CN109075179A - 固态成像元件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的固态成像装置包括：光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有所述预定波长范围以外的波长范围的光；和光电转换区，其逐个像素地设置在所述半导体衬底内部，并对具有所述波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过所述光电转换膜的所述波长范围。所述光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。

Description

固态成像元件和电子设备
技术领域
本公开涉及一种固态成像装置和一种电子设备。
背景技术
有一种具有所谓层叠型像素结构的固态成像装置，其中在半导体衬底外部提供对具有预定波长范围的光执行光电转换的光电转换膜，而在半导体衬底内部提供对具有预定波长范围以外的波长范围的光执行光电转换的光电转换区，所述光具有已经通过光电转换膜的波长范围(参见例如专利文献1)。
根据层叠型像素结构，可以在一个像素的区内设置对两种或更多种颜色敏感的光电转换单元(光电转换膜和光电转换区)。因此，与对两种或更多种颜色敏感的光电转换单元设置在平面上的情况相比，层叠型像素结构具有可以实现固态成像装置的芯片面积减小的优点。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本特许公开2012-238648号专利申请
发明内容
技术难题
顺便说一下，在固态成像装置中，当像素数量增加以实现捕获图像的高清晰度和高图像质量，并且像素尺寸相应减小时，每个像素要处理的最大电荷量或灵敏度降低，并且图像质量因此恶化。由于像素数量增加而导致的灵敏度降低的问题也适用于具有层叠型像素结构的固态成像装置。
在这点上，本公开的目的是提供一种能够改进包括光电转换膜的层叠型像素结构中的灵敏度的固态成像装置，以及包括该固态成像装置的电子设备。问题的解决方案
一种用于实现上述目标的本公开的固态成像装置包括：光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有预定波长范围以外的波长范围的光；和光电转换区，其逐个像素地设置在半导体衬底内部，并对具有波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过光电转换膜的波长范围，光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。此外，本公开的用于实现上述目标的电子设备包括具有上述配置的固态成像装置。
本公开的固态成像装置中的像素结构是这样的结构，其中光电转换膜设置在半导体衬底外部，光电转换区设置在半导体衬底内部，并且作为光电转换单元的光电转换膜和光电转换区在入射光的光轴方向上层叠(光电转换单元空间设置的结构)。在这种层叠型像素结构中，光电转换膜由具有雪崩功能的膜形成，因此通过每个像素的光电转换生成的电子数量可以通过雪崩效应增加。另外，假设使用具有雪崩功能的膜作为光电转换膜的像素和不使用该膜的像素在相同的入射光量下获得相同的输出电平，则使用具有雪崩功能的膜的像素可以比不使用该膜的像素在尺寸上减小。
本发明的有益效果如下：
根据本公开，由于可以通过使用具有雪崩功能的膜作为光电转换膜来提高灵敏度，因此可以在具有层叠型像素结构的固态成像装置中实现芯片面积的尺寸的减小。
应当注意，本公开不一定限于具有本文所述的效果，并且可以产生本文所述的任何一种效果。此外，这里描述的效果仅仅是示例，而不是限制性的，并且可以产生额外的效果。
附图说明
[图1]图1是根据本公开实施例1的固态成像装置的截面图。
[图2]图2是根据本公开实施例2的固态成像装置的截面图。
[图3]图3是根据本公开实施例3的固态成像装置的截面图。
[图4]图4是根据本公开实施例4的固态成像装置的截面图。
[图5]图5是根据本公开实施例5的固态成像装置的截面图。
[图6]图6是根据本公开实施例6的固态成像装置的截面图。
[图7]图7是根据本公开实施例7的固态成像装置的截面图。
[图8]图8是根据本公开实施例8的固态成像装置的截面图。
[图9]图9是根据本公开实施例9的固态成像装置的截面图。
[图10]图10是示出作为本公开的电子设备的示例的成像设备的配置的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述用于执行本公开的技术的实施例。本公开的技术不限于实施例，并且实施例中的各种数值、材料等是示例。在以下描述中，相同的元件或具有相同功能的元件由相同的符号表示，并且将省略重复描述。请注意，所述描述将采用下面的顺序提供。
1.关于本公开的固态成像装置和电子设备的总体描述
2.根据本公开的一个实施例的固态成像装置
2-1.实施例1(光电转换膜由对应于三种颜色的层叠结构的有机膜形成的示例)
2-2.实施例2(光电转换膜由对应于三种颜色的层叠结构的无机膜形成的示例)
2-3.实施例3(光电转换膜由对应于三种颜色的层叠结构的电荷蓄积形成的示例)
2-4.实施例4(光电转换膜由对应于三种颜色的层叠结构的两层有机膜形成的示例)
2-5.实施例5(光电转换膜由对应于三种颜色的层叠结构的两层无机膜形成的示例)
2-6.实施例6(光电转换膜由对应于两种颜色的层叠结构的有机膜形成的示例)
2-7.实施例7(光电转换膜由对应于两种颜色的层叠结构的无机膜形成的示例)
2-8.实施例8(硅衬底用作雪崩光电二极管的示例)
2-9.实施例9(采用对应于两种颜色的层叠结构的实施例6和实施例7的另一个示例)
3.修改例
4.电子设备(成像设备的示例)
<关于本公开的固态成像装置和电子设备的总体描述>
在本公开的固态成像装置和电子设备中，光电转换膜可以是由有机材料形成的有机膜，或者可以是由无机材料形成的无机膜。此外，由有机材料或无机材料形成的光电转换膜可以具有蓄积电荷的功能。
替代地，在包括上述有利配置的本公开的固态成像装置和电子设备中，光电转换膜可以包括对应于两种颜色的层叠光电转换膜，并且对应于两种颜色的光电转换膜中的每一个可以由具有雪崩功能的膜形成。此外，对应于两种颜色的光电转换膜中的每一个可以是由有机材料形成的有机膜，或者可以是由无机材料形成的无机膜。此外，在对应于两种颜色的光电转换膜中，入射光侧上的光电转换膜可以对蓝光执行光电转换，并且半导体衬底侧上的光电转换膜可以对绿光执行光电转换。设置在半导体衬底内部的光电转换区域可以对红光执行光电转换。
替代地，在包括上述有利配置的本公开的固态成像装置和电子设备中，光电转换区可以设置在半导体衬底内部并对应于至少一种颜色，并且滤色器可以安装在设置在半导体衬底外部的光电转换膜的入射光侧上。此时，滤色器可以包括互补滤色器。
<根据本公开的一个实施例的固态成像装置>
根据本公开的一个实施例的固态成像装置是例如作为一种类型的X-Y寻址型固态成像装置的CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。这里，CMOS图像传感器是通过应用或部分使用CMOS工艺制造的图像传感器。在根据本实施例的固态成像装置中，包括光电转换入射光的光电转换单元(光电转换元件)的像素(单位像素)具有层叠结构，其中作为光电转换单元的光电转换膜和光电转换区在入射光的光轴方向上层叠。
在具有这种层叠结构的像素中，光电转换膜逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有绿色(G)波长范围的光执行光电转换，并且透射具有绿色波长范围以外的波长范围的光。光电转换区例如以对应于两种颜色的层叠状态逐个像素地设置在半导体衬底内部。在对应于两种颜色的光电转换区中，位于半导体衬底的前表面侧上的光电转换区对具有已经通过绿光光电转换膜的波长范围的光中的具有蓝色(B)波长范围的光执行光电转换，并且透射具有蓝色波长范围以外的波长范围的光。此外，位于半导体衬底的深侧上的光电转换区对具有已经通过蓝光光电转换区的波长范围的光中的具有红色(R)波长范围的光执行光电转换。
在本实施例中，包括各具有上述层叠结构并以二维矩阵排列的像素的固态成像装置的特征在于，绿光光电转换膜由具有雪崩功能的膜形成。具有雪崩功能的光电转换膜的示例包括Se(硒)、CIGS(由包括铜、铟、镓和硒的化合物的材料制成的薄膜物质)或InGaAs(铟镓砷)的雪崩膜。
顺便说一下，硅的雪崩光电二极管使用雪崩效应，其中当向半导体的p-n结施加大的反向偏置电压(几十到200V)时，由于少量载流子的移动而连续生成载流子，并且电流以加速的速率增加。Se、CIGS、InGaAs等的雪崩膜也以与硅的雪崩光电二极管类似的方式使用雪崩效应。
由于光电转换膜在具有层叠结构的像素中具有雪崩功能，因此与不具有雪崩功能的普通光电转换膜的情况相比，即使在少量入射光的情况下，通过光电转换膜的光电转换获得的像素信号电平也可以增加。因此，可以获得具有较少噪声感的图像。
这里，假设在其上形成有具有层叠结构的像素的半导体衬底中，其上形成有布线层的衬底表面是前表面，并且其相对表面是后表面，则期望根据本实施例的像素结构是从后表面侧施加入射光的背侧照明型像素结构。在背侧照明型像素结构中，布线层不介入半导体衬底和绿光光电转换膜之间。因此，与从正面侧施加入射光并且布线层介入的正侧照明型像素结构相比，可以相对于存在于半导体衬底内部的蓝光光电转换区和红光光电转换区高效地获取光。
应当注意，本公开的技术不限于应用于背侧照明型像素结构，并且不排除应用于正侧照明型像素结构。换句话说，本发明的技术也适用于正侧照明型像素结构。
以下，将描述根据本公开的一个实施例的固态成像装置，特别是具有层叠结构的像素的特定实施例。
[实施例1]
实施例1是光电转换膜由层叠结构的有机膜形成的示例，其中对应于三种颜色的光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠。图1示出了根据本公开实施例1的固态成像装置的截面图。图1示出了对应于两个像素的截面结构。同理适用于下面描述的实施例2至实施例5。
如图1所示，根据实施例1的固态成像装置的特征在于，使用由有机材料形成并且主要对绿色波长范围敏感的有机膜作为设置在作为半导体衬底的示例的硅衬底11外部的绿光光电转换膜12。当选择有机材料时，光电转换膜12可以具有高波长选择性。由有机膜形成的绿光光电转换膜12经由绝缘膜13共同提供给硅衬底11上的所有像素。
在绿光光电转换膜12的下表面侧上，逐个像素地设置各自由透明电极形成的下电极14。在绿光光电转换膜12的上表面侧上，由透明电极形成的上电极15被共同提供给所有像素。偏置电压通过布线(未示出)施加到上电极15。由于下电极14是逐个像素地设置的，所以绿光光电转换膜12逐个像素地起作用以执行光电转换。
这里，在使绿光光电转换膜12用作普通光电转换膜的情况下，将大约几V的偏置电压施加到绿光光电转换膜12。与上述相反，在根据实施例1的固态成像装置中，大约几十V的偏置电压(将是反向偏压的电压)被施加到绿光光电转换膜12。通过这种配置，绿光光电转换膜12成为具有雪崩功能的膜，其中由于少量载流子的移动而连续生成载流子，并且电流以加速的速率增加(下文中，在一些情况下称为“雪崩膜”)。
应当注意，已经被示例为被施加以赋予绿光光电转换膜12雪崩功能的偏置电压的几十V是示例，并且本公开不限于此。引起雪崩击穿的电压依据形成绿光光电转换膜12的有机材料而不同，因此也依据光电转换膜12的材料来确定将施加到绿光光电转换膜12的偏置电压。
绿光光电转换膜12主要对绿色波长范围敏感，因此吸收具有绿色波长范围的光，执行光电转换，并且透射具有绿色波长范围以外的波长范围的光。通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的电荷在栅极部分19的控制下通过导线18从下电极14在浮动扩散部(FD)20中蓄积。浮动扩散部(FD)20形成在与硅衬底11的入射光侧相对的表面(前表面)侧上。浮动扩散部20是将电荷转换成电压的电荷-电压转换单元。在硅衬底11的前表面上，将形成包括栅极部分19的布线层(未示出)。
在绿光光电转换膜12的上电极15上，经由透明绝缘膜16逐个像素地设置透镜(片上透镜)17。应当注意，透镜17不是不可缺少的组成元件。换句话说，透镜17不是必须设置的。此外，透镜17的形状没有特别限制，并且是任意的。
在硅衬底11内部，蓝光光电转换区21和红光光电转换区22形成为对应于两种颜色的光电转换区。具体而言，蓝光光电转换区21设置在硅衬底11的入射光侧上的衬底表面侧上。红光光电转换区22设置在硅衬底11的深侧上。蓝光光电转换区21和红光光电转换区22通过使用硅(半导体)的光吸收系数(波长依赖性)的差异对具有各自颜色的光执行光电转换。
形成在硅衬底11的衬底表面侧上的蓝光光电转换区21吸收已经穿过绿光光电转换膜12并进入硅衬底11的光中具有相对短波长的蓝光波长范围的光，并对其执行光电转换。例如，通过蓝光光电转换区21的光电转换获得的电荷通过垂直晶体管23在浮动扩散部(未示出)中蓄积。浮动扩散部形成在与硅衬底11的入射光侧相对的衬底表面侧上。这里，当在蓝光光电转换区域21中获得的电荷转移到布线层侧(衬底的前表面侧)时，使用垂直晶体管23，但本公开不限于此。
此外，形成在硅衬底11的深侧上的红光光电转换区22吸收已经通过蓝光光电转换区21的光中具有相对长波长的红光波长范围的光，并对其执行光电转换。通过红光光电转换区22的光电转换获得的电荷在形成于光电转换区22内部或与硅衬底11的入射光侧相对的表面侧上的浮动扩散部(未示出)中蓄积。
如上所述，根据实施例1的固态成像装置具有对应于三种颜色的层叠结构，其中硅衬底11外部的绿光光电转换膜12和硅衬底11内部的蓝光光电转换区21和红光光电转换区22在入射光的光轴方向上层叠。
应当注意，本实施例例示了作为雪崩膜的绿光光电转换膜12由单个膜层形成的情况，但是这也适用于绿光光电转换膜12由多个膜层形成的情况。这也适用于下面的实施例。
[实施例2]
实施例2是实施例1的变形例，并且是光电转换膜由三种颜色的层叠结构的无机膜形成的示例，其中绿光光电转换膜12、光电转换区21和红光光电转换区22在入射光的光轴方向上层叠。图2示出了根据本公开实施例2的固态成像装置的截面图。
如图2所示，根据实施例2的固态成像装置的特征在于，使用由无机材料形成并且主要对绿色波长范围敏感的无机膜作为设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12。绿光光电转换膜12的无机材料的示例可包括Se和CIGS，但本公开不限于此。无机材料具有优于有机材料的耐久性或耐热性，并且根据材料在诸如迁移率和击穿电压的物理属性值方面超过有机材料。
还将偏置电压施加到由无机膜形成的绿光光电转换膜12，以便赋予其雪崩功能。该偏置电压也根据光电转换膜12的材料来确定，因为由实施例1的与有机膜形成的绿光光电转换膜12的情况一样，引起雪崩击穿的电压根据无机材料而不同。
[实施例3]
实施例3是一个示例，其中光电转换膜由三种颜色的层叠结构的电荷蓄积膜形成，其中绿光光电转换膜12、光电转换区21和红光光电转换区22在入射光的光轴方向上层叠。图3示出了根据本公开实施例3的固态成像装置的截面图。
如图3所示，根据实施例3的固态成像装置的特征在于，使用由无机材料形成并且主要对绿色波长范围敏感的电荷蓄积膜作为设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12。能够蓄积电荷的电荷蓄积膜的有机材料只需要对绿色波长范围敏感，并且能够蓄积电荷。材料不受特别限制。
还将偏置电压施加到由电荷蓄积膜形成的绿光光电转换膜12，以便赋予其雪崩功能。在栅极部分19的控制下，通过由电荷蓄积膜形成的绿光光电转换膜12的光电转换获得并随后在其中蓄积的电荷通过导线18转移到浮动扩散部20。栅极部分19形成为与光电转换膜12相邻。
这样，由于通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的电荷可以在光电转换膜12中蓄积，所以用于绿色的浮动扩散部20可以作为用于另一种颜色的浮动扩散部共用，这提供了像素的电路区域可以减小尺寸的优点。顺便说一下，在绿光光电转换膜12具有包括普通层叠膜的结构的情况下，通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的电荷将在浮动扩散部20中蓄积，因此用于绿色的浮动扩散部20不能作为用于另一种颜色的浮动扩散部共用。
应当注意，本实施例是实施例1的修改例，但是作为实施例2的修改例，本实施例也可以具有使用由无机材料形成并且主要对绿色波长范围敏感的电荷蓄积膜作为绿光光电转换膜12的结构。
[实施例4]
实施例4是光电转换膜由层叠结构的两层有机膜形成的示例，其中对应于三种颜色的光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠。图4示出了根据本公开实施例4的固态成像装置的截面图。
如图4所示，根据实施例4的固态成像装置的特征在于具有两层结构，其中设置在硅衬底11外部的两个光电转换膜各自由有机膜形成，并且在入射光的光轴方向上层叠。具体而言，固态成像装置具有这样的结构，其中蓝光光电转换膜24设置在透镜17侧上，绿光光电转换膜12设置在硅衬底11侧上，并且光因为在入射光的光轴方向上的深度位置的差异而分散。
此外，当选择蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的有机材料时，光电转换膜24和光电转换膜12可以具有高波长选择性。以此方式，当用作蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的有机膜的膜质量具有波长选择性时，具有不同波长的光在蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的有机膜中被吸收。
具体而言，蓝光光电转换膜24吸收已经通过透镜17的光中的具有蓝色波长范围的光，对其执行光电转换，并且透射具有蓝色波长范围以外的波长范围的光。绿光光电转换膜12吸收已经通过蓝光光电转换膜24的光中具有绿色波长范围的光，对其执行光电转换，并且透射具有绿色波长范围以外的波长范围的光。
在这种垂直方向(入射光的光轴方向)上的色散的情况下，入射光的入射表面侧具有短波长，并且硅衬底11侧具有长波长。应当注意，在用作蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的有机膜的膜质量改变的情况下，不需要考虑颜色和膜之间的对应顺序，并且该顺序是任意的。
蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的有机材料没有特别限制。此外，与实施例1的情况一样，当预定偏置电压被施加到蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12中的每一个时，光电转换膜24和光电转换膜12具有雪崩功能。每个偏置电压根据光电转换膜24和光电转换膜12的每种材料来确定。
在绿光光电转换膜12的下表面侧上，逐个像素地设置由透明电极形成的下电极14。在绿光光电转换膜12的上表面侧上，由透明电极形成的上电极15被共同提供给所有像素。类似地，在蓝光光电转换膜24的下表面侧上，逐个像素地设置各自由透明电极形成的下电极25。在蓝光光电转换膜24的上表面侧上，由透明电极形成的上电极26被共同提供给所有像素。
通过蓝光光电转换膜24的光电转换获得的电荷在栅极部分28的控制下通过导线27从下电极25在浮动扩散部29中蓄积。浮动扩散部29形成在硅衬底11的前表面侧上。通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的电荷在栅极部分(未示出)的控制下通过导线30从下电极14在浮动扩散部(未示出)中蓄积。浮动扩散部形成在硅衬底11的前表面侧上。
硅衬底11包括形成为对应于一种颜色的光电转换区的红光光电转换区22。红光光电转换区22吸收已经通过绿光光电转换膜12并进入硅衬底11的光中的具有红色波长范围的光，并对其执行光电转换。与实施例1的情况下一样，通过蓝光光电转换区21的光电转换获得的电荷在形成于光电转换区21内部或与硅衬底11的入射光侧相对的表面侧上的浮动扩散部(未示出)中蓄积。
如上所述，对于根据实施例4的固态成像装置的像素结构，使用双色色散的光电转换由设置在硅衬底11外部并且由具有雪崩功能的有机膜形成的蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12执行。此外，利用吸收一种颜色的光的光电转换由设置在硅衬底11内部的红光光电转换区22执行。
具体来说，在根据实施例4的固态成像装置的像素结构中，由于与对应于蓝色和绿色两种颜色的光电转换膜具有雪崩功能，所以与根据实施例1的固态成像装置的像素结构相比，即使在少量入射光的情况下，像素信号电平也可以增加。因此，可以获得具有较少噪声感的图像。
应当注意，在实施例4中，对应于一种颜色的光电转换区设置在硅衬底11内部，但是本公开不限于此，并且仅需要具有包括对应于至少一种颜色的光电转换区的配置。这也适用于下文将要描述的实施例5。
[实施例5]
实施例5是实施例4的修改例，并且是光电转换膜由层叠结构的两层有机膜形成的示例，其中对应于三种颜色的光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠。图5示出了根据本公开实施例5的固态成像装置的截面图。
如图5所示，根据实施例5的固态成像装置的特征在于，使用由无机材料形成并且主要对绿色波长范围具有敏感度的无机膜作为绿光光电转换膜12，并且使用由无机材料形成并且主要对蓝色波长范围具有敏感度的无机膜作为蓝光光电转换膜24。
蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12的无机材料没有特别限制。此外，与实施例2的情况一样，当预定偏置电压被施加到蓝光光电转换膜24和绿光光电转换膜12中的每一个时，光电转换膜24和光电转换膜12可以具有雪崩功能。每个偏置电压根据光电转换膜24和光电转换膜12的每种材料来确定。
[实施例6]
实施例6是光电转换膜由层叠结构的有机膜形成的示例，其中对应于两种颜色的光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠。图6示出了根据本公开实施例6的固态成像装置的截面图。图6示出了对应于四个像素的截面结构，并且为了方便起见，这四个像素被称为像素1、像素2、像素3和像素4。这也适用于下文将要描述的实施例7。
如图6所示，根据实施例6的固态成像装置具有在所有像素1至像素4中对应于两种颜色的层叠结构，其中绿光(G)光电转换膜12和对应于一种颜色的光电转换区在入射光的光轴方向上层叠，绿光(G)光电转换膜12设置在硅衬底11的外部，对应于一种颜色的光电转换区设置在硅衬底11的内部。绿光光电转换膜12被共同提供给所有像素1至像素4。将预定偏置电压施加到绿光光电转换膜12，以便赋予其雪崩功能。作为绿光光电转换膜12，使用由有机材料形成并且主要对绿光波长范围敏感的有机膜。
像素1具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12和设置在硅衬底11内部的红光(R)光电转换区22在入射光的光轴方向上层叠。此外，在像素1中，透射黄光(Ye)的互补滤色器31安装在绿光光电转换膜12和透镜17之间。
像素2具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12和设置在硅衬底11内部的品红光(Mg)光电转换区32在入射光的光轴方向上层叠。与像素2的情况一样，像素4也具有绿光光电转换膜12和品红光光电转换区32的层叠结构。
像素3具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12和设置在硅衬底11内部的蓝光(B)光电转换区21在入射光的光轴方向上层叠。此外，在像素3中，透射蓝绿光(Cy)的互补滤色器33安装在绿光光电转换膜12和透镜17之间。
像素1至像素4通过设置在其间的分隔壁34彼此分隔。在与硅衬底11的入射光侧相反的表面侧上，形成浮动扩散部和包括各种导线等的布线层，浮动扩散部将通过绿光光电转换膜12、蓝光光电转换区21、红光光电转换区22和品红光光电转换区32的光电转换获得的电荷转换成电压。
在具有上述配置的根据实施例6的固态成像装置中，在像素1中，在已经通过透镜17的光中，黄光通过滤色器31并且进入绿光光电转换膜12。这里，黄光是绿光和红光的混合。因此，绿光光电转换膜12吸收黄光中包含的绿光并对其执行光电转换。穿过绿光光电转换膜12的红光然后进入红光光电转换区22，然后在光电转换区22中被吸收并被光电转换。因此，在像素1中，对绿光和红光执行光电转换。
在像素2中，设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12吸收具有绿色波长范围的光并对其执行光电转换，然后透射具有绿色波长范围以外的波长范围的光。在硅衬底11内部，品红光光电转换区域32吸收通过绿光光电转换膜12并进入硅衬底11的光中的品红光，并对其执行光电转换。顺便说一下，品红光是红光和蓝光的混合物。与像素2的情况一样，同样适用于具有绿光光电转换膜12和品红光光电转换区32的层叠结构的像素4。
在像素3中，在已经通过透镜17的光中，蓝绿光通过滤色器33并进入绿光光电转换膜12。这里，蓝绿光是绿光和蓝光的混合。因此，绿光光电转换膜12吸收蓝绿光中包含的绿光并对其执行光电转换。穿过绿光光电转换膜12的蓝光然后进入蓝光光电转换区21，然后在光电转换区21中被吸收并被光电转换。因此，在像素3中，对绿光和蓝光执行光电转换。
这里，在像素1中，通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的绿色信号和通过红光光电转换区22的光电转换获得的红色信号彼此相加，从而可以获得黄色信号。此外，在像素3中，通过绿光光电转换膜12的光电转换获得的绿色信号和通过蓝光光电转换区21的光电转换获得的蓝色信号彼此相加，从而可以获得蓝绿色信号。
因此，对于根据实施例6的固态成像装置，假设像素1至像素3的三个像素为一个单元，可以获得基于红、绿和蓝原色的信号作为像素信号。另外，可以获得基于黄色、蓝绿色、品红色、黄色和绿色的补色的信号。
应当注意，在实施例6中，对应于一种颜色的光电转换区设置在硅衬底11内部，但是本公开不限于此，并且仅需要具有包括对应于至少一种颜色的光电转换区的配置。这也适用于下文将要描述的实施例7。
[实施例7]
实施例7是实施例6的修改例，并且是光电转换膜由层叠结构的无机膜形成的示例，其中对应于两种颜色光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠。图7示出了根据本公开实施例7的固态成像装置的截面图。
如图7所示，根据实施例7的固态成像装置的特征在于，使用由无机材料形成的并且主要对绿色波长范围具有敏感度的无机膜作为设置在硅衬底11外部的绿光光电转换膜12。绿光光电转换膜12的无机材料的示例包括Se和CIGS，但本公开不限于此。还将预定偏置电压施加到由无机膜形成的绿光光电转换膜12，以便赋予其雪崩功能。
[实施例8]
实施例8是在根据实施例4的固态成像装置中使用硅衬底11作为雪崩光电二极管(APD)的示例，其中对应于三种颜色的光电转换单元在入射光的光轴方向上层叠，并且光电转换膜由两层有机膜形成。图8示出了根据本公开实施例8的固态成像装置的截面图。
如图8所示，为了将硅衬底11用作雪崩光电二极管，将共用电极35共同提供给在硅衬底11的上表面上的所有像素，并且为硅衬底11的下表面上的每个像素提供像素电极36。此外，绝缘膜37介于绿光光电转换膜12的下电极14和共用电极35之间。
在具有上述配置的根据实施例8的固态成像装置中，当在共用电极35和像素电极36之间施加预定电压(例如，几十至200V)时，硅衬底11可以用作雪崩光电二极管。
应当注意，这不限于其中光电转换膜由两层有机膜形成的根据实施例4的固态成像装置，并且在其中光电转换膜由两层无机膜形成的根据实施例5的固态成像装置中也可以使用硅衬底11作为雪崩光电二极管。
[实施例9]
实施例9是采用对应于两种颜色的层叠结构的实施例6和实施例7的另一个示例。图9示出了根据本公开实施例9的固态成像装置的截面图。图9示出了对应于四个像素的截面结构，并且为了方便起见，这四个像素被称为像素1、像素2、像素3和像素4。
如图9所示，根据实施例9的固态成像装置具有在所有像素1至像素4中对应于两种颜色的层叠结构，其中绿光(G)雪崩膜41和对应于一种颜色的光电转换区在入射光的光轴方向上层叠，绿光(G)雪崩膜41设置在硅衬底11的外部，对应于一种颜色的光电转换区设置在硅衬底11的内部。绿光雪崩膜41被共同提供给所有像素1至像素4。
绿光雪崩膜可以像在实施例6的情况下一样由有机膜形成，或者可以像在实施例7的情况下一样由无机膜形成。在绿光雪崩膜41的下表面侧上，逐个像素地设置各自由透明电极形成的下电极42。在绿光雪崩膜41的上表面侧上，由透明电极形成的上电极43被共同提供给所有像素。
像素1具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光(G)雪崩膜41和设置在硅衬底11内部的红光(R)光电转换区22在入射光的光轴方向上层叠。此外，在像素1中，透射红光的滤色器44安装在绿光雪崩膜41和硅衬底11之间。
像素2具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光雪崩膜41和设置在硅衬底11内部的品红光(Mg)光电转换区32在入射光的光轴方向上层叠。与像素2的情况一样，像素4也具有绿光雪崩膜41和品红光光电转换区32的层叠结构。
像素3具有这样的结构，其中设置在硅衬底11外部的绿光雪崩膜41和设置在硅衬底11内部的蓝光(B)光电转换区21在入射光的光轴方向上层叠。此外，在像素3中，透射蓝光的滤色器45安装在绿光雪崩膜41和硅衬底11之间。
在具有上述配置的根据实施例9的固态成像装置中，共同提供给所有像素1至像素4的绿光雪崩膜41吸收已经通过透镜17的光中包含的绿光，对其执行光电转换，并且透射具有绿色波长范围以外的波长范围的光。通过这种配置，可以在所有像素1至像素4中获得绿光信号。随后，在像素1至像素4中的每一个中执行以下光电转换。
在像素1中，在已经通过绿光雪崩膜41的光中，已经通过用于红光的滤色器44的红光进入硅衬底11。已经进入硅衬底11的红光然后进入红光光电转换区22，然后在光电转换区22中被吸收并被光电转换。因此，在像素1中，对绿光和红光执行光电转换。
在像素2中，已经通过绿光雪崩膜41并进入硅衬底11的光中包含的品红光在品红光光电转换区32中被光电转换。因此，在像素2中，对绿光和品红光执行光电转换。与像素2的情况相同，也在具有绿光雪崩膜41和品红光光电转换区32的层叠结构的像素4中，对绿光和品红光执行光电转换。
在像素3中，在已经通过绿光雪崩膜41的光中，已经通过用于蓝光的滤色器45的蓝光进入硅衬底11。已经进入硅衬底11的蓝光然后进入蓝光光电转换区21，然后在光电转换区21中被吸收并被光电转换。因此，在像素3中，对绿光和蓝光执行光电转换。
如上所述，在像素1中，对绿光和红光执行光电转换，从而从像素1输出绿色和红色信号。在像素2和像素4中，对绿光和品红光执行光电转换，因此从像素2和像素4输出绿色和品红色信号。如下所述，当绿色信号和品红色信号彼此相加时，可以获得白色(W)信号。在像素3中，对绿光和蓝光执行光电转换，因而从像素3输出绿色和蓝色信号。
<修改例>
在上文中，已经基于有利实施例描述了本公开，但是本公开不限于那些实施例。各个实施例中描述的固态成像装置的配置和结构是示例，并且可以适当地改变。例如，在上述实施例中，使用CMOS图像传感器作为一种类型的X-Y寻址型固态成像装置的示例描述了本公开的技术，但是本公开的技术也以类似的方式适用于CCD(电荷耦合装置)型图像传感器。
<本公开的电子设备>
根据上述实施例1至实施例7的固态成像装置可以用作所有电子设备的成像单元(图像捕获单元)，所述电子设备包括诸如数码相机和摄像机之类的成像设备、诸如移动电话之类的具有成像功能的便携式终端设备以及使用固态成像装置作为图像读取单元的复印机。应当注意，固态成像装置可以形成为单个芯片，或者可以具有带有成像功能的模块状形式，其中成像单元和信号处理单元或光学***被一体封装。在一些情况下，提供给电子设备(即，相机模块)的上述模块状形式被认为是成像设备。
[成像设备]
图10是示出作为根据本公开的电子设备的示例的成像设备的配置的框图。如图10所示，根据本实施例的成像设备100包括包含透镜组等的光学***101、成像单元102、DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作***107、电源***108等。DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106、操作***107和电源***108经由总线109彼此连接。
光学***101接收来自被摄体的入射光(图像光)，并在成像单元102的成像表面上形成图像。成像单元102逐个像素地将通过光学***101在成像表面上形成图像的入射光量转换成电信号，并将该电信号作为像素信号输出。DSP电路103执行通用相机信号处理，例如白平衡处理、去马赛克处理和伽马校正处理。
帧存储器104用于在DSP电路103的信号处理过程中适当地存储数据。显示装置105由诸如液晶显示装置或有机EL(电致发光)显示装置的面板显示装置形成，并且显示由成像单元102捕获的运动图像或静止图像。记录装置106将由成像单元102捕获的运动图像或静止图像记录在诸如便携式半导体存储器、光盘或HDD(硬盘驱动器)的记录介质上。
操作***107在用户的操作下发出关于成像设备100的各种功能的操作命令。电源***108适当地将DSP电路103、帧存储器104、显示装置105、记录装置106和操作***107用于操作的各种类型的电力供应到这些供应目标。
在具有上述配置的成像设备100中，根据上述实施例1至实施例9中的每一个的固态成像装置可以用作成像单元102。根据实施例1至实施例9中每一个的固态成像装置可以通过使用具有雪崩功能的膜作为光电转换膜来提高灵敏度。通过这种配置，在具有层叠型像素结构的固态成像装置中，可以实现芯片面积的更多减小。因此，使用根据实施例1至实施例9中的每一个的固态成像装置作为成像单元102可以有助于减小成像单元102的尺寸，也有助于减小成像设备的尺寸。
此外，在将根据实施例6或实施例9的固态成像装置用作成像单元102的情况下，当在DSP电路103的信号处理中将从该固态成像装置输出的品红色信号和绿色信号彼此相加时，可以获得对应于白色(W)的W输出信号。
应当注意，本公开可以采取以下配置。
[1]一种固态成像装置，包括：
光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有所述预定波长范围以外的波长范围的光；和
光电转换区，其逐个像素地设置在所述半导体衬底内部，并对具有所述波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过所述光电转换膜的所述波长范围，
所述光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。
[2]根据[1]所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜是由有机材料形成的有机膜。
[3]根据[1]所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜是由无机材料形成的无机膜。
[4]根据[1]或[2]所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜具有蓄积通过所述光电转换获得的电荷的功能。
[5]根据[1]所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜包括对应于两种颜色的层叠光电转换膜，并且
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个由具有所述雪崩功能的所述膜形成。
[6]根据[5]所述的固态成像装置，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由有机材料形成的有机膜。
[7]根据[5]所述的固态成像装置，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由无机材料形成的无机膜。
[8]根据[5]到[7]中的任一项所述的固态成像装置，其中
在对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中，入射光侧上的所述光电转换膜对蓝光执行光电转换，并且所述半导体衬底侧上的所述光电转换膜对绿光执行光电转换，并且
设置在所述半导体衬底内部的所述光电转换区对红光执行光电转换。
[9]根据[1]到[4]中的任一项所述的固态成像装置，其中
所述光电转换区设置在所述半导体衬底内部，并且对应于至少一种颜色，并且
滤色器安装在设置在所述半导体衬底外部的所述光电转换膜的入射光侧上。
[10]根据[9]所述的固态成像装置，其中
所述滤色器包括互补滤色器。
[11]一种电子设备，包括：
固态成像装置，其包括
光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有预定波长范围以外的波长范围的光；和
光电转换区，其逐个像素地设置在所述半导体衬底内部，并对具有所述波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过所述光电转换膜的所述波长范围，
所述光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。
[12]根据[11]所述的电子设备，其中
所述光电转换膜是由有机材料形成的有机膜。
[13]根据[11]所述的电子设备，其中
所述光电转换膜是由无机材料形成的无机膜。
[14]根据[11]或[12]所述的电子设备，其中
所述光电转换膜具有蓄积通过所述光电转换获得的电荷的功能。
[15]根据[11]所述的电子设备，其中
所述光电转换膜包括对应于两种颜色的层叠光电转换膜，并且
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个由具有所述雪崩功能的所述膜形成。
[16]根据[15]所述的电子设备，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由有机材料形成的有机膜。
[17]根据[15]所述的电子设备，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由无机材料形成的无机膜。
[18]根据[15]至[17]中的任一项所述的电子设备，其中
在对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中，入射光侧上的所述光电转换膜对蓝光执行光电转换，并且所述半导体衬底侧上的所述光电转换膜对绿光执行光电转换，并且
设置在所述半导体衬底内部的所述光电转换区对红光执行光电转换。
[19]根据[11]至[14]中的任一项所述的电子设备，其中
所述光电转换区设置在所述半导体衬底内部，并且对应于至少一种颜色，并且
滤色器安装在设置在所述半导体衬底外部的所述光电转换膜的入射光侧上。
[20]根据[19]所述的电子设备，其中
所述滤色器包括互补滤色器。
附图标记列表
11 硅衬底
12 绿光光电转换膜
13,37,42 绝缘膜
14,25,43 下电极
15,26 上电极
16 透明绝缘膜
17 透镜(片上透镜)
18 导线
19 栅极部分
20,29 浮动扩散部
21 蓝光光电转换区
22 红光光电转换区
23 垂直晶体管
24 蓝光光电转换膜
31 用于黄色的滤色器
32 品红光光电转换区
33 用于蓝绿色的滤色器
34 分隔壁
35 共用电极
36 像素电极
41 绿光雪崩膜
44 用于红光的滤色器
45 用于蓝光的滤色器。

Claims (20)

1.一种固态成像装置，包括：
光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有所述预定波长范围以外的波长范围的光；和
光电转换区，其逐个像素地设置在所述半导体衬底内部，并对具有所述波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过所述光电转换膜的所述波长范围，
所述光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。
2.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜是由有机材料形成的有机膜。
3.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜是由无机材料形成的无机膜。
4.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜具有蓄积通过所述光电转换获得的电荷的功能。
5.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述光电转换膜包括对应于两种颜色的层叠光电转换膜，并且
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个由具有所述雪崩功能的所述膜形成。
6.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由有机材料形成的有机膜。
7.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由无机材料形成的无机膜。
8.根据权利要求5所述的固态成像装置，其中
在对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中，入射光侧上的所述光电转换膜对蓝光执行光电转换，并且所述半导体衬底侧上的所述光电转换膜对绿光执行光电转换，并且
设置在所述半导体衬底内部的所述光电转换区对红光执行光电转换。
9.根据权利要求1所述的固态成像装置，其中
所述光电转换区设置在所述半导体衬底内部，并且对应于至少一种颜色，并且
滤色器安装在设置在所述半导体衬底外部的所述光电转换膜的入射光侧上。
10.根据权利要求9所述的固态成像装置，其中
所述滤色器包括互补滤色器。
11.一种电子设备，包括：
固态成像装置，其包括
光电转换膜，其逐个像素地设置在半导体衬底外部，对具有预定波长范围的光执行光电转换，并且透射具有所述预定波长范围以外的波长范围的光；和
光电转换区，其逐个像素地设置在所述半导体衬底内部，并对具有所述波长范围的光执行光电转换，所述光具有已经通过所述光电转换膜的所述波长范围，
所述光电转换膜包括具有雪崩功能的膜。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中
所述光电转换膜是由有机材料形成的有机膜。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中
所述光电转换膜是由无机材料形成的无机膜。
14.根据权利要求11所述的电子设备，其中
所述光电转换膜具有蓄积通过所述光电转换获得的电荷的功能。
15.根据权利要求11所述的电子设备，其中
所述光电转换膜包括对应于两种颜色的层叠光电转换膜，并且
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个由具有所述雪崩功能的所述膜形成。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由有机材料形成的有机膜。
17.根据权利要求15所述的电子设备，其中
对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中的每一个是由无机材料形成的无机膜。
18.根据权利要求15所述的电子设备，其中
在对应于所述两种颜色的所述光电转换膜中，入射光侧上的所述光电转换膜对蓝光执行光电转换，并且所述半导体衬底侧上的所述光电转换膜对绿光执行光电转换，并且
设置在所述半导体衬底内部的所述光电转换区对红光执行光电转换。
19.根据权利要求11所述的电子设备，其中
所述光电转换区设置在所述半导体衬底内部，并且对应于至少一种颜色，并且
滤色器安装在设置在所述半导体衬底外部的所述光电转换膜的入射光侧上。
20.根据权利要求19所述的电子设备，其中
所述滤色器包括互补滤色器。
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