(57)【要約】【課題】  光電変換層の膜厚を薄くして製造プロセスの簡易化を図ることを可能にした光電変換層積層型固体撮像素子を提供する。【解決手段】  入射光を赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色毎に光電変換する少なくとも３層の光電変換層１２，１６，２０が基板１の上部に積層された光電変換層積層型固体撮像素子において、基板１に一番近い最下層の光電変換層１２の厚さｔ１に対し他の上層の光電変換層１６，２０の厚さｔ２，ｔ３を薄くする。そして、光電変換層のうち下層の光電変換層１２によって得られる信号量を、上層の光電変換層１６，２０によって得られる信号量で補正する。【選択図】  図１
2006210497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色毎に光電変換する少なくとも３層の光電変換層が基板の上部に積層された光電変換層積層型固体撮像素子において、前記基板に一番近い最下層の前記光電変換層の厚さに対し他の上層の前記光電変換層の厚さを薄くしたことを特徴とする光電変換層積層型固体撮像素子。
【請求項２】
前記最下層の光電変換層の厚さを光吸収率が９０％以上の厚さとし前記上層の光電変換層の厚さを光吸収率が５０％〜９０％の厚さとしたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換層積層型固体撮像素子。
【請求項３】
前記３層の光電変換層のうちの少なくとも１層が無機の半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電変換層積層型固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法であって、光電変換層のうち下層の光電変換層によって得られる信号量を、上層の光電変換層によって得られる信号量で補正することを特徴とする光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項５】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａ１×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項６】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項７】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項８】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ１は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項９】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、または、有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項１０】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ１は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項１１】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×（Ｂ−ａ１×Ｇ）
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｇ−ａ３×Ｂ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【請求項１２】
最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｒ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする請求項４に記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電変換層積層型固体撮像素子に係り、特に、製造プロセスの簡易化を図ることができる光電変換層積層型固体撮像素子とその信号補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは、電荷転送路等の信号読出回路を設ける半導体基板と同一の半導体基板上にフォトダイオード等の画素（光電変換素子）も設けている。このため、イメージセンサの高画素化に伴い，カラーフィルタでの光損失の割合が大きくなり、また、画素サイズが光の波長と同程度となり、入射光が光電変換素子に導波され難くなるという問題が生じてきている。また、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の３色を異なる位置の画素で検出する構成のため、色分離が起こり、偽色が生じるという問題もある。
【０００３】
そこで、例えば下記特許文献１，２，３では、シリコンの光吸収係数の波長依存性を利用し、１画素の基板深さ方向に３つの受光部を設け、色分離を深さ方向で行うカラーセンサが提案されている。しかし、このカラーセンサは、基板深さ方向に設けた各受光部での分光感度の波長依存性がブロードであるため色分離が不十分であり、また、波長による光吸収係数が違っているため色補正が簡単でないという問題がある。
【０００４】
このため、下記特許文献４では、赤色，緑色，青色を夫々検出する複数層の受光層をサファイア基板上に積層した積層型多波長受光素子が提案され、下記特許文献５，６では、信号読出回路が形成された半導体基板上に３層の受光層を積層する光電変換層積層型固体撮像素子が提案されている。
【０００５】
受光層としては、特許文献４では、半導体によるＰＮ接合層を用い、特許文献５，６では、光電変換層を用いている。光電変換層は、有機半導体等の有機材料で形成される場合もあり、また、無機材料で形成される場合もある。
【０００６】
特許文献７には、光電変換層に含まれるシリコンのナノ粒子径を制御することにより、当該光電変換層で電気信号に変換される入射光の波長領域を制御する技術が開示され、特許文献８には、無機ナノ粒子半導体により構成される光電変換層と有機半導体を用いた光電変換層とのハイブリッド構造が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５９６５８７５号公報
【特許文献２】米国特許第６６３２７０１号公報
【特許文献３】特開平７―３８１３６号公報
【特許文献４】特開２０００―１８８４２４号公報
【特許文献５】特開昭５８―１０３１６５号公報
【特許文献６】特開２００２―８３９４６号公報
【特許文献７】特開２００１―７３８１号公報
【特許文献８】特開２００３―２３４４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
基板上に受光層を積層する固体撮像素子の場合、各受光層で十分な光吸収を行うためには、受光層の膜厚を厚くしなければならない。しかし、各受光層の膜厚を厚くすると、光が斜めに入射したとき、上層の受光層のある画素に入射した光が下層の受光層では隣接画素に入射してしまう確率が増え、混色が起きてしまう。また、受光層の膜厚が厚くなるほど製造コストが嵩み、更に、段差が大きくなるため配線などのリソグラフィプロセスが困難になるという問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、受光層の膜厚を薄くして製造プロセスの簡易化を図ることができる光電変換層積層型固体撮像素子とその信号補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子は、入射光を赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色毎に光電変換する少なくとも３層の光電変換層が基板の上部に積層された光電変換層積層型固体撮像素子において、前記基板に一番近い最下層の前記光電変換層の厚さに対し他の上層の前記光電変換層の厚さを薄くしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子は、前記最下層の光電変換層の厚さを光吸収率が９０％以上の厚さとし前記上層の光電変換層の厚さを光吸収率が５０％〜９０％の厚さとしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子は、前記３層の光電変換層のうちの少なくとも１層が無機の半導体材料で形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、上記のいずれかに記載の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法であって、光電変換層のうち下層の光電変換層によって得られる信号量を、上層の光電変換層によって得られる信号量で補正することを特徴とする。
【００１４】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａ１×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００１５】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００１６】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００１７】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ１は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００１８】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、または、有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００１９】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ１は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００２０】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×（Ｂ−ａ１×Ｇ）
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｇ−ａ３×Ｂ）
ここにａ１，ａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【００２１】
本発明の光電変換層積層型固体撮像素子の信号補正方法は、最上層の光電変換層／中間層の光電変換層／最下層の光電変換層を、有機材料でなる青色（Ｂ）変換用の光電変換層／有機材料でなる赤色（Ｒ）変換用の光電変換層／半導体材料でなる緑色（Ｇ）変換用の光電変換層とし、補正後の青色信号をＢＲ、補正後の緑色信号をＧＲ、補正後の赤色信号をＲＲとし、ｒ，ｇ，ｂを夫々赤色，緑色，青色の光吸収率と光電変換率に対する補正係数とし、Ｒ，Ｇ，Ｂを検出された赤色信号，緑色信号，青色信号とした場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｒ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
ここにａ２，ａ３は係数
の補正式で補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、上層の光電変換層を薄くできるので製造コストの削減を図ることが可能になると共に光電変換層の厚さ低減に伴って段差が小さくなるため製造プロセスの簡易化を図ることが可能となる。また、上層の光電変換層を薄くしたため混色が回避でき、高度な色分離が可能となり偽色が低減する効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図１は、本発明の一実施形態に係る光電変換層積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。半導体基板１の表面部には、信号読出回路が形成される。信号読出回路は、ＣＭＯＳ型イメージセンサの様にＭＯＳトランジスタ回路で構成してもよく、また、図１に示す様に、従来のＣＣＤ型イメージセンサと同様の電荷転送路で構成してもよい。
【００２５】
図１に示す光電変換層積層型固体撮像素子では、ｎ型半導体基板１の表面部にＰウェル層２が形成され、更にその表面部のＰ領域３には、第１色電荷蓄積領域となるダイオード部４１と、第２色電荷蓄積領域となるダイオード部４２と、第３色電荷蓄積領域となるダイオード部４３とが形成され、各ダイオード部４１，４２，４３の間には電荷転送路５１，５２，５３が形成される。対となるダイオード部４１及び電荷転送路５１と、ダイオード部４２及び電荷転送路５２と、ダイオード部４３及び電荷転送路５３との間には、ｐ＋領域でなるチャネルストップ６が形成される。
【００２６】
半導体基板１の表面には、絶縁層７が積層され、この絶縁層７の内部の電荷転送路５１，５２，５３の上には電荷転送電極８１，８２，８３が形成されると共に、各ダイオード部４１，４２，４３に接続される電極９１，９２，９３が埋設される。
【００２７】
絶縁層７の上には、画素毎に区画された第１色用の画素電極膜１１が積層される。この画素電極膜１１は、透明材料で形成されても、また、不透明材料で形成されてもよい。
【００２８】
各画素電極膜１１の上には、第１色の入射光を光電変換する第１層光電変換層１２が全画素共通に一枚構成で積層され、この第１層光電変換層１２の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１１の対向電極膜）１３が積層される。
【００２９】
共通電極膜１３の上には、透明の絶縁膜１４が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第２色用の透明の画素電極膜１５が積層される。そして、各画素電極膜１５の上に、第２色の入射光を光電変換する第２層光電変換層１６が全画素共通に一枚構成で積層され、第２層光電変換層１６の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１５の対向電極）１７が積層される。
【００３０】
共通電極膜１７の上には、透明の絶縁膜１８が積層され、更にその上に、画素毎に区画された第３色用の透明の画素電極膜１９が積層される。そして、各画素電極膜１９の上に、第３色の入射光を光電変換する第３層光電変換層２０が全画素共通に一枚構成で積層され、第３層光電変換層２０の上に、透明の共通電極膜（画素電極膜１９の対向電極）２１が積層される。更にその上に保護膜が形成される場合もあるが、これは図示を省略する。
【００３１】
第１色用の画素電極膜１１は、第１色電荷蓄積用ダイオード部４１の電極９１と縦配線２２により電気的に接続され、第２色用の画素電極膜１５は、第２色電荷蓄積用ダイオード部４２の電極９２と縦配線２３により電気的に接続され、第３色用の画素電極膜１９は、第３色電荷蓄積用ダイオード部４３の電極９３と縦配線２４により電気的に接続される。各縦配線２２，２３，２４は、対応する電極９１，９２，９３及び画素電極膜１１，１５，１９以外とは絶縁される。
【００３２】
各層の光電変換層１２，１６，２０の材質としては、有機，無機を問わないが、直接遷移型の薄膜構造，微粒子構造，グレッチェル構造のものを用いることが好ましい。例えば、微粒子構造とする場合、バンドギャップ端を制御することが可能となり、ＣｄＳｅ，ＩｎＰ，ＺｎＴｅ，ＺｎＳｅ等のナノ粒子径を制御することにより、光電変換される波長領域を制御可能となる。
【００３３】
今、第１色を赤色（Ｒ）、第２色を緑色（Ｇ）、第３色を青色（Ｂ）とする。この光電変換層積層型固体撮像素子に光が入射すると、入射光の内の青色の波長領域の光は第３層光電変換層２０に吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１９から縦配線２４及び電極９３を通ってダイオード部４３に流れ込む。
【００３４】
同様に、入射光の内の緑色の波長領域の光は、第２層光電変換層１６によって吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１５から縦配線２３及び電極９２を通ってダイオード部４２に流れ込む。
【００３５】
同様に、入射光の内の赤色の波長領域の光は、第１層光電変換層１２によって吸収され、吸収された光量に応じた電荷が発生し、この電荷が画素電極膜１１から縦配線２２及び電極９１を通ってダイオード部４１に流れ込む。
【００３６】
各ダイオード部４１，４２，４３からの信号取出は、通常のシリコンの受光素子からの信号取出に準じた手法で行うことができる。例えば、一定量のバイアス電荷をダイオード部４１，４２，４３に注入し（リフレッシュモード）ておき、光入射による電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出す。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。信号電荷の読み出しには、下記のＣＣＤやＣＭＯＳセンサの読出手法を適用することができる。
【００３７】
一般的に、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子は、光電変換機能を有する受光素子と、変換された信号の蓄積機能、蓄積された信号の読出機能、画素位置の選択機能などを有する。受光部で光／電気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で蓄えられ、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（ＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。
【００３８】
ＣＣＤイメージセンサは、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。ラインアドレス型、フレーム転送型、インターライン転送型、フレームインターライン転送型などがある。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、いずれの構造も本実施形態の光電変換層積層型の固体撮像素子に適用できる。
【００３９】
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を採用できる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子が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は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介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。
【００４０】
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の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるテジタル化、輝度信号処理や、色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信号に変換処理することができる。
【００４１】
光電変換層積層型固体撮像素子では、入射光のうちの赤色，緑色，青色の各波長領域の光量に応じた電荷を各光電変換層で発生させるのが好適である。しかし、各光電変換層の膜厚を十分に厚くし、各光電変換層で十分に光を吸収できる様にすると、上述した様に、混色の問題が発生し、また、光電変換層を厚くすることによる製造コストの増大や、配線などのリソグラフィプロセスの困難さが増してしまう。
【００４２】
例えば、無機の半導体材料で光電変換層を形成すると、その光吸収係数が３×１０４ｃｍ−１程度であるため、光を９０％以上吸収するのに、少なくとも０．８μｍ以上の膜厚が必要となる。
【００４３】
そこで、本実施形態の光電変換層積層型固体撮像素子では、図１に示す様に、最下層となる第１層光電変換層１２の膜厚ｔ１を、９０％以上の光吸収が可能な厚さにすると共に、その上層である中間層の第２層光電変換層１６の膜厚ｔ２及び最上層の第３層光電変換層２０の膜厚ｔ３を、膜厚ｔ１より薄くする。例えば、膜厚ｔ２，ｔ３を、光吸収が５０％〜９０％程度となる厚さとする。これにより、混色の問題を避けることができ、また、膜厚が薄くなるため、段差が小さくなり製造プロセスが簡易化する。
【００４４】
しかし、上層の光電変換層の膜厚が薄くその光吸収が少ないと、上層の光電変換層を透過した光が下層の光電変換層に入射し、下層の光電変換層での光電変換に寄与してしまう。そこで、本実施形態では、上層の光電変換層の膜厚を薄くした関係で、下層の光電変換層による検出信号の補正を行うこととした。
【００４５】
上述した例では、第１色を赤色、第２色を緑色、第３色を青色とし、最上層の光電変換層２０を短波長の青色用、中間層の光電変換層１６を中間波長の緑色用、最下層の光電変換層１２を長波長の赤色用とした。光電変換層１２，１６，２０を無機の半導体層で形成した場合には、半導体の光吸収係数の波長依存性のため、上層から順に、Ｂ用，Ｇ用，Ｒ用とするのが良い。これに対し、有機層では順番は関係ない。
【００４６】
そこで、半導体材料による光電変換層と有機材料による光電変換層とのハイブリッド構成も考慮し、以下に述べる組み合わせと、夫々の組み合わせにおける信号補正の方法を示す。有機材料で構成した光電変換層は薄くでき、また、設定した波長領域以外の光が入射してもその光はあまり光電変換に寄与することはないので、そのことを考慮して信号補正式をつくる必要がある。
【００４７】
尚、以下の式中でのＢＲ，ＧＲ，ＲＲは補正後の青色信号，緑色信号，赤色信号を示し、Ｂ，Ｇ，Ｒは各光電変換層で得られた補正しない状態の青色信号，緑色信号，赤色信号を示し、小文字のｂ，ｇ，ｒは光の吸収率と光電変換率に対する補正係数を示し、ａ１，ａ２，ａ３は係数である。ｂ，ｇ，ｒは、使用する光電変換層毎に事前に計測しておき、各係数ａ１，ａ２，ａ３は、事前の分光評価により決定しておく。
【００４８】
また、例えば、有機Ｂ／半導体Ｇ／半導体Ｒと標記した場合、最上層（第３層）／中間層（第２層）／最下層（第１層）の順を示し、「有機」と「半導体」は光電変換層の材料を示し、「有機」「半導体」に続くＢ，Ｇ，Ｒは、夫々の光電変換層で検出する色を示す。
【００４９】
（１）半導体Ｂ／半導体Ｇ／半導体Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
の信号補正式で補正する。
【００５０】
（２）有機Ｂ／半導体Ｇ／半導体Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
の信号補正式で補正する。
【００５１】
（３）半導体Ｂ／有機Ｇ／半導体Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
の信号補正式で補正する。
【００５２】
（４）半導体Ｂ／半導体Ｇ／有機Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
の信号補正式で補正する。
【００５３】
（５）有機Ｂ／有機Ｇ／半導体Ｒ  または  有機Ｇ／有機Ｂ／半導体Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｇ）
の信号補正式で補正する。
【００５４】
（６）有機Ｂ／半導体Ｇ／有機Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａｌ×Ｂ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
の信号補正式で補正する。
【００５５】
（７）有機Ｇ／半導体Ｂ／半導体Ｒの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×（Ｂ−ａ１×Ｇ）
ＧＲ＝ｇ×Ｇ
ＲＲ＝ｒ×（Ｒ−ａ２×Ｇ−ａ３×Ｂ）
の信号補正式で補正する。
【００５６】
（８）有機Ｂ／有機Ｒ／半導体Ｇの積層構造の場合、
ＢＲ＝ｂ×Ｂ
ＧＲ＝ｇ×（Ｇ−ａ２×Ｂ−ａ３×Ｒ）
ＲＲ＝ｒ×Ｒ
の信号補正式で補正する。
【００５７】
上述した信号補正を行う回路を、図１に示す半導体基板１に形成しても良く、また、固体撮像素子から読み出したＲ，Ｇ，Ｂの信号を外部回路によって補正する構成でもよい。
【００５８】
尚、上述した光電変換層積層型固体撮像素子に遮光膜を形成し、混色を避ける構成とすることも可能である。例えば、図１に示す固体撮像素子の最上面に透明絶縁膜を形成し、その上に、画素毎に開口を設けた金属膜を蒸着することにより、遮光膜を形成してもよい。更にその上に、マイクロレンズアレイを形成することにより、集光効率を向上させることも可能である。
【００５９】
更に、最上層に紫外線カットフイルタを設けるのも好ましく、また、最下層に遮光膜を設け、不要な光が信号読出回路に入射しない構成にするのが良い。例えば、最下層の画素電極膜１１を不透明膜とする。
【００６０】
本実施形態に係る光電変換層積層型固体撮像素子は、デジタルカメラ、ビテオカメラ、ファクシミリ、スキャナ、複写機をはじめとする撮像素子やバイオや化学センサーなどの光センサとして利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る光電変換層積層型固体撮像素子は、混色が少なく、また、高度の色分離が可能で偽色が少ないため、既存のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサに代わる新しい構造の撮像素子として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施形態に係る光電変換層積層型固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  半導体基板
１１，１５，１９  画素電極膜
１２，１６，２０  光電変換層
１３，１７，２１  共通電極膜
２２，２３，２４  縦配線
４１，４２，４３  ダイオード部（電荷蓄積領域）
５１，５２，５３  電荷転送路
９１，９２，９３  電極
ｔ１  第１層光電変換層の膜厚
ｔ２  第２層光電変換層の膜厚
ｔ３  第３層光電変換層の膜厚
【図１】
2006210497.tif 000003