本申請涉及光檢測裝置。

背景技術(shù)：

以往，在光檢測裝置、圖像傳感器等中使用了光檢測元件。光檢測元件的典型例子有光電二極管、光電晶體管等光電轉(zhuǎn)換元件。如眾所周知的那樣，對通過照射光產(chǎn)生于光電轉(zhuǎn)換元件的光電流進(jìn)行檢測，由此能夠?qū)膺M(jìn)行檢測。

下述專利文獻(xiàn)1在圖2中公開了一種薄膜晶體管(tft)，其具有規(guī)定化合物分散在有機(jī)聚合物中而成的有機(jī)膜作為柵極絕緣膜。作為構(gòu)成有機(jī)膜的規(guī)定化合物，選擇通過照射光會(huì)使極化狀態(tài)發(fā)生變化的化合物。就專利文獻(xiàn)1的薄膜晶體管來說，在對柵極絕緣膜照射光時(shí)，柵極絕緣膜的介電常數(shù)發(fā)生變化。因此，通過向柵極絕緣膜照射光，在源極-漏極之間流動(dòng)的電流發(fā)生變化。專利文獻(xiàn)1記載了可將這樣的薄膜晶體管用于光傳感器。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2011-60830號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供具有新穎構(gòu)成的光檢測裝置。

根據(jù)本申請的沒有限定性的某個(gè)例示性實(shí)施方式，可提供下述方案。

一種光檢測裝置，其具備：半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層包含源極區(qū)和漏極區(qū)；柵極絕緣層，該柵極絕緣層位于被半導(dǎo)體層的源極區(qū)和漏極區(qū)所夾持的區(qū)域上，并且包含光電轉(zhuǎn)換層；柵極電極，該柵極電極位于柵極絕緣層上；信號檢測電路，該信號檢測電路包含輸入與源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者電連接的第一信號檢測晶體管；第一傳輸晶體管，該第一傳輸晶體管連接在源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者與第一信號檢測晶體管的輸入之間；以及第一電容器，該第一電容器的一端與第一信號檢測晶體管的輸入電連接，其中，信號檢測電路對由光經(jīng)由柵極電極射入光電轉(zhuǎn)換層而產(chǎn)生的與光電轉(zhuǎn)換層的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號進(jìn)行檢測。

總的或具體方案可以通過元件、器件、裝置、系統(tǒng)、集成電路或方法來實(shí)現(xiàn)。另外，總的或具體方案也可以通過任意組合元件、器件、裝置、系統(tǒng)、集成電路和方法來實(shí)現(xiàn)。

所公開的實(shí)施方式的追加效果和優(yōu)點(diǎn)可以由說明書和附圖來明確。效果和/或優(yōu)點(diǎn)是由說明書和附圖所公開的各個(gè)實(shí)施方式或特征獨(dú)立帶來的，為了得到它們中的一個(gè)以上并不需要所有實(shí)施方式或特征。

根據(jù)本申請的一個(gè)方案，提供具有新穎構(gòu)成的光檢測裝置。

附圖說明

圖1是示出本申請第一實(shí)施方式的例示性光檢測裝置的截面的剖視示意圖。

圖2是示意性地示出光檢測裝置1000的例示性電路構(gòu)成的圖。

圖3是示出由包含萘酞菁錫的材料形成的光電轉(zhuǎn)換層處的吸收光譜的一個(gè)例子的圖。

圖4是示出具有使用包含由通式(1)所示的萘酞菁錫的有機(jī)半導(dǎo)體材料來形成的光電轉(zhuǎn)換層的柵極絕緣層的一個(gè)例子的剖視示意圖。

圖5是示出光電轉(zhuǎn)換層23p中的光電流特性的典型例子的曲線圖。

圖6是示出施加了0.1v電壓時(shí)流到硅熱氧化膜的泄漏電流的膜厚依賴性的曲線圖。

圖7是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的另一個(gè)例子的圖。

圖8是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子的圖。

圖9是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子的圖。

圖10是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子的圖。

圖11是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子的圖。

圖12是示意性地示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子的圖。

圖13是示出本申請第二實(shí)施方式的光檢測裝置的截面的剖視示意圖。

圖14是示意性地示出將圖7所例示的電路構(gòu)成中的光傳感器100a置換成圖13所示的光傳感器100b的電路構(gòu)成的例子的圖。

圖15是示意性地示出將圖8所例示的電路構(gòu)成中的光傳感器100a置換成圖13所示的光傳感器100b的電路構(gòu)成的例子的圖。

圖16是示意性地示出將圖10所例示的電路構(gòu)成中的光傳感器100a置換成圖13所示的光傳感器100b的電路構(gòu)成的例子的圖。

圖17是示意性地示出將圖11所例示的電路構(gòu)成中的光傳感器100a置換成圖13所示的光傳感器100b的電路構(gòu)成的例子的圖。

圖18是示意性地示出將圖12所例示的電路構(gòu)成中的光傳感器100a置換成圖13所示的光傳感器100b的電路構(gòu)成的例子的圖。

圖19是示出本申請第三實(shí)施方式的光檢測裝置的截面的剖視示意圖。

圖20是示出施加了2.5v電壓時(shí)流到硅氧化膜的泄漏電流的膜厚依賴性的曲線圖。

圖21是示意性地示出本申請第四實(shí)施方式的相機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成例的圖。

具體實(shí)施方式

本申請的一個(gè)方案的概要如下所述。

[項(xiàng)目1]

一種光檢測裝置，其具備：

半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層包含源極區(qū)和漏極區(qū)；

柵極絕緣層，該柵極絕緣層位于被半導(dǎo)體層的所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)所夾持的區(qū)域上，并且包含光電轉(zhuǎn)換層；

柵極電極，該柵極電極位于柵極絕緣層上；

信號檢測電路，該信號檢測電路包含輸入與源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者電連接的第一信號檢測晶體管；

第一傳輸晶體管，該第一傳輸晶體管連接在源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者與第一信號檢測晶體管的輸入之間；以及

第一電容器，該第一電容器的一端與第一信號檢測晶體管的輸入電連接，

其中，信號檢測電路對由光經(jīng)由柵極電極射入光電轉(zhuǎn)換層而產(chǎn)生的與光電轉(zhuǎn)換層的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號進(jìn)行檢測。

根據(jù)項(xiàng)目1的構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)能夠在與曝光不同的時(shí)刻讀出輸出信號的光檢測裝置。

[項(xiàng)目2]

根據(jù)項(xiàng)目1所述的光檢測裝置，其中，柵極絕緣層包含絕緣層，該絕緣層位于光電轉(zhuǎn)換層與半導(dǎo)體層之間。

根據(jù)項(xiàng)目2的構(gòu)成，能夠降低光電轉(zhuǎn)換層中的泄漏電流，并確保必要的s/n比。

[項(xiàng)目3]

根據(jù)項(xiàng)目1或2所述的光檢測裝置，其具有遮光膜，該遮光膜位于透明柵極電極與半導(dǎo)體層之間。

根據(jù)項(xiàng)目3的構(gòu)成，其能夠抑制雜散光射入形成在源極區(qū)和漏極區(qū)之間的溝道區(qū)，因而能夠抑制相鄰的單位像素單元之間的混色等干擾(noise)的混入。

[項(xiàng)目4]

根據(jù)項(xiàng)目1～3中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其中，光電轉(zhuǎn)換層具有下述光電流特性：具有第一電壓范圍、第二電壓范圍和第三電壓范圍，該第一電壓范圍是隨著逆向的偏壓增大而使輸出電流密度的絕對值增大，該第二電壓范圍是隨著正向的偏壓增大而使輸出電流密度增大，該第三電壓范圍是在第一電壓范圍與第二電壓范圍之間并且輸出電流密度相對于偏壓的變化率的絕對值比所述第一電壓范圍和所述第二電壓范圍小。

根據(jù)項(xiàng)目4的構(gòu)成，可以提供響應(yīng)性優(yōu)異的光檢測裝置。例如，能夠?qū)崿F(xiàn)響應(yīng)性優(yōu)異的紅外線傳感器。

[項(xiàng)目5]

根據(jù)項(xiàng)目4所述的光檢測裝置，其還具備電壓供給電路，該電壓供給電路對柵極電極供給以源極區(qū)和漏極區(qū)中的另一者的電位為基準(zhǔn)時(shí)處于第三電壓范圍內(nèi)的柵極電壓，

其中，源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者在源極區(qū)和漏極區(qū)中的另一者與透明柵極電極之間的電位差維持為第三電壓范圍內(nèi)的狀態(tài)下輸出與光電轉(zhuǎn)換層的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號。

根據(jù)項(xiàng)目5的構(gòu)成，其能夠給光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間賦予第三電壓范圍的電位差。

[項(xiàng)目6]

根據(jù)項(xiàng)目1～5中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其中，信號檢測電路包含第二信號檢測晶體管，該第二信號檢測晶體管是輸入與源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者電連接，

該光檢測裝置還具備：

第二傳輸晶體管，該第二傳輸晶體管連接在源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者與第二信號檢測晶體管的輸入之間；以及

第二電容器，該第二電容器的一端與第二信號檢測晶體管的輸入電連接。

根據(jù)項(xiàng)目6的構(gòu)成，能夠通過單一像素以不同的多個(gè)相位對光進(jìn)行檢測。

[項(xiàng)目7]

根據(jù)項(xiàng)目1～6中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其還具備第一電流放大電路，該第一電流放大電路電連接在源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者與第一電容器的一端之間。

根據(jù)項(xiàng)目7的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)更高靈敏度的信號檢測。

[項(xiàng)目8]

根據(jù)項(xiàng)目1～7中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其還具備反轉(zhuǎn)放大器，該反轉(zhuǎn)放大器電連接在源極區(qū)和漏極區(qū)中的一者與第一電容器的一端之間。

根據(jù)項(xiàng)目8的構(gòu)成，能夠提高照度與來自單位像素單元的輸出信號之間的線性度。

[項(xiàng)目9]

一種光檢測裝置，其具備：

第一電極；

第二電極，該第二電極與第一電極相對置；

光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換層配置在第一電極與第二電極之間；

場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管的柵極與所述第一電極電連接；

信號檢測電路，該信號檢測電路包含輸入與場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的一者電連接的第一信號檢測晶體管；

第一傳輸晶體管，該第一傳輸晶體管連接在場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的一者與第一信號檢測晶體管的輸入之間；以及

第一電容器，該第一電容器的一端與第一信號檢測晶體管的輸入電連接，

其中，信號檢測電路對由光經(jīng)由第二電極射入光電轉(zhuǎn)換層而產(chǎn)生的與第一電極和第二電極之間的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號進(jìn)行檢測。

根據(jù)項(xiàng)目9的構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)能夠在與曝光不同的時(shí)刻讀出輸出信號的光檢測裝置。

[項(xiàng)目10]

根據(jù)項(xiàng)目9所述的光檢測裝置，其中，光電轉(zhuǎn)換層具有下述光電流特性：具有第一電壓范圍、第二電壓范圍和第三電壓范圍，該第一電壓范圍是隨著逆向的偏壓增大而使輸出電流密度的絕對值增大，該第二電壓范圍是隨著正向的偏壓增大而使輸出電流密度增大，該第三電壓范圍是在第一電壓范圍與第二電壓范圍之間并且輸出電流密度相對于偏壓的變化率的絕對值比所述第一電壓范圍和所述第二電壓范圍小。

[項(xiàng)目11]

根據(jù)項(xiàng)目10所述的光檢測裝置，其還具備至少一個(gè)絕緣層，該至少一個(gè)絕緣層配置在第一電極與光電轉(zhuǎn)換層之間和光電轉(zhuǎn)換層與第二電極之間中的至少一者。

根據(jù)項(xiàng)目11的構(gòu)成，能夠?qū)鲂?yīng)晶體管的源極或漏極與第二電極之間施加更大的偏壓。

[項(xiàng)目12]

根據(jù)項(xiàng)目11所述的光檢測裝置，其還具備電壓供給電路，該電壓供給電路對第二電極供給以源極和漏極中的另一者的電位為基準(zhǔn)時(shí)處于第一電壓范圍內(nèi)的電壓，

其中，場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的一者在場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的另一者與第二電極之間的電位差維持為第一電壓范圍內(nèi)的狀態(tài)下輸出與第一電極和第二電極之間的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號。

根據(jù)項(xiàng)目12的構(gòu)成，其能夠給光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間賦予第一電壓范圍的電位差。

[項(xiàng)目13]

根據(jù)項(xiàng)目10或11所述的光檢測裝置，其還具備電壓供給電路，該電壓供給電路對第二電極供給以源極和漏極中的另一者的電位為基準(zhǔn)時(shí)處于第三電壓范圍內(nèi)的電壓，

其中，場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的一者在場效應(yīng)晶體管的源極和漏極中的另一者與第二電極之間的電位差維持為第三電壓范圍內(nèi)的狀態(tài)下輸出與第一電極和第二電極之間的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號。

根據(jù)項(xiàng)目13的構(gòu)成，其能夠給光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間賦予第三電壓范圍的電位差。

[項(xiàng)目14]

根據(jù)項(xiàng)目9～13中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其中，第一電極為遮光性電極。

根據(jù)項(xiàng)目14的構(gòu)成，其能夠抑制雜散光射入場效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)，因而能夠抑制相鄰的單位像素單元之間的混色等干擾的混入。

[項(xiàng)目15]

根據(jù)項(xiàng)目9～14中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其還具備連接部，該連接部將場效應(yīng)晶體管的柵極與第一電極連接。

根據(jù)項(xiàng)目15的構(gòu)成，配置在半導(dǎo)體層與第一電極之間的布線的設(shè)計(jì)自由度提高。

[項(xiàng)目16]

根據(jù)項(xiàng)目9～15中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其中，信號檢測電路包含第二信號檢測晶體管，該第二信號檢測晶體管是輸入與源極和漏極中的一者電連接，

該光檢測裝置還具備：

第二傳輸晶體管，該第二傳輸晶體管連接在源極和漏極中的一者與第二信號檢測晶體管的輸入之間；以及

第二電容器，該第二電容器的一端與第二信號檢測晶體管的輸入電連接。

根據(jù)項(xiàng)目16的構(gòu)成，能夠通過單一像素以不同的多個(gè)相位對光進(jìn)行檢測。

[項(xiàng)目17]

根據(jù)項(xiàng)目9～16中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其還具備第一電流放大電路，該第一電流放大電路電連接在源極和漏極中的一者與第一電容器的一端之間。

根據(jù)項(xiàng)目17的構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)更高靈敏度的信號檢測。

[項(xiàng)目18]

根據(jù)項(xiàng)目9～17中任一項(xiàng)所述的光檢測裝置，其還具備反轉(zhuǎn)放大器，該反轉(zhuǎn)放大器電連接在源極和漏極中的一者與第一電容器的一端之間。

根據(jù)項(xiàng)目18的構(gòu)成，能夠提高照度與來自單位像素單元的輸出信號之間的線性度。

下面，參照附圖對本申請的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，以下要說明的實(shí)施方式均示出總的或具體例子。以下實(shí)施方式所示出的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置和連接形態(tài)、步驟、步驟的順序等僅是一個(gè)例子，主旨并不是限定本申請。只要不產(chǎn)生矛盾，則本說明書中所說明的各種方案能夠相互組合。另外，就以下實(shí)施方式中的構(gòu)成要素之中未記載于示出最上位概念的獨(dú)立權(quán)利要求的構(gòu)成要素來說，其作為任選構(gòu)成要素來進(jìn)行說明。在以下說明中，實(shí)質(zhì)上具有相同作用的構(gòu)成要素以通用的附圖標(biāo)記來表示，有時(shí)省略說明。

(第一實(shí)施方式)

圖1示意性地示出本申請第一實(shí)施方式的例示性光檢測裝置的截面。圖1所示的光檢測裝置1000包含各自具有光傳感器100a的多個(gè)單位像素單元10a。多個(gè)單位像素單元10a例如以矩陣狀排列，由此形成光傳感器陣列。圖1示意性地示出了在多個(gè)單位像素單元10a之中沿著光傳感器陣列的行方向配置的三個(gè)單位像素單元10a的截面。此外，圖1僅僅是示意性地示出了構(gòu)成光檢測裝置1000的各部的配置，圖1所示的各部的尺寸未必忠實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)器件中的尺寸。這在本申請的其它附圖中也是同樣的。另外，以下為了避免附圖變得過于復(fù)雜而有時(shí)省略一部分要素的圖示。

多個(gè)單位像素單元10a形成于半導(dǎo)體基板20。此處，作為半導(dǎo)體基板20，例示出p型硅(si)基板。單位像素單元10a各自通過形成于半導(dǎo)體基板20的元件分離區(qū)域20t被相互電分離。相鄰的兩個(gè)單位像素單元10a之間的距離(像素間距)例如可以為2μm左右。此外，本說明書中的“半導(dǎo)體基板”不限于其整體為半導(dǎo)體層的基板，也可以是在照射光的一側(cè)的表面設(shè)置有半導(dǎo)體層的絕緣性基板等。

單位像素單元10a中的光傳感器100a示意性地具有與場效應(yīng)晶體管(fet)類似的器件結(jié)構(gòu)。即，光傳感器100a包含：形成在半導(dǎo)體基板20內(nèi)的雜質(zhì)區(qū)域(此處為n型區(qū)域)20s和20d；配置在被半導(dǎo)體基板20的雜質(zhì)區(qū)域20s與雜質(zhì)區(qū)域20d所夾持的區(qū)域上的柵極絕緣層23；以及配置在柵極絕緣層23上的透明柵極電極22g。如圖1所示，透明柵極電極22g配置在覆蓋半導(dǎo)體基板20的層間絕緣層50上。

在圖1所例示的構(gòu)成中，層間絕緣層50具有包含多個(gè)絕緣層(典型地為硅氧化膜)的層積結(jié)構(gòu)。在層間絕緣層50中配置有多層布線40。多層布線40包含多個(gè)布線層。在圖1所例示的構(gòu)成中，多層布線40包含三個(gè)布線層，在中央的布線層設(shè)置有電源布線42、尋址信號線44和垂直信號線46。電源布線42、尋址信號線44和垂直信號線46例如沿著與紙面垂直的方向(光傳感器陣列中的列方向)延伸。在圖1所示的例子中，層間絕緣層50和多層布線40分別包含四層絕緣層和三層布線層。但是，層間絕緣層50中的絕緣層的層數(shù)和多層布線40中的布線層的層數(shù)不限于該例子。

在圖1所例示的構(gòu)成中，多層布線40的電源布線42通過接觸插塞52與雜質(zhì)區(qū)域20d連接。如后所述，供給規(guī)定電壓的電源與電源布線42連接。在光檢測裝置1000工作時(shí)，通過電源布線42對雜質(zhì)區(qū)域20d施加規(guī)定的偏壓(第一偏壓)。

柵極絕緣層23以貫通層間絕緣層50的方式將半導(dǎo)體基板20的上表面與透明柵極電極22g的下表面連結(jié)。此外，本說明書中的用語“上表面”和“下表面”用于示出構(gòu)件之間的相對配置，并不意欲限定本申請的光檢測裝置的姿態(tài)。

柵極絕緣層23包含光電轉(zhuǎn)換層23p。光電轉(zhuǎn)換層23p的厚度(沿著半導(dǎo)體基板20的法線方向測得的長度)例如為1500nm左右。光電轉(zhuǎn)換層23p的構(gòu)成的典型例子的詳細(xì)情況會(huì)后述。在圖1所例示的構(gòu)成中，在光電轉(zhuǎn)換層23p與半導(dǎo)體基板20之間配置有絕緣層23x。絕緣層23x可以與半導(dǎo)體基板20連接。

在圖1所示的例子中，層間絕緣層50上的透明柵極電極22g以橫跨多個(gè)單位像素單元10a的方式來形成。透明柵極電極22g具有與未圖示的電源的連接。透明柵極電極22g與半導(dǎo)體基板20的雜質(zhì)區(qū)域20d同樣地是被構(gòu)成為在光檢測裝置1000工作時(shí)能夠施加規(guī)定的偏壓(第二偏壓)。

在光檢測裝置1000工作時(shí)，通過對透明柵極電極22g和雜質(zhì)區(qū)域20d分別施加規(guī)定電壓，透明柵極電極22g與雜質(zhì)區(qū)域20d之間的電位差維持固定。在工作時(shí)能夠?qū)⑼该鳀艠O電極22g與雜質(zhì)區(qū)域20d之間的電位差維持固定的情況下，透明柵極電極22g也可以不以橫跨多個(gè)單位像素單元10a的方式來形成。例如，也可以以每個(gè)單位像素單元10a分離的方式來形成透明柵極電極22g。

如后面詳細(xì)說明的那樣，在光的檢測工作中，在透明柵極電極22g與雜質(zhì)區(qū)域20d之間的電位差維持固定的狀態(tài)下，光從光傳感器100a的透明柵極電極22g側(cè)(圖1中的上側(cè))向光檢測裝置1000照射。照射到光檢測裝置1000的光經(jīng)由透明柵極電極22g射入柵極絕緣層23的光電轉(zhuǎn)換層23p。光電轉(zhuǎn)換層23p通過照射光而產(chǎn)生例如電子-空穴對。通過使光電轉(zhuǎn)換層23p中產(chǎn)生電子-空穴對，光電轉(zhuǎn)換層23p的介電常數(shù)發(fā)生變化。在將光傳感器100a視為場效應(yīng)晶體管時(shí)，通過使光電轉(zhuǎn)換層23p中的介電常數(shù)發(fā)生變化，可產(chǎn)生與該晶體管中的柵極容量變化時(shí)相同的效果。即，通過對柵極絕緣層23照射光，該晶體管中的閾值電壓發(fā)生變化。通過利用該變化，能夠?qū)膺M(jìn)行檢測。

由于這種工作原理，也可以將光傳感器100a稱為容量調(diào)制晶體管。雜質(zhì)區(qū)域20s和20d分別相當(dāng)于容量調(diào)制晶體管的例如源極區(qū)和漏極區(qū)。以下，有時(shí)將雜質(zhì)區(qū)域20s稱為光傳感器的源極區(qū)(或漏極區(qū))，將雜質(zhì)區(qū)域20d稱為光傳感器的漏極區(qū)(或源極區(qū))。另外，以下為了簡單起見有時(shí)將在雜質(zhì)區(qū)域20s和20d之間流通的電流簡稱為漏極電流。

通過適當(dāng)?shù)臋z測電路對容量調(diào)制晶體管中的閾值變化進(jìn)行檢測，由此能夠?qū)ι淙牍鈧鞲衅?00a的光進(jìn)行檢測。如后所述，光檢測裝置1000可具有與雜質(zhì)區(qū)域20s電連接的信號檢測電路。信號檢測電路對由光經(jīng)由透明柵極電極22g射入光電轉(zhuǎn)換層23p而產(chǎn)生的與光電轉(zhuǎn)換層23p的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號(電壓信號或電流信號)進(jìn)行檢測。

在圖1所示的例子中，在透明柵極電極22g上配置有選擇性地透過紅外線的紅外線透過濾波器26。即，圖1例示出了使用光檢測裝置1000作為紅外線檢測裝置時(shí)的構(gòu)成。這樣，被光檢測裝置1000所檢測出的光不限于可見光的波長范圍(例如380nm～780nm)內(nèi)的光。此外，本說明書為了方便起見將包括紅外線和紫外線在內(nèi)的全部電磁波表述為“光”。本說明書中的“透明”和“透光性”是指透過所要檢測的波長范圍的光的至少一部分，不必在可見光的整個(gè)波長范圍透過光。

在利用光檢測裝置1000作為紅外線檢測裝置的情況下，作為透明柵極電極22g的材料，使用對近紅外線的透過率高、電阻值小的透明導(dǎo)電性氧化物(transparentconductingoxide(tco))。作為tco，例如可以使用ito、izo、azo、fto、sno2、tio2、zno2等。作為透明柵極電極22g，也可以使用au等的金屬薄膜。如圖1所示，也可以在紅外線透過濾波器26上配置使所照射的光聚集并射入光電轉(zhuǎn)換層23p的微透鏡28?？梢栽谖⑼哥R28與透明柵極電極22g之間配置保護(hù)層。

在圖1所例示的構(gòu)成中，單位像素單元10a各自具有尋址晶體管30。在圖1示意性地示出的例子中，尋址晶體管30包含：形成在半導(dǎo)體基板20內(nèi)的雜質(zhì)區(qū)域20s和雜質(zhì)區(qū)域30s；柵極絕緣層33；以及柵極電極34。以下，只要沒有特別聲明，則例示出n溝道m(xù)osfet作為晶體管。

柵極絕緣層33例如為硅的熱氧化膜(二氧化硅膜)。柵極電極34例如為多晶硅電極。在該例子中，尋址晶體管30和光傳感器100a共享雜質(zhì)區(qū)域20s，通過共享雜質(zhì)區(qū)域20s來將它們電連接。

尋址晶體管30中的雜質(zhì)區(qū)域20s例如作為尋址晶體管30的漏極區(qū)起作用。尋址晶體管30中的雜質(zhì)區(qū)域30s例如作為尋址晶體管30的源極區(qū)起作用。就光檢測裝置1000具有多個(gè)單位像素單元并且在各單位像素單元配置有尋址晶體管30的構(gòu)成來說，信號檢測電路與尋址晶體管30的輸出(該例子中為雜質(zhì)區(qū)域30s)連接。然后一邊參照附圖一邊進(jìn)行說明，在光傳感器100a與尋址晶體管30之間可以連接電容器以及將由光傳感器100a輸出的信號電荷向該電容器傳輸?shù)膫鬏斁w管等。通過在單位像素單元內(nèi)設(shè)置一端與信號檢測電路的輸入段電連接的電容器，例如能夠進(jìn)行所謂的全局快門工作。此外，當(dāng)光檢測裝置1000所包含的單位像素單元的個(gè)數(shù)為一個(gè)時(shí)，能夠省略用于選擇作為信號讀出對象的單元的尋址晶體管30。因此，在單位像素單元的個(gè)數(shù)為一個(gè)的情況下，能夠使尋址晶體管30作為傳輸晶體管起作用。

在該例子中，尋址晶體管30的柵極電極34(典型地為多晶硅電極)通過接觸插塞52與多層布線40的尋址信號線44連接。尋址晶體管30的雜質(zhì)區(qū)域30s通過接觸插塞52與多層布線40的垂直信號線46連接。因此，通過尋址信號線44來控制柵極電極34的電位，使尋址晶體管30為導(dǎo)通(on)狀態(tài)，由此能夠通過垂直信號線46來選擇性地讀出由光傳感器100a生成的信號。

其一部分中包含垂直信號線46等的上述多層布線40例如由銅等金屬形成?？梢酝ㄟ^多層布線40中的布線層來形成遮光膜。通過使配置在層間絕緣層50內(nèi)的布線層作為遮光膜起作用，能夠以遮光性布線層來遮蔽透過了透明柵極電極22g的光之中未射入光電轉(zhuǎn)換層23p的光。由此，能夠抑制未射入光電轉(zhuǎn)換層23p的光(此處為紅外線)射入形成于半導(dǎo)體基板20的晶體管(例如容量調(diào)制晶體管或?qū)ぶ肪w管30)的溝道區(qū)。絕緣層23x和/或柵極絕緣層33可以具有遮光性。通過抑制雜散光射入溝道區(qū)，能夠抑制相鄰的單位像素單元之間的混色等干擾的混入。此外，透過了透明柵極電極22g的光之中朝向光電轉(zhuǎn)換層23p行進(jìn)的光幾乎都被光電轉(zhuǎn)換層23p所吸收。因此，朝向光電轉(zhuǎn)換層23p行進(jìn)的光不會(huì)對形成于半導(dǎo)體基板20的晶體管的工作產(chǎn)生不良影響。

(光檢測裝置的例示性電路構(gòu)成)

圖2示出光檢測裝置1000的例示性電路構(gòu)成。如上所述，光傳感器100a具有與場效應(yīng)晶體管類似的器件結(jié)構(gòu)。因此，為了方便起見，此處用與晶體管相同的電路符號來表示光傳感器100a。

圖2示意性地示出單位像素單元10a被配置為兩行兩列的矩陣狀的例子。本說明書中，有時(shí)將行和列延伸的方向分別稱為行方向和列方向。當(dāng)然，光檢測裝置1000中的單位像素單元的數(shù)量和配置不限于圖2所示的例子。單位像素單元也可以一維地排列。在該情況下，光檢測裝置1000為線傳感器。光檢測裝置1000所包含的單位像素單元的數(shù)量可以為兩個(gè)以上，也可以為一個(gè)。

如已經(jīng)進(jìn)行了說明的那樣，各單位像素單元10a的光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20d(也可以稱為容量調(diào)制晶體管的漏極)與電源布線42連接。在圖2所示的例子中，電源布線42配置在光傳感器陣列的每列。這些電源布線42與電壓供給電路12連接。在光檢測裝置1000工作時(shí)，電壓供給電路12通過電源布線42對構(gòu)成光傳感器陣列的各個(gè)單位像素單元10a供給規(guī)定電壓(第一偏壓)。

各單位像素單元10a的光傳感器100a中的透明柵極電極22g與柵極電壓控制線48連接。在圖2所例示的構(gòu)成中，柵極電壓控制線48與電壓供給電路12連接。因此，在光檢測裝置1000工作時(shí)，通過柵極電壓控制線48由電壓供給電路12對光傳感器陣列中的各光傳感器100a的透明柵極電極22g施加規(guī)定的柵極電壓(第二偏壓)。電壓供給電路12不限于特定的電源電路，也可以為生成規(guī)定電壓的電路，還可以為將由其它電源供給的電壓轉(zhuǎn)換為規(guī)定電壓的電路。如后所述，對各光傳感器100a的透明柵極電極22g施加以光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20d的電位為基準(zhǔn)時(shí)處于規(guī)定范圍內(nèi)的柵極電壓。

在圖2所例示的構(gòu)成中，具有和尋址晶體管30的柵極的連接的尋址信號線44與垂直掃描電路(也稱為“行掃描電路”)14連接。垂直掃描電路14通過對尋址信號線44施加規(guī)定電壓，以行單位選擇被配置在各行的多個(gè)單位像素單元10a。由此，能夠通過尋址晶體管30來讀出所選擇的單位像素單元10a的信號。

如圖示的那樣，尋址晶體管30的源極和漏極中的一者(典型地為漏極)與光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20s(也可以稱為容量調(diào)制晶體管的源極)連接，尋址晶體管30的源極和漏極中的另一者(此處為源極)與設(shè)置于光傳感器陣列的每列的垂直信號線46連接。垂直信號線46是將來自光傳感器陣列的像素信號傳遞至外圍電路的主信號線。

該例子是在垂直信號線46與接地之間連接有恒流源49。因此，通過檢測垂直信號線46的電壓變化，能夠?qū)τ晒庹丈涞焦鈧鞲衅?00a所引起的光傳感器100a中的閾值的變化進(jìn)行檢測。即，能夠基于垂直信號線46的電壓變化來對光進(jìn)行檢測。此時(shí)，電源布線42作為源極跟隨電源起作用。也可以通過對由光傳感器100a的雜質(zhì)區(qū)域20s輸出的電流進(jìn)行檢測來對光進(jìn)行檢測。但是，在對電壓變化進(jìn)行檢測時(shí)，能夠應(yīng)用與使用了硅的光電二極管的光傳感器相同的工藝和電路，這從獲得高s/n比的觀點(diǎn)考慮也是有利的。

此外，對光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20d供給規(guī)定電壓的電路、與對透明柵極電極22g供給規(guī)定電壓的電路可以如圖2所例示的那樣是通用的，也可以是不同的。對光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20d供給規(guī)定電壓的電路和對透明柵極電極22g供給規(guī)定電壓的電路中的至少一者也可以為垂直掃描電路14的一部分。

(光電轉(zhuǎn)換層)

接著，對光電轉(zhuǎn)換層23p的構(gòu)成的典型例子進(jìn)行詳細(xì)說明。

作為構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換層23p的材料，典型地使用半導(dǎo)體材料。光電轉(zhuǎn)換層23p受到光的照射而在內(nèi)部生成正和負(fù)的電荷對(典型地為電子-空穴對)。此處，作為構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換層23p的材料，使用有機(jī)半導(dǎo)體材料。光電轉(zhuǎn)換層23p例如包含由下述通式(1)所示的萘酞菁錫(以下有時(shí)簡稱為“萘酞菁錫”)。

通式(1)中，r¹～r²⁴獨(dú)立地表示氫原子或取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以為氘原子、鹵原子、烷基(包括環(huán)烷基、雙環(huán)烷基、三環(huán)烷基)、烯基(包括環(huán)烯基、雙環(huán)烯基)、炔基、芳基、雜環(huán)基(也可以稱為雜環(huán)基團(tuán))、氰基、羥基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、硅烷氧基(silyloxygroup)、雜環(huán)氧基、酰氧基、氨基甲酰氧基、烷氧基羰基、芳氧基羰氧基、氨基(包括苯胺基)、銨基(ammoniogroup)、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺?；被⑼榛酋；被?、芳基磺?；被?、巰基、烷硫基、芳硫基、雜環(huán)硫基、氨磺?；?、磺基、烷基亞磺?；⒎蓟鶃喕酋；?、烷基磺酰基、芳基磺酰基、?；?、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基偶氮基、雜環(huán)偶氮基、酰亞胺基、膦基(phosphinogroup)、氧膦基(phosphinylgroup)、氧膦基氧基(phosphinyloxygroup)、氧膦基氨基(phosphinylaminogroup)、膦?；⒐柰榛?silylgroup)、肼基、脲基、硼酸基(-b(oh)2)、磷酸基(-opo(oh)2)、硫酸基(-oso3h)或其它公知的取代基。

作為由上述通式(1)所示的萘酞菁錫，可以使用市售的產(chǎn)品?；蛘?，如例如日本特開2010-232410號公報(bào)所示，由上述通式(1)所示的萘酞菁錫可以將由下述通式(2)所示的萘衍生物作為起始原料來進(jìn)行合成。通式(2)中的r²⁵～r³⁰可以為與通式(1)中的r¹～r²⁴相同的取代基。

在由上述通式(1)所示的萘酞菁錫中，從易于控制分子的凝集態(tài)的觀點(diǎn)考慮，r¹～r²⁴之中的8個(gè)以上為氫原子或氘原子是有益的，r¹～r²⁴之中的16個(gè)以上為氫原子或氘原子是更有益的，全部為氫原子或氘原子是進(jìn)一步有益的。此外，從合成容易程度的觀點(diǎn)考慮，由以下的式(3)所示的萘酞菁錫是有利的。

由上述通式(1)所示的萘酞菁錫在大致200nm～1100nm的波段具有吸收。例如，如圖3所示，由上述式(3)所示的萘酞菁錫在波長為大致870nm的位置具有吸收峰。圖3是包含由上述式(3)所示的萘酞菁錫的光電轉(zhuǎn)換層處的吸收光譜的一個(gè)例子。此外，在吸收光譜的測定中，使用了在石英基板上層積有光電轉(zhuǎn)換層(厚度：30nm)的樣品。

由圖3可知，由包含萘酞菁錫的材料形成的光電轉(zhuǎn)換層在近紅外區(qū)域具有吸收。即，通過選擇包含萘酞菁錫的材料作為構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換層23p的材料，可以實(shí)現(xiàn)能夠?qū)t外線進(jìn)行檢測的光檢測裝置。

圖4示出具有使用包含由上述通式(1)所示的萘酞菁錫的有機(jī)半導(dǎo)體材料來形成的光電轉(zhuǎn)換層的柵極絕緣層的一個(gè)例子。在圖4所例示的構(gòu)成中，柵極絕緣層23包含光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a，并且還包含配置在光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a與透明柵極電極22g之間的電子阻擋層234以及配置在光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a與絕緣層23x之間的空穴阻擋層236。

光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a包含p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中的至少一者。在圖4所例示的構(gòu)成中，光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a具有p型半導(dǎo)體層230p、n型半導(dǎo)體層230n以及夾在p型半導(dǎo)體層230p與n型半導(dǎo)體層230n之間的混合層230h。p型半導(dǎo)體層230p配置在電子阻擋層234與混合層230h之間，具有光電轉(zhuǎn)換和/或空穴傳輸?shù)淖饔?。n型半導(dǎo)體層230n配置在空穴阻擋層236與混合層230h之間，具有光電轉(zhuǎn)換和/或電子傳輸?shù)淖饔?。如后所述，混合?30h可以包含p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中的至少一者。

p型半導(dǎo)體層230p和n型半導(dǎo)體層230n分別包含有機(jī)p型半導(dǎo)體和有機(jī)n型半導(dǎo)體。即，光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)230a包含：包含由上述通式(1)所示的萘酞菁錫的有機(jī)光電轉(zhuǎn)換材料；以及有機(jī)p型半導(dǎo)體和有機(jī)n型半導(dǎo)體中的至少一者。

有機(jī)p型半導(dǎo)體(化合物)為供體性有機(jī)半導(dǎo)體(化合物)，其是指主要以空穴傳輸性有機(jī)化合物為代表的具有容易供給電子的性質(zhì)的有機(jī)化合物。更詳細(xì)來說，有機(jī)p型半導(dǎo)體(化合物)是指在使兩種有機(jī)材料接觸來進(jìn)行了使用時(shí)電離勢小的有機(jī)化合物。因此，作為供體性有機(jī)化合物，只要是具有電子供給性的有機(jī)化合物就可以使用任意有機(jī)化合物。例如，可以使用三芳基胺化合物、聯(lián)苯胺化合物、吡唑啉化合物、苯乙烯胺化合物、腙化合物、三苯基甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、p3ht等噻吩化合物、酞菁銅等酞菁化合物、花菁化合物、部花菁化合物、氧雜菁化合物、多元胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚芳撐化合物、稠合芳香族碳環(huán)化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、熒蒽衍生物)、具有含氮雜環(huán)化合物作為配體的金屬絡(luò)合物等。此外，供體性有機(jī)半導(dǎo)體不限于這些；如上所述，只要是電離勢比用作n型(受體性)化合物的有機(jī)化合物小的有機(jī)化合物就可以作為供體性有機(jī)半導(dǎo)體來使用。上述的萘酞菁錫為有機(jī)p型半導(dǎo)體材料的一個(gè)例子。

有機(jī)n型半導(dǎo)體(化合物)為受體性有機(jī)半導(dǎo)體(化合物)，其是指主要以電子傳輸性有機(jī)化合物為代表的具有容易接受電子的性質(zhì)的有機(jī)化合物。更詳細(xì)來說，有機(jī)n型半導(dǎo)體(化合物)是指在使兩種有機(jī)化合物接觸來進(jìn)行了使用時(shí)電子親和力大的有機(jī)化合物。因此，作為受體性有機(jī)化合物，只要是具有電子接受性的有機(jī)化合物就可以使用任意有機(jī)化合物。例如，可以使用富勒烯、苯基c61丁酸甲酯(pcbm)等富勒烯衍生物、稠合芳香族碳環(huán)化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、熒蒽衍生物)、含有氮原子、氧原子、硫原子的5～7元雜環(huán)化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、噠嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、異喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲咯啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑并噠嗪、三唑并嘧啶、四氮茚、噁二唑、咪唑并吡啶、ピラリジン、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯并氮(dibenzazepine)、三苯并氮(tribenzazepine)等)、聚芳撐化合物、芴化合物、環(huán)戊二烯化合物、硅烷基化合物、苝四羧酸二酰亞胺化合物(ptcdi)、具有含氮雜環(huán)化合物作為配體的金屬絡(luò)合物等。此外，不限于此；如上所述，只要是電子親和力比用作p型(供體性)有機(jī)化合物大的有機(jī)化合物就可以作為受體性有機(jī)半導(dǎo)體來使用。

混合層230h例如可以為包含p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)層。在以具有體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的層的方式形成混合層230h時(shí)，能夠使用由上述通式(1)所示的萘酞菁錫作為p型半導(dǎo)體材料。作為n型半導(dǎo)體材料，例如可以使用富勒烯和/或富勒烯衍生物。構(gòu)成p型半導(dǎo)體層230p的材料與混合層230h所包含的p型半導(dǎo)體材料相同是有益的。同樣地，構(gòu)成n型半導(dǎo)體層230n的材料與混合層230h所包含的n型半導(dǎo)體材料相同是有益的。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在日本專利第5553727號公報(bào)中有詳細(xì)說明。為了參考起見，將日本專利第5553727號公報(bào)的公開內(nèi)容全部援引至本說明書。

通過根據(jù)希望進(jìn)行檢測的波段來使用適當(dāng)?shù)牟牧?，能夠?qū)崿F(xiàn)在所期望的波段具有靈敏度的光傳感器。光電轉(zhuǎn)換層23p不限于有機(jī)半導(dǎo)體材料，也可以包含非晶硅等無機(jī)半導(dǎo)體材料。光電轉(zhuǎn)換層23p可以包含由有機(jī)材料構(gòu)成的層和由無機(jī)材料構(gòu)成的層。此處，對將對萘酞菁錫和c60進(jìn)行共蒸鍍而得到的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換層23p的例子進(jìn)行說明。

(光電轉(zhuǎn)換層中的光電流特性)

圖5示出光電轉(zhuǎn)換層23p中的光電流特性的典型例子。圖5中，粗實(shí)線的曲線圖表示在照射了光的狀態(tài)下的光電轉(zhuǎn)換層的例示性電流-電壓特性(i-v特性)。此外，圖5中還用粗虛線一并示出在未照射光的狀態(tài)下的i-v特性的一個(gè)例子。

圖5示出了在一定的照度下使對光電轉(zhuǎn)換層的兩個(gè)主表面之間施加的偏壓發(fā)生了變化時(shí)的主表面之間的電流密度的變化。本說明書中，偏壓中的正向和逆向如下定義。在光電轉(zhuǎn)換層具有層狀p型半導(dǎo)體和層狀n型半導(dǎo)體的結(jié)結(jié)構(gòu)的情況下，將使p型半導(dǎo)體的層的電位變得比n型半導(dǎo)體的層高的偏壓定義為正向的偏壓。另一方面，將使p型半導(dǎo)體的層的電位變得比n型半導(dǎo)體的層低的偏壓定義為逆向的偏壓。在使用了有機(jī)半導(dǎo)體材料的情況下，也可以與使用了無機(jī)半導(dǎo)體材料的情況同樣地定義正向和逆向。在光電轉(zhuǎn)換層具有體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的情況下，如上述日本專利第5553727號公報(bào)的圖1中示意性地示出的那樣，在光電轉(zhuǎn)換層的兩個(gè)主表面中的一個(gè)表面與n型半導(dǎo)體相比更多地出現(xiàn)p型半導(dǎo)體，在另一個(gè)表面與p型半導(dǎo)體相比更多地出現(xiàn)n型半導(dǎo)體。因此，將使與n型半導(dǎo)體相比更多地出現(xiàn)p型半導(dǎo)體的主表面?zhèn)鹊碾娢蛔兊帽扰cp型半導(dǎo)體相比更多地出現(xiàn)n型半導(dǎo)體的主表面?zhèn)鹊碾娢桓叩钠珘憾x為正向的偏壓。

如圖5所示，本申請的實(shí)施方式的光電轉(zhuǎn)換層的光電流特性示意性地被第一至第三這三個(gè)電壓范圍所表征。第一電壓范圍是逆向偏壓的電壓范圍，其是隨著逆向偏壓的增大而使輸出電流密度的絕對值增大的電壓范圍。第一電壓范圍也可以稱為隨著對光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間施加的偏壓的增大而使光電流增大的電壓范圍。第二電壓范圍是正向偏壓的電壓范圍，其是隨著正向偏壓的增大而使輸出電流密度增大的電壓范圍。即，第二電壓范圍是隨著對光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間施加的偏壓的增大而使正向電流增大的電壓范圍。第三電壓范圍是第一電壓范圍與第二電壓范圍之間的電壓范圍。

第一至第三電壓范圍可根據(jù)使用了線性縱軸和橫軸時(shí)的光電流特性的曲線圖的斜率來進(jìn)行區(qū)分。為了參考起見，圖5中分別用虛線l1和虛線l2示出了第一電壓范圍和第二電壓范圍各自中的曲線圖的平均斜率。如圖5所例示的那樣，第一電壓范圍、第二電壓范圍和第三電壓范圍中的輸出電流密度相對于偏壓增加的變化率相互不同。第三電壓范圍定義為輸出電流密度相對于偏壓的絕對值的變化率比第一電壓范圍中的變化率和第二電壓范圍中的變化率小的電壓范圍?；蛘?，也可以根據(jù)表示i-v特性的曲線圖中的上升(下降)的位置來決定第三電壓范圍。第三電壓范圍典型地大于-1v且小于+1v。在第三電壓范圍中，就算使偏壓變化，光電轉(zhuǎn)換層的主表面之間的電流密度也幾乎不發(fā)生變化。如圖5所例示的那樣，在第三電壓范圍中，電流密度的絕對值典型地為100μa/cm²以下。如下面會(huì)詳細(xì)說明的那樣，在該第三電壓范圍中，由照射光生成的正和負(fù)的電荷對(例如空穴-電子對)只要停止照射光就迅速地再結(jié)合而消失。因此，在光檢測裝置工作時(shí)通過將對光電轉(zhuǎn)換層的兩個(gè)主表面之間施加的偏壓調(diào)整為第三電壓范圍的電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的響應(yīng)。

再次參照圖1和圖2。在本申請的典型性實(shí)施方式中，當(dāng)光檢測裝置工作時(shí)，在將光傳感器所具有的兩個(gè)雜質(zhì)區(qū)域之中與電源布線42連接的一側(cè)與透明柵極電極22g之間的電位差維持為上述第三電壓范圍的狀態(tài)下，實(shí)行光的檢測。例如，在參照圖2進(jìn)行了說明的構(gòu)成中，以雜質(zhì)區(qū)域20d為基準(zhǔn)時(shí)處于第三電壓范圍內(nèi)的柵極電壓由電壓供給電路12向透明柵極電極22g供給。因此，在光的檢測工作中，光電轉(zhuǎn)換層23p處于對上表面(透明柵極電極22g側(cè)的主表面)與下表面之間施加了第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)。

當(dāng)光射入光電轉(zhuǎn)換層23p時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換層23p的內(nèi)部產(chǎn)生例如空穴-電子對。此時(shí)，由于對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了規(guī)定的偏壓，因而多個(gè)空穴-電子對各自中的偶極矩基本上統(tǒng)一為相同方向。因此，光電轉(zhuǎn)換層23p的介電常數(shù)伴隨著空穴-電子對的產(chǎn)生而增大。當(dāng)將施加了規(guī)定的偏壓并處于照射了光的狀態(tài)下的光電轉(zhuǎn)換層23p內(nèi)的電場的大小設(shè)定為e時(shí)，根據(jù)高斯定律，成立e＝((σf-σp)/ε0)和e＝(σf/ε)。此處，σf為電極(例如透明柵極電極22g)中的電荷密度，σp為通過極化在光電轉(zhuǎn)換層23p中產(chǎn)生于與電極相對置的表面的電荷的密度。ε0和ε分別為真空的介電常數(shù)和光電轉(zhuǎn)換層23p的介電常數(shù)。由e＝((σf-σp)/ε0)和e＝(σf/ε)可以得到ε＝ε0(σf/(σf-σp))，可知通過有助于極化的電荷(空穴-電子對)的增加使得光電轉(zhuǎn)換層23p的介電常數(shù)增大。即，通過向光電轉(zhuǎn)換層23p照射光，柵極絕緣層23整體的介電常數(shù)增大。

當(dāng)將光傳感器100a視為晶體管時(shí)，伴隨著柵極絕緣層23的介電常數(shù)的增大，閾值電壓降低(也可以稱為有效柵極電壓增大)。由此，雜質(zhì)區(qū)域20s的電壓通過源極跟隨而伴隨著柵極絕緣層23的介電常數(shù)變化發(fā)生變化。即，將光傳感器100a視為晶體管時(shí)的源極電壓顯示出與對光傳感器100a的照度的變化相對應(yīng)的變化。因此，通過以適當(dāng)?shù)臋z測電路來檢測源極電壓的變化，能夠?qū)膺M(jìn)行檢測。

例如，當(dāng)如圖2所示將恒流源49與垂直信號線46連接來使尋址晶體管30導(dǎo)通時(shí)，能夠以垂直信號線46中的電壓變化的形式就與對光傳感器100a的照度的變化相對應(yīng)的閾值電壓的變化進(jìn)行檢測?；蛘?，也可以將恒壓源與垂直信號線46連接來對垂直信號線46中的電流變化進(jìn)行檢測。這樣，來自光傳感器100a的輸出信號可以為電壓變化的形式，也可以為電流變化的形式。

此處應(yīng)當(dāng)注意的地方是：在光的檢測時(shí)，對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了第三電壓范圍的偏壓。利用了光電二極管(或光電轉(zhuǎn)換膜)的現(xiàn)有的光傳感器通常是在與圖5所示的第一電壓范圍相對應(yīng)的逆向偏壓下實(shí)行光檢測的工作。因此，由光電轉(zhuǎn)換生成的空穴和電子分別朝向光電二極管的陰極和陽極移動(dòng)。就利用了光電二極管(或光電轉(zhuǎn)換膜)的現(xiàn)有的光傳感器的光檢測來說，由光電轉(zhuǎn)換生成的電荷作為信號被取出到外部電路。

與此相對，在本申請的光檢測裝置的典型例子中，在光的檢測時(shí)對光電轉(zhuǎn)換層23p施加第三電壓范圍的偏壓。當(dāng)在施加了第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下對光電轉(zhuǎn)換層23p照射光時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換層23p生成例如空穴-電子對。但是，在施加了第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下，所生成的空穴和電子不會(huì)分離并向電極移動(dòng)，而是形成偶極子。即，所生成的空穴和電子自身不會(huì)被取出到光電轉(zhuǎn)換層23p的外部。

就電荷從光電轉(zhuǎn)換層排出和電荷向光電轉(zhuǎn)換層流入來說，其速度慢(幾十毫秒左右)。因此，在將光傳感器應(yīng)用于圖像傳感器的情況下，在伴隨電荷從光電轉(zhuǎn)換層排出或電荷向光電轉(zhuǎn)換層流入的構(gòu)成中，伴隨著開始攝影時(shí)對光電轉(zhuǎn)換層施加電壓、照射光等，有可能產(chǎn)生干擾、余像等。在將光的檢測時(shí)對光電轉(zhuǎn)換層23p施加的偏壓設(shè)定為第三電壓范圍的電壓的構(gòu)成中，不伴隨這種電荷從光電轉(zhuǎn)換層排出或電荷向光電轉(zhuǎn)換層流入，因而能夠抑制干擾、余像等的產(chǎn)生。

另外，在施加了第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下，當(dāng)光不再射入光電轉(zhuǎn)換層23p時(shí)，空穴-電子對迅速地(幾十微秒以下)再結(jié)合而消失。因此，根據(jù)本申請的實(shí)施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的響應(yīng)。由于能夠?qū)崿F(xiàn)高速的響應(yīng)，因而本申請的實(shí)施方式的光傳感器對在利用了飛行時(shí)間法(time-of-flightmethod(tof))的距離計(jì)測、超高速攝影等中應(yīng)用來說是有利的。通過電源布線42對雜質(zhì)區(qū)域20d施加的第一偏壓例如為2.4v，通過柵極電壓控制線48對透明柵極電極22g施加的第二偏壓例如為2.5v。即，在此處說明的例子中，以給光傳感器100a的柵極絕緣層23的上表面和下表面之間賦予約0.1v的電位差的方式進(jìn)行了設(shè)定。此外，如后所述，也可以對光電轉(zhuǎn)換層施加第一電壓范圍的偏壓來實(shí)行光的檢測。

(紅外線的檢測)

在紅外區(qū)域具有吸收的光電轉(zhuǎn)換材料的帶隙窄。另外，成為暗電流的原因的由熱激發(fā)引起的電流中的活化能與帶隙成比例。因此，當(dāng)使用在紅外區(qū)域具有吸收的光電轉(zhuǎn)換材料作為容量調(diào)制晶體管的柵極絕緣層的材料時(shí)，有可能發(fā)生柵極泄漏，無法確保充分的s/n比。此外，0.1v的偏壓下的有機(jī)光電轉(zhuǎn)換層單體中的泄漏電流的大小例如為1×10^-8a/cm²左右(“×”表示乘號)。

在此處說明的例子中，使用了在近紅外區(qū)域具有吸收的光電轉(zhuǎn)換層作為光電轉(zhuǎn)換層23p。在圖1所例示的構(gòu)成中，在光電轉(zhuǎn)換層23p與半導(dǎo)體基板20之間配置有絕緣層23x。通過在光電轉(zhuǎn)換層23p與半導(dǎo)體基板20之間配置絕緣層23x，能夠降低光電轉(zhuǎn)換層23p中的泄漏電流，并能夠確保必要的s/n比。

作為絕緣層23x，例如可以采用硅的熱氧化膜。圖6示出施加了0.1v的電壓時(shí)流到硅熱氧化膜的泄漏電流的膜厚依賴性。在本申請的實(shí)施方式的光檢測方式中，從確保光不照射時(shí)的特性的觀點(diǎn)考慮，柵極絕緣層23中的泄漏電流為1×10^-11a/cm²以下是有益的。關(guān)于該泄漏電流的大小，與將從半導(dǎo)體基板20的法線方向觀察柵極絕緣層23時(shí)的面積(柵極面積)設(shè)定為1μm²時(shí)的1e/秒以下的泄漏量相當(dāng)(泄漏量的單位中的“e”是指電子數(shù))。如圖6所示，在采用硅熱氧化膜作為絕緣層23x的情況下，當(dāng)使熱氧化膜的厚度為4.6nm以上時(shí)，可知能夠?qū)⑿孤╇娏鹘档椭帘匾潭取?/p>

在利用上述第三電壓范圍的情況下，在光的檢測時(shí)對光電轉(zhuǎn)換層23p的上表面與下表面之間施加的電壓較小，例如為0.1v左右。因此，易于使用窄帶隙的材料作為光電轉(zhuǎn)換層23p的材料。另外，通過在光電轉(zhuǎn)換層23p與半導(dǎo)體基板20之間配置絕緣層23x，能夠降低向容量調(diào)制晶體管的溝道區(qū)的泄漏電流。在利用第三電壓范圍的情況下，給雜質(zhì)區(qū)域20d與透明柵極電極22g之間賦予的電位差較小。因此，可以使用較薄的絕緣膜作為絕緣層23x，能夠以例如漏極電流的調(diào)制的形式取得與照度相關(guān)的信息。

這樣，根據(jù)本申請的實(shí)施方式，能夠一邊使用在紅外區(qū)域具有吸收的窄帶隙的光電轉(zhuǎn)換材料一邊抑制暗電流來確保高的s/n比。當(dāng)然，構(gòu)成絕緣層23x的材料不限于二氧化硅。作為絕緣層23x，可以采用在硅半導(dǎo)體中通常所用的氮氧化硅膜(sion膜)，也可以采用hfo2膜等high-k膜。絕緣層23x的厚度只要根據(jù)構(gòu)成絕緣層23x的材料適當(dāng)設(shè)定就行。

利用了近紅外線的成像例如在搭載于車輛來使用的夜視系統(tǒng)的用途、觀察生物體的用途等中是有希望的，期待在紅外區(qū)域具有靈敏度的光傳感器。如眾所周知的那樣，硅的帶隙為1.1ev，以使用了硅的光電二極管的光傳感器無法檢測出具有1100nm以上的波長的光。硅的光電二極管雖然在900nm附近的波段具有靈敏度，但與可見光的波長范圍相比其靈敏度低，特別是在用于夜視系統(tǒng)時(shí)希望提高性能。

作為具有窄帶隙的半導(dǎo)體，已知有inxga1-xas。inxga1-xas通過調(diào)整組成比x而能夠使帶隙窄至0.3ev。以使用了inxga1-xas的光傳感器，能夠在最大3μm的波長具有靈敏度，能夠采用使用了inxga1-xas的光傳感器作為紅外線傳感器。但是，為了抑制由晶體缺陷而導(dǎo)致的暗電流、由于因窄帶隙所引起的熱干擾而導(dǎo)致的s/n比的劣化，需要將傳感器冷卻。因此，難以小型化和低成本化，作為民生用尚未達(dá)到廣泛普及。作為不使用冷卻裝置的紅外線傳感器，已知有微測輻射熱計(jì)和熱釋電傳感器。但是，微測輻射熱計(jì)和熱釋電傳感器均是通過熱進(jìn)行的檢測，因而響應(yīng)速度慢至幾十毫秒，導(dǎo)致用途被限制。

根據(jù)本申請的實(shí)施方式，較易于使用在紅外區(qū)域具有吸收的材料作為光電轉(zhuǎn)換層23p。例如，如圖3所示，包含由上述式(3)所示的萘酞菁錫的光電轉(zhuǎn)換層在800nm～1000nm的波段具有吸收的峰。包含由式(3)所示的萘酞菁錫的光電轉(zhuǎn)換層在波長900nm下的量子效率可以為硅的十倍左右。根據(jù)本申請的實(shí)施方式，能夠以較簡易的構(gòu)成來實(shí)現(xiàn)在紅外區(qū)域具有靈敏度的光傳感器或光檢測裝置。本申請的實(shí)施方式的光檢測裝置中的檢測不是通過熱進(jìn)行的檢測，因而還能夠避免由于溝道部分的溫度變化而導(dǎo)致的熱干擾的產(chǎn)生，不需要設(shè)置冷卻機(jī)構(gòu)。

光檢測裝置1000可以使用常規(guī)的半導(dǎo)體制造工藝來制造。特別是，在使用硅基板作為半導(dǎo)體基板20的情況下，可以通過利用各種硅半導(dǎo)體工藝來制造光檢測裝置1000。本申請的光傳感器具有與場效應(yīng)晶體管類似的器件結(jié)構(gòu)，因而也較易于將其它晶體管與本申請的光傳感器形成于同一半導(dǎo)體基板。

(單位像素單元的變形例)

在參照圖1和圖2進(jìn)行了說明的構(gòu)成中，在尋址晶體管30導(dǎo)通時(shí)，雜質(zhì)區(qū)域20s的電壓(也可以稱為容量調(diào)制晶體管的源極電壓)隨著對于光傳感器100a的照度的變化而時(shí)刻變化。換言之，通過垂直信號線46讀出的信號水平是讀出時(shí)與對于光傳感器100a的照度相對應(yīng)的水平。即，能夠?qū)崟r(shí)地獲取與照度有關(guān)的信息。

如上所述，在單位像素單元內(nèi)，也可以設(shè)置一端與信號檢測電路的輸入段連接的電容器。例如，在單位像素單元內(nèi)，可以設(shè)置一個(gè)電極與半導(dǎo)體基板20的雜質(zhì)區(qū)域20s或30s(例如參照圖1)電連接的電容器。通過在單位像素單元內(nèi)配置這樣的電容器，能夠在與對于光傳感器的曝光不同的時(shí)刻讀出輸出信號。

圖7示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的另一個(gè)例子。圖7所例示的單位像素單元11a示意性地具有上述光傳感器100a、與垂直信號線46連接的信號檢測電路76、連接在光傳感器100a與信號檢測電路76之間的傳輸晶體管70以及一端與信號檢測電路76的輸入電連接的電容器72。此外，為了避免附圖過于復(fù)雜，此處取出一個(gè)單位像素單元并示意性地示出其電路構(gòu)成的例子。在光檢測裝置1000包含多個(gè)單位像素單元的情況下，各單位像素單元能夠具有與圖示的電路相同的構(gòu)成。

在圖7所例示的構(gòu)成中，信號檢測電路76包含在垂直信號線46與源極連接的信號檢測晶體管75。信號檢測晶體管75和恒流源49形成源極跟隨電路。在光檢測裝置1000工作時(shí)，向信號檢測晶體管75的漏極供給例如電源電壓vdd。信號檢測晶體管75將對柵極施加了的電壓放大，并向垂直信號線46輸出。在該例子中，作為信號檢測晶體管75的輸入的柵極也可以是信號檢測電路76的輸入。

信號檢測晶體管75的柵極具有與光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20s的電連接。此處，信號檢測晶體管75的柵極通過傳輸晶體管70和尋址晶體管30與雜質(zhì)區(qū)域20s連接。在雜質(zhì)區(qū)域20s與傳輸晶體管70的漏極和源極中的一者(例如漏極)連接，在傳輸晶體管70的漏極和源極中的另一者與尋址晶體管30的漏極和源極中的一者(例如漏極)連接。信號檢測晶體管75的柵極與尋址晶體管30的漏極和源極中的另一者連接。

電容器72的一端與傳輸晶體管70和尋址晶體管30之間的結(jié)點(diǎn)nd連接。對電容器72的另一端在光檢測裝置1000工作時(shí)由圖7所未圖示的電源施加規(guī)定電壓，由此使其電位固定。光檢測裝置1000工作時(shí)的電容器72的另一端的電位例如為接地電位。

電容器72只要具有能夠暫時(shí)儲(chǔ)存電荷的結(jié)構(gòu)就行，不限于特定結(jié)構(gòu)。電容器72例如可以以pn結(jié)的形式形成在半導(dǎo)體基板20中，也可以作為其一部分包含形成于半導(dǎo)體基板20的雜質(zhì)區(qū)域的所謂mis電容器或者電介質(zhì)夾在由金屬或金屬化合物形成的兩個(gè)電極之間而成的mim(金屬絕緣金屬；metal-insulator-metal)結(jié)構(gòu)的電容器來形成?；蛘撸娙萜?2也可以為它們的組合。電容器72可以具有溝槽型或堆疊型中的任一種結(jié)構(gòu)。mim結(jié)構(gòu)的電容器例如也可以配置在層間絕緣層50內(nèi)。本說明書中的“電容器”不限于在導(dǎo)體之間配置有電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而是廣泛地包括能夠儲(chǔ)存電荷的結(jié)構(gòu)。

如圖所示，傳輸控制線45與傳輸晶體管70的柵極連接。傳輸控制線45能夠沿著多個(gè)單位像素單元11a的行方向以行單位來設(shè)置。在該例子中，傳輸控制線45與垂直掃描電路14連接。因此，垂直掃描電路14通過對傳輸控制線45施加規(guī)定電壓，能夠通過傳輸控制線45來控制傳輸晶體管70的導(dǎo)通和截止(off)。通過使傳輸晶體管70導(dǎo)通，與傳輸晶體管70的漏極-源極之間的電位差相對應(yīng)的量的電荷由雜質(zhì)區(qū)域20s向電容器72傳輸。

在本申請的典型性實(shí)施方式中，在將雜質(zhì)區(qū)域20d與透明柵極電極22g之間的電位差維持為第三電壓范圍內(nèi)的狀態(tài)下，實(shí)行光的檢測。此時(shí)，雜質(zhì)區(qū)域20s輸出與柵極絕緣層23的介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號。如上所述，就將光傳感器100a視為晶體管時(shí)的源極電壓來說，換言之，就雜質(zhì)區(qū)域20s的電位來說，顯示出與對光傳感器100a的照度的變化相對應(yīng)的變化。因此，在使尋址晶體管30截止的狀態(tài)下，當(dāng)在某個(gè)期間使傳輸晶體管70導(dǎo)通時(shí)，反映了在該期間射入光傳感器100a的光量的量的電荷向電容器72傳輸。之后，當(dāng)在傳輸晶體管70截止的狀態(tài)下使尋址晶體管30導(dǎo)通時(shí)，通過傳輸晶體管70來傳輸，與儲(chǔ)存于電容器72中的電荷量相對應(yīng)的信號電壓被垂直信號線46讀出。即，能夠通過垂直信號線46在所期望的時(shí)刻選擇性地讀出與在使傳輸晶體管70導(dǎo)通了的期間所射入的光量相對應(yīng)的信號電壓。這樣，根據(jù)圖7所例示的電路構(gòu)成，能夠在與對于光傳感器100a的曝光不同的時(shí)刻讀出輸出信號。也可以將使傳輸晶體管70導(dǎo)通的期間稱為電荷儲(chǔ)存期間。

能夠使與在某個(gè)期間所射入的光量相對應(yīng)的輸出信號被讀出的光檢測工作例如可以用于tof等。例如，通過重復(fù)對測距對象照射脈沖光和儲(chǔ)存與在某個(gè)長度的檢測期間所射入光傳感器100a的反射光相對應(yīng)的量的信號電荷的循環(huán)，能夠在每個(gè)檢測期間累積信號電荷，從而取得充分的信號水平。當(dāng)將多個(gè)單位像素單元11a二維地排列時(shí)，也可以由各單位像素單元11a的輸出構(gòu)建距離圖像。另外，例如在光檢測裝置1000包含多個(gè)單位像素單元11a的情況下，通過在多個(gè)單位像素單元11a之間統(tǒng)一電荷儲(chǔ)存期間，能夠?qū)崿F(xiàn)信號電荷儲(chǔ)存的開始和結(jié)束時(shí)刻在多個(gè)單位像素單元之間統(tǒng)一的所謂全局快門工作。

在圖7所示的例子中，單位像素單元11a具有漏極和源極中的一者與結(jié)點(diǎn)nd連接的復(fù)位晶體管78。復(fù)位晶體管78的漏極和源極中的另一者例如與未圖示的電源連接，由此在光檢測裝置1000工作時(shí)受到規(guī)定的復(fù)位電壓vr的供給。復(fù)位晶體管78的柵極具有與復(fù)位控制線47的連接，此處是復(fù)位控制線47與垂直掃描電路14連接。復(fù)位控制線47能夠沿著多個(gè)單位像素單元11a的行方向以行單位來設(shè)置。

通過使傳輸晶體管70和尋址晶體管30截止，使復(fù)位晶體管78導(dǎo)通，由此能夠?qū)?chǔ)存于電容器72的電荷從結(jié)點(diǎn)nd排出。即，通過復(fù)位晶體管78的導(dǎo)通，能夠使結(jié)點(diǎn)nd的電壓為規(guī)定的復(fù)位電壓vr，并將儲(chǔ)存于電容器72的電荷復(fù)位。通過在單位像素單元中設(shè)置復(fù)位晶體管78，能夠?qū)⑼ㄟ^傳輸晶體管70來傳輸電荷前的結(jié)點(diǎn)nd的電位設(shè)定為所期望的電位。復(fù)位電壓vr可以與對電容器72的未與結(jié)點(diǎn)nd連接一側(cè)施加的電壓(例如接地電壓)相同，也可以不同。

光的檢測中的工作例如如下所示。首先，由電壓供給電路12向電源布線42和柵極電壓控制線48供給規(guī)定的偏壓，由此使光傳感器100a的雜質(zhì)區(qū)域20d與透明柵極電極22g之間的電位差為規(guī)定的范圍內(nèi)。使傳輸晶體管70和尋址晶體管30截止，使復(fù)位晶體管78導(dǎo)通。通過復(fù)位晶體管78的導(dǎo)通，結(jié)點(diǎn)nd的電位被復(fù)位。在結(jié)點(diǎn)nd的電位的復(fù)位后，使復(fù)位晶體管78截止。

在復(fù)位晶體管78的截止后，可以使尋址晶體管30導(dǎo)通，進(jìn)行信號的讀出。以下，將此時(shí)得到的信號水平稱為復(fù)位水平。

之后，在所期望的時(shí)刻使傳輸晶體管70導(dǎo)通，在經(jīng)過所期望的時(shí)間后使傳輸晶體管70截止。由此，反映了在傳輸晶體管70被導(dǎo)通的期間所射入光傳感器100a的光量的量的電荷向電容器72傳輸。在電荷向電容器72傳輸后，使尋址晶體管30導(dǎo)通，進(jìn)行信號的讀出。通過求出此時(shí)得到的信號水平與復(fù)位水平之差，可以得到除去了固定干擾的信號(相關(guān)雙采樣)。

圖8～圖12示出能夠用于光檢測裝置1000的單位像素單元的電路構(gòu)成的又一個(gè)例子。在圖8所例示的構(gòu)成中，信號檢測電路76包含兩個(gè)以上的信號檢測晶體管。在該例子中，單位像素單元13a的信號檢測電路76除了包含信號檢測晶體管75a以外還包含第二信號檢測晶體管75b。信號檢測晶體管75a和信號檢測晶體管75b并聯(lián)在施加電源電壓vdd的電源線與垂直信號線46之間。在該例子中，信號檢測晶體管75a和75b的源極分別與垂直信號線46a和46b連接。

與參照圖7進(jìn)行了說明的例子同樣地，信號檢測晶體管75a的柵極具有與光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20s的電連接。傳輸晶體管70a和尋址晶體管30a連接在信號檢測晶體管75a的柵極與雜質(zhì)區(qū)域20s之間。傳輸控制線45a和尋址控制線44a分別與傳輸晶體管70a的柵極和尋址晶體管30a的柵極連接，此處是傳輸控制線45a和尋址控制線44a與垂直掃描電路14連接。電容器72a的一端與傳輸晶體管70a和尋址晶體管30a之間的結(jié)點(diǎn)連接。

如圖所示，單位像素單元13a還具有第二傳輸晶體管70b、第二尋址晶體管30b和第二電容器72b。傳輸晶體管70b和尋址晶體管30b串聯(lián)在信號檢測晶體管75b的柵極與雜質(zhì)區(qū)域20s之間。傳輸晶體管70b的源極和漏極中的一者與雜質(zhì)區(qū)域20s和第一傳輸晶體管70a之間的結(jié)點(diǎn)連接。換言之，單位像素單元13a從光傳感器100a中的雜質(zhì)區(qū)域20s與第一傳輸晶體管70a之間的結(jié)點(diǎn)分支，具有至第二信號檢測晶體管75b的結(jié)點(diǎn)。具有與垂直掃描電路14的連接的傳輸控制線45b和尋址控制線44b分別和傳輸晶體管70b的柵極和尋址晶體管30b的柵極連接，電容器72b的一端與傳輸晶體管70b和尋址晶體管30b之間的結(jié)點(diǎn)連接。

在圖8所例示的電路構(gòu)成中，典型地是使傳輸晶體管70a和70b在相互不同的期間導(dǎo)通。即，第一傳輸晶體管70a中的電荷儲(chǔ)存期間與第二傳輸晶體管70b中的電荷儲(chǔ)存期間相互不同。使傳輸晶體管70a在某個(gè)長度的第一期間導(dǎo)通，電容器72a儲(chǔ)存與使傳輸晶體管70a導(dǎo)通了的第一期間所射入光傳感器100a的光相對應(yīng)的量的信號電荷。另一方面，使傳輸晶體管70b例如在第一期間之后的某個(gè)長度的第二期間導(dǎo)通。電容器72b儲(chǔ)存與在第二期間所射入光傳感器100a的光相對應(yīng)的量的信號電荷。在使第二尋址晶體管30b、第二傳輸晶體管70b和第一傳輸晶體管70a截止了的狀態(tài)下使第一尋址晶體管30a導(dǎo)通，由此在第一期間儲(chǔ)存于電容器72a的信號電荷通過信號檢測晶體管75a被垂直信號線46a讀出。當(dāng)使第一尋址晶體管30a截止、使第二尋址晶體管30b導(dǎo)通時(shí)，在第二期間儲(chǔ)存于電容器72b的信號電荷通過信號檢測晶體管75b被垂直信號線46b讀出。如圖8所例示的那樣，可以對每個(gè)信號檢測晶體管設(shè)置垂直信號線，也可以在信號檢測電路76內(nèi)配置切換電路，該切換電路將多個(gè)信號檢測晶體管的輸出中的一個(gè)選擇性地與通用的垂直信號線連接。

這樣，通過在單位像素單元內(nèi)設(shè)置兩個(gè)以上的電容器(在該例子中是電容器72a、72b)，能夠在為單一像素的情況下以不同的多個(gè)相位進(jìn)行光的檢測，能夠個(gè)別地讀出與各相位相對應(yīng)的信號。因此，例如能夠?qū)崿F(xiàn)曝光期間相互不同多相的全局快門工作、以所期望的多個(gè)時(shí)間窗口進(jìn)行檢測的多相的tof等。與多個(gè)傳輸晶體管相對應(yīng)的多個(gè)電荷儲(chǔ)存期間的長度可以全部相同，也可以全部或部分不同。另外，多個(gè)電荷儲(chǔ)存期間可以全部在時(shí)間上相互分離，也可以全部或部分具有重疊。

此外，該例子是在雜質(zhì)區(qū)域20s與單一的復(fù)位晶體管78連接。在這樣的電路構(gòu)成中，通過同時(shí)使復(fù)位晶體管78、傳輸晶體管70a和70b導(dǎo)通，能夠一并將儲(chǔ)存于電容器72a中的電荷與儲(chǔ)存于電容器72b中的電荷復(fù)位。即，在多個(gè)分支之間，能夠利用共通的復(fù)位水平來實(shí)行相關(guān)雙采樣。當(dāng)然，也可以是復(fù)位晶體管分別與傳輸晶體管70a和尋址晶體管30a之間的結(jié)點(diǎn)以及傳輸晶體管70b和尋址晶體管30b之間的結(jié)點(diǎn)連接。當(dāng)在多個(gè)復(fù)位晶體管之間使復(fù)位電壓vr通用時(shí)，能夠在多個(gè)分支之間使復(fù)位水平共通。

如圖9所示的單位像素單元13ac那樣，可以將信號檢測電路76內(nèi)的信號檢測晶體管通用化。通過選擇性地使尋址晶體管30a和30b中的任一者導(dǎo)通，能夠選擇性地讀出儲(chǔ)存于電容器72a中的信號電荷和儲(chǔ)存于電容器72b中的信號電荷中的一者。通過單一的信號檢測晶體管75進(jìn)行輸出信號的讀出，能夠降低由多個(gè)信號檢測晶體管之間的特性偏差導(dǎo)致的讀出時(shí)的干擾。

圖10示出具有電流放大電路的單位像素單元15a的電路構(gòu)成的例子。此外，圖10中省略了復(fù)位晶體管的圖示。在之后的其它附圖中也有時(shí)省略復(fù)位晶體管的圖示。

在圖10所例示的構(gòu)成中，電流放大電路80連接在傳輸晶體管70與尋址晶體管30之間。此外，此處是電容器72的一端與電流放大電路80的輸出段連接。

作為電流放大電路80，如圖10所例示的那樣例如可以使用電流鏡。即，此處是電流放大電路80包含柵極相互連接的晶體管82和84。如圖所示，晶體管82的柵極與漏極相互連接(二極管連接)。通過在晶體管82與晶體管84之間改變尺寸(典型地為溝道寬)，能夠任意地變更輸出電流相對于輸入電流之比。

如上所述，將光傳感器100a視為場效應(yīng)晶體管時(shí)的閾值電壓與對于光傳感器100a的照度相對應(yīng)地發(fā)生變化。因此，從雜質(zhì)區(qū)域20s輸出與照度相對應(yīng)的電流。如圖10所例示的那樣，通過例如傳輸晶體管70將電流放大電路80與雜質(zhì)區(qū)域20s連接，能夠增大與電容器72的一端連接的輸出側(cè)的電流。通過在電流的放大后實(shí)行向電壓信號的轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)更高靈敏度的信號檢測。電流放大電路80的連接不限于圖10所示的例子，就算在雜質(zhì)區(qū)域20s與傳輸晶體管70之間連接電流放大電路80也可得到相同的效果。

圖11示出在單位像素單元內(nèi)配置有反轉(zhuǎn)放大器的電路構(gòu)成的例子。圖11所示的單位像素單元17a具有連接在傳輸晶體管70與尋址晶體管30之間的反轉(zhuǎn)放大器92。反轉(zhuǎn)放大器92的非反轉(zhuǎn)輸入端子通過傳輸晶體管70與雜質(zhì)區(qū)域20s連接，反轉(zhuǎn)放大器92的輸出端子與尋址晶體管30連接。電源94與反轉(zhuǎn)放大器92的反轉(zhuǎn)輸入端子連接，在光檢測裝置1000工作時(shí)，反轉(zhuǎn)輸入端子的電位被來自電源94的施加電壓所固定。

如已經(jīng)進(jìn)行了說明的那樣，光檢測裝置1000是在將雜質(zhì)區(qū)域20d與透明柵極電極22g之間的電位差保持固定的狀態(tài)下實(shí)行光檢測。此時(shí)，由雜質(zhì)區(qū)域20s輸出的電流依賴于與雜質(zhì)區(qū)域20s連接的輸出側(cè)的結(jié)點(diǎn)的電壓(此處為傳輸晶體管70的源極或漏極的電壓)。如圖11所例示的那樣，通過在單位像素單元17a內(nèi)設(shè)置電源94與反轉(zhuǎn)輸入端子連接的反轉(zhuǎn)放大器92，能夠抑制光傳感器100a的輸出側(cè)的結(jié)點(diǎn)的電壓偏差(每個(gè)復(fù)位的偏差、每個(gè)單位像素單元的偏差等)。

此處，電容器72的一端和另一端與反轉(zhuǎn)放大器92的非反轉(zhuǎn)輸入端子和輸出端子連接。因此，在光的檢測時(shí)，在電容器72中以與電源94連接的反轉(zhuǎn)輸入端子的電位為基準(zhǔn)來儲(chǔ)存與對于光傳感器100a的照度相對應(yīng)的量的信號電荷。根據(jù)圖11所示的電路構(gòu)成，由于能夠通過由電源94的施加電壓將電容器72中的基準(zhǔn)電位固定為固定電位，因而能夠抑制光傳感器100a的輸出側(cè)的結(jié)點(diǎn)的電壓偏差。其結(jié)果是，由雜質(zhì)區(qū)域20s輸出的電流對于光傳感器100a的輸出側(cè)的結(jié)點(diǎn)的電壓偏差的依賴性的影響降低，能夠提高照度與來自單位像素單元17a的輸出信號之間的線性度。

如圖12所例示的那樣，也可以反饋反轉(zhuǎn)放大器92的輸出。圖12所示的單位像素單元19a具有柵極與反轉(zhuǎn)放大器92的輸出端子連接的反饋晶體管96。反饋晶體管96的源極和漏極分別與反轉(zhuǎn)放大器92的非反轉(zhuǎn)輸入端子和尋址晶體管30連接。該例子是電容器72的一端連接在反饋晶體管96與尋址晶體管30之間。雖然圖12中省略了圖示，但復(fù)位晶體管與反饋晶體管96和尋址晶體管30之間的結(jié)點(diǎn)連接。

在圖12所示的電路構(gòu)成中，首先通過復(fù)位向與電容器72的一端連接的結(jié)點(diǎn)供給較高的電壓。之后，在所期望的期間使傳輸晶體管70導(dǎo)通。在該例子中，通過使反饋晶體管96的源極與反轉(zhuǎn)放大器92的非反轉(zhuǎn)輸入端子連接，形成了反饋回路，因此通過照射光而產(chǎn)生從電容器72向光傳感器100a的電流。通過在使傳輸晶體管70截止之后使尋址晶體管30導(dǎo)通，與由電容器72中的復(fù)位電位的電位降低相對應(yīng)的輸出信號作為與照度相對應(yīng)的信號被垂直信號線46讀出。反轉(zhuǎn)放大器92也可以連接在雜質(zhì)區(qū)域20s與傳輸晶體管70之間。

(第二實(shí)施方式)

本申請的光檢測裝置1000中的光傳感器的器件結(jié)構(gòu)不限于參照圖1進(jìn)行了說明的構(gòu)成。圖13示意性地示出本申請的第二實(shí)施方式的光檢測裝置的截面。在第二實(shí)施方式中，光檢測裝置1000包含各自具有光傳感器100b的多個(gè)單位像素單元10b。圖13中，為了避免附圖變得復(fù)雜而示出多個(gè)單位像素單元10b中的一個(gè)，省略了上述信號檢測電路76等的圖示。

在圖13所例示的構(gòu)成中，光傳感器100b具有容量調(diào)制晶體管60和光電轉(zhuǎn)換部。容量調(diào)制晶體管60是形成于半導(dǎo)體基板20的場效應(yīng)晶體管。容量調(diào)制晶體管60具有雜質(zhì)區(qū)域20d和雜質(zhì)區(qū)域20s、被半導(dǎo)體基板的雜質(zhì)區(qū)域20d和雜質(zhì)區(qū)域20s所夾持的區(qū)域上的絕緣層23x以及絕緣層23x上的柵極電極24。雜質(zhì)區(qū)域20d作為容量調(diào)制晶體管60的漏極區(qū)(或源極區(qū))起作用，雜質(zhì)區(qū)域20s作為容量調(diào)制晶體管60的源極區(qū)(或漏極區(qū))起作用。與第一實(shí)施方式同樣地，雜質(zhì)區(qū)域20d被構(gòu)成為通過具有與電源布線42的連接而能夠在光檢測裝置1000工作時(shí)施加規(guī)定電壓(第一偏壓)。絕緣層23x作為容量調(diào)制晶體管60的柵極絕緣層起作用。絕緣層23x例如是厚度為4.6nm的硅熱氧化膜。

光傳感器100b的光電轉(zhuǎn)換部包含像素電極21、與像素電極21相對置的透明電極22以及夾在它們之間的光電轉(zhuǎn)換層23p。像素電極21通過在與相鄰的單位像素單元10b之間空間分離來進(jìn)行配置，由此與其它單位像素單元10b中的像素電極21電分離。像素電極21典型地為金屬電極或金屬氮化物電極。用于形成像素電極21的材料的例子為al、cu、ti、tin、ta、tan、mo、ru和pt。像素電極21可以由通過摻雜雜質(zhì)而被賦予了導(dǎo)電性的多晶硅等形成。此處，使用tin電極作為像素電極21。

與第一實(shí)施方式同樣地，光電轉(zhuǎn)換層23p以橫跨其它單位像素單元10b的方式形成。光電轉(zhuǎn)換層23p的厚度例如可以為200nm左右。透明電極22也與第一實(shí)施方式中的透明柵極電極22g同樣地使用tco以橫跨其它單位像素單元10b的方式形成。另外，透明電極22被構(gòu)成為具有與柵極電壓控制線48(圖13中未圖示；參照圖2)的連接并且能夠在光檢測裝置1000工作時(shí)施加規(guī)定電壓(第二偏壓)。

在圖示的例子中，透明電極22和光電轉(zhuǎn)換層23p配置在層間絕緣層50上，通過包含多層布線40的一部分和接觸插塞52的連接部54而將光電轉(zhuǎn)換部的像素電極21與容量調(diào)制晶體管60的柵極電極24連接。第二實(shí)施方式的光傳感器100b可以說示意性地具有使電極(此處為像素電極21、連接部54和柵極電極24)夾在第一實(shí)施方式的光傳感器100a(參照圖1)中的光電轉(zhuǎn)換層23p與絕緣層23x之間而成的結(jié)構(gòu)。此外，容量調(diào)制晶體管60也可以視為含有柵極，該柵極包含具有絕緣層23x作為電介質(zhì)層的電容器和具有光電轉(zhuǎn)換層23p作為電介質(zhì)層的電容器的串聯(lián)連接。在該情況下，可以說之間具有像素電極21、連接部54和柵極電極24的絕緣層23x以及光電轉(zhuǎn)換層23p的層積結(jié)構(gòu)構(gòu)成容量調(diào)制晶體管60中的柵極容量(也稱為柵極絕緣層)，透明電極22構(gòu)成容量調(diào)制晶體管60中的柵極電極。

光檢測裝置1000中的光的檢測的原理與第一實(shí)施方式基本上相同。即，在對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了上述第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下，光經(jīng)由透明電極22射入光電轉(zhuǎn)換層23p。對雜質(zhì)區(qū)域20d施加的電壓例如為2.4v。對透明電極22施加的電壓例如為2.5v。即，對作為容量調(diào)制晶體管60的柵極絕緣層的絕緣層23x和光電轉(zhuǎn)換層23p施加整體為約0.1v的偏壓。

當(dāng)光射入光電轉(zhuǎn)換層23p時(shí)，在光電轉(zhuǎn)換層23p內(nèi)生成例如空穴-電子對，像素電極21和透明電極22之間的介電常數(shù)發(fā)生變化。伴隨著像素電極21和透明電極22之間的介電常數(shù)變化，容量調(diào)制晶體管60的有效柵極電壓發(fā)生變化，容量調(diào)制晶體管60中的閾值電壓發(fā)生變化。因此，能夠?qū)⒄斩鹊淖兓鳛槔绱怪毙盘柧€46中的電壓變化來進(jìn)行檢測。

根據(jù)第二實(shí)施方式，由于光電轉(zhuǎn)換層23p配置在層間絕緣層50上，因而與將光電轉(zhuǎn)換層23p埋入層間絕緣層50內(nèi)的結(jié)構(gòu)(參照圖1)相比，多層布線40中的各種布線的布局的自由度提高。在圖13所例示的構(gòu)成中，當(dāng)由半導(dǎo)體基板20的法線方向觀察單位像素單元10b時(shí)，像素電極21和透明電極22重疊的區(qū)域相對于單位像素單元10b的比例與單位像素單元10b中的開口率相當(dāng)。因此，與將光電轉(zhuǎn)換層23p埋入層間絕緣層50內(nèi)的結(jié)構(gòu)(參照圖1)相比，易于得到更大的開口率。

另外，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換層23p配置在層間絕緣層50上時(shí)，與將光電轉(zhuǎn)換層23p埋入層間絕緣層50內(nèi)相比，制造工藝上的難易度低，在制造方面是有利的。當(dāng)使容量調(diào)制晶體管60的柵極電極24和尋址晶體管30的柵極電極34均為多晶硅電極時(shí)，能夠與形成容量調(diào)制晶體管60的柵極同時(shí)形成尋址晶體管30的柵極。

例如，為了使用相互不同的材料來形成容量調(diào)制晶體管60的柵極電極24和尋址晶體管30的柵極電極34，需要依次形成它們。在采用光刻技術(shù)來形成柵極電極24和柵極電極34或注入雜質(zhì)的情況下，通常難以避免柵極電極24和柵極電極34之間的對準(zhǔn)的偏差。因此，當(dāng)想使用相互不同的材料來形成容量調(diào)制晶體管60的柵極電極24和尋址晶體管30的柵極電極34時(shí)，需要確保對準(zhǔn)中的裕度。換言之，對于光檢測裝置中的單位像素單元的微細(xì)化是不利的。

如圖13所例示的那樣，通過使容量調(diào)制晶體管60中的柵極電極24與尋址晶體管30中的柵極電極34同層(通用水平)，能夠使用通用的掩模和通用的材料在不考慮對準(zhǔn)的偏差的情況下將它們一并配置為所期望的位置和形狀。同樣地，通過使容量調(diào)制晶體管60中的柵極絕緣層23x和尋址晶體管30中的柵極絕緣層33同層，能夠使用通用的掩模和通用的材料在不考慮對準(zhǔn)的偏差的情況下將它們一并配置為所期望的位置和形狀。因此，能夠形成更微細(xì)的像素。通過使容量調(diào)制晶體管60的柵極的結(jié)構(gòu)和尋址晶體管30的柵極的結(jié)構(gòu)通用化，能夠進(jìn)一步削減制造成本。

同樣地，也可以使容量調(diào)制晶體管60的柵極的結(jié)構(gòu)與上述信號檢測晶體管75、傳輸晶體管70、復(fù)位晶體管78、電流放大電路80中的晶體管(圖10的例子中為晶體管82、84)和反饋晶體管96中的至少一部分中的柵極的結(jié)構(gòu)通用。例如，也可以在這些晶體管之間使用通用的材料，并且使柵極絕緣層和/或柵極電極同層。通過柵極結(jié)構(gòu)的通用化，能夠降低這些晶體管的形成中的對準(zhǔn)偏差。另外，在這些晶體管的至少一部分中，可以以遮光性絕緣層的形式來形成柵極絕緣層。

此外，上述第一實(shí)施方式是光傳感器100a不具有與容量調(diào)制晶體管60中的柵極電極24相當(dāng)?shù)碾姌O(參照圖1)。但是，能夠使用通用的掩模和通用的材料來形成光傳感器100a中的絕緣層23x和例如尋址晶體管30中的柵極絕緣層33。由此，可以不再需要在形成絕緣層23x后用于形成柵極絕緣層33的對準(zhǔn)或者在形成柵極絕緣層33后用于形成絕緣層23x的對準(zhǔn)。因此，能夠使絕緣層23x和柵極絕緣層33同層來消除絕緣層23x與柵極絕緣層33之間的位置偏差。

當(dāng)將像素電極21作為遮光性電極來形成時(shí)，能夠抑制雜散光射入容量調(diào)制晶體管60的溝道區(qū)和/或形成于半導(dǎo)體基板20的其它晶體管(例如尋址晶體管30)的溝道區(qū)。也可以在透明電極22與微透鏡28之間配置紅外線透過濾波器等濾光器。

此外，圖13所例示的器件結(jié)構(gòu)乍一看與在半導(dǎo)體基板上配置有光電轉(zhuǎn)換層的層積型圖像傳感器的器件結(jié)構(gòu)類似。但是，就層積型圖像傳感器來說，在像素電極和與像素電極相對置的透明電極之間施加了較高的偏壓，通過照射光而生成于光電轉(zhuǎn)換層內(nèi)的空穴和電子中的一者作為信號電荷被收集到像素電極。所收集到的信號電荷暫時(shí)儲(chǔ)存于單位像素單元內(nèi)的浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)，并在規(guī)定時(shí)刻讀出與所儲(chǔ)存的電荷量相對應(yīng)的信號電壓。

與此相對，本申請的光傳感器的典型例子是在不使生成于光電轉(zhuǎn)換層23p的正和負(fù)的電荷(例如空穴和電子)向電極移動(dòng)的情況下讀出與光電轉(zhuǎn)換層23p的(在圖13的例子中為像素電極21與透明電極22之間的)介電常數(shù)變化相對應(yīng)的電信號。層積型圖像傳感器是只能利用空穴和電子中的一者作為信號電荷，而本申請的光傳感器則是將正和負(fù)的電荷(例如空穴和電子)以成對的形式用于閾值的變化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的靈敏度。另外，由于是使給光電轉(zhuǎn)換層23p的上表面與下表面之間賦予的電位差為上述第三電壓范圍的電位差，因而當(dāng)停止照射光時(shí)所生成的正和負(fù)的電荷(例如空穴和電子)的對迅速地再結(jié)合。即，與層積型圖像傳感器不同，不需要像素電極的電位的復(fù)位工作。此外，本申請的光傳感器不進(jìn)行將生成于光電轉(zhuǎn)換層23p的空穴或電子作為信號電荷儲(chǔ)存于浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)的工作。因此，與層積型圖像傳感器不同，半導(dǎo)體基板20不具有用于儲(chǔ)存生成于光電轉(zhuǎn)換層23p的電荷的電荷儲(chǔ)存區(qū)域。

如上所述，在使給光電轉(zhuǎn)換層23p的上表面與下表面之間賦予的電位差為上述第三電壓范圍的電位差的情況下，當(dāng)停止照射光時(shí)所生成的空穴和電子的對迅速地再結(jié)合。這意味著：光傳感器的輸出顯示出與照射光時(shí)的照度的變化相對應(yīng)的變動(dòng)，不依賴于累積光量。因此，在使給光電轉(zhuǎn)換層23p的上表面與下表面之間賦予的電位差為上述第三電壓范圍的電位差的情況下，可以使曝光的時(shí)刻和信號讀出的時(shí)刻一致。

如參照圖7～圖12進(jìn)行了說明的那樣，也可以在單位像素單元內(nèi)設(shè)置暫時(shí)儲(chǔ)存由光傳感器輸出的電荷的電容器。通過在單位像素單元內(nèi)設(shè)置暫時(shí)儲(chǔ)存由光傳感器100b輸出的電荷的電容器，能夠在與對于光傳感器100b的曝光不同的所期望的時(shí)刻讀出輸出信號。

例如，如圖14所示可以在單位像素單元內(nèi)設(shè)置傳輸晶體管70和電容器72。與參照圖7進(jìn)行了說明的單位像素單元11a同樣地，圖14所示的單位像素單元11b具有包含信號檢測晶體管75的信號檢測電路76，在光傳感器100b中的雜質(zhì)區(qū)域20s與信號檢測晶體管75的柵極之間具有傳輸晶體管70和尋址晶體管30的串聯(lián)連接。電容器72的一端與傳輸晶體管70和尋址晶體管30之間的結(jié)點(diǎn)nd連接。能夠使圖14所示的單位像素單元11b也與圖7所示的單位像素單元11a同樣地工作。

圖15所示的單位像素單元13b具有信號檢測晶體管75a和信號檢測晶體管75b。信號檢測晶體管75b與信號檢測晶體管75a同樣地具有與雜質(zhì)區(qū)域20s的電連接。在該例子中，傳輸晶體管70b和尋址晶體管30b連接在信號檢測晶體管75b的柵極與雜質(zhì)區(qū)域20s之間。與參照圖8進(jìn)行了說明的電路構(gòu)成同樣地，電容器72b與傳輸晶體管70b和尋址晶體管30b之間的結(jié)點(diǎn)連接。

圖16示出具有連接在光傳感器100b中的雜質(zhì)區(qū)域20s與電容器72的一端之間的電流放大電路80的單位像素單元15b的例示性電路構(gòu)成。圖17示出具有連接在光傳感器100b中的雜質(zhì)區(qū)域20s與電容器72的一端之間的反轉(zhuǎn)放大器92的單位像素單元17b的例示性電路構(gòu)成。圖18示出具有連接在光傳感器100b中的雜質(zhì)區(qū)域20s與電容器72的一端之間的反轉(zhuǎn)放大器92的單位像素單元19b的例示性電路構(gòu)成。圖17所示的構(gòu)成是電容器72的兩端分別與反轉(zhuǎn)放大器92的非反轉(zhuǎn)輸入端子和輸出端子連接的例子，圖18所示的構(gòu)成是通過反饋晶體管96使反轉(zhuǎn)放大器92的輸出負(fù)反饋到非反轉(zhuǎn)輸入端子的例子。由圖14～圖18可知，作為第一實(shí)施方式進(jìn)行了說明的各種電路構(gòu)成的應(yīng)用范圍不限于光傳感器100a，也可以代替光傳感器100a而采用例如光傳感器100b。

(第三實(shí)施方式)

圖19示意性地示出本申請的第三實(shí)施方式的光檢測裝置的截面。圖19所示的單位像素單元10c中的光傳感器100c與參照圖13進(jìn)行了說明的第二實(shí)施方式的光傳感器100b之間的不同點(diǎn)在于：光傳感器100c的光電轉(zhuǎn)換部包含配置在光電轉(zhuǎn)換層23p與電極(像素電極21和/或透明電極22)之間的絕緣層。在圖19所例示的構(gòu)成中，在像素電極21與光電轉(zhuǎn)換層23p之間和光電轉(zhuǎn)換層23p與透明電極22之間分別配置有絕緣層29a和29b。

作為構(gòu)成絕緣層29a和29b的材料，例如可以選擇泄漏電流比構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換層23p的材料小的材料。此處，作為絕緣層29a和29b，使用厚度為5.4nm的硅氧化膜。硅氧化膜例如通過cvd來形成。

在圖19所例示的構(gòu)成中，由于在像素電極21與光電轉(zhuǎn)換層23p之間和光電轉(zhuǎn)換層23p與透明電極22之間分別配置有絕緣層29a和29b，因而能夠?qū)θ萘空{(diào)制晶體管60的漏極區(qū)(或源極區(qū))與透明電極22之間施加更大的偏壓。此處，對將作為第一偏壓的3.7v的電壓、作為第二偏壓的1.2v的電壓分別施加到雜質(zhì)區(qū)域20d和透明電極22的例子進(jìn)行說明。即，此處是給雜質(zhì)區(qū)域20d和透明電極22之間賦予約2.5v的電位差。

圖20示出施加了2.5v的電壓時(shí)流到硅氧化膜的泄漏電流的膜厚依賴性。如已經(jīng)進(jìn)行了說明的那樣，從確保光不照射時(shí)的特性的觀點(diǎn)考慮，向容量調(diào)制晶體管60的溝道區(qū)的泄漏電流為1×10^-11a/cm²以下是有益的。如圖20所示，在對硅氧化膜施加2.5v的電壓的情況下，通過使硅氧化膜的厚度為5.4nm以上，能夠?qū)⒐柩趸ぶ械男孤╇娏鹘档椭?×10^-11a/cm²以下。

再次參照圖19。在圖19所例示的構(gòu)成中，對雜質(zhì)區(qū)域20d和透明電極22之間施加的電壓在分別構(gòu)成電容器的絕緣層23x、絕緣層29a和光電轉(zhuǎn)換層23p和絕緣層29b之間被分壓。因此，對絕緣層23x、絕緣層29a和絕緣層29b各自施加的電壓約為0.8v左右。因此，不需要絕緣層29a和29b各自嚴(yán)密地具有5.4nm的厚度。此處，從通過cvd形成的硅氧化膜的特性偏差考慮，采用了5.4nm的值作為絕緣層29a和29b各自的厚度。

這樣，通過在光電轉(zhuǎn)換層23p與電極之間配置絕緣層(此處為絕緣層29a、絕緣層29b)，能夠?qū)θ萘空{(diào)制晶體管60的漏極區(qū)(或源極區(qū))與透明電極22之間施加更大的偏壓。例如，可以在容量調(diào)制晶體管60的漏極區(qū)(或源極區(qū))與透明電極22之間施加使給光電轉(zhuǎn)換層23p的上表面與下表面之間賦予的電位差為上述第一電壓范圍的偏壓。

當(dāng)在對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了第一電壓范圍(參照圖5)的偏壓的狀態(tài)下對光電轉(zhuǎn)換層23p照射光時(shí)，由光電轉(zhuǎn)換生成的正和負(fù)的電荷(例如空穴和電子)中的一者向透明電極22移動(dòng)，另一者向像素電極21移動(dòng)。這樣，在對光電轉(zhuǎn)換層23p施加第一電壓范圍的偏壓的情況下，由光電轉(zhuǎn)換生成的正電荷和負(fù)電荷可被分離，因而從停止照射光到空穴和電子的對再結(jié)合為止的時(shí)間比對光電轉(zhuǎn)換層23p施加第三電壓范圍的偏壓時(shí)更長。因此，不需要使曝光的時(shí)刻和信號讀出的時(shí)刻必須一致。由于使曝光的時(shí)刻與信號讀出的時(shí)刻不同較容易，因而就某一側(cè)面來說對光電轉(zhuǎn)換層23p施加第一電壓范圍的偏壓對在光傳感器的圖像傳感器中應(yīng)用是有利的。

在對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了第一電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下，光電轉(zhuǎn)換層23p與像素電極21之間的絕緣層29a可作為儲(chǔ)存由光電轉(zhuǎn)換生成的正和負(fù)的電荷(例如空穴和電子)中的一者的電容器起作用。伴隨著電荷向該電容器儲(chǔ)存，在連接部54發(fā)生靜電感應(yīng)，容量調(diào)制晶體管60中的有效柵極電壓發(fā)生變化。因此，容量調(diào)制晶體管60的閾值發(fā)生變化。在輸出信號的讀出結(jié)束后，例如對透明電極22施加與第二偏壓相反極性的電壓，由此實(shí)行用于使儲(chǔ)存于作為電容器的絕緣層29a中的電荷復(fù)位的復(fù)位工作。另外，例如也可以通過用機(jī)械快門進(jìn)行遮光來使儲(chǔ)存于作為電容器的絕緣層29a中的電荷與儲(chǔ)存于作為電容器的絕緣層29b中的電荷再結(jié)合。當(dāng)然，也可以在對光電轉(zhuǎn)換層23p施加了上述第三電壓范圍的偏壓的狀態(tài)下進(jìn)行光的檢測工作。在該情況下，不需要儲(chǔ)存于絕緣層29a中的電荷的復(fù)位工作。

這樣，也可以在光電轉(zhuǎn)換層23p與像素電極21之間和光電轉(zhuǎn)換層23p與透明電極22之間配置絕緣層。通過在光電轉(zhuǎn)換層23p與像素電極21之間和光電轉(zhuǎn)換層23p與透明電極22之間配置絕緣層，就算是在使雜質(zhì)區(qū)域20d和透明電極22之間的電位差變大了的情況下，也能夠抑制由光電轉(zhuǎn)換生成的電荷向光電轉(zhuǎn)換層23p的外部移動(dòng)。因此，能夠抑制余像的產(chǎn)生。此外，從抑制電荷向光電轉(zhuǎn)換層23p的外部移動(dòng)的觀點(diǎn)考慮，只要在光電轉(zhuǎn)換層23p與像素電極21之間和光電轉(zhuǎn)換層23p與透明電極22之間中的至少一者配置絕緣層就行。作為絕緣層29a和/或絕緣層29b，也可以使用硅氮化物的膜、氧化鋁的膜等來代替硅氧化膜。

也可以采用光傳感器100c來代替參照圖7～圖12進(jìn)行了說明的電路構(gòu)成中的光傳感器100a。

在上述各實(shí)施方式中，對容量調(diào)制晶體管60和尋址晶體管30等單位像素單元中的晶體管各自為n溝道m(xù)os的例子進(jìn)行了說明。但是，本申請的實(shí)施方式中的晶體管不限于n溝道m(xù)os。單位像素單元中的晶體管可以為n溝道m(xù)os，也可以為p溝道m(xù)os。另外，不需要使它們統(tǒng)一為n溝道m(xù)os或p溝道m(xù)os中的任一者。作為單位像素單元中的晶體管，除了fet以外也可以使用雙極型晶體管。例如，尋址晶體管30也可以為雙極型晶體管。形成在上述光傳感器100a的雜質(zhì)區(qū)域20d與雜質(zhì)區(qū)域20s之間的溝道中的載流子可以為電子，也可以為空穴。

(相機(jī)系統(tǒng))

圖21示意性地示出本申請的第四實(shí)施方式的相機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成例。圖21所示的相機(jī)系統(tǒng)300具有透鏡光學(xué)系統(tǒng)310、上述的光檢測裝置1000、系統(tǒng)控制器330和相機(jī)信號處理部320。

透鏡光學(xué)系統(tǒng)310例如包含自動(dòng)對焦用透鏡、變焦用透鏡和光圈。透鏡光學(xué)系統(tǒng)310將光向光檢測裝置1000的攝像面聚集。當(dāng)光傳感器的光電轉(zhuǎn)換層23p使用在可見光的波長范圍具有吸收的材料來形成時(shí)，可在光檢測裝置1000的攝像面上配置濾色器。光檢測裝置1000可具有縱列信號處理電路(也稱為“行信號儲(chǔ)存電路”)、水平信號讀出電路(也稱為“列掃描電路”)等作為外圍電路。

系統(tǒng)控制器330對相機(jī)系統(tǒng)300整體進(jìn)行控制。系統(tǒng)控制器330例如可通過微型計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

相機(jī)信號處理部320作為對來自光檢測裝置1000的輸出信號進(jìn)行處理的信號處理電路起作用。相機(jī)信號處理部320例如進(jìn)行伽馬校正、顏色插值處理、空間插值處理和自動(dòng)白平衡等處理。相機(jī)信號處理部320例如可通過dsp(數(shù)字信號處理器；digitalsignalprocessor)等來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)控制器330和相機(jī)信號處理部320中的至少一者可以形成在光檢測裝置1000的半導(dǎo)體基板20上。通過將系統(tǒng)控制器330和相機(jī)信號處理部320中的至少一者與光檢測裝置1000作為單一半導(dǎo)體裝置來進(jìn)行制造，能夠?qū)⑾鄼C(jī)系統(tǒng)300小型化。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本申請的光檢測裝置能夠用于光傳感器、圖像傳感器等。通過適當(dāng)?shù)剡x擇光電轉(zhuǎn)換層的材料，還能夠?qū)崿F(xiàn)利用了紅外線的圖像獲得。進(jìn)行利用了紅外線的攝像的光傳感器例如能夠用于安全攝像頭(securitycamera)、搭載于車輛來使用的相機(jī)等。車輛搭載用相機(jī)例如可以被用作為了車輛安全行駛的對控制裝置的輸入?；蛘?，可以用于為了車輛安全行駛的駕駛員支援。

符號說明

10a～10c單位像素單元

11a、13a、13ac、15a、17a、19a單位像素單元

11b、13b、15b、17b、19b單位像素單元

12電壓供給電路

14垂直掃描電路

20半導(dǎo)體基板

20d、20s、30s雜質(zhì)區(qū)域

20t元件分離區(qū)域

21像素電極

22透明電極

22g透明柵極電極

23、33柵極絕緣層

23p光電轉(zhuǎn)換層

24、34柵極電極

23x、29a、29b絕緣層

26紅外線透過濾波器

30、30a、30b尋址晶體管

40多層布線

42電源布線

44、44a、44b尋址信號線

45、45a、45b傳輸控制線

46、46a、46b垂直信號線

47復(fù)位控制線

48柵極電壓控制線

49恒流源

50層間絕緣層

54連接部

60容量調(diào)制晶體管

70、70a、70b傳輸晶體管

72、72a、72b電容器

75、75a、75b信號檢測晶體管

76信號檢測電路

78復(fù)位晶體管

80電流放大電路

92反轉(zhuǎn)放大器

94電源

96反饋晶體管

100a～100c光傳感器

230a光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

230h混合層

230pp型半導(dǎo)體層

230nn型半導(dǎo)體層

234電子阻擋層

236空穴阻擋層

300相機(jī)系統(tǒng)

310透鏡光學(xué)系統(tǒng)

320相機(jī)信號處理部

330系統(tǒng)控制器

1000光檢測裝置