固態成像元件、固態成像元件的校正方法、快門裝置和電子設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種固態成像元件，包括：具有光電轉換部的多個像素；和設置在所述光電轉換部的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化。本發明還公開了該固態成像元件的校正方法、包括納米碳層疊膜的快門裝置和使用該快門裝置的電子設備。
【專利說明】固態成像元件、固態成像元件的校正方法、快門裝置和電子設備
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本發明公開包含于2012年6月14日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP2012-134861和于2013年3月11日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP2013-048221所公開的內容相關的主題，在此將該日本在先申請的全部內容以引用的方式并入本文。
【技術領域】
[0003]本發明技術涉及一種包括納米碳層疊膜的固態成像元件、該固態成像元件的校正方法和使用該固態成像元件的電子設備。此外，本發明技術涉及一種包括納米碳層疊膜的快門裝置和包括該快門裝置的電子設備。
【背景技術】
[0004]由CXD (電荷耦合器件)圖像傳感器和CMOS (互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器為代表的固態成像元件包括由形成在基板的光接收面側上的光電二極管形成的光電轉換部和電荷轉移部。在這樣的固態成像元件中，光電二極管使在傳感器部上入射的光進行光電轉換，產生信號電荷。然后，電荷轉移部轉移所產生的信號電荷，并作為視頻信號輸出信號電荷。這種器件具有用于使在一定的曝光時間內入射的光進行光電轉換并累積信號電荷的結構。
[0005]日本專利申請未審查公開N0.2006-190958(下面稱作專利文獻I)提出了一種作為能夠在可見光區和紅外光區成像的圖像傳感器的器件，其使用通過層疊具有不同折射率的多個介電層形成的介電層疊膜在各波長區接收光。如專利文獻I中記載的，當利用介電層疊膜進行波長選擇時，由于介電層疊膜的特性的原因，可以被接收的紅外光波長區是固定的。因此，可以透過介電層疊膜的光的波長不能自由地調制。此外，由于介電層疊膜的膜厚度的變化，很難控制波長的變化，并且針對相對于入射面傾斜入射的光而言，存在大的波長誤差。
[0006]此外，如在日本專利申請未審查公開N0.2008-124941中記載的，在過去，銦錫氧化物(ITO)主要用作普通的透明電極用的材料。此外，日本專利申請未審查公開N0.Hei6-165003和日本專利申請未審查公開N0.2005-102162提出了如下的技術:在諸如成像裝置等電子設備中使用的快門裝置中使用諸如電致變色層等光控制元件，并且通過向電致變色層施加所需的電壓來改變透過率。此外，在這種情況下，ITO用作透明電極以向電致變色層施加所需的電壓。
[0007]然而，目前的用作透明電極的ITO具有低的透過率。因此，當ITO設于圖像傳感器的光入射面側上時，每個ITO膜引起透過率減小約10%。因此，在圖像傳感器的光入射面側上使用由ITO形成的透明電極降低了靈敏度。此外，由于大的ITO膜厚度，ITO的光學特性變化。
【發明內容】
[0008]鑒于以上各點，本發明公開提供了一種固態成像元件，其可以在從近紅外光區到可見光區的范圍內進行成像，并且允許調節接收到的光量，還提供了所述固態成像元件的校正方法和使用所述固態成像元件的電子設備。本發明公開還提供了一種光透過特性改善的快門裝置和使用所述快門裝置的電子設備。
[0009]根據本發明公開的實施方案的固態成像元件包括:具有光電轉換部的多個像素；和設置在所述光電轉換部的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化。
[0010]在根據本發明公開的實施方案的固態成像元件中，通過向所述納米碳層疊膜施加所需的電壓改變所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區。這樣可以在從近紅外光區到可見光區的范圍內進行成像并允許調節在所述光電轉換部上入射的光量。
[0011]根據本發明公開的實施方案的固態成像元件的校正方法是一種在上述固態成像元件中針對各像素在對應于所述納米碳層疊膜的各像素的位置調節透過率的方法。
[0012]在根據本發明公開的實施方案的固態成像元件的校正方法中，可以針對各像素調節所述納米碳層疊膜的透過率。因此，可以調節在各像素上入射的光量。
[0013]根據本發明公開的實施方案的快門裝置包括:由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化；和向所述納米碳層疊膜施加電壓的電壓施加部。
[0014]在根據本發明公開的實施方案的快門裝置中，所述納米碳層疊膜由多個納米碳層形成。因此，可以改善光透過特性。
[0015]根據本發明公開的實施方案的電子設備包括:根據上述本發明公開的實施方案的固態成像元件；和用于處理從所述固態成像元件輸出的輸出信號的信號處理電路。所述納米碳層疊膜由多個納米碳層形成。
[0016]在根據本發明公開的實施方案的電子設備中，通過向形成固態成像元件的納米碳層疊膜施加所需的電壓改變所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區。這樣可以在從近紅外光區到可見光區的范圍內進行成像并允許調節在所述固態成像元件的光電轉換部上入射的光量。
[0017]根據本發明公開的實施方案的電子設備包括:固態成像元件，包括光電轉換部；設置在所述固態成像元件的光接收面側的快門裝置；和用于處理從所述固態成像元件輸出的輸出信號的信號處理電路。所述快門裝置是根據上述本發明公開的實施方案的快門裝置。
[0018]在根據本發明公開的實施方案的電子設備中，所述快門裝置包括納米碳層疊膜，并且通過向所述納米碳層疊膜施加電壓可以調節接收的光量。
[0019]根據本發明公開，可以獲得能夠在從近紅外光區到可見光區的范圍內進行成像并允許調節接收的光量的固態成像元件、固態成像元件的校正方法和使用固態成像元件的電子設備。此外，根據本發明公開，可以獲得光透過特性改善的快門裝置和使用所述快門裝置的電子設備。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1A~ID是示意性示出在石墨烯的能帶結構中針對費米能級(Fermi level)的變化而言禁帶變化的圖；
[0021]圖2是示出在膜狀的石墨烯單層被夾持在一對電極之間并且施加到石墨烯層上的電壓變化的情況下，在紅外光區中的透過率變化的圖；
[0022]
塊圖；
[0023]
視圖;
[0024]
的圖;
[0025]
[0026]
圖3是示出根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件的整體的示意性方圖4是根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件的四個像素的示意性剖圖5是示出根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件的光接收面的布局
圖6是示出相對于曝光時間的IR像素的輸出信號強度的圖；
圖7是示意性示出在根據本發明公開 的第一實施方案的固態成像元件的IR像素中的信號強度的圖；
[0027]圖8A是示意性示出在根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件的綠色像素中校正前的信號強度的圖，圖8B是示意性示出在根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件的綠色像素中校正后的信號強度的圖；
[0028]圖9是根據第一變形例的固態成像元件的四個像素的示意性剖視圖；
[0029]圖10是根據第二變形例的納米碳層疊膜的示意性剖視圖；
[0030]圖11是用于說明當根據第二變形例的納米碳層疊膜的介電層的材料變化時，穿過納米碳層的光的信號強度變化的示意圖；
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
一圖);
[0037]
二圖);
[0038]
[0039]
圖20B
圖12是示出在納米碳層疊膜中可透過的光的波長和透過率之間關系的圖圖13是示出在納米碳層疊膜中可透過的光的波長和透過率之間關系的圖圖14是示出在納米碳層疊膜中可透過的光的波長和透過比之間關系的圖圖15是根據第三變形例的納米碳層疊膜的示意性剖視圖；
圖16是根據第四變形例的納米碳層疊膜的示意性剖視圖；
圖17A~17C是制造根據第二至第四變形例的納米碳層疊膜的方法的工序圖(第
圖18A~18C是制造根據第二至第四變形例的納米碳層疊膜的方法的工序圖(第
圖19是根據本發明公開的第二實施方案的固態成像元件的剖視構成圖；
圖20A是示出當濾光片層是紅色濾光片時固態成像元件的光接收面的布局的圖， 是示出當濾光片層是綠色濾光片時固態成像元件的光接收面的布局的圖，圖20C是示出當濾光片層是白色濾光片時固態成像元件的光接收面的布局的圖；
[0040]圖21是根據本發明公開的第三實施方案的固態成像元件的四個像素的示意性剖視圖；
[0041]圖22是根據本發明公開的第四實施方案的成像裝置的示意性構成圖；
[0042]圖23是放大地示出在根據本發明公開的第四實施方案的成像裝置中使用的固態成像元件的剖視構成圖；
[0043]圖24A是在根據本發明公開的第四實施方案的快門裝置中當第一電極和第二電 極彼此疊置時第一電極和第二電極的平面構成圖，圖24B是示出在根據本發明公開的第四 實施方案的快門裝置中第一電極和第二電極分別作為上部和下部的平面構成圖；
[0044]圖25A是示出在快門裝置被進行電壓的脈沖施加的情況下電壓大小和光的透過 率與一幀期間的關系的圖，圖25B是示出在快門裝置被進行電壓的脈沖施加的情況下像素 累積電荷量與一幀期間的關系的圖(第一圖)；
[0045]圖26A是示出在快門裝置被進行電壓的脈沖施加的情況下電壓大小和光的透過 率與一幀期間的關系的圖，圖26B是示出在快門裝置被進行電壓的脈沖施加的情況下像素 累積電荷量與一幀期間的關系的圖(第二圖)；
[0046]圖27是根據本發明公開的第五實施方案的成像裝置的剖視構成圖；
[0047]圖28是根據本發明公開的第六實施方案的成像裝置的剖視構成圖；
[0048]圖29A是示出當在成像檢查時改變施加電壓的情況下由石墨烯層疊膜造成的光 的透過率變化的圖，圖29B是示出當在能夠針對各像素調整施加電壓的器件中施加電壓V2 的情況下在各像素位置的光的透過率的圖；
[0049]圖30是根據本發明公開的第七實施方案的電子設備的示意性方塊圖；和
[0050]圖31是根據本發明公開的第八實施方案的電子設備的示意性方塊圖。
【具體實施方式】
[0051]下面參照圖1A?31說明根據本發明公開的實施方案的固態成像元件、固態成像 元件的校正方法、快門裝置和電子設備的例子。按以下順序說明本發明公開的實施方案。順 便說一下，本發明公開并不限于下面的例子。
[0052]1.第一實施方案:在光接收部上具有由納米碳層疊膜形成的濾光片的固態成像 元件的例子
[0053]2.第二實施方案:具有在可見光像素上部形成的納米碳層疊膜的固態成像元件 的例子
[0054]3.第三實施方案:具有在整個表面上形成的納米碳層疊膜的固態成像元件的例 子
[0055]4.第四實施方案:包括具有納米碳層疊膜的快門裝置和圖像傳感器的成像裝置
[0056]5.第五實施方案:包括具有納米碳層疊膜的快門裝置和圖像傳感器的成像裝置
[0057]6.第六實施方案:包括具有納米碳層疊膜的快門裝置和圖像傳感器的成像裝置
[0058]7.第七實施方案:包括具有納米碳層疊膜的固態成像元件的電子設備
[0059]8.第八實施方案:包括具有納米碳層疊膜的成像裝置的電子設備
[0060]在說明本發明技術的實施方案之前，將說明形成適用于本發明技術的納米碳層疊 膜的納米碳層的特性。下面，通過用石墨烯作為形成納米碳層的納米碳材料的例子進行說 明。
[0061]在過去，已經知道石墨烯是一種作為原子單層的極薄的薄膜狀材料，并且適用于 包括電子紙、觸摸面板等在內的應用。具有這種特性的石墨烯應用于電子設備是有利的，因 為石墨烯具有97.7%的高透過率、100 Q的低電阻值和0.3nm的小膜厚度。[0062]本發明技術的提出者等已經提出利用這些特性中的石墨烯的高透過率和高導電 性來使用石墨烯作為透明導電膜的技術。
[0063]作為石墨烯的另一個特性，石墨烯具有通過施加電壓而使透過率變化的特征。圖1A?ID是示意性示出在石墨烯的能帶結構中針對費米能級Ef的變化而言禁帶變化的圖。
[0064]如圖1A所示，與普通的半導體不同，石墨烯是一種相對于作為對稱點的狄拉克點 (Dirac point) I彼此具有線性分散關系的零帶隙半導體。通常，費米能級Ef存在于狄拉克 點I處，但是通過施加電壓或摻雜處理可以遷移。例如，如圖1B所示，當通過施加電壓或摻 雜處理移動費米能級Ef時，例如，如箭頭Ea所示，可能出現大于2| AEf|的能量的光學遷 移。另一方面，如箭頭Eb所示，可以禁止等于或小于2| AEfI的能量的光學遷移。因此，通 過遷移費米能級Ef可以改變石墨烯對于特定頻率的光的透過率。
[0065]如圖1C所示，當石墨烯用n型雜質摻雜時，費米能級Ef可以從狄拉克點I遷移到 導帶。此外，如圖1D所示，當石墨烯用p型雜質摻雜時，費米能級Ef可以從狄拉克點I遷 移到價帶。
[0066]此外，Chen等人報道稱當向石墨烯施加電壓時石墨烯在紅外光區的透過率變化 (Nature471,617-620(2011))。圖2示出了基于該報告作出的實驗結果。圖2示出在膜狀 的石墨烯單層被夾持在一對電極之間并且施加的電壓變化的情況下，在紅外光區中的透過 率變化。在圖2中，橫軸表示波長(nm)，縱軸表示透過率(%)。
[0067]如圖2所示，假設施加的電壓在0.25eV到4eV的范圍內變化，并且圖形的縱軸表 示在底部透過率為100%,表示在頂部透過率為97.6%(—層石墨烯吸收的量)。S卩，縱軸上 的位置越高，在圖形中的透過率越低。根據該圖形，表明在測量的整個波長區中，隨著施加 的電壓在增大的方向變化，在圖形的橫軸上的長波長區域的透過率比短波長區域越接近 100%。此外，表明施加的電壓越高，透過率越接近100%的區域擴展到短波長側越多，因此， 通過施加的電壓，透過率能夠被調節的光的波長區可以擴展到短波長側。在原子單層中得 到該結果。然而，根據施加的電壓的大小，透過率因而可以在從近紅外光區到紅外光區到太 赫區的波長區變化。
[0068]此外，這些特性不僅對于石墨烯而且對于諸如碳納米管等其他納米碳材料也是共 同的。在本發明技術中，應注意到納米碳材料的特性，并且提出了使用具有納米碳層的納米 碳層疊膜作為光控制膜的器件。
[0069]<第一實施方案:固態成像元件的例子>
[0070]圖3是示出根據本發明公開的第一實施方案的固態成像元件11的整體的示意性 方塊圖。根據本實施方案的例子的固態成像元件11包括由在由硅制成的基板21上排列的 多個像素12形成的像素部13、垂直驅動電路14、列信號處理電路15、水平驅動電路16、輸 出電路17、控制電路18等。
[0071]像素12包括由光電二極管形成的光電轉換部、電荷累積電容部和多個MOS晶體 管，多個像素12在基板21上以二維陣列的形式規則地排列。形成像素12的MOS晶體管可 以是4個MOS晶體管，S卩，傳輸晶體管、復位晶體管、選擇晶體管和放大晶體管，或者可以是 不包括選擇晶體管的3個MOS晶體管。
[0072]像素部13由以二維陣列的形式規則地排列的多個像素12形成。像素部13包括實 際接收光、放大通過光電轉換產生的信號電荷并且輸出信號電荷到列信號處理電路15的有效像素區以及用于輸出作為黑電平基準的光學黑的黑基準像素區(圖未示)。黑基準像 素區通常在有效像素區的外周部上形成。
[0073]控制電路18基于垂直同步信號、水平同步信號和主時鐘產生作為垂直驅動電路 14、列信號處理電路15、水平驅動電路16等的操作的基準的時鐘信號以及控制信號。然后， 由控制電路18產生的時鐘信號、控制信號等輸入到垂直驅動電路14、列信號處理電路15、 水平驅動電路16等。
[0074]垂直驅動電路14例如由移位寄存器形成。垂直驅動電路14按行單位在垂直方向 上順次選擇并掃描像素部13的各像素12。然后，基于根據各像素12的光電二極管中接收 的光量生成的信號電荷的像素信號經由垂直信號線19供應到列信號處理電路15。
[0075]列信號處理電路15例如針對每列像素12而配置。列信號處理電路15基于來自 黑基準像素區(圖未示，但在有效像素區的周圍形成)的信號對從一行的像素12輸出的信 號每個像素列地進行信號處理，如噪聲去除、信號放大等。在列信號處理電路15的輸出段 和水平信號線20之間設有水平選擇開關(圖未示)。
[0076]水平驅動電路16例如由移位寄存器形成。水平驅動電路16順次輸出水平掃描脈 沖，由此依序選擇列信號處理電路15中的每一個，以便使從每個列信號處理電路15輸出的 像素信號到水平信號線20。
[0077]輸出電路17對經由水平信號線20從每個列信號處理電路15順次供應到輸出電 路17的信號進行信號處理，并輸出信號。
[0078]下面說明在根據本實施方案的例子的固態成像元件11中的像素部13的截面構 成。圖4是根據本實施方案的例子的固態成像元件11的四個像素的示意性剖視圖。圖5 是示出根據本實施方案的例子的固態成像元件11的光接收面的布局的圖。
[0079]如圖4所示，根據本實施方案的例子的固態成像元件11包括基板30、層間絕緣膜 31、保護膜32、平坦化膜33、濾光片層34、納米碳層疊膜35、聚光透鏡36、第一透明膜37和 第二透明膜38。
[0080]基板30由硅制成的半導體形成。由光電二極管形成的光電轉換部ro在基板30 的光入射側的所需區域中形成。在光電轉換部ro中，對入射光進行光電轉換，從而生成并 累積號電荷。
[0081]層間絕緣膜31由SiO2膜形成，并且在包括光電轉換部ro的基板30上部形成。形 成諸如表面平坦化用的保護膜32和平坦化膜33等其他所需的膜。
[0082]濾光片層34在平坦化膜33上部形成，并且形成在后述的IR(infrared)像素(紅 外線像素)之外的區域中。在本實施方案的例子中，針對每個像素形成R(紅色)、G(綠色) 和B (藍色)用的各濾光片層34，沒有濾光片層34的IR像素39IR在濾光片層34的同層中 設有透過全波長區中的光的第一透明膜37。第一透明膜37是用于消除由于未形成濾光片 層34而產生的元件表面水平的差異的膜，并且根據需要設置。
[0083]納米碳層疊膜35設在第一透明膜37上部。即，在本實施方案中，納米碳層疊膜35 設在沒有濾光片層34的像素中。納米碳層疊膜35包括在光的入射方向上層疊的多個納米 碳層。在本實施方案中，石墨烯用作形成納米碳層疊膜35的納米碳層。此外，電壓電源V 經由配線連接到納米碳層疊膜35。
[0084]當未向石墨烯施加電壓時，石墨烯每層吸收2.3%的光。因此，例如，當通過層疊40層石墨烯形成納米碳層疊膜35時，2.3X40 (=92)%的光被吸收。因此，當未向納米碳層疊膜 35施加電壓時，納米碳層疊膜35的透過率為8%。另一方面，如結合圖1A?2說明的，當向 石墨烯施加預定電壓(例如5V)時，在近紅外光區的光的透過率可以為基本上100%。
[0085]因此，當通過層疊40層石墨烯形成納米碳層疊膜35時，通過改變電壓從OV(OFF) 到5V(ON)，透過率可以從8%變到100%。此外，如圖2所示，可以調整石墨烯的透過率的光 的波長區根據施加的電壓大小變化。因此，通過調節石墨烯的層疊數量和改變向納米碳層 疊膜35施加的電壓大小，可透過的光的波長區可以從近紅外光區變到太赫區。
[0086]如上所述，本實施方案通過改變從電壓電源V向納米碳層疊膜35施加的施加電壓 的大小，可以改變光的透過率并且將可透過的光的波長區從近紅外光區變到太赫區。
[0087]此外，在本實施方案中，沒有納米碳層疊膜35的像素在納米碳層疊膜35的同層中 設有透過全波長區中的光的第二透明膜38。第二透明膜38是用于消除由于未形成納米碳 層疊膜35而產生的元件表面水平的差異的膜，并且根據需要設置。
[0088]納米碳層疊膜35的一層由約0.3nm的石墨烯形成，使得納米碳層疊膜35的層厚 度可以是納米級的。因此，當納米碳層疊膜35足夠薄時，沒有必要形成第二透明膜38。
[0089]在本實施方案中，具有R(紅色)的濾光片層的像素被稱作紅色像素39R，具有 G(綠色)的濾光片層的像素被稱作綠色像素39G，具有B(藍色)的濾光片層的像素被稱 作藍色像素39B。此外，未設置濾光片層34而設有納米碳層疊膜35的像素被稱作IR像素 39IR。IR像素39IR可以獲得基于從近紅外光區到太赫區的光的信號。
[0090]聚光透鏡36形成在納米碳層疊膜35和濾光片層34上部，并且針對每個像素具有 凸狀的表面。入射光由聚光透鏡36會聚，并且有效率地入射到每個像素的光電轉換部ro 上。
[0091]在根據本實施方案的固態成像元件11中，如圖5所示，橫2行和縱2行彼此相鄰 配置的四個像素，即，紅色像素39R、藍色像素39B、綠色像素39G和IR像素39IR,形成一個 單位像素。紅色像素39R獲得根據紅色的波長區中的光的信號。綠色像素39G獲得根據綠 色的波長區中的光的信號。藍色像素39B獲得根據藍色的波長區中的光的信號。IR像素 39IR獲得根據近紅外光區中的光的信號。
[0092]在根據本實施方案的固態成像元件11中，通過在IR像素39IR中的光接收側設置 納米碳層疊膜35擴展了 IR像素39IR中的動態范圍。此外，在根據本實施方案的固態成像 元件11中，通過設置IR像素39IR，可以賦予除去來自紅色像素39R、綠色像素39G和藍色 像素39B的暗電流引起的噪聲信號的功能(噪聲消除功能)。
[0093]下面說明在根據本實施方案的固態成像元件11中的動態范圍的擴展和噪聲消除 功能。
[0094][動態范圍的擴展]
[0095]動態范圍表示為作為最大信號量的飽和信號量與噪聲之比。動態范圍變得越大， 可以越可靠地獲得在亮場景的信號和在暗場景的信號。在根據本實施方案的固態成像元件 11中，通過在IR像素39IR中改變向納米碳層疊膜35施加的電壓大小和形成納米碳層疊膜 35的石墨烯的層疊數量，可以改變穿過納米碳層疊膜35的光的透過率。由此，可以擴展動 態范圍。
[0096]如上所述，當未向納米碳層疊膜35施加電壓時，納米碳層疊膜35吸收的光量是作為每層石墨烯的光吸收率的2.3%乘以在納米碳層疊膜35內層疊的石墨烯層總數n的積。 因此，通過納米碳層疊膜35中的石墨烯的層疊數量可以調節當未向納米碳層疊膜35施加 電壓時的透過率。
[0097]圖6是示出相對于曝光時間IR像素的輸出信號強度的圖。圖6示出當使用具有 不同數量的石墨烯疊層的納米碳層疊膜35時的輸出信號。形成納米碳層疊膜35的石墨烯 的層疊數量按圖6中示出的照射曲線a、b和c的順序增多。圖6示出當未向納米碳層疊膜 35施加電壓時的特性。
[0098]如圖6所示，納米碳層疊膜35中包含的石墨烯的層疊數量越大，透過率越低，因此 按照照射曲線a、b和c的順序，到達飽和電荷量所需的時間越長。因此，通過調節形成納米 碳層疊膜35的石墨烯的層疊數量，可以調節在未施加電壓時的動態范圍。
[0099]另一方面，通過向納米碳層疊膜35施加預定電壓，納米碳層疊膜35的透過率可以 為基本上100%。因此，根據是否向納米碳層疊膜35施加電壓，可以調節在亮時和暗時的納 米碳層疊膜35的透過率。
[0100]例如，對使用被構造成在未施加電壓時納米碳層疊膜35的透過率為20%和被構造 成在施加電壓時納米碳層疊膜35的透過率為98%的IR像素39IR進行成像的情況進行說 明。當在非常亮的場景中進行拍攝時，在通常的像素中在短時間內使信號輸出飽和。因此， 在亮場景中成像時，未向納米碳層疊膜35施加電壓，并且使用通過在低光透光率的像素中 成像而獲得的信號。
[0101]另一方面，在例如夜間或室內的暗場景中成像獲得微量的信號輸出。因此，在暗場 景中成像時，向納米碳層疊膜35施加預定電壓，由此，透過率升高到98%，以進行成像。這樣 即使在暗場景中也提高了靈敏度并且提供了足夠的信號量。
[0102]通常的ND(中性密度)濾光片在圖中具有固定的斜率，并且不允許動態范圍的擴 展率變化(在圖形中的斜率對應于圖6的a、b和c中的一個)。另一方面，本實施方案通 過調節形成納米碳層疊膜35的石墨烯的層疊數量允許動態范圍的擴展率變化(通過改變 層疊數量，可以是圖6的a、b和c中的任一個)。
[0103][噪聲消除功能]
[0104]下面將詳細說明用于校正暗電流不均勻性的噪聲消除功能。暗電流是即使當光被 完全遮斷時由輸出電流和熱量所產生的電荷引起的噪聲。當噪聲消除功能被賦予固態成 像元件11時，在未施加電壓時的光透過率為基本上0%而在施加電壓時光透過率為基本上 100%的納米碳層疊膜被用作納米碳層疊膜35。在這種情況下，當未向納米碳層疊膜35施 加電壓時，IR像素39IR不會透過光，因此從IR像素39IR得到的信號分量僅是源于暗電流 的噪聲分量A E。當從紅色像素39R、藍色像素39B和綠色像素39G的各自信號分量減去暗 電流引起的噪聲時，可以在各自像素中除去源于暗電流的噪聲信號。
[0105]例如，下面說明從在根據本實施方案的固態成像元件11中綠色像素39G的信號分 量除去暗電流引起的噪聲的例子。圖7是示意性示出在根據本實施方案的固態成像元件11 的IR像素39IR中的信號強度的圖。圖8A是示意性示出在根據本實施方案的例子的固態 成像元件11的綠色像素39G中校正前的信號強度的圖。圖SB是示意性示出在根據本實施 方案的例子的固態成像元件11的綠色像素39G中校正后的信號強度的圖。
[0106]在圖7中，圖形上的“OFF”符號表不當未向納米碳層疊膜35施加電壓時的信號電平，圖形上的“0N”符號表示當向納米碳層疊膜35施加電壓時的信號電平。當向納米碳層 疊膜35施加電壓時，S卩，在“0N”時，納米碳層疊膜35的透過率為基本上100%。因此，如圖 7所示，當電壓為ON時，IR像素39IR獲得在等于和高于紅外光區的區域中的信號分量SI。 當未向納米碳層疊膜35施加電壓時，即，在“OFF”時，納米碳層疊膜35的透過率為基本上 0%。因此，當電壓為OFF時，IR像素39IR僅獲得源于暗電流的噪聲分量AE。
[0107]另一方面，如圖8A所示，綠色像素39G通過G (綠色)濾光片獲得在綠色區域中的 信號分量S2。綠色像素39G也透過在紅外光區中的光。因此，紅外光區中的信號分量SI和 源于暗電流的噪聲分量A E被加到從綠色像素39G讀出的信號分量上。S卩，從綠色像素39G 讀出的信號分量SG為(在綠色區域中的信號分量S2) + (在等于和高于紅外光區的區域中 的信號分量SI) +(源于暗電流的噪聲分量AE)。
[0108]因此，通過從綠色像素39G的總信號分量SG減去施加電壓為ON時的IR像素39IR 的信號分量SI和施加電壓為OFF時的IR像素39IR的噪聲分量AE可以獲得在綠色區域 中的信號分量S2。由此，可以自從綠色像素39G讀出的信號分量SG除去紅外光分量和噪聲 分量A E。順便說一下，作為轉換成電荷的信號量，從各像素讀出各信號分量，因此上述應用 于信號分量的減法作為應用于從各像素讀出的信號量的減法進行。這同樣適用于下面的內 容。
[0109]上面針對綠色像素39G進行了說明。然而，可以類似地除去紅色像素39R和藍色 像素39B的紅外光分量和噪聲分量AE。因此，在本實施方案中，可以使用在IR像素39IR 中獲得的信號分量從可見光像素除去紅外光分量和噪聲分量A E，從而不需要在可見光像 素上部設置IR截止濾光片。因此元件可以小型化。
[0110]此外，當在IR像素上部未設置IR截止濾光片而僅在可見光像素上部設置IR截止 濾光片時，需要對IR截止濾光片進行圖案化，工序數量增加。與此相比，本實施方案不需要 IR截止濾光片，因此可以減少工序數量增加。
[0111]上面以可見光像素上部未設置IR截止濾光片的情況作為例子進行了說明。然而， 即使當在可見光像素上部設置IR截止濾光片時，通過使用在IR像素中獲得的信號分量也 可以除去噪聲。下面將說明作為第一變形例的在可見光像素上部設置IR截止濾光片的例 子。
[0112][第一變形例]
[0113]圖9是根據第一變形例的固態成像元件41的四個像素的示意性剖視圖。
[0114]在圖9中，與圖4對應的部分用相同的附圖標記表不,并且省略了對它們的重復說 明。如圖9所示，根據變形例的固態成像元件41具有在IR像素39IR以外的紅色像素39R、 綠色像素39G和藍色像素39B上的IR截止濾光片42。
[0115]固態成像元件41在設有IR截止濾光片42的紅色像素39R、綠色像素39G和藍色 像素39B中截止紅外光區的波長的光。因此，在可見光像素中獲得的信號分量是源于在可 見光區的光的信號分量，還包含源于暗電流的噪聲分量AE。
[0116]因此，固態成像元件41還使用IR像素39IR的信號分量校正暗電流不均勻性。此 外，下面說明從固態成像元件41的綠色像素39G的信號分量除去源于暗電流的噪聲分量 A E的例子。在這種情況下，在未施加電壓時光透過率為(基本上0%) 0?20%和在施加電 壓時光透過率為(基本上100%) 80?100%的納米碳層疊膜用作納米碳層疊膜35。[0117]根據第一變形例的固態成像元件41的綠色像素39G在光入射面側上具有IR截止 濾光片42。因此，從綠色像素39G讀出的信號分量SG’包括在綠色區域中的信號分量S2和 源于暗電流的噪聲分量AE。
[0118]另一方面，當未向納米碳層疊膜35施加電壓時，IR像素39IR不會透過光，因此從 IR像素39IR獲得的信號僅是源于暗電流的噪聲分量AE。
[0119]因此，通過從設有IR截止濾光片42的綠色像素39G的總信號分量SG’減去IR像 素39IR的施加電壓為OFF時的噪聲信號分量AE可以獲得在綠色區域中的信號分量S2。
[0120]順便說一下，在圖4和圖9的例子中，納米碳層疊膜35設在濾光片層34和聚光透 鏡36之間，但不限于此。只要納米碳層疊膜35存在于光電轉換部和聚光透鏡36之間 即可。例如，納米碳層疊膜35可以設置在濾光片層34和基板30之間。
[0121]采用具有通過層疊多個石墨烯層獲得的結構的納米碳層疊膜35作為例子說明了 根據上述第一實施方案的固態成像元件11和在第一變形例中說明的固態成像元件41。然 而，納米碳層疊膜的構成不限于此。下面作為第二至第四變形例說明納米碳層疊膜的其他 例子。
[0122][第二變形例]
[0123]納米碳層疊膜根據納米碳層疊膜的構成和材料可以改變納米碳層疊膜能夠透過 的光的波長區(可以調整透過率的區域)和光的透過率。圖10是根據第二變形例的納米 碳層疊膜的示意性剖視圖。如圖10所示，納米碳層疊膜45包括第一電極46、介電層47和 第二電極48。
[0124]第一電極46和第二電極48均由一個納米碳層或多個納米碳層形成。此外，在第 二變形例中，石墨烯例如用作形成第一電極46和第二電極48的納米碳層。電壓電源V經 由配線連接到第一電極46和第二電極48。
[0125]介電層47設在第一電極46和第二電極48之間。第二變形例中使用的介電 層47的材料包括例如介電常數材料，如氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氟化鈣(CaF2)、 InGaZnOx(IGZO)、高密度聚乙烯(HDPE)等。
[0126]介電層47也可以由具有相對較高介電常數的高介電常數材料形成。例如，用于形 成介電層47的高介電常數材料包括氧化鉿(HfO2)、鈦酸鍶(SrTiO3:ST0)、氧化鋯(ZrO2)、鈦 酸鋯酸鑭鉛((Pb，La) (Zr，Tr)O3 =PLZT)等。
[0127]圖11是用于說明當根據第二變形例的納米碳層疊膜45的介電層47的材料變化 時，穿過各納米碳層疊膜45的光的信號強度變化的輔助圖。下面說明在施加電壓為ON時 透過率為100%和在施加電壓為OFF時透過率為0%的構成，并且說明通過納米碳層疊膜的 構成和材料來調整可透過的光的波長區。
[0128]如圖11所示，在使用僅有石墨烯的納米碳層疊膜35 (參見圖4)的情況下，在施加 電壓為ON時，如箭頭d所示，可以透過等于或高于紅外光區(IR)的區域中的光。另一方面， 在使用具有通過在第一電極46和第二電極48之間夾持介電層47而形成的構成的納米碳 層疊膜45的情況下，在施加電壓為ON時，可透過的光的波長區可以擴展到可見光區。
[0129]例如，在納米碳層疊膜45中的介電層47由正常介電常數材料形成的情況下，在施 加電壓為ON時，可透過的光的波長區可以擴展到箭頭e所示的紅色區域(R)的范圍。此外， 在納米碳層疊膜45中的介電層47由高介電常數材料形成的情況下，在施加電壓為ON時，可透過的光的波長區可以擴展到箭頭f或g所示的綠色區域(G)或藍色區域(B)的范圍。 這是由于介電層47的材料之間的相對介電常數的差異。即，介電層47的相對介電常數越高，可透過的光的波長區可以擴展的越多。
[0130]下表1示出納米碳層疊膜45中使用的介電層47的材料、相對介電常數e、耐受電壓(MV/cm)和電荷密度(mC/cm2)之間的關系。
[0131][表1]
[0132]
【權利要求】
1.一種固態成像元件，包括: 具有光電轉換部的多個像素；和 設置在所述光電轉換部的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化。
2.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中所述納米碳層疊膜設置在對應于預定像素的位置。
3.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中所述納米碳層疊膜設置在對應于紅外線像素的位置，以獲得近紅外線信號分量，和 從可見光像素中的信號量減去所述紅外線像素中的信號量，以獲得可見光信號分量，由此校正所述可見光像素的信號量。
4.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中所述納米碳層是石墨烯。
5.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中所述納米碳層疊膜包括由一個`納米碳層或多個納米碳層形成的第一電極、由一個納米碳層或多個納米碳層形成的第二電極以及夾持在第一電極和第二電極之間的介電層。
6.如權利要求5所述的固態成像元件， 其中所述介電層由高介電常數材料形成。
7.如權利要求5所述的固態成像元件， 其中形成第一電極的所述一個納米碳層或所述多個納米碳層用第一導電型的雜質摻雜，和 形成第二電極的所述一個納米碳層或所述多個納米碳層用第二導電型的雜質摻雜。
8.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中配置在彼此鄰近區域中的一個藍色像素、一個綠色像素和兩個紅色像素形成單位像素，和 所述納米碳層疊膜設置在對應于所述單位像素中的所述兩個紅色像素中的一個的位置。
9.如權利要求8所述的固態成像元件， 其中使用在設有所述納米碳層疊膜的紅色像素中獲得的信號分量進行色調校正。
10.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中配置在彼此鄰近區域中的一個藍色像素、兩個綠色像素和一個紅色像素形成單位像素，和 所述納米碳層疊膜設置在對應于所述單位像素中的所述兩個綠色像素中的一個的位置。
11.如權利要求1所述的固態成像元件， 其中配置在彼此鄰近區域中的藍色像素、綠色像素、紅色像素和白色像素這四個像素形成單位像素，和 所述納米碳層疊膜設置在對應于所述單位像素中的所述白色像素的位置。
12.一種固態成像元件的校正方法，所述固態成像元件包括具有光電轉換部的多個像素和設置在所述光電轉換部的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化，所述校正方法包括: 針對各像素在對應于所述納米碳層疊膜的各像素的位置調節透過率。
13.—種電子設備,包括: 固態成像元件，包括具有光電轉換部的多個像素，和設置在所述光電轉換部的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化；和 用于處理從所述固態成像元件輸出的輸出信號的信號處理電路。
14.一種快門裝置，包括: 由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化；和 向所述納米碳層疊膜施加電壓的電壓施加部。
15.如權利要求14所述的快門裝置， 其中所述納米碳層由石墨烯形成，并且所述納米碳層疊膜包括由一層石墨烯或多層石墨烯形成的第一電極、由一層石墨烯或多層石墨烯形成的第二電極以及夾持在第一電極和第二電極之間的介電層。
16.如權利要求15所`述的快門裝置， 其中所述介電層由高介電常數材料形成。
17.如權利要求15所述的快門裝置， 其中形成第一電極的所述一層石墨烯或所述多層石墨烯用第一導電型的雜質摻雜，和 形成第二電極的所述一層石墨烯或所述多層石墨烯用第二導電型的雜質摻雜。
18.如權利要求14所述的快門裝置， 其中所述電壓施加部向所述納米碳層疊膜的預定區域選擇性地施加電壓。
19.一種電子設備,包括: 固態成像元件，包括光電轉換部； 快門裝置，包括設置在所述固態成像元件的光接收面側并由多個納米碳層形成的納米碳層疊膜，根據向所述納米碳層疊膜施加的電壓，在所述納米碳層疊膜中光的透過率和可透過的光的波長區變化；和向所述納米碳層疊膜施加電壓的電壓施加部；和 用于處理從所述固態成像元件輸出的輸出信號的信號處理電路。
20.如權利要求19所述的電子設備， 其中所述電壓施加部被構造成能夠向所述納米碳層疊膜的預定區域選擇性地施加電壓，和 針對所述固態成像元件的各像素調節所述快門裝置的透過率。
【文檔編號】H01L27/146GK103515403SQ201310218440
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月4日 優先權日:2012年6月14日
【發明者】出羽恭子, 角野宏治, 原田耕一, 小林俊之 申請人:索尼公司