(57)【要約】【課題】近赤外線に対する受光感度やダイナミックレンジを高めることを可能にして、車載用赤外線イメージセンサーに必要な高速性や、暗所監視イメージセンサーに求められる高感度化、高ダイナミックレンジ化を実現することが可能な撮像素子を提供する。【解決手段】撮像素子１は、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とからなる。近赤外線ラインセンサー部２は、ｐ型シリコン基板１１の上面１３側の一部にｎ型シリコン領域１２を形成してなるものであり、ｎ型シリコン領域１２は、ｐ型シリコン基板１１の側面１４側から入射する近赤外線の入射方向に沿って、その長さが数１０μｍ〜数１００μｍとなるように形成されている。シリコン層２４とシリコン基板２２との間にはミラー駆動用回路が形成され、ミラー駆動用電圧が印加されることにより、シリコン層２４の可動部２４ｂが斜め下方に傾く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外線を反射する反射部を有し、前記反射部による近赤外線の反射方向を可変とする機構を有する近赤外線反射可動ミラー部と、ｐ型シリコン基板の上面側の一部にｎ型シリコン領域を設けてフォトダイオードが形成された近赤外線ラインセンサー部とを備え、前記反射部により反射された近赤外線が前記近赤外線ラインセンサー部の側面側から入射され、前記フォトダイオードにおけるＰＮ接合は、近赤外線の入射方向に沿って、少なくとも近赤外線のシリコン半導体内での侵入長に相当する長さを有していることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記近赤外線反射可動ミラー部と前記近赤外線ラインセンサー部とが、同一の基板上に一体として形成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記近赤外線反射可動ミラー部と前記近赤外線ラインセンサー部とはそれぞれ独立に作製されて、基板上に接着固定されていることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
【請求項４】
前記反射部はシリコン層上に反射膜が設けられて形成され、前記反射部にヒンジ部が連結され、前記ヒンジ部の動作により前記反射部の傾斜方向が変化して、前記近赤外線ラインセンサー部に入射する近赤外線が走査されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記近赤外線ラインセンサー部に入射する近赤外線の走査速度は、近赤外線の入射強度に応じて可変であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の撮像素子。
【請求項６】
前記ヒンジ部は、前記反射部よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の撮像素子。
【請求項７】
前記ヒンジ部の一部に凹部が設けられていることを特徴とする請求項４または５記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外線の波長帯域において受光感度を高めることを可能とした撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤやＣＭＯＳイメージャーなどに代表される半導体撮像素子は、ビデオカメラやデジタルカメラ等に用いられており、撮像画像の光信号を電気信号に変換するための廉価で消費電力の少ないイメージセンサーとして広く普及している。それらの多くは、人の目と同様の画像検知特性の実現を目的としており、可視光のセンシングを効率良く高感度で実現するために、主にシリコン半導体で形成されている。
【０００３】
撮像画像の光信号を電気信号へ変換することは、半導体材料内における内部光電効果を利用することにより、高効率で変換することが可能であるが、この内部光電効果は、半導体のバンドギャップにより変換可能な光の波長が決まり、シリコン半導体の場合、可視光から近赤外線の波長範囲（４００ｎｍ〜１１００ｎｍ）を検知することができる。
【０００４】
近赤外線は可視光より波長が長いため、シリコン半導体内での吸収係数が小さく、その侵入長は数１０μｍ〜数１００μｍに及ぶ。内部光電効果で発生する電荷を効率良く収集できるのは、ＰＮ接合部の空乏層領域であるが、一般的な半導体素子では、ＰＮ接合部は数μｍ程度より浅い所に形成され、それより深い位置に形成することは難しい。そのため、入射される近赤外線の殆どが、ＰＮ接合部の空乏層領域より深い領域で電子を励起することになり、これらの電子は収集される前に再結合して消滅してしまう。その結果、近赤外線領域においては、受光感度が低下するという問題が生じる。
【０００５】
近赤外線は可視光に近い性質を持つため、人の目には見えないが、可視光に似た性質の光として様々な所で利用されている。例えば、明るくすることができない場所を近赤外線で照らして監視したり、明るい場所でも近赤外線を照射したりしてその反射光を検知する車載装置などに用いられている。
【０００６】
また、近赤外線によるセンシングの高感度化が実現すると、短い受光時間（露光時間）で撮像することが可能となることから、高速な画像取得が必要な車載用イメージセンサーでは不可欠な技術となると考えられる。
近赤外領域での感度を高めることを目的とした撮像素子の一例が、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１４７６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、近赤外線に対する受光感度やダイナミックレンジを高めることを可能にして、車載用赤外線イメージセンサーに必要な高速性や、暗所監視イメージセンサーに求められる高感度化、高ダイナミックレンジ化を実現することが可能な撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するために、本発明の撮像素子は、近赤外線を反射する反射部を有し、前記反射部による近赤外線の反射方向を可変とする機構を有する近赤外線反射可動ミラー部と、ｐ型シリコン基板の上面側の一部にｎ型シリコン領域を設けてフォトダイオードが形成された近赤外線ラインセンサー部とを備え、前記反射部により反射された近赤外線が前記近赤外線ラインセンサー部の側面側から入射され、前記フォトダイオードにおけるＰＮ接合は、近赤外線の入射方向に沿って、少なくとも近赤外線のシリコン半導体内での侵入長に相当する長さを有していることを特徴とする。
【００１０】
反射部により反射された近赤外線が近赤外線ラインセンサー部の側面側から入射され、フォトダイオードにおけるＰＮ接合は、近赤外線の入射方向に沿って、少なくとも近赤外線のシリコン半導体内での侵入長に相当する長さを有しているため、近赤外線がフォトダイオードに入射したときに、ＰＮ接合部の空乏層領域において、内部光電効果で発生する電荷を効率良く収集することができる。そのため、近赤外線の波長帯域において受光感度を高めることができ、撮像画像の光信号を電気信号へ効率よく変換することができる。
【００１１】
本発明においては、前記近赤外線反射可動ミラー部と前記近赤外線ラインセンサー部とを、同一の基板上に一体として形成することができる。
また、前記近赤外線反射可動ミラー部と前記近赤外線ラインセンサー部とをそれぞれ独立に作製して、基板上に接着固定することもできる。
上記のいずれの構成とするかは、近赤外線反射可動ミラー部と近赤外線ラインセンサー部とを作製するにあたって、それぞれの作製精度の整合性によって決定することができる。
【００１２】
本発明においては、前記反射部はシリコン層上に反射膜が設けられて形成され、前記反射部にヒンジ部が連結され、前記ヒンジ部の動作により前記反射部の傾斜方向が変化して、前記近赤外線ラインセンサー部に入射する近赤外線が走査される構成とすることができる。
ヒンジ部の動作により前記反射部の傾斜方向が変化して、前記近赤外線ラインセンサー部に入射する近赤外線が走査されることにより、簡単な操作で２次元イメージの撮像が可能となる。
【００１３】
本発明においては、前記近赤外線ラインセンサー部に入射する近赤外線の走査速度を、近赤外線の入射強度に応じて可変とすることができる。
近赤外線の光量が微弱な場合には走査速度を遅くすることにより、微弱な光信号であっても感度良く拾うことができ、逆に近赤外線の光量が強い場合には、走査速度を遅くして感度を落として撮像することができる。あるいは、近赤外線の光量が弱い場合に走査速度を速くし、近赤外線の光量が強い場合に走査速度を遅くすると、ＳＮ比が高くなるため、コントラスト比の強い撮像が可能となる。
【００１４】
本発明においては、前記ヒンジ部を前記反射部よりも薄く形成することができ、あるいは、前記ヒンジ部の一部に凹部を設けることもできる。
反射部とヒンジ部の厚みをこのようにすることにより、ヒンジ部の駆動をしやすくすることができるとともに、反射部の撓みを防止することができ、反射部によって反射される近赤外線の反射方向の乱れを防止することができる。そのため、反射部で反射された近赤外線を正確にフォトダイオードに入射することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、近赤外線に対する受光感度やダイナミックレンジを高めることが可能であるため、車載用赤外線イメージセンサーに必要な高速性や、暗所監視イメージセンサーに求められる高感度化、高ダイナミックレンジ化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の撮像素子の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の撮像素子の第２実施形態の構成を示す図である。
【図３】近赤外線ラインセンサー部の詳細を示す図である。
【図４】近赤外線反射可動ミラー部の第１例を示す図である。
【図５】近赤外線反射可動ミラー部の第２例を示す図である。
【図６】近赤外線反射可動ミラー部の第３例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の撮像素子の第１実施形態の構成を示す。
図１において、撮像素子１は、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とからなり、この実施形態においては、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とは、同一のｐ型シリコン基板１１上に一体として形成されている。
近赤外線ラインセンサー部２は、その詳細を図３に示すように、ｐ型シリコン基板１１の上面１３側の一部にｎ型シリコン領域１２を形成してなるものであり、ｎ型シリコン領域１２は、ｐ型シリコン基板１１の側面１４側から入射する近赤外線の入射方向に沿って、その長さＬが数１０μｍ〜数１００μｍとなるように形成されている。これにより、ＰＮ接合が近赤外線の入射方向に沿って、数１０μｍ〜数１００μｍの長さで形成されたフォトダイオードとして機能する。
【００１８】
近赤外線のシリコン半導体内での侵入長は数１０μｍ〜数１００μｍであることから、近赤外線の入射方向に沿って、ＰＮ接合が数１０μｍ〜数１００μｍの長さで形成されている本発明の近赤外線ラインセンサー部２は、近赤外線のシリコン半導体内での侵入長に相当する長さに亘って画素回路領域を有することになり、ＰＮ接合部の空乏層領域において、内部光電効果で発生する電荷を効率良く収集することができる。そのため、近赤外線の波長帯域において受光感度を高めることができ、撮像画像の光信号を電気信号へ効率よく変換することができる。
【００１９】
ｐ型シリコン基板１１の側面１４からｎ型シリコン領域１２の入射側先端１２ａまでの幅Ｗは数μｍ以下としている。ｐ型シリコン基板１１の側面１４は、ｐ型シリコン基板１１の一部を削り落とすか、あるいはｐ型シリコン基板１１内に空洞を設けることによって形成することができる。ｐ型シリコン基板１１の側面１４から入射した近赤外線は、ｐ型シリコン基板１１のこの部分によってある程度吸収されるため、吸収による光強度の低下を防止する観点からは、幅Ｗはできる限り小さいことが望ましい。
【００２０】
近赤外線反射可動ミラー部３は、ｐ型シリコン基板１１上において、近赤外線ラインセンサー部２とは空隙を隔てた位置に形成されており、その構造を以下に説明する。
ｐ型シリコン基板１１の表面２０側の一部に絶縁膜２１が設けられ、この絶縁膜２１上にシリコン基板２２が形成されている。シリコン基板２２上の一部に絶縁膜２３が設けられ、絶縁膜２３上にはシリコン層２４が形成されている。シリコン層２４の上面には金属膜２５が設けられている。
【００２１】
シリコン層２４は、絶縁膜２３を介してシリコン基板２２上に形成された固定部２４ａと、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３との間の空隙側に突出した可動部２４ｂとからなっている。シリコン層２４とシリコン基板２２との間にはミラー駆動用回路が形成され、ミラー駆動用電圧が印加されることにより、シリコン層２４の可動部２４ｂが斜め下方に傾く。金属膜２５は近赤外線を反射するミラーとして機能し、金属膜２５で反射した近赤外線は、近赤外線ラインセンサー部２を構成するｐ型シリコン基板１１の側面１４へ入射するが、可動部２４ｂの傾斜角が連続的に変化することにより、金属膜２５で反射した近赤外線がｐ型シリコン基板１１の側面１４へ入射する方向が変化する。これにより、ｐ型シリコン基板１１とｎ型シリコン領域１２とのＰＮ接合によって形成されるフォトダイオードへ入射する近赤外線が走査され、２次元イメージの撮像が可能となる。
【００２２】
可動部２４ｂの傾斜の速度、すなわちミラーのスキャン速度を変化させることにより、撮像の感度を変えることができる。例えば、近赤外線の光量が微弱な場合にはミラースキャン速度を遅くすることにより、微弱な光信号であっても感度良く拾うことができるし、逆に近赤外線の光量が強い場合には、ミラースキャン速度を遅くして感度を落として撮像することができる。あるいは、近赤外線の光量が弱い場合にミラースキャン速度を速くし、近赤外線の光量が強い場合にミラースキャン速度を遅くすると、ＳＮ比が高くなるため、コントラスト比の強い撮像が可能となる。
【００２３】
図２に、本発明の撮像素子の第２実施形態の構成を示す。
図２において、撮像素子１は、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とからなり、この実施形態においては、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とは、別個独立のｐ型シリコン基板１１上にそれぞれ形成されており、実装技術により同一の基板１０上に接着されている。
【００２４】
この実施形態においても、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３の構造および機能は、実施形態１と同様である。
本発明の撮像素子において、第１実施形態の構成とするか、第２実施形態の構成とするかは適宜選択できるが、近赤外線ラインセンサー部２は半導体プロセス技術を用いて作製されるものであり、近赤外線反射可動ミラー部３はＭＥＭＳの技術を用いて作製されるものであるため、両者の精度の状況に応じて選択することもできる。
【００２５】
一般的には、半導体プロセス技術とＭＥＭＳの技術では、作製の精度が異なっているため、精度の整合性が取りにくい場合には、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とを、別個独立のｐ型シリコン基板１１上に形成した上で、実装技術により同一の基板１０上に接着する、第２実施形態の構成とするのが便利である。その一方、精度の整合性が取りやすい場合には、近赤外線ラインセンサー部２と近赤外線反射可動ミラー部３とを、同一のｐ型シリコン基板１１上に一体として形成する、第１実施形態の構成とするのが便利である。
【００２６】
図４に、近赤外線反射可動ミラー部３の第１例を示す。図４（ａ）は近赤外線反射可動ミラー部３の平面図であり、図４（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
ｐ型シリコン基板１１、絶縁膜２１、シリコン基板２２、絶縁膜２３、シリコン層２４の積層については、図１に基づいて説明した通りであり、シリコン層２４の固定部２４ａには電極２６が形成されている。また、シリコン層２４の可動部２４ｂは、近赤外線を反射する反射部として機能する反射ミラー２７と、ミラー駆動用回路によって動作するヒンジ部２８とからなり、ヒンジ部２８は、固定部２４ａと反射ミラー２７とを連結している。電極２６によりミラー駆動用電圧が印加されると、ヒンジ部２８が図１に示すように斜め下方に傾斜し、これに伴って反射ミラー２７が斜め下方に傾斜する。
【００２７】
図５は、近赤外線反射可動ミラー部３の第２例を示しており、図５（ａ）は近赤外線反射可動ミラー部３の平面図であり、図５（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。
図４に示すものとの相違点は、ヒンジ部２８を構成する部分のシリコン層２４が、その他の部分のシリコン層２４よりも薄くなるように形成されている点である。従って、反射ミラー２７の部分のシリコン層２４は、ヒンジ部２８を構成する部分のシリコン層２４よりも厚い。ヒンジ部２８はミラー駆動用電圧の印加によって傾斜する動作を行うため、薄く形成することによって駆動しやすくなるが、反射ミラー２７の部分も同様に薄いと、反射ミラー２７の長手方向の両端２７ａが撓みやすくなる。反射ミラー２７は、近赤外線を反射して、近赤外線ラインセンサー部２に形成されたフォトダイオードに近赤外線を入射させるという重要な機能を有するものであるが、反射ミラー２７が撓むと、反射された近赤外線の進行方向に乱れが生じ、近赤外線を正確にフォトダイオードに入射させることが困難になる。このことを考慮して、反射ミラー２７の部分のシリコン層２４を、ヒンジ２部８を構成する部分のシリコン層２４よりも厚くしており、こうすることによって、反射ミラー２７の撓みを防止して、反射ミラー２７で反射された近赤外線が正確にフォトダイオードに入射するようにしている。
【００２８】
図６は、近赤外線反射可動ミラー部３の第３例を示しており、図６（ａ）は近赤外線反射可動ミラー部３の平面図であり、図６（ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。
図４に示すものとの相違点は、ヒンジ部２８を構成する部分のシリコン層２４の一部に凹部２９を設けている点である。凹部２９を設けることにより、この部分のシリコン層２４が薄くなり、駆動しやすくなる。この例においても、図５に示すものと同様に、反射ミラー２７の部分のシリコン層２４は厚くなっており、反射ミラー２７の撓みを防止することができる。
なお、図５、図６に示したものは一例であって、ヒンジ部２８を構成する部分のシリコン層２４の一部を薄く形成する方法はこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、近赤外線に対して受光感度を高め、かつ高ダイナミックレンジを実現する撮像素子であるため、低コストで高感度の近赤外線撮像装置を構成することができ、高感度が要求される暗視用監視カメラや、高速性が要求される車載用カメラなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  撮像素子
２  近赤外線ラインセンサー部
３  近赤外線反射可動ミラー部
１０  基板  
１１  ｐ型シリコン基板
１２  ｎ型シリコン領域
１２ａ  入射側先端
１３  上面
１４  側面
２０  表面
２１  絶縁膜
２２  シリコン基板
２３  絶縁膜
２４  シリコン層
２４ａ  固定部
２４ｂ  可動部
２５  金属膜
２６  電極
２７  反射ミラー
２７ａ  両端
２８  ヒンジ部
２９  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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