(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、感度が高く、高い色分離能を有し、人間の目の分光感度に近い受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供である。【解決手段】  単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、主に青色と赤色の波長帯域の光を光電変換するためにそれぞれ適した深さに形成してなる受光素子であって、前記半導体基板の光入射側の外部に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを積層してなり、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とが、異なる２つの波長領域の光を検出し、かつ第１の光電変換部及び第２の光電変換部の検出波長が、各々独立に、前記青色の波長帯域の中心波長よりも長く、前記赤色の波長帯域の中心波長よりも短いことを特徴とする受光素子。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、主に青色と赤色の波長帯域の光を光電変換するためにそれぞれ適した深さに形成してなる受光素子であって、
前記半導体基板の光入射側の外部に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを積層してなり、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とが、異なる２つの波長領域の光を検出し、かつ第１の光電変換部及び第２の光電変換部の検出波長が、各々独立に、前記青色の波長帯域の中心波長よりも長く、前記赤色の波長帯域の中心波長よりも短いことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記半導体基板と前記光電変換部との間に、絶縁層を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記半導体基板と前記光電変換部が、離間してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記半導体基板がシリコン基板であり、シリコン基板の光入射側からｎｐｎ接合、又はｐｎｐｎ接合の構造であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
量子効率曲線において、前記第１の光電変換部が波長５００〜５３０ｎｍ、前記第２の光電変換部が波長５３０〜６００ｎｍの範囲内に極大値を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
光入射側から順に、前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部が積層されてなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記２つの光電変換部が、各々独立に、有機半導体で構成されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の受光素子が、複数配列されてなる撮像素子。
【請求項９】
ＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
ＣＣＤ型イメージセンサであることを特徴とする請求項８に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は本発明は、カラー受光素子、及び撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から受光素子は、結晶シリコン、アモルファスシリコン、あるいはＧａＡｓなどの化合物半導体で形成されたＭＯＳキャパシタやｐｎ接合ダイオードが一般に用いられている。またこれらの受光素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子において、光電変換部として利用することができる。ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサは、信号の読み出し方式が異なるが、いずれの撮像素子においても、受光素子は一般的に同一の構成のものが使用できる。このような撮像素子は、イメージカメラ、複写機、ファクシミリなど多方面に使用されている。
【０００３】
しかし従来の受光素子は、光の強弱を電気信号に変換するだけの機能しか持たず、色の検出はできなかった。そこで、個々のフォトセンサに単色のカラーフィルタを被せ、別の色を受け持つ隣接するいくつかのフォトセンサの信号と総合し、色信号を得る単板方式が活用されている。カラーフィルタとしては、光の３原色として、赤色（以下Ｒと称する場合あり）、緑色（以下Ｇ）、青色（以下Ｂ）が用いられ、又はその補色として、シアン（以下Ｃ）・マゼンタ（以下Ｍ）・イエロー（以下Ｙ）が用いられる。３つの補色に可視領域の広い緑を加えて４色とする方式も提案されている。
【０００４】
また、高画質向けにおいては、色分解プリズムにより色像を分解し３枚ないしは４枚の撮像素子を用いる多板方式が用いられている。たとえば、入射光がプリズムを用いて色分解された後、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対してそれぞれフォトセンサを配置する例や、さらに解像度を高めるためにＧ用フォトセンサを２枚採用した４板式の構成も知られている。
【０００５】
しかしながら、単板方式においては、いくつかの課題を内包していた。
一つ目は、光の一部がカラーフィルタで吸収されるために感度が低下するという問題である。特に、赤色のフィルタを通過すると、青色と緑色とがカラーフィルタ内で損失してしまい、最大で１／３の光しか利用されていない。
二つ目は、ＲＧＢの３色を異なる位置で検出するために色分離が起こり、偽色が生じやすい点である。特に、被写体の明暗の境目などに偽色を発生しやすく、偽色によってモアレ現象が起こり得る。このような偽色やモアレ現象の問題を回避するため、光学ローパスフィルタが設けられるが、光学ローパスフィルタによって解像度が低下する。光学ローパスフィルタは薄くするほど解像度の低下を防ぐことができるが、逆にその効果が薄らぐという相反する作用を呈する。
【０００６】
一方の多板方式においても、課題は存在する。多板方式では、高精度なプリズムや色分離膜（ダイクロイックミラー）を必要とし、高度な位置合わせ技術を必要とするため、コストが高くなることや、装置が大きくなるという問題である。さらには、プリズムをはじめとした光学素子で光が損失することも重大な問題である。
【０００７】
このような偽色の解決に向けて、積層型のイメージセンサの構成が提示された（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。異なる色に感度を有する受光素子を積層することができれば、同一の（平面）位置で各色に分離できるため、受光位置の違いによる偽色の問題を回避できる。このような構造では理論的にローパスフィルタは不要となる。
【０００８】
提示された積層型のイメージセンサは、積層された受光部を有し、Ｓｉの吸収係数の波長依存性を利用して、その深さ方向で色分離をおこなう構成となっている。この撮像素子は、偽色に対しては有効であるが、Ｓｉ中の光進入深さによって色分離するために、積層された各受光部で検知するスペクトル範囲がブロードであり、色分離が不充分であった。このことは、実質的に信号に変換される光の量が小さくなることを示し、感度も低下する。また、各受光部のＰ−Ｎ接合の深さを設計することで、ある程度の色分離を制御可能であるが、感度と色分離がトレードオフの関係になり、色分離を高めようとすると感度が低くなってしまうなど、その設計には制限があった。
【０００９】
また、積層型イメージセンサの色分離においては、特に、青色と緑色との色分離が不充分である。この問題に対し、緑色のセンサーをＳｉ基板上部に設け、青色と赤色とをＳｉ基板で受光するという方法が提示された（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
しかしながら、この方法によっても、人間の目による分光感度との差は依然大きく、人間の目の分光感度とイメージセンサの分光感度とをより近づける技術について、開発が望まれている。
【特許文献１】米国特許第５，９６５，８７５号明細書
【特許文献２】特開平７−３８１３６号公報
【特許文献３】特開２００３−３３２５５１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、感度が高く、高い色分離能を有し、人間の目の分光感度に近い受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
積層型のイメージセンサの開発過程において、Ｓｉ基板の深さ方向で色分離を行う場合、人間の目の分光感度に近づけるには、緑色のほかに青緑色の補正を加えることが重要である。そこで、緑色、青緑色付近の色分離を充分なものとするよう、Ｓｉ基板とは別に第１の光電変換部および第２の光電変換部を設け、これらの光電変換部において緑色および青緑色を受光するように受光素子を設計した。結果、異なる色を同一の（平面）位置で受光し偽色の問題を解決した上で、さらに人間の目の分光感度に極めて近い受光素子を得るが得られる。
すなわち、以下の本発明の受光素子、及びその受光素子を有する撮像素子により、本発明の課題解決に至った。
【００１３】
＜１＞    単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、主に青色と赤色の波長帯域の光を光電変換するためにそれぞれ適した深さに形成してなる受光素子であって、前記半導体基板の光入射側の外部に、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを積層してなり、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とが、異なる２つの波長領域の光を検出し、かつ第１の光電変換部及び第２の光電変換部の検出波長が、各々独立に、前記青色の波長帯域の中心波長よりも長く、前記赤色の波長帯域の中心波長よりも短いことを特徴とする受光素子。
【００１４】
＜２＞  前記半導体基板と前記光電変換部との間に、絶縁層を設けてなることを特徴とする前記＜１＞に記載の受光素子。
【００１５】
＜３＞  前記半導体基板と前記光電変換部が、離間してなることを特徴とする前記＜１＞又は＜２＞に記載の受光素子。
【００１６】
＜４＞  前記半導体基板がシリコン基板であり、シリコン基板の光入射側からｎｐｎ接合、又はｐｎｐｎ接合の構造であることを特徴とする前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の受光素子。
【００１７】
＜５＞  量子効率曲線において、前記第１の光電変換部が波長５００〜５３０ｎｍ、前記第２の光電変換部が波長５３０〜６００ｎｍの範囲内に極大値を有することを特徴とする前記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の受光素子。
【００１８】
＜６＞  光入射側から順に、前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部が積層されてなることを特徴とする前記＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の受光素子。
【００１９】
＜７＞  前記２つの光電変換部が、各々独立に、有機半導体で構成されることを特徴とする前記＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の受光素子。
【００２０】
＜８＞  前記＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載の受光素子が、複数配列されてなる撮像素子。
【００２１】
＜９＞  ＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする前記＜８＞に記載の撮像素子。
【００２２】
＜１０＞  ＣＣＤ型イメージセンサであることを特徴とする前記＜８＞に記載の撮像素子。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、感度が高く、高い色分離能を有し、人間の目の分光感度に近い受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供することができる。
【００２４】
本発明の撮像素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ、スキャナー、複写機、Ｘ線イメージセンサをはじめとする任意の撮像素子に適用可能である。また、本発明の受光素子は、バイオセンサ、化学センサをはじめとする任意の光センサに適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、積層型の構造であり同一の面内位置で各色を検知できるため、第一の作用として、偽色がないという効果がある。偽色は、ナイキスト周波数より高い空間周波数の画像成分がナイキスト周波数以下の領域に折り返されることにともなう偽信号で、折り返し歪み（ａｌｉａｓｉｎｇ）と呼ばれる。折り返し歪みの多い信号から画像を組み立てると、いわゆるモアレ現象が発生する。
【００２６】
第二の作用として、受光部の面積を大きく取ることができ、解像度が高い撮像素子や、大きな開口率を有した撮像素子を実現することができる。すなわち、同一の精細度で作製した場合でも、より高精細の画像を撮像素子とすることができ、光の利用効率も高くなる。
従来のカラーフィルタを用いた場合、Ｒ、Ｂ、Ｇの３つの受光部（ピクセル）で一つの画素を構成するため、同一サイズの受光部を適用した場合には、色の数（たとえばＲＧＢであれば３つ）の分だけ、一つの画素が大きくなってしまう。
【００２７】
第三の作用としては、カラーフィルタや光学的ローパスフィルタをはじめとする光学部品が必要なくなるという作用もある。
【００２８】
本発明においては、さらに、半導体基板外部に、第１の光電変換部及び第２の光電変換部を配することに特徴がある。半導体基板の積層構造では、主に青色及び赤色の波長の光を受光し、第１の光電変換部及び第２の光電変換部では、青色及び赤色の間の波長を有する緑色及び青緑色の波長の光を検出する。特に、第１の光電変換部は、量子効率曲線が波長５００〜５３０ｎｍの範囲内に極大値を有し、第２の光電変換部は、量子効率曲線が波長５３０〜６００ｎｍの範囲内に極大値を有するものを適用することが好ましい。
このような第１の光電変換部及び第２の光電変換部を配した積層構造により、第四の作用として、人間の目の分光感度に極めて近い受光素子を提供することができる。
【００２９】
Ｓｉの吸収係数の波長依存性を利用した受光素子においては、４８０ｎｍ近傍にＳｉ固有の吸収が存在するため、赤色受光部での青色光の吸収が問題となっていた。本発明では、４８０ｎｍ近傍の光を第１の光電変換部で受光するため、色再現が良好であるという第五の作用を有する。
【００３０】
第六の作用としては、青色と緑色との色分離が良好である点が挙げられる。積層型イメージセンサの色分離においては、特に、青色と緑色との色分離が不充分であるが、緑色、及び青緑色のセンサーをＳｉ基板上部に設けることで、この問題は解消される。
【００３１】
また、多板方式の撮像系に比べると、撮像素子が一つですむことや、高精度な色分解プリズム、ダイクロイックミラーなどが必要なくなるため、小型化、低コスト化という第七の作用も奏する。
【００３２】
以下、本発明の受光素子及び撮像素子について詳しく説明し、更に信号の演算についても説明を行う。
【００３３】
＜受光素子＞
（１）概略
受光素子には、光導電効果や光起電力効果を利用することができる。構成としては、光伝導型、ｐ−ｎ接合型、ショットキー接合型、ＰＩＮ接合型、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型の受光素子やフォトトランジスタ型の受光素子が挙げられる。
本発明では、単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層し、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、主に青色と赤色の波長帯域の光を光電変換するためにそれぞれ適した深さに形成してなる受光素子を用いる。単一の半導体基板としては、単結晶シリコンが好ましく、シリコン基板の深さ方向に依存する吸収波長特性を利用して色分離を行うことができる。
さらに、本発明では、前記青色の波長帯域の中心波長よりも長く、前記赤色の波長帯域の中心波長よりも短い波長の光を検出する第１の光電変換部及び第２の光電変換部を有する。第１の光電変換部は、量子効率曲線が波長５００〜５３０ｎｍの範囲内に極大値を有する、すなわち青緑色センサであることが好ましい。第２の光電変換部は、量子効率曲線が波長５３０〜６００ｎｍの範囲内に極大値を有する、すなわち緑色センサであることが好ましい。
【００３４】
（２）第１の光電変換部及び第２の光電変換部
第１の光電変換部は、量子効率曲線が波長５００〜５３０ｎｍ、より好ましくは、５１０〜５２５ｎｍの範囲内に極大値を有することが好ましい。第２の光電変換部は、量子効率曲線が波長５３０〜６００ｎｍ、より好ましくは、５３０〜５７０ｎｍの範囲内に極大値を有することが好ましい。吸収光の半値幅は、第１の光電変換部、第２の光電変換部いずれにおいても４０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、４０ｎｍ〜８０ｎｍが更に好ましい。
【００３５】
第１の光電変換部及び第２の光電変換部は、有機材料や無機半導体、いずれで構成することも可能ある。しかし、吸収係数の大きさ、分光感度の観点から、有機半導体で構成されることが好ましい。
第１の光電変換部及び第２の光電変換部を構成する有機半導体は特に限定されないが、好適には、例えば、ペリレン、テトラセン、ペンタセン、ピレン、に代表されるアセン類、およびその誘導体、ポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物、ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー、銅フタロシアニン誘導体に代表される有機分子、トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー、銅フタロシアニン誘導体、亜鉛フタロシアニン誘導体、ポリチオフェン誘導体、ポリパラフェニレン誘導体、メロシアニン色素等を用いることができる。
【００３６】
有機半導体には、一般的な色素や顔料を含有させることができ、たとえば、ローダミンＢ、エオシン−Ｙ、クマリンなどの色素材料や、アゾ顔料やスクアリリウム顔料、アズレニウム顔料、フタロシアニン顔料などを適用することもできる。さらに、電気伝導度を調整するために、有機半導体に適当なドーパントを含有してもよい。ドーパントの種類としては、アクセプター性のＩ2、Ｂｒ2、Ｃｌ2、ＩＣｌ、ＢＦ3、ＰＦ5、Ｈ2ＳＯ4、ＦｅＣｌ3、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ドナー性のＬｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｅｕ、界面活性剤であるアルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等を挙げることができる。
【００３７】
また、無機半導体あるいは金属に、上記の波長域の光を吸収する有機色素を接合させてもよい。用いることのできる有機色素としては、特開２００３−３３２５５１号等に記載のものを挙げることができる。
【００３８】
第１の光電変換部の厚さと吸収係数との積は、０．８〜２．６であることが好ましく、より好ましくは１．０〜２．０、更に好ましくは１．２〜１．６の厚みである。
第２の光電変換部の厚さと吸収係数との積は、３．０〜１５．０であることが好ましく、より好ましくは５．０〜１０．０、更に好ましくは７．２〜８．０である。
【００３９】
第１の光電変換部と第２の光電変換部とは、光入射側から、第１の光電変換部、第２の光電変換部の順に配されることが好ましい。
また、第１の光電変換部は、その両面に電極が配置される。一方の電極から青緑色の光の信号を取り出し、他方の電極はバイアス電極に接続される。第２の光電変換部もその両面に電極が配置される。一方の電極から緑色の光の信号を取り出し、他方の電極はバイアス電極に接続される。
第１の光電変換部及び第２の光電変換部を通過した光が、青色と赤色との色分離を行う半導体基板の受光部に到達するよう、電極は透明電極とする。
【００４０】
第１の光電変換部と第２の光電変換部との間には、信号分離のために、絶縁層を設けることが好ましい。または、バイアス電源に接続する側の電源を共通化してもよい。
【００４１】
第１の光電変換部及び第２の光電変換部と、次に説明する半導体基板内で青色と赤色との色分離を行う受光部とに設けられる電極は、導電体であれば特に限定はされないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料、ポリシリコン、シリサイド、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ，ＳｎＯ2、等の無機材料も好適であるが、ハイドープされたポリピリジン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンに代表される導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等を用いることができる。好ましい電極材料は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の透明電極材料である。
また、これら光電変換部と半導体基板との間には、信号分離のために、絶縁層を設けることが好ましい。さらに、これら光電変換部と半導体基板とは、離間して設けられていてもよい。
【００４２】
（３）半導体基板
本発明では、単一の半導体基板内に形成されるｐｎ接合面の深さに依存する吸収波長特性を利用して色分離を行う受光部が設けられる。半導体基板としては、高密度にアレイ化したシリコンアレイも用いることができるが、より好ましくは、単結晶シリコン基板である。高密度にアレイ化したシリコンアレイの場合には、混色を避ける必要があり、遮光膜を形成させる必要がある。遮光膜は、光入射側最上面に透明の絶縁膜を形成し、開口を持たせて金属を蒸着することにより形成できる。
表面から入射する光は、波長の長いものほどシリコン基板深くまで到達するため、光入射側から順に、青色、緑色、赤色を感知する。しかし、表面から入射する光は、上記第１の光電変換部及び第２の光電変換部を通過したものであり、青緑〜緑色の光の殆どが除かれている。
青色としては波長４２０ｎｍ〜５００ｎｍ程度、赤色としては波長５８０ｎｍ〜６８０ｎｍ程度の光を検出することが好ましい。
【００４３】
また、接合は、光入射側から、ｎｐｎ、又はｐｎｐｎの構成となっていることが好ましい。特に、表面にｐ層を設け表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、及び暗電流をトラップすることができ暗電流を低減できるため、ｐｎｐｎ接合とすることがより好ましい。
【００４４】
このようなフォトダイオードは、イオン注入により、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層、ｐ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向にｐｎｐｎの４層が形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、ｐｎ接合面の深さが可視光の各波長帯域（Ｂ、Ｒ）をカバーするように設計する。同様に、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層の順に形成することで、ｎｐｎの３層の接合ダイオードが得られる。ここで、ｎ型層から光信号を取り出し、ｐ型層はアースに接続する。
また、各領域に引き出し電極を設け、所定のリセット電位をかけると、各領域が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、接合面に生じる容量を極めて小さくすることができる。
【００４５】
（４）その他の構成
なお、作製した素子に対して、酸素や水分等との接触を防止する目的で保護層あるいは封止層を設けることもできる。保護層としては、ダイヤモンド薄膜、金属酸化物、金属窒化物等の無機材料膜、フッ素樹脂、ポリパラキシレン、ポリエチレン、シリコーン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子膜、さらには、光硬化性樹脂等が挙げられる。また、ガラス、気体不透過性プラスチック、金属などで素子部分をカバーし、適当な封止樹脂により素子自体をパッケージングすることもできる。この場合吸水性の高い物質をパッケージング内に存在させることも可能である。
【００４６】
また、シリコン基板の積層部分での赤外光の受光を避けるため、赤外線カットフィルタを設けることが好ましい。同様に、紫外線光の受光を避けるために、紫外線カットフィルタを設けることが好ましい。
【００４７】
更に、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、集光効率を向上させることができるため、このような態様も好ましい。
【００４８】
（５）実施態様例
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な第１の光電変換部及び第２の光電変換部の実施態様を詳細に説明する。
１）第一の受光素子の実施形態
図１は、シリコン基板内にｎｐｎ接合ダイオードを形成し、シリコン基板の光入射側外部に第１の光電変換部及び第２の光電変換部を設けた受光素子の実施態様を示す。
ｐ形のシリコン基板（１０）にｎ形領域（ｎウェル）（１２）、ｐ形領域（ｐウェル）（１４）、ｎ形領域（ｎウェル）（１６）を形成する。信号は、ｎ形領域（ｎウェル）（１２）から赤色、ｎ形領域（ｎウェル）（１６）から青色を出力する。ｐ形領域にはアース（１８）を配する
第１の光電変換部（２０）及び第２の光電変換部（２２）は、上記ｎｐｎ構成を有するｐ形のシリコン基板（１０）の外部に設けられる。第１の光電変換部（２２）は、透明電極（２４）と（２６）との間に配され、第２の光電変換部（２２）は、透明電極（２８）と（３０）との間に配される。透明電極（２４）、（２８）は、それぞれバイアス電極Ｖｇｂ（３２）、Ｖｇｒ（３４）に接続される。透明電極（２６）から青緑色の信号が出力される。透明電極（３０）から緑色の信号が出力される。
透明電極（２６）と透明電極（２８）との間には、絶縁膜（３６）が設けられる。透明電極（３０）とｐ形のシリコン基板（１０）との間には、絶縁膜（３８）が設けられる。
透明電極（２４）よりも光入射側に、遮光膜（４０）を設ける。遮光膜（４０）は、ｎｐｎ接合面を覆わないように配する。
【００４９】
２）第二の受光素子の実施形態
図２は、シリコン基板内にｐｎｐｎ接合ダイオードを形成し、シリコン基板の光入射側外部に第１の光電変換部及び第２の光電変換部を設けた受光素子の実施態様を示す。
ｐ形のシリコン基板（１０）にｎ形領域（ｎウェル）（１２）、ｐ形領域（ｐウェル）（１４）、ｎ形領域（ｎウェル）（１６）、及びｐ形領域（ｐウェル）（４２）を形成する。ｐｎｐｎ接合を形成した以外は、上記第一の受光素子の実施形態と同様である。
【００５０】
３）第三の受光素子の実施態様
図３は、図２の第二の受光素子の実施態様にマイクロレンズアレイ（４４）を設けた実施態様である。マイクロレンズ（４４）を設けた以外は、上記第二の実施態様と同様である。
【００５１】
（６）信号の演算処理
Ｓｉの吸収係数の波長依存性を利用した受光素子においては、４８０ｎｍ近傍にＳｉ固有の吸収が存在するため、赤色受光部での青色光の吸収が問題となっていた。また、図４に理想の分光特性を示す。図４に示すように、５２０ｎｍ付近には赤色の負の応答（刺激値）が存在する。図５には、従来の上部に緑感光層を配したＳｉ積層型センサにおける分光特性を示す。図５に示すように、従来のＳｉ積層型センサで得られる分光特性は、赤色の負の応答が考慮されていない。特に、青色と緑色との中間色に対する人間の目の色分解能が優れているため、人間の目の分光感度と受光素子による分光感度との差がより大きく発現し、色再現に劣るものである。
本発明では、４８０ｎｍ近傍の光を青緑色受光部である第１の光電変換部を設け、青緑色受光部の信号を赤色受光部の信号から減算することで、赤色の負の応答を考慮し、色再現を良好なものとする。
【００５２】
理想的な分光特性を得るために、青緑色受光部である第１の光電変換部を設け、第１の光電変換部での受光量を、赤色の信号に対しては減算し、緑色の信号に対しては加算する。このような演算により、赤の負の応答を再現した人間の目の分光感度に極めて近い理想的な分光特性を得ることができる。
【００５３】
（７）用途
上述の積層された受光素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。
【００５４】
＜撮像素子＞
（１）概略
本発明の撮像素子は、上記受光素子を複数配列してなることを特徴とする。受光素子において入力光を電気信号に変換し、その信号を読み取ることで撮像が行われる。
一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して（リフレッシュモード）おき、一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出すことがあげられる。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。
【００５５】
（２）信号読み出し方式
信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。
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、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。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、画素位置の選択とともに読み出される。ＣＣＤを適用した転送読み出し方式として、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準じ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  ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造３相構造や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特に、こだわらず任意の構造を適用できる。
【００５６】
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儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操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儲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。
【００５７】
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の向上をはかることができる。
【００５８】
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。
【００５９】
本発明においては、半導体基板に形成された積層イメージセンサのｎ型層から光信号を取り出し、ＣＭＯＳ回路に接続するＣＭＯＳセンサとして用いることが、消費電力、信号演算、読み出し速度等の点から好ましい。
【００６０】
（３）撮像素子の実施形態
以下、添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。
図６は、受光素子１画素と、その読み出し回路を説明するための回路図である。受光素子の平面構造を模式的に表し、読出し等価回路を合わせて記載する。
５０は、ｎ形領域（ｎウェル）（５２）から赤色信号を取り出す引き出し電極である。５２は、ｎ形領域（ｎウェル）（５６）から青色信号を取り出す引き出し電極である。５４は、電極（３０）から緑色信号を取り出す引き出し電極である。５６は、電極（２６）から青緑色信号を取り出す引き出し電極である。これらの信号は、それぞれ増幅回路ＶＣＣにより増幅処理され、出力される。（５０）〜（５６）の電極は、バイアス電圧Ｖｒ（５８）、Ｖｂ（６０）、Ｖｇ（６２）、Ｖｇｂ（６４）に接続され、リセット電位をかけることができる。
【００６１】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。ただし、下記実施例は、本発明にかかる受光素子及び撮像素子の一例を示したに過ぎず、本発明により得られた撮像素子、受光素子の用途はこれのみに限定されるものでないことは言うまでもない。またこれとは逆に、使用目的によってはさらに構成要素を追加してもよい。上述の概念に含まれるものであれば、その構成及び製法は、こだわらない。
【実施例１】
【００６２】
＜受光素子の作製＞
図２に示すような、ｎｐｎｐ接合ダイオードを形成し、シリコン基板の光入射側外部に第１の光電変換部及び第２の光電変換部を設けた受光素子について、分光感度を見積った。
シリコン基板内に、光入射側から第１導電型のｐ形領域と、第１導電型と逆の導電型である第２導電型のｎ型領域とを交互に複数積層し、それぞれのｐｎ接合の深さは、０．１５μｍ、０．２０μｍ、１．３μｍ、２．４μｍとした。ドーピング濃度は、光入射側から順に、１×１０18ｃｍ-3（ｐ）、５×１０17ｃｍ-3（ｎ）、１×１０17ｃｍ-3（ｐ）、１×１０16ｃｍ-3（ｎ）、１×１０15ｃｍ-3（ｐ基板）とした。
【００６３】
＜第１の信号演算＞
上記ドーピング濃度の値を元に、ｐ−ｎ接合界面で形成される空乏層を概算した。計４つの空乏層が形成されるが、光入射側から順に、第１番目の空乏層と第２番目の空乏層はほぼ隣接しており、これら空乏層で生じた電子が、それらの間のｎ型領域に移動しＢの信号電荷として検出される。同様に、上層から順に第３番目の空乏層と第４番目の空乏層はほぼ隣接しており、これら空乏層で生じた電子が、それらの間のｎ型領域に移動しＲの信号電荷として検出される。Ｓｉの吸収係数の波長依存性を用い、上記Ｂ信号およびＲ信号の波長依存性を計算した。
第１の光電変換部及び第２の光電変換部の分光感度については、吸収係数の波長依存性がガウス型関数の形であると仮定し計算した。吸収の中心波長は、青緑センサーについては５２０ｎｍ、緑センサーについては５５０ｎｍとし、ガウス型関数の半値幅は５０ｎｍとした。また、吸収ピークにおける吸収係数の大きさは、１．８×１０5ｃｍ-1とした。この値は通常の有機色素のモル吸光係数４×１０4Ｍ-1ｃｍ-1に相当する数字である。適当な光吸収率となるように、有機半導体の厚みは、青緑センサーに対しては８０ｎｍ、緑センサーに対しては４００ｎｍと設定し、全ての吸収光を光電変換できると仮定して計算した。
【００６４】
以上のモデルで得られた、青、緑、赤、青緑のセンサーそれぞれの信号強度をＩｂ、Ｉｇ、Ｉｒ、Ｉｇｂとし、以下の演算を行った。図３の分光特性が得られる。
Ｉｂ'  ＝  Ｉｂ
Ｉｇ'  ＝  ０．３５Ｉｇ  ＋  ０．４Ｉｇｂ
Ｉｒ'  ＝  Ｉｒ  −  ０．２５Ｉｇｂ
【００６５】
ここでＩｂ'、Ｉｇ'、Ｉｒ'は、それぞれ演算により補正された青、緑、赤の信号強度である。青緑センサーの信号強度を補正前の赤の信号強度から引くことにより、負の分光特性が実現できる。また、青緑センサーの光吸収により、その下に位置する緑センサーの信号強度が減少するため、青緑センサーの信号強度を緑センサーの信号強度に加算している。
【００６６】
このような演算により補正された青、緑、赤の信号強度から、図７に示す分光特性が得られた。
図７では、従来のＳｉ積層型受光素子では得られなかった赤色の負の応答が勘案され、図４に示す理想の分光特性に近いものとなっている。
【実施例２】
【００６７】
実施例１で作製した受光素子を用い、以下の第２の信号演算を行った。
＜第２の信号演算＞
Ｉｂ''  ＝Ｉｂ−０．０３Ｉｇ−０．２３Ｉｒ
Ｉｇ''  ＝−０．０８Ｉｂ＋０．３５Ｉｇ−０．０８Ｉｒ＋０．４Ｉｇｂ
Ｉｒ''  ＝−０．１５Ｉｂ＋Ｉｒ−０．２５Ｉｇｂ
ここでＩｂ''、Ｉｇ''、Ｉｒ''は、それぞれ実施例１の演算にさらに演算を加え補正された青、緑、赤の信号強度である。通常、このようなマトリックス方式により信号の減算を行うと、ノイズが十分に減算されずＳＮ比の低下を伴う。しかし、本発明ではＲＧＢの色分離が優れているため、上式の非対角項（Ｉｂ''におけるＩｇおよびＩｒの係数、Ｉｇ''におけるＩｂおよびＩｒの係数、Ｉｒ''におけるＩｂおよびＩｇの係数）が充分に小さく、ＳＮ比の大きな低下を伴うことなくすべての負の分光感度を実現できる。
この演算により補正された青、緑、赤の信号強度を図８に示す。図８に見られるように、赤センサーの負の分光特性のみならず、青センサーおよび緑センサーの負の分光特性も実現されていた。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の受光素子の構成を示す断面図。
【図２】第２の受光素子の構成を示す断面図。
【図３】第３の受光素子の構成を示す断面図
【図４】理想の分光特性を示す図。
【図５】従来の受光素子における分光特性を示す図。
【図６】撮像素子における読み出し回路図。
【図７】本発明の受光素子における分光特性を示す図。
【図８】本発明の受光素子においてマトリックス演算で微調整を行った場合の分光特性を示す図。
【符号の説明】
【００６９】
１０  ｐ型シリコン基板（５０）
１２  ｎ形領域（ｎウェル）
１４  ｐ形領域（ｐウェル）
１６  ｎ形領域（ｎウェル）
１８  アース
２０  第１の光電変換部
２２  第２の光電変換部
２４、２６、２８，３０  透明電極
３２  バイアス電極Ｖｇｂ
３４  バイアス電極Ｖｇｒ（３４）
３６，３８  絶縁膜
４０  遮光膜
４２  ｐ形領域（ｐウェル）
４４  マイクロレンズアレイ
５０  赤色信号の引き出し電極
５２  青色信号の引き出し電極
５４  緑色信号の引き出し電極
５６  青緑色信号の引き出し電極
５８  バイアス電圧Ｖｒ
６０  バイアス電圧Ｖｂ
６２  バイアス電圧Ｖｇ
６４  バイアス電圧Ｖｇｂ
【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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【図７】
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【図８】
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