(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、
前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、
前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
前記エレクトロクロミック膜への印加電圧に応じて前記エレクトロクロミック膜の光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間が１秒より短い
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記画素として赤画素、緑画素及び青画素を有し、
前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタをさらに有する
請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記エレクトロクロミック膜がエレクトロクロミック材料層、固体電解質層及びイオンストレージ層の積層体である
請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記エレクトロクロミック膜が形成された前記一部の前記画素を除く残部の前記画素において前記エレクトロクロミック膜の膜厚に起因する段差を緩和する平坦化膜が形成されている
請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記下部電極と前記上部電極の間に前記エレクトロクロミック膜と積層されて形成された光入射量に応じて光透過率が第３透過率から第４透過率に変化するフォトクロミック膜をさらに有する
請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる
請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項８】
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、
前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、
前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、
前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部と、
前記下部電極と前記上部電極の間に前記エレクトロクロミック膜と積層されて形成された光入射量に応じて光透過率が第３透過率から第４透過率に変化するフォトクロミック膜と
を有する固体撮像装置。
【請求項９】
前記エレクトロクロミック膜への印加電圧に応じて前記エレクトロクロミック膜の光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間が１秒より短い
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記画素として赤画素、緑画素及び青画素を有し、
前記赤画素、前記緑画素及び前記青画素の各形成領域の前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成された、赤色、緑色及び青色の波長領域の光をそれぞれ透過するカラーフィルタをさらに有する
請求項８または９に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
前記エレクトロクロミック膜がエレクトロクロミック材料層、固体電解質層及びイオンストレージ層の積層体である
請求項８〜１０のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記電圧印加部が、複数個の前記画素からなる画素列ごとに前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する
請求項８〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記電圧印加部が、前記画素の１画素ごとに前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する
請求項８〜１１のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記電圧印加部に、前記エレクトロクロミック膜に対する印加電圧を保持する電圧保持部が接続されている
請求項８〜１３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる
請求項８〜１４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極とを有する固体撮像装置に対して、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように前記印加電圧を選択して前記エレクトロクロミック膜に印加する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる固体撮像装置に対して、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように前記印加電圧を選択して前記エレクトロクロミック膜に印加する
請求項１６に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１８】
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極の間に前記エレクトロクロミック膜と積層されて形成された光入射量に応じて光透過率が第３透過率から第４透過率に変化するフォトクロミック膜とを有する固体撮像装置に対して、前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する
固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１９】
前記電荷量に応じて複数個の前記画素からなる画素列ごとに前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する
請求項１８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２０】
前記電荷量に応じて前記画素の１画素ごとに前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する
請求項１８に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２１】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる固体撮像装置に対して、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように前記印加電圧を選択して前記エレクトロクロミック膜に印加する
請求項１８〜２０のいずれかに記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項２２】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、
前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、
前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と
を有する
電子機器。
【請求項２３】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる
請求項２２に記載の電子機器。
【請求項２４】
固体撮像装置と、
前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、
前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路と
を有し、
前記固体撮像装置は、
マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、
少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、
前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、
前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、
前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部と、
前記下部電極と前記上部電極の間に前記エレクトロクロミック膜と積層されて形成された光入射量に応じて光透過率が第３透過率から第４透過率に変化するフォトクロミック膜と
を有する
電子機器。
【請求項２５】
前記上部電極及び前記下部電極がグラフェンあるいはカーボンナノチューブを含むナノカーボン材料または酸化インジウムスズからなる
請求項２４に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法並びに電子機器に関し、特に、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタを有する固体撮像装置及びその駆動方法並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルビデオ電子機器、デジタルスチル電子機器などの電子機器は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Silicon Transistor）イメージセンサなどの固体撮像装置を有する。
【０００３】
固体撮像装置においては、半導体基板に複数の画素が水平方向と垂直方向とにおいてマトリクス状に配置され、受光面が構成されている。この受光面においては、各画素に例えばフォトダイオードなどの光電変換部であるセンサが設けられている。
受光面上には、被写体像による光を各画素のセンサに集光するための集光構造が形成されており、被写体像による光を受光し、受光した光を光電変換することによって信号電荷を生成して画素信号を得る。
【０００４】
従来のＣＣＤ，ＣＭＯＳイメージセンサでは、センサ部に入射した光がフォトダイオードにて光電変換され入射光を電荷に変換して映像信号を得る。このようなデバイスでは一定の露光時間に入射する光を電荷に変換して蓄積する構造となっている。
【０００５】
電荷蓄積量は有限であるため、例えば強い光が入射したとき電荷が飽和し白と黒の階調が不十分となる。すなわち、前記固体撮像素子には適正な出力信号を得るための入射光量範囲が存在するが、この範囲は撮像対象に比べて非常に狭い。
【０００６】
そこで固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する技術が望まれている。
従来のダイナミックレンジ拡大技術として、非特許文献１には入射光量に応じて光電変換の刻みを変える技術が開示されている。また、特許文献１には入射光量に応じたゲインを設定する方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には光電変換部を遮光する遮光部材と、ＭＥＭＳを用いて該遮光部材を駆動するアクチュエータを備えた固体撮像素子が開示されている。
【０００８】
これらデバイスの構成でダイナミックレンジ拡大を図る方法の他に材料を用いてダイナミックレンジ拡大技術を実現しようとする提案もある。
【０００９】
例えば、特許文献３及び特許文献４に、エレクトロクロミック材料をパッケージ上に設けたデバイスが開示されている。
また、特許文献５に、画素全面にエレクトロクロミック材料を設けて、画素ごとに透過率を制御するデバイスが開示されている。
また、特許文献６に、エレクトロクロミック材料を画素領域に設けて透過率を変えることにより、可視光と近赤外光の透過率を変える技術が開示されている。
【００１０】
また、透過率のコントロールという観点から、特許文献７では蓄積時間を可変にして見かけ上のダイナミックレンジを上げる技術が開示されている。
特許文献８に、長短露光時間の信号を繰り返し読み出し、ダイナミックレンジを上げる技術が開示されている。
特許文献９に、画素ごとに感度の異なる複数信号を合成してダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。
【００１１】
例えば特許文献７、特許文献８及び特許文献９などに開示された高感度信号と低感度信号を用いて信号処理でダイナミックレンジを拡大する技術では、高感度信号と低感度信号を得るために蓄積時間差を利用することにより動被写体の画像が不自然になってしまう。
【００１２】
また、特許文献６に開示されたＮＤフィルタを用いる方法では、ダイナミックレンジの拡大率が変えられないという問題がある。
【００１３】
特許文献５には、画素ごとに、画素の出力信号をフィードバックする事でエレクトロクロミック材料の透過率を調節する方法が開示されている。これによれば、上記の問題を解決できる。
しかしながら、この場合は各画素のエレクトロクロミック材料に電圧を印加できる時間がデータレートに対応する時間しかないので、その分、フィードバック系の周波数特性を上げる必要がある。このため、実現が困難であるか、実現したとしても、消費電力が大きいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−１６７００４号公報
【特許文献２】特開２００６−３３３４３９号公報
【特許文献３】特開平１−７５６０２号公報
【特許文献４】特開平９−１２９８５９号公報
【特許文献５】特開平８−２９４０５９号公報
【特許文献６】特開２００８−１２４９４１号公報
【特許文献７】特開平１１−２３４５７５号公報
【特許文献８】特開２００１−３５２４９０号公報
【特許文献９】特開２００７−３２９７２１号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】2005 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors P.169, P.173
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来技術による固体撮像装置においては、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することが困難であることである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極とを有する。
【００１８】
上記の本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、上記の画素から選択された一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成されている。また、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極が形成されている。
【００１９】
また、本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部とを有する。
【００２０】
上記の本発明の固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、少なくとも一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成されている。また、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極が形成されている。また、光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、電荷量に応じてエレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部が設けられている。
【００２１】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極とを有する固体撮像装置に対して、前記エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように前記印加電圧を選択して前記エレクトロクロミック膜に印加する。
【００２２】
上記の本発明の固体撮像装置の駆動方法は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、上記の画素から選択された一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成され、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極が形成された固体撮像装置を駆動する方法であり、エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように印加電圧を選択してエレクトロクロミック膜に印加する。
【００２３】
また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極とを有する固体撮像装置に対して、前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する。
【００２４】
上記の本発明の固体撮像装置の駆動方法は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、少なくとも一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成され、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極とが形成された固体撮像装置を駆動する方法であり、光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、電荷量に応じてエレクトロクロミック膜へ電圧を印加する。
【００２５】
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、前記画素から選択された一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極とを有する。
【００２６】
上記の本発明の電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
ここで、固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、上記の画素から選択された一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成され、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極が形成されている。
【００２７】
また、本発明の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、前記固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有し、前記固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板と、少なくとも一部の前記画素における前記光電変換部に対する光入射路において前記半導体基板上に形成され、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜と、前記エレクトロクロミック膜の下層に形成された下部電極と、前記エレクトロクロミック膜の上層に形成された上部電極と、前記光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、前記電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部とを有する。
【００２８】
上記の本発明の電子機器は、固体撮像装置と、固体撮像装置の撮像部に入射光を導く光学系と、固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理回路とを有する。
ここで、固体撮像装置は、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部が形成された受光面を有する半導体基板上に、少なくとも一部の画素における光電変換部に対する光入射路において、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するエレクトロクロミック膜が形成されており、エレクトロクロミック膜の下層に下部電極が形成され、エレクトロクロミック膜の上層に上部電極が形成されている。また、光電変換部に蓄積された電荷量を検出し、電荷量に応じて前記エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する電圧印加部が設けられている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の固体撮像装置によれば、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３０】
本発明の固体撮像装置の駆動方法によれば、エレクトロクロミック膜に適宜電圧を印加して、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大させるように駆動することができる。
【００３１】
本発明の電子機器によれば、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる電子機器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式的平面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的平面図であり、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は図２（ａ）の一部の拡大図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図４】図４は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のエレクトロクロミック膜の光透過率の時間応答特性を示すグラフである。
【図５】図５は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のエレクトロクロミック膜の光透過率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のダイナミックレンジが拡大する理由を説明する模式図である。
【図７】図７は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的断面図である。
【図８】図８は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的断面図である。
【図９】図９は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的断面図である。
【図１０】図１０は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
【図１３】図１３は本発明の第３実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１４】図１４は本発明の第４実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本発明の第５実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的平面図であり、図１５（ｂ）は模式的断面図である。
【図１６】図１６は本発明の第６実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１７】図１７は本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
【図１８】図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は本発明の第７実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を示す模式図である。
【図１９】図１９は本発明の第８実施形態に係る電子機器の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明の固体撮像装置及び電子機器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３４】
尚、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態（カラーフィルタを有する固体撮像装置の一部の画素にエレクトロクロミック膜が形成された構成）
２．第２実施形態（カラーフィルタを有する固体撮像装置においてカラーフィルタの色ごとに異なるエレクトロクロミック膜が形成された構成）
３．第３実施形態（カラーフィルタを有さない固体撮像装置に適用した構成）
４．第４実施形態（エレクトロクロミック膜の詳細な構成）
５．第５実施形態（画素列ごとに電荷量に応じてエレクトロクロミック膜に電圧を印加する構成）
６．第６実施形態（画素ごとに電荷量に応じてエレクトロクロミック膜に電圧を印加する構成）
７．第７実施形態（エレクトロクロミック膜とフォトクロミック膜を積層させた構成）
８．第８実施形態（電子機器への適用）
【００３５】
＜第１実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的平面図である。
例えば、半導体基板に、マトリクス状に配置された画素に区分して光電変換部であるフォトダイオードが形成された受光面Ｃ１と、駆動回路Ｃ２と、周辺回路Ｃ３が形成されている。以下光電変換部を代表してフォトダイオードと称する。
駆動回路Ｃ２は、例えば受光面Ｃ１に形成された画素を駆動するための信号処理がなされる。
周辺回路Ｃ３は、種々の回路が適宜配置された構成であり、例えば相関二重サンプリング回路、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ、ガンマ補正及びホワイトバランスなどの信号処理回路、クロック回路などが設けられている。
【００３６】
図２（ａ）は本実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的平面図であり、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は一部拡大図である。
本実施形態においては、エレクトロクロミック膜を有する赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１からなる画素組ＣＳ１と、エレクトロクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２及び青画素Ｂ２からなる画素組ＣＳ２とを有する。
画素組ＣＳ１と画素組ＣＳ２は、それぞれ、１つの赤画素、２つの緑画素及び１つの青画素からなる。
図２（ｂ）は画素組ＣＳ１の拡大図である。エレクトロクロミック膜を有する赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１からなる。
図２（ｃ）は画素組ＣＳ２の拡大図である。エレクトロクロミック膜を有さない赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２及び青画素Ｂ２からなる。
本実施形態においては、画素組ＣＳ１が受光面の中央部に配置され、画素組ＣＳ２が受光面の周辺部に配置されている。
【００３７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
図３（ａ）は、画素組ＣＳ１、即ち赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１における断面図である。
例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に区分して、赤画素、緑画素及び青画素のそれぞれにおいては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが形成されている。
【００３８】
例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２が形成されている。
例えば、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３が形成されている。
例えば、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
【００３９】
例えば、第３絶縁膜１４の上層に、下部電極１５、エレクトロクロミック膜１６、上部電極１７が積層されている。
下部電極１５及び上部電極１７は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料からなる透明電極である。
エレクトロクロミック膜１６は、フォトダイオード１１に対する光入射路において設けられ、印加電圧に応じて光透過率が変化するエレクトロクロミック材料を含んでおり、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化する。
エレクトロクロミック膜を構成するエレクトロクロミック材料及び光透過率などの特性については後述する。
例えば、上部電極１７上に、各色のカラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂが形成されており、その上層にオンチップレンズ１９が形成されている。
【００４０】
図２（ｂ）は、画素組ＣＳ２、即ち赤画素Ｒ２、緑画素Ｇ２及び青画素Ｂ２における断面図である。
実質的に図２（ａ）の構成と同様であるが、エレクトロクロミック膜１６が形成されていないことが異なる。
画素組ＣＳ２においては、エレクトロクロミック膜１６の膜厚に起因する段差を緩和する平坦化膜２０が形成されている。
平坦化膜２０は、ポリスチレン系樹脂あるいはアクリル樹脂などの光透過率が可視光領域でほぼゼロである樹脂などからなる。
図２（ｂ）の断面図では、画素組ＣＳ２においても下部電極１５及び上部電極１７を有する構成としているが、画素組ＣＳ２の画素においては、下部電極１５及び上部電極１７は省略可能である。
【００４１】
図４は本実施形態に係る固体撮像装置のエレクトロクロミック膜の光透過率の時間応答特性を示すグラフである。
図４に示すように、時刻ｔ１において例えば接地電位から正の電圧を印加すると光透過率が第１透過率Ｔ１から増加して第２透過率Ｔ２に変化する。また、時刻ｔ２において例えば正の電圧から負の電位に戻すと光透過率が第２透過率Ｔ２から減少して第１透過率Ｔ１に戻る。
図４の特性の詳細は、エレクトロクロミック膜の構成と材質及び上述のような印加電圧などによって決まる。
また、エレクトロクロミック膜への印加電圧に応じてエレクトロクロミック膜の光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間もまた、エレクトロクロミック膜の構成と材質及び上述のような印加電圧などによって決まる。第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間は、１秒より短いことが好ましい。
【００４２】
図５は本発明の第１実施形態に係る固体撮像装置のエレクトロクロミック膜の光透過率の波長依存性（光透過スペクトル）の一例を示すグラフである。
図５中、実線ａ、ｂでは、エレクトロクロミック膜の材質が異なる。
また、光透過率の波長依存性については、光透過率の変化が可視光領域で一様であることが好ましい。
【００４３】
上記のこの材料の一例としては、例えば酸化タングステンを含む材料を用いることができる。酸化タングステンを用いたエレクトロクロミック材料は、光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間が１秒より短い。
また、酸化タングステンは、可視光全域にわたり多少傾斜はあるものの一律の光透過率変化を起すことが知られており、好ましく用いることができる。
また、マグネシウム−チタン合金及びマグネシウム−ニッケル合金なども好ましく用いることができる。
【００４４】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【００４５】
［ダイナミックレンジ拡大の説明］
図６（ａ）及び図６（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置のダイナミックレンジが拡大する理由を説明する模式図である。
図６（ａ）は、画素に照射される光の照度に対する画素の出力信号強度を示す。図中、高感度信号−照度カーブａはエレクトロクロミック膜が形成されていない画素エレクトロクロミック膜を有するが電圧を印加せずに光透過率を下げていない画素に対応する。低感度信号−照度カーブｂは、エレクトロクロミック膜が形成されており、電圧を印加して光透過率が下げた画素に対応する。エレクトロクロミック膜は、例えば５０％の光透過率となっていると仮定する。
【００４６】
図６（ａ）中のカーブａのように、フォトクロミック膜が形成されていない場合は照度Ｓ１において信号強度が１００％（飽和信号ＳＳＡＴ）に達して飽和してしまう。カーブａの場合のダイナミックレンジをＤ１であらわす。
【００４７】
しかしながら、フォトクロミック膜が形成されているカーブｂでは、光透過率が低くなり、例えば照度Ｓ１においても飽和する信号強度の５０％にしか達しない。照度Ｓ２において信号強度が１００％（飽和信号ＳＳＡＴ）に達する。しかし、実際にはノイズがあるため低照度側の信号がノイズに埋もれてしまう。カーブｂの場合のダイナミックレンジをＤ２であらわす。
そこで、高感度画素と低感度画素の信号を合成する。即ち、高感度信号のカーブａ（ダイナミックレンジＤ１）に関しては高照度側の出力を、低感度信号のカーブｂ（ダイナミックレンジＤ２）に関しては低照度側の出力を互いに補って用いる。この結果としてダイナミックレンジはＤ３になる。Ｄ３をＤ１，Ｄ２と比較すると低感度信号と高感度信号の合成によりダイナミックレンジが拡大していることがわかる。
【００４８】
高感度信号は低照度側の出力を行う画素としては、エレクトロクロミック膜を有さない構成であることが好ましい。これは、エレクトロクロミック膜に印加する電圧が２種類必要になり、エレクトロクロミック膜に電圧を印加するための配線が複雑になるためである。
また、エレクトロクロミック膜を有さない画素においてはエレクトロクロミック膜の上層及び下層に形成される上部電極及び下部電極を省略し、異なる透明材料を設けることで電極を有する画素との段差をなくし、平坦性を保つことができる。
【００４９】
低感度信号−照度カーブｂは高照度の出力に使用され、低感度信号−照度カーブｂの傾きは高照度側の出力信号が飽和しない程度に緩やかであるものとする。
【００５０】
本実施形態の固体撮像装置では、エレクトロクロミック膜を有する画素と有さない画素の両方を有することで、高感度信号−照度カーブａと低感度信号−照度カーブｂを両方得ることができる。両カーブを用いることでダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５１】
また、最適なダイナミックレンジの拡大率はシーンに応じて決まるため、低感度信号−照度カーブｂの傾きは可変であることが望ましい。
例えば、図６（ａ）中に本実施形態では信号−照度カーブｃとして示したように、信号−照度カーブｂに対して、印加電圧により信号強度-照度のグラフの傾きを変えることが可能であることが好ましい。
信号強度-照度のグラフの傾きを変えることで、ダイナミックレンジの拡大率を可変にすることができる。
【００５２】
また、エレクトロクロミック膜に対する印加電圧が通常の画素の読み出しで用いる電位である１〜３Ｖの範囲でエレクトロクロミック膜の光透過率に十分な変化が起これば、エレクトロクロミック膜に対する印加電圧のための特別なデバイスを設ける必要はない。
この場合、イメージセンサチップの画角周辺部に有るトランジスタによって印加することが可能である。この場合、エレクトロクロミック膜に印加する電圧は全エレクトロクロミック膜で共通となるが、別のトランジスタを有する構成とすれば別の電圧を印加することも可能である。
【００５３】
図６（ｂ）には本実施形態の固体撮像素子で拡大できるダイナミックレンジを、明るさの単位（Ｌｘ）で示している。例えば、Ｌ１（１０１Ｌｘ）はろうそくの明るさ程度、Ｌ２（１０２Ｌｘ）は白色灯の明るさ程度、Ｌ３（１０３Ｌｘ）は蛍光灯の明るさ程度、Ｌ４（１０１４Ｌｘ以上）は太陽光の明るさ程度である。
すなわち、従来の固体撮像装置で１０１Ｌｘ〜１０４Ｌｘ程度の明るさの範囲で撮影が可能である場合、本実施形態の固体撮像装置を用いると、太陽光以上（１０１４Ｌｘ以上）の明るさの条件での撮像が可能となる。
【００５４】
固体撮像素子のダイナミックレンジで対応できる程度の通常のシーンではダイナミックレンジの拡大は不要である。一方、撮像時の環境が極端に明るいとき（強い太陽光の下、雪山、晴れた日の海など）では被写体のダイナミックが大きいため、ダイナミックレンジを大きくする設定をして撮影を行う。
【００５５】
本実施形態の固体撮像装置は、被写体のダイナミックレンジの範囲によりダイナミックレンジの拡大率をユーザが選択できるように設計することができる。例えば、ユーザの選択した拡大率に応じた電位がエレクトロクロミック膜に印加され、エレクトロクロミック膜の光透過率を変える。この拡大率（図６（ａ）中の信号−照度カーブの傾きに相当する）は、例えば連続的に変化させることができる。
【００５６】
本実施形態の固体撮像装置は、イメージングデバイスのフレームレートに対応した透過率制御を実現できる。さらに耐熱性や耐久性といった製造上のスペックを満たしているためこの材料により画素に入射する光の量を調整することができる。
その結果、センサの飽和光量をコントロールすることが可能で、ダイナミックレンジを拡大できる。さらに上記照度と信号強度の関係の傾きは印加する電圧によって変わるためダイナミックレンジの拡大率を変えることができる。
【００５７】
本実施形態の固体撮像装置によれば、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５８】
本実施形態のエレクトロクロミック膜としては、エレクトロクロミック材料で作成したフィルム、および一般的な樹脂膜にエレクトロクロミック材料を添加したものなど、エレクトロクロミック反応を示す物質全般を用いることができる。
【００５９】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【００６０】
［固体撮像装置の駆動方法］
本実施形態の固体撮像装置の駆動方法は、上記の構成の固体撮像装置を駆動する方法である。
エレクトロクロミック膜の光透過率が所定の値となるように印加電圧を選択してエレクトロクロミック膜に印加する。
【００６１】
本実施形態の固体撮像装置の駆動方法によれば、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６２】
［固体撮像装置の製造方法］
以下に、本実施形態の係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
まず、例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に区分して、赤画素、緑画素及び青画素のそれぞれにおいては光電変換部であるフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
【００６３】
次に、例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２を形成する。
次に、例えば、第１絶縁膜１２の上層に、ＣＶＤ法などにより酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３を形成する。
次に、例えば、第２絶縁膜１３の上層に、ＣＶＤ法などにより窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
【００６４】
次に、例えば、第３絶縁膜１４の上層に、スパッタリング法などによりＩＴＯ、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料などを成膜して下部電極１５を形成する。
次に、例えば下部電極１５の上層に、ＣＶＤ法などにより酸化タングステンなどのエレクトロクロミック材料を含むエレクトロクロミック膜１６を形成する。
次に、エレクトロクロミック膜を有する画素組ＣＳ１の領域を保護し、エレクトロクロミック膜を有さない画素組ＣＳ２の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理などを行う。これにより、画素組ＣＳ２の領域のエレクトロクロミック膜１６を除去する。
次に、例えばポリスチレン系樹脂あるいはアクリル樹脂などの樹脂を成膜し、エレクトロクロミック膜を有する画素組ＣＳ１の領域に形成された樹脂を除去して、平坦化膜２０を形成する。平坦化膜２０は、エレクトロクロミック膜１６と同程度の膜厚となるように形成する。
次に、例えば、エレクトロクロミック膜１６及び平坦化膜２０の上層に、スパッタリング法などによりＩＴＯ、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料などを成膜して上部電極１７を形成する。
次に、例えば、上部電極１７上に、各色のカラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂを形成し、その上層にオンチップレンズ１９を形成する。
以上で、本実施形態に係る固体撮像装置を製造することができる。
【００６５】
［画素のレイアウトの変形例］
本実施形態において、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と、フォトクロミック膜を有さない画素組ＣＳ２のパターンのレイアウトは、以下の変形例のようなレイアウトとすることができる。
【００６６】
図７は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウトを示す模式的平面図である。
本実施形態においては、２列の画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
このように、画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている。
【００６７】
図８は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、４列の画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
このように、画素組が、複数の列に並んで配置されている画素からなり、画素組ごとに共通のフォトクロミック膜が形成されている。
【００６８】
図９は本実施形態に係る固体撮像装置のレイアウト及び構成を示す模式的平面図である。
本実施形態においては、画素組ＣＳ１と画素組ＣＳ２が水平方向と垂直方向にそれぞれ交互に並べて配置されている。
即ち、１つの赤画素Ｒ、２つの緑画素Ｇ及び１つの青画素Ｂのいわゆるベイヤ配列と称せられる４画素からなる画素組ごとに、フォトクロミック膜を有する画素組ＣＳ１と有さない画素組ＣＳ２が交互に配置された構成である。
【００６９】
本実施形態の固体撮像装置によれば、フォトクロミック膜は入射する光の量に応じて光透過率が変動し、高感度、低感度二種類の出力を得る。高照度で光透過率が低くなり、低照度で光透過率が高くなる。前記低感度信号、高感度信号の二種類を得ることができる。従って第１実施形態に記載した理由でのダイナミックレンジを拡大できる。
【００７０】
＜第２実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１０は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態の固体撮像装置と同様の構成であるが、カラーフィルタの色ごとに異なるエレクトロクロミック膜が形成された構成であることが異なる。
即ち、本実施形態の固体撮像装置においては、赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に区分して、赤画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｒ、緑画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｇ及び青画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｂが形成されている。
エレクトロクロミック膜の光透過率は、図５に示すように波長に応じて異なる場合があり、赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に適した光透過率の変化をもたらすエレクトロクロミック材料を採用することが可能である。
【００７１】
本実施形態の固体撮像装置によれば、第１実施形態と同様に、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００７２】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【００７３】
［固体撮像装置の製造方法］
以下に、本実施形態の係る固体撮像装置の製造方法について説明する。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の製造方法の製造工程を示す模式的断面図である。
まず、図１１（ａ）に示すように、例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に区分して、赤画素、緑画素及び青画素のそれぞれにおいてフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを形成する。
次に、例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂなどを被覆して全面に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２を形成する。
次に、例えば、第１絶縁膜１２の上層に、ＣＶＤ法などにより酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３を形成する。
次に、例えば、第２絶縁膜１３の上層に、ＣＶＤ法などにより窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
次に、例えば、第３絶縁膜１４の上層に、スパッタリング法などによりＩＴＯ、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料などを成膜して下部電極１５を形成する。
【００７４】
次に、図１１（ｂ）に示すように、例えば下部電極１５の上層に、ＣＶＤ法などにより青画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｂを形成し、青画素以外の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理などを行う。
これにより、青画素の領域にのみ、青画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｂを形成する。
【００７５】
次に、図１２（ａ）に示すように、例えば下部電極１５及び青画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｂの上層に、ＣＶＤ法などにより緑画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｇを形成する。
次に、緑画素以外の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理などを行う。
これにより、緑画素の領域にのみ、緑画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｇを形成する。
【００７６】
次に、図１２（ｂ）に示すように、例えば下部電極１５、青画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｂ及び緑画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｇの上層に、ＣＶＤ法などにより赤画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｒを形成する。
次に、赤画素以外の領域を開口するレジスト膜をパターン形成し、ドライエッチング処理などを行う。
これにより、赤画素の領域にのみ、赤画素用のエレクトロクロミック膜１６Ｒを形成する。
次に、例えば、各色の画素のエレクトロクロミック膜１６Ｂ，１６Ｇ，１６Ｒの上層に、スパッタリング法などによりＩＴＯ、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料などを成膜して上部電極１７を形成する。
以降の工程は、第１実施形態と同様にして、例えば、上部電極１７上に、各色のカラーフィルタ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂを形成し、その上層にオンチップレンズ１９を形成する。
以上で、本実施形態に係る固体撮像装置を製造することができる。
【００７７】
＜第３実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１３は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態の固体撮像装置と同様の構成であるが、画素にカラーフィルタが設けられていないことが異なる。
即ち、本実施形態の固体撮像装置においては、モノクロ画像撮像用の固体撮像装置の一部の画素において、エレクトロクロミック膜１６が形成されている。
【００７８】
本実施形態の固体撮像装置によれば、第１実施形態と同様に、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００７９】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【００８０】
＜第４実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１４は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態の固体撮像装置と同様の構成であるが、エレクトロクロミック膜１６が、エレクトロクロミック材料層１６ａ、固体電解質層１６ｂ及びイオンストレージ層１６ｃの積層体であることが異なる。
エレクトロクロミック材料層１６ａに酸化タングステンなどのエレクトロクロミック材料が含まれており、印加電圧に応じて光透過率が変化するエレクトロクロミック膜を実現できる。
【００８１】
本実施形態の固体撮像装置によれば、第１実施形態と同様に、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
本実施形態は、上記の第１〜第３実施形態に係る固体撮像装置に適用できる。
【００８２】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【００８３】
＜第５実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１５（ａ）は本実施形態に係る固体撮像装置の受光面のレイアウトを示す模式的平面図である。
本実施形態においては、エレクトロクロミック膜を有する赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１からなる画素組ＣＳ１が受光面の全面に配置されている。
また、画素列ごとに電荷量に応じてエレクトロクロミック膜に電圧を印加する構成となっている。
本実施形態においては、例えば、各画素に対してフォトダイオードに蓄積された電荷量を検出する電荷検出部３０が設けられ、電荷量に応じてエレクトロクロミック膜１６へ電圧を印加する電圧印加部３１が複数個の画素からなる画素列ごとに設けられている。電圧印加部３１は、エレクトロクロミック膜に電圧を印加することからエレクトロクロミック膜駆動部とも称する。
【００８４】
図１５（ｂ）は本実施形態に係る固体撮像装置の模式断面図である。
本実施形態においては、赤画素、緑画素及び青画素が実質的に同様な構成であるので、赤画素、緑画素及び青画素について共通の構成として示している。
例えば、半導体基板１０にマトリクス状に配置された赤画素Ｒ１、緑画素Ｇ１及び青画素Ｂ１の各画素に区分して、赤画素、緑画素及び青画素のそれぞれにおいてフォトダイオード１１が形成されている。
【００８５】
例えば、半導体基板１０のフォトダイオード１１などを被覆して全面に、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂あるいはこれらの積層体などからなる第１絶縁膜１２が形成されている。
例えば、第１絶縁膜１２の上層に、酸化窒化シリコンなどからなる第２絶縁膜１３が形成されている。
例えば、第２絶縁膜１３の上層に、窒化シリコンなどからなる第３絶縁膜１４が形成されている。
【００８６】
例えば、第３絶縁膜１４の上層に、下部電極１５、エレクトロクロミック膜１６、上部電極１７が積層されている。
下部電極１５及び上部電極１７は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、グラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料からなる透明電極である。
エレクトロクロミック膜１６は、第１実施形態と同様の構成である。
エレクトロクロミック膜１６は、フォトダイオード１１に対する光入射路において設けられ、印加電圧に応じて光透過率が変化するエレクトロクロミック材料を含んでおり、印加電圧に応じて光透過率が第１透過率から第２透過率に変化する。
エレクトロクロミック膜１６は、光透過率が第１透過率から第２透過率に変化するのに要する時間が１秒より短いことが好ましい。
上記のこの材料の一例としては、例えば酸化タングステンを含む材料を用いることができる。
例えば、上部電極１７上に、各色のカラーフィルタ１８が形成されており、その上層にオンチップレンズ１９が形成されている。
【００８７】
本実施形態においては、各画素にフォトダイオード１１に蓄積された電荷量を検出する電荷検出部３０が設けられている。
ここで、電荷検出部３０は、例えばフローティングディフュージョンと称せられる半導体基板に形成された不純物領域と、ソースフォロアと称せられるトランジスタによって構成されている。
【００８８】
また、電荷検出部３０で検出された電荷量に応じてエレクトロクロミック膜１６へ電圧を印加する電圧印加部３１が複数個の画素からなる画素列ごとに設けられている。
電圧印加部３１は、フォトダイオード１１に蓄積された電荷量に応じてエレクトロクロミック膜１６に印加する電圧を設定し、印加する。例えば、画素列ごとに、画素列を構成する画素に蓄積された電荷量の和を算出し、これに応じて電圧を設定する。
ここで、電圧印加部３１は、例えば増幅回路などからなる。
【００８９】
上記の構成により、フォトダイオード１１が飽和する前にエレクトロクロミック膜の光透過率が下がることでフォトダイオードへの入射光が減光される。これにより、飽和光量を大きくすることができる。
【００９０】
また、電圧印加部３１に、エレクトロクロミック膜１６に対する印加電圧を保持する電圧保持部３２が接続されている。
電圧保持部３２は、例えば静電容量素子で形成されている。エレクトロクロミック膜１６に、必要時間電位を維持する特性があれば電圧保持部３２は不要となる。
【００９１】
本実施形態の固体撮像装置は、画素のフォトダイオード１１に蓄積された電荷量に基づいてエレクトロクロミック膜１６の透過率が決定される。
【００９２】
また、例えば、複数個の画素からなる画素列に対してフォトダイオードに蓄積された電荷量を検出する電荷検出部３０が設けられ、この画素列ごとに電荷量に応じてエレクトロクロミック膜１６へ電圧を印加する電圧印加部３１が設けられている構成としてもよい。
この場合、例えば、画素列を構成する各画素のソースフォロアのソース端子が１つの電荷検出部及び１つの電圧印加部に接続される。また、１つの電圧印加部から、画素列ごとに各画素のエレクトロクロミック膜に所定の電圧が印加される。
【００９３】
１つの電荷検出部及び１つの電圧印加部で全画素のエレクトロクロミック膜への印加電圧を生成する場合は、各画素のエレクトロクロミック膜に電圧を印加できる時間がデータレートに対応する時間しかない。このため、フィードバック系の周波数特性を上げる必要が有り、実現が困難であるか、もし実現したとしても消費電力が大きいという不利益がある。
【００９４】
これに対し、本実施形態では、列単位で出力信号電圧の読み出しおよび信号電圧の増幅を行う手法であり、エレクトロクロミック膜への印加用の電圧は列単位で印加される。このため、エレクトロクロミック膜に電圧を印加出来る時間を１Ｈ期間と長く設定できる。この分、フィードバック系の周波数特性を低く設定することができ、従来法に比べて消費電力が大幅に削減される。従って、高ダイナミックレンジかつ低消費電力のデバイスを実現することができる。
【００９５】
本実施形態では各列にエレクトロクロミック膜駆動回路を設けた構成としているが、列ごと全てに電圧印加部を設けると電圧印加部の占有面積が大きくなる場合がある。この場合は、複数列ごとなど、消費電力低減効果とのバランスをみて設定方法を決めればよい。
【００９６】
また、各画素列に設けられた電圧印加部を構成する増幅回路の増幅率を変えることで、第１実施形態と同様に、ダイナミックレンジの拡大率を可変にすることも可能である。
【００９７】
本実施形態の固体撮像装置によれば、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【００９８】
本実施形態は、カラーフィルタを有さないモノクロのデバイスにも適用可能である。
本実施形態のエレクトロクロミック膜としては、エレクトロクロミック材料で作成したフィルム、および一般的な樹脂膜にエレクトロクロミック材料を添加したものなど、エレクトロクロミック反応を示す物質全般を用いることができる。
【００９９】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【０１００】
［固体撮像装置の駆動方法］
本実施形態の固体撮像装置の駆動方法は、上記の構成の固体撮像装置を駆動する方法である。
上記の本実施形態に係る固体撮像装置に対して、フォトダイオード１１に蓄積された電荷量を検出し、電荷量に応じてエレクトロクロミック膜１６へ電圧を印加する。
本実施形態においては、電荷量に応じて複数個の画素からなる画素列ごとに、エレクトロクロミック膜へ電圧を印加する。
【０１０１】
本実施形態の固体撮像装置の駆動方法によれば、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１０２】
＜第６実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１６は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第５実施形態の固体撮像装置と同様の構成であるが、画素ごとに電荷量に応じてエレクトロクロミック膜に電圧を印加する構成であるが異なる。
図１６においては、赤画素、緑画素及び青画素をそれぞれ別々に示しており、各画素において、エレクトロクロミック膜１６に電圧印加部３１から電圧が印加される構成を示している。
図面上、エレクトロクロミック膜１６は画素間で一体となっているように示しているが、必要に応じて画素ごとに分割された構成とすることができる。
【０１０３】
従来方法において１つの電荷検出部及び１つの電圧印加部で全画素のエレクトロクロミック膜への印加電圧を生成する場合は、各画素のエレクトロクロミック膜に電圧を印加できる時間がデータレートに対応する時間しかない。このため、フィードバック系の周波数特性を上げる必要が有り、実現が困難であるか、もし実現したとしても消費電力が大きいという不利益がある。
【０１０４】
上記の課題を解決するため、本実施形態では、例えば画素単位でフィードバックをかけることで、画素単位でエレクトロクロミック膜の光透過率制御を行う。
この場合、各画素のエレクトロクロミック膜の透過率を変えるために画素ごとにエレクトロクロミック膜に電圧が印加される。各画素のエレクトロクロミック膜に定常的に電圧を印加する場合は、例えば前記読み出し電圧が１Ｖである場合でも、その際に流れる電流が総画素数倍になり、印加される電圧は数百Ｖ以上となってしまう。
【０１０５】
本実施形態では、例えば、行選択パルスを用いて各画素のエレクトロクロミック膜に電圧を印加する時間を１Ｈ期間と短くする。これにより、各画素のエレクトロクロミック膜に電圧を印加する時間が短くすることができ、フィードバック用のエレクトロクロミック膜駆動回路の帯域が狭められる効果で、従来方法に比べて消費電力が大幅に削減される。
【０１０６】
第５実施形態との違いは、低消費電力の効果をさらに向上するために画素ごとに電圧印加部３１が設けられたことである。
図１６では、各画素に接続された電荷検出部３０の出力側が電圧印加部３１に接続され、エレクトロクロミック膜に電圧を印加する構成となっている。
各画素の出力信号が電荷検出部３０で検出され、電圧印加部３１でモニターされて信号が増幅され、エレクトロクロミック膜１６への印加電圧が決定される。
【０１０７】
本実施形態では、第５実施形態で必要であった、各画素からの信号電圧を画素列ごとに読み出す配線や、出力信号を画素列ごとにレクトロクロミック膜にフィードバックするための垂直フィードバック配線のセトリング時間が不要になる。
この分、エレクトロクロミック膜を駆動するための電圧印加部３１の周波数特性を低く設定することができ、第５実施形態に比べてさらに消費電力が削減される。
さらに第５実施形態でも述べたように、電圧印加部の占有面積の増大が懸念される場合は、各画素全てに電圧印加部を設けず、複数画素単位で、または部分的に不必要な箇所の電圧印加部を間引くなどの工夫を行うことができる。画質、消費電力、電圧印加部の占有面積に対して最適な個数で適切な箇所に、電圧印加部を設ければよい。適切な箇所とは、消費電力を懸念して個数を制限する場合は、有効画素領域に均等に電圧印加部を配置するなどである。
【０１０８】
また、第５実施形態と同様に、画素列に設けられた電圧印加部を構成する増幅回路の増幅率を変える事で、第１実施形態と同様に、ダイナミックレンジの拡大率を可変にすることも可能である。
【０１０９】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【０１１０】
＜第７実施形態＞
［固体撮像装置の構成］
図１７は本実施形態に係る固体撮像装置の模式的断面図である。
第１実施形態の固体撮像装置と同様の構成であるが、下部電極１５と上部電極１７の間にエレクトロクロミック膜１６と積層されて形成された光入射量に応じて光透過率が第３透過率から第４透過率に変化するフォトクロミック膜２１をさらに有することが異なる。
【０１１１】
上記のエレクトロクロミック膜は第１実施形態と同様の構成とすることができる。
また、フォトクロミック膜を構成する材料は、例えばヘキサビスイミダゾール誘導体を用いることができる。
【０１１２】
次にエレクトロクロミック膜とフォトクロミック膜による光透過率の調整について説明する。
画素信号読み出し回路で有効画素の各画素のフォトダイオードに蓄積された電荷量を読み出し、その平均値を求め、その値に応じてエレクトロクロミック膜に設定する光透過率を決定する。得られた光透過率を達成するように、必要な電圧を画素領域全体に印加する。これは有効画素内に入射する光のオートアイリスとしての機能を果たす。
【０１１３】
次にエレクトロクロミック膜とフォトクロミック膜を透過した光が各画素に入射する。ここでは、画素ごとに入射した光に対してフォトクロミック膜が反応し、光透過率が変わる。
本実施形態の固体撮像装置において、まずオートアイリスを設けているために各画素の飽和照度を大きくすることができる。その上で、フォトクロミック膜によるダイナミックレンジ拡大効果で、フォトクロミック膜を単独で使用するデバイスと比較して特に高照度側の階調を大きくすることができる。
以上説明したように、本実施形態の固体撮像装置を用いることにより低照度側の感度を犠牲にすることなく高照度側のダイナミックレンジを拡大することができる。
【０１１４】
図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は本実施形態に係る固体撮像装置の画素の出力を示す模式図である。
図１８（ａ）は、明暗時のシーンにおける各画素の出力を示した。
図１８（ａ）は明るいときの画素の出力を、図１８（ｂ）は暗いときの画素の出力をそれぞれ示している。
図に示したように、明暗時には出力レベルが異なるため、一般的には同じ画角に明暗部が存在すると信号処理時に非線形補正処理を行う。
本実施形態では、上記の信号の非線形性を改善することができる。
【０１１５】
例えば図１８（ｃ）は、左側が明時の出力信号を、右側が暗示の出力信号を示す。通常は左と右の出力信号の差分は非線形処理により補うが、本実施形態では図１８（ｃ）に示すように基準電位が入射光量に応じて設定され、出力信号が連続的となる。
信号の段階で非線形性が補われているため、画像のちらつき等がなく動画に対しても高解像度な画を得ることができる。
本実施形態の固体撮像装置ではエレクトロクロミック膜の駆動回路は最低限１つあれば機能を実現できる。
さらに、フォトクロミック膜の透過率を考慮した最終的なセンサの出力は、フォトクロミック材料の光量と透過率との関係を用いて信号処理により対応すれば、追加が必要となるデバイスもなく、消費電力や占有面積に対する懸念がない。
【０１１６】
本実施形態で用いたフォトクロミック材料およびエレクトロクロミック材料は、それぞれヘキサビスイミダゾール誘導体、酸化タングステンを含む多層膜に限ることはなく、目的の機能を達成すればどのような種類の材料を用いてもよい。
また、図１７においてはフォトクロミック膜２１をエレクトロクロミック膜１６と上部電極１７の間に設けているが、これに限ることなく、フォトダイオードに対する光入射路のいずれかの位置に設けることができる。
【０１１７】
本実施形態の固体撮像装置によれば、第１実施形態と同様に、エレクトロクロミック膜を用いた構成として、消費電力の増大及び画像が不自然となることなどの問題を発生させずにダイナミックレンジを拡大することができる。
本実施形態は、上記の第１〜第６実施形態に係る固体撮像装置に適用できる。
【０１１８】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【０１１９】
＜第８実施形態＞
［電子機器への適用］
図１９は、本実施形態に係る電子機器である電子機器の概略構成図である。本実施形態に係る電子機器は、静止画撮影又は動画撮影可能なビデオ電子機器の例である。
本実施形態に係る電子機器は、イメージセンサ（固体撮像装置）５０と、光学系５１と、信号処理回路５３などを有する。
本実施形態において、上記のイメージセンサ５０として、上記の第１実施形態に係る固体撮像装置が組み込まれている。
【０１２０】
光学系５１は、被写体からの像光（入射光）をイメージセンサ５０の撮像面上に結像させる。これによりイメージセンサ５０内に一定期間当該信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は出力信号Ｖｏｕｔとして取り出される。
シャッタ装置は、イメージセンサ５０への光照射期間及び遮光期間を制御する。
【０１２１】
画像処理部は、イメージセンサ５０の転送動作及びシャッタ装置のシャッタ動作を制御する駆動信号を供給する。画像処理部から供給される駆動信号（タイミング信号）により、イメージセンサ５０の信号転送を行なう。信号処理回路５３は、イメージセンサ５０の出力信号Ｖｏｕｔに対して種々の信号処理を施して映像信号として出力する。信号処理が行われた映像信号は、メモリなどの記憶媒体に記憶され、あるいはモニタに出力される。
【０１２２】
上記の本実施形態に係る電子機器によれば、例えばセルピッチが特に３μｍ以下の世代のカラー画像を撮像する固体撮像装置を有する電子機器において、受光面に入射する光の光干渉強度のばらつきを低減し、色ムラを抑制することができる。
本実施形態は、上記の第１〜第７実施形態に係る固体撮像装置に適用できる。
【０１２３】
下部電極１５及び上部電極１７の材料として、一般に透明電極材料として使用されている酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を使用することができる。しかし、ＩＴＯは透過率９０％以上を実現することが困難であるため、明るい撮像シーンにおいて透過率低下が問題になる場合がある。この場合は、透明電極材料として、透過率が９５％以上であるグラフェンあるいはカーボンナノチューブなどのナノカーボン材料を使用することにより透過率低下の問題を解決できる。
【０１２４】
また、本発明は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像装置への適用に限らない。赤外線やＸ線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像装置や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像装置（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
【０１２５】
また、本発明は、固体撮像装置への適用に限られるものではなく、デジタルスチル電子機器やビデオ電子機器、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器などに適用可能である。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ち電子機器モジュールを撮像装置とする場合もある。
【０１２６】
ビデオ電子機器やデジタルスチル電子機器、さらには携帯電話機等のモバイル機器向け電子機器モジュールなどの撮像装置において、その固体撮像装置として先述した実施形態に係るイメージセンサ５０を用いることができる。
【０１２７】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、実施形態においてはＣＭＯＳセンサとＣＣＤ装置のいずれにも適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…半導体基板、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１…フォトダイオード、１２…第１絶縁膜、１３…第２絶縁膜、１４…第３絶縁膜、１５…下部電極、１６，１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ…エレクトロクロミック膜、１６ａ…エレクトロクロミック材料層、１６ｂ…固体電解質層、１６ｃ…イオンストレージ層、１７…上部電極、１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ，１８…カラーフィルタ、１９…オンチップレンズ、２０…平坦化膜、２１…フォトクロミック膜、３０…電荷検出部、３１…電圧印加部、３２…電圧保持部、Ｃ１…受光面、Ｃ２…駆動回路、Ｃ３…周辺回路、５０…イメージセンサ、５１…光学系、５３…信号処理回路、Ｓ…信号、Ｒ１，Ｒ２…赤画素、Ｇ１，Ｇ２…緑画素、Ｂ１，Ｂ２…青画素、ＣＳ１，ＣＳ２…画素組
【図１】
0005585339.tif 000002
【図２】
0005585339.tif 000003
【図３】
0005585339.tif 000004
【図４】
0005585339.tif 000005
【図５】
0005585339.tif 000006
【図６】
0005585339.tif 000007
【図７】
0005585339.tif 000008
【図８】
0005585339.tif 000009
【図９】
0005585339.tif 000010
【図１０】
0005585339.tif 000011
【図１１】
0005585339.tif 000012
【図１２】
0005585339.tif 000013
【図１３】
0005585339.tif 000014
【図１４】
0005585339.tif 000015
【図１５】
0005585339.tif 000016
【図１６】
0005585339.tif 000017
【図１７】
0005585339.tif 000018
【図１８】
0005585339.tif 000019
【図１９】
0005585339.tif 000020