JP4365247B2 - 光電変換膜積層型固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、信号読出回路が表面に形成された半導体基板の上に光電変換膜を積層して構成される光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。

光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的な素子として、例えば下記特許文献１記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板の上に感光層を３層積層し、各感光層で検出された赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているＭＯＳ回路で読み出すという構成になっている。

斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、半導体基板表面部に多数の受光部（フォトダイオード）を集積すると共に各受光部上に赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色カラーフィルタを積層したＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部（画素）を１チップ上に集積したイメージセンサがデジタルスチルカメラに搭載される様になっている。

しかしながら、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進み、１つの受光部の開口の大きさが２μｍ程度と、入射光の波長オーダに近づいており、製造歩留まりが悪いという問題に直面している。

また、微細化された１つの受光部に蓄積される光電荷量の上限は、電子３０００個程度と少なく、これで２５６階調を奇麗に表現するのが困難にもなってきている。このため、画質や感度の点で今以上のイメージセンサをＣＣＤ型やＣＭＯＳ型で期待するのは困難になっている。

そこで、これらの問題を解決する固体撮像素子として、特許文献１で提案された固体撮像素子が注目を集めるようになり、特許文献２や特許文献３に記載されているイメージセンサが新たに提案される様になってきている。

特許文献２に記載されたイメージセンサは、シリコンの超微粒子を媒質内に分散して光電変換層とし、超微粒子の粒径を変えた複数の光電変換層を半導体基板の上に３層積層し、夫々の光電変換層で、赤色，緑色，青色の夫々の受光量に応じた電気信号を発生させる様になっている。

特許文献３に記載されたイメージセンサも同様であり、粒径の異なるナノシリコン層を半導体基板の上に３層積層し、夫々のナノシリコン層で検出された赤色，緑色，青色の各電気信号を、半導体基板の表面部に形成されている蓄積ダイオードに読み出すようになっている。

特開昭５８―１０３１６５号公報 特許第３４０５０９９号公報 特開２００２―８３９４６号公報

光電変換層に使用する超微粒子としてシリコンを用いた場合、光を受光することで発生した電子―正孔対が超微粒子の表面において短時間に再結合してしまい、再結合前に電荷を取り出すのが容易でなく、このため、固体撮像素子としての性能が十分でないという問題がある。

光電変換膜積層型固体撮像素子を実用化するには、光電変換膜を如何なる材料で形成するかという問題を解決する必要がある。

本発明の目的は、効率的に光電荷を光電変換膜から取り出すことができる光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することにある。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に光電変換膜が積層され該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号が前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、光電変換に寄与する第１量子ドットと該第１量子ドットより大きなバンドギャップを有する第２量子ドットとが均質に分散した光電変換層を前記光電変換膜が有することを特徴とする。

この構成により、第１量子ドットに光が入射することで発生した正孔―電子対の再結合が抑制され、光電変換膜からの光電荷の取り出しが容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層に前記第２量子ドットからなる正孔輸送層が積層されて前記光電変換膜が構成されることを特徴とする。

この構成により、正孔の輸送が容易となり、更に光電荷の光電変換膜からの取り出しが容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記正孔輸送層の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする。

この構成により、正孔の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層の前記第２量子ドットにｎ型不純物がドーピングされていることを特徴とする。

この構成により、電子の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記正孔輸送層の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされ、前記光電変換層の前記正孔輸送層側の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする。

この構成により、正孔の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層の正孔輸送層と反対側の前記第２量子ドットにｎ型不純物がドーピングされていることを特徴とする。

この構成により、電子の輸送が更に容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが一層効率的に行われる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子の前記第１量子ドットがＩｎＮであり、前記第２量子ドットがＧａＮであることを特徴とする。

シリコンより再結合が抑制されるＩｎＮを利用することで固体撮像素子として性能が向上し、また、ＧａＮを用いることで正孔，電子の輸送が容易となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、２枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して３層に積層されることを特徴とする。

この構成により、カラー画像の撮像が可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記３層の光電変換膜のうち、第１番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４００〜５００ｎｍ、第２番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５００〜５６０ｎｍ、第３番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５６０〜６４０ｎｍとなるように各光電変換膜に設けられる前記第１量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする。

この構成により、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色に分けて画像データを取り出すことが可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、２枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して４層に積層されることを特徴とする。

この構成により、様々な信号処理が可能となり、色再現性の良いカラー画像の撮像が可能となる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記４層の光電変換膜のうち、第１番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４２０〜４８０ｎｍ、第２番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４８０〜５２０ｎｍ、第３番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５２０〜５６０ｎｍ、第４番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５６０〜６２０ｎｍとなるように各光電変換膜に設けられる前記第１量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする。

この構成により、色再現性が更に優れたカラー画像を撮像することができる。

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記第２番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量を、前記第４番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量から差し引くことで赤色の信号量を求めることを特徴とする。

この構成により、人間の視感度に応じた赤色の再生が可能となる。

本発明によれば、効率的に光電荷（信号電荷）を光電変換膜から取り出すことができる光電変換膜積層型固体撮像素子を提供可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。この実施形態では、光電変換膜を３層積層して、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色に対応する電気信号を取り出す構成、すなわち、カラー画像を撮像する構成になっているが、光電変換膜を１層だけ設け、単色例えば白黒の画像を撮像する構成でよい。

図１において、ｎ型シリコン基板５０に形成されたＰウェル層１の表面部には、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２と、赤色信号読出用のＭＯＳ回路３と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４と、緑色信号読出用のＭＯＳ回路５と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６と、青色信号読出用のＭＯＳ回路７とが形成されている。

各ＭＯＳ回路３，５，７は、半導体基板表面に形成されたソース用，ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜８を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜８及びゲート電極の上部には絶縁膜９が積層されて平坦化される。この絶縁膜９の表面に遮光膜を形成する場合もあるが、遮光膜を形成した場合には遮光膜を絶縁する関係で更に絶縁膜１０を積層する。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるためである。遮光膜をこの場所に設けない場合には、図示の絶縁膜９，１０は一体でよい。

上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６に蓄積された信号電荷に応じた信号はＭＯＳ回路３，５，７によって読み出され、更に、図示は省略したが、半導体基板に形成された読み出し電極によって外部に取り出されるが、その構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサと同様である。

また、この例は、半導体基板に形成したＭＯＳ回路で信号電荷量に応じた信号を読み出す構成としたが、色信号蓄積用の高濃度不純物領域２，４，６の蓄積電荷を、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様に、垂直転送路に沿って移動させ、水平転送路に沿って外部に読み出す構成とすることもできる。

以上の構成は、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの半導体プロセスによって製造され、以後に述べる構成を付加することで、光電変換膜積層型固体撮像素子を製造する。

図１に示す絶縁膜１０の上に、透明電極膜１１を形成する。この透明電極膜１１は、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域２に電極１２によって導通される。この電極１２は、透明電極膜１１及び高濃度不純物領域２以外とは電気的に絶縁される。そして、透明電極膜１１の上部に、赤色検出用の光電変換膜１３を形成し、更にその上部に透明電極膜１４を形成する。即ち、１対の透明電極膜１１，１４間に光電変換膜１３を挟む構成となっている。尚、最下層となる電極膜１１を不透明にして遮光膜を兼用させてもよい。

透明電極膜１４の上部には透明絶縁膜１５が形成され、その上部に、透明電極膜１６が形成される。この透明電極膜１６は、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域４に電極１７によって導通される。この電極１７は、透明電極膜１６及び高濃度不純物領域４以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜１６の上部には緑色検出用の光電変換膜１８が形成され、その上部に、透明電極膜１９が形成される。即ち、１対の透明電極膜１６，１９間に光電変換膜１８を挟む構成となっている。

透明電極膜１９の上部には透明絶縁膜２０が形成され、その上部に、透明電極膜２１が形成される。この透明電極膜２１は、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域６に電極２２によって導通される。この電極２２は、透明電極膜２１及び高濃度不純物領域６以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜２１の上部には青色検出用の光電変換膜２３が形成され、その上部に、透明電極膜２４が形成される。即ち、１対の透明電極膜２１，２４間に光電変換膜２３を挟む構成となっている。

最上層には透明絶縁膜２５が設けられ、この実施形態では、この透明絶縁膜２５中に、この画素への入射光の入射範囲を制限する遮光膜２６が設けられる。本実施形態で最上層に遮光膜２６を設けたのは、画素間の混色をより一層低減するためである。均質な透明電極膜としては、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化インジウム（ＩｎＯ_２）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いるが、これに限るものではない。その形成方法としては、レーザアブレーション法，スパッタ法などがある。

光電変換膜２３，１８，１３の構成は、基本的には同じであるが、膜中に設けられるＩｎＮ量子ドットの粒径が異なる。青色検出用の光電変換膜２３中のＩｎＮ量子ドットの粒径が一番小さく、次に、緑色検出用の光電変換膜１８中のＩｎＮ量子ドットの粒径が中間で、赤色検出用の光電変換膜１３中のＩｎＮ量子ドットの粒径が一番大きく、いずれも、粒径はナノメートルのオーダである。

これらの粒径は、対応する波長の光吸収が大きくなり電子―正孔対が多数発生するように選択する。即ち、青色検出用の光電変換膜２３では光吸収の極大値が４００〜５００ｎｍとなるように、緑色検出用の光電変換膜１８では光吸収の極大値が５００〜５６０ｎｍとなるように、赤色検出用の光電変換膜１３では５６０〜６４０ｎｍになるように粒径を選択する。

図１に示した実施形態は、赤色，緑色，青色の３原色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の例であるが、４色を検出できる構成にすることも可能である。図２は、４色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図であり、図１の構成に対し、緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）の中間色（ＧＢ：エメラルド色）を検出する光電変換膜３１を透明電極３２，３３で挟んだ層を、緑色検出用の層と青色検出用の層との間に設けている。つまり、検出する光の波長が短い順に、光電変換膜２３，３１，１８，１３を上から順に設けている。

この例では、光電変換膜２３における光吸収の極大値が４２０〜４８０ｎｍ、光電変換膜３１における光吸収の極大値が４８０〜５２０ｎｍ、光電変換膜１８における光吸収の極大値が５２０〜５６０ｎｍ、光電変換膜１３における光吸収の極大値が５８０〜６２０ｎｍとなるように、量子ドットの粒径を決めている。

そして、中間色の信号電荷蓄積用の高濃度不純物領域３６を半導体基板に形成し、この高濃度不純物領域３６と透明電極３２とを導通し他の構成部分とは電気絶縁された電極３５を設けると共に、高濃度不純物領域３６の信号電荷を読み出すＭＯＳ回路３７が半導体基板に設けられる。透明電極膜３１と上部の透明電極膜２１との間に透明絶縁膜３４を設けるのは当然である。

波長４８０〜５２０ｎｍの中間色を検出する利点は、人間の視感度に応じて赤色を補正するためである。人間の視感度は、図３にα，β，γとして示す様に、緑色（Ｇ），赤色（Ｒ），青色（Ｂ）で負の感度を持っている。このため、固体撮像素子でＲ，Ｇ，Ｂの正の感度のみ検出して色再現を行っても、人間の見た画像を再現することはできない。そこで、負感度の一番大きいβすなわち赤の負感度を光電変換膜３１によって検出し、光電変換膜１３で検出した赤の感度から、この負感度分を差し引くことで、人間の赤色に対する感度を再現することができる。

図４は、図１に示すＭＯＳ回路３，５，７の回路図である。このＭＯＳ回路は、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に３つのＦＥＴ素子で構成され、その回路構成は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いる回路と同じである。図２の固体撮像素子では、１画素分に対して中間色（ＧＢ）用の３つのＦＥＴ素子が追加されるだけである。

従来のＣＭＯＳ型イメージセンサでは、半導体表面に「受光部」を設ける必要があったため、これらのＭＯＳ回路を半導体表面に製造する場合、受光部を広くする関係で狭い場所に製造しなければならなかった。しかし、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、「受光部」を半導体表面に設ける必要がないため、ＭＯＳ回路の製造は容易となる。また、配線スペースに余裕ができるため、図４ではＲ，Ｇ，Ｂのうちの１つをセレクト信号で選択しながら順次読み出す構成であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂを一緒に読める配線接続にすることも容易となる。これは、読み出し回路を、ＭＯＳ回路ではなく、ＣＣＤ型イメージセンサの様に電荷転送路を設けるタイプでも同様である。

図１，図２に示す構造は、１画素分であるが、これらの画素が半導体基板の表面側に縦横にアレイ状に設けられる。最も、一画素一画素に応じて光電変換膜を区分して積層する必要はなく、半導体基板の表面全面に光電変換膜を一枚構成で積層することができる。そして、一画素一画素は、各光電変換膜を挟む一対の透明電極のうちの一方を一画素一画素に分離して形成することで、画素を分離できる。

上述した図１または図２の光電変換膜積層型固体撮像素子に、被写体からの光が入射すると、入射光のうちの青色の光が光電変換膜２３で吸収され、緑色の光が光電変換膜１８で吸収され、赤色の光が光電変換膜１３で吸収される。また、図２の場合では青色と緑色の中間色（ＧＢ）であるエメラルド色の光が光電変換膜３１で吸収される。

光電変換膜２３を構成する量子ドット（超微粒子）では、入射光を吸収して電子―正孔対が生成される。この電子―正孔対は、時間をおくと再結合して青色の光を放射するが、透明電極２４，２１間に電圧を印加すると、これら電子―正孔対のうち電子が再結合前に透明電極２１から電極２２を通って高濃度不純物領域６に流れる。

同様にして、光電変換膜１８で生成された緑色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域４に流れ、光電変換膜１３で生成された赤色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域２に流れ、エメラルド色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域３６（図２）に流れる。そして、ＭＯＳ回路３，５，７，３７によって、各色に対応する電荷量の電子が外部に読み出される。

図５は、光電変換膜２３，１８，１３，３１の断面模式図である。透明電極膜２４，２１間に設けられる光電変換膜２３（１８，１３，３１も同様であり、異なるのは、量子ドットの粒径だけである。）は、図示の例では、光電変換層４１と、正孔輸送層４２とを備える。

光電変換層４１は、超微粒子でなるＩｎＮ量子ドット４３と、ＩｎＮよりも大きなバンドギャップを持つ物質、この例ではＧａＮの量子ドット４４とを構成要素とし、両者４３，４４を均等に分散させて構成してある。

図５の例では、正孔輸送層４２を設けているが、光電変換膜２３として、光電変換層４１だけで構成することでもよい。しかし、正孔輸送層４２を設ける方が、正孔の輸送効率が向上するため好ましい。

図６は、光電変換膜２３（他の光電変換膜も同様）の別実施形態の断面模式図である。この図６の例は、図５の実施形態と同様に、ＩｎＮ量子ドット４３とＧａＮ量子ドット４４とを使用する点は同じであるが、正孔輸送層４２のＧａＮ量子ドット４４ｐとしてｐ型不純物をドーピングしたものを使用し、光電変換層４１のＧａＮ量子ドット４４ｎとしてｎ型不純物をドーピングしたものを使用している点が異なる。

この構成により、ＧａＮ量子ドット４４ｐによる正孔輸送効率が向上すると共にＧａＮ量子ドット４４ｎによる電子輸送効率も向上する。尚、光電変換層４１内のＧａＮ量子ドット４４に必ずしもｎ型不純物をドーピングしておく必要はなく、不純物をドーピングしてないＧａＮ量子ドットを使用することもできる。

図７は、光電変換膜２３（他の光電変換膜も同様）の更に別の実施形態の断面模式図である。この図７の例は、図５の実施形態と同様に、ＩｎＮ量子ドット４３とＧａＮ量子ドット４４とを使用する点は同じであるが、正孔輸送層４２のＧａＮ量子ドット４４ｐとしてｐ型不純物をドーピングしたものを使用し、更に、光電変換層４１の正孔輸送層４２側のＧａＮ量子ドット４４ｐもｐ型不純物をドーピングしたものを使用し、光電変換層４１の反正孔輸送層側のＧａＮ量子ドット４４ｎとしてｎ型不純物をドーピングしたものを使用している点が異なる。

この構成によっても、ＧａＮ量子ドット４４ｐによる正孔輸送効率が向上すると共にＧａＮ量子ドット４４ｎによる電子輸送効率も向上する。尚、光電変換層４１内の反正孔輸送層側すなわち透明電極２１側のＧａＮ量子ドット４４に必ずしもｎ型不純物をドーピングしておく必要はなく、不純物をドーピングしてないＧａＮ量子ドットを使用することでもよい。

図８は、図５乃至図７に示す光電変換膜を製造する製造装置の説明図である。この製造装置は、３つの真空チャンバ５１，５２，５３を備え、真空チャンバ５１内に、光電変換膜を積層する半導体基板５０が置かれる。真空チャンバ５１は図示しない真空ポンプに排気路５１ａを介して接続される。

真空チャンバ５２，５３は同一構造でなり、各真空チャンバ５２，５３共に、Ｎ２ガスの導入路５２ａ，５３ａと、導入路５２ａ，５３ａの途中に設けられた流量調整装置５２ｂ，５３ｂと、Ｎ２ガスを排気する排気路５２ｃ，５３ｃと、チャンバ５２，５３内に置かれたターゲットホルダ５２ｄ，５３ｄと、ターゲットホルダ５２ｄ，５３ｄに保持されたターゲットにパルスレーザ光を照射するレーザ光源５２ｅ，５３ｅとを備える。

真空チャンバ５１と真空チャンバ５２，５３とは夫々連通路５２ｆ，５３ｆによって連通されるが、各連通路５２ｆ，５３ｆの途中にはオリフィスが設けられ、チャンバ５２，５３内にＮ２ガスが導入されても、チャンバ５１内の真空度が所定真空度に維持される様になっている。

また、連通路５２ｆ，５３ｆには、図示しない質量分離装置が設けられており、チャンバ５２，５３内のターゲットからパルスレーザ光照射によって出射された超微粒子は、先ずイオン化され、次に加速され、最後に偏向電極によって曲げられたとき、所定範囲内の粒径の超微粒子のみがチャンバ５１内の半導体基板５０方向に入射する様になっている。

斯かる製造装置において、真空チャンバ５１，５２，５３内の真空度が１．０×１０^−９Ｔｏｒｒまで排気された後、Ｎ２ガスをチャンバ５２，５３内に導入し、その圧力を、０．０１〜１．０Ｔｏｒｒの範囲内の所定圧力値に維持する。この状態で、真空チャンバ５２内のターゲットホルダ５２ｄに置かれたＩｎＮターゲット５５の表面に対してレーザ光源５２ｅからパルスレーザを照射する。これにより、ＩｎＮターゲット５５の表面ではレーザアブレーション現象が発生し、ＩｎＮのイオンあるいはクラスタ状の中性原子がターゲット５５から脱離する。この離脱したクラスタ等は、Ｎ_２ガスと衝突して減速し、他のクラスタ等と衝突し、次第に粒径が大きくなる。この結果、数ｎｍ〜数１０ｎｍの超微粒子が生成される。

真空チャンバ５３内には、ＧａＮターゲット５６が置かれ、上記と同様にして、数ｎｍ〜数１０ｎｍのＧａＮの超微粒子が生成される。ＩｎＮ，ＧａＮ共に、レーザアブレーションの過程でＩｎとＮ、ＧａとＮに分離する可能性があるが、両方とも窒素ガス雰囲気中でレーザアブレーションが起きるため、ＩｎＮ，ＧａＮ共に化学量論的組成は保たれる。

一方、真空チャンバ５１内には半導体基板５０が置かれ、真空チャンバ５１と真空チャンバ５２，５３との差圧により、ＩｎＮ超微粒子あるいはＧａＮ超微粒子は、連通路５２ｆ，５３ｆを通して真空チャンバ５１内に噴射され、半導体基板５０上に堆積される。

このため、図５の透明電極２１を、真空チャンバ５１内において半導体基板５０の表面に形成した後、真空チャンバ５２，５３から同時に同一粒径のＩｎＮ超微粒子とＧａＮ超微粒子を半導体基板５０に噴射させることで、ＩｎＮ超微粒子とＧａＮ超微粒子とが均質に分散した図５の光電変換層４１が生成され、その後、ＧａＮ超微粒子のみを半導体基板５０に噴射させることで、正孔輸送層４２が生成される。この後、真空チャンバ５１内において透明電極膜２４を半導体基板５０表面に形成することで、２枚の透明電極膜２１，２４で挟まれた光電変換膜２３が製造される。

図１，図２に示す各光電変換膜２３，１８，１３，３１は上記と同様の工程で製造されるが、各光電変換膜の製造において、ＩｎＮ超微粒子とＧａＮ超微粒子の粒径制御を行う必要がある。それは、連通路５２ｆ，５３ｆに設けた質量分離装置で行う。

この質量分離装置の原理は、質量分析装置と同じであり、先ず、発生した超微粒子をイオン化して帯電させ、次に加速電界を印加して加速する。加速された粒子を、偏向電極間の電界中に通すことで、加速粒子は、質量すなわち粒径に応じた半径の円弧軌道をとる。これにより、所望範囲の粒径の超微粒子のみが連通路５２ｆ，５３ｆを通過して真空チャンバ５１内に入ることができ、他の粒径の粒子は壁面等に当たって壁面に付着する。即ち、加速電界や偏向電界を調整することで、真空チャンバ５１内に入る超微粒子の粒径を制御でき、光電変換膜を生成する量子ドットの粒径制御が可能となる。

ＧａＮ超微粒子にｐ型不純物をドーピングするには、ＧａＮターゲット５６自体にｐ型不純物を含むものを使用すればよく、同様に、ｎ型不純物をドーピングするには、ｎ型不純物を含むＧａＮターゲット５６を使用する。

図６，図７に示す光電変換膜を生成するには、真空チャンバ５３内に、ｐ型不純物を含むＧａＮターゲットとｎ型不純物を含むＧａＮターゲットの両方を用意しておき、必要に応じて使用ターゲットを切り替えればよい。

尚、上述の様にして形成する光電変換膜２３の膜厚は、例えば青色の光を光電変換する光電変換膜であれば、青色の光を十分に吸収して次層の光電変換膜に青色光が入射しない様にするのがよい。仮に青色光が次層の緑色光の光電変換膜に入射して光励起が起きると、色分離が悪くなるためである。

図１，図２の各光電変換膜から対応する各高濃度不純物領域２等に信号電荷を移動させる方法としては、通常のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの受光素子から信号を取り出す手法に準じた手法を採用してもよい。例えば、一定量のバイアス電荷を高濃度不純物領域２等（蓄積ダイオード）に注入して（リフレッシュモード）おき、光入射によって一定の電荷を蓄積（光電変換モード）した後、信号電荷を読み出すという方法である。光電変換膜そのものを蓄積ダイオードとして用いることもでき、別途、蓄積ダイオードを付設することも可能である。

高濃度不純物領域２等に移動された信号電荷の読み出しには、通常のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサの読み出し手法をそのまま適用することができる。

従来から、ＣＣＤ等の固体撮像素子においては、光電変換機能を有した受光素子と、変換された信号の蓄積機能、蓄積された信号の読み出し機能や、画素位置の選択機能などを有する。受光部で光電変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのもの若しくは付設されたキャパシタに蓄えられる。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、画素位置の選択と共に読み出される。

ＣＣＤ型イメージセンサでは、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順次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 interlinetransfer）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造、３相構造、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、本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子における垂直転送路の構造はこれらのうちの任意の構造を採用できる。

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（または電荷）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アドレス走査の撮像素子が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設けられたスイッチが垂直シフトレジスタに接続され、垂直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設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通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の向上を図ることができる。

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。これらは、従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサと同じである。

上述した実施形態では、マイクロレンズや赤外線カットフィルタ，紫外線カットフィルタについては述べなかったが、図１，図２の構成で、赤外線カットフィルタを最下層や最上層に設けることも可能であり、また、マイクロレンズを使用して集光率を上げることも可能である。また、紫外線カットフィルタを、最上層に設けたり、或いは、レンズと光電変換膜との間の適宜箇所に入れてもよい。

更に、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、光電変換膜を３層構造，４層構造とすることで、様々な利点を有することができる。例えば、撮像画像にモアレが発生しない、一つの画素でＲ，Ｇ，Ｂを一緒に検出できるため光学ローパスフィルタが不要となり高解像度が得られる、輝度，色とも解像度が良く色にじみがない、信号処理が単純でしかも擬信号が発生しないため髪の毛等の再現性が良くなる、画素混合が容易でまた部分読みも容易となる、マイクロレンズを使用しなくても開口率１００％である、撮像レンズに対する射出瞳距離に制約ないためシェーディングが無く、このため、レンズ交換カメラに適し、更に、レンズの薄型化に貢献する等、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサが持っていた問題を解決することができる。

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサの代わりに使用でき、しかも、一画素を従来より大きくできるため感度が高くなるという利点があるため、デジタルカメラ等に搭載すると有用である。

本発明の一実施形態に係る３層構造の光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る４層構造の光電変換膜積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。 人間の視感度を示すグラフである。 ＭＯＳ回路で構成された信号読出回路の回路図である。 本発明の一実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。 本発明の別実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。 本発明の更に別の実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。 本発明の実施形態における光電変換膜の製造装置の説明図である。

符号の説明

１ Ｐウェル層
２，４，６，３６ 高濃度不純物領域
３，５，７，３７ ＭＯＳ回路
８ ゲート絶縁膜
９，１０ 絶縁膜
１１，１４，１６，１９，２１，２４，３２，３３ 透明電極膜
１２，１７，２２，３５ 電極
１３，１８，２３，３１ 光電変換膜
２５ 透明絶縁膜
２６ 遮光膜
４１ 光電変換層
４２ 正孔輸送層
４３ ＩｎＮ量子ドット（超微粒子）
４４ ＧａＮ量子ドット（超微粒子）
４４ｐ ｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ量子ドット
４４ｎ ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ量子ドット
５０ 半導体基板
５１，５２，５３ 真空チャンバ
５２ｅ，５３ｅ パルスレーザ光源
５５ ＩｎＮターゲット
５６ ＧａＮターゲット

Claims (12)

1. 信号読出回路が形成された半導体基板の上に光電変換膜が積層され該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号が前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、光電変換に寄与する第１量子ドットと該第１量子ドットより大きなバンドギャップを有する第２量子ドットとが均質に分散した光電変換層を前記光電変換膜が有することを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。
2. 前記光電変換層に前記第２量子ドットからなる正孔輸送層が積層されて前記光電変換膜が構成されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
3. 前記正孔輸送層の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
4. 前記光電変換層の前記第２量子ドットにｎ型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
5. 前記正孔輸送層の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされ、前記光電変換層の前記正孔輸送層側の前記第２量子ドットにｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項２に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
6. 前記光電変換層の正孔輸送層と反対側の前記第２量子ドットにｎ型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項５に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
7. 前記第１量子ドットがＩｎＮであり、前記第２量子ドットがＧａＮであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
8. ２枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して３層に積層されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
9. 前記３層の光電変換膜のうち、第１番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４００〜５００ｎｍ、第２番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５００〜５６０ｎｍ、第３番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５６０〜６４０ｎｍとなるように各光電変換膜に設けられる前記第１量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする請求項８に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
10. ２枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して４層に積層されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
11. 前記４層の光電変換膜のうち、第１番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４２０〜４８０ｎｍ、第２番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長４８０〜５２０ｎｍ、第３番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５２０〜５６０ｎｍ、第４番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長５６０〜６２０ｎｍとなるように各光電変換膜に設けられる前記第１量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする請求項１０に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。
12. 前記第２番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量を、前記第４番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量から差し引くことで赤色の信号量を求めることを特徴とする請求項１１に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。

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