CN107004690B - 光传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请的光传感器具备：半导体层；半导体层上的栅极绝缘层，该栅极绝缘层包含光电转换层；栅极绝缘层上的栅极电极；电压供给电路，该电压供给电路对半导体层内的源极区和漏极区中的一者与栅极电极之间施加电压；以及信号检测电路，该信号检测电路与源极区和漏极区中的另一者连接。光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比第一电压范围和第二电压范围小，电压供给电路以使施加于光电转换层的偏压为第三电压范围内的方式施加电压，信号检测电路对与由入射光而产生的光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。

Description

光传感器
技术领域
本申请涉及光传感器。
背景技术
以往，在光检测装置、图像传感器等中使用了光检测元件。光检测元件的典型例子有光电二极管、光电晶体管等光电转换元件。如众所周知的那样，对通过照射光产生于光电转换元件的光电流进行检测，由此能够对光进行检测。
下述专利文献1在图2中公开了一种薄膜晶体管(TFT)，其具有规定化合物分散在有机聚合物中而成的有机膜作为栅极绝缘膜。作为构成有机膜的规定化合物，选择通过照射光会使极化状态发生变化的化合物。就专利文献1的薄膜晶体管来说，在对栅极绝缘膜照射光时，栅极绝缘膜的介电常数发生变化。因此，通过向栅极绝缘膜照射光，在源极-漏极之间流动的电流发生变化。专利文献1记载了可将这样的薄膜晶体管用于光传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-60830号公报
发明内容
提供具有新颖构成的光传感器。
根据本申请的没有限定性的某个例示性实施方式，可提供下述方案。
一种光传感器，其具备：半导体层，该半导体层包含源极区和漏极区；栅极绝缘层，该栅极绝缘层位于被半导体层的源极区和漏极区所夹持的区域上，并且包含光电转换层；栅极绝缘层上的栅极电极；电压供给电路，该电压供给电路对源极区和漏极区中的一者与栅极电极之间施加电压；以及信号检测电路，该信号检测电路与源极区和漏极区中的另一者连接，其中，光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比第一电压范围和第二电压范围小，电压供给电路以使施加于光电转换层的偏压为第三电压范围内的方式施加电压，信号检测电路对与由入射光而产生的光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。
总的或具体方案可以通过元件、器件、装置、***、集成电路或方法来实现。另外，总的或具体方案也可以通过任意组合元件、器件、装置、***、集成电路和方法来实现。
所公开的实施方式的追加效果和优点可以由说明书和附图来明确。效果和/或优点是由说明书和附图所公开的各个实施方式或特征独立带来的，为了得到它们中的一个以上并不需要所有实施方式或特征。
根据本申请的一个方案，提供具有新颖构成的光传感器。
附图说明
图1是示出本申请第一实施方式的光检测装置的截面的剖视示意图。
图2是示意性地示出光检测装置1000的例示性电路构成的图。
图3是示出由包含萘酞菁锡的材料形成的光电转换层处的吸收光谱的一个例子的图。
图4是示出具有使用包含由通式(1)所示的萘酞菁锡的有机半导体材料来形成的光电转换层的栅极绝缘层的一个例子的剖视示意图。
图5是示出光电转换层23p中的光电流特性的典型例子的曲线图。
图6是示出施加了0.1V的电压时流到硅热氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性的曲线图。
图7是示出本申请第二实施方式的光检测装置的截面的剖视示意图。
图8是示出本申请第三实施方式的光检测装置的截面的剖视示意图。
图9是示出施加了2.5V的电压时流到硅氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性的曲线图。
图10是示意性地示出本申请第四实施方式的相机***的构成例的图。
具体实施方式
本申请的一个方案的概要如下所述。
[项目1]
一种光传感器，其具备：
半导体层，该半导体层包含源极区和漏极区；
栅极绝缘层，该栅极绝缘层位于被半导体层的源极区和漏极区所夹持的区域上，并且包含光电转换层；
栅极绝缘层上的栅极电极；
电压供给电路，该电压供给电路对源极区和漏极区中的一者与栅极电极之间施加电压；以及
信号检测电路，该信号检测电路与源极区和漏极区中的另一者连接，
其中，光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比第一电压范围和第二电压范围小，
电压供给电路以使施加于光电转换层的偏压为第三电压范围内的方式施加电压，
信号检测电路对与由入射光而产生的光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。
[项目2]
根据项目1所述的光传感器，其中，栅极绝缘层包含第一绝缘层，该第一绝缘层配置在光电转换层与半导体层之间。
[项目3]
根据项目1或2所述的光传感器，其具备遮光膜，该遮光膜配置在栅极电极与半导体层之间。
[项目4]
一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与第一电极相对置；
第一电极与第二电极之间的光电转换层；
栅极与第一电极电连接的晶体管；
电压供给电路，该电压供给电路对晶体管的源极和漏极中的一者与第二电极之间施加电压；以及
信号检测电路，该信号检测电路与晶体管的源极和漏极中的另一者连接，
其中，光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比第一电压范围和第二电压范围小，
电压供给电路以使施加于光电转换层的偏压为第三电压范围内的方式施加电压，
信号检测电路对与由入射光而产生的光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。
[项目5]
根据项目4所述的光传感器，其中，第一电极具有遮光性。
[项目6]
根据项目4或5所述的光传感器，其具备第一绝缘层和第二绝缘层中的至少一者，该第一绝缘层配置在第一电极与光电转换层之间，该第二绝缘层配置在第二电极与光电转换层之间。
[项目7]
根据项目1～6中任一项所述的光传感器，其中，第三电压范围为-1V～1V。
[项目8]
根据项目1～6中任一项所述的光传感器，其中，当偏压为第三电压范围内时，流到光电转换层的电流密度为100μA/cm2以下。
[项目9]
一种光传感器，其具备：
半导体基板，该半导体基板包含源极区和漏极区；
半导体基板上的栅极绝缘层；以及
栅极绝缘层上的透明栅极电极，
其中，栅极绝缘层包含光电转换层，
光电转换层具有下述光电流特性：在第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，输出电流密度相对于偏压的变化率相互不同，该第一电压范围是随着逆向偏压的增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向偏压的增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间，
第三电压范围中的变化率比第一电压范围中的变化率和第二电压范围中的变化率小，
在源极区和漏极区中的一者与透明栅极电极之间的电位差维持为第三电压范围内的状态下，将经由透明栅极电极射入光电转换层的光作为与由射入光而产生的光电转换层的介电常数变化相对应的来自源极区和漏极区中的另一者的电信号来进行检测。
根据项目9的构成，可以提供响应性优异的光传感器。例如，能够实现响应性优异的红外线传感器。
[项目10]
根据项目9所述的光传感器，其具有电压供给电路，该电压供给电路对透明栅极电极供给以源极区和漏极区中的一者的电位为基准时处于第三电压范围内的栅极电压。
根据项目10的构成，其能够给光电转换层的主表面之间赋予第三电压范围的电位差。
[项目11]
根据项目9或10所述的光传感器，其中，栅极绝缘层包含第一绝缘层，该第一绝缘层配置在光电转换层与半导体基板之间。
根据项目11的构成，能够抑制光传感器中的栅极泄漏。
[项目12]
根据项目11所述的光传感器，其具有寻址晶体管(address transistor)，该寻址晶体管形成于半导体基板，并且源极和漏极中的一者与源极区和漏极区中的另一者电连接，
寻址晶体管的栅极包含第二绝缘层，
寻址晶体管的第二绝缘层与第一绝缘层同层。
根据项目12的构成，能够在同一工序中一并形成栅极绝缘层中的第一绝缘层和寻址晶体管的栅极中的第二绝缘层。因此，能够削减光刻中的对准裕度。
[项目13]
根据项目9～12中任一项所述的光传感器，其具有遮光膜，该遮光膜配置在透明栅极电极与半导体基板之间。
根据项目13的构成，能够抑制杂散光射入形成在源极区和漏极区之间的沟道区，因而能够抑制相邻的单位像素单元之间的混色等干扰(noise)的混入。
[项目14]
一种光传感器，其具备：
半导体基板；
场效应晶体管，该场效应晶体管形成于半导体基板；
第一电极，该第一电极与场效应晶体管的栅极连接；
透光性第二电极，该第二电极与第一电极相对置；以及
光电转换层，该光电转换层配置在第一电极与第二电极之间，
其中，光电转换层具有下述光电流特性：在第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，输出电流密度相对于偏压的变化率相互不同，该第一电压范围是随着逆向偏压的增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向偏压的增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间，
第三电压范围中的变化率比第一电压范围中的变化率和第二电压范围中的变化率小，
在场效应晶体管的源极和漏极中的一者与第二电极之间的电位差维持为第三电压范围内的状态下，将经由第二电极射入光电转换层的光作为与由射入光而产生的光电转换层的介电常数变化相对应的来自源极和漏极中的另一者的电信号来进行检测。
根据项目14的构成，可以提供响应性优异的光传感器。例如，能够实现响应性优异的红外线传感器。
[项目15]
根据项目14所述的光传感器，其具有电压供给电路，该电压供给电路对第二电极供给以源极和漏极中的一者的电位为基准时处于第三电压范围内的电压。
根据项目15的构成，其能够给光电转换层的主表面之间赋予第三电压范围的电位差。
[项目16]
一种光传感器，其具备：
半导体基板；
场效应晶体管，该场效应晶体管形成于半导体基板；
第一电极，该第一电极与场效应晶体管的栅极连接；
透光性第二电极，该第二电极与第一电极相对置；
光电转换层，该光电转换层配置在第一电极与第二电极之间；以及
至少一个绝缘层，该至少一个绝缘层配置在第一电极与光电转换层之间和光电转换层与第二电极之间中的至少一者，
其中，光电转换层具有下述光电流特性：在第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，输出电流密度相对于偏压的变化率相互不同，该第一电压范围是随着逆向偏压的增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向偏压的增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在第一电压范围与第二电压范围之间，
第三电压范围中的变化率比第一电压范围中的变化率和第二电压范围中的变化率小，
在场效应晶体管的源极和漏极中的一者与第二电极之间的电位差维持为第一电压范围内的状态下，将经由第二电极射入光电转换层的光作为与由射入光而产生的光电转换层的介电常数变化相对应的来自源极和漏极中的另一者的电信号来进行检测。
根据项目16的构成，可以实现能够在与曝光不同的时刻读出输出信号的光传感器。
[项目17]
根据项目16所述的光传感器，其具有电压供给电路，该电压供给电路对第二电极供给以源极和漏极中的一者的电位为基准时处于第一电压范围内的电压。
根据项目17的构成，其能够给光电转换层的主表面之间赋予第一电压范围的电位差。
[项目18]
根据项目14～17中任一项所述的光传感器，其中，第一电极为遮光性电极。
根据项目18的构成，能够抑制杂散光射入晶体管的沟道区，因而能够抑制相邻的单位像素单元之间的混色等干扰的混入。
[项目19]
根据项目14～18中任一项所述的光传感器，其中，场效应晶体管的栅极包含设置在半导体基板上的第一栅极绝缘层和第一栅极电极，
第一电极具有连接部，该连接部连接第一栅极电极和第一电极。
根据项目19的构成，配置在半导体基板与第一电极之间的布线的设计自由度提高。
[项目20]
根据项目19所述的光传感器，其具有寻址晶体管，该寻址晶体管形成于半导体基板，并且源极和漏极中的一者与源极区和漏极区中的另一者电连接，
寻址晶体管的栅极包含第二栅极电极，
寻址晶体管的第二栅极电极与第一栅极电极配置在同层。
根据项目20的构成，能够在同一工序中一并形成场效应晶体管中的第一栅极电极和寻址晶体管中的第二栅极电极。因此，能够削减光刻中的对准裕度。
[项目21]
根据项目20所述的光传感器，其中，寻址晶体管的栅极包含第二栅极绝缘层，
寻址晶体管的第二栅极绝缘层与第一栅极绝缘层配置在同层。
根据项目21的构成，场效应晶体管中的栅极的结构与寻址晶体管中的栅极的结构通用化，因而能够在同一工序中一并形成场效应晶体管的第一栅极绝缘层和寻址晶体管的第二栅极绝缘层。另外，能够在同一工序中一并形成场效应晶体管的第一栅极电极和寻址晶体管的第二栅极电极。因此，能够降低制造成本。
[项目22]
一种光传感器，其具备：
半导体基板；
形成于半导体基板的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；
第一电极，该第一电极与第一场效应晶体管的栅极连接；
透光性第二电极，该第二电极与第一电极相对置；以及
光电转换层，该光电转换层配置在第一电极与第二电极之间，
其中，第一场效应晶体管的栅极包含第一栅极电极，
第二场效应晶体管的栅极包含第二栅极电极，该第二栅极电极与第一栅极电极配置在同层，
第二场效应晶体管的源极和漏极中的一者与第一场效应晶体管的源极和漏极中的一者电连接，
第一场效应晶体管从源极和漏极中的一者输出由光经由第二电极射入光电转换层而产生的与光电转换层的介电常数变化相对应的电信号。
根据项目22的构成，能够在同一工序中一并形成第一栅极电极和第二栅极电极。因此，能够削减光刻中的对准裕度。
[项目23]
根据项目22所述的光传感器，其中，第一场效应晶体管的栅极包含第一栅极绝缘层，
第二场效应晶体管的栅极包含第二栅极绝缘层，该第二栅极绝缘层与第一栅极绝缘层配置在同层。
根据项目23的构成，第一场效应晶体管中的栅极的结构与第二场效应晶体管中的栅极的结构通用化，因而能够在同一工序中一并形成第一栅极绝缘层和第二栅极绝缘层。另外，能够在同一工序中一并形成第一栅极电极和第二栅极电极。因此，能够降低制造成本。
[项目24]
根据项目22或23所述的光传感器，其具有至少一个绝缘层，该至少一个绝缘层配置在第一电极与光电转换层之间和光电转换层与第二电极之间中的至少一者。
根据项目24的构成，可以实现能够在与曝光不同的时刻读出输出信号的光传感器。
[项目25]
根据项目22～24中任一项所述的光传感器，其具有分别包含第一场效应晶体管和第二场效应晶体管以及第一电极的多个单位像素单元，
第二电极和光电转换层以跨越多个单位像素单元的方式来配置。
根据项目25的构成，就算是在光传感器包含多个单位像素单元的情况下，也能够削减形成第一和第二栅极绝缘层时的对准裕度以及形成第一和第二栅极电极时的对准裕度，因而有利于更微细的像素的微细化。
下面，参照附图对本申请的实施方式进行详细说明。此外，以下要说明的实施方式均示出总的或具体例子。以下实施方式所示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置和连接形态、步骤、步骤的顺序等仅是一个例子，主旨并不是限定本申请。只要不产生矛盾，则本说明书中所说明的各种方案能够相互组合。另外，就以下实施方式中的构成要素之中未记载于示出最上位概念的独立权利要求的构成要素来说，其作为任选构成要素来进行说明。在以下说明中，实质上具有相同作用的构成要素以通用的附图标记来表示，有时省略说明。
(光传感器的第一实施方式)
图1示意性地示出本申请的第一实施方式的光检测装置的截面。图1所示的光检测装置1000包含各自具有光传感器100A的多个单位像素单元10A。多个单位像素单元10A例如以矩阵状排列，由此形成光传感器阵列。图1示意性地示出了在多个单位像素单元10A之中沿着光传感器阵列的行方向配置的三个单位像素单元10A的截面。此外，图1仅仅是示意性地示出了构成光检测装置1000的各部的配置，图1所示的各部的尺寸未必忠实地反映现实器件中的尺寸。这在本申请的其它附图中也是同样的。
多个单位像素单元10A形成于半导体基板20。此处，作为半导体基板20，例示出p型硅(Si)基板。单位像素单元10A各自通过形成于半导体基板20的元件分离区域20t被相互电分离。相邻的两个单位像素单元10A之间的距离(像素间距)例如可以为2μm左右。此外，本说明书中的“半导体基板”不限于其整体为半导体层的基板，也可以是在照射光的一侧的表面设置有半导体层的绝缘性基板等。
单位像素单元10A中的光传感器100A示意性地具有与场效应晶体管(FET)类似的器件结构。即，光传感器100A包含：形成在半导体基板20内的杂质区域(此处为n型区域)20s和20d；配置在被半导体基板20的杂质区域20s与杂质区域20d所夹持的区域上的栅极绝缘层23；以及配置在栅极绝缘层23上的透明栅极电极22g。如图1所示，透明栅极电极22g配置在覆盖半导体基板20的层间绝缘层50上。
在图1所例示的构成中，层间绝缘层50具有包含多个绝缘层(典型地为硅氧化膜)的层积结构。在层间绝缘层50中配置有多层布线40。多层布线40包含多个布线层。在图1所例示的构成中，多层布线40包含三个布线层，在中央的布线层设置有电源布线42、寻址信号线44和垂直信号线46。电源布线42、寻址信号线44和垂直信号线46例如沿着与纸面垂直的方向(光传感器阵列中的列方向)延伸。在图1所示的例子中，层间绝缘层50和多层布线40分别包含四层绝缘层和三层布线层。但是，层间绝缘层50中的绝缘层的层数和多层布线40中的布线层的层数不限于该例子。
在图1所例示的构成中，多层布线40的电源布线42通过接触插塞52与杂质区域20d连接。如后所述，供给规定电压的电源与电源布线42连接。在光检测装置1000工作时，通过电源布线42对杂质区域20d施加规定的偏压(第一偏压)。
栅极绝缘层23以贯通层间绝缘层50的方式将半导体基板20的上表面与透明栅极电极22g的下表面连结。此外，本说明书中的用语“上表面”和“下表面”用于示出构件之间的相对配置，并不意欲限定本申请的光检测装置的姿态。
栅极绝缘层23包含光电转换层23p。光电转换层23p的厚度(沿着半导体基板20的法线方向测得的长度)例如为1500nm左右。光电转换层23p的构成的典型例子的详细情况会后述。在图1所例示的构成中，在光电转换层23p与半导体基板20之间配置有绝缘层23x。绝缘层23x可以与半导体基板20连接。
在图1所示的例子中，层间绝缘层50上的透明栅极电极22g以横跨多个单位像素单元10A的方式来形成。透明栅极电极22g具有与未图示的电源的连接。透明栅极电极22g与半导体基板20的杂质区域20d同样地是被构成为在光检测装置1000工作时能够施加规定的偏压(第二偏压)。
在光检测装置1000工作时，通过对透明栅极电极22g和杂质区域20d分别施加规定电压，透明栅极电极22g与杂质区域20d之间的电位差维持固定。在工作时能够将透明栅极电极22g与杂质区域20d之间的电位差维持固定的情况下，透明栅极电极22g也可以不以横跨多个单位像素单元10A的方式来形成。例如，也可以以每个单位像素单元10A分离的方式来形成透明栅极电极22g。
如后面详细说明的那样，在光的检测工作中，在透明栅极电极22g与杂质区域20d之间的电位差维持固定的状态下，光从光传感器100A的透明栅极电极22g侧(图1中的上侧)向光检测装置1000照射。照射到光检测装置1000的光经由透明栅极电极22g射入栅极绝缘层23的光电转换层23p。光电转换层23p通过照射光而产生电子-空穴对。通过使光电转换层23p中产生电子-空穴对，光电转换层23p的介电常数发生变化。在将光传感器100A视为场效应晶体管时，通过使光电转换层23p中的介电常数发生变化，可产生与该晶体管中的栅极容量变化时相同的效果。即，通过对栅极绝缘层23照射光，在杂质区域20s和20d之间流通的电流的大小发生变化。通过利用该电流的变化，能够对光进行检测。
由于这种工作原理，也可以将光传感器100A称为容量调制晶体管。杂质区域20s和20d分别相当于容量调制晶体管的例如源极区和漏极区。以下，有时将杂质区域20s称为光传感器的源极区(或漏极区)，将杂质区域20d称为光传感器的漏极区(或源极区)。另外，以下为了简单起见有时将在杂质区域20s和20d之间流通的电流简称为漏极电流。
在图1所示的例子中，在透明栅极电极22g上配置有选择性地透过红外线的红外线透过滤波器26。即，图1例示出了使用光检测装置1000作为红外线检测装置时的构成。这样，被光检测装置1000所检测出的光不限于可见光的波长范围(例如380nm～780nm)内的光。此外，本说明书为了方便起见将包括红外线和紫外线在内的全部电磁波表述为“光”。本说明书中的“透明”是指透过所要检测的波长范围的光的至少一部分，不必在可见光的整个波长范围透过光。
在利用光检测装置1000作为红外线检测装置的情况下，作为透明栅极电极22g的材料，使用对近红外线的透过率高、电阻值小的透明导电性氧化物(TransparentConducting Oxide(TCO))。作为TCO，例如可以使用ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、ZnO2等。作为透明栅极电极22g，也可以使用Au等的金属薄膜。如图1所示，也可以在红外线透过滤波器26上配置使所照射的光聚集并射入光电转换层23p的微透镜28。可以在微透镜28与透明栅极电极22g之间配置保护层。
在图1所例示的构成中，单位像素单元10A各自具有寻址晶体管30。寻址晶体管30包含：形成在半导体基板20内的杂质区域20s和杂质区域30s；栅极绝缘层33；以及栅极电极34。栅极绝缘层33例如为硅的热氧化膜(二氧化硅膜)。栅极电极34例如为多晶硅电极。在该例子中，寻址晶体管30和光传感器100A共享杂质区域20s，通过共享杂质区域20s来将它们电连接。
寻址晶体管30中的杂质区域20s例如作为寻址晶体管30的漏极区起作用。寻址晶体管30中的杂质区域30s例如作为寻址晶体管30的源极区起作用。寻址晶体管30的栅极电极34(典型地为多晶硅电极)通过接触插塞52与多层布线40的寻址信号线44连接。寻址晶体管30的杂质区域30s通过接触插塞52与多层布线40的垂直信号线46连接。因此，通过寻址信号线44来控制栅极电极34的电位，使寻址晶体管30为导通(ON)状态，由此能够通过垂直信号线46来选择性地读出由光传感器100A生成的信号。
其一部分中包含垂直信号线46等的上述多层布线40例如由铜等金属形成。可以通过多层布线40中的布线层来形成遮光膜。通过使配置在层间绝缘层50内的布线层作为遮光膜起作用，能够以遮光性布线层来遮蔽透过了透明栅极电极22g的光之中未射入光电转换层23p的光。由此，能够抑制未射入光电转换层23p的光(此处为红外线)射入形成于半导体基板20的晶体管(容量调制晶体管或寻址晶体管30)的沟道区。栅极绝缘层23x和/或栅极绝缘层33可以具有遮光性。通过抑制杂散光射入沟道区，能够抑制相邻的单位像素单元之间的混色等干扰的混入。此外，透过了透明栅极电极22g的光之中朝向光电转换层23p行进的光几乎都被光电转换层23p所吸收。因此，朝向光电转换层23p行进的光不会对形成于半导体基板20的晶体管的工作产生不良影响。
(光检测装置的例示性电路构成)
图2示出光检测装置1000的例示性电路构成。如上所述，光传感器100A具有与场效应晶体管类似的器件结构。因此，为了方便起见，此处用与晶体管相同的电路符号来表示光传感器100A。
图2示意性地示出单位像素单元10A被配置为两行两列的矩阵状的例子。本说明书中，有时将行和列延伸的方向分别称为行方向和列方向。当然，光检测装置1000中的单位像素单元的数量和配置不限于图2所示的例子。单位像素单元也可以一维地排列。在该情况下，光检测装置1000为线传感器。光检测装置1000所包含的单位像素单元的数量可以为两个以上，也可以为一个。
如已经进行了说明的那样，各单位像素单元10A的光传感器100A中的杂质区域20d(也可以称为容量调制晶体管的漏极)与电源布线42连接。在图2所示的例子中，电源布线42配置在光传感器阵列的每列。这些电源布线42与电压供给电路12连接。在光检测装置1000工作时，电压供给电路12通过电源布线42对构成光传感器阵列的各个单位像素单元10A供给规定电压(第一偏压)。
各单位像素单元10A的光传感器100A中的透明栅极电极22g与栅极电压控制线48连接。在图2所例示的构成中，栅极电压控制线48与电压供给电路12连接。因此，在光检测装置1000工作时，通过栅极电压控制线48由电压供给电路12对光传感器阵列中的各光传感器100A的透明栅极电极22g施加规定的栅极电压(第二偏压)。电压供给电路12不限于特定的电源电路，也可以为生成规定电压的电路，还可以为将由其它电源供给的电压转换为规定电压的电路。如后所述，对各光传感器100A的透明栅极电极22g施加以光传感器100A中的杂质区域20d的电位为基准时处于规定范围内的栅极电压。
在图2所例示的构成中，具有和寻址晶体管30的栅极的连接的寻址信号线44与垂直扫描电路(也称为“行扫描电路”)14连接。垂直扫描电路14通过对寻址信号线44施加规定电压，以行单位选择被配置在各行的多个单位像素单元10A。由此，能够通过寻址晶体管30来读出所选择的单位像素单元10A的信号。
如图示的那样，寻址晶体管30的源极和漏极中的一者(典型地为漏极)与光传感器100A中的杂质区域20s(也可以称为容量调制晶体管的源极)连接，寻址晶体管30的源极和漏极中的另一者(此处为源极)与设置于光传感器阵列的每列的垂直信号线46连接。垂直信号线46是将来自光传感器阵列的像素信号传递至***电路的主信号线。
该例子是在垂直信号线46与接地之间连接有恒流源49。因此，通过检测垂直信号线46的电压变化，能够对由光照射到光传感器100A所引起的光传感器100A中的漏极电流的变化进行检测。即，能够基于垂直信号线46的电压变化来对光进行检测。此时，电源布线42作为源极跟随电源起作用。也可以通过对由光传感器100A的杂质区域20s输出的电流进行检测来对光进行检测。但是，在对电压变化进行检测时，能够应用与使用了硅的光电二极管的光传感器相同的工艺和电路，这从获得高S/N比的观点考虑也是有利的。
此外，对光传感器100A中的杂质区域20d供给规定电压的电路、与对透明栅极电极22g供给规定电压的电路可以如图2所例示的那样是通用的，也可以是不同的。对光传感器100A中的杂质区域20d供给规定电压的电路和对透明栅极电极22g供给规定电压的电路中的至少一者也可以为垂直扫描电路14的一部分。
(光电转换层)
接着，对光电转换层23p的构成的典型例子进行详细说明。
作为构成光电转换层23p的材料，典型地使用半导体材料。光电转换层23p受到光的照射而在内部生成电子-空穴对。此处，作为构成光电转换层23p的材料，使用有机半导体材料。光电转换层23p例如包含由下述通式(1)所示的萘酞菁锡(以下有时简称为“萘酞菁锡”)。
Figure BDA0001297818620000161
通式(1)中，R1～R24独立地表示氢原子或取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以为氘原子、卤原子、烷基(包括环烷基、双环烷基、三环烷基)、烯基(包括环烯基、双环烯基)、炔基、芳基、杂环基(也可以称为杂环基团)、氰基、羟基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、硅烷氧基(silyloxy group)、杂环氧基、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)、铵基(ammonio group)、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺酰基氨基、烷基磺酰基氨基、芳基磺酰基氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、杂环硫基、氨磺酰基、磺基、烷基亚磺酰基、芳基亚磺酰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、酰基、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基偶氮基、杂环偶氮基、酰亚胺基、膦基(phosphino group)、氧膦基(phosphinyl group)、氧膦基氧基(phosphinyloxy group)、氧膦基氨基(phosphinylamino group)、膦酰基、硅烷基(silyl group)、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。
作为由上述通式(1)所示的萘酞菁锡，可以使用市售的产品。或者，如例如日本特开2010-232410号公报所示，由上述通式(1)所示的萘酞菁锡可以将由下述通式(2)所示的萘衍生物作为起始原料来进行合成。通式(2)中的R25～R30可以为与通式(1)中的R1～R24相同的取代基。
Figure BDA0001297818620000171
在由上述通式(1)所示的萘酞菁锡中，从易于控制分子的凝集态的观点考虑，R1～R24之中的8个以上为氢原子或氘原子是有益的，R1～R24之中的16个以上为氢原子或氘原子是更有益的，全部为氢原子或氘原子是进一步有益的。此外，从合成容易程度的观点考虑，由以下的式(3)所示的萘酞菁锡是有利的。
Figure BDA0001297818620000172
由上述通式(1)所示的萘酞菁锡在大致200nm～1100nm的波段具有吸收。例如，如图3所示，由上述式(3)所示的萘酞菁锡在波长为大致870nm的位置具有吸收峰。图3是包含由上述式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层处的吸收光谱的一个例子。此外，在吸收光谱的测定中，使用了在石英基板上层积有光电转换层(厚度：30nm)的样品。
由图3可知，由包含萘酞菁锡的材料形成的光电转换层在近红外区域具有吸收。即，通过选择包含萘酞菁锡的材料作为构成光电转换层23p的材料，可以实现能够对近红外线进行检测的光传感器。
图4示出具有使用包含由上述通式(1)所示的萘酞菁锡的有机半导体材料来形成的光电转换层的栅极绝缘层的一个例子。在图4所例示的构成中，栅极绝缘层23包含光电转换结构230A，并且还包含配置在光电转换结构230A与透明栅极电极22g之间的电子阻挡层234以及配置在光电转换结构230A与绝缘层23x之间的空穴阻挡层236。
光电转换结构230A包含p型半导体和n型半导体中的至少一者。在图4所例示的构成中，光电转换结构230A具有p型半导体层230p、n型半导体层230n以及夹在p型半导体层230p与n型半导体层230n之间的光电转换层230h。p型半导体层230p配置在电子阻挡层234与光电转换层230h之间，具有作为光电转换层和/或空穴传输层的作用。n型半导体层230n配置在空穴阻挡层236与光电转换层230h之间，具有作为光电转换层和/或电子传输层的作用。如后所述，光电转换层230h可以包含p型半导体和n型半导体中的至少一者。
p型半导体层230p和n型半导体层230n分别包含有机p型半导体和有机n型半导体。即，光电转换结构230A包含：包含由上述通式(1)所示的萘酞菁锡的有机光电转换材料；以及有机p型半导体和有机n型半导体中的至少一者。
有机p型半导体(化合物)为供体性有机半导体(化合物)，其是指主要以空穴传输性有机化合物为代表的具有容易供给电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机p型半导体(化合物)是指在使两种有机材料接触来进行了使用时电离势小的有机化合物。因此，作为供体性有机化合物，只要是具有电子供给性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如，可以使用三芳基胺化合物、联苯胺化合物、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、噻吩化合物、酞菁化合物、花菁化合物、部花菁化合物、氧杂菁化合物、多元胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚芳撑化合物、稠合芳香族碳环化合物(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、荧蒽衍生物)、具有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。此外，供体性有机半导体不限于这些；如上所述，只要是电离势比用作n型(受体性)化合物的有机化合物小的有机化合物就可以作为供体性有机半导体来使用。上述的萘酞菁锡为有机p型半导体材料的一个例子。
有机n型半导体(化合物)为受体性有机半导体(化合物)，其是指主要以电子传输性有机化合物为代表的具有容易接受电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机n型半导体(化合物)是指在使两种有机化合物接触来进行了使用时电子亲和力大的有机化合物。因此，作为受体性有机化合物，只要是具有电子接受性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如，可以使用富勒烯、富勒烯衍生物、稠合芳香族碳环化合物(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、荧蒽衍生物)、含有氮原子、氧原子、硫原子的5～7元杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、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***、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、***并哒嗪、***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
Figure BDA0001297818620000191
(dibenzazepine)、三苯并氮
Figure BDA0001297818620000192
(tribenzazepine)等)、聚芳撑化合物、芴化合物、环戊二烯化合物、硅烷基化合物、具有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。此外，不限于此；如上所述，只要是电子亲和力比用作p型(供体性)有机化合物大的有机化合物就可以作为受体性有机半导体来使用。
光电转换层230h例如可以为包含p型半导体和n型半导体的体异质结结构层。在以具有体异质结结构的层的方式形成光电转换层230h时，能够使用由上述通式(1)所示的萘酞菁锡作为p型半导体材料。作为n型半导体材料，例如可以使用富勒烯和/或富勒烯衍生物。构成p型半导体层230p的材料与光电转换层230h所包含的p型半导体材料相同是有益的。同样地，构成n型半导体层230n的材料与光电转换层230h所包含的n型半导体材料相同是有益的。体异质结结构在日本专利第5553727号公报中有详细说明。为了参考起见，将日本专利第5553727号公报的公开内容全部援引至本说明书。
通过根据希望进行检测的波段来使用适当的材料，能够实现在所期望的波段具有灵敏度的光传感器。光电转换层23p也可以包含非晶硅等无机半导体材料。光电转换层23p可以包含由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。此处，对将对萘酞菁锡和C60进行共蒸镀而得到的体异质结结构应用于光电转换层23p的例子进行说明。
(光电转换层中的光电流特性)
图5示出光电转换层23p中的光电流特性的典型例子。图5中，粗实线的曲线图表示在照射了光的状态下的光电转换层的例示性电流-电压特性(I-V特性)。此外，图5中还用粗虚线一并示出在未照射光的状态下的I-V特性的一个例子。
图5示出了在一定的照度下使对光电转换层的两个主表面之间施加的偏压发生了变化时的主表面之间的电流密度的变化。本说明书中，偏压中的正向和逆向如下定义。在光电转换层具有层状p型半导体和层状n型半导体的结结构的情况下，将使p型半导体的层的电位变得比n型半导体的层高的偏压定义为正向的偏压。另一方面，将使p型半导体的层的电位变得比n型半导体的层低的偏压定义为逆向的偏压。在使用了有机半导体材料的情况下，也可以与使用了无机半导体材料的情况同样地定义正向和逆向。在光电转换层具有体异质结结构的情况下，如上述日本专利第5553727号公报的图1中示意性地示出的那样，在光电转换层的两个主表面中的一个表面与n型半导体相比更多地出现p型半导体，在另一个表面与p型半导体相比更多地出现n型半导体。因此，将使与n型半导体相比更多地出现p型半导体的主表面侧的电位变得比与p型半导体相比更多地出现n型半导体的主表面侧的电位高的偏压定义为正向的偏压。
如图5所示，本申请的实施方式的光电转换层的光电流特性示意性地被第一至第三这三个电压范围所表征。第一电压范围是逆向偏压的电压范围，其是随着逆向偏压的增大而使输出电流密度的绝对值增大的电压范围。第一电压范围也可以称为随着对光电转换层的主表面之间施加的偏压的增大而使光电流增大的电压范围。第二电压范围是正向偏压的电压范围，其是随着正向偏压的增大而使输出电流密度增大的电压范围。即，第二电压范围是随着对光电转换层的主表面之间施加的偏压的增大而使正向电流增大的电压范围。第三电压范围是第一电压范围与第二电压范围之间的电压范围。
第一至第三电压范围可根据使用了线性纵轴和横轴时的光电流特性的曲线图的斜率来进行区分。为了参考起见，图5中分别用虚线L1和虚线L2示出了第一电压范围和第二电压范围各自中的曲线图的平均斜率。如图5所例示的那样，第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围中的输出电流密度相对于偏压增加的变化率相互不同。第三电压范围定义为输出电流密度相对于偏压的变化率比第一电压范围中的变化率和第二电压范围中的变化率小的电压范围。或者，也可以根据表示I-V特性的曲线图中的上升(下降)的位置来决定第三电压范围。第三电压范围典型地大于-1V且小于+1V。在第三电压范围中，就算使偏压变化，光电转换层的主表面之间的电流密度也几乎不发生变化。如图5所例示的那样，在第三电压范围中，电流密度的绝对值典型地为100μA/cm2以下。如下面会详细说明的那样，在该第三电压范围中，由照射光生成的空穴-电子对只要停止照射光就迅速地再结合而消失。因此，在光检测装置工作时通过将对光电转换层的两个主表面之间施加的偏压调整为第三电压范围的电压，能够实现高速的响应。
再次参照图1和图2。在本申请的典型性实施方式中，当光检测装置工作时，在将光传感器所具有的两个杂质区域之中与电源布线42连接的一侧与透明栅极电极22g之间的电位差维持为上述第三电压范围的状态下，实行光的检测。例如，在参照图2进行了说明的构成中，以杂质区域20d为基准时处于第三电压范围内的栅极电压由电压供给电路12向透明栅极电极22g供给。因此，在光的检测工作中，光电转换层23p处于对上表面(透明栅极电极22g侧的主表面)与下表面之间施加了第三电压范围的偏压的状态。
当光射入光电转换层23p时，在光电转换层23p的内部产生空穴-电子对。此时，由于对光电转换层23p施加了规定的偏压，因而多个空穴-电子对各自中的偶极矩基本上统一为相同方向。因此，光电转换层23p的介电常数伴随着空穴-电子对而增大。当将施加了规定的偏压并处于照射了光的状态下的光电转换层23p内的电场的大小设定为E时，根据高斯定律，成立E＝((σf-σp)/ε0)和E＝(σf/ε)。此处，σf为电极(例如透明栅极电极22g)中的电荷密度，σp为通过极化在光电转换层23p中产生于与电极相对置的表面的电荷的密度。ε0和ε分别为真空的介电常数和光电转换层23p的介电常数。由E＝((σf-σp)/ε0)和E＝(σf/ε)可以得到ε＝ε0(σf/(σf-σp))，可知通过有助于极化的电荷(空穴-电子对)的增加使得光电转换层23p的介电常数增大。即，通过向光电转换层23p照射光，栅极绝缘层23整体的介电常数增大。
当将光传感器100A视为晶体管时，伴随着栅极绝缘层23的介电常数的增大，阈值电压降低(也可以称为有效栅极电压增大)。由此，在杂质区域20d和20s之间流通的漏极电流的大小随着栅极绝缘层23的介电常数的变化而发生变化。即，光传感器100A中的漏极电流的大小显示出与对光传感器100A的照度的变化相对应的变化。因此，通过以适当的检测电路来检测漏极电流大小的变化，能够对光进行检测。
例如，当如图2所示将恒流源49与垂直信号线46连接来使寻址晶体管30导通时，能够以垂直信号线46中的电压变化的形式就与对光传感器100A的照度的变化相对应的阈值电压的变化进行检测。或者，也可以将恒压源与垂直信号线46连接来对垂直信号线46中的电流变化进行检测。这样，来自光传感器100A的输出信号可以为电压变化的形式，也可以为电流变化的形式。
此处应当注意的地方是：在光的检测时，对光电转换层23p施加了第三电压范围的偏压。利用了光电二极管(或光电转换膜)的现有的光传感器通常是在与图5所示的第一电压范围相对应的逆向偏压下实行光检测的工作。因此，由光电转换生成的空穴和电子分别朝向光电二极管的阴极和阳极移动。就利用了光电二极管(或光电转换膜)的现有的光传感器的光检测来说，由光电转换生成的电荷作为信号被取出到外部电路。
与此相对，在本申请的光检测装置的典型例子中，在光的检测时对光电转换层23p施加第三电压范围的偏压。当在施加了第三电压范围的偏压的状态下对光电转换层23p照射光时，在光电转换层23p生成空穴-电子对。但是，在施加了第三电压范围的偏压的状态下，所生成的空穴和电子不会分离并向电极移动，而是形成偶极子。即，所生成的空穴和电子自身不会被取出到光电转换层23p的外部。
就电荷从光电转换层排出和电荷向光电转换层流入来说，其速度慢(几十毫秒左右)。因此，在将光传感器应用于图像传感器的情况下，在伴随电荷从光电转换层排出或电荷向光电转换层流入的构成中，伴随着开始摄影时对光电转换层施加电压、照射光等，有可能产生干扰、余像等。在将光的检测时对光电转换层23p施加的偏压设定为第三电压范围的电压的构成中，不伴随这种电荷从光电转换层排出或电荷向光电转换层流入，因而能够抑制干扰、余像等的产生。
另外，在施加了第三电压范围的偏压的状态下，当光不再射入光电转换层23p时，空穴-电子对迅速地(几十微秒以下)再结合而消失。因此，根据本申请的实施方式，能够实现高速的响应。由于能够实现高速的响应，因而本申请的实施方式的光传感器对在利用了飞行时间法(Time-of-flight method)的距离计测、超高速摄影等中应用来说是有利的。通过电源布线42对杂质区域20d施加的第一偏压例如为2.4V，通过栅极电压控制线48对透明栅极电极22g施加的第二偏压例如为2.5V。即，在此处说明的例子中，以给光传感器100A的栅极绝缘层23的上表面和下表面之间赋予约0.1V的电位差的方式进行了设定。此外，如后所述，也可以对光电转换层施加第一电压范围的偏压来实行光的检测。
(红外线的检测)
在红外区域具有吸收的光电转换材料的带隙窄。另外，成为暗电流的原因的由热激发引起的电流中的活化能与带隙成比例。因此，当使用在红外区域具有吸收的光电转换材料作为容量调制晶体管的栅极绝缘层的材料时，有可能发生栅极泄漏，无法确保充分的S/N比。0.1V的偏压下的有机光电转换层单体中的泄漏电流的大小可以为1×10-8A/cm2左右(“×”表示乘号)。
在此处说明的例子中，使用了在近红外区域具有吸收的光电转换层作为光电转换层23p。在图1所例示的构成中，在光电转换层23p与半导体基板20之间配置有绝缘层23x。通过在光电转换层23p与半导体基板20之间配置绝缘层23x，能够降低光电转换层23p中的泄漏电流，并能够确保必要的S/N比。
作为绝缘层23x，例如可以采用硅的热氧化膜。图6示出施加了0.1V的电压时流到硅热氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性。在本申请的实施方式的光检测方式中，从确保光不照射时的特性的观点考虑，栅极绝缘层23中的泄漏电流为1×10-11A/cm2以下是有益的。关于该泄漏电流的大小，与将从半导体基板20的法线方向观察栅极绝缘层23时的面积(栅极面积)设定为1μm2时的1e/秒以下的泄漏量相当(泄漏量的单位中的“e”是指电子数)。如图6所示，在采用硅热氧化膜作为绝缘层23x的情况下，当使热氧化膜的厚度为4.6nm以上时，可知能够将泄漏电流降低至必要程度。
在利用上述第三电压范围的情况下，在光的检测时对光电转换层23p的上表面与下表面之间施加的电压较小，例如为0.1V左右。因此，易于使用窄带隙的材料作为光电转换层23p的材料。另外，通过在光电转换层23p与半导体基板20之间配置绝缘层23x，能够降低向容量调制晶体管的沟道区的泄漏电流。在利用第三电压范围的情况下，给杂质区域20d与透明栅极电极22g之间赋予的电位差较小。因此，可以使用较薄的绝缘膜作为绝缘层23x，能够以漏极电流的调制的形式取得与照度相关的信息。
这样，根据本申请的实施方式，能够一边使用在红外区域具有吸收的窄带隙的光电转换材料一边抑制暗电流来确保高的S/N比。当然，构成绝缘层23x的材料不限于二氧化硅。作为绝缘层23x，可以采用在硅半导体中通常所用的氮氧化硅膜(SiON膜)，也可以采用HfO2膜等High-k膜。绝缘层23x的厚度只要根据构成绝缘层23x的材料适当设定就行。
利用了近红外线的成像例如在搭载于车辆来使用的夜视***的用途、观察生物体的用途等中是有希望的，期待在红外区域具有灵敏度的光传感器。如众所周知的那样，硅的带隙为1.1eV，以使用了硅的光电二极管的光传感器无法检测出具有1100nm以上的波长的光。硅的光电二极管虽然在900nm附近的波段具有灵敏度，但与可见光的波长范围相比其灵敏度低，特别是在用于夜视***时希望提高性能。
作为具有窄带隙的半导体，已知有InxGa1-xAs。InxGa1-xAs通过调整组成比X而能够使带隙窄至0.3eV。以使用了InxGa1-xAs的光传感器，能够在最大3μm的波长具有灵敏度，能够采用使用了InxGa1-xAs的光传感器作为红外线传感器。但是，为了抑制由晶体缺陷而导致的暗电流、由于因窄带隙所引起的热干扰而导致的S/N比的劣化，需要将图像传感器冷却。因此，难以小型化和低成本化，作为民生用尚未达到广泛普及。作为不使用冷却装置的红外线图像传感器，已知有微测辐射热计和热释电传感器。但是，微测辐射热计和热释电传感器均是通过热进行的检测，因而响应速度慢至几十毫秒，导致用途被限制。
根据本申请的实施方式，较易于使用在红外区域具有吸收的材料作为光电转换层23p。例如，如图3所示，包含由上述式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层在800nm～1000nm的波段具有吸收的峰。包含由式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层在波长900nm下的量子效率可以为硅的十倍左右。根据本申请的实施方式，能够以较简易的构成来实现在红外区域具有灵敏度的光传感器。本申请的实施方式的光传感器中的检测不是通过热进行的检测，因而还能够避免由于沟道部分的温度变化而导致的热干扰的产生，不需要设置冷却机构。
光检测装置1000可以使用常规的半导体制造工艺来制造。特别是，在使用硅基板作为半导体基板20的情况下，可以通过利用各种硅半导体工艺来制造光检测装置1000。本申请的光传感器具有与场效应晶体管类似的器件结构，因而也较易于将其它晶体管与本申请的光传感器形成于同一半导体基板。
(光传感器的第二实施方式)
图7示意性地示出本申请的第二实施方式的光检测装置的截面。在第二实施方式中，光检测装置1000包含各自具有光传感器100B的多个单位像素单元10B。图7中，为了避免附图变得复杂，示出了多个单位像素单元10B之中的一个。
在图7所例示的构成中，光传感器100B具有容量调制晶体管60和光电转换部。容量调制晶体管60是形成于半导体基板20的场效应晶体管。容量调制晶体管60具有杂质区域20d和杂质区域20s、半导体基板上的绝缘层23x以及绝缘层23x上的栅极电极24。杂质区域20d作为容量调制晶体管60的漏极区(或源极区)起作用，杂质区域20s作为容量调制晶体管60的源极区(或漏极区)起作用。与第一实施方式同样地，杂质区域20d被构成为通过具有与电源布线42的连接而能够在光检测装置1000工作时施加规定电压(第一偏压)。绝缘层23x作为容量调制晶体管60的栅极绝缘层起作用。绝缘层23x例如是厚度为4.6nm的硅热氧化膜。
光传感器100B的光电转换部包含像素电极21、与像素电极21相对置的透明电极22以及夹在它们之间的光电转换层23p。像素电极21通过在与相邻的单位像素单元10B之间空间分离来进行配置，由此与其它单位像素单元10B中的像素电极21电分离。像素电极21典型地为金属电极或金属氮化物电极。用于形成像素电极21的材料的例子为Al、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN、Mo、Ru和Pt。像素电极21可以由通过掺杂杂质而被赋予了导电性的多晶硅等形成。此处，使用TiN电极作为像素电极21。
光电转换层23p以横跨其它单位像素单元10B的方式形成。光电转换层23p的厚度例如可以为200nm左右。透明电极22与第一实施方式中的透明栅极电极22g同样地使用TCO以横跨其它单位像素单元10B的方式形成。另外，透明电极22被构成为具有与栅极电压控制线48(图7中未图示；参照图2)的连接并且能够在光检测装置1000工作时施加规定电压(第二偏压)。
在图示的例子中，透明电极22和光电转换层23p配置在层间绝缘层50上，通过包含多层布线40的一部分和接触插塞52的连接部54而将光电转换部的像素电极21与容量调制晶体管60的栅极电极24连接。第二实施方式的光传感器100B可以说示意性地具有使电极(此处为像素电极21、连接部54和栅极电极24)夹在第一实施方式的光传感器100A(参照图1)中的光电转换层23p与绝缘层23x之间而成的结构。此外，容量调制晶体管60也可以视为含有栅极绝缘层，该栅极绝缘层包含具有绝缘层23x作为电介质层的电容器和具有光电转换层23p作为电介质层的电容器的串联连接。在该情况下，可以说之间具有像素电极21、连接部54和栅极电极24的绝缘层23x以及光电转换层23p的层积结构构成容量调制晶体管60中的栅极容量(也称为栅极绝缘层)，透明电极22构成容量调制晶体管60中的栅极电极。
光检测装置1000中的光的检测的原理与第一实施方式基本上相同。即，在对光电转换层23p施加了上述第三电压范围的偏压的状态下，光经由透明电极22射入光电转换层23p。对杂质区域20d施加的电压例如为2.4V。对透明电极22施加的电压例如为2.5V。即，对作为容量调制晶体管60的栅极绝缘层的绝缘层23x和光电转换层23p施加整体为约0.1V的偏压。
当光射入光电转换层23p时，在光电转换层23p内生成空穴-电子对，光电转换层23p的介电常数发生变化。伴随着光电转换层23p中的介电常数的变化，容量调制晶体管60的有效栅极电压发生变化，容量调制晶体管60中的漏极电流发生变化。因此，能够将照度的变化作为例如垂直信号线46中的电压变化来进行检测。
根据第二实施方式，由于光电转换层23p配置在层间绝缘层50上，因而与将光电转换层23p埋入层间绝缘层50内的结构(参照图1)相比，多层布线40中的各种布线的布局的自由度提高。在图7所例示的构成中，当由半导体基板20的法线方向观察单位像素单元10B时，像素电极21和透明电极22重叠的区域相对于单位像素单元10B的比例与单位像素单元10B中的开口率相当。因此，与将光电转换层23p埋入层间绝缘层50内的结构(参照图1)相比，易于得到更大的开口率。
另外，当光电转换层23p配置在层间绝缘层50上时，与将光电转换层23p埋入层间绝缘层50内相比，制造工艺上的难易度低，在制造方面是有利的。当使容量调制晶体管60的栅极电极24和寻址晶体管30的栅极电极34均为多晶硅电极时，能够与形成容量调制晶体管60的栅极同时形成寻址晶体管30的栅极。
例如，为了使用相互不同的材料来形成容量调制晶体管60的栅极电极24和寻址晶体管30的栅极电极34，需要依次形成它们。在采用光刻技术来形成栅极电极24和栅极电极34或注入杂质的情况下，通常难以避免栅极电极24和栅极电极34之间的对准的偏差。因此，当想使用相互不同的材料来形成容量调制晶体管60的栅极电极24和寻址晶体管30的栅极电极34时，需要确保对准中的裕度。换言之，对于光检测装置中的单位像素单元的微细化是不利的。
如图7所例示的那样，通过使容量调制晶体管60中的栅极电极24与寻址晶体管30中的栅极电极34同层(通用水平)，能够使用通用的掩模和通用的材料在不考虑对准的偏差的情况下将它们一并配置为所期望的位置和形状。同样地，通过使容量调制晶体管60中的栅极绝缘层23x和寻址晶体管30中的栅极绝缘层33同层，能够使用通用的掩模和通用的材料在不考虑对准的偏差的情况下将它们一并配置为所期望的位置和形状。因此，能够形成更微细的像素。通过使容量调制晶体管60的栅极的结构和寻址晶体管30的栅极的结构通用化，能够进一步削减制造成本。
此外，上述第一实施方式是光传感器100A不具有与容量调制晶体管60中的栅极电极24相当的电极(参照图1)。但是，能够使用通用的掩模和通用的材料来形成光传感器100A中的绝缘层23x和寻址晶体管30中的栅极绝缘层33。由此，可以不再需要在形成绝缘层23x后用于形成栅极绝缘层33的对准或者在形成栅极绝缘层33后用于形成绝缘层23x的对准。因此，能够使绝缘层23x和栅极绝缘层33同层来消除绝缘层23x与栅极绝缘层33之间的位置偏差。
当将像素电极21作为遮光性电极来形成时，能够抑制杂散光射入容量调制晶体管60的沟道区和/或寻址晶体管30的沟道区。也可以在透明电极22与微透镜28之间配置红外线透过滤波器等滤光器。
此外，图7所例示的器件结构乍一看与在半导体基板上配置有光电转换层的层积型图像传感器的器件结构类似。但是，就层积型图像传感器来说，在像素电极和与像素电极相对置的透明电极之间施加了较高的偏压，通过照射光而生成于光电转换层内的空穴和电子中的一者作为信号电荷被收集到像素电极。所收集到的信号电荷暂时储存于单位像素单元内的浮动扩散区，并在规定时刻读出与所储存的电荷量相对应的信号电压。
与此相对，本申请的光传感器是在不使生成于光电转换层23p的空穴和电子向电极移动的情况下读出与光电转换层23p的介电常数的变化相对应的电信号。层积型图像传感器是只能利用空穴和电子中的一者作为信号电荷，而本申请的光传感器则是将空穴和电子以成对的形式用于漏极电流的变化。因此，能够实现更高的灵敏度。另外，由于是使给光电转换层23p的上表面与下表面之间赋予的电位差为上述第三电压范围的电位差，因而当停止照射光时所生成的空穴和电子的对迅速地再结合。即，与层积型图像传感器不同，不需要像素电极的电位的复位工作。此外，本申请的光传感器不进行将生成于光电转换层23p的空穴或电子作为信号电荷储存于浮动扩散区的工作。因此，与层积型图像传感器不同，半导体基板20不具有用于储存信号电荷的电荷储存区域。
如上所述，在使给光电转换层23p的上表面与下表面之间赋予的电位差为上述第三电压范围的电位差的情况下，当停止照射光时所生成的空穴和电子的对迅速地再结合。这意味着：光传感器的输出显示出与照射光时的照度的变化相对应的变动，不依赖于累积光量。因此，在使给光电转换层23p的上表面与下表面之间赋予的电位差为上述第三电压范围的电位差的情况下，可以使曝光的时刻和信号读出的时刻基本上一致。
此外，可以在单位像素单元内设置一个电极与半导体基板20的杂质区域20s或30s(例如参照图7)电连接的电容器。通过将这样的电容器配置在单位像素单元内，能够在与对光传感器的曝光不同的时刻读出输出信号。
(光传感器的第三实施方式)
图8示意性地示出本申请的第三实施方式的光检测装置的截面。图8所示的单位像素单元10C中的光传感器100C与参照图7进行了说明的第二实施方式的光传感器100B之间的不同点在于：光传感器100C的光电转换部包含配置在光电转换层23p与电极(像素电极21和/或透明电极22)之间的绝缘层。在图8所例示的构成中，在像素电极21与光电转换层23p之间和光电转换层23p与透明电极22之间分别配置有绝缘层29a和29b。
作为构成绝缘层29a和29b的材料，例如可以选择泄漏电流比构成光电转换层23p的材料小的材料。此处，作为绝缘层29a和29b，使用厚度为5.4nm的硅氧化膜。硅氧化膜例如通过CVD来形成。
在图8所例示的构成中，由于在像素电极21与光电转换层23p之间和光电转换层23p与透明电极22之间分别配置有绝缘层29a和29b，因而能够对容量调制晶体管60的漏极区(或源极区)与透明电极22之间施加更大的偏压。此处，对将作为第一偏压的1.2V的电压、作为第二偏压的3.7V的电压分别施加到杂质区域20d和透明电极22的例子进行说明。即，此处是给杂质区域20d和透明电极22之间赋予约2.5V的电位差。
图9示出施加了2.5V的电压时流到硅氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性。如已经进行了说明的那样，从确保光不照射时的特性的观点考虑，向容量调制晶体管60的沟道区的泄漏电流为1×10-11A/cm2以下是有益的。如图9所示，在对硅氧化膜施加2.5V的电压的情况下，通过使硅氧化膜的厚度为5.4nm以上，能够将硅氧化膜中的泄漏电流降低至1×10-11A/cm2以下。
再次参照图8。在图8所例示的构成中，对杂质区域20d和透明电极22之间施加的电压在分别构成电容器的绝缘层23x、绝缘层29a、绝缘层29b和光电转换层23p之间被分压。因此，对绝缘层23x、29a和29b各自施加的电压约为0.8V左右。因此，不需要绝缘层29a和29b各自严密地具有5.4nm的厚度。此处，从通过CVD形成的硅氧化膜的特性偏差考虑，采用了5.4nm的值作为绝缘层29a和29b各自的厚度。
这样，通过在光电转换层23p与电极之间配置绝缘层(此处为绝缘层29a、绝缘层29b)，能够对容量调制晶体管60的漏极区(或源极区)与透明电极22之间施加更大的偏压。例如，可以在容量调制晶体管60的漏极区(或源极区)与透明电极22之间施加使给光电转换层23p的上表面与下表面之间赋予的电位差为上述第一电压范围的偏压。
当在对光电转换层23p施加了第一电压范围(参照图5)的偏压的状态下对光电转换层23p照射光时，由光电转换生成的空穴和电子中的一者向透明电极22移动，另一者向像素电极21移动。这样，在对光电转换层23p施加第一电压范围的偏压的情况下，由光电转换生成的正电荷和负电荷可被分离，因而从停止照射光到空穴和电子的对再结合为止的时间比对光电转换层23p施加第三电压范围的偏压时更长。因此，不需要使曝光的时刻和信号读出的时刻必须一致。由于使曝光的时刻与信号读出的时刻不同较容易，因而就某一侧面来说对光电转换层23p施加第一电压范围的偏压对在光传感器的图像传感器中应用是有利的。
在对光电转换层23p施加了第一电压范围的偏压的状态下，光电转换层23p与像素电极21之间的绝缘层29a可作为储存由光电转换生成的空穴和电子中的一者的电容器起作用。伴随着电荷向该电容器储存，在连接部54发生静电感应，容量调制晶体管60中的有效栅极电压发生变化。因此，容量调制晶体管60的漏极电流的大小发生变化。在输出信号的读出结束后，例如对透明电极22施加与第二偏压相反极性的电压，由此实行用于使储存于作为电容器的绝缘层29a中的电荷复位的复位工作。另外，例如也可以通过用机械快门进行遮光来使储存于作为电容器的绝缘层29a中的电荷与储存于作为电容器的绝缘层29b中的电荷再结合。当然，也可以在对光电转换层23p施加了上述第三电压范围的偏压的状态下进行光的检测工作。在该情况下，不需要复位工作。
这样，也可以在光电转换层23p与像素电极21之间和光电转换层23p与透明电极22之间配置绝缘层。通过在光电转换层23p与像素电极21之间和光电转换层23p与透明电极22之间配置绝缘层，就算是在使杂质区域20d和透明电极22之间的电位差变大了的情况下，也能够抑制由光电转换生成的电荷向光电转换层23p的外部移动。因此，能够抑制余像的产生。此外，从抑制电荷向光电转换层23p的外部移动的观点考虑，只要在光电转换层23p与像素电极21之间和光电转换层23p与透明电极22之间中的至少一者配置绝缘层就行。作为绝缘层29a和/或绝缘层29b，也可以使用硅氮化物的膜、氧化铝的膜等来代替硅氧化膜。
在上述各实施方式中，对容量调制晶体管60和寻址晶体管30各自为N沟道MOS的例子进行了说明。但是，本申请的实施方式中的晶体管不限于N沟道MOS。容量调制晶体管60和寻址晶体管30可以为N沟道MOS，也可以为P沟道MOS。另外，不需要使它们统一为N沟道MOS或P沟道MOS中的任一者。作为寻址晶体管30，除了FET以外也可以使用双极型晶体管。形成在上述光传感器100A的杂质区域20d与杂质区域20s之间的沟道中的载流子可以为电子，也可以为空穴。
(相机***)
图10示意性地示出本申请的第四实施方式的相机***的构成例。图10所示的相机***300具有透镜光学***310、上述的光检测装置1000、***控制器330和相机信号处理部320。
透镜光学***310例如包含自动对焦用透镜、变焦用透镜和光圈。透镜光学***310将光向光检测装置1000的摄像面聚集。当光传感器的光电转换层23p使用在可见光的波长范围具有吸收的材料来形成时，可在光检测装置1000的摄像面上配置滤色器。光检测装置1000可具有纵列信号处理电路(也称为“行信号储存电路”)、水平信号读出电路(也称为“列扫描电路”)等作为***电路。
***控制器330对相机***300整体进行控制。***控制器330例如可通过微型计算机来实现。
相机信号处理部320作为对来自光检测装置1000的输出信号进行处理的信号处理电路起作用。相机信号处理部320例如进行伽马校正、颜色插值处理、空间插值处理和自动白平衡等处理。相机信号处理部320例如可通过DSP(数字信号处理器；Digital SignalProcessor)等来实现。
***控制器330和相机信号处理部320中的至少一者可以形成在光检测装置1000的半导体基板20上。通过将***控制器330和相机信号处理部320中的至少一者与光检测装置1000作为单一半导体装置来进行制造，能够将相机***300小型化。
产业上的可利用性
本申请的光传感器能够用于光检测装置、图像传感器等。通过适当地选择光电转换层的材料，还能够实现利用了红外线的图像获得。进行利用了红外线的摄像的光传感器例如能够用于安全摄像头(security camera)、搭载于车辆来使用的相机等。车辆搭载用相机例如可以被用作为了车辆安全行驶的对控制装置的输入。或者，可以用于为了车辆安全行驶的驾驶员支援。
符号说明
10A～10C 单位像素单元
12 电压供给电路
14 垂直扫描电路
20 半导体基板
20d、20s、30s 杂质区域
20t 元件分离区域
21 像素电极
22 透明电极
22g 透明栅极电极
23、33 栅极绝缘层
23p 光电转换层
24、34栅极电极
23x、29a、29b 绝缘层
26 红外线透过滤波器
30 寻址晶体管
40 多层布线
42 电源布线
44 寻址信号线
46 垂直信号线
48 栅极电压控制线
49 恒流源
50 层间绝缘层
54 连接部
60 容量调制晶体管
100A～100C 光传感器
230A 光电转换结构
230h 光电转换层
230p p型半导体层
230n n型半导体层
234 电子阻挡层
236 空穴阻挡层
300 相机***
310 透镜光学***
320 相机信号处理部
330 ***控制器
1000 光检测装置

Claims (8)

1.一种光传感器，其具备：
半导体层，该半导体层包含源极区和漏极区；
栅极绝缘层，该栅极绝缘层位于被所述半导体层的所述源极区和所述漏极区所夹持的区域上，并且包含光电转换层；
所述栅极绝缘层上的栅极电极；
电压供给电路，该电压供给电路对所述源极区和所述漏极区中的一者与所述栅极电极之间施加电压；以及
信号检测电路，该信号检测电路与所述源极区和所述漏极区中的另一者连接，
其中，所述光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在所述第一电压范围与所述第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比所述第一电压范围和所述第二电压范围小，
所述电压供给电路以使施加于所述光电转换层的偏压为所述第三电压范围内的方式施加所述电压，
所述信号检测电路对与由入射光而产生的所述光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述栅极绝缘层包含第一绝缘层，该第一绝缘层配置在所述光电转换层与所述半导体层之间。
3.根据权利要求1所述的光传感器，其具备遮光膜，该遮光膜配置在所述栅极电极与所述半导体层之间。
4.一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与所述第一电极相对置；
所述第一电极与所述第二电极之间的光电转换层；
栅极与所述第一电极电连接的晶体管；
电压供给电路，该电压供给电路对所述晶体管的源极和漏极中的一者与所述第二电极之间施加电压；以及
信号检测电路，该信号检测电路与所述晶体管的所述源极和所述漏极中的另一者连接，
其中，所述光电转换层具有下述光电流特性：具有第一电压范围、第二电压范围和第三电压范围，该第一电压范围是随着逆向的偏压增大而使输出电流密度的绝对值增大，该第二电压范围是随着正向的偏压增大而使输出电流密度增大，该第三电压范围是在所述第一电压范围与所述第二电压范围之间并且输出电流密度相对于偏压的变化率的绝对值比所述第一电压范围和所述第二电压范围小，
所述电压供给电路以使施加于所述光电转换层的偏压为所述第三电压范围内的方式施加所述电压，
所述信号检测电路对与由入射光而产生的所述光电转换层的容量变化相对应的电信号进行检测。
5.根据权利要求4所述的光传感器，其中，所述第一电极具有遮光性。
6.根据权利要求4所述的光传感器，其具备第一绝缘层和第二绝缘层中的至少一者，该第一绝缘层配置在所述第一电极与所述光电转换层之间，该第二绝缘层配置在所述第二电极与所述光电转换层之间。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光传感器，其中，所述第三电压范围为-1V～1V。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的光传感器，其中，当所述偏压为所述第三电压范围内时，流到所述光电转换层的电流密度为100μA/cm2以下。
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