JP2005347475A - 固体撮像素子、及び固体撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】良質な光電変換層を有し、感度が高く、且つ残像のない固体撮像素子、及び固体撮像システムを提供すること。
【解決手段】Ｓｉ基板に信号転送回路（図示せず）が形成された信号転送回路基板１２（シリコン基板）上に、光電変換部１４が設けられた固体撮像素子において、単層型の化合物半導体層からなる光電変換層２０で光電変換部１４を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ、スキャナー、複写機をはじめとする機器、バイオや化学センサーなどの光センサーに利用可能な固体撮像素子に関するものである。特に、単層型の光電変換層を有する固体撮像素子、及び固体撮像システムに関するものである。

従来、電荷転送路と略同一平面に光電変換層を設けた構造の固体撮像素子では、画素の高集積化に伴い，カラーフイルターでの光損失や受光素子の開口が光の波長と同程度のサイズとなり光が光電変換層に導波されにくくなるという欠点がある。このように、従来の固体撮像素子は光の利用効率が悪いことが問題となっている。

この問題を解決するために、光電変換層を積層構造にすることが提案されている（特開平５−１５２５５４号公報、特開平９−６４４０６号公報参照）。この提案では、光電変換層をアモルファス或いは多結晶で構成しているために、残像や暗電流が大きく、実用化に至っていないのが現状である。

加えて、シリコン基板へのエピタキシャル成長では温度が高く実用上問題があるると共に、シリコン基板上に低温で成長できる結晶も検討されているが良好な品質の膜が得られていないのが現状である。

特開平５−１５２５５４号公報 特開平９−６４４０６号公報

本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明の目的は、良質な光電変換層を有し、感度が高く、且つ残像のない固体撮像素子、及び固体撮像システムを提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の個体撮像素子は、
外部からの入射光により信号を生成する光電変換部と、
表面上に前記光電変換部が設けられると共に、前記光電変換部から生成した前記信号を読み出す信号転送回路が設けられた半導体基板と、
を有する固体撮像素子において、
前記光電変換部を構成する光電変換層は、化合物半導体層の単層構造で構成されていることを特徴としている。

本発明の固体撮像素子では、光電変換部を構成する光電変換層として、化合物半導体層の単層構造で構成させる。この化合物半導体層は、良好な結晶性や格子整合性を持つため、高速に電荷が移動し、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能である。このため、感度が高く、且つ残像が少なくなる。また、半導体基板上に光電変換部を設けているので、半導体基板に設けられた信号転送回路と同一面ないに光電変換部を設けた場合よりも、受光面を大きく形成できるので画素の微細化も可能である。

本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、ＧａＡｓに格子整合する、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層、又はＩｎＧａＡｓＰ層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、可視領域に光吸収波長（バンドギャップ）を持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、可視領域の受光が可能となる。

本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層、又は、ＡｌＧａＮ層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、可視から紫外領域にバンドギャップを持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、紫外光の受光が可能となる。

本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、ＩｎＰに格子整合する、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、赤外領域にバンドギャップを持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、赤外光の受光が可能となる。

本発明の固体撮像素子において、前記光電変換層は、そのバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体により埋め込まれていることが好適である。この構成により、暗電流をより低減され、より効果的に、感度が高く、且つ残像が少なくなる。

本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部上に、受光面を除いて遮光膜が設けられていることが好適である。この構成により、固体撮像素子（或いは光電変換部）をアレイ化しても、混色を効果的に防止することができる。

本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の受光面上に、マイクロレンズが設けられていることが好適である。この構成により、光電変換部の受光面へ入射する光の集光効率が向上する。

本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の受光面上に、カラーフィルタが設けられていることが好適である。この構成により、色分離が行えるようになる。

本発明の固体撮像システムは、上記本発明の固体撮像素子を備え、前記光電変換部がアレイ化されると共に、その光電変換部の受光面上にカラーフィルターを設け、
前記カラーフィルターが４色からなり，その透過の極大値が４２０〜４８０ｎｍ（Ｂ）、４８０〜５２０ｎｍ（ＧＢ）、５２０〜５６０ｎｍ（Ｇ）、５８０〜６２０ｎｍ（Ｒ）にあり、
ＲＧＢ表色系における各原色の刺激値に対応する夫々の色信号を発生する光電変換部により撮像し、これらの色信号に対し負感度成分を加味する演算処理を行うことによって色再現を実現せしめ、
前記ＲＧＢ表色系における青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色のスペクトル領域（ＧＢ）に対応する色信号を発生する光電変換部により撮像し、当該光電変換部により発生した色信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめることを特徴としている。

本発明の固体撮像システムでは、透過の極大値が４２０〜４８０ｎｍ（Ｂ）、４８０〜５２０ｎｍ（ＧＢ）、５２０〜５６０ｎｍ（Ｇ）、５８０〜６２０ｎｍ（Ｒ）のカラーフィルターを用いると共に、人の分光感度に合せるように赤色の負の感度補正を行う。上記カラーフィルターを用いて、三原色に対応する光電変換部（受光エレメント）から出力した色信号と負感度のスペクトル領域（ＧＢ）に対応する光電変換部（受光エレメント）から得られた色信号との減算処理を行うことにより、負感度の特性を有する色信号を擬似的に発生させるようにしたので、従来に較べて色再現領域を拡大することができ、この負感度の特性を有する色信号で輝度信号又は色差信号を形成して画像を再生すると、鮮明な映像を表現することができる。

本発明によれば、良質な光電変換層を有し、感度が高く、且つ残像のない固体撮像素子、及び固体撮像システムを提供することができる。

以下、本発明について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、実質的に同じ機能を有する部材には全図面通して同じ符号を付与して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。

本実施形態に係る固体撮像素子１０は、Ｓｉ基板に信号転送回路（図示せず）が形成された信号転送回路基板１２（半導体基板）上に、光電変換部１４が設けられている。また、光電変換部１４は、その側面を覆うように絶縁性の封止材１６により封止されている。また、その受光面上には、受光面を保護するために、光電変換部１４の最上層上に透明絶縁膜１８が設けられている。

光電変換部１４は、単層型の光電変換層２０により構成されている。光電変換層２０は、例えば、ＧａＡｓからなる化合物半導体層で構成している。具体的には、光電変換層２０は、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ、ｉ−ＧａＡｓ層２０ｂ及びｐ−ＧａＡｓ層２０ｃから構成されている。

そして、光電変換層２０には、はんだなどで構成されたｎ側電極２２、ｐ側電極２４が設けられている。電極とのオーミックコンタクトを図るため、ｎ側電極２２はｎ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２６を介して、ｐ側電極２４はｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２８を介して光電変換層２０に設けられている。なお、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａがコンタクト層２６を兼ねている。また、ｐ−ＧａＡｓ層２０ｃがコンタクト層２８を兼ねている。

光電変換層２０は、ｎ側電極２２を介して信号転送回路基板１２に形成された画素電極３０に接続され、ｐ側電極２４を介して共通電極３２に接合されている。

光電変換層２０おいては、受光面において光が入射すると、入射光に対して信号（信号電荷、信号電流）を生成し、画素電極３０を通じて当該信号が信号転送回路へと送られる。

信号転送回路基板１２は、シリコン基板で構成され、半導体プロセスにより信号転送回路（図示せず）が形成されいる。また、光電変換部１４からの信号を信号転送回路へ送るための画素電極３０が設けられている。また、共通電極３２が絶縁層３４を介して設けられている。

信号転送回路は通常の読み出し回路を用いることができる。光電変換部１４（以下、受光部）で光／電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、いわゆる電荷結合素子（ＣＣＤ）や、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。ＣＣＤを適用した転送読み出し方式として、画素の電荷信号を転送スイッチにより、アナログシフトレジスタに転送する電荷転送部を有しており、レジスタの動作で信号を出力端に準じ読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス（ｌｉｎｅａｄｄｒｅｓｓ）型、フレーム転送（ｆｒａｍｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型やインターライン転送（ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型、フレームインターライン転送（ｆｒａｍｅ ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造３相構造や４相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが特に、こだわらず任意の構造を適用できる。

他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（又は電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを棟して順番に出力端から読み出される。

出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。

信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。

以下、本実施形態に係る固体撮像素子１０の製造方法について説明する。なお、以下の化合物半導体層の積層は、例えば有機金属気相成長法や分子線エピタキャシャル成長法により行われる。

まず、図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板３６上に、ＧａＡｓバッファ層３８、ＩｎＧａＰエッチング阻止層４０を順次積層する。引き続き、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ（ｎ−ＧａＡｓコンタクト層２６）、ｉ−ＧａＡｓ層２０ｂ、及びｐ−ＧａＡｓ層２０ｃ（ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８）を順次積層する。そして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８上に、ｐ側電極２４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成すると共に、所望の形状にパターニングを施す。

このようにして、ＧａＡｓ基板３６上に、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ及びｉ−ＧａＡｓ層２０ｂからなる光電変換層２０で構成された光電変換部１４が作製される。

次に、図２（ｂ）に示すように、光電変換部１４を設けたＧａＡｓ基板３６を用い、別工程で作製された信号転送回路基板１２上に、所定のパターニングが施された共通電極３２とｐ側電極２４とを接合して光電変換部１４を配設する。その後、アンモニア系のエッチング液で、ＧａＡｓ基板３６とＧａＡｓバッファ層３８を除去する。そして、塩酸系のエッチング液で、ＩｎＧａＰエッチング阻止層４０を除去し、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａを露出させる。

次に、図２（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ上に、ｎ側電極２２としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを形成する。そして、ドライエッチングによる光電変換層２０の立体構造形成、封止材１６としてＳｉＯ₂積層、ビアホール形成、ビアプラグ形成などを施し、光電変換部１４における光電変換層２０を、ｎ側電極２２を介して信号転送回路基板１２に形成された画素電極３０に接続する。その後、光電変換部１４の受光面を保護するように透明絶縁膜１８を形成する。

このようにして、本実施形態に係る固体撮像素子１０を作製する。

以上、説明した本実施形態に係る固体撮像素子１０では、単層型の光電変換部１４を構成する光電変換層として、良好な結晶性や格子整合性を持った化合物半導体層を適用していので、この単層型の光電変換部１４は、高速に電荷が移動され、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能である。このため、本実施形態の固体撮像素子１０は、感度が高く、且つ残像が少なくなる。また、光電変換部１４は、高速に電荷を移動できるので、残像の問題がなく、デジタルビデオのような高速駆動においても良質な画像が得られる。

また、本実施形態の固体撮像素子１０では、赤外領域にバンドギャップを持つ光電変換層２０として、ＧａＡｓ層で構成した形態を示したが、これに代えて、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰ層や、ＩｎＧａＡｓＰ層で構成してもよい。特に、通常、固体撮像素子１０には、赤外カットフィルター（図示せず）を設ける必要があるが、この光電変換層２０を、ＩｎＧａＰ層で構成すると赤外カットフィルターが不要となる。

また、光電変換層２０は、可視から紫外領域にバンドギャップを持つものでもよく、例えば、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層、又は、ＡｌＧａＮ層で構成させることができる。

また、光電変換層２０は、赤外領域にバンドギャップを持つものでもよく、例えば、ＩｎＰに格子整合する、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層で構成させることもできる。

これらの化合物半導体層は、例えば、ナイトライド系の化合物半導体に比べ、結晶性が高く完全格子整合性を持っているため、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能な光電変換部１４となる。

本実施形態に係る固体撮像素子では、信号転送回路基板１２上に光電変換部１４を設けているので、信号転送回路基板１２に設けられた信号転送回路と同一面内に光電変換部１４を設けた場合よりも、受光面を大きく形成できるので画素の微細化も可能である。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。図４は、本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。

本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部１４を構成する光電変換層２０（ＧａＡｓ層）が、ＧａＡｓ層のバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有するＩｎＧａＰ層４２により埋め込まれた埋め込み構造である形態である。ここで、この埋め込み構造とは、光電変換層２０の側面が、上記半導体で覆われる構成のものをいう。これ以外の構成は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

以下、本実施形態に係る固体撮像素子１０の製造方法について説明する。なお、以下の化合物半導体層の積層は、例えば有機金属気相成長法や分子線エピタキャシャル成長法により行われる。

まず、図４（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板３６上に、ＧａＡｓバッファ層３８、ＩｎＧａＰエッチング阻止層４０を順次積層する。引き続き、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ、ｉ−ＧａＡｓ層２０ｂ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８を順次積層する。

次に、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８上に、図示しないＳｉＯ₂層を形成し、所望の形状にパターニングを施し、これをマスクとして、通常のリソグラフィーとドライエッチングにより、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ、ｉ−ＧａＡｓ層２０ｂ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８の周囲を除去する。そして、当該層の側面を覆うように、選択成長により、ＩｎＧａＰ層４２を埋め込み成長を行う。その後、マスクとしてのＳｉＯ₂層を除去し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２８上に、ｐ側電極２４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成すると共に、所望の形状にパターニングを施す。

このようにして、ＧａＡｓ基板３６上に、ＩｎＧａＰ層４２により埋め込まれたｎ−ＧａＡｓ層２０ａ及びｉ−ＧａＡｓ層２０ｂからなる光電変換層２０で構成された光電変換部１４が作製される。

次に、図４（ｃ）に示すように、光電変換部１４を設けたＧａＡｓ基板３６を用い、別工程で作製された信号転送回路基板１２上に、所定のパターニングが施された共通電極３２とｐ側電極２４とを接合して光電変換部１４を配設する。その後、アンモニア系のエッチング液で、ＧａＡｓ基板３６とＧａＡｓバッファ層３８を除去する。そして、塩酸系のエッチング液で、ＩｎＧａＰエッチング阻止層４０を除去し、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａを露出させる。

次に、図４（ｄ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ層２０ａ上に、ｎ側電極２２としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを形成する。そして、ドライエッチングによる光電変換層２０の立体構造形成、封止材１６としてＳｉＯ₂積層、ビアホール形成、ビアプラグ形成などを施し、光電変換部１４における光電変換層２０を、ｎ側電極２２を介して信号転送回路基板１２に形成された画素電極３０に接続する。その後、光電変換部１４の受光面を保護するように透明絶縁膜１８を形成する。

このようにして、本実施形態に係る固体撮像素子１０を作製する。

以上、説明した本実施形態に係る固体撮像素子では、光電変換層２０が、そのバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体により埋め込まれているため、暗電流をより低減され、より効果的に。感度が高く、且つ残像が少なくなる。

また、本実施形態では、光電変換層２０（ＧａＡｓ層）のバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体として、ＩｎＧａＰ層４２を適用した形態を示したが、これに限られず、光電変換層２０の構成材料により、適宜選択することができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。

本実施形態に係る固体撮像素子１０は、光電変換部１４上に遮光膜４４を設けて、受光面を除いて遮光した形態である。遮光膜４４は、例えば、光電変換部１４上に、受光面にマスクを施し、金属材料を蒸着することで形成することができる。これ以外の構成は第１実施形態と同様なので、説明を省略する。

本実施形態に係る固体撮像素子１０では、光電変換部１４上に遮光膜４４を設けて、受光面以外を遮光することで、固体撮像素子１０（或いは光電変換部１４）をアレイ化した場合、有効に混色を防止可能となる。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。

本実施形態に係る固体撮像素子１０は、光電変換部１４の受光面上にマイクロレンズ４６を設ける形態である。これ以外は、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。

本実施形態に係る固体撮像素子１０では、光電変換部１４の受光面上にマイクロレンズ４６を設けることで、入射光の集光効率が向上するため、より効果的に感度を向上させことができる。

（第５実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。

本実施形態に係る固体撮像素子１０は、光電変換部１４の受光面上にカラーフィルター４８を設けた形態である。これ以外は、第１実施形態と同様なので、説明を省略する。

ここで、固体撮像素子１０（或いは光電変換部１４）をアレイ化した場合のカラーフィルター４８配列例を図８〜図１１に平面図で示す。図８は３色で正方形のカラーフィルター４８を用いた場合を示している。図９は３色で六角形のカラーフィルター４８を用いた場合を示している。図１０は４色で正方形のカラーフィルター４８を用いた場合を示している。図１１は４色で六角形のカラーフィルター４８を用いた場合を示している。なお、同図中、Ｂはその透過の極大値が４２０〜４８０ｎｍ範囲に分光感度の極大を有する青色、Ｇ₂はその透過の極大値が４８０〜５２０ｎｍ範囲に分光感度の極大を有するエメラルドクリーン（青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色のスペクトル領域（ＧＢ）に相当）、Ｇ₁はその透過の極大値が５２０〜５６０ｎｍ範囲に分光感度の極大を有する緑色、Ｒはその透過の極大が５８０〜６２０ｎｍ範囲に分光感度の極大を有する赤色のカラーフィルター４８を示している。これらのカラーフィルター４８の下部にカラーフィルター４８と相似形状の光電変換部１４（固体撮像素子１０）が設けられている。

このように、本実施形態に係る固体撮像素子１０では、アレイ化した場合、光電変換部１４の受光面上に、複数色のカラーフィルター４８を設けることで、例えば、３色分離構造や４色分離構造を可能となる。

（第６実施形態）
本実施形態に係る固体撮像システムは、上記実施形態に係る固体撮像素子１０をアレイ化し（光電変換部１４をアレイ化）、４色のカラーフィルターを設けた形態である。本実施形態では、この４色の各カラーフィルターを設けた光電変換部１４を受光エレメントという（カラーフィルターの配列は図１０及び図１１参照）。

本実施形態に係る固体撮像システムは、電荷結合型固体撮像デバイス（ＣＣＤ）で撮像する場合のシステムであり、多数の受光エレメントがマトリクス状に配列された受光部（光電変換部１４）であり、例えば、垂直走査方向に１０００行、水平走査方向に８００列の合計８０万画素分の受光エレメントが設けられる。これらの受光エレメントは、例えば、緑の色信号を発生するための２種類の微細フィルタＧ₁、Ｇ₂を交互に設けた第１の行と、赤と青の色信号を発生するための微細フィルタＲ，Ｂを交互に設けた第２の行を、垂直走査方向に交互に形成して配列する。これらの配列方向は、四角形のカラーフィルターの場合は対角方向、六角形のカラーフィルターの場合は対辺方向を示している。

ここで、第５実施形態で示したように、緑のフィルタＧ₁は約５２０ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲に分光感度の極大を有し、一方、エメラルドグリーンのフィルタＧ₂は約４８０ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲に分光感度の極大を有し、赤のフィルタＲは約５８０ｎｍ〜６２０ｎｍの範囲に分光感度の極大を有し、青のフィルタＢは約４２０ｎｍ〜４８０ｎｍに分光感度の極大を有している。また、エメラルドグリーンのフィルタＧ₂の感度領域を赤の負感度領域（図１２参照）に略等しく設定すると共に、このフィルタＧ₂とＧ₁の分光特性を併せると約４６０ｎｍ〜６４０ｎｍの波長範囲の分光特性となるように設計される。

このような各受光エレメントから発生する信号（信号電荷、信号電流）は、相互に隣接関係にある第１の行と第２の行の受光エレメントに発生する信号電荷を一対として同時に垂直走査読出しを行い、第１の行の緑（Ｇ₁）とエメラルドグリーン（Ｇ₂）に関する信号電荷が水平電荷転送路を介して読出され、第２の行の赤（Ｒ）と青（Ｂ）に関する信号電荷が水平電荷転送路を介して読出される。

水平電荷転送路を介して読出した各信号は、マルチプレサグにより、点順位の周期に同期して切換え動作することにより、各色信号を分離する。第２の行の赤（Ｒ）と青（Ｂ）に関しては、赤の色信号Ｓ_Rと青の色信号Ｓ_Bを分離し、第１の行の緑（Ｇ₁）とエメラルドグリーン（Ｇ₂）に関しては、緑の色信号Ｓ_G1とエメラルドグリーンの色信号Ｓ_G2を分離する。

そして、演算回路において、夫々に分離された色信号Ｓ_R、Ｓ_B、Ｓ_G1、Ｓ_G2に基づいて次式（１）〜（３）の演算を行うことにより、負感度成分を補償した新たな赤（Ｒ′）、青（Ｂ′）及び緑（Ｇ′）の色信号を形成する。即ち、マルチプレクサから所定タイミングに同期して出力される色信号をＳ_R（ｔ），Ｓ_B（ｔ），Ｓ_G1（ｔ），Ｓ_G2（ｔ）、新たな色信号をＲ′（ｔ），Ｂ′（ｔ），Ｇ′（ｔ）の時間関数で示すものとすると、
Ｇ′（ｔ）＝Ｓ_G1（ｔ）＋ｋ₁×Ｓ_G2（ｔ）−｛ｋ₂×Ｓ_B（ｔ）＋ｋ₃×Ｓ_R（ｔ）｝……（１）
Ｒ′（ｔ）＝Ｓ_R（ｔ）−〔ｋ₄×Ｓ_G2（ｔ）−ｋ₇×Ｓ_B（ｔ）〕……（２）
Ｂ′（ｔ）＝Ｓ_B（ｔ）−〔ｋ₅×Ｓ_G1（ｔ）＋ｋ₆×Ｓ_R（ｔ）〕……（３）
となる。

式中、ｋ₁〜ｋ₇は実験等により予め設定される係数であり、実際に近い色信号Ｒ′（ｔ），Ｂ′（ｔ），Ｇ′（ｔ）が得られるように調整して決められる。

ここで、図１２に、カラーフィルタの理想的な分光特性を示す等色関数であり、横軸が波長、縦軸が刺激値（ルーメン）であり、図中の実線Ｆ_Rが赤色フィルタの理想的な分光特性、破線Ｆ_Gが緑色フィルタの理想的な分光特性、点線Ｆ_Bが青色フィルタの理想的な分光特性を示す。また、これらの負の刺激値（負感度成分）を、斜線部分α，β，γ，δで示す。

この理想的な分光特性に対し、上記式（１）によれば、図１２中における約４００ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲の負感度成分αと約６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲の負感度成分δを含んだ理想に近い緑色信号（図１２の破線Ｆ_Gを参照）を擬似的に形成することができる。

また、上記式（２）によれば、図１２中における約４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲の負感度成分βと４２０〜４００ｎｍの範囲の正感度成分εとを含んだ理想に近い赤色信号（図１２の実線Ｆ_Rを参照）を形成することができる。

また、上記式（３）によれば、図１２における約５３０ｎｍ〜６２０ｎｍの範囲の負感度成分γを含んだ理想に近い青色信号（図１２の点線Ｆ_Bを参照）を形成することができる。

即ち、上記式（１）〜（３）によって形成した色信号Ｒ′（ｔ），Ｂ′（ｔ），Ｇ′（ｔ）は、図１２に示す理想的な分光特性に近づき、同時に理想の三原色（Ｒ），（Ｇ），（Ｂ）に近づき、色再現可能な領域を拡大することとなる。

そして、これらの新たな色信号Ｒ′（ｔ），Ｂ′（ｔ），Ｇ′（ｔ）に基づいて例えば標準テレビジョン方式に準拠した輝度信号や色差信号を形成して、モニタで画像再生を行うと、従来に較べて鮮明な再生画像を得ることができる。

このように、本実施形態に係る固体撮像システムでは、少なくとも赤の負感度領域の波長に対する分光感度を有する受光エレメント（本実施形態ではエメラルドグリーンのカラーフィルターを設けた光電変換部１４）を設け、この受光エレメントから出力した色信号を少なくとも赤の色信号から所定の比率で減算処理することにより新たな赤（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめるようにしたので、従来再現することが不可能であった中間色を再生することができることとなり、より自然で鮮明な再生映像が得られる。

なお、本実施形態に係る固体撮像システムは、特許２８７２７５９号にその詳細な原理や作用が記載されており、他の実施形態は当該明細書に準じて実施することができる。

なお、上記何れの実施形態も組み合わせて実施することができる。また、上記何れの実施の形態においても、限定的に解釈されるものではなく、本発明の要件を満足する範囲内で実現可能であることは、言うまでもない。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。 本発明の第３実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の第４実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルターの配列例を示す平面図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルターの配列例を示す平面図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルターの配列例を示す平面図である。 本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子におけるカラーフィルターの配列例を示す平面図である。 カラーフィルターの理想的な分光特性を示す等色関数の図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１２ 信号転送回路基板
１４ 光電変換部
１６ 封止材
１８ 透明絶縁膜
２０ 光電変換層
２２ ｎ側電極
２４ ｐ側電極
２６ コンタクト層
２８ コンタクト層
３０ 画素電極
３２ 共通電極
３４ 絶縁層

Claims (9)

1. 外部からの入射光により信号を生成する光電変換部と、
   表面上に前記光電変換部が設けられると共に、前記光電変換部から生成した前記信号を読み出す信号転送回路が設けられた半導体基板と、
   を有する固体撮像素子において、
   前記光電変換部を構成する光電変換層は、化合物半導体層の単層構造で構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記半導体基板はシリコン基板からなり、
   前記光線変換層は、ＧａＡｓに格子整合する、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層、又はＩｎＧａＡｓＰ層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記半導体基板はシリコン基板からなり、
   前記光線変換層は、ＩｎＰに格子整合する、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記光電変換層は、そのバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体により埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 前記光電変換部上に、受光面を除いて遮光膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
6. 前記光電変換部の受光面上に、マイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記光電変換部の受光面上に、カラーフィルターが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像素子を備え、前記光電変換部がアレイ化されると共に、その光電変換部の受光面上にカラーフィルターが設けられた固体撮像システムであって、
   前記カラーフィルターが４色からなり，その透過の極大値が４２０〜４８０ｎｍ（Ｂ）、４８０〜５２０ｎｍ（ＧＢ）、５２０〜５６０ｎｍ（Ｇ）、５８０〜６２０ｎｍ（Ｒ）にあり、
   ＲＧＢ表色系における各原色の刺激値に対応する夫々の色信号を発生する光電変換部により撮像し、これらの色信号に対し負感度成分を加味する演算処理を行うことによって色再現を実現せしめ、
   前記ＲＧＢ表色系における青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色のスペクトル領域（ＧＢ）に対応する色信号を発生する光電変換部により撮像し、当該光電変換部により発生した色信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめることを特徴とする固体撮像システム。
9. 前記半導体基板はシリコン基板からなり、
   前記光線変換層は、ＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層、又は、ＡｌＧａＮ層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。

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