JP2017028114A - 光検出器、光検出装置、固体撮像装置およびカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】紫外光に対して感度が高い光検出器及び固体撮像装置並びにそれを用いたカメラシステムを提供する。
【解決手段】下部電極１０６と、下部電極１０６の上に配置された光吸収層１０４と、光吸収層１０４の上に配置された透明電極１０３と、透明電極１０３の上に配置された紫外光透過フィルタ１０１とを備え、光吸収層１０４は、紫外光領域において最大吸収係数を有し、紫外光透過フィルタ１０１は、紫外光領域において最大透過率を有する。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、紫外光を電気信号として出力する光検出器および固体撮像装置に関する。

紫外光検出器は、紫外光を受光し、光電変換によって発生する電流を検出する。紫外領域の光に対する感度を保障するために、ワイドバンドギャップ半導体材料であるダイヤモンドを用いて光電変換部を構成したデバイスが特許文献１に報告されている。

また、光感度を向上させるために光電変換部を被覆する電極の厚さを制限した構成で同じくワイドバンドギャップ半導体材料であるダイヤモンドを用いたタイプのものが特許文献２に報告されている。

特開２００６−１５６４６４号公報 特開２００７−６６９７６号公報

しかしながら、ダイヤモンドの紫外光に対する吸収係数は低いため、高感度な紫外光検出器を実現することができない、という課題があった。

本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、紫外光に対して感度が高い光検出器および固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記従来技術の課題を解決するために、本開示の一形態に係る光検出器は、第１電極と、第１電極の上に配置された光電変換膜と、光電変換膜の上に配置された透明電極と、透明電極の上に配置された紫外光透過フィルタとを備え、紫外光透過フィルタは、紫外光領域において最大透過率を有し、光電変換膜は、紫外光領域において最大吸収係数を有する。

また、本開示の一形態に係る光検出器において、紫外光透過フィルタは、２００ｎｍ以上、且つ、３００ｎｍ以下の波長域において、最大透過率を有していてもよい。

また、本開示の一形態に係る光検出器において、光電変換膜の吸収係数は、第１のピークを紫外光領域に有し、第１のピークよりも小さい第２のピークを可視光領域に有していてもよい。

また、本開示の一形態に係る光検出器において、第１のピークは、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップに由来する吸収ピークであり、第２のピークは、エキシトンピークに由来する吸収ピークであってもよい。

また、本開示の一形態に係る光検出器は、光検出器からの出力信号を読み出す、読み出し回路と、光検出器からの出力動作と読み出し回路の読み出し動作とを制御する制御回路とを備え、読み出し回路と制御回路とは、同一基板上に形成されていてもよい。

また、本開示の一形態に係る固体撮像素子は、半導体基板と、半導体基板の上方にアレイ状に配置され、各々が異なる単位画素を構成する複数の第１電極と、複数の第１電極の上に形成された光電変換膜と、光電変換膜の上に形成された透明電極と、透明電極の上に形成され、複数の第１電極のそれぞれに対応する複数の紫外光透過フィルタと、複数の第１電極のそれぞれに対応して半導体基板内に形成され、対応する第１電極と電気的に接続され、光電変換膜で光電変換により生成された電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを備え、複数の紫外光透過フィルタの少なくとも一部は、紫外光領域において最大透過率を有し、光電変換膜は、紫外光領域において最大吸収係数を有する。

また、本開示の一形態に係る固体撮像素子において、紫外光透過フィルタは、２００ｎｍ以上、且つ、３００ｎｍ以下の波長域において、最大透過率を有していてもよい。

また、本開示の一形態に係る固体撮像素子において、光電変換膜の吸収係数は、第１のピークを紫外光領域に有し、第１のピークよりも小さい第２のピークを可視光領域に有していてもよい。

また、本開示の一形態に係る固体撮像素子において、第１のピークは、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップに由来する吸収ピークであり、第２のピークは、エキシトンピークに由来する吸収ピークであってもよい。

また、本開示の一形態に係るカメラシステムは、上記固体撮像素子と、固体撮像素子から得られた紫外線画像及び可視光画像の少なくとも一方を表示する画像表示手段とを備える。

また、本開示の一形態に係るカメラシステムは、火災時に発生する炎から出射する紫外光を感知する。

本開示によれば、紫外光に対して感度が高い光検出器および固体撮像素子を提供することができる。

図１Ａは、実施の形態１に係る光検出器の基本構成の一例を示す図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る紫外光透過フィルタの透過率と波長との関係を示す図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係る光電変換膜の吸収係数と波長との関係を示す図である。 図２は、実施の形態２に係る固体撮像装置の画素部および信号読み出し部の構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態２に係る固体撮像装置の画素部の回路図である。 図４は、実施の形態２に係る３画素分のデバイス断面図である。 図５は、実施の形態３に係る炎検知カメラの構成を示すブロック図である。 図６Ａは、可視光用の固体撮像装置を用いたカメラにより撮影された画像である。 図６Ｂは、実施の形態３に係る炎検知システムにより撮影された画像である。 図７は、実施の形態３に係る固体撮像装置の画素部および信号読み出し部の構成を示すブロック図である。 図８Ａは、実施の形態３に係る炎検知カメラの構成を示すブロック図である。 図８Ｂは、実施の形態３に係る炎検知カメラの構成を示すブロック図である。

以下、本開示に係る固体撮像装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本開示がこれらに限定されることを意図しない。

（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係る固体撮像装置について図１から図６を用いて説明する。

まず、本開示の実施の形態１に係る紫外光検出部の全体構成を説明する。

図１（ａ）は、本開示の実施の形態１に係る紫外光検出部の一例を示す基本構成図である。紫外光検出部１００は、紫外光透過フィルタ１０１と、保護膜１０２と、導電性透明電極１０３と、光電変換膜１０４と、下部電極１０６、電荷蓄積部１０７と、アンプ回路部１０８と、データ記憶部１０９とを備える。

紫外光透過フィルタ１０１は、例えば図１（ｂ）のような、２００ｎｍ≦λ≦３００ｎｍの波長域に透過率を有し、波長λ≧３００ｎｍで透過率が０．１％未満である紫外光透過フィルタである。一般的に、太陽光スペクトルにも、波長３００ｎｍ以上の紫外光は含まれるため、これと区別するために、紫外光透過フィルタ１０１でカットする必要がある。このような紫外光透過フィルタは、例えば、ＭｇＦ₂膜とＳｉＯ₂膜を、スパッタ法などを用いて交互に積層することによって得られる。

保護膜１０２や導電性透明電極１０３は、紫外光を減衰させずに光電変換膜１０４に効率良く伝達するような材料で構成される。例えば、保護膜１０２は水晶純度の高いＳｉＯ₂、導電性透明電極１０３はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で構成される。

光電変換膜１０４は光を信号電荷に変換する。具体的には、光電変換膜１０４は、導電性透明電極１０３の下に形成されており、高い光吸収能を有する有機分子で構成されている。光電変換膜１０４を構成する有機分子は、例えばフラーレンＣ₆₀で構成されている。また、光電変換膜１０４は、真空蒸着法を用いて形成される。上記有機分子は、例えば図１（ｃ）のように、波長２００ｎｍから７００ｎｍの紫外光および可視光全域にわたって高い光吸収能を有する。ここで、紫外領域のピークはＨＯＭＯ（最高占有軌道）−ＬＵＭＯ（最低非占有軌道）エネルギーギャップに由来する吸収ピーク、可視領域のピークはエキシトンピークに由来する吸収ピークである。一般に、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯエネルギーギャップ間での光励起によって生成された電子正孔対は、電子と正孔に比較的簡単に分離でき、大きな光電流を発生できるため、紫外領域に非常に高い感度を有する。また、光電変換膜１０４の厚さは、例えば５００ｎｍである。

下部電極１０６は、光電変換膜１０４で発生した電子を収集し、それらの収集された電子は電荷蓄積部１０７で信号電荷として蓄積される。この下部電極１０６は、例えばＴｉＮで構成される。信号電荷は、アンプ回路１０８で増幅された後、データ記憶部１０９に保存される。

本明細書において、紫外光領域とは、１００ｎｍ以上、且つ、４００ｎｍ以下の波長帯を意味する。本明細書において、可視光領域とは、４００ｎｍ以上、且つ、８００ｎｍ以下の波長帯を意味する。

（実施の形態２）
図２は、本開示の実施の形態２に係る固体撮像装置２０１の構成を示すブロック図である。この固体撮像装置２０１は、画素アレイ２０２と、行信号駆動回路２０３ａ及び２０３ｂと、各列に配置された列アンプとノイズキャンセラとを含むノイズキャンセラ回路２０４と、水平駆動回路２０５と、出力段アンプ２０６とを備える。

図３は、固体撮像装置の画素２００の構成の一例を示す回路図である。

固体撮像装置の画素部において、複数の画素２００が、例えばｍ行ｎ列（ｍ、ｎはともに自然数）のマトリクス状に配置されている。

画素２００は、光電変換部３０１と、電荷蓄積（フローティングディフュージョン：ＦＤ）部３０２と、増幅トランジスタ３０３と、リセットトランジスタ３０４と、選択トランジスタ３０５を備える。

光電変換部３０１は、入射光を光電変換することにより、入射光量に応じた信号電荷を生成する。

選択トランジスタ３０５は、ソース端子が増幅トランジスタ３０３のソース端子に接続され、ドレイン端子が列信号線３０６に接続されている。

リセットトランジスタ３０４は、ソース端子が電荷蓄積部３０２に接続され、ドレイン端子が電源線３０７に接続されている。

図４は、固体撮像装置２０１の３画素分の領域の断面図である。なお、実際の画素は、画素アレイ２０２に、例えば１０００万画素分配列されている。

図４に示すように、固体撮像装置２０１は、紫外光透過フィルタ４０１と、保護膜４０２と、導電性透明電極４０３（第２電極）と、光電変換膜４０４と、電極間絶縁膜４０５と、下部電極４０６（第１電極）と、配線間絶縁膜４０７と、給電層４０８と、配線層４０９と、基板４１０と、ウェル４１１と、ＳＴＩ領域（シャロウトレンチ分離領域）４１２と、層間絶縁層４１３と、コンタクトプラグ４１４と、電荷蓄積領域４１５と、リセットトランジスタ４１６と、増幅トランジスタ４１７とを備える。

基板４１０は、半導体基板であり、例えばシリコン基板である。

導電性透明電極４０３は、保護膜４０２下に画素アレイ３０２の全面にわたって形成されている。この導電性透明電極４０３は可視光および紫外光を透過する。例えば、導電性透明電極４０３はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で構成される。

光電変換膜４０４は光を信号電荷に変換する。具体的には、光電変換膜４０４は、導電性透明電極４０３の下に形成されており、高い光吸収能を有する有機分子で構成されている。光電変換膜１０４を構成する有機分子は、例えばフラーレンＣ₆₀で構成されている。また、光電変換膜４０４の厚さは、例えば５００ｎｍである。光電変換膜４０４は、例えば、真空蒸着法を用いて形成される。

複数の下部電極４０６は、基板４１０の上方に、行列状に配置されている。また、複数の下部電極４０６は、各々が電気的に分離されている。具体的には、下部電極４０６は、電極間絶縁膜４０５間に形成されており、光電変換膜４０４で発生した正孔を収集する。この下部電極４０６は、例えばＴｉＮで構成される。また、下部電極４０６は、平坦化された厚さ１００ｎｍの絶縁膜４０７上に形成されている。

また、各下部電極４０６は０．２μｍの間隔で分離されている。そして、この分離領域にも電極間絶縁膜４０５が埋め込まれている。

さらに、この分離領域の下方、かつ絶縁膜４０７下に給電層４０８が配されている。この給電層４０８は、例えばＣｕで構成される。具体的には、給電層４０８は、隣接する下部電極４０６の間の領域であり、かつ下部電極４０６と基板４１０との間に形成されている。また、給電層４０８には、下部電極４０６とは独立した電位を供給可能である。具体的には、光電変換膜４０４が光電変換を行う露光動作時、及び信号読み出し回路２０９が読み出し信号を生成する読み出し動作時に、給電層４０８に、信号電荷を排斥するための電位が供給される。例えば、信号電荷が正孔の場合には正電圧が印加される。これにより、各画素に、隣接画素から正孔が混入することを防止できる。なお、このような電圧印加の制御は、例えば、固体撮像装置２０１が備える制御部（図示せず）により行なわれる。

給電層４０８には配線層４０９が接続されている。また、配線層４０９は、ＦＤ部３０２及び増幅トランジスタ３０３のゲート端子に接続されている。さらにＦＤ部３０２は、リセットトランジスタ３０４のソース端子に電気的に接続されている。また、リセットトランジスタ３０４のソース端子とＦＤ部３０２とは拡散領域を共有している。これらのトランジスタと、図示されてはいないが同一画素内に形成されている選択トランジスタ３０５と、ＦＤ部３０２とは全て同一のＰ型のウェル４１１内に形成されている。また、このウェル４１１は、基板４１０に形成されている。つまり、図２に示す信号読み出し回路２０９は、基板４１０上に形成されており、複数の下部電極４０６の各々に発生する電流又は電圧の変化を検知することにより、信号電荷に応じた読み出し信号を生成する。また、増幅トランジスタ３０３は、下部電極４０６に発生する電流又は電圧の変化を増幅することにより、読み出し信号を生成する。

また、各トランジスタは、ＳｉＯ₂で構成されるＳＴＩ領域４１２によって電気的に分離されている。

図５は、炎検知紫外光カメラの構成を示すブロック図である。炎検知カメラ５０１は、レンズ５０２と、紫外光受光素子５０３と、アナログ・フロントエンド５０４と、信号処理部５０５と、表示部５０６とを備える。アナログ・フロントエンド５０４は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路５１０と、ＰＧＡ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）回路５１１と、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）回路５１２とを備える。

レンズ５０２で集光された紫外光は、紫外光受光素子５０３で信号に変換され、アナログ・フロントエンド５０４へと入力される。アナログ・フロントエンド５０４では、入力された信号がまず、ＣＤＳ回路５１０で固定パターン雑音を抑制され、次にＰＧＡ回路５１１で増幅され、最後にＡＤＣ回路５１２でディジタル信号に変換された後、信号処理部５０５で処理され、表示部５０６で画像として作成される。信号処理部５０５には、ランダムノイズを低減させＳ／Ｎを上げるために、例えば、フレーム加算平均または画素加算平均を行う回路を設けてもよい。

図６（ａ）は、可視光用の固体撮像装置により撮影された画像である。図６（ａ）に示すように、カラー画像では、ライターから出る炎が映し出されている。図６（ｂ）は、本実施の形態に係る固体撮像装置により撮影された画像である。図６（ｂ）に示すように、紫外光画像では、炎から出射される紫外光のみが検出され、映し出されている。

（実施の形態３）
実施の形態３について図７から図８を用いて説明する。なお、実施の形態３に係る固体撮像装置２０１のブロック図は実施の形態２で示した図２と同様である。また、以下に示す制御信号の生成は、例えば、固体撮像装置２０１が備える制御部（図示せず）により行われることも実施の形態１と同様である。

図７は、変形例に係る固体撮像装置７０１の構成一例を示すブロック図である。この固体撮像装置７０１は、固体撮像装置２０１の画素部を一部変化して構成される。

固体撮像装置７０１の画素部において、ＲＧＢおよび紫外光に対してそれぞれ透過域を有するフィルタを持つ画素が、アレイ上に配置されている。なお、ＲＧＢおよび紫外光透過フィルタを有する画素の配置はこの例に限らず、ベイヤー配列の一部に本配列を混ぜてもよい。

図８Ａは、炎検知カメラの構成を示すブロック図である。この固体撮像装置８０１は、固体撮像装置５０１において、可視光検知用のアナログ・フロントエンド８０５と信号処理部８０６と可視光表示部８０７を追加して構成される。このような構成にすることによって、紫外光、可視光による像を同時に検出、表示する固体撮像装置を提供することが可能である。

ここで、紫外光信号処理部５０５内に比較器を設け、信号出力と所定の参照レベルと比較し、該参照レベルよりも大きいか否かを判定する。そして、紫外光量がある閾値を超えた場合にトリガーを与え、可視光透過フィルタが搭載されている画素からの信号を読み出すシステムとする。この構成により、例えば、炎からの紫外光を感知した場合のみ、撮像したカラー画像を出力するような、炎検出装置や炎撮像装置を単一で実現することができる。

なお、このようなシステムは、図８Ｂのように、紫外光用・可視光用の撮像装置２台構成でも実現可能である。図８Ｂのカメラは、図８Ａのカメラに比べて、コストやシステムサイズは大きくなるが、紫外光および可視光に対する感度を高くすることができる。

以上、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置について説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。例えば、制御回路４０７はさらにチップ外部からの制御信号によって、より高い自由度で制御することも可能である。

また、上記実施の形態に係る固体撮像装置に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。

また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

また、上記の断面図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本開示に含まれる。

また、上記実施の形態に係る、固体撮像装置、及びそれらの変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。

また、上記で用いた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、トランジスタ等のｎ型及びｐ型等は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、これらを反転させることで、同等の結果を得ることも可能である。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された材料に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。

また、上記説明では、ＭＯＳトランジスタを用いた例を示したが、他のトランジスタを用いてもよい。

更に、本開示の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本開示に含まれる。

本開示は、紫外光検出装置に適用できる。また、本開示は、自動火災検出装置、放火監視システム、炎撮像装置などに適用できる。

１００ 紫外光検出部
１０１ 紫外光透過フィルタ
１０２ 保護膜
１０３ 導電性透明電極
１０４ 光電変換膜
１０６ 下部電極
１０７ 電荷蓄積部
１０８ アンプ回路部
１０９ データ記憶部

Claims (12)

1. 第１電極と、
   前記第１電極の上に配置された光電変換膜と、
   前記光電変換膜の上に配置された透明電極と、
   前記透明電極の上に配置された紫外光透過フィルタとを備え、
   前記光電変換膜は、紫外光領域において最大吸収係数を有し
   前記紫外光透過フィルタは、前記紫外光領域において最大透過率を有する
   光検出器。
2. 前記紫外光透過フィルタは、２００ｎｍ以上、且つ、３００ｎｍ以下の波長域において、前記最大透過率を有する
   請求項１に記載の光検出器。
3. 前記光電変換膜の吸収係数は、
   第１のピークを前記紫外光領域に有し、
   前記第１のピークよりも小さい第２のピークを可視光領域に有する
   請求項１又は２に記載の光検出器。
4. 前記第１のピークは、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップに由来する吸収ピークであり、
   前記第２のピークは、エキシトンピークに由来する吸収ピークである
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光検出器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光検出器と、
   前記光検出器からの出力信号を読み出す、読み出し回路と、
   前記光検出器からの出力動作と前記読み出し回路の読み出し動作とを制御する制御回路とを備え、
   前記読み出し回路と前記制御回路とは、同一基板上に形成されている
   光検出装置。
6. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上方にアレイ状に配置され、各々が異なる単位画素を構成する複数の第１電極と、
   前記複数の第１電極の上に形成された光電変換膜と、
   前記光電変換膜の上に形成された透明電極と、
   前記透明電極の上に形成され、前記複数の第１電極のそれぞれに対応する複数の紫外光透過フィルタと、
   前記複数の第１電極のそれぞれに対応して前記半導体基板内に形成され、対応する前記第１電極と電気的に接続され、前記光電変換膜で光電変換により生成された電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを備え、
   前記複数の紫外光透過フィルタの少なくとも一部は、紫外光領域において最大透過率を有し、
   前記光電変換膜は、前記紫外光領域において最大吸収係数を有する
   固体撮像装置。
7. 前記複数の紫外光透過フィルタは、可視光領域において最大透過率を有するフィルタを含む
   請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記紫外光透過フィルタは、２００ｎｍ以上、且つ、３００ｎｍ以下の波長域において、前記最大透過率を有する
   請求項６又は７に記載の固体撮像装置。
9. 前記光電変換膜の吸収係数は、
   第１のピークを前記紫外光領域に有し、
   前記第１のピークよりも小さい第２のピークを可視光領域に有し、
   前記紫外光透過フィルタは、前記第１のピークに対応した波長の光を透過する
   請求項６から８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
10. 前記第１のピークは、ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップに由来する吸収ピークであり、
    前記第２のピークは、エキシトンピークに由来する吸収ピークである
    請求項６から９のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項６から１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置から得られた紫外線画像及び可視光画像の少なくとも一方を表示する画像表示手段とを備えた
    カメラシステム。
12. 火災時の炎から発生する紫外光を感知する
    請求項１１に記載されたカメラシステム。

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