位信号线39的连接。该复位信号线39具有与复位晶体管46的控制端子(这里是栅极)的连接。复位晶体管46的输入端子以及输出端子的一方(这里是漏极)连接于供给规定的基准电压Vrs的复位电压线34，另一方连接于与电荷蓄积部FD连接的读出线28。垂直扫描电路50经由复位信号线39，将用于对复位晶体管46的导通及截止进行控制的复位信号向复位晶体管46供给。垂直扫描电路50通过经由复位信号线39将复位信号向像素10A供给，能够将像素10A以行单位选择而进行电荷蓄积部FD的电位的复位。
像素10A具有与对应于各列而设置的垂直信号线36的连接。垂直信号线36电连接有负载电路56，由负载电路56和放大晶体管42构成源极跟随电路。垂直信号线36电连接于进行以相关双采样为代表的噪音抑制信号处理以及模拟－数字转换(AD转换)等的列信号处理电路54。列信号处理电路54电连接有水平信号读出电路58。水平信号读出电路58从多个列信号处理电路54向水平共通信号线59依次读出信号。
上述的放大晶体管42、地址晶体管44以及复位晶体管46的各自可以是N沟道MOS，也可以是P沟道MOS。也不需要将他们全部统一为N沟道MOS或P沟道MOS的某一种。
(像素10A中的信号检测动作)
接着，参照图5及图6，对像素10A中的信号检测动作的一例进行说明。图5表示向光电二极管12入射的光的强度I的时间变化的一例。图5中，横轴表示时间t，箭头Ex示意性地表示对光电二极管12的曝光期间。图6将像素10A的平面图、某时刻下的电荷传输路径Ch1内的信号电荷的分布的一例和半导体基板2内的电位的一例一并表示。图6中的上侧所示的曲线图的纵轴表示电荷量C。
图6中，将光电二极管12与漏极14连结的电荷传输路径Ch1用粗的虚线箭头图示。此外，图6中，电荷传输路径Ch2用沿Y方向延伸的粗的虚线箭头图示。在其他附图中，也有用粗的虚线箭头对电荷传输路径Ch1或电荷传输路径Ch2进行图示的情况。
以下，说明利用电子作为信号电荷的例子。当然也能够利用空穴作为信号电荷。
在光的检测之前，通过在将复位晶体管46设为导通状态后设为截止状态，将电荷蓄积部FD复位。此外，对漏极14，经由电源线24施加比较高的电压Vdr。进而，这里，经由电源21及22，在控制电极Tc的端部之中，向接近于光电二极管12的一侧施加第一电压V1，向接近于漏极14的一侧施加第二电压V2。这里，对控制电极Tc施加满足Vdr＞V2＞V1的关系那样的第一电压V1以及第二电压V2。
在图6中的下侧，表示施加了电压Vdr、第一电压V1以及第二电压V2的状态下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例。此外，在图6中的右侧，表示半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例。这些曲线图中的白圈Sc示意性地表示信号电荷。在图6中的右侧的曲线图中，通过实线图示出施加了电压Vdr、第一电压V1以及第二电压V2的状态下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化。
若着眼于沿X方向的、信号电荷(这里是电子)的能量变化，则在该例中，信号电荷(这里是电子)的能量在光电二极管12附近最高，随着接近于漏极14而降低。因此，在施加了电压Vdr、第一电压V1以及第二电压V2的状态下，光电二极管12中生成的信号电荷(这里是电子)在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动。到达漏极14的信号电荷被向像素10A的外部排出。施加了电压Vdr、第一电压V1以及第二电压V2的状态可以说是将光电二极管12复位的状态。
这里，假设表现出图5所示那样的时间变化的光入射到光电二极管12中。如上所述，在施加了电压Vdr、第一电压V1以及第二电压V2的状态下，在电荷传输路径Ch1中产生电位梯度。因而，当光电二极管12中生成信号电荷时，生成的信号电荷朝向漏极14移动。
这里，由于向光电二极管12入射的光的强度I时间性变化，所以光电二极管12中生成的信号电荷的量也与入射光的强度I的时间变化相应地时间性变化。因此，向电荷传输路径Ch1流入的信号电荷的量也表现出与入射光的强度I的时间变化相应的变化。即，经过电荷传输路径Ch1的某地点的信号电荷的量与入射光的强度I的时间变化相应地时间性变化。换言之，从对光电二极管12的光入射开始、经过了某时间Td时的电荷传输路径Ch1中的信号电荷的量如图6的上侧所示意性地表示的那样，表现出与入射光的强度I的时间变化对应的分布。这是因为，大体来看，在某时刻流入到电荷传输路径Ch1中的信号电荷在电荷传输路径Ch1中的移动距离大于在该时刻之后的时刻流入到电荷传输路径Ch1中的信号电荷的移动距离。
这样，在时刻Td，电荷传输路径Ch1中的信号电荷的量表现出图6中在上侧示意性地表示的曲线图那样的分布。这里，将在时刻Td对传输栅极电极Tx施加的栅极控制电压Vt设为高电平。通过将栅极控制电压Vt设为高电平，如图6的右侧的曲线图中虚线所示那样，电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的电势势垒降低，电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的栅极Gt(参照图3)成为开启的状态。
通过使栅极Gt开启，在电荷传输路径Ch1中行进的信号电荷之中，在与传输栅极电极Tx在Y方向上重叠的区域Rg附近行进的信号电荷经由电荷传输路径Ch2被选择性地向电荷蓄积部FD传输。然后，在从时刻Td起经过了时间Ts(参照图5)后，使栅极控制电压Vt为低电平，将栅极Gt关闭。通过将栅极Gt关闭，向电荷蓄积部FD的信号电荷的传输结束。
这样，通过在电荷传输路径Ch1的中途配置电荷蓄积部FD，并对电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FD之间的栅极Gt的开启及关闭进行控制，从而能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷的一部分向电荷蓄积部FD选择性地抽取。向电荷蓄积部FD传输及蓄积的电荷量具有与在对光电二极管12的曝光期间(图5中由箭头Ex表示的期间)整体中的上述时间Ts入射到光电二极管12中的光量相对应的信息。即，若进行在电荷蓄积部FD中蓄积的电荷的读出，则实现以时刻Td为起点的、与时间Ts相当的时间窗Tw中的检测。
相对于将由光电二极管生成的信号电荷全部向浮置扩散部传输并将传输的信号电荷读出的现有方式，在上述例示性的动作中，将在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动的信号电荷的一部分提取并蓄积在电荷蓄积部FD中。因此，用于光电二极管12的复位的期间实质上为0，此外，用于信号电荷的蓄积的期间不是曝光期间整体而是其一部分，从而能够实现更高速的动作。
此外，本申请的实施方式中，例如能够使用栅极控制电压Vt对栅极Gt的开启及关闭进行电气性控制。通过对栅极Gt的开启及关闭的定时进行控制，能够将在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动的信号电荷的一部分在任意的开始时刻以及期间提取并蓄积到电荷蓄积部FD中。即，能够将信号电荷的一部分以所希望的时间窗进行采样。检测中的时间窗例如还能够通过从光电二极管12到电荷蓄积部FD或传输栅极电极Tx的、沿电荷传输路径Ch1的方向上的距离Ld、电荷蓄积部FD或传输栅极电极Tx的沿电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)Lw等来调整(参照图1)。
在上述的动作例中，在控制电极Tc的两端施加互不相同的电压。但是，在利用电子作为信号电荷的情况下，如果漏极14的电位高于光电二极管12的电位则信号电荷会从光电二极管12朝向漏极14移动，因此也可以在控制电极Tc的两端施加共通的电压。但是，通过在控制电极Tc的两端独立地施加互不相同的电压，能够隔着控制电极Tc下的绝缘层16对电荷传输路径Ch1中的光电二极管12—漏极14间的电位梯度的大小进行控制。因而，能够电气性地控制从光电二极管12向漏极14的信号电荷的传输速度。例如，在反复执行上述的检测动作的情况下，也可以每当光电二极管12的复位时将电荷传输路径Ch1中的电位梯度进行变更，将不同的传输速度下的信号电荷提取到电荷蓄积部FD。作为对控制电极Tc施加的第一电压V1以及第二电压V2，可以使用高电平及低电平那样的数字信号，也可以使用任意大小的模拟电压。
另外，也可以在漏极14设置其他电荷蓄积部，或者也可以如图7所示的像素10B那样，取代漏极14而将第二电荷蓄积部FD2配置在电荷传输路径Ch1的终端。第二电荷蓄积部FD2将经由电荷传输路径Ch1传输的电荷的至少一部分蓄积。在图7例示的结构中，在电荷蓄积部FD2上连接有读出线29。该读出线29可以连接到与经由读出线28连接在电荷蓄积部FD上的信号检测电路独立的信号检测电路。
图7所示那样的、在电荷传输路径Ch1的终端和终端以外的部分配置有电荷蓄积部的结构中，可以对设置在配置于电荷传输路径Ch1的终端以外的部分的电荷蓄积部(图7中是电荷蓄积部FD)与电荷传输路径Ch1之间的栅极的开启及关闭进行控制。通过控制该栅极的开启的期间，能够对两个电荷蓄积部(图7中是电荷蓄积部FD及FD2)以任意比率分配电荷。
(第二实施方式)
图8示意性地表示本申请的第二实施方式的拍摄元件中的像素构造的一例。图8所示的像素10C与图1所示的像素10A的不同点在于，像素10C具有沿电荷传输路径Ch1配置的多个电荷蓄积部。
在图8例示的结构中，X方向上的长度为Lw的4个电荷蓄积部FDa～FDd隔开间隔g沿着X方向排列。图8所示的电荷蓄积部的数量、沿着电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)、以及邻接的2个电荷蓄积部的间隔只不过是例示。例如，各像素具有的电荷蓄积部的数量不限于4个，在多个电荷蓄积部之间幅度或间隔也可以不同。
在图8例示的结构中，在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa～FDd之间，配置有单一的传输栅极电极Tx。该例中，传输栅极电极Tx沿X方向从电荷蓄积部FDa的左端起延伸至电荷蓄积部FDd的右端。即，这里，传输栅极电极Tx在X方向上的长度(幅度)为(4Lw+3g)。
如后述那样，通过使传输栅极电极Tx的电位为高电平，能够使电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDa～FDd之间的栅极为开启的状态。通过使电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDa～FDd之间的栅极开启，能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷向电荷蓄积部FDa～FDd传输。即，像素10C中，具有4个电荷蓄积部FDa～FDd，与之相应地，还具有4个从电荷传输路径Ch1朝向电荷蓄积部传输电荷的电荷传输路径Ch2。
电荷蓄积部FDa～FDd分别连接有读出线28a～28d。各个读出线28a～28d具有与包含放大晶体管42等的信号检测电路SC(参照图4)的连接。因而，能够将在电荷蓄积部FDa～FDd中蓄积的信号电荷分别独立地读出。
(像素10B中的信号检测动作)
接着，参照图9～图13B对像素10C中的信号检测动作的一例进行说明。图9将像素10C的平面图与某时刻下的电荷传输路径Ch1内的信号电荷的分布的一例一并表示。图10是表示对控制电极Tc施加的第一电压V1及第二电压V2、以及对传输栅极电极Tx施加的栅极控制电压Vt的一例的时序图。图11A表示图10所示的时刻T1下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例，图11B表示图10所示的时刻T1下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例。图12A表示图10所示的时刻T2下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例，图12B表示图10所示的时刻T2下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例。图13A表示图10所示的时刻T3下的、半导体基板2内的沿X方向的电位变化的一例，图13B表示图10所示的时刻T3下的、半导体基板2内的沿Y方向的电位变化的一例。
在光的检测之前，将各个电荷蓄积部FDa～FDd复位。例如，使在读出线28a～28d上分别连接的信号读出电路中的复位晶体管成为导通状态之后，使复位晶体管为截止状态。在该时间点，第一电压V1、第二电压V2以及栅极控制电压Vt均为低电平(图10中的时刻T1)。
接着，使第一电压V1以及第二电压V2为高电平。这里，对电源线24、21及22分别施加满足Vdr＞V2＞V1的关系的电压Vdr、V1以及V2。由此，在电荷传输路径Ch1中形成图12A中下侧所示那样的电位梯度。在该状态下，当光入射到光电二极管12时，在光电二极管12中生成的信号电荷在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动。此时，通过控制电位梯度的大小，能够调整向漏极14的传输速度。
这里，设想表现出图5所示那样的时间变化的光入射到光电二极管12中的情况。如参照图5及图6说明过的那样，若向光电二极管12入射的光的强度时间性变化，则经过电荷传输路径Ch1的某地点的信号电荷的量表现出与入射光的强度的时间变化相应的时间性变化。因此，从对光电二极管12的光入射开始、经过了某时间Td时的电荷传输路径Ch1中的信号电荷的量如图9中的上侧示意性所示那样，表现出与入射光的强度I的时间变化对应的分布。
在时刻Td，将对传输栅极电极Tx施加的栅极控制电压Vt设为高电平。若将栅极控制电压Vt设为高电平，则电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDa～FDd之间的电势势垒如图13B所示那样降低。即，电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDa～FDd之间的栅极成为开启的状态。
当栅极开启时，在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷经由电荷传输路径Ch2向电荷蓄积部FDa～FDd传输。此时，在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷向电荷蓄积部FDa～FDd中的某个传输。向电荷蓄积部FDa～FDd的哪个电荷蓄积部传输根据着眼的信号电荷的时刻Td时间点的移动距离而不同。例如，在时刻Td，位于在Y方向上与电荷蓄积部FDa重叠的区域Rga附近的信号电荷向电荷蓄积部FDa传输，位于在Y方向上与电荷蓄积部FDd重叠的区域Rgd附近的信号电荷向电荷蓄积部FDd传输(参照图9)。这样，通过沿电荷传输路径Ch1配置多个电荷蓄积部FDa～FDd，能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷根据在将栅极开启的时间点的移动距离而向电荷蓄积部FDa～FDd分配。
如图9中的上侧示意性所示那样，某时刻(例如时刻Td)下的电荷传输路径Ch1中的信号电荷的量表现出某一分布。因此，在电荷蓄积部FDa～FDd中蓄积的电荷量表现出与该时刻下的电荷传输路径Ch1中的信号电荷的分布相应的分布。这意味着将通过光入射而生成的信号电荷以图9中上侧的曲线图中虚线所示的时间窗Tw1～Tw4进行时间分解而检测。
例如，信号电荷(例如电子)穿过被施加了饱和速度为0.04μm/ps那样的强度的电场的、长度4μm的电荷传输路径而移动到电荷蓄积部需要100ps。因而，在经由长度4μm的电荷传输路径将信号电荷向电荷蓄积部直接传输的结构下，仅信号电荷的传输就需要100ps。相对于此，如图8及图9所示，根据沿着在终端配置有漏极的电荷传输路径配置多个电荷蓄积部、将在电荷传输路径中移动的电子向多个电荷蓄积部分配的结构，能够提高时间分辨率。例如，如果沿4μm的电荷传输路径配置4个电荷蓄积部，则即使在相同的电场强度下也能实现大约25ps的时间分辨率。
这样，在本申请的第二实施方式中，在将由光电转换部生成的信号电荷向漏极传输的中途，对应于信号电荷的移动距离而将信号电荷向多个电荷蓄积部分配。由此，能够不受信号电荷(例如电子)的饱和速度的限制而提高检测中的时间分辨率。如果将对应于电荷传输路径中的移动距离而向多个电荷蓄积部分配信号电荷的上述例子那样的结构应用于例如利用近红外光的成像，则能够得到测定对象的深度方向的信息。此时，通过反复进行光脉冲的入射、与参照图9说明的信号电荷的传输以及蓄积的循环，并将各电荷蓄积部中的电荷量累计，能够提高SN比。设置于用于使电荷向电荷蓄积部传输的电荷传输路径的栅极的开启在每当照射光脉冲时以规定的定时执行即可。
另外，检测中的时间窗还能够通过调整电荷蓄积部在沿着电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)、邻接的两个电荷蓄积部的间隔来控制。例如，也可以将各个电荷蓄积部在沿着电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)设为与想要进行时间分解的比率相应的比率。
作为信号电荷，也可以取代电子而利用空穴。通过利用迁移率相对低的空穴，在邻接的电荷蓄积部间能够良好地将信号电荷分离。即，能够抑制向与本来应传输的电荷蓄积部邻接的其他电荷蓄积部的信号电荷的混入。
在图8的结构中，也可以在漏极14设置其他电荷蓄积部。即，或者，也可以如图7所示的像素10B那样，取代漏极14而将第二电荷蓄积部FD2配置在电荷传输路径Ch1的终端。
(第二实施方式的第一变形例)
图14表示本申请的第二实施方式的像素的其他一例。图14所示的像素10D与参照图8说明的像素10C的不同点在于，像素10D具有与电源线21及22分别连接的第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2。
在图14例示的结构中，在半导体基板2中的光电二极管12与漏极14之间的区域上，没有配置单一的控制电极，而是沿着电荷传输路径Ch1隔开间隔地配置有具有与电源线21的连接的第1控制电极Tc1和具有与电源线22的连接的第2控制电极Tc2。如图所示，第1控制电极Tc1相比于第2控制电极Tc2配置为更靠近光电二极管12，第2控制电极Tc2相比于第1控制电极Tc1配置为更靠近漏极14。
这样，可以将接受第一电压V1的供给的控制电极(这里是第1控制电极Tc1)和接受第二电压V2的供给的控制电极(这里是第2控制电极Tc2)在电荷传输路径Ch1上分别地设置。通过将连接于供给第一电压V1的电源线21的电极和连接于供给第二电压V2的电源线22的电极分别地设置，能够独立地控制第1控制电极Tc1的电位和第2控制电极Tc2的电位。通过独立地控制第1控制电极Tc1的电位和第2控制电极Tc2的电位，能够更高速地控制电荷传输路径Ch1的两端的电位。另外，图14所示的结构中，光电二极管12与漏极14之间的区域中，在处于第1控制电极Tc1与第2控制电极Tc2之间的区域上不存在电极。但是，如果能够控制电荷传输路径Ch1的两端的电位，则能够使信号电荷朝向漏极14移动。此外，处于第1控制电极Tc1与第2控制电极Tc2之间的区域的遮光能够通过在该区域的上层设置布线层等而实现。
如图14所示，在电荷传输路径Ch1上配置第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2的结构中，也可以将第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2的至少一方硅化物化。例如图1所示的结构中，将电源线21及22连接到沿电荷传输路径Ch1延伸的控制电极Tc的两端附近。在这样的结构中，若将控制电极Tc硅化物化，则有可能得不到需要的电阻值、无法通过控制电极Tc在沿电荷传输路径Ch1延伸方向上产生所希望的大小的电位梯度。
相对于此，根据图14所示那样的结构，即使将第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2的至少一方硅化物化，也能够沿着电荷传输路径Ch1形成所希望的大小的电位梯度。通过将第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2的至少一方硅化物化，能够降低电阻，提高对电源线的电位变化的响应速度。也可以将第1控制电极Tc1以及第2控制电极Tc2的至少一方利用金属或金属氮化物形成。
(第二实施方式的第二变形例)
图15表示本申请的第二实施方式的像素的再其他一例。图15所示的像素10E与参照图8说明的像素10C的不同点在于，像素10E相对于电荷传输路径Ch1而在与电荷蓄积部FDa～FDd相反的一侧还具有沿电荷传输路径Ch1配置的4个电荷蓄积部FDe～FDh。
在图15例示的结构中，电荷蓄积部FDe～FDh分别具有与读出线28e～28h的连接。各个读出线28e～28h连接有包含放大晶体管等的信号检测电路。各个电荷蓄积部FDe～FDh通过具有与读出线28e～28h的连接，从而构成为能够将蓄积的信号电荷独立地读出。
如图所示，在电荷传输路径Ch1与电荷积部FDa～FDd之间，配置有具有与栅极控制线26的连接的传输栅极电极Tx1。通过将供给到栅极控制线26的栅极控制电压Vt1设为高电平，能够经由电荷传输路径Ch2将电荷传输路径Ch1中的信号电荷向电荷蓄积部FDa～FDd传输。另一方面，在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDe～FDh之间，配置有具有与栅极控制线27的连接的传输栅极电极Tx2。通过将供给到栅极控制线27的栅极控制电压Vt2设为高电平，能够经由电荷传输路径Ch3将电荷传输路径Ch1中的信号电荷向电荷蓄积部FDe～FDh传输。
在图15例示的结构中，典型地，栅极控制电压Vt1以及栅极控制电压Vt2不被同时设为高电平，而是被控制为交替地成为高电平。即，在某时刻将栅极控制电压Vt1设为高电平，并在将栅极控制电压Vt1设为低电平之后，将栅极控制电压Vt2设为高电平。通过将栅极控制电压Vt1以及栅极控制电压Vt2交替地设为高电平，能够实现与沿着电荷传输路径Ch1将8个电荷蓄积部FDa～FDh排列为一列的结构同样的检测。即，能够进行连续的8个时间窗(8相位)的检测。
如图15所示，通过将多个电荷蓄积部配置在电荷传输路径Ch1的两侧，能够抑制电荷传输路径Ch1的长度的增大并且进行更多的时间窗的检测。此外，由于抑制了电荷传输路径Ch1的长度的增大，所以能够降低由于电荷传输路径Ch1的延伸而带来的灵敏度差的偏差，形成精度更好的像素。
(第三实施方式)
图16示意性地表示本申请的第三实施方式的拍摄元件中的像素构造的一例。图16所示的像素10F与图8所示的像素10C的不同点在于，像素10F具有多个传输栅极电极。
在图16例示的结构中，以与电荷蓄积部FDa～FDd分别对应的方式，在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa～FDd之间，配置有传输栅极电极Txa～Txd。如图所示，传输栅极电极Txa～Txd分别连接有栅极控制线26a～26d，因而，各个传输栅极电极Txa～Txd构成为，能够独立地施加栅极控制电压Vta～Vtd。即，像素10F具有与沿着电荷传输路径Ch1配置的电荷蓄积部相同数量(这里是4个)的栅极。这些栅极与4个电荷传输路径Ch2分别对应而设置。
在图16例示的结构中，例如，通过在某时刻将栅极控制电压Vtb以及Vtd选择性地设为高电平，从而如图所示那样，能够实现将电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDb以及电荷蓄积部FDd之间的2个栅极选择性地开启的控制。通过将沿电荷传输路径Ch1设置的多个栅极中的一部分选择性地设为开启，例如，能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷中的、位于在Y方向上与电荷蓄积部FDc重叠的区域Rgc附近的信号电荷朝向电荷蓄积部FDd传输。即，能够在栅极处于开启状态的2个电荷蓄积部(该例中是电荷蓄积部FDb以及电荷蓄积部FDd)之间良好地将信号电荷分离。
另外，在对应于多个电荷蓄积部而在像素内配置有多个传输栅极电极的结构中，还能够将与光电二极管12最近的电荷蓄积部利用为漏极。例如，图16例示的结构中，如果在某时刻以后将栅极控制电压Vta设为高电平而使电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa之间的栅极开启，则在该时刻以后流入到电荷传输路径Ch1的信号电荷优先向电荷蓄积部FDa传输。因此，如果在将栅极控制电压Vtb～Vtd设为高电平而将电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDb～FDd之间的栅极设为开启的时刻以后也将栅极控制电压Vta设为高电平，则能够抑制向电荷蓄积部FDb～FDd的多余的电荷混入。
这样，也可以是，对应于多个电荷蓄积部而在像素内配置多个传输栅极电极，在多个传输栅极电极之间使施加高电平的栅极控制电压的定时不同。另外，如果将多个传输栅极电极同时设为高电平，则还能够进行与第二实施方式同样的检测动作。
(第三实施方式的第一变形例)
图17表示本申请的第三实施方式的像素的其他一例。图17所示的像素10G与参照图16说明的像素10F的不同点在于，像素10G具有2个漏极14从而包含2个电荷传输路径Ch1。
图17中，图示出像素阵列中的某1个像素10G、和位于该像素10G的右侧及左侧的2个像素10G的一部分。图17的中央所示的像素10G具有光电二极管12、和在光电二极管12的右侧及左侧隔开间隔配置的2个漏极14。即，该例中，像素阵列中的各个像素10G包含从光电二极管12向左右延伸的2个电荷传输路径Ch1。
图17中，省略了电荷传输路径Ch1上的控制电极的图示。另外，如已经说明的那样，如果能够在光电二极管12与漏极14之间形成适当的电位差，则也可以省略控制电极自身。图17中，为了避免附图复杂，省略了与漏极14连接的电源线、栅极控制线、读出线等布线的图示。在其他附图中也有省略布线的图示的情况。
图17例示的结构中，在向位于图中央的光电二极管12的右侧延伸的电荷传输路径Ch1的上侧，沿着电荷传输路径Ch1配置有电荷蓄积部FDa～FDc。在电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDa～FDc之间，分别配置有传输栅极电极Txa～Txc。在该电荷传输路径Ch1的下侧，配置有从邻接的像素10G的光电二极管12朝向图的左侧延伸的电荷传输路径Ch1。另一方面，在向位于图中央的光电二极管12的左侧延伸的电荷传输路径Ch1的下侧，沿着电荷传输路径Ch1配置有电荷蓄积部FDd～FDf。在电荷传输路径Ch1与各个电荷蓄积部FDd～FDf之间，分别配置有传输栅极电极Txd～Txf。在该电荷传输路径Ch1的上侧，配置有从邻接的像素10G的光电二极管12朝向图的右侧延伸的电荷传输路径Ch1。
这样，像素也可以具有漏极位于终端的多个电荷传输路径Ch1。例如，如果如图17所示那样配置各像素的电荷传输路径Ch1，则能够实现更紧密的像素配置。在图17例示的结构中，例如，通过将对2个漏极14分别施加的电压交替地设为高电平，能够交替地利用2个电荷传输路径Ch1。通过使由光电二极管12生成的信号电荷交替地朝向2个漏极14移动，能够一边对于沿着一方的电荷传输路径Ch1配置的电荷蓄积部执行经由电荷传输路径Ch2的信号电荷的传输，一边执行从沿着另一方的电荷传输路径Ch1配置的电荷蓄积部的电荷读出。即，能够实现更高速的检测动作。
(第四实施方式)
图18示意性地表示本申请的第四实施方式的拍摄元件中的像素构造的一例。图18所示的像素10H与图8所示的像素10C的主要不同点在于，像素10H在电荷传输路径Ch1上具有多个控制电极。
图18例示的结构中，像素10H包含配置在电荷传输路径Ch1上的控制电极Tca～Tcd。如图所示，控制电极Tca～Tcd对应于沿着电荷传输路径Ch1配置的4个电荷蓄积部FDa～FDd而配置在电荷传输路径Ch1上。这里，控制电极Tca具有与电荷蓄积部FDa在沿着电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)同样的幅度。此外，这里，传输栅极电极Txa也具有与电荷蓄积部FDa在沿着电荷传输路径Ch1的方向上的长度(幅度)同样的幅度。
该例中，在电荷传输路径Ch1上的控制电极Tca与电荷蓄积部FDa之间，配置有具有与栅极控制线26a的连接的传输栅极电极Txa。电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa之间的栅极的开启及关闭通过对栅极控制线26a施加的栅极控制电压Vta的电平来控制。此外，该例中，在电荷传输路径Ch1上的控制电极Tcb～Tcd与电荷蓄积部FDb～FDd之间，配置有单一的传输栅极电极Txm。传输栅极电极Txm具有与栅极控制线26m的连接，电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDb之间、电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDc之间、以及电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDd之间的栅极的开启及关闭通过对栅极控制线26m施加的栅极控制电压Vtm的电平而被总括地控制。
如图所示，该例中，控制电极Tca～Tcd分别连接有电源线23a～23d。即，各个控制电极Tca～Tcd构成为，能够经由电源线23a～23d独立地施加第一～第四电压V1～V4。
参照图18以及图19，对像素10H中的动作的一例进行说明。图19是表示电荷传输路径Ch1中的沿X方向的电位变化的一例的曲线图。以下，说明将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷中的、位于在Y方向上与电荷蓄积部FDc重叠的区域Rgc(参照上述的图16)附近的信号电荷朝向电荷蓄积部FDc传输的例子。
在光的检测之前将电荷蓄积部FDa～FDd分别复位这一点与已经说明过的实施方式中的动作同样。在电荷蓄积部FDa～FDd的复位后，经由电源线23a及23d对控制电极Tca及Tcd分别施加电压V1及V4。此外，经由电源线24对漏极14施加一定的电压Vdr。这里，使用满足Vdr＞V4＞V1的关系那样的电压V1、V4以及Vdr。图19中，用实现示意性地表示此时的电荷传输路径Ch1中的沿着X方向的电位的曲线图。
该例中，不从像素10H的外部对控制电极Tcb及Tcc施加电压。即，在该时间点，控制电极Tcb及Tcc为浮置的状态。电荷传输路径Ch1中，位于控制电极Tcc之下的部分的此时的电位为例如满足V4＞Vx＞V1的关系那样的电位Vx。
在电荷蓄积部FDa～FDd的复位以及向控制电极Tca、Tcd及漏极14的电压施加之后，开始对光电二极管12的曝光。如图19中通过实线示意性所示那样，在曝光开始时，在电荷传输路径Ch1中形成从光电二极管12朝向漏极14电位上升那样的电位梯度。因此，在光电二极管12中生成的信号电荷在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动。
从对光电二极管12的曝光开始起经由时间Td之后，经由电源线23c对控制电极Tcc施加比Vx高的电压Vy。这里，进一步经由电源线23a对控制电极Tca施加比V1高的电压Vz。通过使对控制电极Tca及Tcc施加的电压上升，电荷传输路径Ch1的电位如图19的曲线图中用虚线示意性所示那样变化。
通过电荷传输路径Ch1中的电位的变化，在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷之中，在时刻Td在位于控制电极Tcc之下的部分中行进的信号电荷在位于控制电极Tcc之下的部分及其附近被暂时性地捕捉。然后，如果将栅极控制线的电位Vtm设为高电平，则电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDc之间的栅极成为开启的状态，能够将电荷传输路径Ch1中的暂时保持在控制电极Tcc附近的信号电荷经由电荷传输路径Ch2向电荷蓄积部FDc传输。另外，该例中，使在时刻Td对控制电极Tca施加的电压上升到Vz。因此，在时刻Td以后在光电二极管12中生成的电荷经由电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa之间的电荷传输路径Ch2排出到电荷蓄积部FDa。因而，能够抑制在时刻Td以后流入到电荷传输路径Ch1中的信号电荷向电荷蓄积部FDc的混入。
如在第一～第三实施方式中说明的那样，例如通过控制对控制电极Tca施加的电压V1和对控制电极Tcd施加的电压V4，能够控制电荷传输路径Ch1中的电位梯度，调整从光电二极管12向漏极14的信号电荷的传输速度。例如，如果使电压V1以及电压V4的电位差较大，则能够增大向漏极14的信号电荷的传输速度。但是，如果欲使时间分辨率提高而使电荷传输路径Ch1中的电位梯度极度地过于急剧，则经由电荷传输路径Ch2的信号电荷的传输速度不足够，从而可能无法进行正确的检测。
根据本申请的第四实施方式，能够将在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷中的、在某时刻正在某区域中移动的信号电荷选择性地捕捉之后，经由电荷传输路径Ch2向电荷蓄积部传输。例如，根据参照图18及图19说明的动作，能够在电荷传输路径Ch1中将信号电荷选择性地捕捉的时刻之后的所希望的时刻，进行向电荷蓄积部的经由电荷传输路径Ch2的信号电荷的传输。即，能够在将通过光入射而生成的信号电荷按照以所希望的时刻为起点的时间窗进行时间分解而捕捉之后，在与该时刻不同的时刻，将捕捉到的信号电荷向电荷蓄积部传输。这样，根据本申请的第四实施方式，能够实现不基于电荷传输路径Ch2中的传输速度的、更高速的检测动作。
这里，说明了将信号电荷在位于控制电极Tcc之下的部分及其附近暂时地捕捉的例子，但也可以在位于控制电极Tcc以外的控制电极之下的部分及其附近将信号电荷暂时地捕捉。也可以在位于2个以上的控制电极之下的部分及其附近将信号电荷暂时地捕捉。
另外，沿电荷传输路径Ch1配置的多个电荷蓄积部之中，如果将与光电二极管12最近的电荷蓄积部(这里是电荷蓄积部FDa)的电位固定，并将该电荷蓄积部与电荷传输路径Ch1之间的栅极设为开启的状态，则还能够将该电荷蓄积部作为漏极进行利用。在将电荷蓄积部作为漏极进行利用的情况下，不需要该电荷蓄积部的、光的检测前的复位。
(第四实施方式的第一变形例)
图20表示本申请的第四实施方式的像素的其他一例。图21示意性地表示图20所示的A－A’线剖面。图20及图21所示的像素10I与参照图18说明的像素10H的不同点在于，像素10I在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部之间不具有传输栅极电极。
如图20及图21所示，像素10I在电荷传输路径Ch1上具有沿电荷传输路径Ch1配置的多个控制电极Tca～Tcd。这些控制电极Tca～Tcd设于形成在半导体基板2上的绝缘层16上，与参照图18说明的像素10H同样地，构成为能够经由电源线23a～23d独立地施加第1～第四电压V1～V4。另外，在图20及图21例示的结构中，在邻接的2个控制电极间，没有形成绝缘层16。但是，例如，也可以形成从控制电极Tca连续到控制电极Tcd的绝缘层16。
如图20所示，像素10I在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa～FDd之间不具有传输栅极电极。如后述那样，在像素10I中，通过在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa～FDd之间形成电位差，将电荷传输路径Ch1中的信号电荷向电荷蓄积部FDa～FDd传输。因而，像素10I在具有从将光电二极管12与漏极14连结的电荷传输路径Ch1朝向电荷蓄积部传输信号电荷的电荷传输路径Ch2这一点上，与之前说明的像素10A～10H是共通的。
参照图22及图23对像素10I的动作的一例进行说明。图22及图23是表示电荷传输路径Ch1中的沿X方向的电位变化的一例的曲线图。
在光的检测之前，将电荷蓄积部FDa～FDd分别复位这一点，与已经说明过的实施方式的动作同样。在电荷蓄积部FDa～FDd的复位后，例如，经由电源线23b及23d对控制电极Tcb及Tcd分别施加电压V2及V4。此外，经由电源线24对漏极14施加一定的电压Vdr。这里，使用满足Vdr＞V4＞V2的关系那样的电压V2、V4以及Vdr。控制电极Tca及Tcc是浮置的状态。图22示意性地表示此时的电荷传输路径Ch1中的沿X方向的电位的曲线图。
在电荷蓄积部FDa～FDd的复位以及向控制电极Tcb、Tcd及漏极14的电压施加之后，开始对光电二极管12的曝光。如图22所示，在曝光开始时，在电荷传输路径Ch1中形成从光电二极管12朝向漏极14电位上升那样的电位梯度，因此在光电二极管12中生成的信号电荷在电荷传输路径Ch1中朝向漏极14移动。
在从对光电二极管12的曝光开始起经过了时间Td后，经由电源线23b～23d，对控制电极Tcb～Tcd的每一个，一齐施加比V4高的高电平的电压。通过对控制电极Tcb～Tcd一齐施加高电平的电压，电荷传输路径Ch1中的电位如图23所示那样变化。这里，在控制电极Tcb～Tcd下产生信号电荷的能量降低那样的电位变化。因此，在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷之中，在时刻Td在位于控制电极Tcb之下的部分行进的信号电荷在位于控制电极Tcb之下的部分及其附近被捕捉。同样，在时刻Td在位于控制电极Tcc之下的部分行进的信号电荷在位于控制电极Tcc之下的部分及其附近被捕捉，在位于控制电极Tcd之下的部分行进的信号电荷在位于控制电极Tcd之下的部分及其附近被捕捉。
但是，照这样，时刻Td以后在光电二极管12中生成的信号电荷会混入到在时刻Td被捕捉到的信号电荷中，因此这里在时刻Td对控制电极Tca也施加高电平的电压。通过对控制电极Tca施加高电平的电压，电荷传输路径Ch1中的电位如图23中用虚线示意性所示那样变化。通过对控制电极Tca施加高电平的电压，在控制电极Tca下信号电荷的能量降低，在电荷传输路径Ch1中移动的信号电荷之中，在时刻Td在位于控制电极Tca之下的部分行进的信号电荷在位于控制电极Tca之下的部分及其附近被捕捉。即，能够捕捉时刻Td以后在光电二极管12中生成的信号电荷。由此，能够抑制噪声的混入。
在控制电极下将信号电荷暂时地捕捉之后，将捕捉到的信号电荷经由电荷传输路径Ch2向电荷蓄积部FDa～FDd传输。例如，通过将控制电极Tca～Tcd的每一个与供给高电压的电压源经由电容元件连接，使电荷蓄积部FDa～FDd中的电位比电荷传输路径Ch1中的位于控制电极Tca～Tcd下的部分的电位高。由此，在电荷传输路径Ch1与电荷蓄积部FDa～FDd之间形成电位梯度，能够将在电荷传输路径Ch1中暂时捕捉到的信号电荷向电荷蓄积部FDa～FDd传输。然后，将传输到电荷蓄积部FDb～FDd的电荷量读出。另外，在时刻Td以后使电荷蓄积部FDa作为漏极发挥功能的情况下，也可以不经由电容元件而将供给高电压的电压源与电荷蓄积部FDa连接。
如以上说明的那样，在本申请的实施方式中，不是从光电转换部向电荷蓄积部将信号电荷直接传输并读出所传输的电荷，而是将从光电转换部朝向漏极移动的信号电荷从其移动路径朝向电荷蓄积部进行传输。因而，实现与信号电荷相对于光电转换部的移动距离相对应的时间分解，能够提高检测中的时间分辨率。
本申请的技术不限于上述的实施方式，能够进行各种改变。例如，作为光电二极管12，也可以使用具有在基板的厚度方向上层叠了具有灵敏度的波段不同的多个传感器的构造的二极管(例如Foveon(フォベオン)公司提供的Foveon X3(注册商标)等)。本申请中的光电转换部不限定于光电二极管。也可以取代光电二极管12而使用层叠于半导体基板的光电转换膜。光电转换膜可以由有机材料或非晶硅等无机材料形成。
本申请的拍摄元件能够利用于数码相机、医疗用相机、监视用相机、车载用相机、数码单反相机、数码无反相机等各种各样的相机***以及传感器***。

Claims (8)

1.一种拍摄元件，其特征在于，
具备：
光电转换部；
第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷进行传输；
第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；
第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；
第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及
第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积，
上述第1电荷传输路径在中途不具有栅极。
2.一种拍摄元件，其特征在于，
具备：
光电转换部；
第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷进行传输；
第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；
第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；
第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及
第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积，
上述第1电荷传输路径是单一的路径。
3.一种拍摄元件，其特征在于，
具备：
光电转换部；
第1电荷传输路径，对由上述光电转换部产生的电荷连续地进行传输；
第2电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途分支；
第3电荷传输路径，从上述第1电荷传输路径的中途的、与上述第二电荷传输路径在上述电荷的传输方向上不同的位置分支；
第1电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第2电荷传输路径传输的电荷进行蓄积；以及
第2电荷蓄积部，将上述电荷中的经由上述第3电荷传输路径传输的电荷进行蓄积。
4.如权利要求1～3中任一项所述的拍摄元件，其特征在于，还具备：
第一栅极，切换经由上述第2电荷传输路径传输的电荷的传输及截断；以及
第二栅极，切换经由上述第3电荷传输路径传输的电荷的传输及截断。
5.如权利要求4所述的拍摄元件，其特征在于，
上述第一栅极和上述第二栅极是单一的栅极。
6.如权利要求1～3中任一项所述的拍摄元件，其特征在于，
还具备在上述第1电荷传输路径的上述终端设置的漏极。
7.如权利要求1～3中任一项所述的拍摄元件，其特征在于，
还具备在上述第1电荷传输路径的终端设置的、将经由上述第1电荷传输路径传输的电荷进行蓄积的第3电荷蓄积部。
8.如权利要求1～3中任一项所述的拍摄元件，其特征在于，
在上述第1电荷传输路径上，从始端到终端而形成有使上述电荷传输的电位梯度。
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