CN111448663B - 摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置 - Google Patents
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Abstract
一种摄像元件，其设置有光电转换部，所述光电转换部包括层叠在一起的第一电极21、光电转换层23A和第二电极22，其中，在所述第一电极21和所述光电转换层23A之间形成有无机氧化物半导体材料层23B，并且所述无机氧化物半导体材料层23B含有铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子。
Description
技术领域
本公开涉及摄像元件、层叠型摄像元件和固态摄像装置。
背景技术
作为构成图像传感器等的摄像元件，近年来，层叠型摄像元件受到关注。层叠型摄像元件的结构中具有将光电转换层(受光层)夹在两个电极之间的结构。在这种层叠型摄像元件中，应设置有如下结构：其中，基于光电转换在光电转换层中产生的信号电荷被存储和传输。在传统结构中，应设置其中信号电荷被存储在FD(Floating Drain，浮动漏极)电极并被传输的结构，并且应该执行高速传输以使信号电荷不会延迟。
用于解决这种问题的摄像元件(光电转换元件)例如在JP 2016-63165号公报中被公开。该摄像元件包括：
存储电极，其形成在第一绝缘层上；
第二绝缘层，其形成在存储电极上；
半导体层，其形成为覆盖上述存储电极和所述第二绝缘层；
集电极，其形成为与所述半导体层接触并且形成为与所述存储电极分隔。
光电转换层，其形成在所述半导体层上；和
上电极，其形成在所述光电转换层上。
其中将有机半导体材料用于光电转换层的摄像元件能够执行特定颜色(波长带)的光电转换。具有这样的特性，在将所述摄像元件用作固态摄像装置中的摄像元件的情况下，能够得到在传统的固态摄像装置中无法实现的层叠有子像素的结构(摄像型摄像元件)，其中，片上滤色器(OCCF)和摄像元件的组合构成子像素，并且这些子像素以二维方式布置(例如，参见JP 2011-138927A)。另外，由于不需要去马赛克处理，因此该摄像元件具有不产生伪色的优点。在下面的说明中，为了方便，将在半导体基板上或在半导体基板的上侧设置有光电转换部的摄像元件称为“第一类型摄像元件”，为了方便，将构成第一类型摄像元件的光电转换部称为“第一类型光电转换部”，为了方便，将设置在半导体基板中的摄像元件称为“第二类型摄像元件”，并且为了方便，将构成第二类型摄像元件的光电转换部称为“第二类型光电转换部”。
图84示出了传统的层叠型摄像元件(层叠型固态摄像装置)的构造示例。在图84所示的示例中，用于构成作为第二类型的摄像元件的第三摄像元件343和第二摄像元件341的作为第二类型的光电转换部的第三光电转换部343A和第二光电转换部341A层叠且形成在半导体基板370中。此外，作为第一类型光电转换部的第一光电转换部310A被布置在半导体基板370的上侧(具体地，在第二摄像元件341的上侧)。在此，第一光电转换部310A包括第一电极321、包含有机材料的光电转换层323以及第二电极322，并且构成作为第一类型摄像元件的第一摄像元件310。在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，例如，基于吸收系数的差异，分别进行蓝光和红光的光电转换。另外，在第一光电转换部310A中，例如，进行绿光的光电转换。
通过第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中的光电转换产生的电荷被暂时存储在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，随后分别经由垂直晶体管(示出了栅极部345)和传输晶体管(示出了栅极部346)被分别传输到第二浮动扩散层(FloatingDiffusion)FD2和第三浮动扩散层FD3，并进一步输出到外部读出电路(未示出)。这些晶体管以及浮动扩散层FD2和FD3也形成在半导体基板370中。
通过第一光电转换部310A中的光电转换产生的电荷经由接触孔部361和配线层362存储在形成于半导体基板370中的第一浮动扩散层FD1中。另外，第一光电转换部310A经由接触孔部361和配线层362还连接到用于将电荷量转换成电压的放大晶体管的栅极部352。第一浮动扩散层FD1构成复位晶体管(示出了栅极部351)的一部分。附图标记371表示元件分隔区域，附图标记372表示在半导体基板370的表面上形成的氧化膜，附图标记376和381表示层间绝缘层，附图标记383表示绝缘层，并且附图标记314表示片上微透镜。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 2016-63165号公报
专利文献2：JP 2011-138927号公报
发明内容
技术问题
然而，根据在2016-63165号公报中公开的技术，存在存储电极和在其上形成的第二绝缘层应形成为相同长度的限制，精确地规定了与集电极有关的间隙等，这使得制造过程复杂，导致产率降低。此外，尽管对构成半导体层的材料进行了一些说明，但是未对更具体地材料的组成和构造进行说明。另外，对半导体层的迁移率与存储的电荷之间的相关性表达式进行了说明。但是，未对与电荷传输的改善相关的事项进行说明，例如，关于与半导体层的迁移率相关的事项以及与位于半导体层与光电转换层的邻接于半导体层的部分之间的能级的关系相关的事项，这些事项对于产生的电荷的传输非常重要。
因此，本公开的目的在于提供一种摄像元件、一种层叠型摄像元件和一种固态摄像装置，它们具有简单的构造和结构，但是在光电转换层中存储的电荷的传输特性方面却非常优秀。
技术问题的解决方案
为了实现上述目的，本公开的摄像元件包括：
光电转换部，其包括彼此层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极和所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子。
为了实现上述目的，本公开的层叠型摄像元件具有至少一个如上所述的本公开的摄像元件。
为了实现上述目的，根据本公开的第一模式的固态摄像装置包括多个如上所述的本公开的摄像元件。另外，为了实现上述目的，根据本公开的第二模式的固态摄像装置包括多个如上所述的本公开的层叠型摄像元件。
附图说明
图1是实施例1的摄像元件的示意性局部剖视图。
图2是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图3是实施例1的摄像元件的等效电路图。
图4是构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图5是示意性地示出在实施例1的摄像元件操作时各个部分的电位状态的图。
图6A、图6B和图6C是用于说明图5(实施例1)、图20和图21(实施例4)以及图32和图33(实施例6)的各个部分的实施例1、4和6的摄像元件的等效电路图。
图7是构成实施例1的摄像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图8是构成实施例1的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图9是实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图。
图10是构成图9所示的实施例1的变形例的第一电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图11是实施例2的摄像元件的示意性局部剖视图。
图12是实施例3的摄像元件的示意性局部剖视图。
图13是实施例3的摄像元件的变形例的示意性局部剖视图。
图14是实施例3的摄像元件的另一变形例的示意性局部剖视图。
图15是实施例3的摄像元件的另一变形例的示意性局部剖视图。
图16是实施例4的摄像元件的部分的示意性局部剖视图。
图17是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图18是实施例4的摄像元件的等效电路图。
图19是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图20是示意性地示出在实施例4的摄像元件的操作时各个部位的电位状态的图。
图21是示意性地示出在实施例4的摄像元件的另一操作时各个部位的电位状态的图。
图22是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图23是构成实施例4的摄像元件的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图24是构成实施例4的摄像元件的变形例的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图25是实施例5的摄像元件的部分的示意性局部剖视图。
图26是构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的示意性布置图。
图27是构成实施例5的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极以及接触孔部的示意性立体图。
图28是实施例6的摄像元件的示意性局部剖视图。
图29是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图30是实施例6的摄像元件的等效电路图。
图31是构成实施例6的摄像元件的第一电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图32是示意性地示出在实施例6的摄像元件的操作时各个部位的电位状态的图。
图33是示意性地示出实施例6的摄像元件的另一操作(传输)时各个部分的电位状态的图。
图34是构成实施例6的摄像元件的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图35是构成实施例6的摄像元件的第一电极、电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
图36是构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图37是实施例7的摄像元件的示意性局部剖视图。
图38是在实施例7的摄像元件中的其中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性的局部放大剖视图。
图39是构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图40是在实施例8的摄像元件中的其中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性的局部放大剖视图。
图41是实施例9的摄像元件的示意性局部剖视图。
图42是实施例10和实施例11的摄像元件的示意性局部剖视图。
图43A和图43B是实施例11的电荷存储电极段的示意性平面图。
图44A和图44B是实施例11的电荷存储电极段的示意性平面图。
图45是构成实施例11的摄像元件的第一电极、电荷存储电极和构成控制部的晶体管的示意性布置图。
图46是构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。
图47是实施例12和实施例11的摄像元件的示意性局部剖视图。
图48A和图48B是实施例12中的电荷存储电极段的示意性平面图。
图49是实施例13的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图50是实施例13的固态摄像装置的第一变形型中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图51是实施例13的固态摄像装置的第二变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图52是实施例13的固态摄像装置的第三变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图53是实施例13的固态摄像装置的第四变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图54是实施例13的固态摄像装置的第五变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图55是实施例13的固态摄像装置的第六变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图56是实施例13的固态摄像装置的第七变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图57是实施例13的固态摄像装置的第八变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图58是实施例13的固态摄像装置的第九变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图59A、图59B和图59C是示出实施例13的摄像元件块中的读取驱动示例的流程图。
图60是实施例14的固态摄像装置中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图61是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图62是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图63是实施例14的固态摄像装置的变形例中的第一电极和电荷存储电极段的示意性平面图。
图64是实施例1的摄像元件的另一变形例的示意性局部剖视图。
图65是实施例1的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图66A、图66B和图66C是实施例1的摄像元件的又一变形例的第一电极等的部分的示意性的局部放大剖视图。
图67是实施例5的摄像元件的又一变形例的电荷排出电极等的部分的示意性的局部放大剖视图。
图68是实施例1的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图69是实施例1的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图70是实施例1的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图71是实施例4的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图72是实施例1的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图73是实施例4的摄像元件的又一变形例的示意性局部剖视图。
图74是在实施例7的摄像元件的变形例中的其中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性的局部放大剖视图。
图75是在实施例8的摄像元件的变形例中的其中层叠有电荷存储电极、光电转换层和第二电极的部分的示意性的局部放大剖视图。
图76是其中沟道形成区包含InaGabSncZndOe等的TFT中的Vgs与Id之间的关系的曲线图。
图77A和图77B是分别示出实施例1中的评估样品和比较样品的暗电流特性和外部量子效率的评估结果的曲线图。
图78是实施例1的固态摄像装置的概念图。
图79是其中在电子装置(相机)中使用包括本公开的摄像元件等的固态摄像装置的示例的概念图。
图80是示出车辆控制***的示意性构造的示例的框图。
图81是用于说明车外信息检测部和摄像部的安装位置的示例的图。
图82是示出内窥镜手术***的示意性构造的示例的图。
图83是示出摄像头和相机控制单元(CCU)的功能构造的示例的框图。
图84是传统的层叠型摄像元件的概念图。
具体实施方式
下面将基于实施例并参考附图来说明本公开，但是本公开不限于这些实施例，并且实施例中的各种数值和材料仅是说明性的。注意，将按照以下顺序进行说明。
1.本公开的摄像元件、本公开的层叠型摄像元件以及根据本公开的第一和第二模式的固态摄像装置的概述。
2.实施例1(本发明的摄像元件、本发明的层叠型摄像元件以及根据本发明的第二模式的固态摄像装置)
3.实施例2(实施例1的变形例)
4.实施例3(实施例1和2的变形例，根据本发明的第一模式的固态摄像装置)
5.实施例4(实施例1至3的变形例，包含传输控制电极的摄像元件)
6.实施例5(实施例1至4的变形例，包含电荷排出电极的摄像元件)
7.实施例6(实施例1至5的变形例，包含多个电荷存储电极段的摄像元件)
8.实施例7(第一和第六构造的摄像元件)
9.实施例8(本公开的第二和第六构造的摄像元件)
10.实施例9(第三构造的摄像元件)
11.实施例10(第四构造的摄像元件)
12.实施例11(第五构造的摄像元件)
13.实施例12(第六构造的摄像元件)
14.实施例13(第一和第二构造的固态摄像装置)
15.实施例14(实施例13的变形例)
16.其它
<本公开的摄像元件、本公开的层叠型摄像元件以及根据本公开的第一模式和第二模式的固态摄像装置的概述>
在本公开的摄像元件、构成本公开的层叠型摄像元件的本公开的摄像元件、以及构成本公开的第一模式和第二模式的固态摄像装置的本公开的摄像元件(这些摄像元件在下文中统称为“本公开的摄像元件等”)中，当无机氧化物半导体材料层由InaGabSncZndOe表示时，能够满足
1.8<(b+c)/a<2.3
并且
2.3<d/a<2.6。
此外，能够满足b＞0。注意，虽然b/c的比率的示例可以包括1/9至9/1，但最优选的是1/1的比率。另外，除了铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子之外，无机氧化物半导体材料层还可包含其它金属原子。此外，优选满足
3.3<e/a<8.5。
在包括上述优选模式的本公开的摄像装置等中，光电转换部可以进一步包括绝缘层和电荷存储电极，电荷存储电极被布置为与第一电极分隔并且被布置为隔着绝缘层面对无机氧化物半导体材料层。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1和构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2优选满足
E2–E1≥0.1eV，并且
更优选
E2–E1>0.1eV。
在此，“光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分”是指：以无机氧化物半导体材料层与光电转换层之间的界面作为基准，光电转换层的位于与光电转换层的厚度的10％以内相对应的区域(或者，在光电转换层的厚度的0％到10％范围内的区域)中的部分。构成光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1是光电转换层的位于无机氧化物半导体材料层附近的部分的平均值，构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2为无机氧化物半导体材料层的平均值。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率可以等于或大于10cm2/V·s。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，无机氧化物半导体材料层可以是非晶态的(例如，是非晶态的并且局部不具有晶体结构)。可以基于X射线衍射分析确定无机氧化物半导体材料层是否为非晶态。
另外，在具有上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，无机氧化物半导体材料层的厚度可以为1×10-8至1.5×10-7m，优选为2×10-8m至1.0×10-7m，更优选3×10-8至1.0×10-7m。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，
光可以从第二电极入射，并且
在光电转换层与无机氧化物半导体材料层之间的界面处的无机氧化物半导体材料层的表面粗糙度Ra可以等于或小于1.5nm，并且无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值可以等于或小于2.5nm。表面粗糙度Ra和Rq基于JIS B0601：2013的规定。光电转换层和无机氧化物半导体材料层的界面处的无机氧化物半导体材料层的这种光滑度能够抑制在无机氧化物半导体材料层上的表面散射反射，并且能够增强光电转换中的光电流特性。电荷存储电极的表面粗糙度Ra可以等于或小于1.5nm，并且电荷存储电极的均方根粗糙度Rq的值可以等于或小于2.5nm。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像装置等中，无机氧化物半导体材料层的载流子密度优选小于1×1016/cm3。
在图84所示的传统的摄像元件中，由第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中的光电转换产生的电荷被暂时存储在第二光电转换部341A和第三光电转换部343A中，然后被传输到第二浮动扩散层FD2和第三浮动扩散层FD3。因此，第二光电转换部341A和第三光电转换部343A能够被完全耗尽。然而，在第一光电转换部310A中由光电转换产生的电荷被直接存储在第一浮动扩散层FD1中。因此，难以完全耗尽第一光电转换部310A。结果，kTC噪声可能增大，并且随机噪声可能恶化，从而导致拍摄图像质量降低。
如上所述，在本公开的摄像装置等中，设置了与第一电极分隔地布置并且隔着绝缘层面对无机氧化物半导体材料层设置的电荷存储电极，因此确保了当用光照射光电转换部并且再光电转换部中发生光电转换时，电荷可以存储在无机氧化物半导体材料层中(在某些情况下，在无机氧化物半导体材料层和光电转换层中)。因此，当开始曝光时，电荷存储部能够被完全耗尽，并且能够消除电荷。结果，能够抑制产生如下情况的产生：kTC噪声增大并且随机噪声恶化，从而导致拍摄图像质量降低。注意，在下面的说明中，无机氧化物半导体材料层，或无机氧化物半导体材料层和光电转换层可统称为“无机氧化物半导体材料层等”。
无机氧化物半导体材料层可以具有单层构造或多层构造。另外，构成位于电荷存储电极的上侧的无机氧化物半导体材料层的材料和构成位于第一电极的上侧的无机氧化物半导体材料层的材料可以彼此不同。
无机氧化物半导体材料层可以例如基于溅射法形成。具体地，溅射法的示例包括其中使用平行平板溅射装置或DC磁控溅射装置作为溅射装置，使用氩(Ar)气体作为处理气体以及使用InaGabSncZndOe烧结体作为目标的溅射法。
注意，通过控制在基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层时导入的氧气的量(氧气分压)，能够控制无机氧化物半导体材料层的能级。具体而言，优选地将基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层时的氧气分压(＝(氧气压力)/(氩气和氧气的总压力))设定为0.005至0.10的值。此外，在本公开的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层的氧含量可以低于化学计量的氧含量。此处，可以基于氧含量来控制无机氧化物半导体材料层的能级，并且当氧含量低于化学计量的氧含量时，即，当氧缺乏量较大时，可以使能级更深。
为了方便，包括上述优选方式并且包括电荷存储电极的本公开的摄像元件等在下文中可以被称为“包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等”。
在包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等中，无机氧化物半导体材料层相对于波长为400至660nm的光的透光率优选等于或大于65％。另外，电荷存储电极相对于400至660nm波长的光的透光率也优选等于或大于65％。电荷存储电极的薄层电阻优选为3×10至1×103Ω/□。
在包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等中，
摄像元件等可以进一步包括半导体基板，并且
光电转换部可以设置在半导体基板的上侧。注意，第一电极、电荷存储电极和第二电极连接到稍后将说明的驱动电路。
位于光入射侧的第二电极可以被多个摄像元件共用。换句话说，第二电极可以是所谓的固体电极。光电转换层可以被多个摄像元件共用。换句话说，可以为多个摄像元件形成一个光电转换层，或者可以基于每个摄像元件来设置一个光电转换层。优选基于每个摄像元件设置无机氧化物半导体材料层，但是在某些情况下，多个摄像元件可以共用。换句话说，例如，可以在摄像元件和另一摄像元件之间设置稍后将描述的电荷移动控制电极，从而可以为多个摄像元件形成一个无机氧化物半导体材料层。
此外，在包括具有上述各种优选模式的本公开的电荷存储电极的摄像元件等中，第一电极可以在设置在绝缘层中的开口中延伸，并且可以连接至无机氧化物半导体材料层。可替代地，无机氧化物半导体材料层可以在设置在绝缘层中的开口中延伸，并且可以连接到第一电极。在这种情况下，
第一电极的顶表面的边缘部可以被绝缘层覆盖，
第一电极可以在开口的底表面露出，并且
绝缘层的与第一电极的顶表面接触的表面为第一表面，并且绝缘层的与无机氧化物半导体材料层的面对电荷存储电极的部分接触的表面为第二表面，开口的侧表面可以具有从第一表面朝向第二表面变宽的倾斜度，此外，具有从第一表面朝向第二表面变宽的倾斜度的开口的侧表面可以位于电荷存储电极侧。
此外，在包括具有上述各种优选模式的本公开的电荷存储电极的摄像元件等中，
摄像元件等可以进一步包括设置在半导体基板上并具有驱动电路的控制部，
第一电极和电荷存储电极可以连接到驱动电路，
在电荷存储时段，可以从驱动电路将电位V11施加在第一电极上，将电位V12施加在电荷存储电极上，并且可以将电荷存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)，并且
在电荷传输时段，可以从驱动电路将电位V21施加在第一电极上，将电位V22施加在电荷存储电极上，存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷可以通过第一电极被读出到控制部。然而，应注意，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且满足
V12≥V11，并且V22<V21。
此外，在包括具有上述各种优选模式的本公开的包括电荷存储电极的摄像元件等中，摄像元件等还可以包括在第一电极与电荷存储电极之间的传输控制电极(电荷传输电极)，该传输控制电极被设置为与第一电极和电荷存储电极分隔开，并隔着绝缘层面对无机氧化物半导体材料层。为了方便，将以这种方式包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等称为“包括本公开的传输控制电极的摄像元件等”。
在包括本公开的传输控制电极的摄像元件等中，
摄像元件等还可以包括设置在半导体基板上并具有驱动电路的控制部，
第一电极、电荷存储电极和传输控制电极能够连接到驱动电路，
在电荷存储时段，可以从驱动电路将电位V11施加在第一电极上，将电位V12施加在电荷存储电极上，将电位V13施加在传输控制电极上，并且电荷可以存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，并且
在电荷传输时段，可以从驱动电路将电位V21施加在第一电极上，将电位V22施加在电荷存储电极上，将电位V23施加在传输控制电极上，并且存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷可通过第一电极被读出到控制部。注意，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且满足
V12＞V13，且V22≤V23≤V21。
此外，包括上述各种优选模式的本公开的包含电荷存储电极的摄像元件等还可以包括电荷排出电极，该电荷排出电极连接到无机氧化物半导体材料层，并且被布置为与第一电极和电荷存储电极分隔。为了方便，将以这种方式包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等称为“包括本公开的电荷排出电极的摄像元件等”。在包括本公开的电荷排出电极的摄像元件等中，电荷排出电极可以被设置为包围第一电极和电荷存储电极(换言之，以相框状的形式)。多个摄像元件可以共用一个电荷排出电极。在这种情况下，
无机氧化物半导体材料层可以在设置于绝缘层中的第二个开口中延伸，并且可以连接到电荷排出电极，
电荷排出电极的顶表面的边缘部可以被绝缘层覆盖，
电荷排出电极可以在开口的底表面露出，并且
绝缘层的与电荷排出电极的顶表面接触的表面为第三表面，并且绝缘层的与该无机氧化物半导体材料层的面对电荷存储的部分接触的表面为第二表面，则第二开口的侧表面可以具有从第三表面朝向第二表面变宽的倾斜度。
此外，在包括本发明的电荷排出电极的摄像元件等中，
摄像元件等还可以包括设置在半导体基板上并具有驱动电路的控制部，
第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极可以连接到驱动电路，
在电荷存储时段，可以从驱动电路将电位V11施加在第一电极上，将电位V12施加在电荷存储电极上，可以将电位V14施加在电荷排出电极上，并且电荷可以存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中，以及
在电荷传输时段，可以从驱动电路将电位V21施加在第一电极上，将电位V22施加在电荷存储电极上，将电位V24施加在电荷排出电极上，并且存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷可通过第一电极被读出到控制部。注意，第一电极的电位高于第二电极的电位，并且满足
满足V14>V11，并且V24<V21。
此外，在包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等的上述各种优选模式中，电荷存储电极可以包括多个电荷存储电极段。为了方便，将以这种方式包括本公开的电荷存储电极的摄像元件等称为“包括本公开的多个电荷存储电极段的摄像元件等”。电荷存储电极段的数量仅需等于或大于两个。在包括本公开的多个电荷存储电极段的摄像元件等中，在N个电荷存储电极段上分别施加不同的电位的情况下，
在第一电极的电位高于第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段，施加在距离第一电极最近的位置处的电荷存储电极段(第一光电转换部段)上的电位可以高于施加在距离第一电极最远的位置处的电荷存储电极段(第N光电转换部段)上的电位，并且
在第一电极的电位低于第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段，施加在距离第一电极最近的位置处的电荷存储电极段(第一光电转换部段)上的电位可以低于施加在距离第一电极最远的位置处的电荷存储电极段(第N光电转换部段)上的电位。
在包括上述各种优选模式的本公开的包含电荷存储电极的摄像元件等中，
半导体基板可以设置有构成控制部的至少浮动扩散层和放大晶体管，并且
第一电极可以连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部。在这种情况下，
半导体基板可以进一步设置有构成控制部的复位晶体管和选择晶体管，
浮动扩散层可以连接到复位晶体管的一侧的源极/漏极区域，并且
放大晶体管的一侧的源极/漏极区域可以连接到选择晶体管的一侧的源极/漏极区域，选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域可以连接到信号线。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的包含电荷存储电极的摄像元件等中，电荷存储电极的尺寸可以大于第一电极的尺寸。若电荷存储电极的面积为S1’，第一电极的面积为S1，则优选满足
4≤S1’/S1
尽管这不是限制性的。
可替代地，包括上述各种优选模式的本公开的摄像元件等的变形例可以包括以下说明的第一至第六构造的摄像元件。在包括上述各种优选模式的本公开的摄像元件的第一至第六构造等的摄像元件中，
光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段，
无机氧化物半导体材料层和光电转换层包括N个光电转换层段，
绝缘层包括N个绝缘层段，
在第一至第三构造的摄像元件中，电荷存储电极包括N个电荷存储电极段，
在第四和第五构造的摄像元件中，电荷存储电极包括彼此分隔设置的N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3...N)光电转换部段包括第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，并且
n值越大的光电转换部段与第一电极的距离越大。在此，“光电转换层段”是指其中光电转换层和无机氧化物半导体材料层层叠的区段。
在第一构造的摄像元件中，绝缘层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化。在第二构造的摄像元件中，光电转换层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化。注意，在光电转换层段中，可以通过改变光电转换层的部分的厚度并保持无机氧化物半导体材料层的部分的厚度恒定来改变光电转换层段的厚度，可以通过保持光电转换层的部分的厚度恒定并改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度来改变光电转换层段的厚度，或者通过改变光电转换层的部分的厚度并改变无机氧化物半导体材料层的部分的厚度来改变光电转换层段的厚度。此外，在第三构造的摄像元件中，构成绝缘层段的材料在相邻的光电转换部段之间是不同的。另外，在第四构造的摄像元件中，构成电荷存储电极段的材料在相邻的光电转换部段之间是不同的。此外，在第五构造的摄像元件中，电荷存储电极段的面积在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐减小。面积可以连续减小，或者可以阶梯式减小。
可替代地，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像元件的第六构造等的摄像元件中，令电荷存储电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠方向为Z方向，并令远离第一电极的方向为X方向，则当沿着YZ虚拟平面切割层叠部分时，电荷存储电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分的截面积根据与第一电极的距离而变化，截面积可以连续变化，或者可以阶梯式变化。
在第一和第二构造的摄像元件中，连续设置N个光电转换层段，连续设置N个绝缘层段，并且连续设置N个电荷存储电极段。在第三至第五构造的摄像元件中，连续设置N个光电转换层段。另外，在第四和第五构造的摄像元件中，连续设置N个绝缘层段，而在第三构造的摄像元件中，与各个光电转换部段相对应地设置N个绝缘层段。此外，在第四和第五构造的摄像元件中，并且在第三构造的摄像元件中的某些情况下，与各个光电转换部段相对应地设置N个电荷存储电极段。在第一至第六构造的摄像元件中，在所有电荷存储电极段上施加相同的电位。可替代地，在第四和第五构造的摄像元件中，并且在第三构造的摄像元件中的某些情况下，可以在N个电荷存储电极段的每一个上施加不同的电位。
在包括第一至第六构造的摄像元件的本公开的摄像元件等中，限定了绝缘层段的厚度，或者限定了光电转换层段的厚度，或者构成绝缘层段的材料不同，或者构成电荷存储电极段的材料不同，或者限定了电荷存储电极段的面积，或者限定了层叠部分的截面积，因此，形成了某种电荷传输梯度，并且可以将由光电转换产生的电荷更容易且可靠地传输至第一电极。结果，可以防止残像的产生和未传输残留电荷的产生。
在第一至第五构造的摄像元件等中，具有越大的n值的光电转换部段与第一电极间隔越大；在这种情况下，以X方向为基准来确定是否存在与第一电极分隔设置的部分。另外，在第六构造的摄像元件中，将远离第一电极的方向设定为X方向，并且“X方向”被如下定义。布置有多个摄像元件或层叠型摄像元件的像素区域包括以二维阵列布置或沿X方向和Y方向规则地布置的多个像素。在像素的平面形状为矩形的情况下，最靠近第一电极的矩形的边延伸的方向为Y方向，与Y方向正交的方向为X方向。可选地，在像素的平面形状为任意形状的情况下，将其中包括最接近第一电极的线段或曲线的总体方向设为Y方向，并且与Y方向正交的方向为X方向。
关于第一至第六构造的摄像元件，下面将说明第一电极的电位高于第二电极的电位的情况。
在第一构造的摄像元件中，绝缘层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化；在这种情况下，优选地，绝缘层段的厚度逐渐增加，并且因此，形成一种电荷传输梯度。当在电荷存储时段建立|V12|≥|V11|的状态时，第n个光电转换部段能够比第(n+1)个光电转换部段存储更多的电荷，并且通过施加强电场，因此可以确保防止从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动。另外，当在电荷传输时段建立|V22|<|V21|的状态时，可以确保从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n光电转换部段的电荷流动。
在第二构造的摄像元件中，光电转换层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化；在这种情况下，优选地，光电转换层段的厚度逐渐增加，并且因此，形成一种电荷传输梯度。当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，在第n个光电转换部段上施加的电场要比在第(n+1)个光电转换部段上施加的电场强，因此，可以确保防止从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动。当在电荷传输时段建立V22<V21的状态时，可以确保从第一个光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n个光电转换部段的电荷流动。
在第三构造的摄像元件中，构成绝缘层段的材料在相邻的光电转换部段之间是不同的，从而形成一种电荷传输梯度。在这种情况下，优选的是，构成绝缘层段的材料的相对介电常数的值在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐减小。通过采用这种构造，当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，在第n个光电转换部段中能够存储的电荷比第(n+1)个光电转换部段中更多。另外，当在电荷传输时段中建立V22<V21的状态时，可以确保从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n光电转换部段的电荷流动。
在第四构造的摄像元件中，构成电荷存储电极段的材料在相邻的光电转换部段之间是不同的，并且因此，形成一种电荷传输梯度。在这种情况下，优选的是，构成绝缘层段的材料的功函数的值在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐增大。通过采用这样的构造，能够形成有利于信号电荷传输的电位梯度，而与电压是正还是负没有关系。
在第五构造的摄像元件中，电荷存储电极段的面积在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐减小，并且因此，形成一种电荷传输梯度。因此，当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，在第n个光电转换部段中存储的电荷比第(n+1)个光电转换部段中存储的电荷更多。另外，当在电荷传输时段中建立V22<V21的状态时，可以确保从第一个光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n个光电转换段的电荷流动。
在第六构造的摄像元件中，层叠部分的截面积根据与第一电极的距离而变化，并且因此，形成一种电荷传输梯度。具体地，当采用其中层叠部分的截面的厚度恒定并且层叠部分的截面的宽度在远离第一电极的过程中变窄的构造时，如在在第五构造的摄像元件中所说明的，可以确保当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，在靠近第一电极的区域中存储的电荷比远离第一电极的区域中存储的电荷更多。因此，当在电荷传输时段中建立V22＜V21的状态时，可以确保从第一电极附近的区域到第一电极的电荷流动，以及从远离第一电极的区域到靠近第一电极的区域的电荷流动。另一方面，当采用层叠部分的截面的宽度恒定并且层叠部分的截面的厚度，具体地，绝缘层段的厚度逐渐增大的构造时，如在第一构造的摄像元件中所说明的，可以确保当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，在第一电极附近的区域中存储的电荷比在远离第一区域的区域中存储的电荷更多，并且，通过施加强电场，可以确保防止从第一电极附近的区域到第一电极的电荷流动。当在电荷传输时段中建立V22<V21的状态时，可以确保从第一电极附近的区域到第一电极的电荷流动，从远离第一电极的区域到靠近第一电极的区域的电荷流动。另外，当采用其中光电转换层段的厚度逐渐增大的构造时，如在第二构造的摄像元件中所说明的，可以确保：在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，对第一电极附近的区域施加的电场比对远离第一电极的区域施加的电场强，因此可以确保防止从第一电极附近的区域向第一电极的电荷流动。当在电荷传输时段中建立V22<V21的状态时，可以确保从第一电极附近的区域到第一电极的电荷流动，以及从远离第一电极的区域到第一电极附近的区域的电荷流动。
本公开的第一模式和第二模式的固态摄像装置的变形例是一种固态摄像装置，包括
第一至第六构造的多个摄像元件，
其中，多个摄像元件构成摄像元件块，并且
第一电极由构成摄像元件块的多个摄像元件共用。为了方便，将这种构造的固态摄像装置称为“第一构造的固态摄像装置”。可替代地，本公开的第一和第二模式的固态摄像装置的变形例可以是固态摄像装置，其包括
第一至第六构造的多个摄像元件或具有第一至第六构造的至少一个摄像元件的多个层叠型摄像元件，
其中，多个摄像元件或层叠型摄像元件构成摄像元件块，并且
第一电极被构成摄像元件块的多个摄像元件或层叠型摄像元件共用。为了方便，将这种构造的固态摄像装置称为“第二构造固态摄像装置”。这样，在构成摄像元件块的多个摄像元件共用第一电极的情况下，可以使其中布置有多个摄像元件的像素区域的构造和结构简化和更精细。
在第一和第二构造的固态摄像装置中，为多个摄像元件(一个摄像元件块)设置一个浮动扩散层。在此，为一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以包括稍后描述的多个第一类型摄像元件，或者可以包括稍后描述的至少一个第一类型摄像元件和一个或多个第二类型摄像元件。通过适当地控制电荷传输时段的时序，多个摄像元件可以共用一个浮动扩散层。多个摄像元件彼此协同地操作，并且它们作为摄像元件块连接至稍后将描述的驱动电路。换句话说，构成摄像元件块的多个摄像元件连接到一个驱动电路。但是要注意，电荷存储电极的控制是基于每个摄像元件进行的。另外，多个摄像元件可以共用一个接触孔部。多个摄像元件共用的第一电极与每个摄像元件的电荷存储电极之间的布局关系可以为：其中，第一电极与每个摄像元件的电荷存储电极相邻地布置。可替代地，第一电极可以邻近于多个摄像元件中的一些摄像元件的电荷存储电极设置，但是可以不邻近于多个摄像元件中的其余的电荷存储电极。在这种情况下，从多个摄像元件中的所述其余的电荷存储电极到第一电极的电荷移动是经由多个摄像元件中的所述一些摄像元件的移动。优选地，为了确保从每个摄像元件向第一电极的电荷移动，构成摄像元件的电荷存储电极与构成摄像元件的另一电荷存储电极之间的距离(为方便起见，将该距离称为“距离A”)比第一电极与和所述第一电极相邻的摄像元件中的电荷储存电极之间的距离(为了方便，将该距离称为“距离B”)更长。另外，优选的是，随着摄像元件与第一电极的间隔增大，将距离A的值设定得更大。
此外，在包括上述各种优选模式的本公开的摄像元件等中，可以从第二电极侧入射光，并且可以在第二电极附近的光入射侧形成遮光层。可替代地，光可以从第二电极侧入射，但是光可以不入射在第一电极上(在某些情况下，可以不入射在第一电极和传输控制电极上)。在这种情况下，可以在第二电极附近的光入射侧和第一电极的上侧(在某些情况下，第一电极和传输控制电极的上侧)上形成遮光层，或者可以在电荷存储电极和第二电极的上侧设置片上微透镜，并且可以将入射在片上微透镜上的光会聚到电荷存储电极上。这里，遮光层可以设置在第二电极的光入射侧表面的上方，或者可以设置在第二电极的光入射侧表面上。在某些情况下，第二电极可以形成有遮光层。构成遮光层的材料的示例包括铬(Cr)、铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)和非透光树脂(例如，聚酰亚胺树脂)。
本公开的摄像元件的具体示例包括：包含吸收蓝光(425至495nm的光)的光电转换层或光电转换部(为方便称为“第一类型蓝光光电转换层”或“第一类型蓝光光电转换部”)的对蓝光敏感的摄像元件(为方便称为“第一类型蓝光摄像元件”)，包括吸收绿光(495至570nm的光)的光电转换层或光电转换部(为方便称为“第一类型绿光光电转换层”或“第一类型绿光光电转换部”)的对绿光敏感的摄像元件(为方便称为“第一类型绿光摄像元件”)，以及包括吸收红光(620至750nm的光)的光电转换层或光电转换部(为方便称为“第一类型红光光电转换层”或“第一类型红光光电转换部”)的对红光敏感的摄像元件(为方便称为“第一类型红光摄像元件”)。另外，在传统的不包括电荷存储电极的摄像元件中，为了方便，将对蓝光敏感的摄像元件称为“第二类型蓝光摄像元件”，为了方便，将对绿光敏感的摄像元件称为“第二类型绿光摄像元件”，并且为了方便，将对红光敏感的摄像元件称为“第二类型红光摄像元件”。为了方便，将构成第二类型蓝光摄像元件的光电转换层或光电转换部称为“第二类型蓝光光电转换层”或“第二类型蓝光光电转换部”，为了方便，将构成第二类型绿光摄像元件的光电转换层或光电转换部称为“第二类型绿光光电转换层”或“第二类型绿光光电转换层”，为了方便，将构成第二类型红光摄像元件的光电转换层或光电转换部称为“第二类型红光光电转换层”或“第二类型红光光电转换部”。
包括电荷存储电极的层叠型摄像元件的具体示例包括：
[A]一种构造或结构，其中，第一类型的蓝光光电转换部，第一类型的绿光光电转换部和第一类型的红光光电转换部在垂直方向上层叠，并且
第一类型的蓝光摄像元件、第一类型的绿光摄像元件和第一类型的红光摄像元件的各个控制部设置在半导体基板上。
[B]一种构造或结构，其中第一类型的蓝光光电转换部和第一类型的绿光光电转换部在垂直方向上层叠，
第二类型的红色光电转换部设置在这两个第一类型的光电转换部的下侧，
第一类型的蓝光摄像元件、第一类型的绿光摄像元件和第二类型的红光摄像元件的相应的控制部都设置在半导体基板上。
[C]一种构造或结构，其中，第二类型的蓝光光电转换部和第二类型的红光光电转换部设置在第一类型的绿光光电转换部的下侧，并且
第一类型的绿光摄像元件、第二类型的蓝光摄像元件和第二类型的红光摄像元件的相应的控制部均设置在半导体基板上；以及
[D]一种构造或结构，其中，第二类型的绿光光电转换部和第二类型的红光光电转换部设置在第一类型蓝光光电转换部的下侧，并且
第一类型的蓝光摄像元件、第二类型的绿光摄像元件和第二类型的红光摄像元件的相应的控制部均设置在半导体基板上。
这些摄像元件的光电转换部在垂直方向上的设置顺序优选为沿着光入射方向蓝光光电转换部、绿光光电转换部和红光光电转换部，或者沿着光入射方向绿光光电转换部、蓝光光电转换部和红光光电转换部。这是因为较短波长的光在入射表面侧上被更有效地吸收。由于红光是三种颜色的光中波长最长的，因此优选将红光光电转换部设置在从光入射面观察的最下层。通过这些摄像元件的层叠结构，构成一个像素。另外，可以设置第一类型的近红外光光电转换部(或红外光电转换部)。这里，优选地，第一类型的近红外光光电转换部的光电转换层包括例如有机材料，是第一类型的摄像元件的层叠结构中的最下层，并且设置在第二类型的摄像元件的上方。可替代地，可以在第一类型的光电转换部的下侧设置第二类型的近红外光光电转换部(或红外光电转换部)。
在第一类型的摄像元件中，例如，第一电极形成在设置在半导体基板上的层间绝缘层上。形成在半导体基板上的摄像元件可以是背面照射型或正面照射型。
在光电转换层包括有机材料的情况下，光电转换层可以为以下四种模式中的任何一种：
(1)包括p型有机半导体；
(2)包括n型有机半导体；
(3)包括p型有机半导体层/n型有机半导体层的层叠层结构。包括p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)/n型有机半导体层的层叠层结构。包括p型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)的层叠层结构。包括n型有机半导体层/p型有机半导体和n型有机半导体的混合层(体异质结构)的层叠层结构；以及
(4)包括p型有机半导体和n型有机半导体的混合物(体异质结构)。
然而注意，层叠顺序可以任意地重新布置(变形)。
p型有机半导体的示例包括萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、芘衍生物、苝衍生物、并四苯衍生物、并五苯衍生物、喹吖啶酮衍生物、噻吩衍生物、噻吩并噻吩衍生物、苯并噻吩衍生物、苯并噻吩并苯并噻吩衍生物、三烯丙基胺衍生物、咔唑衍生物、苝衍生物、苉衍生物、衍生物、荧蒽衍生物、酞菁衍生物、亚酞菁衍生物、亚卟啉衍生物、具有杂环化合物作为配体的金属络合物、聚噻吩衍生物、聚苯并噻唑衍生物、聚芴衍生物等。n型有机半导体的示例包括富勒烯和富勒烯衍生物(例如，诸如C60、C70和C74富勒烯等的富勒烯(高级富勒烯)，或者内嵌富勒烯等)或者富勒烯衍生物(例如，富勒烯氟化物、PCBM富勒烯化合物、富勒烯聚合物等))，具有比p型有机半导体更大(更深)的HOMO和LUMO的有机半导体，以及透明的无机金属氧化物。n型有机半导体的具体示例包括含有氮原子、氧原子和硫原子的杂环化合物，例如，在分子骨架的一部分处具有吡啶衍生物、吡嗪衍生物、嘧啶衍生物、三嗪衍生物、喹啉衍生物、喹喔啉衍生物、异喹啉衍生物、吖啶衍生物、吩嗪衍生物、菲咯啉衍生物、四唑衍生物、吡唑衍生物、咪唑衍生物、噻唑衍生物、恶唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并***衍生物、苯并恶唑衍生物、苯并恶唑衍生物、咔唑衍生物、苯并呋喃衍生物、二苯并呋喃衍生物、亚卟啉衍生物、聚亚苯基亚乙烯基衍生物、聚苯并噻二唑衍生物、聚芴衍生物等的有机分子和有机金属络合物，或者亚酞菁衍生物。富勒烯衍生物中包含的基团等的示例包括卤素原子；直链、支链或环状烷基或苯基；具有直链或稠合芳族化合物的基团；具有卤化物的基团；部分氟代烷基；全氟烷基；甲硅烷基烷基；甲硅烷基烷氧基；芳基甲硅烷基；芳基硫烷基；烷基硫烷基；芳基磺酰基；烷基磺酰基；芳基硫醚基；烷基硫醚基；氨基；烷基氨基；芳基氨基；羟基；烷氧基；酰基氨基；酰氧基；羰基；羧基；羧酰胺基；烷氧羰基；酰基；磺酰基；氰基；硝基；具有硫族化物的基团；膦基；膦酸基及其衍生物。包括有机材料的光电转换层(可以称为“有机光电转换层”)的厚度可以是但不限于1×10-8至5×10-7m，优选2.5×10m-8至3×10-7m，更优选2.5×10-8至2×10-7m，再更优选1×10-7至1.8×10-7m。注意，有机半导体通常被分类为p型或n型，p型意味着能够容易地传输空穴，而n型意味着能够容易地传输电子，并且有机半导体不限于以下解释：与无机半导体中一样，它具有空穴或电子作为热激发的主要载体。
可替代地，构成光电转换绿光的有机光电转换层的材料的示例包括基于罗丹明的色素、基于部花青的色素、喹吖啶酮衍生物、基于亚酞菁的色素(亚酞菁衍生物)等。构成光电转换蓝光的有机光电转换层的材料的示例包括邻香豆酸色素、三-8-羟基喹啉铝(Alq3)、基于部花青的色素等。构成光电转换红光的有机光电转换层的材料的示例包括基于酞菁的色素和基于亚酞菁的色素(亚酞菁衍生物)等。
或者，构成光电转换层的无机材料的示例包括晶体硅、非晶硅、微晶硅、晶体硒、非晶硒、黄铜矿化合物(例如CIGS(CuInGaSe)、CIS(CuInSe2)、CuInS2、CuAlS2、CuAlSe2、CuGaS2、CuGaSe2、AgAlS2、AgAlSe2、AgInS2、AgInSe2)、诸如GaAs、InP、AlGaAs、InGaP、AlGaInP、InGaAsP等III-V族化合物以及诸如CdSe、CdS、In2Se3、In2S3、Bi2Se3、Bi2S3、ZnSe、ZnS、PbSe和PbS等化合物半导体。另外，可以在光电转换层中使用包含这些材料的量子点。
通过使用本公开的第一和第二模式的固态摄像装置或第一和第二构造的固态摄像装置，可以构造单板型彩色固态摄像装置。
与包括拜耳阵列摄像元件的固态摄像装置不同(即，不使用滤色镜进行蓝色、绿色和红色的分光)，在根据包括层叠型摄像元件的本公开的第二模式的固态摄像装置中，对多种波长的光敏感的摄像元件在同一像素中沿光入射方向层叠以形成一个像素，因此，可以提高每单位体积的灵敏度和像素密度。另外，由于有机材料具有高吸收系数，所以与传统的基于Si的光电转换层相比，光电转换层的膜厚度能够更薄，并且能够缓和来自相邻像素的漏光和对入射角的限制。此外，由于传统的基于Si的摄像元件通过在三色像素之间执行插值处理来产生彩色信号，所以产生了伪色，但是在根据包括层叠型摄像元件的本公开的第二模式的固态摄像装置中，能够抑制伪色。由于有机光电转换层本身也用作滤色器层，因此可以在不设置滤色器层的情况下进行分色。
另一方面，在根据本公开的第一模式的固态摄像装置中，使用滤色器层，从而可以减轻对蓝色、绿色和红色的光谱特性的要求，并且批量生产性高。根据本公开的第一模式的固态摄像装置中的摄像元件的布置的示例除拜耳阵列外，还包括行间布置、G条纹-RB方格阵列、G条纹-RB全方格阵列、方格互补色阵列、条带阵列、对角线条纹阵列、原色差阵列、场色差顺序阵列、帧色差顺序阵列、MOS型阵列、变形MOS型阵列、帧交织阵列和场交织阵列。此处，一个像素(或子像素)包括一个摄像元件。
滤色器层(波长选择装置)的示例包括不仅透射红色、绿色和蓝色，而且在某些情况下还透射青色、品红色或黄色等特定波长的滤光器层。滤色器层不仅可以包括使用诸如颜料和染料等有机化合物的有机材料滤色器层，还可以包括诸如光子晶体、基于等离子体应用等波长选择元件(具有导体晶格结构的滤色器层，其中导体薄膜具有格子状孔结构；例如参见JP 2008-177191A)或非晶硅等的无机材料的薄膜。
其中布置有本公开的多个摄像元件的像素区域包括规则地以二维阵列布置的多个像素。通常，像素区域包括实际接收光，将通过光电转换产生的信号电荷放大，并将放大的信号电荷读出到驱动电路中的有效像素区域，以及用于将光学黑输出为黑电平参考的黑色参考像素区域(也称为光学黑像素区域(OPB))。通常，黑色参考像素区域设置在有效像素区域的***。
在包括上述各种优选模式的本公开的摄像元件等中，执行光照射，在光电转换层中产生光电转换，并对空穴和电子进行载流子分离。取出空穴的电极为阳极，取出电子的电极为阴极。第一电极构成阴极，第二电极构成阳极。
第一电极、电荷存储电极、传输控制电极、电荷排出电极和第二电极可包括透明导电材料。第一电极、电荷存储电极、传输控制电极和电荷排出电极可统称为“第一电极等”。可替代地，在例如将本公开的摄像元件等布置在平面上的情况下，例如，如同在拜耳阵列中，第二电极可包含透明导电材料，并且第一电极等可包含金属材料。在这种情况下，具体地，位于光入射侧的第二电极可以包含透明导电材料，并且第一电极等可以包含Al-Nd(铝和钕的合金)或ASC(铝、钐和铜的合金)。包含透明导电材料的电极可以被称为“透明电极”。这里，透明导电材料的带隙能量等于或大于2.5eV，优选等于或大于3.1eV。构成透明电极的透明导电材料的示例包括导电金属氧化物，并且其具体示例包括铟氧化物、铟锡氧化物(包含Sn掺杂的In2O3的ITO、晶体ITO和非晶ITO)、将铟添加到氧化锌中作为掺杂剂的铟锌氧化物(IZO)、将铟添加到氧化镓中作为掺杂剂的铟镓氧化物(IGO)、将铟和镓添加到氧化锌中作为掺杂剂的铟镓锌氧化物(IGZO，In-GaZnO4)，将铟和锡添加到氧化锌中作为掺杂剂的铟锡锌氧化物(ITZO)、IFO(F掺杂In2O3)、氧化锡(SnO2)、ATO(Sb掺杂的SnO2)、FTO(F-掺杂的SnO2)、锌氧化物(包括掺杂其它元素的ZnO)、将铝添加到氧化锌中作为掺杂剂的铝锌氧化物(AZO)、将镓添加到氧化锌中作为掺杂剂的镓锌氧化物(GZO)、钛氧化物(TiO2)、将铌添加到氧化钛中作为掺杂剂的铌钛氧化物(TNO)、氧化锑、尖晶石型氧化物、具有YbFe2O4结构的氧化物。可替代地，可以举出具有氧化镓、氧化钛、氧化铌或氧化镍等的基层的透明电极作为示例。透明电极的厚度可以为2×10-8至2×10-7m，优选为3×10-8至1×10-7m。在第一电极需要透明的情况下，从简化制造工艺的角度出发，优选的是，电荷排出电极也包括透明导电材料。
可替代地，在不需要透明性的情况下，用于构成具有作为电子取出电极的功能的阴极的导电材料优选包括低功函数(例如，φ＝3.5至4.5eV)的导电材料，并且导电材料的具体示例包括碱金属(例如，Li、Na、K等)及其氟化物或氧化物、碱土金属(例如，Mg、Ca等)及其氟化物或氧化物、铝(Al)、锌(Zn)、锡(Sn)、铊(Tl)、钠钾合金、铝锂合金、镁银合金、铟、诸如镱等稀土金属及其合金。可替代地，构成阴极的材料的示例包括诸如铂(Pt)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)、钛(Ti)、铟(In)、锡(Sn)、铁(Fe)、钴(Co)和钼(Mo)等金属、包含这些金属元素的合金、这些金属的导电颗粒、包含这些金属的合金的导电颗粒、包含杂质的多晶硅、碳质材料、氧化物半导体材料以及诸如碳纳米管和石墨烯等导电材料，以及包含这些元素的层叠结构。此外，构成阴极的材料的示例包括有机材料(导电聚合物)，例如聚(3，4-乙烯二氧噻吩)/聚苯乙烯磺酸[PEDOT/PSS]。另外，可以使通过将这些导电材料与粘合剂(聚合物)混合而制备的糊剂或油墨固化，并且可以将固化产物用作电极。
可以使用干法或湿法作为第一电极等(阳极)和第二电极(阴极)的成膜方法。干法的示例包括物理气相沉积法(PVD法)和化学气相沉积法(CVD法)。使用PVD法原理的成膜方法的示例包括使用电阻加热或高频加热的真空蒸发法、EB(电子束)蒸发法、各种溅射法(磁控溅射法、RF-DC耦合偏压溅射法、ECR溅射法、面对靶溅射法和高频溅射法)、离子镀法、激光烧蚀法、分子束外延法和激光转印法。另外，CVD方法的示例包括等离子体CVD方法、热CVD方法、有机金属(MO)CVD方法和光CVD方法。另一方面，湿法的示例包括电解镀法和化学镀法、旋涂法、喷墨法、喷涂法、压印法、微接触印刷法、柔性版印刷法、胶印法、凹版印刷法和浸渍法。图案化方法的示例包括诸如荫罩、激光转印、光刻等的化学蚀刻，通过紫外线、激光的物理蚀刻等。用于第一电极等和第二电极的平坦化技术的示例包括激光平坦化法、回流法、CMP(化学机械抛光)法等。
构成绝缘层的材料的示例包括无机绝缘材料，例如基于硅氧化物的材料、硅的氮化物(SiNY)、诸如氧化铝(Al2O3)的金属氧化物高介电常数绝缘材料；以及有机绝缘材料(有机聚合物)，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯酚(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯、诸如N-2(氨基乙基)3-氨基丙基三甲氧基硅烷(AEAPTMS)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、十八烷基三氯硅烷(OTS)等硅烷醇衍生物(硅烷偶联剂)、酚醛清漆型酚醛树脂、氟树脂、诸如十八烷硫醇、异氰酸十二烷基酯等具有能够在一端与控制电极接合的官能团的直链烃及其组合。基于硅氧化物的材料的示例包括氧化硅(SiOX)、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、氮氧化硅(SiON)、SOG(旋涂玻璃)以及低介电常数绝缘材料(例如，聚多芳基酯、环全氟化碳聚合物和苯并环丁烯、环状氟树脂、聚四氟乙烯、氟代芳基醚、氟化聚酰亚胺、无定形碳和有机SOG)。绝缘层可以具有单层构造，或者可以层叠多层(例如，两层)。在后一种情况下，如果至少在电荷存储电极上以及在电荷存储电极和第一电极之间的区域中形成绝缘层下层，并且通过对绝缘层下层进行平坦化处理，使得绝缘层下层至少残留在电荷存储电极和第一电极之间的区域中，并且绝缘层上层形成在剩余的绝缘层下层以及电荷存储电极上就足够了。由此，可以可靠地实现绝缘层的平坦化。构成各种层间绝缘层和绝缘材料膜的材料也可以从这些材料中适当选择。
构成控制部的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构可以类似于传统的浮动扩散层、放大晶体管、复位晶体管和选择晶体管的构造和结构。而且，驱动电路能够具有已知的构造和结构。
第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部，并且形成接触孔部以将第一电极连接到浮动扩散层和放大晶体管的栅极部就足够了。构成接触孔部的材料的示例包括掺杂杂质的多晶硅、高熔点金属或金属硅化物，例如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiN、TiNW、WSi2或MoSi2等，以及这些材料的层的层叠结构(例如，Ti/TiN/W)。
可以在无机氧化物半导体材料层和第一电极之间设置第一载流子阻挡层，或者可以在有机光电转换层和第二电极之间设置第二载流子阻挡层。另外，可以在第一载流子阻挡层和第一电极之间设置第一电荷注入层，或者可以在第二载流子阻挡层和第二电极之间设置第二电荷注入层。构成电荷注入层的材料的示例包括诸如锂(Li)、钠(Na)和钾(K)等碱金属及其氟化物和氧化物，以及诸如镁(Mg)和钙(Ca)等碱土金属及其氟化物及其氧化物。
用于各种有机层的膜形成方法的示例包括干膜形成法和湿膜形成法。干膜形成法的示例包括使用电阻加热、高频加热或电子束加热的真空沉积法、闪光沉积法、等离子体沉积法、EB沉积法、各种溅射法(双极溅射法、直流溅射法、直流磁控溅射法、高频溅射法、磁控溅射法、RF-DC耦合偏压溅射法、ECR溅射法、对向靶溅射法、高频溅射法、离子束溅射法)、DC(直流)法、RF法、多阴极法、活化反应法、电场蒸镀法、诸如高频离子镀法、反应性离子镀法等各种离子镀法、激光烧蚀法、分子束外延法、激光转印法和分子束外延(MBE)法。另外，CVD方法的示例包括等离子体CVD方法、热CVD方法、MOCVD方法和光CVD方法。另一方面，湿法的示例包括旋涂法、浸渍法、浇铸法、微接触印刷方法、滴铸法、诸如丝网印刷法、喷墨印刷法、胶版印刷法、凹版印刷法、和弹性印刷法等各种印刷方法、冲压方法、喷涂方法、诸如空气刮刀涂布机方法、刀片涂布机方法、棒式涂布机方法、刮刀涂布机方法、挤压涂布机方法、反向辊涂布机方法、转印辊涂布机方法、凹版涂布机方法、吻合式涂布机方法、涂铸机方法、喷涂机方法、狭缝孔口涂布机方法和压延涂布机方法等各种涂布方法。涂布方法中的溶剂的示例包括非极性或低极性有机溶剂，例如甲苯、氯仿、己烷和乙醇。图案化方法的示例包括化学蚀刻，诸如荫罩、激光转印、光刻等，以及通过紫外线、激光等的物理蚀刻。用于各种有机层的平坦化技术的示例包括激光平坦化方法、回流法等。
可以根据需要适当地组合上述第一至第六模式的两种或更多种摄像元件。
如上所述，摄像元件或固态摄像装置可以根据需要设置有片上微透镜或遮光层，或者可以设置有用于驱动摄像元件的驱动电路和配线。可以根据需要设置用于控制摄像元件上的光入射的快门，或者可以根据固态摄像装置的目的设置光学截止滤光片。
另外，在第一和第二构造的固态摄像装置中，可以采用其中一个片上微透镜设置在本公开的一个摄像元件等的上侧的模式，或者可以采用其中摄像元件块包括两个本公开的摄像元件等，并且一个片上微透镜设置在摄像元件块的上侧的方式。
例如，在固态摄像装置与读出集成电路(ROIC)层叠的情况下，可以通过如下方式来进行层叠：覆盖其上形成有读出集成电路和包括铜(Cu)的连接部的驱动基板和其上形成有连接部以使得连接部彼此接触的摄像元件，并且接合连接部；也可以使用焊锡凸块等将连接部接合。
此外，根据本公开的第一和第二模式的固态摄像装置的驱动方法可以是用于固态摄像装置的驱动方法，其中重复以下步骤：
步骤：其中，在所有摄像元件中，同时将第一电极中的电荷排出***，同时电荷被存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中；之后
步骤：其中，在所有摄像元件中，将存储在无机氧化物半导体材料层(或无机氧化物半导体材料层和光电转换层)中的电荷同时传输到第一电极，并且在传输完成后，在每个摄像元件中依次读出传输到第一电极的电荷。
在这样的固态摄像装置的驱动方法中，每个摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不进入第一电极，并且在所有的摄像元件中，当电荷被存储在无机氧化物半导体材料层等中时，第一电极中的电荷被同时排出至***外部，因此，可以在所有摄像元件中同时可靠地执行第一电极的复位。之后，在所有的摄像元件中，将存储在无机氧化物半导体材料层等中的电荷同时传输至第一电极，并且在传输完成后，依次读出每个摄像元件中的被传输到第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
本公开的摄像元件的示例包括CCD元件、CMOS图像传感器、CIS(接触图像传感器)和CMD(电荷调制器件)型信号放大图像传感器。例如，使用根据第一和第二模式以及本公开的第一和第二构造的固态摄像装置来构造数码相机、视频摄像机、便携式摄像机、监视摄像机、车载摄像机、智能手机像机、游戏用户界面摄像机和生物认证摄像机等。
实施例1
实施例1涉及本公开的摄像元件、本公开的层叠型摄像元件以及根据本发明的第二模式的固态摄像装置。图1示出了实施例1的摄像元件和层叠型摄像元件(以下简称为“摄像元件”)的示意性局部剖视图；图2和图3示出了实施例1的摄像元件的等效电路图。图4示出了实施例1的摄像元件的构成光电转换部的第一电极和电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图。图5示意性地示出了实施例1的摄像元件在操作时各个部分的电位状态，并且图6A是用于说明实施例1的摄像元件的各部分的等效电路图。另外，在图7中示出构成实施例1的摄像元件的光电转换部的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图。图8示出了第一电极、电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。实施例1的固态摄像装置的概念图如图78所示。
实施例1的摄像元件包括光电转换部，其中第一电极21、光电转换层23A和第二电极22层叠，并且在第一电极21和光电转换层23A之间形成了无机氧化物半导体材料层23B。无机氧化物半导体材料层23B包含铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子。换句话说，无机氧化物半导体材料层23B包括含有铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子的复合氧化物，并且具体包括铟氧化物、镓氧化物、锡氧化物和锌氧化物的复合氧化物。
实施例1的层叠型摄像元件包括至少一个实施例1的摄像元件。此外，实施例1的固态摄像装置包括多个实施例1的层叠型摄像元件。例如，使用实施例1的固态摄像装置来构造数字静态相机、视频摄像机、便携式摄像机、监视摄像机、车载摄像机、智能手机摄像机、游戏用户界面摄像机、生物认证摄像机等。
在实施例1的摄像元件中，
构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1和构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足以下表达式(A)，并且优选满足以下表达式(B)。
E2–E1≥0.1eV(A)
E2–E1>0.1eV(B)
可替代地，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率等于或大于10cm2/V·s。另外，无机氧化物半导体材料层23B的载流子密度小于1×1016/cm3。
在实施例1的摄像元件中，光电转换部还包括绝缘层82和电荷存储电极24，电荷存储电极24被布置为与第一电极21分隔开并且隔着绝缘层82面对无机氧化物半导体材料层23B。注意，光从第二电极22入射。
以下，首先，对实施例1的摄像元件的特性进行说明，然后，对实施例1的摄像元件和固态摄像装置进行详细说明。
通过控制基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层23B时的氧气导入量(氧气分压)，可以控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。氧气分压优选设置在0.005(0.5％)至0.10(10％)的范围内。
当无机氧化物半导体材料层23B的厚度为50nm并且无机氧化物半导体材料层23B包括InaGabSncZndOe(其中(b+c)/a＝2.0，d/a＝2.4)时，获得了氧气分压与通过逆光电子发射光谱法获得的能级之间的关系，其结果列于下表1中。在实施例1的摄像元件中，通过控制基于溅射法形成无机氧化物半导体材料层23B时的氧气导入量(氧气分压)，可以控制无机氧化物半导体材料层23B的能级。注意，无机氧化物半导体材料层23B的氧含量低于对应于化学计量的氧含量。请注意，e/a＝5.1。
表1
| 氧气分压 | 能级 |
| 0.5％ | 4.6eV |
| 10.0％ | 4.7eV |
接下来，关于光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B，检查无机氧化物半导体材料层23B的能级、光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B之间的能级差(E2-E1)、构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率。如表2所示，条件分为三个条件。在第一条件下，IGZO用作构成无机氧化物半导体材料层23B的材料，而在第二条件和第三条件下，以下所示的InaGabSncZndOe用作构成无机氧化物半导体材料层23B的材料。另外，无机氧化物半导体材料层23B的膜厚度为50nm。此外，光电转换层23A包括喹吖啶酮，并且厚度为0.1μm。在此，构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1为4.5eV。注意，在基于溅射方法形成无机氧化物半导体材料层23B时，可以通过使用具有不同成分的多个靶来获得基于第二条件和第三条件的摄像元件等。
第二条件(b+c)/a＝2.0 d/a＝2.4
第三条件(b+c)/a＝2.2 d/a＝2.5
在第一条件下，能级差(E2-E1)为0eV。在第二条件下，与第一条件相比，能级差(E2-E1)得到了改善。如表2所示，在第三条件下，与第二条件下相比，进一步提高了迁移率。
表2
基于图1所示的结构的摄像元件，通过装置仿真来评价这三种条件下的传输特性。注意，光电转换层23A的LUMO值E1为4.5eV。在电子被吸引到电荷存储电极24的上侧的状态下，电子的相对量为1×100。另外，在已经被吸引到电荷存储电极24的上侧的所有电子都被传输到第一电极21的状态下，电子的相对量为1×10-4。此外，将直到被吸引到电荷存储电极24的上侧的电子被全部传输到第一电极21为止的时间(称为“传输时间”)用作决定传输特性的可接受性的指标。获得传输时间的结果如下表3所示。与在第一条件下相比，在第二条件下传输时间缩短，与在第二条件下相比，在第三条件下传输时间缩短。换句话说，随着(E2-E1)值的增大，传输特性结果变得更好。这表明以使得无机氧化物半导体材料层23B的LUMO值E2大于光电转换层23A的LUMO值E1的方式形成各层是进一步提高传输特性的更优选的因素。
表3
| 传输时间 | |
| 第一条件 | 5×10-6秒 |
| 第二条件 | 1×10-7秒 |
| 第三条件 | 4×10-8秒 |
为了满足摄像元件所要求的不残留未传输电荷的特性，当电子的相对量变为1×10-4时的传输时间为1×10-7秒是合适的。为了满足该传输时间，第二条件是优异的，并且第三条件是更加优异的。换句话说，可以看出，无机氧化物半导体材料层23B优选包含InaGabSncZndOe，并且满足
1.8<(b+c)/a<2.3
并且满足
2.3<d/a<2.6
此外，可以看出，优选满足b＞0。注意，在相关表达式超出这些范围的情况下，难以实现耗尽。例如，如果In过度增大时，则载流子密度将增大；如果Ga过小，则难以控制载流子密度。因此，相关表达式应在这些范围内。另外，构成光电转换层23A的位于无机氧化物半导体材料层23B附近的部分的材料的LUMO值E1和构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的LUMO值E2满足
E2–E1≥0.1eV，
更优选地，
E2–E1>0.1eV，
而且，构成无机氧化物半导体材料层23B的材料的迁移率等于或大于10cm2/V·s。
此外，基于第一条件、第二条件和第三条件形成用于TFT的沟道形成区，并且评价FTF特性，结果示于图76中。换句话说，在图76中示出了通过确定TFT(其中，沟道形成区包含IGZO或InaGabSncZndOe)的Vgs与Id之间的关系而获得的曲线图，。可以看出，在第二条件下TFT特性比在第一条件下更好，并且在第三条件下比在第二条件下更好。
此外，图77A和图77B中示出了：当无机氧化物半导体材料层23B包含InaGabSncZndOe并且在光电转换层23A中发生光电转换时，60℃下的暗电流特性(Jdk)和室温(25℃)下的外部量子效率特性(EQE)的评估结果。
用于评估的样品具有如下结构：在基板上形成包含ITO的第一电极，并且在第一电极上依次层叠无机氧化物半导体材料、光电转换层、包括MoOX的缓冲层和第二电极。此处，无机氧化物半导体材料层的厚度为100nm。当施加2伏的正偏压时，表现出等于或小于1×10-10/cm2的暗电流特性(Jdk)，这是有利的。注意，当对不包含无机氧化物半导体材料层的比较样品(图中未示出)施加2伏的正偏压时，也获得等于或小于1×10-10/cm2的暗电流特性(Jdk)；因此，证实了可比较的特性。另外，当施加2伏的正偏压时，该比较样品(图中未示出)显示出80％的外部量子效率特性(EQE)，并且当施加相同的2伏电压时，该评估样品显示出等于或大于80％的良好的外部量子效率。
另外，从无机氧化物半导体材料层23B的X射线衍射结果可知，无机氧化物半导体材料层23B为非晶态的(例如，是非晶态的，并且局部不具有结晶结构)。此外，无机氧化物半导体材料层23B的位于光电转换层23A和无机氧化物半导体材料层23B之间的界面处的表面粗糙度Ra等于或小于1.5nm，并且无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq等于或小于2.5nm。具体地，获得
Ra＝0.6nm并且
Rq＝2.5nm。
另外，电荷存储电极24的表面粗糙度Ra等于或小于1.5nm，电荷存储电极24的均方根粗糙度Rq等于或小于2.5nm。具体地，获得
Ra＝0.7nm并且
Rq＝2.3nm。
此外，无机氧化物半导体材料层23B相对于400至660nm波长的光的透光率等于或大于65％(具体地，83％)，并且电荷存储电极24相对于400至660nm波长的光的透光率等于或大于65％(具体地，75％)。电荷存储电极24的薄层电阻为3×10至1×103Ω/□(具体地，84Ω/□)。
在实施例1的摄像元件中，无机氧化物半导体材料层包括铟(In)原子、镓(Ga)原子、锡(Sn)原子和锌(Zn)原子。因此，无机氧化物半导体材料层的载流子密度(无机氧化物半导体材料层的耗尽程度)、构成无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率以及构成无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2的控制能够以非常平衡的方式实现。结果，尽管构造和结构简单，但是可以提供在光电转换层中存储的电荷的传输特性方面优异的摄像元件，层叠型摄像元件和固态摄像装置。人们认为可以通过控制构成无机氧化物半导体材料层的原子之中镓原子与锡原子之间的比例来控制无机氧化物半导体材料层的载流子密度(无机氧化物半导体材料层的耗尽程度)；通过控制构成无机氧化物半导体材料层的原子中的铟原子的比例，能够控制无机氧化物半导体材料层的迁移率；并且通过控制锌原子的比例，能够控制LUMO值E2。此外，无机氧化物半导体材料层和光电转换层的两层结构使得能够防止电荷存储时的再结合(recombination)，从而提高了光电转换层中存储的电荷到第一电极的传输效率，并抑制暗电流的产生。
下面将对实施例1的摄像元件和固态摄像装置进行详细说明。
实施例1的摄像元件还包括半导体基板(具体地，硅半导体层)70，并且光电转换部设置在半导体基板70的上侧。此外，摄像元件还包括控制部，该控制部设置在半导体基板70上并具有与第一电极21和第二电极22连接的驱动电路。这里，半导体基板70的光入射面为上侧，半导体基板70的相反侧为下侧。在半导体基板70的下侧设置有包括多个配线的配线层62。
半导体基板70至少具有构成控制部的浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp，并且第一电极21与浮动扩散层FD1和放大晶体管TR1amp的栅极部连接。半导体基板70还设置有构成控制部的复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1sel。浮动扩散层FD1连接到复位晶体管TR1rst的一侧的源极/漏极区域，放大晶体管TR1amp的一侧的源极/漏极区域连接到选择晶体管TR1sel的一侧的源极/漏极区域，并且选择晶体管TR1sel的另一侧的源极/漏极区域连接到信号线VSL1。放大晶体管TR1amp、复位晶体管TR1rst和选择晶体管TR1sel构成驱动电路。
具体地，实施例1的摄像元件是背面照射型摄像元件，并且具有层叠三个摄像元件的结构，这三个摄像元件包括：第一类型的实施例1的绿光摄像元件(以下称为“第一摄像元件”)，其包括吸收绿光的第一类型的绿光光电转换层并且对绿光敏感；第二类型的传统的蓝光摄像元件(以下称为“第二摄像元件”)，其包括吸收蓝光的第二类型的蓝光光电转换层并且对蓝光敏感；以及第二类型的传统的红光摄像元件(以下称为“第三摄像元件”)，其包括吸收红光的第二类型的红光光电转换层并且对红光敏感。在此，在半导体基板70中设有红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)，与第三摄像元件相比，第二摄像元件位于光入射侧。另外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上侧。第一摄像元件、第二摄像元件和第三摄像元件的层叠结构构成一个像素。没有设置滤色器层。
在第一摄像元件中，第一电极21和电荷存储电极24以相互分隔的状态形成在层间绝缘层81上。层间绝缘层81和电荷存储电极24被绝缘层82覆盖。在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A，在光电转换层23A上形成第二电极22。在包括第二电极22在内的整个表面上形成绝缘层83，并且在绝缘层83上设置片上微透镜14。不设置滤色器层。第一电极21、电荷存储电极24和第二电极22包括使用例如ITO(功函数：约4.4eV)形成的透明电极。无机氧化物半导体材料层23B包含InaGabSncZndOe。光电转换层23A包含含有至少对绿光敏感的已知的有机光电转换材料(例如，诸如基于若丹明的色素、基于部花青的色素和喹吖啶酮等有机材料)的层。层间绝缘层81以及绝缘层82和83包括已知的绝缘材料(例如，SiO2或SiN)。无机氧化物半导体材料层23B和第一电极21通过设置在绝缘层82的连接部67连接。无机氧化物半导体材料层23B在连接部67中延伸。换句话说，无机氧化物半导体材料层23B在设置在绝缘层82中的开口85中延伸，并且连接到第一电极21。
电荷存储电极24连接到驱动电路。具体地，电荷存储电极24经由设置在层间绝缘层81中的连接孔66、焊盘部64和配线VOA连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
电荷存储电极24的尺寸大于第一电极21的尺寸。设电荷存储电极24的面积为S1’，并且使第一电极21的面积为S1，那么优选满足
4≤S1’/S1
但这不是限制性的；在实施例中，例如采用
S1’/S1＝8
但这不是限制性的。注意，在稍后描述的实施例7至10中，三个光电转换部段10’1、10’2和10’3具有相同的尺寸，并且具有相同的平面图形状。
元件分隔区域71设置在半导体基板70的第一表面(前表面)70A侧，并且在半导体基板70的第一表面70A上形成有氧化膜72。此外，在半导体基板70的第一表面侧，设置有构成第一摄像元件的控制部的复位晶体管TR1rst，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel，并且，还设置有第一浮动扩散层FD1。
复位晶体管TR1rst包括栅极部51、沟道形成区51A以及源极/漏极区域51B和51C。复位晶体管TR1rst的栅极部51连接到复位线RST1，位于复位晶体管TR1rst的一侧的源极/漏极区域51C也用作第一浮动扩散层FD1，并且另一侧的源极/漏极区域51B连接到电源VDD。
第一电极21经由设置在层间绝缘层81中的连接孔65、焊盘部63、半导体基板70、形成在层间绝缘层76上的接触孔部61和形成在层间绝缘层76上的配线层62，与在复位晶体管TR1rst的一侧上的源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)连接。
放大晶体管TR1amp包括栅极部52、沟道形成区52A以及源极/漏极区域52B和52C。栅极部52经由配线层62连接至第一电极21和在复位晶体管TR1rst的一侧上的源极/漏极区域51C(第一浮动扩散层FD1)。另外，一侧的源极/漏极区域52B连接到电源VDD。
选择晶体管TR1sel包括栅极部53、沟道形成区53A以及源极/漏极区域53B和53C。栅极部53连接到选择线SEL1。另外，一侧的源极/漏极区域53B与构成放大晶体管TR1amp的另一侧的源极/漏极区域52C共用一个区域，另一侧的源极/漏极区域53C连接到信号线(数据输出线)VSL1(117)。
第二摄像元件包括设置在半导体基板70中的作为光电转换层的n型半导体区域41。包括垂直晶体管的传输晶体管TR2trs的栅极部45延伸到n型半导体区域41，并且连接到传输栅极线TG2。另外，第二浮动扩散层FD2设置在传输晶体管TR2trs的栅极部45附近的半导体基板70的区域45C中。n型半导体区域41中存储的电荷通过沿着栅极部45形成的传输通道被读出到第二浮动扩散层FD2。
此外，在第二摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧，设有构成第二摄像元件的控制部的复位晶体管TR2rst、放大晶体管TR2amp和选择晶体管TR2sel。
复位晶体管TR2rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。复位晶体管TR2rst的栅极部连接到复位线RST2，复位晶体管TR2rst的一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD，并且另一侧的源极/漏极区域还用作第二浮动扩散层FD2。
放大晶体管TR2amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到复位晶体管TR2rst另一侧的源极/漏极区域(第二浮动扩散层FD2)。此外，一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD。
选择晶体管TR2sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到选择线SEL2。另外，选择晶体管的一侧的源极/漏极区域与构成放大晶体管TR2amp的另一侧的源极/漏极区域共用一个区域，并且选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域连接至信号线(数据输出线)VSL2。
第三摄像元件包括设置在半导体基板70中的作为光电转换层的n型半导体区域43。传输晶体管TR3trs的栅极部46连接到传输栅极线TG3。此外，在传输晶体管TR3trs的栅极部46附近的半导体基板70的区域46C中设置第三浮动扩散层FD3。经由沿着栅极部46形成的传输通道46A将存储在n型半导体区域43中的电荷读出到第三浮动扩散层FD3。
此外，在第三摄像元件中，在半导体基板70的第一表面侧，设置有构成第三摄像元件的控制部的复位晶体管TR3rst、放大晶体管TR3amp和选择晶体管TR3sel。
复位晶体管TR3rst包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。复位晶体管TR3rst的栅极部连接到复位线RST3，复位晶体管TR3rst的一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD，另一侧的源极/漏极区域用作第三浮动扩散层FD3。
放大晶体管TR3amp包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到复位晶体管TR3rst另一侧的源极/漏极区域(第三浮动扩散层FD3)。此外，一侧的源极/漏极区域连接到电源VDD。
选择晶体管TR3sel包括栅极部、沟道形成区和源极/漏极区域。栅极部连接到选择线SEL3。此外，选择晶体管的一侧的源极/漏极区域与构成放大晶体管TR3amp的另一侧的源极/漏极区域共用一个区域，并且选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域连接到信号线(数据输出线)VSL3。
复位线RST1、RST2和RST3，选择线SEL1、SEL2和SEL3以及传输栅极线TG2和TG3连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112，并且信号线(数据输出线)VSL1、VSL2和VSL3连接到构成驱动电路的列信号处理电路113。
为了抑制暗电流的产生，在n型半导体区域43与半导体基板70的表面70A之间设置有p+层44。在n型半导体区域41和n型半导体区域43之间形成有p+层42，此外，n型半导体区域43的侧表面的部分被p+层42包围。在半导体基板70的背面70B侧形成有p+层73，并且在从p+层73到半导体基板70内部的形成接触孔部61的部分的区域中形成有HfO2膜74和绝缘材料膜75。尽管层间绝缘层76形成有多层配线，但是在图中省略了配线。
HfO2膜74是具有负的固定电荷的膜，通过设置该膜，可以抑制暗电流的产生。可以用氧化铝(Al2O3)膜、氧化锆(ZrO2)膜、氧化钽(Ta2O5)膜、氧化钛(TiO2)膜、氧化镧(La2O3)膜、氧化镨膜(Pr2O3)膜、氧化铈(CeO2)膜、氧化钕(Nd2O3)膜、氧化钷(Pm2O3)膜、氧化钐(Sa2O3)膜、氧化铕(Eu2O3)膜、氧化钆(Gd2O3)膜、氧化铽(Tb2O3)膜、氧化镝(Dy2O3)膜、氧化钬(Ho2O3)膜、氧化铥(Tm2O3)膜、氧化镱(Yb2O3)膜、氧化镥(Lu2O3)膜、氧化钇(Y2O3)膜、氮化铪膜、氮化铝膜、氮氧化铪膜或氮氧化铝膜代替HfO2膜。这些膜的形成方法的示例包括CVD法、PVD法、和ALD方法。
将参照图5和图6A说明包括实施例1的电荷存储电极的层叠型摄像元件(第一摄像元件)的操作。在此，第一电极21的电位被设定为高于第二电极22的电位。换句话说，例如，第一电极21被设定为正电位，而第二电极22被设定为负电位，并且通过光电转换层23A中的光电转换产生的电子被读出到浮动扩散层。类似地，这也适用于其它实施例。
稍后描述的实施例4中的图5、图20和图21以及实施例6中的图32和图33中使用的附图标记如下。
PA：无机氧化物半导体材料层23B面对位于电荷存储电极24或传输控制电极(电荷传输电极)25与第一电极21之间的区域的PA点处的电位
PB：在无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极24的区域中的PB点处的电位
PC1：在无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极段24A的区域中的PC1点处的电位
PC2：在无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极段24B的区域中的点PC2处的电位
PC3：在无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极段24C的区域中的PC3点处的电位
PD：在无机氧化物半导体材料层23B的面对传输控制电极(电荷传输电极)25的区域中的PD点处的电位
FD：第一浮动扩散层FD1的电位
VOA：电荷存储电极24的电位
VOA-A：电荷存储电极段24A的电位
VOA-B：电荷存储电极段24B的电位
VOA-C：电荷存储电极段24C的电位
VOT：传输控制电极(电荷传输电极)25的电位
RST：复位晶体管TR1rst的栅极部51的电位
VDD：电源电位
VSL1：信号线(数据输出线)VSL1
TR1rst：复位晶体管TR1rst
TR1amp：放大晶体管TR1amp
TR1sel：选择晶体管TR1sel
在电荷存储时段中，从驱动电路将电位V11施加在第一电极21上，并且将电位V12施加在电荷存储电极24上。通过入射在光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。通过光电转换产生的空穴经由配线VOU从第二电极22被送出至驱动电路。另一方面，由于将第一电极21的电位设置为高于第二电极22的电位，也就是说，例如，由于在第一电极21上施加了正电位而在第二电极22上施加了负电位，所以满足V12≥V11，并且优选满足V12＞V11。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极24，并停留在无机氧化物半导体材料层23B中的或无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A(以下，将它们统称为“无机氧化物半导体材料层23B等”)中的面对电荷存储电极24的区域中。换句话说，电荷被存储在无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足V12＞V11，所以在光电转换层23A内部产生的电子将不会向第一电极21移动。伴随着光电转换时间的流逝，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电位会变成更负的值。
在电荷存储时段的后期，执行复位操作。结果，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
复位操作完成后，将执行电荷的读取。具体地，在电荷传输时段中，从驱动电路将电位V21施加在第一电极21上，并且将电位V22施加在电荷存储电极24上。在此，满足V22＜V21。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等中的面对电荷存储电极24的区域中的电子被读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。换句话说，存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制部。
以此方式，完成了电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后的放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与相应的传统晶体管的操作相同。另外，第二摄像元件和第三摄像元件的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与传统的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作相似。此外，与现有技术一样，可以通过相关双采样(CDS)处理来去除第一浮动扩散层FD1的复位噪声。
如上所述，在实施例1中，设置了电荷存储电极，该电荷存储电极被设置为与第一电极分隔并且隔着绝缘层面对光电转换层。因此，当光入射在光电转换层上并且在光电转换层中发生光电转换时，一种电容器包括无机氧化物半导体材料层等、绝缘层和电荷存储电极，并且电荷可以储存在无机氧化物半导体材料层等中。因此，在曝光开始时，电荷存储部能够被完全耗尽，并且能够消除电荷。结果，能够抑制发生如下现象：kTC噪声增大并且随机噪声恶化并且拍摄图像质量降低。另外，所有像素能够被同时复位，因此，能够实现所谓的全局快门功能。
图78示出了实施例1的固态摄像装置的概念图。在实施例1的固态摄像装置100具有包括其中以二维阵列布置有层叠型摄像元件101的摄像区域111以及该摄像区域的诸如垂直驱动电路112、列信号处理电路113、水平驱动电路11、输出电路115和驱动控制电路116等的驱动电路(***电路)等构造。自然地，这些电路可以包括已知电路，或者可以使用其它电路构造来构造(例如，传统CCD摄像装置或CMOS摄像装置中使用的各种电路)。在图78中，仅在一行中示出了用于层叠型摄像元件101的附图标记“101”。
驱动控制电路116基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟生成时钟信号作为垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114的操作的基准。这样产生的时钟信号和控制信号被输入到垂直驱动电路112、列信号处理电路113和水平驱动电路114。
垂直驱动电路112包括例如移位寄存器，并且以行为基础在垂直方向上依次地选择性地扫描摄像区域111中的层叠型摄像元件101。基于在层叠型摄像元件101处根据光接收量而产生的电流(信号)的像素信号(图像信号)经由信号线(数据输出线)117、VSL被发送到列信号处理电路113。
列信号处理电路113例如基于层叠型摄像元件101的各列而布置，并且借助来自黑色参考像素(未图示，但是形成在有效像素区域的周边)的信号，以每个摄像元件为基础对一行从层叠型摄像元件101输出的图像信号进行例如噪声去除、信号放大等信号处理。在列信号处理电路113的输出级处，在该输出级与水平信号线118之间的连接处设置有水平选择开关(未示出)。
水平驱动电路114包括例如移位寄存器，并且顺序地输出水平扫描脉冲，以依次地选择每个列信号处理电路113，从而将信号从每个列信号处理电路113输出到水平信号线118。
输出电路115对通过水平信号线118从各列信号处理电路113依次提供的信号进行信号处理，并输出处理信号。
在图9中示出实施例1的摄像元件的变形例的等效电路图，在图10中示出构成控制部的第一电极以及电荷存储电极和晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地而不连接到电源VDD。
实施例1的摄像元件可以例如通过以下方法来制造。首先，准备SOI基板。基于外延生长法在SOI基板的前表面上形成第一硅层，并且第一硅层形成有p+层73和n型半导体区域41。接下来，基于外延生长法在第一硅层上形成第二硅层，并且第二硅层形成有元件分隔区域71、氧化膜72、p+层42、n型半导体区域43和p+层44。另外，第二硅层形成有构成摄像元件的控制部的各种晶体管，并且，在其上形成配线层62和层间绝缘层76以及各种配线，并且，层间绝缘层76和支撑基板(未示出)彼此粘附。之后，去除SOI基板以露出第一硅层。第二硅层的表面对应于半导体基板70的前表面70A，并且第一硅层的表面对应于半导体基板70的背面70B。此外，第一硅层和第二硅层被统称为半导体基板70。接下来，在半导体基板70的背面70B侧形成用于形成接触孔部61的开口，然后形成HfO2膜74、绝缘材料膜75和接触孔部61，并且进一步，形成焊盘部63和64、层间绝缘层81、连接孔65和66、第一电极21、电荷存储电极24和绝缘层82。随后，打开连接部67的开口，形成无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22、绝缘层83和片上微透镜14。通过以上处理，可以获得实施例1的摄像元件。
另外，尽管在附图中被省略，但是绝缘层82可以具有绝缘层下层和绝缘层上层的两层构造。换句话说，至少在电荷存储电极24上以及在电荷存储电极24与第一电极21之间的区域中形成绝缘层下层(更具体地，绝缘层下层形成在包括电荷存储电极24在内的层间绝缘层81上)就足够了，并且在对绝缘层下层进行平坦化处理之后，在绝缘层下层和电荷存储电极24上形成绝缘层上层，从而可以可靠地实现绝缘层82的平坦化。然后，只要在由此获得的绝缘层82中打开连接部67的开口就足够了。
实施例2
实施例2是实施例1的变形例。在图11中示出示意性局部剖视图的实施例2的摄像元件是正面照射型摄像元件，并且具有层叠了三个摄像元件的结构，这三个摄像元件是包括吸收绿光的第一类型的绿光光电转换层并且对绿光敏感的第一类型的实施例1的绿光摄像元件(第一摄像元件)、包括吸收蓝光的第二类型的蓝光光电转换层并且对蓝光敏感的第二类型的常规蓝光摄像元件(第二摄像元件)，以及包括吸收红光的第二类型的红光光电转换层并且对红光敏感的第二类型的常规红光摄像元件(第三摄像元件)。在此，在半导体基板70中设有红光摄像元件(第三摄像元件)和蓝光摄像元件(第二摄像元件)；并且与第三摄像元件相比，第二摄像元件位于光入射侧。另外，绿光摄像元件(第一摄像元件)设置在蓝光摄像元件(第二摄像元件)的上侧。
与实施例1相似，在半导体基板70的前表面70A侧设置有构成控制部的各种晶体管。这些晶体管实质上具有与实施例1所示的晶体管相同的构造和结构。尽管半导体基板70设置有第二摄像元件和第三摄像元件，但是这些摄像元件也可以基本上具有与实施例1所示的第二摄像元件和第三摄像元件相同的构造和结构。
层间绝缘层81形成在半导体基板70的前表面70A的上侧，并且在层间绝缘层81的上侧设置有包括用于构成实施例1的摄像元件的电荷存储电极的光电转换部(第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A、第二电极22和电荷存储电极24等)。
以这种方式，除了具有正面照射型的要点之外，实施例2的摄像元件的构造和结构可以与实施例1的摄像元件的构造和结构相似，因此，省略其详细描述。
实施例3
实施例3是实施例1和实施例2的变形例。
在图12中示出示意性局部剖视图的实施例3的摄像元件是背面照射型摄像元件，并且具有层叠两个摄像元件的结构，这两个摄像元件是第一类型的实施例1的第一摄像元件和第二类型的第二摄像元件。另外，在图13中示出示意性局部剖视图的实施例3的摄像元件的变形例是正面照射型摄像元件，并且具有其中层叠两个摄像元件的结构，这两个摄像元件是第一类型的实施例1的第一摄像元件和第二类型的第二摄像元件。在这里，第一摄像元件吸收原色的光，而第二摄像元件吸收补色的光。或者，第一摄像元件吸收白光，而第二摄像元件吸收红外光。
在图14中示出示意性的局部剖视图的实施例3的摄像元件的变形例是背面照射型摄像元件。另外，在图15中示出示意性局部剖视图的实施例3的摄像元件的变形例是正面照射型摄像元件，并且包括第一类型的实施例1的第一摄像元件。这里，第一摄像元件包括三种摄像元件，即，吸收红光的摄像元件、吸收绿光的摄像元件和吸收蓝光的摄像元件。此外，根据本公开的第一模式的固态摄像装置包括多个这些摄像元件。多个这些摄像元件的布置的示例包括拜耳阵列。根据需要，用于执行蓝色、绿色和红色的分光的滤色器层设置在每个摄像元件的光入射侧。
代替设置包括第一类型的实施例1的电荷存储电极的一个光电转换部，可以采用层叠两个光电转换部的模式(例如，如下模式：其中，包括电荷存储电极的两个光电转换部层叠，并且半导体基板设置有用于两个光电转换部的控制部)或者层叠三个光电转换部的模式(例如，如下模式：其中，包括电荷存储电极的三个光电转换部层叠，并且半导体基板设置有用于三个光电转换部的控制部)。下表示出了第一类型的摄像元件和第二类型的摄像元件的层叠层结构的示例。
实施例4
实施例4是实施例1至3的变形例，并且涉及包括本公开的传输控制电极(电荷传输电极)的摄像元件等。在图16中示出了实施例4的摄像元件的部分的示意性局部剖视图，在图17和图18中示出了实施例4的摄像元件的等效电路图，在图19中示出了构成实施例4的摄像元件的光电转换部的第一电极、传输控制电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图，在图20和图21示意性地示出了实施例4的摄像元件在操作时每个部分的电位状态。在图6B示出了用于说明实施例4的摄像元件的各部分的等效电路图。另外，在图22中示出了构成实施例4的摄像元件的光电转换部的第一电极、传输控制电极和电荷存储电极的示意性布置图，在图23中示出了传输控制电极、电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
实施例4的摄像元件还包括传输控制电极(电荷传输电极)25，该传输控制电极25以与第一电极21和电荷存储电极24分隔的状态设置在第一电极21和电荷存储电极24之间，并且被设置为隔着绝缘层面对无机氧化物半导体材料层23B。传输控制电极25经由设置在层间绝缘层81中的连接孔68B、焊盘部68A和配线VOT连接到构成驱动电路的像素驱动电路。注意，为了方便，为了简化附图，位于层间绝缘层81下侧的各种摄像元件组成部分被共同用附图标记13表示。
下面将参考图20和图21说明实施例4的摄像元件(第一摄像元件)的操作。注意，在图20和图21中，施加在电荷存储电极24上的电位的值和在点PD处的电位的值是不同的。
在电荷存储时段中，从驱动电路将电位V11施加在第一电极21上，将电位V12施加在电荷存储电极24上，并且将电位V13施加在传输控制电极25上。通过入射在光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。由光电转换产生的空穴经由配线VOU从第二电极22被送出至驱动电路。另一方面，由于将第一电极21的电位设定为高于第二电极22的电位，即，例如，在第一电极21上施加了正电位而在第二电极22上施加了负电位。满足V12＞V13(例如，V12＞V11＞V13，或V11＞V12＞V13)。结果，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极24，并停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中。换句话说，电荷被存储在无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足V12＞V13，因此能够可靠地防止在光电转换层23A的内部产生的电子向第一电极21侧移动。伴随着光电转换时间的流逝，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电位变为更负侧的值。
在电荷存储时段的后期，执行复位操作。结果，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
复位操作完成后，进行电荷的读取。换句话说，在电荷传输时段，从驱动电路将电位V21施加在第一电极21上，将电位V22施加在电荷存储电极24上，将电位V23施加在传输控制电极25上。这里，满足V22≤V23≤V21(优选地，V22＜V23＜V21)。在将电位V13施加在传输控制电极25上的情况下，满足V22≤V13≤V21(优选地，V22＜V13＜V21)就足够了。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电子被可靠地读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。换句话说，将存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷读出到控制部。
通过以上处理，完成了电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与相应的传统晶体管的操作相同。另外，第二摄像元件和第三摄像元件中的例如电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与传统的电荷存储、复位操作和电荷传输的操作系列相似。
在图24示出了实施例4的摄像元件的变形例的第一电极、电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
实施例5
实施例5是实施例1至4的变形例，并且涉及包括本公开的电荷排出电极的摄像元件等。在图25中示出了实施例5的摄像元件的部分的示意性局部剖视图，在图26中示出了包括实施例5的摄像元件的电荷存储电极的第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的示意性布置图，并且在图27中示出了第一电极、电荷存储电极、电荷排出电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
实施例5的摄像元件还包括电荷排出电极26，其经由连接部69连接到无机氧化物半导体材料层23B，并且被布置为与第一电极21和电荷存储电极24分隔。电荷排出电极26被设置为围绕第一电极21和电荷存储电极24(即，以相框形状)。电荷排出电极26连接到构成驱动电路的像素驱动电路。无机氧化物半导体材料层23B在连接部69的内部延伸。换言之，无机氧化物半导体材料层23B在设置在绝缘层82中的第二开口86的内部延伸，并连接至电荷排出电极26。多个摄像元件共用(共有)一个电荷排出电极26。
在实施例5中，在电荷存储时段中，从驱动电路将电位V11施加在第一电极21上，将电位V12施加在电荷存储电极24上，并且将电位V14施加在电荷排出电极26上，并且电荷被存储在无机氧化物半导体材料层23B等中。通过入射在光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。由光电转换产生的空穴经由配线VOU从第二电极22被送出至驱动电路。另一方面，由于将第一电极21的电位设定为高于第二电极22的电位，即，例如，在第一电极21上施加了正电位而在第一电极21上施加了负电位，满足V14＞V11(例如，V12＞V14＞V11)。结果，通过光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极24，并且停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中，从而能够可靠地防止电子向第一电极21移动。但是，应注意的是，未被电荷存储电极24充分吸引或未适当地存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电子(所谓的溢出电子)经由电荷排出电极26而被送至驱动电路。
在电荷存储时段的后期，执行复位操作。结果，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
复位操作完成后，将进行电荷的读取。在电荷传输时段，从驱动电路将电位V21施加在第一电极21上，将电位V22施加在电荷存储电极24上，并且将电位V24施加在放电电极26上。在此，满足V24＜V21(例如，V24＜V22＜V21)。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电子被可靠地读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。换句话说，将存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷读出到控制部。
通过以上处理，完成了电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在电子被读出到第一浮动扩散层FD1之后，放大晶体管TR1amp和选择晶体管TR1sel的操作与相应的传统晶体管的操作相同。此外，例如，第二摄像元件和第三摄像元件的电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作与传统的电荷存储、复位操作和电荷传输的操作系列相似。
在实施例5中，由于经由电荷排出电极26将所谓的溢流电子送出至驱动电路，因此能够抑制电子向相邻像素的电荷存储部的泄漏，并且能够抑制强光溢出(blooming)的产生。结果，能够增强摄像元件的拍摄性能。
实施例6
实施例6是实施例1至5的变形例，并且涉及包括本公开的多个电荷存储电极段的摄像元件等。
在图28中示出了实施例6的摄像元件的部分的示意性局部剖视图，在图29和30中示出了实施例6的摄像元件的等效电路图，在图31中示出了实施例6的摄像元件的构成光电转换部的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图，该光电转换部包括构成控制部的电荷存储电极和晶体管，在图32和图33示出了实施例6的摄像元件在操作时每个部分的电位状态，在图6C是示出了用于说明实施例6的摄像元件的各部分的等效电路图。另外，在图34中示出了包括实施例6的摄像元件的电荷存储电极的光电转换部的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图，并且在图35中示出了电荷存储电极、第二电极和接触孔部的示意性立体图。
在实施例6中，电荷存储电极24包括多个电荷存储电极段24A、24B和24C。电荷存储电极段的数量为大于或等于2即可，并且在实施例6中为“3”。在实施例6的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位，例如，在第一电极21上施加正电位，在第二电极22上施加负电位。在电荷传输时段，施加在最靠近第一电极21的位置的电荷存储电极段24A上的电位高于施加在最远离第一电极21的位置的电荷存储电极段24C上的电位。因此，电位梯度被施加至电荷存储电极24，使得停留在无机氧化物半导体材料层23B等中的面对电荷存储电极24的区域中的电子被更可靠地读出到第一电极21，进而读出到第一浮动扩散层FD1。换句话说，将存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷读出到控制部。
在图32所示的示例中，在电荷传输时段中，进行设置使得(电荷存储电极段24C的电位)<(电荷存储电极段24B的电位)<(电荷存储电极段24A的电位)，由此将停留在无机氧化物半导体材料层23B等的区域中的电子同时读出到第一浮动扩散层FD1。另一方面，在图33所示的示例中，在电荷传输时段中，电荷存储电极段24C的电位、电荷存储电极段24B的电位以及电荷存储电极段24A的电位逐渐改变(即，阶梯式地或以斜坡的方式改变)，使得停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24C的区域中的电子移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24B的区域中，接着使停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24B的区域中的电子移动到电荷存储电极段24B等的面对电荷存储电极段24A的区域中，然后可靠地将停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24A的区域中的电子读出到第一浮动扩散层FD1。
在图36中示出了构成实施例6的摄像元件的变形例的第一电极、电荷存储电极和构成控制部的晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR1rst的另一侧上的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
实施例7
实施例7是实施例1至6的变形例，并且涉及第一至第六构造的摄像元件。
在图37中示出了实施例7的摄像元件的示意性局部剖视图，在图38中示出了电荷存储电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极的部分的示意性局部放大剖视图。实施例7的摄像元件的等效电路图与图2和图3中描述的实施例1的摄像元件的等效电路图相似，并且实施例7的摄像元件的构成光电转换部的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图与图4中描述的实施例1的摄像元件的该部分相似，所述光电转换部包括电荷存储电极和构成控制部的晶体管。此外，实施例7的摄像元件(第一摄像元件)的操作与实施例1的摄像元件的操作基本相似。
在此，在实施例7的摄像元件或后述的实施例8至12的摄像元件中，
光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段(具体来说，三个光电转换部段10’1、10’2和10’3)；
无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A包括N个光电转换层段(具体地，三个光电转换层段23’1、23’2和23’3)；
绝缘层82包括N个绝缘层段(具体地，三个绝缘层段82’1、82’2和82’3)；
在实施例7至9中，电荷存储电极24包括N个电荷存储电极段(具体地，在每个实施例中，三个电荷存储电极段24’1，24’2和24’3)；
在实施例10和11中以及在实施例9的部分情况下，电荷存储电极24包括N个彼此分隔设置的电荷存储电极段(具体来说，三个电荷存储电极段24’1、24’2和24’3)
第n个(其中n＝1、2、3...N)光电转换部段10’n包括第n个电荷存储电极段24’n，第n个绝缘层段82’n和第n个光电转换层段23’n；和
n值越大的光电转换部段距离第一电极21的距离越远。这里，光电转换层段23’1、23’2和23’3分别是指其中光电转换层和无机氧化物半导体材料层层叠的区段，并且为了简化附图，每个区段在附图中都被图示为一层。下文类似地适用。
注意，在光电转换层段中，可以采用以下构造，其中，光电转换层的部分的厚度是变化的，并且无机氧化物半导体材料层的部分的厚度是恒定的，因此光电转换层段的部分的厚度是变化的；或者可以采用以下构造，其中，光电转换层的部分的厚度是恒定的，并且无机氧化物半导体材料层的部分的厚度是变化的，因此光电转换层段的部分的厚度是变化的，或者可以采用以下构造：光电转换层的部分的厚度是变化的，并且无机氧化物半导体材料层的部分的厚度是变化的，因此光电转换层段的厚度是变化的。
可替代地，实施例7的摄像元件或稍后将描述的实施例8和11的摄像元件包括
光电转换部，其中，第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22层叠；
其中，光电转换部还包括电荷存储电极24，其被设置为与第一电极21分隔并且隔着绝缘层82面对无机氧化物半导体材料层23B；并且
设电荷存储电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向为Z方向，并且设远离第一电极21的方向为X方向，然后，当沿着YZ虚拟平面切割层叠的部分时，层叠电荷存储电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠部分的截面积根据与第一电极的距离而变化。
此外，在实施例7的摄像元件中，绝缘层段的厚度在从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N的范围内逐渐变化。具体地，绝缘层段的厚度逐渐增加。可替代地，在实施例7的摄像元件中，层叠部分的截面宽度是恒定的，而层叠部分的截面厚度，具体地，绝缘层段的厚度根据与第一电极21的距离而逐渐增大。注意，绝缘层段的厚度阶梯式地增大。令第n个光电转换部段10’n中的绝缘层段82’n的厚度恒定。当第n个光电转换部段10’n中的绝缘层段82’n的厚度为“1”时，第(n+1)个光电转换部段10’(n+1)中的绝缘层段82’(n+1)的厚度可以是例如2至10，但是该值不是限制性的。在实施例7中，电荷存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度逐渐减小，从而绝缘层段82’1、82’2和82’3的厚度逐渐增加。光电转换层段23’1、23’2和23’3的厚度是恒定的。
下面将描述实施例7的摄像元件的操作。
在电荷存储时段中，从驱动电路将电位V11施加在第一电极21上，并且将电位V12施加在电荷存储电极24上。通过入射在光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。由光电转换产生的空穴经由配线VOU从第二电极22被送出至驱动电路。另一方面，由于将第一电极21的电位设定为高于第二电极22的电位，即，例如，由于在第一电极21上施加了正电位而在第二电极22上施加了负电位，满足V12≥V11，并且优选地满足V12＞V11。结果，由光电转换产生的电子被吸引到电荷存储电极24，并停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中。换句话说，电荷被存储在无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足V12＞V11，所以在光电转换层23A的内部产生的电子不会向第一电极21移动。随着光电转换时间的流逝，在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电位在变为更负侧的值。
在实施例7的摄像元件中，采用其中绝缘层段的厚度逐渐增加的构造。因此，当在电荷存储时段中建立V12≥V11的状态时，第n个光电转换部段10’n可以存储比第(n+1)个光电转换部段10’(n+1)更多的电荷，并且施加强电场，使得能够可靠地防止电荷从第一光电转换部段10’1流到第一电极21。
在电荷存储时段的后期，执行复位操作。结果，第一浮动扩散层FD1的电位被复位，并且第一浮动扩散层FD1的电位变为电源的电位VDD。
复位操作完成后，将执行电荷的读取。具体地，在电荷传输时段中，从驱动电路将电位V21施加在第一电极21上，并且将电位V22施加在电荷存储电极24上。在此，满足V21＞V22。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电子被读出到第一电极21，并且进一步被读出到第一浮动扩散层FD1。换句话说，将存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷读出到控制部。
更具体地，当在电荷传输时段中达到V21>V22的状态时，能够确信地保证从第一光电转换部段10’1到第一电极21的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段10’(n+1)到第n个光电转换部段10’n的电荷流动。
通过以上处理，完成了电荷存储、复位操作和电荷传输的一系列操作。
在实施例7的摄像元件中，绝缘层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化；可替代地，当沿着YZ虚拟平面切割层叠有电荷存储电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的截面积根据与第一电极之间的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，使得由光电传输产生的电荷能够更容易且更可靠地传输。
实施例7的摄像元件可以通过与实施例1的摄像元件实质上相同的方法来制造，因此省略详细的说明。
注意，在实施例7的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷存储电极24和绝缘层82时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷存储电极24’3的导电材料层，并且图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1，10’2和10’3以及第一电极21的区域中保留该导电材料层，从而能够获得第一电极21的一部分和电荷存储电极24’3。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层段82’3的绝缘层，并图案化该绝缘层，并进行平坦化处理，从而可以获得绝缘层段82’3。随后，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极24’2的导电材料层，并图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1和10’2以及第一电极21的区域保留导电材料层，从而获得第一电极21的一部分和电荷存储电极24’2。接下来，在整个表面上形成用于形成绝缘层段82’2的绝缘层，并图案化该绝缘层，并进行平坦化处理，从而可以获得绝缘层段82’2。随后，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极24’1的导电材料层，并图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1和第一电极21的区域保留导电材料层，从而能够获得第一电极21和电荷存储电极24’1。接下来，在整个表面上形成绝缘层，并且进行平坦化处理，从而能够获得绝缘层段82’1(绝缘层82)。然后，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A。通过这种方式，能够获得光电转换部段10’1、10’2和10’3。
在图39中示出了构成实施例7的摄像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR1rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
实施例8
实施例8的摄像元件涉及本公开的第二构造和第六构造的摄像元件。在图40中示出了电荷存储电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极层叠的部分的示意性局部放大剖视图，在实施例8的摄像元件中，从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N的范围内，光电转换层段的厚度逐渐变化。可替代地，在实施例8的摄像元件中，层叠部分的截面的宽度是恒定的，而层叠部分的截面的厚度，具体地，光电转换层段的厚度根据与第一电极21之间的距离逐渐增加。更具体地，光电转换层段的厚度逐渐增大。注意，光电转换层段的厚度阶梯式地增大。将第n个光电转换部段10’n中的光电转换层段23’n的厚度设为恒定。当第n个光电转换部段10’n中的光电转换层段23’n的厚度为“1”时，第(n+1)光电转换部段10’(n+1)中的光电转换层段23(n+1)的厚度例如可以是2至10，但是这样的值不是限制性的。在实施例8中，电荷存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度逐渐减小，从而光电转换层段23’1、23’2和23’3的厚度逐渐增大。绝缘层段82’1、82’2和82’3的厚度是恒定的。另外，在光电转换层段之中，例如，只要使无机氧化物半导体材料层的部分的厚度恒定而使光电转换层的部分的厚度是变化的，从而使光电转换层段的厚度是变化的就可以了。
在实施例8的摄像元件中，光电转换层段的厚度逐渐增加。因此，当在电荷存储时段中达到V12≥V11的状态时，向第n个光电转换部段10’n施加比第(n+1)个光电转换部段10’(n+1)更强的电场，从而能够可靠地防止电荷从第一光电转换部段10’1流向第一电极21。当在电荷传输时段达到V22＜V21的状态时，能够可靠的确保从第一光电转换部段10’1到第一电极21的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段10’(n+1)到第n光电转换部段10’n的电荷流动。
以这种方式，在实施例8的摄像元件中，光电转换层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化。可替代地，当沿着YZ虚拟平面切割层叠有电荷存储电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，该层叠部分的截面积根据与第一电极之间的距离而变化。因此，形成了一种电荷传输梯度，并且能够更容易且更可靠地传输由光电转换产生的电荷。
在实施例8的摄像元件中，在形成第一电极21、电荷存储电极24、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A时，首先，在层间绝缘层81上形成用于形成电荷存储电极24’3的导电材料层，并图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1、10’2和10’3和第一电极21的区域中留下该导电材料层，从而可以获得第一电极21的一部分和电荷存储电极24’3。接下来，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极24’2的导电材料层，并图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1、10’2和第一电极21的区域中留下该导电材料层，从而能够获得第一电极21的一部分和电荷存储电极24’2。随后，在整个表面上形成用于形成电荷存储电极24’1的导电材料层，并图案化该导电材料层，以在将要形成光电转换部段10’1和第一电极21的区域中留下该导电材料层，从而能够获得第一电极21和电荷存储电极24’1。接下来，以共形的方式在整个表面上形成绝缘层82。然后，在绝缘层82上形成无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A，并对光电转换层23A进行平坦化处理。以此方式，能够获得光电转换部段10’1、10’2和10’3。
实施例9
实施例9涉及第三构造的摄像元件。在图41中示出了实施例9的摄像元件的示意性局部剖视图。在实施例9的摄像元件中，相邻的光电转换部段的构成绝缘层段的材料是不同的。在此，在从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N的范围内，构成绝缘层段的材料的相对介电常数的值逐渐减小。在实施例9的摄像元件中，可以在所有N个电荷存储电极段上施加相同的电位，或者可以在N个电荷存储电极段上分别施加不同的电位。在后一种情况下，与实施例10相似，彼此间隔设置的电荷存储电极段24’1、24’2和24’3经由焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112即可。
采用这样的构造，形成了一种电荷传输梯度，使得当在电荷存储时段中达到V12≥V11的状态时，可以在第n个光电转换部段中存储比在(n+1)个光电转换部段更多的电荷。当在电荷传输时段达到V22<V21的状态时，能够可靠的确保从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n个光电转换部段的电荷流动。
实施例10
实施例10涉及第四构造的摄像元件。在图42中示出了实施例10的摄像元件的示意性局部剖视图。在实施例10的摄像元件中，相邻的光电转换部段的构成电荷存储电极段的材料是不同的。在此，构成绝缘层段的材料的功函数的值在从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N的范围内逐渐增大。在实施例10的摄像元件中，可以在所有N个电荷存储电极段上施加相同的电位，或者可以在N个电荷存储电极段上分别施加不同的电位。在后一种情况下，电荷存储电极段24’1，24’2和24’3经由焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112。
实施例11
实施例11的摄像元件涉及第五构造的摄像元件。在图43A、43B，44A和44B中示出了实施例11中的电荷存储电极段的示意性平面图，并且在图45中示出了构成光电转换部的第一电极和电荷存储电极的示意性布置图，该光电转换部包括构成实施例11的摄像元件的电荷存储电极和控制部的晶体管。实施例11的摄像元件的示意性局部剖视图类似于图42或图47所示。在实施例11的摄像元件中，电荷存储电极段的面积在从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N的范围内逐渐减小。在实施例11的摄像元件中，可以在所有N个电荷存储电极段上施加相同的电位，或者可以在N个电荷存储电极段上分别施加不同的电位。具体地说，与实施例10相似，将彼此分隔地设置的电荷存储电极段24’1，24’2和24’3经由焊盘部641、642和643连接到构成驱动电路的垂直驱动电路112即可。
在实施例11中，电荷存储电极24包括多个电荷存储电极段24’1、24’2和24’3。电荷存储电极段的数量为2以上即可，在实施例11中，数量为“3”。在实施例11的摄像元件中，第一电极21的电位高于第二电极22的电位；例如，在第一电极21上施加正电位，在第二电极22上施加负电位。因此，在电荷传输时段，施加在最靠近第一电极21的位置处的电荷存储电极段24’1上的电位高于施加在最远离第一电极21的位置处的电荷存储电极段24’3上施加的电位。通过将这样的电位梯度给予电荷存储电极24，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极24的区域中的电子被更可靠地读出至第一电极21，并且，进一步地被读出至第一浮动扩散层FD1。换句话说，存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷被读出到控制部。
在电荷传输时段，进行设定使得：(电荷存储电极段24’3的电位)<(电荷存储电极段24’2的电位)<(电荷存储电极段24’1的电位)。这样的设定确保了停留在无机氧化物半导体材料层23B等中的电子能够被同时读出到第一浮动扩散层FD1中。可选地，在电荷传输时段，电荷存储电极段24’3的电位，电荷存储电极段24’2的电位和电荷存储电极段24’1的电位逐渐变化(阶梯式地变化或以倾坡的方式变化)。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24’3的区域中的电子能够移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24’2的区域中，接下来，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24’2的区域中的电子能够移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24’1的区域中，然后能够将停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极段24’1的区域中的电子可靠地读出到第一浮动扩散层FD1。
在图46中示出了构成实施例11的摄像元件的变形例的第一电极和电荷存储电极以及构成控制部的晶体管的示意性布置图，复位晶体管TR3rst的另一侧的源极/漏极区域51B可以接地，而不是连接至电源VDD。
在实施例11的摄像元件中，通过采用这种构造，形成一种电荷传输梯度。换句话说，电荷存储电极段的面积从第一光电转换部段10’1到第N光电转换部段10’N逐渐减小。因此，当在电荷存储时段中达到V12≥V11的状态时，第n个光电转换部段中能够比第(n+1)个光电转换部段中存储更多的电荷。当在电荷传输时段达到V22<V21的状态时，能够可靠的确保从第一光电转换部段到第一电极的电荷流动，以及从第(n+1)个光电转换部段到第n个光电转换部段的电荷流动。
实施例12
实施例12涉及第六构造的摄像元件。在图47中示出了实施例12的摄像元件的示意性局部剖视图。在图48A和图48B中示出了实施例12中的电荷存储电极段的示意性平面图。实施例12的摄像元件包括光电转换部，其中层叠有第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22。光电转换部还包括电荷存储电极24(24”1、24”2和24”3)，电荷存储电极被设置为与第一电极21分隔并且隔着绝缘层82面对无机氧化物半导体材料层23B。设电荷存储电极24(24”1、24”2和24”3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A的层叠方向为Z方向，且设远离第一电极21的方向为X方向，那么，当沿着YZ虚拟平面切割层叠的部分时，电荷存储电极24(24”1、24”2和24”3)、绝缘层82、无机氧化物半导体材料层23B和光电转换层23A层叠的层叠部分的截面积根据与第一电极21的距离而变化。
具体地，在实施例12的摄像元件中，层叠部分的截面的厚度是恒定的，然而，随着位置远离第一电极21，则层叠部分在该位置处的截面的宽度变窄。注意，该宽度可以连续变窄(参见图48A)，或者可以阶梯式地变窄(参见图48B)。
这样，在实施例12的摄像元件中，当沿着YZ虚拟平面切割层叠有电荷存储电极24(24”1，24”2和24”3)、绝缘层82和光电转换层23A的层叠部分时，该层叠部分的截面积根据与第一电极的距离而变化。因此，形成一种电荷传输梯度。因此，能够更容易且更可靠地传输由光电转换产生的电荷。
实施例13
实施例13涉及第一构造和第二构造的固态摄像装置。
实施例13的固态摄像装置包括多个摄像元件，摄像元件均包括
光电转换部，其中层叠有第一电极21、无机氧化物半导体材料层23B、光电转换层23A和第二电极22，
其中，光电转换部还包括电荷存储电极24，电荷存储电极24被布置为与第一电极21分隔并且隔着绝缘层82面对无机氧化物半导体材料层23B，
多个摄像元件构成摄像元件块，并且
第一电极21被构成摄像元件块的多个摄像元件共用。
可替代地，实施例13的固态摄像装置包括实施例1至12中描述的多个摄像元件。
在实施例13中，针对多个摄像元件设置一个浮动扩散层。通过适当地控制电荷传输时段的时序，使得多个摄像元件能够共用一个浮动扩散层。此外，在这种情况下，多个摄像元件能够共用一个接触孔部。
注意，除了第一电极21被构成摄像元件块的多个摄像元件共用之外，实施例13的固态摄像装置基本上具有与实施例1至12中描述的固态摄像装置相似的构造和结构，。
在图49(实施例13)、图50(实施例13的第一变形例)、图51(实施例13的第二变形例)、图52(实施例13的第三变形例)、图53(实施例13的第四变形例)中示意性的示出了实施例13的固态摄像装置中的第一电极21和电荷存储电极24的构造状态。在图49、图50、图53和图54中，示出了16个摄像元件，在图51和图52中，示出了12个摄像元件。两个摄像元件构成一个摄像元件块。摄像元件块以被虚线包围的状态示出。添加到第一电极21和电荷存储电极24的后缀用于区分第一电极21和电荷存储电极24。这同样适用于以下给出的描述。另外，在一个摄像元件的上侧设置有一个片上微透镜(在图49至图58中未图示)。在一个摄像元件块中，设置了两个电荷存储电极24，第一电极21位于它们之间(参见图49和图50)。可替代地，一个第一电极21设置成面对两个并列的电荷存储电极24(见图53和图54)。换句话说，第一电极与每个摄像元件的电荷存储电极相邻地设置。可替代地，第一电极被布置为与多个摄像元件中的一些摄像元件的电荷存储电极相邻，但是不与多个摄像元件中的其余摄像元件的电荷存储电极相邻(见图51和图52)；在这种情况下，电荷从多个摄像元件中的上述其余摄像元件向第一电极的移动是经由多个摄像元件中的上述一些摄像元件的移动。优选地，为了确保电荷从每个摄像元件移动到第一电极，构成摄像元件的电荷存储电极与构成另一摄像元件的另一电荷存储电极之间的距离A长于第一电极与摄像元件中的相邻于第一电极的电荷存储电极之间的距离B。另外，优选的是，对于位于距第一电极越远的位置处的摄像元件，距离A的值越大。此外，在图50、图52和图54所示的示例中，在构成摄像元件块的多个摄像元件之间设置有一个电荷移动控制电极27。通过设置电荷移动控制电极27，能够可靠地抑制位于电荷移动控制电极27两侧的摄像元件块之间的电荷移动。注意，设施加在电荷移动控制电极27上的电位为V17，则只要采用V12＞V17的设定就足够了。
电荷移动控制电极27可以形成在第一电极侧上，与第一电极21或电荷存储电极24处于相同的水平，或者形成在不同的水平(具体而言，位于第一电极21或电荷存储电极24下方的水平)。在前一种情况下，能够缩短电荷移动控制电极27和光电转换层之间的距离，从而易于控制电位。另一方面，在后一种情况下，能够缩短电荷移动控制电极27和电荷存储电极24之间的距离，这有利于精细化。
下面将说明包括第一电极212和两个电荷存储电极2421和2422的摄像元件块的操作。
在电荷存储时段中，从驱动电路将电位Vα施加在第一电极212上，将电位VA施加在电荷存储电极2421和2422上。通过入射在光电转换层23A上的光，在光电转换层23A中产生光电转换。由光电转换产生的空穴经由配线VOU从第二电极22引出至驱动电路。另一方面，第一电极212的电位被设置为高于第二电极22的电位。例如，在第一电极212上施加正电位，在第二电极22上施加负电位。因此，满足VA≥Va，并且优选满足VA＞Va。结果，通过光电转换产生的电子被电荷存储电极2421和2422吸引，并停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421和2422的区域中。换句话说，电荷被存储在无机氧化物半导体材料层23B等中。由于满足VA≥Va，所以在光电转换层23A的内部产生的电子将不会向第一电极212移动。随着光电转换时间的流逝，无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421和2422的区域中的电位变为更负侧的值。
在电荷存储时段的后期，进行复位操作。结果，第一浮动扩散层的电位被复位，并且第一浮动扩散层的电位变为电源的电位VDD。
复位操作完成后，将进行电荷的读取。在电荷传输时段中，从驱动电路的将电位Vb施加在第一电极212上，将电位V21-B施加在电荷存储电极2421上，将电位V22-B施加在电荷存储电极2422上。在此，满足V21-B＜Vb＜V22-B。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电子被读出到第一电极212，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。换句话说，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷被读出到控制部。读取完成后，进行设置，以使V22-B≤V21-B<Vb。注意，在图53和图54所示的示例中，可以进行使得V22-B＜Vb＜V21-B的设置。结果，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电子被读出到第一电极212，并且进一步被读出到第一浮动扩散层。另外，在图51和图52所示的示例中，停留在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电子经由与电荷存储电极2422相邻的第一电极213而被读出到第一浮动扩散层。因此，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电荷被读出到控制部。注意，当完成将存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷向控制部的读取时，可以复位第一浮动扩散层的电位。
图59A示出了实施例13的摄像元件块中的读取驱动示例，其中，根据以下流程读出来自与电荷存储电极2421和电荷存储电极2422相对应的两个摄像元件的信号被读出：
[步骤A]
自动归零信号输入比较器，
[步骤B]
共用的一个浮动扩散层的复位操作，
[步骤C]
与电荷存储电极2421相对应的摄像元件中的P相读取以及向第一电极212的电荷移动，
[步骤D]
与电荷存储电极2421相对应的摄像元件中的D相读取以及向第一电极212的电荷移动，
[步骤E]
共用的一个浮动扩散层的复位操作，
[步骤F]
自动归零信号输入比较器，
[步骤G]
在与电荷存储电极2422相对应的摄像元件中的P相读取以及向第一电极212的电荷移动，以及
[步骤H]
在与电荷存储电极2422相对应的摄像元件中的D相读取以及向第一电极212的电荷移动。
基于相关双采样(CDS)处理，[步骤C]中的P相读取与[步骤D]中的D相读取之间的差是来自与电荷存储电极2421对应的摄像元件的信号，[步骤G]中的P相读取与[步骤H]中的D相读取之间的差是来自与电荷存储电极2422对应的摄像元件的信号。
注意，可以省略[步骤E]的操作(参见图59B)。另外，可以省略[步骤F]的操作。在这种情况下，还可以省略[步骤G](参见图59C)，其中[步骤C]中的P相读取与[步骤-D]中的D相读取之差是来自与电荷存储电极2421对应的摄像元件的信号，并且[步骤D]中的D相读取与[步骤H]中的D相读取之间的差是来自与电荷存储电极2422对应的摄像元件的信号。
在图55(实施例13的第六变形例)和图56(实施例13的第七变形例)中示意性地示出了第一电极21和电荷存储电极24的构造状态的变形例中，四个摄像元件构成摄像元件块。这些固态摄像装置的操作与图49至图54所示的固态摄像装置的操作基本相似。
在图57和图58中示意性地示出了第一电极21和电荷存储电极24的构造状态的变形例8和变形例9中，16个摄像元件构成摄像元件块。如图57和图58所示，在电荷存储电极2411与电荷存储电极2412之间、在电荷存储电极2412与电荷存储电极2413之间，以及在电荷存储电极2413和电荷存储电极2414之间设置有电荷移动控制电极27A1、27A2和27A3。另外，如图58所示，在电荷存储电极2421、2431和2441与电荷存储电极2422、2432以及2442之间、在电荷存储电极2422、2432和2442与电荷存储电极2423、2433和2443之间、以及在电荷存储电极2423、2433和2443与电荷存储电极2424、2434和2444之间设置有电荷移动控制电极27B1、27B2和27B3。此外，在一个摄像元件块和另一个摄像元件块之间设置有电荷移动控制电极27C。在这些固态摄像装置中，通过控制16个电荷存储电极24，能够从第一电极21中读出存储在无机氧化物半导体材料层23B中的电荷。
[步骤10]
具体地，首先，从第一电极21读出存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2411的区域中的电荷。其次，经由无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2411的区域，从第一电极21读出存储在无机电极半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2412的区域中的电荷。随后，经由无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2412和电荷存储电极2411的区域，从第一电极21读出存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2413的区域中存储的电荷。
[步骤20]
之后，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2411的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2412的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2423的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2413的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2414的区域中。
[步骤21]
存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2431的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2432的区域的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2433的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对存储电荷电极2423的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2434的区域的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域。
[步骤22]
存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2441的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2431的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2442的区域的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2432的区域。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2443的区域的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2433的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2444的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2434的区域中。
[步骤30]
然后，再次进行[步骤10]，以使存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷、存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电荷、存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2423的区域中的电荷，以及存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域中的电荷可以通过第一电极21读出。
[步骤40]
之后，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2411的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2412的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2423的区域的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2413的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2414的区域中。
[步骤41]
存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2431的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2432的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2433的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2423的区域中。存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2434的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域中。
[步骤50]
然后，再次执行[步骤10]，使得存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2431的区域中的电荷，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2432的区域中的电荷，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2433的区域中的电荷，以及存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2434的区域中的电荷可以经由第一电极21读出。
[步骤60]
之后，存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2421的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2411的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2422的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2412的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2423的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2413的区域中。储存在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2424的区域中的电荷被移动到无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2414的区域中。
[步骤70]
然后，再次执行[步骤10]，使得存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2441的区域中的电荷、存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2442的区域中的电荷、存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷存储电极2443的区域中的电荷、以及存储在无机氧化物半导体材料层23B等的面对电荷电极2444的区域中的电荷可以经由第一电极21读出。
在实施例13的固态摄像装置中，构成摄像元件块的多个摄像元件共用第一电极，因此，能够简化和改进其中布置有多个摄像元件的像素区域的构造和结构。注意，为一个浮动扩散层设置的多个摄像元件可以包括多个第一类型的摄像元件，或者可以包括至少一个第一类型的摄像元件以及一个或多个第二类型的摄像元件。
实施例14
实施例14是实施例13的变形例。在图60、图61、图62和图63中示出了实施例14的固态摄像装置中的第一电极21和电荷存储电极24的布置状态，其中，两个摄像元件构成了一个摄像元件块。另外，一个片上微透镜14设置在摄像元件块的上侧。注意，在图61和图63所示的示例中，电荷移动控制电极27设置在构成摄像元件块的多个摄像元件之间。
例如，与构成摄像元件块的电荷存储电极2411、2421、2431和2441相对应的光电转换层对来自图中的右斜上侧的入射光具有高灵敏度。另外，与构成摄像元件块的电荷存储电极2412、2422、2432和2442相对应的光电转换层对来自图中的左斜上侧的入射光具有高灵敏度。因此，例如，当将具有电荷存储电极2411的摄像元件和具有电荷存储电极2412的摄像元件组合时，能够获取图像表面相位差信号。此外，当来自具有电荷存储电极2411的摄像元件的信号和来自具有电荷存储电极2412的摄像元件的信号彼此相加时，可以通过这些摄像元件的组合构成一个摄像元件。尽管在图60所示的示例中，第一电极211设置在电荷存储电极2411和电荷存储电极2412之间，但是与图62所示的示例相同，一个第一电极211可以被布置为面对着并置的两个电荷存储电极2411和2412，从而能够实现灵敏度的进一步提高。
尽管上面已经基于优选实施例描述了本公开，但是本公开不限于这些实施例。在实施例中描述的层叠型摄像元件、摄像元件和固态摄像装置所使用的结构和构造、生产条件、生产方法和材料仅是示例性的，并且可以根据需要进行修改。实施例的摄像元件可以根据需要彼此组合。例如，实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件和实施例11的摄像元件可以任意地彼此组合，并且实施例7的摄像元件、实施例8的摄像元件、实施例9的摄像元件、实施例10的摄像元件以及实施例12的摄像元件可以任意地彼此组合。
根据情况，浮动扩散层FD1、FD2、FD3、51C、45C和46C可以被共用。
作为实施例1中描述的摄像元件的变形例，例如，在图64中示出，第一电极21可以在设置于绝缘层82中的开口85A中延伸，并且能够连接到无机氧化物半导体材料层23B。
可替代地，图65中示出了实施例1中描述的摄像元件的变形例，并且在图66A中示出了第一电极等的部分的放大形式的示意性局部剖视图，第一电极21的顶表面的边缘部分被绝缘层82覆盖，第一电极21在开口85B的底表面处露出，并且设绝缘层82的与第一电极21的顶表面接触的表面是第一表面82a，并且设绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极24的部分接触的表面是第二表面82b，则开口85B的侧表面具有例如从第一表面82a朝向第二表面82b变宽的倾斜度。在开口85B的侧表面如此倾斜的情况下，使得从无机氧化物半导体材料层23B到第一电极21的电荷的移动更平滑。注意，在图66A所示的示例中，虽然开口85B的侧表面以开口85B的轴为对称中心旋转对称，但是如图66B所示，具有从第一表面82a朝向第二表面82b变宽的倾斜度的开口85C可以以开口85C的侧表面位于电荷存储电极24侧的方式设置。这使得电荷难以从无机氧化物半导体材料层23B的位于开口85C的与电荷存储电极24相反侧的部分移动。另外，尽管开口85B的侧表面具有从第一表面82a朝向第二表面82b变宽的倾斜度，第二表面82b处的开口85B的侧表面的边缘部可以如图66A所示地位于相对于第一电极21的边缘部分的外侧，也可以如图66C所示地位于相对于第一电极21的边缘部分的内侧。通过采用前者的构造，电荷的输送更加容易，并且，通过后者的构造，能够减少形成开口时的形状变化。
这些开口85B和85C可以通过如下工艺形成：对包括基于蚀刻方法的开口形成绝缘层时形成的抗蚀剂材料的蚀刻掩模进行回流，以使蚀刻掩模的开口的侧表面倾斜，并且使用蚀刻掩模蚀刻绝缘层82。
可替代地，关于实施例5中描述的电荷排出电极26，可以采用如图67所示的方式：无机氧化物半导体材料层23B在设置在绝缘层82中的第二开口86A中延伸并连接电荷排出电极26，电荷排出电极26的顶表面的边缘部分被绝缘层82覆盖，电荷排出电极26在第二开口86A的底表面露出，并且，设绝缘层82的与电荷排出电极26的顶表面接触的表面是第三表面82c，并且设绝缘层82的与无机氧化物半导体材料层23B的面对电荷存储电极24的部分接触的表面是第二表面82b，则第二开口86A的侧表面具有从第三表面82c朝向第二表面82b变宽的倾斜度。
另外，例如，如图68所示，作为实施例1中说明的摄像元件的变形例，可以采用如下模式：其中，从第二电极22侧入射光并在第二电极22附近的光入射侧形成有遮光层15。注意，相对于光电转换层设置在光入射侧的各种配线可以用作遮光层。
注意，在图68所示的示例中，遮光层15形成在第二电极22的上侧，即，遮光层15相对于第二电极22形成在光入射侧并在第一电极21的上侧。但是，如图69所示，遮光层15也可以设置在第二电极22的光入射侧的表面上。另外，在某些情况下，如图70所示，第二电极22可以设有遮光层15。
可替代地，可以采用以下结构：其中光从第二电极22侧入射，并且光不入射在第一电极21上。具体地，如图68所示，遮光层15形成在第二电极22附近的光入射侧和第一电极21的上侧。可替代地，可以采用如图72所示的结构，在电荷存储电极24和第二电极22的上侧设置片上微透镜14，并且入射在片上微透镜14上的光被会聚到电荷存储电极24上并且不会到达第一电极21。注意，如实施例4中所述，在设置有传输控制电极25的情况下可以采用不使光入射在第一电极21和传输控制电极25上的模式。具体地，可以采用如下结构：其中，如图71所示，遮光层15形成在第一电极21和传输控制电极25的上侧。或者，可以采用入射到片上微透镜14上的光不到达第一电极21或不到达第一电极21和传输控制电极25的结构。
通过采用这些构造和结构，或通过以使光仅入射在光电转换层23A的位于电荷存储电极24的上侧的部分的方式设置遮光层15，或通过设计片上微透镜14，确保了光电转换层23A的位于第一电极21上侧(或第一电极21和传输控制电极25的上侧)的部分不会参与光电转换，因此，能够同时可靠地复位所有像素，并且能够更轻松地实现全局快门功能。换句话说，在用于包括具有这些构造和结构的多个摄像元件的固态摄像装置的驱动方法中，重复以下步骤
在所有的摄像元件中，在将电荷存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的同时，同时将第一电极21中的电荷排出至***外部，然后
在所有的摄像元件中，将存储在无机氧化物半导体材料层23B等中的电荷同时传输到第一电极21，并且在传输完成之后，依次读出摄各像元件中的传输到第一电极21中的电荷。
在这样的固态摄像装置的驱动方法中，每个摄像元件具有如下结构：其中，从第二电极侧入射的光不入射在第一电极上，并且，在所有的摄像元件中，在将电荷存储在无机氧化物半导体材料层等中的同时，第一电极中的电荷被同时排出至***外部，从而能够在所有摄像元件中同时可靠地复位第一电极。之后，在所有的摄像元件中，存储在无机氧化物半导体材料层等中的电荷被同时传输至第一电极，并且传输完成后，依次读出各摄像元件中的被传输至第一电极的电荷。因此，能够容易地实现所谓的全局快门功能。
另外，作为实施例4的变形例，如图73所示，也可以从最靠近第一电极21的位置朝向电荷存储电极24设置多个传输控制电极。注意，图73示出了其中设置两个传输控制电极25A和25B的示例。可以采用以下结构：其中，在电荷存储电极24和第二电极22的上侧设置片上微透镜14，入射在片上微透镜14上的光被会聚到电荷存储电极24上，并且光不会到达第一电极21和传输控制电极25A和25B。
在图37和图38所示的实施例7中，电荷存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度逐渐减小，从而绝缘层段82’1、82’2和82’3的厚度逐渐增加。另一方面，图74中示出了实施例7的变形例中的电荷存储电极、无机氧化物半导体材料层、光电转换层和第二电极层叠的部分的示意性放大局部示意图。电荷存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度可以是恒定的，并且绝缘层段82’1、82’2和82’3的厚度可以逐渐减小。请注意，光电转换层段23’1、23’2和23’3的厚度是恒定的。
另外，在图40所示的实施例8中，电荷存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度逐渐减小，从而光电转换层段23’1、23’2和23’3的厚度逐渐增加。另一方面，图75中示出了实施例8的变形例中的电荷存储电极、光电转换层和第二电极层叠的部分的示意性放大局部剖视图。存储电极段24’1、24’2和24’3的厚度可以是恒定的，并且绝缘层段82’1、82’2和82’3的厚度可以逐渐减小，使得光电转换层段23’1、23’2和23’3的厚度可以逐渐增加。
当然，上述的各种变形例也可以应用于实施例2至14。
在实施例中，以将本公开的摄像元件应用于CMOS型固态摄像装置的情况为例进行了描述，CMOS型固态摄像装置中以矩阵模式布置有用于根据入射光量作为物理量来检测信号电荷的单位像素，但并不限于CMOS型固体摄像装置，该摄像元件也可以应用于CCD型固体摄像装置。在后一种情况下，信号电荷通过CCD型结构的垂直传输寄存器在垂直方向上传输，通过水平传输寄存器在水平方向上传输，并被放大，从而输出像素信号(图像信号)。另外，本申请不限于对其中以二维矩阵方式形成像素并且以像素列为基础布置列信号处理电路的列***固态摄像装置的一般应用。此外，在某些情况下，可以省略选择晶体管。
此外，本公开的摄像元件的应用不限于检测可见光的入射光量的分布以拍摄图像的固态摄像装置，并且本公开的摄像元件还能够应用于拍摄红外线、X射线或粒子等的入射量的分布作为图像的固态摄像装置。另外，从广义上讲，本公开的摄像元件能够广泛地应用于检测诸如压力和电容等其它物理量的分布的固态摄像装置(诸如指纹传感器)，以拍摄图像。
此外，本公开的摄像元件的应用不限于以行为单位顺序地扫描摄像区域中的单位像素并从单位像素读出像素信号的固态摄像装置。本公开的摄像元件还可以应用于X-Y地址类型固态摄像装置，其以像素为基础选择任意像素，并且以像素为基础从所选择的像素中读出像素信号。固态摄像装置可以是形成为一个芯片的方式，或者是具有摄像功能的模块化模式，其中摄像区域和驱动电路或光学***被一体封装。
在此，本公开的摄像元件不仅能够应用于固态摄像装置，而且还能够应用于其它摄像器件。在此，摄像器件是指具有摄像功能的电子装置，例如移动电话以及诸如数字静态相机和视频摄像机等相机***。在某些情况下，安装在电子装置(即，相机模块)等上的模块化模式可以是摄像器件。
图79中的概念图示出了其中包括本公开的摄像元件的固态摄像装置201用于电子装置(相机)200的示例。电子装置200具有固态摄像装置201、光学透镜210、快门器件211、驱动电路212和信号处理电路213。光学透镜210聚焦来自被摄体的图像光(入射光)，以在固态摄像装置201的成像表面上形成图像。结果，在固态摄像装置201中将信号电荷存储预定的时间段。快门器件211控制固态摄像装置201的光照时段和遮光时段。驱动电路212提供用于控制固态摄像装置201的传输操作等的驱动信号以及快门器件211的快门操作。通过从驱动电路212提供的驱动信号(时序信号)，在固态摄像装置201中执行信号传输。信号处理电路213执行各种信号处理。经过信号处理的视频信号被存储在诸如存储器等存储介质中，或者被输出到监视器。在这样的电子装置200中，能够实现固态摄像装置201中的像素尺寸的精细化和传输效率的提高，因此，能够获得像素特性增强的电子装置200。可应用固态摄像装置201的电子装置200不限于相机，还包括诸如用于诸如移动电话等移动装置的诸如相机模块等摄像器件以及数字静态相机。
根据本公开的技术(本技术)可应用于各种产品。例如，根据本公开的技术可以被实现为待安装在任何类型的移动体上的设备，例如汽车、电动汽车、混合动力电动汽车、摩托车、自行车、个人移动体、飞机、无人机、轮船和机器人。
图80是示出了作为可应用根据本公开的实施例的技术的移动体控制***的示例的车辆控制***的示意性构造的示例的框图。
车辆控制***12000包括经由通信网络12001彼此连接的多个电子控制单元。在图80所示的示例中，车辆控制***12000包括驱动***控制单元12010、车身***控制单元12020、车外信息检测单元12030、车内信息检测单元12040和集成控制单元12050。另外，微型计算机12051、声音/图像输出部12052和车载网络接口(I/F)12053被图示为集成控制单元12050的功能构造。
驱动***控制单元12010根据各种程序控制与车辆的驱动***有关的设备的操作。例如，驱动***控制单元12010用作如下设备的控制装置：诸如内燃机、驱动马达等用于产生车辆的驱动力的驱动力产生设备、用于将驱动力传递给车轮的驱动力传递机构的控制装置、用于调节车辆的转向角的转向机构、用于产生车辆的制动力的制动设备等。
车身控制单元12020根据各种程序控制设置在车身上的各种设备的操作。例如，车身控制单元12020用作无钥匙进入***、智能钥匙***、电动车窗设备或例如前大灯、倒车灯、制动灯、转向信号灯、雾灯等各种灯的控制设备。在这种情况下，可以将从作为钥匙的替代品的移动设备发送的无线电波或各种开关的信号输入到车身控制单元12020。车身控制单元12020接收这些输入的无线电波或信号，并控制车辆的门锁设备、电动车窗设备、灯等。
车外信息检测单元12030检测关于包含车辆控制***12000的车辆的外部的信息。例如，车外信息检测单元12030与摄像部12031连接。车外信息检测单元12030使摄像部12031拍摄车辆外部的图像，并接收所拍摄的图像。基于接收到的图像，车外信息检测单元12030可以执行检测诸如人、车辆、障碍物、标志、道路上的文字等物体的处理，或者执行检测到其距离的处理。
摄像部12031是接收光的光学传感器，并且输出与光的接收光量相对应的电信号。摄像部12031可以将电信号输出为图像，或者可以将电信号输出作为关于测得距离的信息。另外，由摄像部12031接收的光可以是可见光，也可以是红外线等不可见光。
车内信息检测单元12040检测关于车辆内部的信息。车内信息检测单元12040例如与检测驾驶员的状态的驾驶员状态检测部12041连接。驾驶员状态检测部12041例如包括对驾驶员进行摄像的相机。车内信息检测单元12040基于从驾驶员状态检测部12041输入的检测信息，可以计算出驾驶员的疲劳度或驾驶员的专注度，或者可以判断驾驶员是否正在打瞌睡。
微型计算机12051可以基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆内部或外部的信息来计算驱动力产生设备、转向机构或制动设备的控制目标值，并向驱动***控制单元12010输出控制命令。例如，微型计算机12051可以执行旨在实现高级驾驶员辅助***(ADAS)的功能的协作控制，该***的功能包括用于车辆的避免碰撞或减轻冲击、基于跟随距离的驾驶、定速巡航、车辆碰撞预警、车道偏移警告等。
另外，微型计算机12051可以基于通过车外信息检测单元12030或车内信息检测单元12040获得的关于车辆内部或外部的信息，通过控制驱动力产生设备、转向机构、制动设备等来执行旨在用于自动驾驶的协作控制，所述自动驾驶使得车辆在不依赖于驾驶员的操作的情况下自主地行驶。
另外，微型计算机12051可以基于通过车外信息检测单元12030获得的关于车辆外部的信息向车身控制单元12020输出控制命令。例如，微型计算机12051可以例如通过根据由车外信息检测单元12030检测到的在前车辆或迎面而来的车辆的位置来控制前照灯以将远光等变为近光等，从而执行旨在防止眩光的协同控制。
声音/图像输出部12052将声音和图像中的至少一个的输出信号发送到输出设备，该输出设备能够在视觉上或听觉上将信息通知给车辆的乘员或车辆的外部。在图80的示例中，音频扬声器12061、显示部12062和仪表盘12063被示出为输出设备。显示部12062可以例如包括车载显示器和抬头显示器中的至少之一。
图81是示出摄像部12031的安装位置的示例的图。
在图81中，摄像部12031包括摄像部12101、12102、12103、12104和12105。
摄像部12101、12102、12103、12104和12105例如设置在车辆12100的前鼻、后视镜、后保险杠和后门上的位置以及车辆内部的挡风玻璃的上部上的位置。设置在前鼻的摄像部12101和设置在车辆内部挡风玻璃的上部上的摄像部12105主要获得车辆12100的前部的图像。设置在后视镜的摄像部12102和12103主要获得车辆12100的侧面的图像。设置在后保险杠或后门上的摄像部12104主要获得车辆12100的后部的图像。设置在车辆内部挡风玻璃的上部上的摄像部12105主要用于检测前方车辆、行人、障碍物、信号、交通标志和车道等。
顺便提及地，图81示出了摄像部12101至12104的拍摄范围的示例。拍摄范围12111表示设置在前鼻的摄像部12101的拍摄范围。拍摄范围12112和12113分别表示设置在后视镜的摄像部12102和12103的拍摄范围。拍摄范围12114表示设置在后保险杠或后门的摄像部12104的拍摄范围。例如，通过叠加由摄像部12101至12104拍摄的图像数据来获得从上方观看的车辆12100的鸟瞰图像。
摄像部12101至12104中的至少一个可以具有获得距离信息的功能。例如，摄像部12101至12104中的至少一个可以是由多个摄像元件构成的立体相机，或者可以是具有用于相位差检测的像素的摄像元件。
例如，微型计算机12051可以基于从摄像部12101至12104中所获得的距离信息来确定到拍摄范围12111至12114内的每个三维物体的距离以及该距离的时间变化(相对于车辆12100的相对速度)，从而提取特别是在车辆12100的行进路径上存在的并且在与车辆12100基本相同的方向上以预定速度(例如等于或大于0公里/小时)行进的最靠近的三维物体作为前车。此外，微型计算机12051可以预先设定要保持的在前方车辆前的跟随距离，并执行自动制动控制(包括跟随停止控制)、自动加速控制(包括跟随起动控制)等。因此，可以执行旨在用于自动驾驶的协同控制，该协同控制使车辆自主地行驶而无需依赖驾驶员等的操作。
例如，微型计算机12051可以根据从摄像部12101至12104获得的距离信息将三维物体上的三维物体数据分类为两轮车、标准尺寸车辆、大型车辆、行人、电线杆和其它三维物体的三维物体数据，提取分类的三维物体数据，并将提取的三维物体数据用于自动避开障碍物。例如，微型计算机12051将车辆12100周围的障碍物识别为车辆12100的驾驶员能够视觉识别的障碍物以及车辆12100的驾驶员难以视觉识别的障碍物。然后，微型计算机12051确定表示与每个障碍物发生碰撞的危险的碰撞风险。微型计算机12051在碰撞风险等于或高于设定值并因此可能发生碰撞的情况下，通过音频扬声器12061或显示部12062向驾驶员输出警告，并通过驱动***控制单元12010强制执行减速或回避转向。微型计算机12051可以协助驾驶以避免碰撞。
摄像部12101至12104中的至少一个可以是检测红外线的红外相机。微型计算机12051可以例如通过判断在摄像部12101至12104的拍摄图像中是否存在行人来识别行人。这种行人的识别例如通过如下步骤来进行：提取作为红外相机的摄像部12101至12104的拍摄图像中的特征点的步骤；以及通过对代表物体轮廓的一系列特征点进行图案匹配处理来判定是否是行人的步骤。当微型计算机12051判定摄像部12101至12104的拍摄图像中存在行人并且识别出行人时，声音/图像输出部12052控制显示部12062，以使用于强调的方形轮廓线被显示为叠加在识别出的行人上。声音/图像输出部12052还可以控制显示部12062，以使表示行人的图标等显示在期望的位置。
另外，例如，本公开的技术可以应用于内窥镜手术***。
图82是示出可以应用根据本公开的实施例的技术(本技术)的内窥镜手术***的示意性构造的示例的图。
在图82中，示出了其中外科医生(医生)11131正在使用内窥镜手术***11000对病床11133上的患者11132进行手术的状态。如图所示，内窥镜手术***11000包括内窥镜11100、诸如气腹管11111和能量设备11112等其它外科工具11110、将内窥镜11100支撑在其上的支撑臂装置11120以及在其上安装有用于内窥镜手术的各种装置的推车11200。
内窥镜11100包括镜筒11101，其具有将***至患者11132的体腔中的从其远端起预定长度的区域；以及摄像头11102，其连接到镜筒11101的近端。在所示示例中，示出了内窥镜11100，其包括具有硬型镜筒11101的刚性内窥镜。然而，内窥镜11100也可以被包括为具有柔型镜筒11101的柔性内窥镜。
镜筒11101在其远端具有开口，在该开口中安装有物镜。光源装置11203连接到内窥镜11100，使得由光源装置11203产生的光通过在镜筒11101内部延伸的光导而被引入到镜筒11101的远端并且通过物镜朝着患者11132的体腔中的观察目标照射。注意，内窥镜11100可以是前视内窥镜，或者可以是斜视内窥镜或侧视内窥镜。
在摄像头11102的内部设置有光学***和摄像元件，以使来自观察对象的反射光(观察光)通过光学***而被会聚在摄像元件上。摄像元件对观察光进行光电转换以产生与观察光相对应的电信号，即，与观察图像相对应的图像信号。图像信号作为RAW数据传输到CCU 11201。
CCU 11201包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)等，并且整体地控制内窥镜11100和显示装置11202的操作。此外，CCU 11201从摄像头11102接收图像信号，并且对图像信号进行例如显影处理(去马赛克处理)等用于基于图像信号显示图像的各种图像处理。
显示装置11202在CCU 11201的控制下基于已经由CCU 11201进行了图像处理的图像信号显示图像。
光源设备11203包括诸如发光二极管(LED)等光源，并且在将手术区域成像时将照射光提供给内窥镜11100。
输入装置11204是用于内窥镜手术***11000的输入接口。用户可以通过输入装置11204执行向内窥镜手术***11000输入各种信息或指令。例如，用户可输入指令等以改变内窥镜11100的摄像条件(照射光的类型、放大率、焦距等)。
处理工具控制装置11205控制能量设备11112的驱动，以进行组织的烧灼或切开或者血管的密封等。气腹装置11206通过气腹管11111将气体供给到患者11132的体腔中以使体腔膨胀，从而确保内窥镜11100的视野并确保外科医生的工作空间。记录器11207是能够记录与手术有关的各种信息的装置。打印机11208是能够以诸如文本、图像或图形等各种形式来打印与手术有关的各种信息的装置。
注意，当手术区域将要被拍摄时，向内窥镜11100提供照射光的光源装置11203可以包括白光源，其例如包括LED、激光光源或它们的组合。在白光源包括红、绿和蓝(RGB)激光光源的组合的情况下，由于可以针对每种颜色(每种波长)以较高的精度控制输出强度和输出时间，所以能够通过光源装置11203进行被摄图像的白平衡调整。此外，在这种情况下，如果将来自各RGB激光光源的激光束以时分的方式照射在观察目标上并且与照射时间同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动，那么，还能够以时分的方式拍摄分别对应于R、G和B颜色的图像。根据该方法，即使没有为摄像元件设置滤色镜，也能够获得彩色图像。
此外，可以控制光源装置11203，使得针对每个预定时间改变要输出的光的强度。通过与光强度的变化的时序同步地控制摄像头11102的摄像元件的驱动从而以时分的方式获取图像，并且合成图像，能够创建没有曝光不足的阻塞阴影和曝光过度的高亮的高动态范围的图像。
此外，光源装置11203可以被构造为提供用于特殊光观察的预定波长带的光。在特殊光观察中，例如，通过利用人体组织中的吸收光的波长依赖性而照射与普通观察时的照射光(即白光)相比的窄带光，从而对例如粘膜等的表层部分的血管等预定组织进行高对比度的图像窄带观察(窄带成像)。可替代地，在特殊光观察中，可以执行荧光观察以从由激发光的照射产生的荧光中获取图像。在荧光观察中，可以通过将激发光照射到人体组织上来观察来自人体组织的荧光(自发荧光观察)，或者通过将吲哚花青绿(ICG)等试剂局部注入到人体中并在人体组织上照射与试剂的荧光波长相对应的激发光来获得荧光图像。光源装置11203可以被构造为提供如上所述的适于特殊光观察的窄带光和/或激发光。
图83是示出图82中所示的摄像头11102和CCU 11201的功能构造的示例的框图。
摄像头11102包括透镜单元11401、摄像单元11402、驱动单元11403、通信单元11404和摄像头控制单元11405。CCU11201包括通信单元11411、图像处理单元11412和控制单元11413。摄像头11102和CCU 11201通过传输电缆11400连接以彼此通信。
透镜单元11401是光学***，其被设置在与镜筒11101的连接位置处。从镜筒11101的远端入射的观察光被引导至摄像头11102，并被引入到透镜单元11401中。透镜单元11401包括包含变焦透镜和聚焦透镜的多个透镜的组合。
摄像单元11402所包括的摄像元件的数量可以是一个(单板型)或多个(多板型)。在摄像单元11402被构造为多板型的摄像单元的情况下，例如，通过摄像元件生成与R、G和B分别对应的图像信号，并且可以合成图像信号以获得彩色图像。摄像单元11402还可以被构造为具有一对摄像元件，用于获取适合于进行三维(3D)显示的右眼图像信号和左眼图像信号。如果执行3D显示，则外科医生11131可以更准确地感知手术区域中的活体组织的深度。要注意，在摄像单元11402被构造为立体型的情况下，对应于各个摄像元件设置有多个透镜单元***11401。
此外，摄像元件11402可以不一定设置在摄像头11102上。例如，摄像元件11402可以被设置为紧接在镜筒11101内部的物镜之后。
驱动单元11403包括致动器，并且在摄像头控制单元11405的控制下使透镜单元11401的变焦透镜和聚焦透镜沿光轴移动预定距离。因此，能够适当地调整摄像元件11402所拍摄的图像的放大率和焦点。
通信单元11404包括用于向CCU 11201发送各种信息和从CCU 11201接收各种信息的通信装置。通信单元11404将从摄像元件11402获取的图像信号作为RAW数据通过传输电缆11400发送至CCU 11201。
另外，通信单元11404从CCU 11201接收用于控制摄像头11102的驱动的控制信号，并将该控制信号提供给摄像头控制单元11405。该控制信号包括与摄像条件有关的信息，例如，指示被摄图像的帧率的信息、指示摄像时的曝光值的信息和/或指示图像的倍率和焦点的信息。
注意，诸如帧率、曝光值、倍率或焦点之类的摄像条件可以由用户指定或者可以由CCU 11201的控制单元11413基于获取的图像信号而自动设置。在后一种情况下，内窥镜11100内置有自动曝光(AE)功能、自动聚焦(AF)功能和自动白平衡(AWB)功能。
摄像头控制单元11405基于通过通信单元11404接收的来自CCU 11201的控制信号来控制摄像头11102的驱动。
通信单元11411包括用于向摄像头11102发送各种信息和从摄像头11102接收各种信息的通信装置。通信单元11411通过传输电缆11400接收从摄像头11102向其发送的图像信号。
此外，通信单元11411将用于控制摄像头11102的驱动的控制信号发送到摄像头11102。图像信号和控制信号可以通过电通信或光通信等来发送。
图像处理单元11412对从摄像头11102向其发送的RAW数据形式的图像信号执行各种图像处理。
控制单元11413执行与内窥镜11100对手术区域等的摄像以及通过对手术区域等的摄像而获得的被摄图像的显示有关的各种控制。例如，控制单元11413创建用于控制摄像头11102的驱动的控制信号。
此外，控制单元11413基于已经由图像处理单元11412执行了图像处理的图像信号来控制显示装置11202，以显示其中对手术区域等成像的被摄图像。于是，控制单元11413可以使用各种图像识别技术来识别被摄图像中的各种对象。例如，控制单元11413可以通过检测包括在被摄图像中的对象的边缘的形状、颜色等，来识别诸如镊子等外科工具、特定的活体区域、出血、使用能量设备11112时的薄雾等。当控制单元11413控制显示装置11202显示被摄图像时，控制单元可以利用识别结果使各种手术支持信息与手术区域的图像重叠地显示。在以重叠的方式显示手术支持信息并将其提供给外科医生11131的情况下，可以减轻外科医生11131的负担，并且外科医生11131能够确信地进行手术。
将摄像头11102和CCU 11201彼此连接的传输电缆11400是适用于电信号的通信的电信号电缆、适用于光通信的光纤或适用于电和光通信的复合电缆。
在此，尽管在所示示例中，通过使用传输电缆11400的有线通信来执行通信，但是摄像头11102与CCU 11201之间的通信可以通过无线通信来执行。
注意，尽管这里以内窥镜手术***为例进行了描述，但是本公开的技术可以应用于其它***，例如显微手术***。
注意，本公开可以采用以下构造。
[A01]《摄像元件》
摄像元件，包括：
光电转换部，其包括彼此层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极和所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含铟原子、镓原子、锡原子和锌原子。
[A02]
根据[A01]所述的摄像元条件，其中，以InaGabSncZndOe表示无机氧化物半导体材料层时，满足
1.8<(b+c)/a<2.3
和
2.3<d/a<2.6。
[A03]
根据[A02]所述的摄像元件，其中，满足b＞0。
[A04]
根据[A01]至[A03]中任一项所述的摄像元件，其中，所述光电转换部还包括绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置为与所述第一电极分隔并且隔着所述绝缘层面对所述无机氧化物半导体材料层。
[A05]
根据[A01]至[A04]中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1和构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E2–E1≥0.1eV。
[A06]
根据[A05]的摄像元件，其中，满足以下表达式：
E2–E1>0.1eV。
[A07]
根据[A01]至[A06]中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述无机信号半导体材料层的材料的迁移率等于或大于10cm2/V·s。
[A08]
根据[A01]至[A07]中任一项的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层为非晶态。
[A09]
根据[A01]至[A08]中任一项所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8至1.5×10-7m。
[A10]
根据[A01]至[A09]中任一项所述的摄像元件，
其中，光从所述第二电极入射，并且
所述无机氧化物半导体材料层的位于所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面处的表面粗糙度Ra等于或小于1.5nm，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值等于或小于2.5nm。
[B01]
根据[A01]至[A10]中任一项所述的摄像元件，其中，所述光电转换部还包括绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置为与所述第一电极分隔并且隔着所述绝缘层面对所述无机氧化物半导体材料层。
[B02]
根据[B01]所述的摄像元件，进一步包括：
半导体基板
其中，所述光电转换部设置在所述半导体基板的上侧。
[B03]
根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中，所述第一电极在设置于所述绝缘层中的开口内延伸，并连接至所述无机氧化物半导体材料层。
[B04]
根据[B01]或[B02]所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层在设置于所述绝缘层中的开口内延伸，并连接至所述第一电极。
[B05]
根据[B04]所述的摄像元件，
其中，所述第一电极的顶表面的边缘部被所述绝缘层覆盖，
所述第一电极在所述开口的底表面处露出，并且
设所述绝缘层的与所述第一电极的所述顶表面接触的表面为第一表面，并且设所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对电荷存储电极的部分接触的表面为第二表面，则所述开口的侧表面具有从所述第一表面朝向所述第二表面变宽的倾斜度。
[B06]
根据[B05]所述的摄像元件，其中，所述开口的具有从所述第一表面朝向所述第二表面变宽的倾斜度的侧表面位于所述电荷存储电极侧。
[B07]《第一电极和电荷存储电极的电位的控制》
根据[B01]至[B06]中任一项所述的摄像元件，进一步包括：
控制部，其设置在所述半导体基板上并具有驱动电路，
其中，所述第一电极和所述电荷存储电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储时段，从所述驱动电路将电位V11施加在所述第一电极上，并将电位V12施加在所述电荷存储电极上，并将电荷存储在所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段，从所述驱动电路将电位V21施加在所述第一电极上，并将电位V22施加在所述电荷存储电极上，并将存储在所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷通过所述第一电极读出到所述控制部，
在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的条件下，满足
V12≥V11，并且V22<V21。
[B08]《传输控制电极》
根据[B01]至[B06]的摄像元件，进一步包括：
传输控制电极，其以与所述第一电极和所述电荷存储电极分隔的状态设置在所述第一电极和所述电荷存储电极之间，并且所述传输控制电极隔着所述绝缘层面对所述无机氧化物半导体材料层。
[B09]《第一电极、电荷存储电极和传输控制电极的电位的控制》
根据[B08]所述的摄像元件，进一步包括：
控制部，其设置在所述半导体基板上并具有驱动电路，
其中所述第一电极、所述电荷存储电极和所述传输控制电极连接到所述驱动电路，
在电荷存储时段，从所述驱动电路将电位V11施加在所述第一电极上，将电位V12施加在所述电荷存储电极上，并且将电位V13施加在所述传输控制电极上，并将电荷存储在所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段，从所述驱动电路将电位V21施加在所述第一电极上，将电位V22施加在所述电荷存储电极上，并且将电位V23施加在所述传输控制电极上，并将存储在所述无机氧化物半导体材料层的电荷通过所述第一电极读出到所述控制部，
在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的条件下，满足
V12＞V13，且V22≤V23≤V21。
[B10]《电荷排出电极》
根据[B01]至[B09]中任一项所述的摄像元件，还包括：
电荷排出电极，其连接到所述无机氧化物半导体材料层并且与所述第一电极和所述电荷存储电极分隔地设置。
[B11]
根据[B10]所述的摄像元件，其中，所述电荷排出电极以包围所述第一电极和所述电荷存储电极的方式设置。
[B12]
根据[B10]或[B11]所述的摄像元件，
其中，所述无机氧化物半导体材料层在设置在所述绝缘层中的第二开口内延伸，并连接至所述电荷排出电极，
所述电荷排出电极的顶表面的边缘部被所述绝缘层覆盖，
所述电荷排出电极在所述第二开口的底表面处露出，并且
设所述绝缘层的与所述电荷排出电极的顶表面接触的表面为第三表面，并且设所述绝缘层的与所述无机氧化物半导体材料层的面对所述电荷存储电极的部分接触的表面为第二表面，则所述第二开口的侧表面具有从所述第三表面朝向所述第二表面变宽的倾斜度。
[B13]《第一电极、电荷存储电极和电荷排出电极的电位的控制》
根据[B10]至[B12]中任一项所述的摄像元件，进一步包括：
控制部，其设置在所述半导体基板上并具有驱动电路，
其中，所述第一电极、所述电荷存储电极和所述电荷排出电极连接到驱动电路，
在电荷存储时段，从驱动电路将电位V11施加在所述第一电极上，将电位V12施加在所述电荷存储电极上，将电位V14施加在所述电荷排出电极上，并将电荷存储在所述无机氧化物半导体材料层中，并且
在电荷传输时段，从驱动电路将电位V21施加在所述第一电极上，将电位V22施加在所述电荷存储电极上，并将电位V24施加在所述电荷排出电极上，并将存储在所述无机氧化物半导体材料层中的电荷通过所述第一电极读出到所述控制部，
在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的条件下，满足
V14>V11，并且V24<V21。
[B14]《电荷存储电极段》
根据[B01]至[B13]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷存储电极包括多个电荷存储电极段。
[B15]
根据[B14]所述的摄像元件，
其中，在所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位的情况下，在电荷传输时段，施加在最靠近所述第一电极的位置处的电荷存储电极段上的电位高于施加在最远离所述第一电极的位置处的电荷存储电极段上的电位，并且
在所述第一电极的电位低于所述第二电极的电位的情况下，在所述电荷传输时段，施加在最靠近所述第一电极的位置处的电荷存储电极段上的电位低于施加在最远离所述第一电极的位置处的电荷存储电极段上的电位。
[B16]
根据[B01]至[B15]中任一项所述的摄像元件，
其中所述半导体基板至少设置有构成控制部的浮动扩散层和放大晶体管，以及
所述第一电极连接到所述浮动扩散层和所述放大晶体管的栅极部。
[B17]
根据[B16]所述的摄像元件，
其中，所述半导体基板还设置有构成所述控制部的复位晶体管和选择晶体管，
所述浮动扩散层连接到所述复位晶体管的一侧的源极/漏极区域，
所述放大晶体管的一侧的源极/漏极区域连接到所述选择晶体管的一侧的源极/漏极区域，并且所述选择晶体管的另一侧的源极/漏极区域连接到信号线。
[B18]
根据[B01]至[B17]中任一项所述的摄像元件，其中，所述电荷存储电极的尺寸大于所述第一电极的尺寸。
[B19]
根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且在所述第二电极附近的光入射侧形成有遮光层。
[B20]
根据[B01]至[B18]中任一项所述的摄像元件，其中，光从所述第二电极侧入射，并且光不入射在所述第一电极上。
[B21]
根据[B20]所述的摄像元件，其中，在所述第二电极附近的光入射侧和所述第一电极的上侧形成有遮光层。
[B22]
根据[B20]所述的摄像元件，
其中，在所述电荷存储电极和所述第二电极的上侧上设置有片上微透镜，并且
入射在所述片上微透镜上的光被会聚在所述电荷存储电极上。
[B23]《摄像元件：第一构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，
其中，所述光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层段，
所述绝缘层包括N个绝缘层段，
所述电荷存储电极包括N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3…N)光电转换部段包括第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，
n值越大的所述光电转换部段与所述第一电极的距离越大，并且
所述绝缘层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化。
[B24]《摄像元件：第二构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，
其中，所述光电转换部包括N(其中，N≥2)个光电转换部段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层段，
所述绝缘层包括N个绝缘层段，
所述电荷存储电极包括N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3…N)光电转换部段包括第n个绝缘存储段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，
n值越大的所述光电转换部段与所述第一电极的距离越大，并且
所述光电转换层段的厚度在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐变化。
[B25]《摄像元件：第三构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，
其中，所述光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层段，
所述绝缘层包括N个绝缘层段，
所述电荷存储电极包括N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3…N)光电转换部段包括第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，
n值越大的所述光电转换部段与所述第一电极的距离越大，并且
相邻的所述光电转换部段的构成所述绝缘层段的材料是不同的。
[B26]《摄像元件：第四构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，
其中，所述光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层段，
所述绝缘层包括N个绝缘层段，
所述电荷存储电极包括彼此分隔设置的N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3…N)光电转换部段包括第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，
n值越大的光电转换部段与第一电极的距离越大，并且
相邻的所述光电转换部段的构成所述电荷存储电极段的材料是不同的。
[B27]《摄像元件：第五构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，
其中所述光电转换部包括N(其中N≥2)个光电转换部段，
所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层包括N个光电转换层段，
所述绝缘层包括N个绝缘层段，
所述电荷存储电极包括彼此间隔设置的N个电荷存储电极段，
第n个(其中n＝1、2、3…N)光电转换部段包括第n个电荷存储电极段、第n个绝缘层段和第n个光电转换层段，
n值越大的光电转换部段与第一电极的距离越大，并且
所述电荷存储电极段的面积在从第一光电转换部段到第N光电转换部段的范围内逐渐减小。
[B28]《摄像元件：第六构造》
根据[B01]至[B22]中任一项所述的摄像元件，其中，设所述电荷存储电极、所述绝缘层、所述无机氧化物半导体材料层和所述光电转换层的层叠方向为Z方向，设远离所述第一电极的方向为X方向，则当沿着YZ虚拟平面切割层叠电荷存储电极、绝缘层、无机氧化物半导体材料层和光电转换层的层叠部分时，所述层叠部分的截面积根据与所述第一电极的距离而变化。
[C01]《层叠型摄像元件》
一种层叠型摄像元件，其包括：
至少一个根据[A01]至[A10]中任一项所述的摄像元件。
[D01]《固态摄像装置：第一方式》
一种固态摄像装置，其包括：
多个根据[A01]至[A10]中任一项所述的摄像元件。
[D02]《固态摄像装置：第二方式》
一种固态摄像装置，其包括：
根据[A11]所述的多个层叠型摄像元件。
[E01]《固态摄像装置：第一构造》
一种固态摄像装置，其包括：
光电转换部，其包括彼此层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，所述光电转换部具有多个根据[A01]至[B28]中任一项的所述摄像元件，
多个所述摄像元件构成摄像元件块，并且
所述第一电极由构成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
[E02]《固态摄像装置：第二构造》
一种固态摄像装置，包括：
多个根据[A01]至[B28]中任一项所述的摄像元件，
其中，多个所述摄像元件构成一个摄像元件块，并且
所述第一电极由构成所述摄像元件块的多个所述摄像元件共用。
[E03]
根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，其中，在所述摄像元件的上侧设置有一个片上微透镜。
[E04]
根据[E01]或[E02]所述的固态摄像装置，
其中，两个摄像元件构成一个摄像元件块，并且
在所述摄像元件块的上侧设置有一个片上微透镜。
[E05]
根据[E01]至[E04]中任一项所述的固态摄像装置，其中，为多个所述摄像元件设置一个浮动扩散层。
[E06]
根据[E01]至[E05]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极与每个所述摄像元件的所述电荷存储电极相邻地设置。
[E07]
根据[E01]至[E06]中任一项所述的固态摄像装置，其中，所述第一电极与所述多个摄像元件中的一些摄像元件的所述电荷存储电极相邻地设置，并且不与所述多个摄像元件的剩余摄像元件的所述电荷存储电极相邻地设置。
[E08]
根据[E07]所述的固态摄像装置，其中，构成摄像元件的所述电荷存储电极与构成另一摄像元件的所述电荷存储电极之间的距离比所述第一电极与相邻于所述第一电极的所述摄像元件中的所述电荷存储电极之间的距离长。
[F01]《固态摄像装置的驱动方法》
一种包括多个摄像元件的固态摄像装置的驱动方法，
所述摄像元件均包括光电转换部，所述光电转换部包括彼此层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
所述光电转换部还包括电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置为与所述第一电极分隔并且隔着绝缘层面对所述光电转换层，
光从所述第二电极侧入射并且光不入射在所述第一电极上，
所述方法重复以下步骤：
在所有所述摄像元件中，将所述第一电极中的电荷同时排出至***外部，同时将电荷存储在所述无机氧化物半导体材料层中；然后，
在所有所述摄像元件中，将存储在所述无机氧化物半导体材料层中的所述电荷同时传输至所述第一电极，并且在传输完成之后，依次地读出每个摄像元件中被传输至所述第一电极的所述电荷。
附图标记的列表
10’1，10’2，10’3 光电转换部段
13 位于层间绝缘层下侧的各种摄像元件组成元件
14 片上微透镜(OCL)
15 遮光层
21 第一电极
22 第二电极
23A 光电转换层
23B 无机氧化物半导体材料层
23’1，23’2，23’3 光电转换层段
24，24”1，24”2，24”3 电荷存储电极
24A，24B，24C，24’1，24’2，24’3 电荷存储电极段
25，25A，25B 传输控制电极(电荷传输电极)
26 电荷排出电极
27，27A1，27A2，27A3，27B1，27B2，27B3，27C 电荷移动控制电极
41，43 n型半导体区域
32，34，42，44，73 p+层
45，46 传输晶体管的栅极部
51 复位晶体管TR1rst的栅极部
51A 复位晶体管TR1rst的沟道形成区
51B，51C 复位晶体管TR1rst的源极/漏极区域
52 放大晶体管TR1amp的栅极部
52A 放大晶体管TR1amp的沟道形成区
52B，52C 放大晶体管TR1amp的源极/漏极区域
53 选择晶体管TR1sel的栅极部
53A 选择晶体管TR1sel的沟道形成区
53B，53C 选择晶体管TR1sel的源极/漏极区域
61 接触孔部
62 配线层
63，64，68A 焊盘部
65，68B 连接孔
66，67，69 连接部
70 半导体基板
70A 半导体基板的第一表面(前表面)
70B 半导体基板的第二表面(背面)
71 元件分隔区域
72 氧化膜
74 HfO2膜
75 绝缘材料膜
76，81 层间绝缘层
82 绝缘层
82’1，82’2，82’3 绝缘层段
82a 绝缘层的第一表面
82b 绝缘层的第二表面
82c 绝缘层的第三表面
83 绝缘层
85，85A，85B，85C 开口
86，86A 第二开口
100 固态摄像装置
101 层叠型摄像元件
111 摄像区域
112 垂直驱动电路
113 列信号处理电路
114 水平驱动电路
115 输出电路
116 驱动控制电路
117 信号线(数据输出线)
118 水平信号线
200 电子装置(相机)
201 固态摄像装置
210 光学透镜
211 快门器件
212 驱动电路
213 信号处理电路
FD1，FD2，FD3，45C，46C 浮动扩散层
TR1trs，TR2trs，TR3trs 传输晶体管
TR1rst，TR2rst，TR3rst 复位晶体管
TR1amp，TR2amp，TR3amp 放大晶体管
TR1sel，TR3sel，TR3sel 选择晶体管
VDD 电源
TG1，TG2，TG3 传输栅极线
RST1，RST2，RST3 复位线
SEL1，SEL2，SEL3 选择线
VSL，VSL1，VSL2，VSL3 信号线(数据输出线)
VOA，VOT，VOU 配线
Claims (12)
1.一种摄像元件，其包括：
光电转换部，包括彼此层叠的第一电极、光电转换层和第二电极，
其中，在所述第一电极和所述光电转换层之间形成有无机氧化物半导体材料层，并且
所述无机氧化物半导体材料层包含铟原子、镓原子、锡原子和锌原子，
其中，所述光电转换部还包括绝缘层和电荷存储电极，所述电荷存储电极被布置为与所述第一电极分隔并且隔着所述绝缘层面对所述无机氧化物半导体材料层。
2.根据权利要求1所述的摄像元件，其中，当所述无机氧化物半导体材料层由InaGabSncZndOe表示时，满足
1.8<(b+c)/a<2.3
和
2.3<d/a<2.6。
3.根据权利要求2所述的摄像元件，其中，满足b＞0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述光电转换层的位于所述无机氧化物半导体材料层附近的部分的材料的LUMO值E1和构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的LUMO值E2满足以下表达式：
E2–E1≥0.1eV。
5.根据权利要求4所述的摄像元件，其中，满足以下表达式：
E2–E1>0.1eV。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像元件，其中，构成所述无机氧化物半导体材料层的材料的迁移率等于或大于10cm2/V·s。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层为非晶态。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像元件，其中，所述无机氧化物半导体材料层的厚度为1×10-8至1.5×10-7m。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像元件，其中，
光从所述第二电极入射，并且
所述无机氧化物半导体材料层的位于所述光电转换层与所述无机氧化物半导体材料层之间的界面处的表面粗糙度Ra等于或小于1.5nm，并且所述无机氧化物半导体材料层的均方根粗糙度Rq的值等于或小于2.5nm。
10.一种层叠型摄像元件，其包括：
至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的摄像元件。
11.一种固态摄像装置，其包括：
多个根据权利要求1至9中任一项所述的摄像元件。
12.一种固态摄像装置，其包括：
多个根据权利要求10所述的层叠型摄像元件。
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