JP6975935B2 - 光検出装置 - Google Patents
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Description
ソース領域およびドレイン領域を含む半導体層と、
半導体層の前記ソース領域と前記ドレイン領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上に位置するゲート電極と、
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方に入力が電気的に接続された第1信号検出トランジスタを含む信号検出回路と、
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方と第1信号検出トランジスタの入力との間に接続された第1転送トランジスタと、
第1信号検出トランジスタの入力に一端が電気的に接続された第1キャパシタと、
を備え、
信号検出回路は、ゲート電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を検出する、光検出装置。
ゲート絶縁層は、光電変換層と半導体層との間に位置する絶縁層を含む、項目1に記載の光検出装置。
透明ゲート電極と半導体層との間に位置する遮光膜を有する、項目1または2に記載の光検出装置。
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、および、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第1電圧範囲および前記第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲と、を有する光電流特性を有する、項目1から3のいずれかに記載の光検出装置。
ソース領域およびドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに第3電圧範囲内にあるゲート電圧をゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方は、ソース領域およびドレイン領域のうちの他方と、透明ゲート電極との間の電位差が第3電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を出力する、項目4に記載の光検出装置。
信号検出回路は、ソース領域およびドレイン領域のうちの一方に入力が電気的に接続された第2信号検出トランジスタを含み、
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方と第2信号検出トランジスタの入力との間に接続された第2転送トランジスタと、
第2信号検出トランジスタの入力に一端が電気的に接続された第2キャパシタと、
をさらに備える、項目1から5のいずれかに記載の光検出装置。
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方と第1キャパシタの一端との間に電気的に接続された第1電流増幅回路をさらに備える、項目1から6のいずれかに記載の光検出装置。
ソース領域およびドレイン領域のうちの一方と第1キャパシタの一端との間に電気的に接続された反転増幅器をさらに備える、項目1から7のいずれかに記載の光検出装置。
第1電極と、
第1電極に対向する第2電極と、
第1電極と第2電極との間に配置された光電変換層と、
ゲートが前記第1電極に電気的に接続された電界効果トランジスタと、
電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方に入力が電気的に接続された第1信号検出トランジスタを含む信号検出回路と、
電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方と第1信号検出トランジスタの入力との間に接続された第1転送トランジスタと、
第1信号検出トランジスタの入力に一端が電気的に接続された第1キャパシタと、
を備え、
信号検出回路は、第2電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、第1電極と第2電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号を検出する、光検出装置。
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第1電圧範囲および前記第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲と、を有する光電流特性を有する、項目9に記載の光検出装置。
第1電極と光電変換層との間、および、光電変換層と第2電極との間の少なくとも一方に配置された、少なくとも1つの絶縁層をさらに備える、項目10に記載の光検出装置。
ソースおよびドレインのうちの他方の電位を基準としたときに第1電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方は、電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの他方と、第2電極との間の電位差が第1電圧範囲内に維持された状態で、第1電極と第2電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号を出力する、項目11に記載の光検出装置。
ソースおよびドレインのうちの他方の電位を基準としたときに第3電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方は、電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの他方と、第2電極との間の電位差が第3電圧範囲内に維持された状態で、第1電極と第2電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号を出力する、項目10または11に記載の光検出装置。
第1電極は、遮光性電極である、項目9から13のいずれかに記載の光検出装置。
電界効果トランジスタのゲートと第1電極とを接続する接続部をさらに備える、項目9から14のいずれかに記載の光検出装置。
信号検出回路は、ソースおよびドレインのうちの一方に入力が電気的に接続された第2信号検出トランジスタを含み、
ソースおよびドレインのうちの一方と第2信号検出トランジスタの入力との間に接続された第2転送トランジスタと、
第2信号検出トランジスタの入力に一端が電気的に接続された第2キャパシタと、
をさらに備える、項目9から15のいずれかに記載の光検出装置。
ソースおよびドレインのうちの一方と第1キャパシタの一端との間に電気的に接続された第1電流増幅回路をさらに備える、項目9から16のいずれかに記載の光検出装置。
ソースおよびドレインのうちの一方と第1キャパシタの一端との間に電気的に接続された反転増幅器をさらに備える、項目9から17のいずれかに記載の光検出装置。
図1は、本開示の第1の実施形態に係る例示的な光検出装置の断面を模式的に示す。図1に示す光検出装置1000は、各々が光センサ100Aを有する複数の単位画素セル10Aを含む。複数の単位画素セル10Aは、例えばマトリクス状に配列されることにより、光センサアレイを形成する。図1は、複数の単位画素セル10Aのうち、光センサアレイの行方向に沿って配置された3つの単位画素セル10Aの断面を模式的に示している。なお、図1は、光検出装置1000を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示しており、図1に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面においても同様である。また、以下では、図面が過度に複雑となることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。
図2は、光検出装置1000の例示的な回路構成を示す。上述したように、光センサ100Aは、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有している。そのため、ここでは、トランジスタと同様の回路記号を用いて便宜的に光センサ100Aを表現する。
次に、光電変換層23pの構成の典型例を詳細に説明する。
図5は、光電変換層23pにおける光電流特性の典型例を示す。図5中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層の例示的な電流−電圧特性(I−V特性)を示している。なお、図5には、光が照射されていない状態におけるI−V特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
赤外領域に吸収を有する光電変換材料は、バンドギャップが狭い。また、暗電流の原因となる、熱励起に起因する電流における活性化エネルギーは、バンドギャップに比例する。そのため、容量変調トランジスタのゲート絶縁層の材料として、赤外領域に吸収を有する光電変換材料を用いると、ゲートリークが発生し、十分なS/N比を確保できない可能性がある。なお、0.1Vのバイアス電圧のもとでの有機光電変換層単体におけるリーク電流の大きさは、例えば1×10-8A/cm2程度である(「×」は乗算を表す)。
図1および図2を参照して説明した構成では、アドレストランジスタ30のオン時、不純物領域20sの電圧(容量変調トランジスタのソース電圧といってもよい)は、光センサ100Aに対する照度の変化に従って時々刻々変化する。換言すれば、垂直信号線46を介して読み出される信号レベルは、読み出し時における、光センサ100Aに対する照度に応じたレベルである。すなわち、照度に関する情報がリアルタイムで取得される。
本開示の光検出装置1000における光センサのデバイス構造は、図1を参照して説明した構成に限定されない。図13は、本開示の第2の実施形態に係る光検出装置の断面を模式的に示す。第2の実施形態において、光検出装置1000は、各々が光センサ100Bを有する複数の単位画素セル10Bを含む。図13では、図面が複雑となることを避けるため、複数の単位画素セル10Bのうちの1つを示しており、上述の信号検出回路76などの図示が省略されている。
図19は、本開示の第3の実施形態に係る光検出装置の断面を模式的に示す。図19に示す単位画素セル10C中の光センサ100Cと、図13を参照して説明した、第2の実施形態の光センサ100Bとの間の相違点は、光センサ100Cの光電変換部が、光電変換層23pと電極(画素電極21および/または透明電極22)との間に配置された絶縁層を含む点である。図19に例示する構成では、画素電極21と光電変換層23pとの間、および、光電変換層23pと透明電極22との間に、それぞれ、絶縁層29aおよび29bが配置されている。
図21は、本開示の第4の実施形態に係るカメラシステムの構成例を模式的に示す。図21に示すカメラシステム300は、レンズ光学系310と、上述の光検出装置1000と、システムコントローラ330と、カメラ信号処理部320とを有する。
11A、13A、13Ac、15A、17A、19A 単位画素セル
11B、13B、15B、17B、19B 単位画素セル
12 電圧供給回路
14 垂直走査回路
20 半導体基板
20d、20s、30s 不純物領域
20t 素子分離領域
21 画素電極
22 透明電極
22g 透明ゲート電極
23、33 ゲート絶縁層
23p 光電変換層
24、34 ゲート電極
23x、29a、29b 絶縁層
26 赤外線透過フィルタ
30、30a、30b アドレストランジスタ
40 多層配線
42 電源配線
44、44a、44b アドレス信号線
45、45a、45b 転送制御線
46、46a、46b 垂直信号線
47 リセット制御線
48 ゲート電圧制御線
49 定電流源
50 層間絶縁層
54 接続部
60 容量変調トランジスタ
70、70a、70b 転送トランジスタ
72、72a、72b キャパシタ
75、75a、75b 信号検出トランジスタ
76 信号検出回路
78 リセットトランジスタ
80 電流増幅回路
92 反転増幅器
94 電源
96 フィードバックトランジスタ
100A〜100C 光センサ
230A 光電変換構造
230h 混合層
230p p型半導体層
230n n型半導体層
234 電子ブロッキング層
236 正孔ブロッキング層
300 カメラシステム
310 レンズ光学系
320 カメラ信号処理部
330 システムコントローラ
1000 光検出装置
Claims (9)
- ソース領域およびドレイン領域を含む半導体層と、
前記半導体層の前記ソース領域と前記ドレイン領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上に位置するゲート電極と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方に電気的に接続されたゲートを有する第1信号検出トランジスタと、
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方と前記第1信号検出トランジスタの前記ゲートとの間に接続された第1転送トランジスタと、
前記第1信号検出トランジスタの前記ゲートに一端が電気的に接続された第1キャパシタと、
前記第1転送トランジスタと前記第1キャパシタとの間にドレインおよびソースの一方が接続されたリセットトランジスタと、を備える、光検出装置。 - 前記ゲート絶縁層は、前記光電変換層と前記半導体層との間に位置する絶縁層を含む、請求項1に記載の光検出装置。
- 前記ゲート電極と前記半導体層との間に位置する遮光膜を有する、
請求項1または2に記載の光検出装置。 - 前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲と、前記第1電圧範囲と前記第2電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第1電圧範囲および前記第2電圧範囲よりも小さい第3電圧範囲と、を有する光電流特性を有する、請求項1から3のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに前記第3電圧範囲内にあるゲート電圧を前記ゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方は、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記他方と、前記ゲート電極との間の電位差が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層へ入射した光量に対応した電気信号を出力する、請求項4に記載の光検出装置。 - 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方に電気的に接続されたゲートを有する第2信号検出トランジスタと、
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方と前記第2信号検出トランジスタの前記ゲートとの間に接続された第2転送トランジスタと、
前記第2信号検出トランジスタの前記ゲートに一端が電気的に接続された第2キャパシタと、をさらに備える、請求項1から5のいずれか1項に記載の光検出装置。 - 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方と前記第1キャパシタの前記一端との間に電気的に接続された第1電流増幅回路をさらに備える、請求項1から6のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方と前記第1キャパシタの前記一端との間に電気的に接続された反転増幅器をさらに備える、請求項1から7のいずれか1項に記載の光検出装置。
- 前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方と、前記ゲート電極との間に電圧を印加する電圧供給回路をさらに備える、
請求項1から4のいずれか1項に記載の光検出装置。
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