[发明专利]像素电路和摄像装置

说明书

本发明消除了图像传感器中的浮动扩散层(FD)的暗电流，且提高了将电荷转换成电压的转换效率。本发明提供了一种像素电路，其包括光电转换部、控制晶体管和电荷累积部。所述光电转换部将沿着光轴入射的光转换成电荷。所述控制晶体管根据输入电压来控制输出电压。所述电荷累积部在所述光轴上的位于所述控制晶体管与所述光电转换部之间的区域中累积电荷，并且将与所累积的电荷量相对应的电压作为所述输入电压而提供至所述控制晶体管。

技术领域

本发明涉及像素电路和摄像装置。本发明具体涉及用于摄取图像的像素电路和摄像装置。

背景技术

过去人们已经提出了能够从像素直接输出数字信号的全数字图像传感器(例如，参见专利文献1)。在这些图像传感器中，由光电转换元件产生的电荷被传输至且累积在浮动扩散层(FD：floating diffusion layer)中，并且与该FD所累积的电荷量相对应的信号由源极跟随器电路输出。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开JP 2011-71958A

专利文献2：日本专利申请特开JP 2009-152234A

发明内容

本发明要解决的技术问题

然而，上述图像传感器需要例如在一帧中读取1000次，并且还具有读取电压增大和读取时间增加的问题。此外，因为每帧的读取次数增多了，所以FD的暗电流也就成比例地增大。结果，FD的暗电流变成像素的暗电流的主要成分。FD的暗电流并不能容易地被减小，因此，即使能够将转换效率设定为600μV/e^-，也会降低检出一个光子的精度。如果没有FD，则会提高检出一个光子的精度，并且这种不使用FD的图像传感器的例子例如是单载波(single carrier)体电荷调制器件(BCMD：bulk charge modulated device)(例如，参见专利文献2)。然而，在这个BCMD中，为了充分地提高将电荷转换成信号电压的转换效率以便将检出精度维持在一定水平以上，就需要将如下控制晶体管的面积设定为预定面积以下：该控制晶体管根据来自光电转换部的输入电压来控制输出电压，所述光电转换部用于将沿着光轴入射的光转换成电荷。为了充分地提高转换效率，例如就需要将控制晶体管的尺寸设定为0.5微米(μm)×0.5微米(μm)以下。

然而，在专利文献2所披露的结构中，控制晶体管的栅极长度在原理上是与电荷累积部和溢出屏障(overflow barrier)的组合长度相同的。因此，如果为了确保最小饱和电荷量而必需的电荷累积部的长度为0.2微米(μm)且溢出屏障的长度为0.2微米(μm)，那么由于在电荷累积部的两侧都必须有溢出屏障，所以电荷累积部和溢出屏障的组合长度(即，控制晶体管的栅极长度)需要至少为0.6微米(μm)。另外，考虑到源极和漏极的长度需要至少为0.15微米(μm)，所以控制晶体管在栅极长度方向上的长度不能被设定为0.9微米(μm)以下，由此就存在着如下问题：难以将转换效率提高至能够检出一个电子的程度。此外，在专利文献2所披露的结构的情况下，由于该结构的结构限制而难以将电荷累积部的距表面的深度设定为例如0.3微米(μm)以上。因此，难以减少用于形成控制晶体管的沟道部的杂质和用于形成控制晶体管的电荷累积部的杂质的扩散，于是就存在着各杂质的重叠变得非常大的问题，并且如果各杂质的剂量即使轻微地发生改变，那么电位也会发生很大的变化。此外，虽然溢出屏障也用作复位屏障，但是为了既获得复位电压又获得饱和电荷量，就需要将复位屏障形成得具有非常薄的宽度，而且复位屏障易于受到轻掺杂漏极(LDD：lightly-doped drain)宽度的变化的影响，所以还存在着如下问题：当LDD宽度发生改变时，电位会发生很大的变化，这导致稳健性(robustness)很差。此外，它们的稳健性随着像素小型化而迅速劣化。因此，控制晶体管的小型化是非常困难的。如上所述，在上述图像传感器中，难以消除FD的暗电流且难以提高转换效率。