JP6778876B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、
各画素は、前記複数の画素間で電気的に接続された電極と、前記画素ごとに区画された電荷捕集部と、前記電極と前記電荷捕集部との間に位置し、前記複数の画素間でつながっている光電変換層と、を備え、前記光電変換層は、半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質および前記半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質のうちの一方と、を含む、撮像装置。この構成によれば、カーボンナノチューブを光電変換材料として備えた撮像装置が実得する。また、半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ物質、または、半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ物質を含むことにより、画素間での検出電荷の混合を抑制し、高精細な画像を取得し得る撮像装置、または、微小な画素サイズの撮像装置が実現し得る。
前記光電変換層は、前記第1の物質を含み、前記電荷捕集部は、負電荷を捕集する項目1に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層は、前記第2の物質を含み、前記電荷捕集部は、正電荷を捕集する項目1に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層を支持する半導体基板を更に備え、前記各画素は前記半導体基板に設けられており、前記電荷捕集部と電気的に接続された電荷検出用トランジスタをさらに含む、項目1から3のいずれかに記載の撮像装置。この構成によれば、積層型の撮像装置を実現し得る。
前記光電変換層において、前記半導体型カーボンナノチューブと、前記第1の物質および前記第2の物質のうちの一方とは互いに分散している項目1から4のいずれかに記載の撮像装置。この構成によれば、より確実に画素間の電荷の混合が抑制される。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域である項目4に記載の撮像装置。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板上に位置する電極である、項目4に記載の撮像装置。
前記第1の物質は、フラーレン骨格を有する分子である項目2に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目3に記載の撮像装置。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも低くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目2に記載の撮像装置。
1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、各画素は、前記複数の画素間で電気的に接続された電極、前記画素ごとに区画された電荷捕集部、および半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質および前記半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質のうちの一方とを含み、前記電極および前記電荷捕集部に挟まれた光電変換層を含み、前記半導体型カーボンナノチューブの少なくとも一部は前記電荷捕集部と電気的に接続されている、撮像装置。この構成によれば、キャリア移動度の高い半導体型カーボンナノチューブを含み、半導体型カーボンナノチューブ中を移動する電荷を画素電極で捕集する。このため、高速動作、高フレームレートで撮影が可能な撮像装置を実現することができる。
前記光電変換層は、前記第1の物質を含み、前記電荷捕集部は、正電荷を捕集する項目11に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層は、前記第2の物質を含み、前記電荷捕集部は、負電荷を捕集する項目11に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層を支持する半導体基板を更に備え、前記各画素は前記半導体基板に設けられており、前記電荷捕集部と電気的に接続された電荷検出用トランジスタをさらに含む、項目11から13のいずれか記載の撮像装置。この構成によれば、積層型の撮像装置を実現し得る。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域である項目14に記載の撮像装置。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板上に位置する電極である、項目14に記載の撮像装置。
前記第1の物質は、フラーレン骨格を有する分子である項目12に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも低くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目12に記載の撮像装置。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目13に記載の撮像装置。
[1.撮像装置の全体構成]
図1を参照しながら、本開示の撮像装置の構成の概略を説明する。図1は、本開示の実施形態による撮像装置の回路構成の一例を示す。図1に示す撮像装置100は、複数の単位画素セル20と、周辺回路とを有する。周辺回路は、単位画素セル20の各々に所定の電圧を供給する電圧供給回路10を含む。
図2は、本開示の実施形態による撮像装置100中の単位画素セル20のデバイス構造の断面を模式的に示している。図2に例示する構成において、単位画素セル20は、光電変換部30を支持する半導体基板62(例えばシリコン基板)を含む。図示するように、光電変換部30は、半導体基板62の上方に配置される。この例では、半導体基板62上に層間絶縁層63A、63Bおよび63Cが積層されており、層間絶縁層63C上に、画素電極32、光電変換層39および対向電極38の積層体が配置されている。画素電極32は画素ごとに区画されており、隣接する2つの単位画素セル20間において画素電極32が空間的に分離して形成されることにより、隣接する2つの画素電極32は、電気的に分離されている。また、光電変換層39および対向電極38は、複数の単位画素セル20に跨るように形成されている。対向電極38は、たとえば、ITOまたはZnO等の金属酸化物、数層グラフェン、金属ナノワイヤーなどによって形成される。
次に光電変換部30の光電変換層39を詳細に説明する。図3Aは、単位画素セル20における光電変換部30の断面を模式的に示している。各単位画素セル20において、光電変換部30は、対向電極38と、画素電極32と、光電変換層39とを含む。光電変換層39は、対向電極38と画素電極32とに挟まれている。
の電位が対向電極38の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を対向電極38に供給する。また、その場合、電荷分離材料106として、半導体型カーボンナノチューブ105よりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ物質を用いることができる。
図7を参照しながら光電変換層39における入射光の検出を説明する。図7は、光電変換層39内の半導体型カーボンナノチューブ105および電荷分離材料106と、画素電極32および対向電極38との位置関係を示す模式図である。図7において、着目する半導体型カーボンナノチューブ105および電荷分離材料106のみ、実線で示している。以下の例では電子を信号電荷として用いている。また、電荷分離材料106は、半導体型カーボンナノチューブ105よりも小さいイオン化ポテンシャルを持つ物質である。また、図7においては、画素電極32の電位が対向電極38の電位よりも高くなるように、バイアス電圧を対向電極38に供給している。そのため、矢印502で示す方向に電場が生じている。
撮像装置100は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に、半導体基板62としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって撮像装置100を製造することができる。
第2の実施形態では、カーボンナノチューブにおいて発生する正孔―電荷対から、信号電荷として用いる方を電荷分離材料が引き抜く点が、第1の実施形態と異なる。まず、発明者の知見を説明する。
20 単位画素セル
22 蓄積制御線
23 電源線
24 垂直信号線
25 アドレス信号線
26 リセット信号線
27 フィードバック線
30 光電変換部
32 画素電極
38 対向電極
39 光電変換層
40 信号検出回路
41 電荷蓄積ノード
42 増幅トランジスタ
42g、44g、46g ゲート絶縁層
42e、44e、46e ゲート電極
44 アドレストランジスタ
46 リセットトランジスタ
52 垂直走査回路
54 水平信号読出し回路
56 カラム信号処理回路
58 負荷回路
59 反転増幅器
61 基板
62 半導体基板
62a〜62e 不純物領域
62s 素子分離領域
63A〜63C 層間絶縁層
65A、65B コンタクトプラグ
66A、68A、68B 配線
67A〜67C プラグ
72 保護層
74 マイクロレンズ
100 撮像装置
101 電子ブロック層
103 正孔ブロック層
105 半導体型カーボンナノチューブ
106 電荷分離材料
110 伝導帯
111 価電子帯
113 真空準位
150 半導体型カーボンナノチューブ
196 電荷分離材料
501、511、512 位置
Claims (10)
- 1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、
各画素は、
前記複数の画素間で電気的に接続された電極と、
前記画素ごとに区画された電荷捕集部と、
前記電極と前記電荷捕集部との間に位置し、前記複数の画素間でつながっている光電変換層と、
を備え、
前記光電変換層は、半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質を含み、
前記半導体型カーボンナノチューブは、光電変換によって正孔−電子対を生成し、
前記第1の物質は、前記半導体型カーボンナノチューブから、前記生成した正孔−電子対のうちの電子を引き抜き、
前記生成した正孔−電子対のうち、前記半導体型カーボンナノチューブに残った正孔が、前記半導体型カーボンナノチューブ内を移動し、前記電荷捕集部へ移動することによって、前記電荷捕集部が前記正孔を捕集する、
撮像装置。 - 1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、
各画素は、
前記複数の画素間で電気的に接続された電極と、
前記画素ごとに区画された電荷捕集部と、
前記電極と前記電荷捕集部との間に位置し、前記複数の画素間でつながっている光電変換層と、
を備え、
前記光電変換層は、半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第1の物質を含み、
前記半導体型カーボンナノチューブは、光電変換によって正孔−電子対を生成し、
前記第1の物質は、前記半導体型カーボンナノチューブから、前記生成した正孔−電子対のうちの正孔を引き抜き、
前記生成した正孔−電子対のうち、前記半導体型カーボンナノチューブに残った電子が、前記半導体型カーボンナノチューブ内を移動し、前記電荷捕集部へ移動することによって、前記電荷捕集部が前記電子を捕集する、
撮像装置。 - 前記半導体型カーボンナノチューブの少なくとも一部は、前記電荷捕集部と電気的に接続されている、
請求項1または請求項2に記載の撮像装置。 - 前記光電変換層を支持する半導体基板を更に備え、
前記各画素は前記半導体基板に設けられており、前記電荷捕集部と電気的に接続された電荷検出用トランジスタをさらに含む、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記光電変換層において、前記半導体型カーボンナノチューブと、前記第1の物質とは互いに分散している、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記電荷捕集部は、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域である、
請求項4に記載の撮像装置。 - 前記電荷捕集部は、前記半導体基板上に位置する電極である、
請求項4に記載の撮像装置。 - 前記第1の物質は、フラーレン骨格を有する分子である、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記光電変換層の厚さ方向における前記第1の物質の密度は、前記電極側よりも前記電荷捕集部側の方が低い、
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記半導体型カーボンナノチューブは、2以上の異なるカイラリティを有する半導体型カーボンナノチューブを含む、
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の撮像装置。
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