JP2016167563A - 半導体装置、および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノイズの低減を図る。【解決手段】シリコン基板16は、第1半導体領域14と、第2半導体領域12と、を光入射側の第1面18に沿って交互に連続して配列した基板である。第1半導体領域14は、第1濃度の不純物がドープされた、p型およびn型の一方の型の半導体領域である。第2半導体領域12は、第1濃度より低い第2濃度の不純物がドープされた、他方の型の半導体領域である。光電変換層20は、シリコン基板16の第1面18側に配置されている。終端層22は、シリコン基板16と光電変換層20との間に配置されると共に、シリコン基板16の第1面18に接触配置され、シリコン基板16のダングリングボンドを終端する層である。電極層24は、光電変換層20の光入射側に設けられている。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置、および撮像装置に関する。
光電変換膜で光電変換された電荷を読み出す半導体装置が知られている。例えば、光電変換膜を挟むように電極層を配置し、一方の電極層にp型の半導体領域とn型の半導体領域とを含むシリコン基板をオーミックコンタクトさせた構成が知られている。また、光電変換膜を、半導体領域および転送トランジスタを介して浮遊拡散領域に接続する技術も開示されている。
ここで、半導体装置から読み出した信号には、浮遊拡散領域の容量などに依存するノイズが含まれる場合がある。ノイズ除去する技術としては、Si基板からなる光電変換膜に光電変換機能と電荷蓄積機能とを持たせ、相関二重サンプリング(CDS)と呼ばれるノイズ除去手法を用いた技術が開示されている。
しかし、従来技術では、読み出し信号に含まれるノイズを除去することができない場合があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノイズの低減を図ることができる、半導体装置、および撮像装置を提供することを目的とする。
実施形態の半導体装置は、シリコン基板と、光電変換層と、終端層と、電極層と、を備える。シリコン基板は、第1濃度の不純物がドープされた、p型およびn型の一方の型の第1半導体領域と、前記第1濃度より低い第2濃度の不純物がドープされた、他方の型の第2半導体領域と、を光入射側の第1面に沿って交互に連続して配列してなる。光電変換層は、シリコン基板の第1面側に配置されている。終端層は、シリコン基板と光電変換層との間に配置されると共に、シリコン基板の第1面に接触配置され、シリコン基板のダングリングボンドを終端する。電極層は、光電変換層の光入射側に設けられている。
以下に添付図面を参照して、本実施の形態の詳細を説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、半導体装置10の一例を示す図である。半導体装置10は、被写体を撮影して画像データを得る撮像装置100などに適用可能である。
図1は、半導体装置10の一例を示す図である。半導体装置10は、被写体を撮影して画像データを得る撮像装置100などに適用可能である。
半導体装置10は、シリコン基板16と、光電変換層20と、終端層22と、電極層24と、読出回路28と、電圧印加部44と、を備える。
半導体装置10は、読出回路28、シリコン基板16、終端層22、光電変換層20、および電極層24を、この順に積層した積層体である。本実施の形態の半導体装置10は、電極層24側からシリコン基板16側に向かって入射する光を受光し、光電変換層20で光電変換を行う。そして、半導体装置10は、変換された電荷による信号を、読出回路28で読み出す。
すなわち、本実施の形態の半導体装置10は、裏面照射型CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサに、光電変換層20および電極層24が積層された、積層型イメージセンサである。裏面照射型とは、シリコン基板16における、光入射側とは反対側に読出回路28が設けられた構成を示す。
シリコン基板16は、第2半導体領域12と、第1半導体領域14と、を第1面18に沿って交互に配列した構成である。第1面18は、シリコン基板16における、半導体装置10への光入射側の面である。言い換えると、第1面18は、シリコン基板16における、光電変換層20側の面である。
第1半導体領域14は、第1濃度の不純物をドープした半導体領域である。第1半導体領域14は、p型およびn型の一方の型である。第2半導体領域12は、第1濃度より低い第2濃度の不純物をドープした半導体領域である。第2半導体領域12は、p型およびn型の内、他方の型である。
例えば、光電変換層20による光電変換によって得られる電荷が電子である場合、第2半導体領域12はn−型の半導体領域であり、第1半導体領域14はp+型の半導体領域である。一方、光電変換層20による光電変換によって得られる電荷がホールである場合、第2半導体領域12はp−型の半導体領域であり、第1半導体領域14はn+型の半導体領域である。
第1半導体領域14は、GNDに固定されている。このため、第1半導体領域14に対する第2半導体領域12の相対電位差は、固定である。
第1半導体領域14がp+型であり、第2半導体領域12がn−型である場合、第1半導体領域14は第2半導体領域12より電位が低い。このため、第1半導体領域14は、第2半導体領域12内の電子に対する、ポテンシャル障壁として機能する。
同様に、第1半導体領域14がn+型であり、第2半導体領域12がp−型である場合、第1半導体領域14は第2半導体領域12より電位が高い。この場合、第1半導体領域14は、第2半導体領域12内のホールに対する、ポテンシャル障壁として機能する。
ここで、第2半導体領域12と、該第2半導体領域12に隣接する第1半導体領域14における一部の領域と、を含む領域を、1つの画素領域Bとする。
上述したように、第1半導体領域14は、ポテンシャル障壁として機能する。このため、第1半導体領域14は、隣接する他の画素領域Bにおける第2半導体領域12からの電荷の混入を防止する、画素分離領域として機能する。また、第2半導体領域12は、光電変換層20で変換された電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能する。
以下では、特に説明の無い場合には、電荷が電子であるものとして説明する。また、以下では、第2半導体領域12がn−型であり、第1半導体領域14がp+型である場合を説明する。
なお、本実施の形態の半導体装置10では、電荷がホールであり、第2半導体領域12がp−型であり、第1半導体領域14がn+型であってもよい。
上述したように、第1半導体領域14は、第1濃度の不純物をドープした半導体領域である。第2半導体領域12は、第1濃度より低い第2濃度の不純物をドープした半導体領域である。
第1濃度は、第2濃度より高い濃度であればよい。第1濃度は、具体的には、1.0×1014cm−3〜1.0×1017cm−3の範囲内であることが好ましく、1.3×1014cm−3〜3.6×1016cm−3の範囲内であることが更に好ましい。
これらの第1半導体領域14および第2半導体領域12は、シリコン層17(図2参照、詳細後述)への不純物のドープにより形成される。このとき、ドープする不純物の濃度を、第1濃度および第2濃度の各々に調整することで、第1半導体領域14および第2半導体領域12が形成される。
第1半導体領域14の不純物の第1密度と、第2半導体領域12の不純物の第2密度と、は、下記式(1)の関係を満たすことが好ましい。
Na>Nd×Aa/Ad ・・・式(1)
式(1)中、Naは、第1半導体領域14の不純物の第1密度を表す。Ndは、第2半導体領域12の不純物の第2密度を表す。Aaは、1つの画素領域Bにおける、第1半導体領域14の占める面積を表す。Adは、1つの画素領域Bにおける、第2半導体領域12の占める面積を表す。通常、Aaは、Ad未満である(Aa<Ad)。
なお、1つの画素領域Bにおける第1半導体領域14の占める面積、および第2半導体領域12の占める面積は、各々、シリコン基板16の画素領域Bの、第1面18に平行な断面における、第1半導体領域14の面積および第2半導体領域12の面積の各々に相当する。第1面18に平行とは、半導体装置10における、シリコン基板16、終端層22、光電変換層20、および電極層24の積層方向に対して直交する方向に相当する。
第1半導体領域14の不純物の第1密度と、第2半導体領域12の不純物の第2密度と、が上記式(1)に示す関係を満たすことで、第2半導体領域12を完全に空乏化することができる。
第1半導体領域14の不純物の第1密度Naは、例えば、1×1017cm−3〜1×1018cm−3の範囲である。また、第2半導体領域12の不純物の第2密度Ndは、例えば、1×1016cm−3〜1×1017cm−3である。しかし、第1密度Naおよび第2密度Ndの値は、これらの範囲の値に限定されない。
第2半導体領域12および第1半導体領域14の厚みは限定されない。第2半導体領域12および第1半導体領域14の厚みは、例えば、5μmである。
読出回路28は、シリコン基板16の第2面26側に設けられている。第2面26は、シリコン基板16における光入射側である第1面18の反対側の面である。読出回路28は、第2半導体領域12に蓄積された電荷を、信号として読み出す回路である。読出回路28の詳細は後述する。
次に、光電変換層20について説明する。光電変換層20は、シリコン基板16の第1面18側に配置されている。
光電変換層20は、電極層24を介して入射した光を電荷に変換する層である。光電変換層20は、例えば、可視全域を光電変換するアモルファスシリコンなどの無機材料や、CIGS(銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物)や、有機材料などを主成分とする。主成分とする、とは、70%以上の含有率であること示す。また、光電変換層20として、パンクロ感光性の有機光電変換膜を用いてもよい。
光電変換層20の構成材料は限定されない。但し、光電変換層20のシリコン基板16側において、光電変換層20とは異なる波長領域の光をさらに光電変換する場合には、光電変換層20は、波長選択性を有する必要がある。波長選択性とは、光電変換対象の波長領域以外の波長の光を透過させることを示す。この場合、光電変換層20は、キナクリドンや、サブフタロシアニン等を含む構成とすればよい。
なお、光電変換層20は、有機材料を主成分とすることが好ましい。
有機材料を主成分とする光電変換層20を用いると、有機材料を主成分としない場合に比べて、光電変換層20の抵抗率を高くすることが出来る。光電変換層20の抵抗率が高いほど、光電変換層20で発生した電荷が、光電変換層20における、他の画素領域Bに対応する領域へと広がることを抑制することができる。言い換えると、他の画素領域Bからの電荷が各画素領域Bに混入することを抑制することができる。
なお、光電変換層20における、各画素領域Bに対応する領域とは、光電変換層20における、各画素領域Bに対して終端層22を介して厚み方向に隣接する領域である。厚み方向は、半導体装置10の厚み方向であり、シリコン基板16、終端層22、および光電変換層20の積層方向と一致する。
また、有機材料を主成分とする光電変換層20を用いた場合、以下の効果も得られる。上述のように、有機材料を主成分とする光電変換層20を用い、光電変換層20とシリコン基板16とを電極層(下部電極層)を介さずに積層することによって、下部電極層の微細加工が不要となる。また、シリコン層17への不純物のドーピング濃度を調整することで、第2半導体領域12と第1半導体領域14とを含む画素領域Bを容易に形成することができる。
本実施の形態の半導体装置10では、光電変換層20は、電荷蓄積領域として機能する第2半導体領域12の配列方向に沿って、連続して設けられた連続膜である。すなわち、光電変換層20は、複数の画素領域Bに渡って連続して設けられている。
電極層24は、光電変換層20の光入射側に設けられている。電極層24は、半導体装置10で検出対象の波長領域の光を透過し、且つ導電性を有する材料で構成すればよい。電極層24は、例えば、ITO、グラフェン、ZnOなどで構成する。
電極層24の厚みは限定されない。電極層24の厚みは、例えば、35nmである。
終端層22は、シリコン基板16と光電変換層20との間に配置されている。終端層22は、シリコン基板16の第1面18に少なくとも接触して配置されている。終端層22は、光電変換層20に対しては他の層を介して配置されていてもよい。すなわち終端層22は、光電変換層20に対しては非接触に配置されていてもよい。
なお、終端層22は、シリコン基板16と光電変換層20の双方に接触して配置されていることが好ましい。すなわち、終端層22は、シリコン基板16の第1面18と、光電変換層20のシリコン基板16側の第3面19と、の双方に接触配置されていることが好ましい。
終端層22は、シリコン基板16の表面のダングリングボンドを終端する層である。
ここで、シリコン基板16表面の未終端のダングリングボンド上に光電変換層20を積層したと仮定する。シリコン基板16表面の未終端のダングリングボンド上に光電変換層20を積層すると、シリコン基板16と光電変換層20との界面で界面準位が形成される。界面準位は、光電変換層20で変換された電荷のトラップとして作用する。
界面準位がトラップとして作用することで、読出回路28で読み出された信号には、ノイズや残像が生じる。また、界面準位がトラップとして作用することで、シリコン基板16と光電変換層20との界面でバンド曲りが発生し、光電変換膜20からシリコン基板16への電荷の完全転送が妨げられる。
そこで、本実施の形態の半導体装置10は、第1面18と光電変換層20との間に、終端層22を備える。終端層22は、シリコン基板16の表面のダングリングボンドを終端する。
終端層22は、シリコン基板16の表面のダングリングボンドを終端する機能を有する層であればよい。終端層22は、例えば、シリコン酸化膜である。
また、例えば、終端層22は、シリコン層17における、シリコン層17の表面の全てのダングリングボンドを水素で終端した領域であってもよい。図2は、終端層22の説明図である。
図2に示すように、シリコン層17を用意する。シリコン層17は、未終端のシリコン基板16である。シリコン層17は、第1半導体領域14と、第2半導体領域12と、を表面に沿って交互に連続して配列した層である。そして、シリコン層17の表面を、例えばフッ酸で処理することにより、該表面のダングリングボンドを水素で終端する。
この場合、終端層22は、シリコン層17における、表面のダングリングボンドを水素で終端した領域である。すなわち、この場合、終端層22は、シリコン層17の表面における、結合に関与しない結合手を水素原子によって終端した、Si−H層となる。また、この場合、シリコン基板16は、シリコン層17における、終端層22の、第2面26側に連続する領域である。
終端層22の厚みは、光電変換層20で生成された電荷がシリコン基板16側に通過可能な厚みであればよい。例えば、終端層22がシリコン酸化膜である場合、終端層22の厚みは、2nm以下であることが好ましい。例えば、終端層22の厚みは、1.5nmであってもよい。
終端層22がシリコン酸化膜である場合、膜内の電界強度が1〜2MV/cmになると、ダイレクトトンネリング現象が発生する。ダイレクトトンネリングとは、光電変換層20からシリコン基板16側へドリフトしてきた電荷の略100%が、終端層22を介してシリコン基板16側へ通過することを示す。この観点から、終端層22がシリコン酸化膜である場合、2nm以下の厚みであることが好ましい。
図1に戻り、次に、本実施の形態の半導体装置10における、電荷の流れを説明する。
上述のように構成された半導体装置10に、電極層24側から光電変換層20へ向かって光が入射すると、光電変換層20が入射した光を電荷に変換する。
光電変換層20で生成された電荷は、半導体装置10の厚み方向に形成される電界によって、光電変換層20内をシリコン基板16側に向かってドリフトし、終端層22へ到る。半導体装置10の厚み方向とは、半導体装置10を構成する各層の積層方向に一致する。
このとき、上述したように、光電変換層20が有機材料を主成分とする構成であると、光電変換層20で生成された電荷が、積層方向に交差する方向へ移動して他の画素領域Bに向かってドリフトすることが抑制される。
ここで、上述したように、終端層22が設けられていない構成の場合、シリコン基板16と光電変換層20との界面に形成された界面準位により電荷がトラップされ、ノイズなどの原因となる。一方、本実施の形態の半導体装置10では、シリコン基板16と光電変換層20との間に終端層22が設けられている。
このため、光電変換層20内をシリコン基板16側に向かってドリフトして、光電変換層20の第3面19に到った電荷は、終端層22を介して完全に(略100%)シリコン基板16側へ通過する。
上述したように、シリコン基板16内の第1半導体領域14は、第2半導体領域12内に到った電荷に対する、ポテンシャル障壁として機能する。このため、第2半導体領域12と第1半導体領域14との間には、第1半導体領域14側から第2半導体領域12側へ向かって電荷をドリフトさせるような電界が発生する。よって、光電変換層20から終端層22を介してシリコン基板16に到った電荷は、第1半導体領域14側から第2半導体領域12側へ向かう電界によって、画素領域Bごとに、第2半導体領域12に集められる。
ここで、第2半導体領域12は空乏化されている。このため、光電変換層20で生成された電荷は、シリコン基板16に既に蓄積されている電荷と混じることなく第2半導体領域12に蓄積される。そして、第2半導体領域12に蓄積された電荷は、読出回路28によって信号として読み出される。
なお、第1半導体領域14が完全空乏化していない場合、第1半導体領域14における、厚み方向に直交する方向の中央部付近の領域は、電界の発生のないフラットバンドとなる。このため、光電変換層20から終端層22を介してシリコン基板16のこの領域に到った電荷は、第1半導体領域14における多数キャリアである電荷(ホールまたは電子)と即座に再結合する。そして、第2半導体領域12側へドリフトする。これにより、第1半導体領域14に電荷が長時間滞在することが抑制され、残像の発生も抑制される。
半導体装置10で光を電荷に変換するときには、電圧印加部44が、電極層24に電圧を印加する。
電圧印加部44が電極層24に印加する電圧は、終端層22を電荷がダイレクトトンネリング可能な電圧値以上の電圧値であればよい。
電圧印加部44が電極層24に印加する電圧の具体的な電圧値は、上記条件を満たすように、半導体装置10の構成に応じて適宜調整すればよい。
例えば、1つの画素領域Bのサイズが1μm×1μmであるとする。画素領域Bのサイズは、画素領域Bにおける、二次元平面である第1面18に対して平行な面のサイズである。また、シリコン基板16の厚みを5μmとする。また、1つの画素領域Bにおける第1半導体領域14の幅を125nmとする。1つの画素領域Bにおける第1半導体領域14の幅は、隣接する二つの第2半導体領域12間の間隔の1/2の長さに相当する。また、1つの画素領域Bにおける、第2半導体領域12のサイズは、750nm×750nmであるとする。そして、第1半導体領域14の飽和電子数を100000電子とする。第2半導体領域12の不純物の原子数は、該飽和電子数と等しくなる。
この場合、第2半導体領域12の不純物の第2密度Ndは、下記式(2)によって求められる。また、第1半導体領域14の不純物の第1密度Naの下限値(Namin)は、下記式(3)によって求められる。
Nd[cm−3]=100000/(750nm×750nm×5μm)・・式(2)
Namin=100000/{(1μm×1μm−750m×750nm)×5μm} ・・・式(3)
Namin=100000/{(1μm×1μm−750m×750nm)×5μm} ・・・式(3)
第1半導体領域14の不純物の第1密度が、上記式(3)によって示されるNaminの値を示す場合、第1半導体領域14内のフラットバンドエリアは消滅する。このため、式(3)の関係を満たす場合、第2半導体領域12と同様に、第1半導体領域14も完全空乏化される。
第2半導体領域12と第1半導体領域14の双方が完全空乏化すると、光電変換層20から終端層22を介してシリコン基板16へ転送されてきた全ての電荷が、複数の画素領域Bの内の何れかの画素領域Bの第2半導体領域12へドリフトする。このため、光電変換層20からシリコン基板16へ転送されてきた全ての電荷が、読出回路28によって読み出されることとなる。このため、上記式(2)および式(3)を満たす場合、半導体装置10をイメージセンサとして用いた場合の、実効的な開口率を最も高くすることができる。
第1半導体領域14の不純物の第1密度NaがNaminの場合、第2半導体領域12内の電位は、式(A)で表される。式(A)は、第2半導体領域12と第1半導体領域14との間(図1中のA−A’領域参照)の電位プロファイルを一次元で近似し、ポアソン方程式を解くことにより得られる。
式(A)中、Vbiは、第2半導体領域12内の電位を示す。εSiは、シリコンの誘電率を示す。ε0は、真空の誘電率を示す。Xpは、第2半導体領域12と第1半導体領域14との接合面からの距離(第1半導体領域14側)を示す。Xnは、第2半導体領域12と第1半導体領域14との接合面からの距離(第2半導体領域12側)を示す。qは、電気素量を示す。Naは、第1半導体領域14の第1密度である。Ndは、第2半導体領域12の第2密度である。
上記式(A)から、第2半導体領域12における、積層方向に直交する方向の中央部の電位は、4.53Vと見積もることができる。この場合、電極層24への印加電圧の電位と終端層22内の電界強度との関係は、図3に示すものとなる。
図3は、電極層24への印加電圧の電位と、終端層22内の電界強度と、の関係を示す線図である。
なお、図3では、光電変換層20として、厚み100nmの有機光電変換膜を用いた。また、終端層22として、1.5nm厚のシリコン酸化膜を用いた。そして、初期状態(線図50参照)と、飽和電荷量蓄積時(線図52)と、の各々における、終端層22内の電界強度の計算結果を図3に示した。初期状態とは、第2半導体領域12への蓄積電荷量が「0」であるときを示す。飽和電荷量蓄積時とは、第2半導体領域12と第1半導体領域14とのポテンシャル差が0Vであるときを示す。
ここで、上述のように、終端層22がシリコン酸化膜である場合、膜内の電界強度が1〜2MV/cmになると、ダイレクトトンネリング現象が発生する。このため、図3に示す結果から、第1半導体領域14の不純物の第1密度がNaminであり、第2半導体領域12の不純物の第2密度が上記式(2)を満たし、光電変換層20として厚み100nmの有機光電変換膜を用い、終端層22として1.5nm厚のシリコン酸化膜を用いた構成である場合、電極層24に−4V以下の負のバイアスを印加することで、ダイレクトトンネリング現象が発生する。
このため、この構成の場合、電圧印加部44は、電極層24に−4V以下の負のバイアスを印加すればよい。
次に、読出回路28について詳細を説明する。
図4は、読出回路28の構成を示した、半導体装置10の模式図である。読出回路28は、第2半導体領域12に蓄積された電荷を信号として読み出す。
読出回路28は、転送トランジスタ30と、第3半導体領域32と、配線層34と、を含む。
転送トランジスタ30は、第2半導体領域12に接続され、第2半導体領域12に蓄積された電荷を第3半導体領域32へ転送する。
転送トランジスタ30は、横型トランジスタであってもよいし、縦型トランジスタであってもよい。但し、転送トランジスタ30は、縦型トランジスタであることが好ましい。転送トランジスタ30として縦型トランジスタを用いることで、半導体装置10における画素領域Bを、より微細な領域とすることが可能となる。このため、半導体装置10を撮像装置100に適用した場合、より高画質の撮像装置100を提供可能となる。
第3半導体領域32は、転送トランジスタ30に接続され、転送トランジスタ30から転送された電荷を電圧に変換する。第3半導体領域32は、微小容量を有し、フローティングディフュージョンと称される。第3半導体領域32の変換ゲイン(電荷を電圧へ変換する際のゲイン)は、第3半導体領域32の容量により定まる。第3半導体領域32の容量が高いほど、変換ゲインも高い。第3半導体領域32は、配線層34に接続されている。
配線層34は、第3半導体領域32で変換された電圧を信号として出力する。本実施の形態では、配線層34は、リセットトランジスタ36と、アンプトランジスタ38と、セレクタトランジスタ40と、CDS(Correlated Double Sampling)42と、を含む。すなわち、本実施の形態の半導体装置10では、読出回路28は4つのトランジスタ(転送トランジスタ30、リセットトランジスタ36、アンプトランジスタ38、セレクタトランジスタ40)を含む構成である。
第3半導体領域32は、アンプトランジスタ38のゲートに接続されている。第3半導体領域32で変換された電圧は、アンプトランジスタ38のソースからセレクタトランジスタ40を介してCDS42へ出力される。
リセットトランジスタ36は、第3半導体領域32をソースとして接続されており、リセットトランジスタ36のドレインには、第3半導体領域32のリセットレベルとなる電源電位(Vrst)が接続されている。
CDS42は、相関二重サンプリングを行う回路であり、第3半導体領域32からアンプトランジスタ38およびセレクタトランジスタ40を介して出力された信号から、相関二重サンプリングによりノイズを除去する。そして、CDS42は、ノイズを除去した信号を、第2半導体領域12から読み出した信号として出力する。
図5は、読出回路28による信号の読み出しを示すタイミングチャートの一例である。読出回路28の制御は、図示を省略する制御部で行う。
図5中、線図60は、リセットトランジスタ36のオンオフを示す。線図62は、転送トランジスタ30のオンオフを示す。線図64は、第3半導体領域32のオンオフを示す。線図66は、電荷の蓄積された第2半導体領域12の電位を示す。線図68は、アンプトランジスタ38のオンオフを示す。
まず、タイミングt0の状態で、転送トランジスタ30をオン62Aにすると共に、リセットトランジスタ36をオン60Aにする。これにより、第2半導体領域12と第3半導体領域32のリセット動作を行う。このリセット動作により、第2半導体領域12の電位が初期状態となる。なお、このリセット動作は必須ではない。その理由は、本実施の形態では、第2半導体領域12から第3半導体領域32への電荷の転送は、完全転送であるためである。
次に、タイミングt1において、転送トランジスタ30をオフ62Bにする。同様に、リセットトランジスタ36をオフ60Bにする。転送トランジスタ30をオフ62Bにすることによって、第2半導体領域12への蓄積が開始される(図5中、蓄積期間C参照)。この蓄積期間では、光電変換層20で生成された電荷が終端層22を介してシリコン基板16へ到り、第2半導体領域12へ蓄積されていく。このため、第2半導体領域12の電位は、電荷(電子)の蓄積に伴って低下していく(線図66A参照)。
この蓄積期間が終了すると、タイミングt2において、転送トランジスタ30のオフ62Bを維持したまま、リセットトランジスタ36をオン60Cとする。これにより、第3半導体領域32のみがリセットされる。第3半導体領域32のリセット後(タイミングt3参照)、アンプトランジスタ38を、オフ68Aからオン68Bとすることで、アンプトランジスタ38が第3半導体領域32のリセットレベルを読み出す。読出し後、アンプトランジスタ38をオン68Bからオフ68Cとする。アンプトランジスタ38で読み出されたリセットレベルは、CDS42でサンプルホールドされる。
続いて、タイミングt4において転送トランジスタ30をオン62Cとする。これにより、第2半導体領域12に蓄積されていた電荷が第3半導体領域32へ完全転送される。この後、タイミングt5においてアンプトランジスタ38をオフ68Cからオン68Dとすることで、CDS42が信号レベルを読み出す。信号レベル読出し後、アンプトランジスタ38をオフにする。
CDS42では、読み出した信号レベルを、サンプルホールドしたリセットレベルを用いて、CDS処理することによって、信号を読み出す。
以上説明したように、本実施の形態の半導体装置10は、シリコン基板16と、光電変換層20と、終端層22と、電極層24と、を備える。シリコン基板16は、第1半導体領域14と、第2半導体領域12と、を光入射側の第1面18に沿って交互に連続して配列した基板である。第1半導体領域14は、第1濃度の不純物がドープされた、p型およびn型の一方の型の半導体領域である。第2半導体領域12は、第1濃度より低い第2濃度の不純物がドープされた、他方の型の半導体領域である。光電変換層20は、シリコン基板16の第1面18側に配置されている。終端層22は、シリコン基板16と光電変換層20との間に配置されると共に、シリコン基板16の第1面18に接触配置され、シリコン基板16のダングリングボンドを終端する層である。電極層24は、光電変換層20の光入射側に設けられている。
このように、本実施の形態の半導体装置10は、シリコン基板16と光電変換層20との間に、シリコン基板16の第1面18に接触配置された終端層22を備える。終端層22は、シリコン基板16の表面のダングリングボンドを終端する。
このため、光電変換層20で光電変換された電荷は、シリコン基板16と光電変換層20との界面準位によってトラップされることなく、シリコン基板16側へドリフトし、第2半導体領域12に蓄積される。そして、本実施の形態の半導体装置10では、第2半導体領域12に蓄積された電荷を信号として読み出す。
従って、本実施の形態の半導体装置10では、読み出した信号に含まれるノイズの低減を図ることができる。
また、半導体装置10を撮像装置100に適用した場合についても、同様の効果が得られる。
また、本実施の形態の半導体装置10では、光電変換層20とシリコン基板16との間に電極層(下部電極)を設けることなく、光電変換層20とシリコン基板16とを終端層22を介して積層した構成である。
このため、本実施の形態の半導体装置10では、光電変換層20とシリコン基板16との間に設けた電極層(下部電極)を、画素領域Bに合わせて微細加工する必要が無い。すなわち、本実施の形態の半導体装置10では、画素分離のための下部電極の微細加工が不要である。そして、本実施の形態の半導体装置10では、シリコン基板16に不純物をドープして、第2半導体領域12と第1半導体領域14とを形成することによって、容易に画素領域Bを形成することができる。
従って、本実施の形態の半導体装置10では、上記効果に加えて、画素分離のための下部電極層の微細加工を行わずに、画素領域Bを形成することもできる。
(第2の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、カラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、カラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
図6は、撮像装置100Aの一例を示す模式図である。なお、第1の実施の形態で説明した半導体装置10と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
撮像装置100Aは、読出回路28と、シリコン基板16と、終端層22と、光電変換層20と、電極層24と、カラーフィルタ76と、電圧印加部44と、を備える。
シリコン基板16の第2半導体領域12は、ソース端子70を介して読出回路28に接続されている。具体的には、第2半導体領域12は、読出回路28の転送トランジスタ30に接続されている。読出回路28の、シリコン基板16とは反対側の面には、配線層72を介して絶縁層74が積層されている。
カラーフィルタ76は、電極層24の光入射側に配置されている。カラーフィルタ76は、画素領域Bごとに、赤色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Rと、青色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Bと、緑色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Gと、を含む。これらのカラーフィルタ76Rと、カラーフィルタ76Bと、カラーフィルタ76Gと、はバイヤー配列(Bayer arrangement)であることが好ましい。
カラーフィルタ76の膜厚は、限定されない。カラーフィルタ76の膜厚は、例えば、100nmである。
図6に示すように、本実施の形態の撮像装置100Aは、電極層24上に、カラーフィルタ76を設けた構成である。カラーフィルタ76は、各画素領域Bに対応する領域ごとに、赤色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Rと、青色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Bと、緑色の波長領域の光を吸収するカラーフィルタ76Gと、を含む。
このため、本実施の形態の撮像装置100Aでは、各画素領域Bごとに、R(赤色の波長領域の光)、G(緑色の波長領域の光)、B(青色の波長領域の光)の各々に対応する電荷による信号を読み出すことができる。
以上説明したように、カラーフィルタ76を設けた構成とした場合であっても、本実施の形態の撮像装置100Aは、終端層22を備えることから、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第3の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
図7は、撮像装置100Bの一例を示す模式図である。なお、第1の実施の形態で説明した半導体装置10と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
撮像装置100Bは、読出回路28と、シリコン基板162と、終端層22と、光電変換層20Bと、電極層24と、カラーフィルタ76Yと、電圧印加部44(図7では図示省略)と、を備える。
光電変換層20Bは、光電変換層20と同様に、入射した光を電荷に変換する。本実施の形態では、光電変換層20Bは、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、を光電変換する。赤色の波長領域の光は、光電変換層20Bを透過する。
カラーフィルタ76Yは、青色の波長領域の光を吸収する、黄色のカラーフィルタである。カラーフィルタ76Yは、電極層24上の、画素領域B1に対応する領域に設けられている。なお、画素領域B1に隣接する画素領域Bである画素領域B2に対応する領域には、カラーフィルタ76Yは設けられていない。
シリコン基板162は、シリコン基板16と同様に、第2半導体領域12と第1半導体領域14とを第1面18に沿って交互に連続して配列した構成である。第2半導体領域12は、ソース端子70を介して読出回路28に接続されている。
各画素領域Bのサイズが1μm×1μmであるとし、各画素領域Bの第2半導体領域12のサイズが750nm×750nm、厚みが300nmとする。また、各画素領域Bの第1半導体領域14の幅が125nmであるとする。この場合、第2半導体領域12の第2濃度Ndは、1×1016[cm−3]〜1×1017[cm−3]であり、飽和電子数は10000〜20000電子と見積もられる。
シリコン基板162は、更に、光電変換部78Bを備える。光電変換部78Bは、第1半導体領域14を介して第2半導体領域12の読出回路28側に配置されている。光電変換部78Bは、赤色の波長領域の光を光電変換する。光電変換部78Bは、例えば、赤色の波長領域の光を光電変換するSiPD(Silicon Photo Diode)である。光電変換部78Bは、読出回路28に接続されている。読出回路28の、シリコン基板162の反対側の面には、配線層72を介して、絶縁層74が積層されている。
光電変換部78Bのn型領域は、該光電変換部78Bの周囲を取り囲むp+領域である第1半導体領域14とのpn接合により、完全空乏化している。シリコン基板162の第1面18から光電変換部78Bまでの総厚は、例えば、4μmである。この総厚の構成のシリコン基板162に入射した赤色の波長領域の光の略100%が、光電変換部78Bで光電変換されることとなる。
なお、第2半導体領域12の厚みは、シリコン基板162の表面のごく薄い領域であることが好ましい。具体的には、第2半導体領域12の厚みは、300nm以下であることが好ましい。第2半導体領域12の厚みが、シリコン基板162の表面のごく薄い領域であると、光電変換層20Bを透過した赤色の波長領域の光の一部が、第2半導体領域12と第1半導体領域14とのpn接合部分で光電変換されて混色信号となることを抑制することができる。
このような構成の撮像装置100Bに光が入射すると、電極層24上の、画素領域B1に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Yによって青色の波長領域の光が吸収される。このため、光電変換層20Bにおける、画素領域B1に対応する領域では、緑色の波長領域の光を光電変換し、電荷を生成する。生成された、緑色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B1の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。また、画素領域B1の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Bには、赤色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
このため、画素領域B1では、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出できる。
一方、電極層24上の、画素領域B2に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Yを介さずに、光電変換層20Bへ到る。このため、光電変換層20Bにおける、画素領域B2に対応する領域では、緑色の波長領域の光と、青色の波長領域の光と、を光電変換し、電荷を生成する。生成された、緑色の波長領域の光および青色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B2の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。すなわち、画素領域B2の第2半導体領域12には、緑色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、青色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、の総和が蓄積される。
また、画素領域B2の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Bには、赤色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
画素領域B2に対応する第2半導体領域12および光電変換部78Bの各々に蓄積された電荷を読み出す読出回路28では、画素領域B2の第2半導体領域12に蓄積された信号(青色と緑色の総和)から、隣接する画素領域B1で得られた緑色の信号を減算することで、青色の波長領域の光の電荷に応じた信号を算出する。
このため、画素領域B2では、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
このため、撮像装置100Bでは、カラーフィルタ76Yの設けられた画素領域B1と、該画素領域B1に隣接し、カラーフィルタ76Yの設けられていない画素領域B2と、を含む領域を1つの画素として扱えばよい。これにより、撮像装置100Bでは、各画素ごとに、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
なお、青色の波長領域の光を吸収する黄色のカラーフィルタ76Yに代えて、緑色の波長領域の光を吸収するマゼンタ色のカラーフィルタ76を画素領域B1上に設置してもよい。しかし、緑色の波長領域の光は、輝度信号の主成分として用いられる。このため、緑色の波長領域の光は、全ての画素領域Bの各々で検出可能とすることが好ましい。この観点から、画素領域B1上に設置するカラーフィルタ76には、カラーフィルタ76Yを用いることが好ましい。
また、シリコンの吸収係数は、長波長になるほど低下する。このため、第2半導体領域12での混色を考慮すると、光電変換部78Bで光電変換する波長の光(すなわち、第2半導体領域12を透過させる波長の光)は、より長波長である赤色の波長領域の光であることが好ましい。
以上説明したように、カラーフィルタ76Yを設けた構成とした場合であっても、本実施の形態の撮像装置100Bは、終端層22を備えることから、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第4の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
図8は、撮像装置100Cの一例を示す模式図である。なお、第1の実施の形態で説明した半導体装置10と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
撮像装置100Cは、読出回路28と、シリコン基板164と、終端層22と、光電変換層20Cと、電極層24と、カラーフィルタ76Cと、電圧印加部44と、を備える。
光電変換層20Cは、光電変換層20と同様に、入射した光を電荷に変換する。本実施の形態では、光電変換層20Cは、赤色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、を光電変換する。青色の波長領域の光は、光電変換層20Cを透過する。
カラーフィルタ76Cは、赤色の波長領域の光を吸収する、シアン色のカラーフィルタである。カラーフィルタ76Cは、電極層24上の、画素領域B3に対応する領域に設けられている。なお、画素領域B3に隣接する画素領域Bである画素領域B4に対応する領域には、カラーフィルタ76Cは設けられていない。
シリコン基板164は、シリコン基板16と同様に、第2半導体領域12と第1半導体領域14とを第1面18に沿って交互に連続して配列した構成である。
シリコン基板164は、更に、光電変換部78Cを備える。光電変換部78Cは、第1半導体領域14を介して第2半導体領域12の読出回路28側に配置されている。光電変換部78Cは、青色の波長領域の光を光電変換する。光電変換部78Cは、例えば、青色の波長領域の光を光電変換するSiPD(Silicon Photo Diode)である。光電変換部78Cは、読出回路28に接続されている。読出回路28の、シリコン基板164の反対側の面には、配線層72を介して、絶縁層74が積層されている。
光電変換部78Cのn型領域は、該光電変換部78Cの周囲を取り囲むp+領域である第1半導体領域14とのpn接合により、完全空乏化している。シリコン基板164の第1面18から光電変換部78Cまでの総厚は、例えば、4μmである。この総厚の構成のシリコン基板164に入射した青色の波長領域の光の略100%が、光電変換部78Cで光電変換されることとなる。
このような構成の撮像装置100Cに光が入射すると、電極層24上の、画素領域B3に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Cによって赤色の波長領域の光が吸収される。このため、光電変換層20Cにおける、画素領域B3に対応する領域では、緑色の波長領域の光を光電変換し、電荷を生成する。生成された、緑色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B3の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。また、画素領域B3の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Cには、青色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
このため、画素領域B3では、緑色の波長領域の光と、青色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出できる。
一方、電極層24上の、画素領域B4に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Cを介さずに、光電変換層20Cへ到る。このため、光電変換層20Cにおける、画素領域B4に対応する領域では、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、を光電変換し、電荷を生成する。生成された、緑色の波長領域の光および赤色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B4の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。すなわち、画素領域B4の第2半導体領域12には、緑色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、赤色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、の総和が蓄積される。
また、画素領域B4の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Cには、青色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
画素領域B4に対応する第2半導体領域12および光電変換部78Cの各々に蓄積された電荷を読み出す読出回路28では、画素領域B4の第2半導体領域12に蓄積された信号(赤色と緑色の総和)から、隣接する画素領域B3で得られた緑色の信号を減算することで、赤色の波長領域の光の電荷に応じた信号を算出する。
このため、画素領域B4では、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
このため、撮像装置100Cでは、カラーフィルタ76Cの設けられた画素領域B3と、該画素領域B3に隣接し、カラーフィルタ76Cの設けられていない画素領域B4と、を含む領域を1つの画素として扱えばよい。これにより、撮像装置100Cでは、画素ごとに、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
以上説明したように、カラーフィルタ76Cを設けた構成とした場合であっても、本実施の形態の撮像装置100Cは、終端層22を備えることから、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第5の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、第2の実施の形態とは異なるカラーフィルタを設けた構成の撮像装置100を説明する。
図9は、撮像装置100Dの一例を示す模式図である。なお、第1の実施の形態で説明した半導体装置10と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
撮像装置100Dは、読出回路28と、シリコン基板166と、終端層22と、光電変換層20Dと、電極層24と、カラーフィルタ76Cと、電圧印加部44(図9では図示省略)と、を備える。カラーフィルタ76Cは、第4の実施の形態と同様である。
光電変換層20Dは、光電変換層20と同様に、入射した光を電荷に変換する。本実施の形態では、光電変換層20Dは、赤色の波長領域の光と、青色の波長領域の光と、を光電変換する。緑色の波長領域の光は、光電変換層20Dを透過する。
カラーフィルタ76Cは、第4の実施の形態と同様である。カラーフィルタ76Cは、電極層24上の、画素領域B5に対応する領域に設けられている。なお、画素領域B5に隣接する画素領域Bである画素領域B6に対応する領域には、カラーフィルタ76Cは設けられていない。
シリコン基板166は、シリコン基板16と同様に、第2半導体領域12と第1半導体領域14とを第1面18に沿って交互に連続して配列した構成である。
シリコン基板166は、更に、光電変換部78Dを備える。光電変換部78Dは、第1半導体領域14を介して第2半導体領域12の読出回路28側に配置されている。光電変換部78Dは、緑色の波長領域の光を光電変換する。光電変換部78Dは、例えば、緑色の波長領域の光を光電変換するSiPDである。光電変換部78Dは、読出回路28に接続されている。読出回路28の、シリコン基板166の反対側の面には、配線層72を介して、絶縁層74が積層されている。
光電変換部78Dのn型領域は、該光電変換部78Dの周囲を取り囲むp+領域である第1半導体領域14とのpn接合により、完全空乏化している。シリコン基板166の第1面18から光電変換部78Dまでの総厚は、例えば、4μmである。この総厚の構成のシリコン基板166に入射した緑色の波長領域の光の略100%が、光電変換部78Dで光電変換されることとなる。
このような構成の撮像装置100Dに光が入射すると、電極層24上の、画素領域B5に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Cによって赤色の波長領域の光が吸収される。このため、光電変換層20Dにおける、画素領域B5に対応する領域では、青色の波長領域の光を光電変換し、電荷を生成する。生成された、青色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B5の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。また、画素領域B5の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Dには、緑色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
このため、画素領域B5では、緑色の波長領域の光と、青色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出できる。
一方、電極層24上の、画素領域B6に対応する領域に入射した光は、カラーフィルタ76Cを介さずに、光電変換層20Dへ到る。このため、光電変換層20Dにおける、画素領域B6に対応する領域では、青色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、を光電変換し、電荷を生成する。生成された、青色の波長領域の光および赤色の波長領域の光に対応する電荷は、終端層22を介して、画素領域B6の第2半導体領域12へ到り、該第2半導体領域12に蓄積される。すなわち、画素領域B6の第2半導体領域12には、青色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、赤色の波長領域の光の電荷に応じた信号と、の総和が蓄積される。
また、画素領域B6の第2半導体領域12の、読出回路28側に配置された光電変換部78Dには、緑色の波長領域の光の電荷が蓄積される。
画素領域B6に対応する第2半導体領域12および光電変換部78Dの各々に蓄積された電荷を読み出す読出回路28では、画素領域B6の第2半導体領域12に蓄積された信号(青色と赤色の総和)から、隣接する画素領域B5で得られた青色の信号を減算することで、赤色の波長領域の光の電荷に応じた信号を算出する。
このため、画素領域B6では、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
このため、撮像装置100Dでは、カラーフィルタ76Cの設けられた画素領域B5と、該画素領域B5に隣接し、カラーフィルタ76Cの設けられていない画素領域B6と、を含む領域を1つの画素として扱えばよい。これにより、撮像装置100Dでは、各画素ごとに、青色の波長領域の光と、緑色の波長領域の光と、赤色の波長領域の光と、の各々の電荷に応じた信号を検出することができる。
以上説明したように、カラーフィルタ76Cを設けた構成とした場合であっても、本実施の形態の撮像装置100Dは、終端層22を備えることから、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第6の実施の形態)
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、色可変層および光学系を設けた構成の、撮像装置100を説明する。
本実施の形態では、第1の実施の形態で説明した半導体装置10に、色可変層および光学系を設けた構成の、撮像装置100を説明する。
図10は、撮像装置100Eの一例を示す模式図である。なお、第1の実施の形態で説明した半導体装置10と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付与して詳細な説明を省略する。
撮像装置100Eは、読出回路28と、シリコン基板16と、終端層22と、光電変換層20と、電極層24と、光学系84と、色可変層82と、電圧印加部44と、を備える。
シリコン基板16の第2半導体領域12は、ソース端子70を介して読出回路28に接続されている。具体的には、第2半導体領域12は、読出回路28の転送トランジスタ30に接続されている。読出回路28の、シリコン基板16とは反対側の面には、配線層72を介して絶縁層74が積層されている。
色可変層82は、電極層24の光入射側に配置されている。色可変層82は、電圧印加により、反射波長を、赤色の波長領域、緑色の波長領域、青色の波長領域、と順次切り替えることができる。色可変層82は、例えば、ブルー相の電歪効果を利用した層である。具体的には、色可変層82は、ブルー相を、1対の電極層で挟持した構成である。そして、これらの1対の電極層を電圧印加部44に接続する。そして、これらの1対の電極層間の電位差を制御することで、ブルー相における液晶の螺旋ピッチを変化させて、選択反射する波長を、赤色の波長領域、緑色の波長領域、青色の波長領域に順次制御する。
このときの、液晶の螺旋ピッチの変化速度は、通常の動画(60Hz)の3倍速(180Hz)よりも十分に速い。このため、電圧印加部44は、色可変層82と読出回路28とを同期させて180Hzで駆動する。そして、電圧印加部44は、60Hzの1フレーム期間に、赤色の波長領域の光の信号、緑色の波長領域の光の信号、および青色の波長領域の光の信号、の3回の読出しを行うことで、実質的に60Hzのフルカラー撮像を行うことが好ましい。
色可変層82で選択的に反射した波長領域の光は、光学系84を介して、電極層24の各画素領域Bに到り、光電変換層20で光電変換された後に、シリコン基板16へ到る。シリコン基板16における電荷の動き、および読出回路28の動作は、第1の実施の形態と同様である。
以上説明したように、色可変層82を設けた構成とした場合であっても、本実施の形態の撮像装置100Eは、終端層22を備えることから、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第7の実施の形態)
上記実施の形態で説明した半導体装置10の適用範囲について説明する。上記実施の形態の半導体装置10は、半導体チップや、撮像装置100を備えた携帯端末や、撮像装置100を備えた車両などに適用可能である。
上記実施の形態で説明した半導体装置10の適用範囲について説明する。上記実施の形態の半導体装置10は、半導体チップや、撮像装置100を備えた携帯端末や、撮像装置100を備えた車両などに適用可能である。
図11は、半導体チップ90の一例を示す図である。半導体チップ90は、基板92に、半導体装置10を搭載した構成である。半導体チップ90は、上記実施の形態で説明した半導体装置10を含む。
このため、半導体チップ90は、ノイズの抑制された信号を得ることが出来る。
図12は、携帯端末94の一例を示す模式図である。携帯端末94は、半導体チップ90を、撮像装置100として本体部96に搭載している。半導体チップ90は、上記実施の形態で説明した半導体装置10を含む。
このため、半導体チップ90を搭載した携帯端末94は、ノイズの抑制された撮影画像を得ることが出来る。
図13は、車両99の一例を示す模式図である。車両99は、半導体装置10を備えた半導体チップ90を、撮像装置100として車体98に搭載している。このため、半導体チップ90を搭載した車両99は、ノイズの抑制された撮影画像を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10 半導体装置
16 シリコン基板
20、20B、20C、20D 光電変換層
22 終端層
24 電極層
28 読出回路
30 転送トランジスタ
32 第3半導体領域
34 配線層
44 電圧印加部
100、100A、100B、100C、100D、100E 撮像装置
16 シリコン基板
20、20B、20C、20D 光電変換層
22 終端層
24 電極層
28 読出回路
30 転送トランジスタ
32 第3半導体領域
34 配線層
44 電圧印加部
100、100A、100B、100C、100D、100E 撮像装置
Claims (11)
- 第1濃度の不純物がドープされた、p型およびn型の一方の型の第1半導体領域と、前記第1濃度より低い第2濃度の不純物がドープされた、他方の型の第2半導体領域と、を光入射側の第1面に沿って交互に連続して配列したシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第1面側に配置された光電変換層と、
前記シリコン基板と前記光電変換層との間に配置されると共に、前記シリコン基板の前記第1面に接触配置され、前記シリコン基板のダングリングボンドを終端する終端層と、
前記光電変換層の光入射側に設けられた電極層と、
を備えた半導体装置。 - 前記終端層は、前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とを表面に沿って交互に連続して配列したシリコン層の、表面のダングリングボンドを水素で終端した領域であり、
前記シリコン基板は、前記シリコン層における該終端層の、前記第1面の反対側の第2面側に連続する領域である、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記終端層は、シリコン酸化膜である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記終端層は、電荷が通過可能な厚みである、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記シリコン基板の前記第1面の反対側の第2面側に設けられた読出回路を備え、
前記読出回路は、
前記第2半導体領域に接続され、前記第2半導体領域に蓄積された電荷を転送する、縦型トランジスタである転送トランジスタと、
前記転送トランジスタに接続され、前記転送トランジスタから転送された電荷を電圧に変換する第3半導体領域と、
変換された前記電圧を信号として出力する配線層と、
を有する、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記終端層は、前記シリコン基板の前記第1面と、前記光電変換層の前記シリコン基板側の第3面と、の双方に接触配置された、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記光電変換層は、有機材料を主成分とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2半導体領域は、電荷を蓄積する電荷蓄積領域として機能し、
前記第1半導体領域は、画素領域間を分離する画素分離領域として機能し、
前記光電変換層は、前記電荷蓄積領域の配列方向に沿って連続して設けられた連続膜である、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1半導体領域の不純物の第1密度と、前記第2半導体領域の不純物の第2密度と、は、下記式(1)の関係を満たす、請求項1に記載の半導体装置。
Na>Nd×Aa/Ad ・・・式(1)
〔式(1)中、Naは、前記第1密度を表し、Ndは、前記第2密度を表し、Aaは、画素領域における前記第1半導体領域の占める面積を表し、Adは、前記画素領域における前記第2半導体領域の占める面積を表す。〕 - 前記電極層に、前記終端層を電荷がダイレクトトンネリング可能な電圧値以上の電圧を印加する電圧印加部を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の半導体装置を備えた撮像装置。
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