(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な構成を有する光検出装置を提供する。【解決手段】光検出装置は、第１不純物領域２１２および第２不純物領域２１４を含む半導体基板２００と、半導体基板２００の第１不純物領域２１２と第２不純物領域２１４とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層１１４Ｐを含むゲート絶縁層１１４と、ゲート絶縁層上の透明ゲート電極１１２と、光電変換層１１４Ｐへの光の入射に起因する光電変換層１１４Ｐの誘電率の変化に応じて第１不純物領域２１２および第２不純物領域２１４の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路Ｃｈ１とを有する。【選択図】図２
2018186267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１不純物領域および第２不純物領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１不純物領域と前記第２不純物領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
前記光電変換層への光の入射に起因する前記光電変換層の誘電率の変化に応じて前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路と、
前記第１電荷転送経路の途中から分岐する第２電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、
前記第２電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第１ゲートと
を備える、光検出装置。
【請求項２】
前記ゲート絶縁層は、前記光電変換層と前記半導体基板との間の絶縁層を含む、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記透明ゲート電極と前記半導体基板との間に遮光膜を備える、請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲と、前記第１電圧範囲と前記第２電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第１電圧範囲および前記第２電圧範囲よりも小さい第３電圧範囲とを有する光電流特性を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１不純物領域の電圧を基準としたときに前記第３電圧範囲内にある電圧を前記透明ゲート電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
前記第１不純物領域および前記透明ゲート電極の間の電位差が前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じさせる、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
第１電圧供給回路をさらに備え、
前記第１電圧供給回路は、前記光電変換層に前記第３電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように前記透明ゲート電極に電圧を印加し、
前記光電変換層に印加されるバイアス電圧が前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じさせる、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項７】
第２電圧供給回路をさらに備え、
前記半導体基板は、第３不純物領域を含み、
前記第１電荷転送経路の一端は前記第２不純物領域に接続され、前記第１電荷転送経路の他端は前記第３不純物領域に接続され、
前記第２電圧供給回路は、前記第１不純物領域の電圧とは異なる電圧を前記第３不純物領域に供給する、請求項１から６のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項８】
第１不純物領域および第２不純物領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１不純物領域と前記第２不純物領域とで挟まれた領域上に位置するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上のゲート電極と、
前記ゲート電極に電気的に接続された第１電極と、
前記第１電極に対向する透光性の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置された光電変換層と、
前記光電変換層への光の入射に起因する前記第１電極および前記第２電極の間の誘電率の変化に応じて前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路と、
前記第１電荷転送経路の途中から分岐する第２電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、
前記第２電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第１ゲートと
を備える、光検出装置。
【請求項９】
前記光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲と、前記第１電圧範囲と前記第２電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が前記第１電圧範囲および前記第２電圧範囲よりも小さい第３電圧範囲とを有する光電流特性を有する、請求項８に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記第１電極と前記光電変換層との間の第１絶縁層、および、前記光電変換層と前記第２電極との間の第２絶縁層の少なくとも一方をさらに備える、請求項９に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記第１不純物領域の電圧を基準としたときに前記第１電圧範囲内にある電圧を前記第２電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
前記第１不純物領域および前記第２電極の間の電位差が前記第１電圧範囲内に維持された状態で、前記第１電極および前記第２電極の間の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じさせる、請求項９または１０に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記第１不純物領域の電圧を基準としたときに前記第３電圧範囲内にある電圧を前記第２電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
前記第１不純物領域および前記第２電極の間の電位差が前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記第１電極および前記第２電極の間の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じさせる、請求項９または１０記載の光検出装置。
【請求項１３】
第１電圧供給回路をさらに備え、
前記第１電圧供給回路は、前記光電変換層に前記第３電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように前記第２電極に電圧を印加し、
前記光電変換層に印加されるバイアス電圧が前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した前記電流を前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じさせる、請求項９または１０に記載の光検出装置。
【請求項１４】
第２電圧供給回路をさらに備え、
前記半導体基板は、第３不純物領域を含み、
前記第１電荷転送経路の一端は前記第２不純物領域に接続され、前記第１電荷転送経路の他端は前記第３不純物領域に接続され、
前記第２電圧供給回路は、前記第１不純物領域の電圧とは異なる電圧を前記第３不純物領域に供給する、請求項８から１３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記第１電極は、遮光性を有する、請求項８から１４のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１６】
前記ゲート電極と前記第１電極とを接続する接続部を備える、請求項８から１５のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１７】
前記第１電荷転送経路の途中から分岐する第３電荷転送経路と、
前記信号電荷のうち、前記第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と
をさらに備える、請求項１から１６のいずれか１項に記載の光検出装置。
【請求項１８】
前記第３電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第２ゲートをさらに備え、
前記第１ゲートと前記第２ゲートとは互いに独立して電荷の転送および遮断を切り替える、請求項１７に記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳイメージセンサに代表される撮像素子が広く用いられている。撮像素子の分野では、ノイズの低減、ダイナミックレンジの拡大、動作の高速化などの種々の要求がある。
【０００３】
下記の特許文献１は、図２に、所定の化合物が有機重合体中に分散された有機膜をゲート絶縁膜として有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を開示している。有機膜を構成する所定の化合物としては、光の照射によって分極の状態が変化する化合物が選ばれる。特許文献１の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜に光が照射されると、ゲート絶縁膜の誘電率が変化する。そのため、ゲート絶縁膜への光の照射によって、ソース−ドレイン間を流れる電流が変化する。特許文献１には、このような薄膜トランジスタを光センサに用いることが可能であると記載されている。
【０００４】
下記の非特許文献１は、フォトダイオードと、電荷排出のためのドレインとの間に排出ゲートを設けた構造を提案している。非特許文献１では、このような構造を有する画素をＤＯＭ（draining-only modulation）画素と呼んでいる。ＤＯＭ画素では、排出ゲートがオープンの状態においてフォトダイオード内の電荷が排出される。一方、排出ゲートをクローズの状態とすれば、フォトダイオード内の電荷をフローティングディフュージョンに転送することができる。ＤＯＭ画素では、リセットに要する時間を実質的に０とすることによって、時間分解能の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−６０８３０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】K. Yasutomi, et. al.,“A 0.3mm-resolution Time-of-Flight CMOS range imager with column-gating clock-skew calibration”, ISSCC2014, Dig. ｐp.１32-133
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
新規な構成を有する光検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。
【０００９】
第１不純物領域および第２不純物領域を含む半導体基板と、前記半導体基板の前記第１不純物領域と前記第２不純物領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、前記光電変換層への光の入射に起因する前記光電変換層の誘電率の変化に応じて前記第１不純物領域および前記第２不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路と、前記第１電荷転送経路の途中から分岐する第２電荷転送経路と、前記信号電荷のうち、前記第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、前記第２電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第１ゲートとを備える、光検出装置。
【００１０】
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【００１１】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の一態様によれば、新規な構成を有する光検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本開示の第１の実施形態による光検出装置を示す模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示すＡ−Ａ’線断面図である。
【図３】図３は、図１に示すＢ−Ｂ’線断面図である。
【図４】図４は、透明ゲート電極１１２以外の部分を覆う遮光膜３００を有する構成の例を示す平面図である。
【図５】図５は、光検出装置１００Ａに入射する光の強度Ｉの時間的変化の一例を示す図である。
【図６】図６は、光検出装置１００Ａの電荷転送構造１２０Ａの平面図と、ある時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１内の信号電荷の分布の一例と、半導体基板２００内における電位の一例とをあわせて示す図である。
【図７】図７は、光電変換構造１１０Ａおよび電荷転送構造１２０Ａの組を複数有する撮像装置の回路構成の一例を模式的に示す図である。
【図８】図８は、本開示の第２の実施形態による光検出装置の電荷転送構造を取り出して模式的に示す平面図である。
【図９】図９は、電荷転送構造１２０Ｂの平面図と、ある時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１内の信号電荷の分布の一例とをあわせて示す図である。
【図１０】図１０は、電荷転送構造の変形例を示す模式的な平面図である。
【図１１】図１１は、本開示の第３の実施形態による光検出装置を示す模式的な断面図である。
【図１２】図１２は、スズナフタロシアニンを含む材料から形成された光電変換層における吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図１３】図１３は、光電変換層７４の構成の一例を示す模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、光電変換層７４における光電流特性の典型例を示すグラフである。
【図１５】図１５は、本開示の光検出装置の他の変形例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１５】
［項目１］
第１不純物領域および第２不純物領域を含む半導体基板と、
半導体基板の第１不純物領域と第２不純物領域とで挟まれた領域上に位置し、光電変換層を含むゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
光電変換層への光の入射に起因する光電変換層の誘電率の変化に応じて第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路と、
第１電荷転送経路の途中から分岐する第２電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、
第２電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第１ゲートと
を備える、光検出装置。
【００１６】
項目１の構成によれば、所定の期間に照射された光の量に対応する電荷を電荷蓄積部に転送することができ、電荷蓄積部に保持された電荷を読み出すことにより、所望の時間窓での光検出が可能である。
【００１７】
［項目２］
ゲート絶縁層は、光電変換層と半導体基板との間の絶縁層を含む、項目１に記載の光検出装置。
【００１８】
項目２の構成によれば、光電変換層と半導体基板との間の電荷のやりとりを抑制できる。
【００１９】
［項目３］
透明ゲート電極と半導体基板との間に遮光膜を備える、項目１または２に記載の光検出装置。
【００２０】
項目３の構成によれば、半導体基板内の不純物領域、チャネルへの迷光の入射を抑制でき、迷光の入射に起因するノイズの混入を抑制し得る。
【００２１】
［項目４］
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲と、第１電圧範囲と第２電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が第１電圧範囲および第２電圧範囲よりも小さい第３電圧範囲とを有する光電流特性を有する、項目１から３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００２２】
［項目５］
第１不純物領域の電圧を基準としたときに第３電圧範囲内にある電圧を透明ゲート電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
第１不純物領域および透明ゲート電極の間の電位差が第３電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じさせる、項目４に記載の光検出装置。
【００２３】
項目５の構成によれば、光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴わないので、例えばイメージセンサへの適用において、ノイズ、残像などの発生を抑制し得る。
【００２４】
［項目６］
第１電圧供給回路をさらに備え、
第１電圧供給回路は、光電変換層に第３電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように透明ゲート電極に電圧を印加し、
光電変換層に印加されるバイアス電圧が第３電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じさせる、項目４に記載の光検出装置。
［項目７］
第２電圧供給回路をさらに備え、
半導体基板は、第３不純物領域を含み、
第１電荷転送経路の一端は第２不純物領域に接続され、第１電荷転送経路の他端は第３不純物領域に接続され、
第２電圧供給回路は、第１不純物領域の電圧とは異なる電圧を第３不純物領域に供給する、項目１から６のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００２５】
［項目８］
第１不純物領域および第２不純物領域を含む半導体基板と、
半導体基板の第１不純物領域と第２不純物領域とで挟まれた領域上に位置するゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上のゲート電極と、
ゲート電極に電気的に接続された第１電極と、
第１電極に対向する透光性の第２電極と、
第１電極と第２電極との間に配置された光電変換層と、
光電変換層への光の入射に起因する第１電極および第２電極の間の誘電率の変化に応じて第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じる電流に対応した信号電荷を転送する第１電荷転送経路と、
第１電荷転送経路の途中から分岐する第２電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第２電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第１電荷蓄積部と、
第２電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第１ゲートと
を備える、光検出装置。
【００２６】
項目８の構成によれば、所定の期間に照射された光の量に対応する電荷を電荷蓄積部に転送することができ、電荷蓄積部に保持された電荷を読み出すことにより、所望の時間窓での光検出が可能である。
【００２７】
［項目９］
光電変換層は、逆方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲と、順方向のバイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲と、第１電圧範囲と第２電圧範囲との間であって、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率の絶対値が第１電圧範囲および第２電圧範囲よりも小さい第３電圧範囲とを有する光電流特性を有する、項目８に記載の光検出装置。
【００２８】
［項目１０］
第１電極と光電変換層との間の第１絶縁層、および、光電変換層と第２電極との間の第２絶縁層の少なくとも一方をさらに備える、項目８または９に記載の光検出装置。
【００２９】
項目１０の構成によれば、光電変換層の両主面間に、より大きな電位差を印加し得る。
【００３０】
［項目１１］
第１不純物領域の電圧を基準としたときに第１電圧範囲内にある電圧を第２電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
第１不純物領域および第２電極の間の電位差が第１電圧範囲内に維持された状態で、第１電極および第２電極の間の誘電率の変化に対応した電流を第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じさせる、項目９または１０に記載の光検出装置。
【００３１】
［項目１２］
第１不純物領域の電圧を基準としたときに第３電圧範囲内にある電圧を第２電極に供給する第１電圧供給回路をさらに備え、
第１不純物領域および第２電極の間の電位差が第３電圧範囲内に維持された状態で、第１電極および第２電極の間の誘電率の変化に対応した電流を第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じさせる、項目９または１０に記載の光検出装置。
【００３２】
項目１２の構成によれば、光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴わないので、例えばイメージセンサへの適用において、ノイズ、残像などの発生を抑制し得る。
【００３３】
［項目１３］
第１電圧供給回路をさらに備え、
第１電圧供給回路は、光電変換層に第３電圧範囲内のバイアス電圧が印加されるように第２電極に電圧を印加し、
光電変換層に印加されるバイアス電圧が第３電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電流を第１不純物領域および第２不純物領域の間に生じさせる、項目９または１０に記載の光検出装置。
【００３４】
［項目１４］
第１電極は、遮光性を有する、項目８から１３のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００３５】
項目１４の構成によれば、半導体基板内の不純物領域、チャネルへの迷光の入射を抑制でき、迷光の入射に起因するノイズの混入を抑制し得る。
【００３６】
［項目１５］
ゲート電極と第１電極とを接続する接続部を備える、項目８から１４のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００３７】
項目１５の構成によれば、電荷転送経路の側方に光電変換層を配置する構成と比較して、より大きな開口率を得やすい。
【００３８】
［項目１６］
第１電荷転送経路の途中から分岐する第３電荷転送経路と、
信号電荷のうち、第３電荷転送経路を経由して転送された電荷を蓄積する第２電荷蓄積部と、
をさらに備える、項目１から１５のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００３９】
項目１６の構成によれば、第１電荷転送経路における移動距離に応じて電荷を複数の電荷蓄積部の各々に分配することが可能である。
【００４０】
［項目１７］
第３電荷転送経路を経由する電荷の転送および遮断を切り替える第２ゲートをさらに備え、
第１ゲートと第２ゲートとは互いに独立して電荷の転送および遮断を切り替える、項目１６に記載の光検出装置。
【００４１】
項目１７の構成によれば、複数の電荷蓄積部の各々への電荷の転送を独立して制御し得る。
【００４２】
［項目１８］
第２電圧供給回路をさらに備え、
半導体基板は、第３不純物領域を含み、
第１電荷転送経路の一端は第２不純物領域に接続され、第１電荷転送経路の他端は第３不純物領域に接続され、
第２電圧供給回路は、第１不純物領域の電圧と異なる電圧を第３不純物領域に供給する、項目８から１７のいずれか１項に記載の光検出装置。
【００４３】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００４４】
（第１の実施形態）
図１〜図３は、本開示の第１の実施形態による光検出装置を示す。図２は、図１に示すＡ−Ａ’線断面を示す。図３は、図１に示すＢ−Ｂ’線断面を示す。参考のために、図１〜図３には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示す矢印を図示している。他の図面においても、Ｘ方向、Ｙ方向またはＺ方向を示す矢印を図示することがある。なお、図１〜図３は、光検出装置を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示し、これらの図面に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面に関しても同様である。
【００４５】
図１〜図３に示す光検出装置１００Ａは、光電変換構造１１０Ａと、電荷転送構造１２０Ａとを有する。図２に模式的に示すように、光電変換構造１１０Ａおよび電荷転送構造１２０Ａは、半導体基板２００に支持された構造である。なお、本明細書における「半導体基板」は、その全体が半導体である基板に限定されず、絶縁性の支持体上に半導体層が設けられた基板などであってもよい。以下では、半導体基板２００としてｐ型シリコン基板を例示する。
【００４６】
半導体基板２００は、その表面付近に形成された不純物領域２１２、２１４および２２２を有する。図２および図３に模式的に示すように、ここでは、上述の不純物領域２１２、２１４および２２２は、ｎ型領域である。光電変換構造１１０Ａは、これらの不純物領域のうち、不純物領域２１２および２１４をその一部に含んでいる。
【００４７】
光電変換構造１１０Ａは、透明ゲート電極１１２およびゲート絶縁層１１４をさらに有する。図１および図２に示すように、透明ゲート電極１１２およびゲート絶縁層１１４は、半導体基板２００のうち、不純物領域２１２および２１４の間の領域上に位置する。
【００４８】
光検出装置１００Ａを赤外線検出装置として利用する場合、透明ゲート電極１１２の材料として、近赤外線に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることができる。ＴＣＯの例は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｎＯ2などである。透明ゲート電極１１２として、Ａｕなどの金属薄膜を用いてもよい。本明細書における「透明」は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
【００４９】
ゲート絶縁層１１４は、その一部に光電変換層１１４Ｐを含み、透明ゲート電極１１２と半導体基板２００との間に位置する。この例では、ゲート絶縁層１１４は、光電変換層１１４Ｐと半導体基板２００とに挟まれた絶縁層１１４Ｓをさらに含む。
【００５０】
図１に模式的に示すように、不純物領域２１２には、第１電圧線１１が接続され、透明ゲート電極１１２には、第２電圧線１２が接続される。第１電圧線１１および第２電圧線１２は、不図示の電源との接続を有する。なお、複雑さを避けるために、図２および図３では、第１電圧線１１および第２電圧線１２の図示を省略している。このように、本開示の図面では、配線など、一部の構成の図示を省略することがある。
【００５１】
光検出装置１００Ａの動作時、第１電圧線１１は、不純物領域２１２に所定の第１バイアス電圧Ｖｂ１を供給し、第２電圧線１２は、透明ゲート電極１１２に所定の第２バイアス電圧Ｖｂ２を供給する。第２バイアス電圧Ｖｂ２は、典型的には、第１バイアス電圧Ｖｂ１付近の大きさの電圧である。第１バイアス電圧Ｖｂ１は、電源電圧であり得る。
【００５２】
光電変換構造１１０Ａは、光が照射されることにより、照射された光の量に応じた電荷の移動を不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に生じさせる。換言すれば、光電変換構造１１０Ａは、光検出装置１００Ａに照射された光の時間的な変化を示す信号として、照射された光の量に応じた電流を生成可能に構成されている。光電変換構造１１０Ａの構造および動作原理の詳細は、後述する。
【００５３】
電荷転送構造１２０Ａは、光電変換構造１１０Ａとの間に電気的な接続を有する。図１〜図３に例示する構成において、電荷転送構造１２０Ａは、不純物領域２１４を介して光電変換構造１１０Ａに電気的に接続されている。電荷転送構造１２０Ａと光電変換構造１１０Ａとの間で不純物領域２１４が共有されているといってもよい。
【００５４】
電荷転送構造１２０Ａは、電荷を一時的に保持可能に構成された、少なくとも１つの電荷蓄積部ＦＤを有する。図３に模式的に示されるように、この例では、電荷蓄積部ＦＤは、半導体基板２００にｎ型の不純物領域の形で形成されている。なお、不純物領域２１２、２１４および２２２ならびに電荷蓄積部ＦＤのそれぞれにおける不純物濃度は、共通である必要はなく、適宜に調整され得る。後に詳しく説明するように、電荷転送構造１２０Ａは、光電変換構造１１０Ａに生じた電流に基づき、所定の期間に照射された光の量に対応する電荷を選択的に電荷蓄積部ＦＤに抽出する。所定の期間に照射された光の量に対応する電荷を電荷蓄積部ＦＤに転送し、電荷蓄積部ＦＤに保持された電荷を読み出すことにより、所望の時間窓での光検出が可能になる。
【００５５】
図１〜図３に例示する構成において、電荷転送構造１２０Ａは、不純物領域２２２を含む。この例では、不純物領域２２２は、Ｘ方向に沿って不純物領域２１４から間隔をあけて設けられている。不純物領域２２２には、不図示の電源との接続を有する第３電圧線２３が接続される。光検出装置１００Ａの動作時、不純物領域２２２の電位は、第３電圧線２３を介して所定の基準電圧Ｖｄｒの供給を受けることによって固定される。
【００５６】
電荷転送構造１２０Ａは、半導体基板２００のうち、不純物領域２１４および不純物領域２２２の間の領域上に配置された、絶縁層１２４Ｓおよび制御電極Ｔｃの積層構造を含む。制御電極Ｔｃは、半導体基板２００上に配置された絶縁層１２４Ｓ上に位置する。制御電極Ｔｃは、典型的には、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンから形成される。絶縁層１２４Ｓは、例えば、二酸化シリコン層である。なお、光電変換構造１１０Ａ中の絶縁層１１４Ｓおよび電荷転送構造１２０Ａ中の絶縁層１２４Ｓは、同層の構造であり得る。換言すれば、光電変換構造１１０Ａ中の絶縁層１１４Ｓは、電荷転送構造１２０Ａ中の絶縁層１２４Ｓと同様の厚さを有する二酸化シリコン層であり得る。絶縁層１１４Ｓおよび／または絶縁層１２４Ｓとして、シリコン半導体において一般的に用いられるシリコン酸窒化膜を適用してもよいし、ＨｆＯ2膜などのＨｉｇｈ−ｋ膜を適用してもよい。これらの絶縁層の厚さは、その材料に応じて適宜設定されればよい。
【００５７】
制御電極Ｔｃは、適切な電圧の印加を受けることにより、半導体基板２００のうち、不純物領域２１４と不純物領域２２２との間の領域に反転層を形成することが可能に構成される。ここでは、制御電極Ｔｃにおける不純物領域２１４側の端部の近傍に、不図示の電源との接続を有する第４電圧線２４が接続され、制御電極Ｔｃにおける不純物領域２２２側の端部の近傍に、不図示の電源との接続を有する第５電圧線２５が接続されている。光検出装置１００Ａの動作時、第４電圧線２４は、第１制御電圧Ｖｃ１を制御電極Ｔｃに供給し、第５電圧線２５は、第２制御電圧Ｖｃ２を制御電極Ｔｃに供給する。すなわち、この例では、制御電極Ｔｃは、不純物領域２１４側の端部および不純物領域２２２側の端部にそれぞれ第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２を印加可能に構成されている。なお、第４電圧線２４および第５電圧線２５が共通の電源に接続されている必要はない。第４電圧線２４および第５電圧線２５に独立に別個の電源が接続されていてもかまわない。
【００５８】
第４電圧線２４および第５電圧線２５を介して制御電極Ｔｃの電位を適切に制御することにより、半導体基板２００のうち、制御電極Ｔｃの下方に位置する部分に反転層を形成することが可能である。制御電極Ｔｃの電位の制御により、不純物領域２１４と不純物領域２２２とを結ぶように半導体基板２００内に形成される反転層は、例えば、不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって電荷を転送させるためのチャネルとして機能し得る。以下では、不純物領域２２２と不純物領域２１４との間における電荷の転送を担うチャネルを第１電荷転送経路Ｃｈ１と呼ぶ。電荷転送構造１２０Ａは、この第１電荷転送経路Ｃｈ１をその一部に有している。
【００５９】
不純物領域２２２および不純物領域２１４は、第１電荷転送経路Ｃｈ１の一端および他端の位置を規定する。この例では、不純物領域２２２および不純物領域２１４が図のＸ方向に間隔をあけて配置されていることに対応して、制御電極Ｔｃが、不純物領域２１４の位置から不純物領域２２２の位置までＸ方向に沿って直線状に延びている。図１および図２に示す例において、第１電荷転送経路Ｃｈ１は、直線状であるが、第１電荷転送経路Ｃｈ１の形状は、この例に限定されない。第１電荷転送経路Ｃｈ１が、例えば、屈曲および／または曲線部分を含んでいてもよい。また、不純物領域２１２、不純物領域２２２および不純物領域２１４が直線状に配置されることは必須ではない。
【００６０】
第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２としては、半導体基板２００のうち、不純物領域２１４と不純物領域２２２との間の領域に、電荷の移動経路となる反転層を形成することが可能な程度の大きさの電圧が選ばれる。第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２としては、典型的には、第１バイアス電圧Ｖｂ１および第３電圧線２３に印加される基準電圧Ｖｄｒの間の電圧が選ばれる。
【００６１】
電荷転送構造１２０Ａは、さらに、第１電荷転送経路Ｃｈ１の途中から分岐する少なくとも１つの第２電荷転送経路Ｃｈ２を有する。図３に模式的に示すように、この例では、電荷転送構造１２０Ａは、第１電荷転送経路Ｃｈ１に加えて、第１電荷転送経路Ｃｈ１と、第１電荷転送経路Ｃｈ１からＹ方向に沿って間隔をあけて形成された電荷蓄積部ＦＤとを結ぶ第２電荷転送経路Ｃｈ２を有する。
【００６２】
図１および図３を参照すればわかるように、この例では、電荷転送構造１２０Ａは、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間に位置する転送ゲート電極Ｔｘを有する。図３に模式的に示すように、転送ゲート電極Ｔｘは、半導体基板２００上に配置された絶縁層１２６Ｓ上に位置する。絶縁層１２６Ｓは、絶縁層１１４Ｓおよび／または絶縁層１２４Ｓと同層の構造であり得る。転送ゲート電極Ｔｘは、例えば、アルミニウム、銅などの金属、金属窒化物、または、ポリシリコンから形成され、制御電極Ｔｃと同層の構造であり得る。
【００６３】
図１に示すように、転送ゲート電極Ｔｘには、後述する電圧供給回路との接続を有するゲート制御線２６が接続される。ゲート制御線２６を介して電圧供給回路から供給されるゲート制御電圧Ｖｔによって、転送ゲート電極Ｔｘの電位が制御される。例えば転送ゲート電極Ｔｘに供給するゲート制御電圧Ｖｔをハイレベルとすることにより、半導体基板２００のうち、転送ゲート電極Ｔｘの下方に位置する部分に反転層を形成することが可能である。転送ゲート電極Ｔｘの下方に形成された反転層は、第１電荷転送経路Ｃｈ１から電荷蓄積部ＦＤに電荷を転送するためのチャネルとして機能し得る。第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間にチャネルを形成することにより、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する電荷の少なくとも一部を電荷蓄積部ＦＤに向けて転送することができる。ここでは、第２電荷転送経路Ｃｈ２は、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間における電荷の転送を担うチャネルであるといえる。
【００６４】
転送ゲート電極Ｔｘに供給するゲート制御電圧Ｖｔをローレベルとすれば、第１電荷転送経路Ｃｈ１からの電荷蓄積部ＦＤへの電荷の転送が停止される。この例では、半導体基板２００のうち、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間の領域、および、その領域上の絶縁層１２６Ｓおよび転送ゲート電極Ｔｘが、第２電荷転送経路Ｃｈ２を経由した、電荷蓄積部ＦＤへの電荷の転送と遮断とを切り替えるゲートＧｔを構成する。ゲートＧｔの開閉がゲート制御電圧Ｖｔを用いて制御されることから、この例では、第２電荷転送経路Ｃｈ２の開閉が電気的に制御されるといえる。
【００６５】
電荷蓄積部ＦＤは、第２電荷転送経路Ｃｈ２を経由して第１電荷転送経路Ｃｈ１から転送された電荷を一時的に蓄積する機能を有する。図１に示すように、電荷蓄積部ＦＤは、読み出し線２８との接続を有する。読み出し線２８は、信号検出トランジスタなどを含む不図示の信号検出回路に接続される。信号検出回路により、電荷蓄積部ＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号が読み出される。
【００６６】
図１〜図３においては図示が省略されているが、光検出装置１００Ａは、図４に示すように、透明ゲート電極１１２側に、透明ゲート電極１１２以外の部分を覆う遮光膜３００を有し得る。このとき、光検出装置１００Ａの透明ゲート電極１１２側の面のうち、透明ゲート電極１１２の位置する部分は、光検出装置１００Ａにおける受光部に相当する。言うまでもないが、半導体基板２００の法線方向から見たときの透明ゲート電極１１２の形状は、任意である。
【００６７】
遮光膜３００は、例えば、半導体基板２００と透明ゲート電極１１２との間のレベルに設けられる。遮光膜３００は、不純物領域２１２、２１４および２２２、ならびに、電荷蓄積部ＦＤを覆うように半導体基板２００上に形成され得る。半導体基板２００よりも上層に設けられた配線層によって遮光膜３００が構成されてもよい。制御電極Ｔｃおよび転送ゲート電極Ｔｘが遮光膜３００の一部を構成していてもよい。光の入射を受ける面のうち透明ゲート電極１１２を除く部分を遮光膜３００で覆うことにより、半導体基板２００に形成された不純物領域、および、例えば制御電極Ｔｃの下方の領域に形成されるチャネルなどへの迷光の入射を抑制することができる。半導体基板２００内の不純物領域、チャネルへの迷光の入射を抑制することにより、ノイズの混入を抑制し得る。なお、透明ゲート電極１１２を透過した光のうち、光電変換層１１４Ｐに向かって進行する光のほとんどは、光電変換層１１４Ｐによって吸収され得る。
【００６８】
（光検出動作）
以下、光検出装置１００Ａにおける動作の典型例を説明する。
【００６９】
簡単のために、まず、光検出装置１００Ａに光が照射されていない状態を想定する。光の検出に際し、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２に第１バイアス電圧Ｖｂ１を印加する。第１電圧線１１は、第１バイアス電圧Ｖｂ１として例えば３．３Ｖの電圧を不純物領域２１２に供給する。また、光電変換構造１１０Ａの透明ゲート電極１１２に第２バイアス電圧Ｖｂ２を印加する。第２電圧線１２は、第２バイアス電圧Ｖｂ２として、不純物領域２１２の電位を基準としたときに所定の範囲内にある電圧を透明ゲート電極１１２に供給する。ここでは、第２バイアス電圧Ｖｂ２として、第１バイアス電圧Ｖｂ１にほぼ等しい電圧を印加する。
【００７０】
電荷転送構造１２０Ａに着目する。光の検出に際し、不純物領域２２２に基準電圧Ｖｄｒを印加する。基準電圧Ｖｄｒとして、ここでは、第１バイアス電圧Ｖｂ１よりも低い電圧を用いる。例えば０Ｖの電圧を、第３電圧線２３を介して不純物領域２２２に印加する。転送ゲート電極Ｔｘには、ゲート制御線２６からローレベルのゲート制御電圧Ｖｔを供給し、ゲートＧｔをオフの状態としておく。
【００７１】
次に、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２および透明ゲート電極１１２、ならびに、電荷転送構造１２０Ａの不純物領域２２２および転送ゲート電極Ｔｘにそれぞれ所定の電圧が印加されている状態で、光検出装置１００Ａに光が照射されたとする。照射された光のうち、透明ゲート電極１１２を通過した光が光電変換層１１４Ｐに入射する。
【００７２】
光電変換層１１４Ｐに光が入射すると、光電変換層１１４Ｐの内部に正および負の電荷対が発生する。正および負の電荷対は、典型例には、正孔−電子対である。このとき、不純物領域２１２の電位を基準として適切な範囲内にある第２バイアス電圧Ｖｂ２を透明ゲート電極１１２に供給することにより、光電変換層１１４Ｐからの外部への電荷の流出および光電変換層１１４Ｐへの外部からの電荷の流入が生じない状態を実現し得る。ここでは、第１バイアス電圧Ｖｂ１として３．３Ｖの電圧が選択され、第２バイアス電圧Ｖｂ２として３．３Ｖ付近の電圧が選択されている。そのため、光電変換層１１４Ｐの半導体基板２００側の主面と光電変換層１１４Ｐの透明ゲート電極１１２側の主面との間に印加される電位差がほぼ０Ｖであるような状態を実現し得る。このような状態においては、光電変換層１１４Ｐからの透明ゲート電極１１２への電荷の移動および透明ゲート電極１１２からの光電変換層１１４Ｐへの電荷の移動が抑制される。なお、この例では、光電変換層１１４Ｐと半導体基板２００との間に絶縁層１１４Ｓが介在しているので、光電変換層１１４Ｐと半導体基板２００との間の電荷のやりとりはない。
【００７３】
光電変換層１１４Ｐの両主面間に印加されるバイアスが適切に調整された状態、例えば、バイアスが０Ｖ付近であるような状態で光電変換層１１４Ｐに光が入射すると、光電変換によって生成された各電荷対における双極子モーメントがほぼ同じ方向に揃った状態が実現し得る。ここで、光電変換層１１４Ｐおよび透明ゲート電極１１２の界面近傍に注目する。所定のバイアスが印加され、光が照射された状態にある光電変換層１１４Ｐ内の電場の大きさをＥとすれば、ガウスの法則により、Ｅ＝（（σf−σp）／ε0）およびＥ＝（σf／ε）が成り立つ。上記の式中、σfは、透明ゲート電極１１２における電荷密度を表し、σpは、分極により、光電変換層１１４Ｐにおいて透明ゲート電極１１２に対向する表面に生じた電荷の密度である。ε0およびεは、それぞれ、真空の誘電率および光電変換層１１４Ｐの誘電率である。Ｅ＝（（σf−σp）／ε0）およびＥ＝（σf／ε）から、ε＝ε0（σf／（σf−σp））が得られ、分極に寄与する電荷、例えば、正孔−電子対の増加により光電変換層１１４Ｐの誘電率が増大することがわかる。つまり、光電変換層１１４Ｐへの光の照射に起因して、分極に寄与する電荷が増加することにより、光電変換層１１４Ｐの誘電率が増大し、結果としてゲート絶縁層１１４全体の誘電率が増大する。
【００７４】
図２からわかるように、光電変換構造１１０Ａは、ゲート絶縁層１１４が光電変換層１１４Ｐを含んでいる点を除けば、電界効果トランジスタに似た構造を有する。光電変換構造１１０Ａを電界効果トランジスタになぞらえたとすると、不純物領域２１２を電界効果トランジスタのソース領域およびドレイン領域の一方に対応付けることができ、不純物領域２１４をソース領域およびドレイン領域の他方に対応付けることができる。
【００７５】
電界効果トランジスタにおいてゲート絶縁層の誘電率が増大すると、しきい値電圧が低下する。あるいは、実効的なゲート電圧が増大するといってもよい。そのため、光電変換構造１１０Ａにおいて、光の入射によって光電変換層１１４Ｐの誘電率が増大を示すと、ゲート絶縁層１１４全体の誘電率の増大に伴い、電界効果トランジスタにおいてしきい値電圧が低下したときと同様の効果が生じ、不純物領域２１２および２１４の間にチャネルが形成される。
【００７６】
不純物領域２１４の電位に注目する。第１バイアス電圧Ｖｂ１が供給されることにより、不純物領域２１２の電位が３．３Ｖとされていることに対して、不純物領域２１４の電位は、浮遊電位である。ここで、第４電圧線２４および第５電圧線２５を介して制御電極Ｔｃに第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２をそれぞれ印加することにより、半導体基板２００のうち、制御電極Ｔｃの下方に位置する部分に反転層を形成したとする。例えば、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として、１．５Ｖの電圧を制御電極Ｔｃに印加する。反転層の形成により、不純物領域２１４と不純物領域２２２とを結ぶチャネルが半導体基板２００内に形成される。
【００７７】
不純物領域２２２と不純物領域２１４との間、および、不純物領域２１４と不純物領域２１２との間に、電荷の移動を可能とするチャネルが形成されると、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２と、電荷転送構造１２０Ａの不純物領域２２２とが互いに電気的に接続された状態となる。上述したように、ここでは、不純物領域２２２に、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２に印加されている３．３Ｖの電圧よりも低い０Ｖの電圧が基準電圧Ｖｄｒとして印加されている。そのため、これらのチャネルの形成により、全体として、不純物領域２２２から不純物領域２１２に向かう電子の流れが生じる。換言すれば、不純物領域２１２から不純物領域２２２に向かって流れる電流が生じる。
【００７８】
このとき、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に流れる電流の大きさは、光電変換構造１１０Ａを電界効果トランジスタとみなしたときのしきい値電圧の低下の程度、すなわち、光電変換層１１４Ｐの誘電率の増大の程度に依存する。換言すれば、光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に応じた電流が光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に生じる。そのため、不純物領域２１４の電位は、光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に応じて３．３Ｖ〜０Ｖの間で変化する。照度が高いほど、不純物領域２１４の電位が上がる。
【００７９】
このように、不純物領域２１４の電位は、光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に応じて変化し、したがって、不純物領域２１４および不純物領域２２２の間の電位差も光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に応じた変化を示す。結果として、不純物領域２１４および不純物領域２２２の間には、光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に対応した電荷の移動が生じる。以下、第１電荷転送経路Ｃｈ１を介して不純物領域２２２および不純物領域２１４の間で移動する電荷を便宜的に「信号電荷」と呼ぶことがある。この例では、第１電荷転送経路Ｃｈ１を不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって移動する電子が信号電荷である。
【００８０】
光の照射により不純物領域２１２と不純物領域２２２との間に生じる電荷の移動を例えば電圧または電流の変化の形で検出することにより、光を検出することが可能である。ただし、本開示の典型的な実施形態では、さらに、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって転送される信号電荷の少なくとも一部を、第２電荷転送経路Ｃｈ２を介して電荷蓄積部ＦＤに一旦抽出し、電荷蓄積部ＦＤに転送された電荷を読み出す。第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷の少なくとも一部を電荷蓄積部ＦＤに転送してから、転送された電荷を読み出すことにより、所望の時間窓での検出が可能になる。以下、この点を説明する。
【００８１】
図５は、光検出装置１００Ａに入射する光の強度Ｉの時間的変化の一例を示す。図５中、横軸は時間ｔを示し、矢印Ｅｘは、光電変換構造１１０Ａに対する露光期間を模式的に示す。図６は、光検出装置１００Ａの電荷転送構造１２０Ａの平面図と、ある時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１内の信号電荷の分布の一例と、半導体基板２００内における電位の一例とをあわせて示す。図６における上側に示すグラフの縦軸は、電荷量Ｃを表している。
【００８２】
図６では、第１電荷転送経路Ｃｈ１が、Ｘ方向に沿って延びる太い破線矢印によって図示されている。また、図６では、第２電荷転送経路Ｃｈ２が、Ｙ方向に沿って延びる太い破線矢印によって図示されている。他の図面においても、太い破線矢印によって第１電荷転送経路Ｃｈ１または第２電荷転送経路Ｃｈ２を図示することがある。
【００８３】
図６における右側に、半導体基板２００内のＹ方向に沿った電位の変化の一例を示す。グラフ中の白丸Ｓｃは、信号電荷である電子を模式的に表している。グラフ中の実線は、基準電圧Ｖｄｒ、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２を印加した状態における、半導体基板２００内のＹ方向に沿った電位の変化を表している。
【００８４】
また、図６における下側に、基準電圧Ｖｄｒ、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２を印加した状態における、半導体基板２００内のＸ方向に沿った電位の変化の一例を示す。ここでは、より直感的な理解が可能となるように、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として、Ｖｄｒ＜Ｖｃ２＜Ｖｃ１の関係を満たすような電圧を適用した例を説明する。ここで説明する例のように、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として、互いに異なる大きさの電圧を用いてもよい。不純物領域２２２と不純物領域２１４とを結ぶチャネルを形成でき、不純物領域２２２および不純物領域２１４の一方から他方に信号電荷を転送できるような電圧であれば、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として適用し得る。
【００８５】
不純物領域２２２の電位が０Ｖに固定されていることに対して、上述したように、不純物領域２１４の電位は、３．３Ｖ〜０Ｖの間にある。Ｘ方向に沿った、信号電荷としての電子のエネルギーの変化に着目すると、この例では、電子のエネルギーは、不純物領域２２２付近において最も高く、不純物領域２１４に近づくにつれて低下する。そのため、基準電圧Ｖｄｒ、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２が印加された状態では、信号電荷としての電子が不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する。不純物領域２１４に到達した電子は、光の照射によって光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１４と不純物領域２１２との間に形成されたチャネルを経由して不純物領域２１２から第１電圧線１１に排出される。
【００８６】
ここで、光検出装置１００Ａに入射する光の強度Ｉが、図５に示すような時間変化を示していたとする。この場合、光電変換構造１１０Ａ中の光電変換層１１４Ｐの誘電率も、光検出装置１００Ａに入射する光の強度Ｉの時間的変化に応じて変化する。そのため、光電変換構造１１０Ａにおいて、電界効果トランジスタの実効的なゲート電圧が時間的に変化した場合と同様の効果が生じ、不純物領域２１４と不純物領域２１２との間のチャネルに流れる電流が、光検出装置１００Ａに入射する光の強度Ｉの変化に追従して時間的に変化する。換言すれば、半導体基板２００内を不純物領域２１４から不純物領域２１２に向かって移動する電荷量が光の強度Ｉの変化に従って時間的に変化する。
【００８７】
光電変換構造１１０Ａにおいて不純物領域２１４から不純物領域２１２に向かって移動する電荷量が変化すると、不純物領域２２２から第１電荷転送経路Ｃｈ１に流れ込み、第１電荷転送経路Ｃｈ１中の電位勾配に従って不純物領域２１４に転送される電子の量も、入射光の強度Ｉの時間的変化に応じた変化を示す。したがって、第１電荷転送経路Ｃｈ１のある地点を通過する信号電荷の量は、入射光の強度Ｉの時間変化に応じて時間的に変化する。別の言い方をすれば、不純物領域２２２と不純物領域２１４とを結ぶチャネルの形成からある時間が経過したときにおける第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷の量は、図６において上側に模式的に示すように、入射光の強度Ｉの時間変化に対応した分布を示す。これは、大局的に見たとき、ある時刻に第１電荷転送経路Ｃｈ１に流れ込んだ信号電荷の第１電荷転送経路Ｃｈ１中における移動距離が、その時刻よりも後の時刻に第１電荷転送経路Ｃｈ１に流れ込んだ信号電荷における移動距離よりも大きいからである。
【００８８】
そのため、露光開始後のある時刻において、第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷の量は、例えば図６において上側に模式的に示すグラフのような分布を示す。ここで、時刻Ｔｄにおいて、転送ゲート電極Ｔｘに印加するゲート制御電圧Ｖｔをハイレベルにしたとする。ゲート制御電圧Ｖｔをハイレベルとすることにより、図６の右側のグラフ中に破線で示すように、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間のポテンシャル障壁が低下し、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間のゲートＧｔがオープンの状態となる。
【００８９】
ゲートＧｔがオープンとなると、第１電荷転送経路Ｃｈ１を走る信号電荷のうち、Ｙ方向において転送ゲート電極Ｔｘと重なる領域Ｒｇ付近を走る信号電荷が、第２電荷転送経路Ｃｈ２を介して選択的に電荷蓄積部ＦＤに転送される。その後、時刻Ｔｄから、例えば、図５に示す時間Ｔｓの経過後に、ゲート制御電圧Ｖｔをローレベルとし、ゲートＧｔをクローズしたとする。ゲートＧｔをクローズすることにより、電荷蓄積部ＦＤへの信号電荷の転送が終了する。
【００９０】
このように、第１電荷転送経路Ｃｈ１の途中に電荷蓄積部ＦＤを配置し、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤとの間のゲートＧｔにおけるオープンおよびクローズを制御することによって、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷の一部を電荷蓄積部ＦＤに選択的に引き抜くことが可能である。図１および図６において模式的に示すように、第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷のうち、電荷蓄積部ＦＤに転送される電荷量は、不純物領域２２２の端部から電荷蓄積部ＦＤまでのｘ方向に沿った距離Ｌｄおよび電荷蓄積部ＦＤの幅Ｌｗに依存する。電荷蓄積部ＦＤに転送および蓄積された電荷量は、時刻Ｔｄから時刻（Ｔｄ＋Ｔｓ）までの間に不純物領域２２２から第１電荷転送経路Ｃｈ１に流れ込んだ電荷量に相当する。つまり、電荷蓄積部ＦＤに転送および蓄積された電荷量は、図５中、矢印Ｅｘにより示す、光電変換構造１１０Ａに対する露光期間全体のうち、上述の時間Ｔｓに光電変換層１１４Ｐに入射した光の量に相当する情報を有している。したがって、電荷蓄積部ＦＤに蓄積された電荷の読み出しを行えば、時刻Ｔｄを起点とする、時間Ｔｓに相当する時間窓Ｔｗでの検出が実現する。このように、光検出装置１００Ａによれば、所望の時間窓での光検出が可能である。
【００９１】
フォトダイオードを有する従来の撮像素子では、例えば、フォトダイオードによって生成された電荷を全てフローティングディフュージョンに転送し、転送された電荷を読み出す方式が採られる。これに対し、光検出装置１００Ａの上述の例示的な動作においては、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって移動中の信号電荷の一部を抜き出して電荷蓄積部ＦＤに蓄積している。そのため、フォトダイオードによって生成された信号電荷を全てフローティングディフュージョンに転送する従来の方式と比較して、より高速な検出を実現し得る。本開示の実施形態では、従来必要とされていたフォトダイオードのリセットのための期間が実質的に０であり、また、信号電荷の蓄積のための期間が露光期間全体ではなくその一部であるので、より高速な動作を実現し得る。
【００９２】
また、本開示の実施形態では、例えばゲート制御電圧Ｖｔを用いて、ゲートＧｔにおけるオープンおよびクローズを電気的に制御している。ゲートＧｔにおけるオープンおよびクローズのタイミングを制御することにより、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を不純物領域２１４に向かって移動する信号電荷の一部を、任意の開始時刻および期間で抜き出し、電荷蓄積部ＦＤに蓄積することが可能である。すなわち、信号電荷の一部を所望の時間窓でサンプリングすることが容易である。検出における時間窓は、例えば、図１に示す、不純物領域２２２から電荷蓄積部ＦＤまたは転送ゲート電極Ｔｘまでの、第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿った方向における距離Ｌｄ、電荷蓄積部ＦＤまたは転送ゲート電極Ｔｘの第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿った方向における長さＬｗ、ゲートＧｔをオープンとする時間などによっても調整可能である。
【００９３】
上述の動作例では、制御電極Ｔｃの両端に、互いに異なる電圧を印加している。しかしながら、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として互いに異なる電圧を用いることは、上述の動作に必須ではない。信号電荷として電子を利用する場合であれば、不純物領域２１４の電位が不純物領域２２２の電位よりも高ければ電子が不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって移動し得るので、制御電極Ｔｃの両端に共通の電圧を印加してもよい。ただし、制御電極Ｔｃの両端に独立して互いに異なる電圧を印加することにより、制御電極Ｔｃ下の絶縁層１２４Ｓを介して、第１電荷転送経路Ｃｈ１における、不純物領域２２２−不純物領域２１４間の電位勾配の大きさを制御することができる。したがって、不純物領域２２２から不純物領域２１４への信号電荷の転送速度を電気的に制御し得る。例えば、不純物領域２２２と不純物領域２１４との間の電位勾配を調整することにより、時間窓の起点を事後的に調整することも可能である。また、例えば、上述した検出動作を繰り返して実行する場合、電荷蓄積部ＦＤに蓄積した電荷のリセットごとに、第１電荷転送経路Ｃｈ１における電位勾配を変更して、異なる転送速度のもとでの信号電荷を電荷蓄積部ＦＤに抜き出してもよい。制御電極Ｔｃに印加する第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２として、ハイレベルおよびローレベルのようなデジタル信号を用いてもよいし、任意の大きさのアナログ信号を用いてもよい。
【００９４】
（撮像装置への適用例）
図７は、光検出装置１００Ａの撮像装置への適用例を説明するための例示的な回路構成を模式的に示す。図７に示す撮像装置１００は、上述の光電変換構造１１０Ａおよび電荷転送構造１２０Ａの組を複数有する。なお、図７では、図面が過度に複雑になることを避けるために、光電変換構造１１０Ａが白い矩形で模式的に示されている。
【００９５】
図７に示す撮像装置１００は、それぞれが光電変換構造１１０Ａおよび電荷転送構造１２０Ａを有する複数の画素Ｐｘを含む。隣接する２つの画素Ｐｘの間は、半導体基板２００に形成された素子分離領域によって電気的に分離され得る。隣接する２つの画素Ｐｘの中心間の距離は、例えば２マイクロメートル程度であり得る。これらの画素Ｐｘは、例えば２次元に配列されることにより、撮像領域を形成する。ここでは、撮像装置１００は、２行２列のマトリクス状に配置された４つの画素Ｐｘを有している。画素Ｐｘの数および配置は、もちろん、図７に例示する構成に限定されず、任意に設定してよい。
【００９６】
図７に例示する構成において、撮像装置１００は、周辺回路として、垂直走査回路５３、カラム信号処理回路５４、負荷回路５６および水平信号読み出し回路５８を有する。さらに、撮像装置１００は、各画素Ｐｘの光電変換構造１１０Ａに接続された電圧供給回路５１と、各画素Ｐｘの電荷転送構造１２０Ａに接続された電圧供給回路５２とを有する。
【００９７】
図７に模式的に示すように、電圧供給回路５１は、各画素Ｐｘの光電変換構造１１０Ａの透明ゲート電極１１２に接続された第２電圧線１２との接続を有する。図面の複雑化を避けるため、図７においては図示が省略されているが、電圧供給回路５１は、各画素Ｐｘの光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２に接続された第１電圧線１１との接続を有し得る。
【００９８】
撮像装置１００の動作時、電圧供給回路５１は、第２バイアス電圧Ｖｂ２として、不純物領域２１２の電位を基準としたときに所定の範囲内の電圧を各画素Ｐｘの透明ゲート電極１１２に供給する。例えば、電圧供給回路５１は、第１電圧線１１を介して３．３Ｖの電圧を第１バイアス電圧Ｖｂ１として各画素Ｐｘ中の不純物領域２１２に印加し、第２電圧線１２を介して３．３Ｖ付近の電圧を第２バイアス電圧Ｖｂ２として各画素Ｐｘ中の透明ゲート電極１１２に印加する。後述するように、電圧供給回路５１が第２バイアス電圧Ｖｂ２として透明ゲート電極１１２に供給すべき電圧の範囲は、光電変換層１１４Ｐの電流−電圧特性に基づいて決定され得る。
【００９９】
この例では、電荷転送構造１２０Ａの制御電極Ｔｃに接続された第４電圧線２４および第５電圧線２５は、電圧供給回路５２に接続されている。電圧供給回路５２は、第４電圧線２４を介して第１制御電圧Ｖｃ１を制御電極Ｔｃに供給し、第５電圧線２５を介して第２制御電圧Ｖｃ２を制御電極Ｔｃに供給する。図６を参照して説明したように、制御電極Ｔｃに供給する第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２によって、第１電荷転送経路Ｃｈ１におけるポテンシャルの勾配を制御可能である。なお、この例では、電圧供給回路５２は、ゲート制御線２６との接続も有している。すなわち、この例では、電圧供給回路５２は、第２電荷転送経路Ｃｈ２を介した、第１電荷転送経路Ｃｈ１からの電荷蓄積部ＦＤへの信号電荷の転送の開始および停止の制御に用いるゲート制御電圧Ｖｔを転送ゲート電極Ｔｘに供給する機能も有している。
【０１００】
電圧供給回路５２の構成は、特定の回路構成に限定されない。所定の電圧を所定のタイミングで供給できればよい。同様に、電圧供給回路５１の構成も特定の回路構成に限定されない。電圧供給回路５１および電圧供給回路５２は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。電圧供給回路５１および電圧供給回路５２は、独立した別個の回路として例えば半導体基板２００上に実現されてもよいし、電圧供給回路５１および電圧供給回路５２のそれぞれが、単一の電源回路の一部であってもよい。また、電圧供給回路５１および電圧供給回路５２の一部または全部が垂直走査回路５３の一部であってもかまわない。第１バイアス電圧Ｖｂ１、第２バイアス電圧Ｖｂ２、第１制御電圧Ｖｃ１、第２制御電圧Ｖｃ２およびゲート制御電圧Ｖｔの少なくとも１つが、垂直走査回路５３から各画素Ｐｘに供給されてもよい。
【０１０１】
図７に例示する構成において、画素Ｐｘの各々は、信号検出トランジスタ４２、アドレストランジスタ４４およびリセットトランジスタ４６を含む信号検出回路ＳＣをさらに有している。信号検出トランジスタ４２、アドレストランジスタ４４およびリセットトランジスタ４６は、典型的には、半導体基板２００に形成された電界効果トランジスタである。以下では、信号検出トランジスタ４２、アドレストランジスタ４４およびリセットトランジスタ４６がＮチャンネルＭＯＳである構成を例示する。
【０１０２】
図示するように、信号検出トランジスタ４２のゲートは、電荷蓄積部ＦＤに接続された読み出し線２８に接続されている。信号検出トランジスタ４２のドレインは、各画素Ｐｘに電源電圧ＶＤＤを供給する電源線３２に接続され、ソースは、アドレストランジスタ４４を介して垂直信号線３６に接続されている。垂直信号線３６は、画素Ｐｘの列ごとに設けられており、カラム信号処理回路５４および負荷回路５６が接続されている。負荷回路５６と信号検出トランジスタ４２とによってソースフォロア回路が形成され、電荷蓄積部ＦＤに蓄積された電荷量に応じた信号を垂直信号線３６に読み出すことができる。カラム信号処理回路５４は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換などを行う。カラム信号処理回路５４には、水平信号読み出し回路５８が電気的に接続されている。水平信号読み出し回路５８は、カラム信号処理回路５４から水平共通信号線５９に信号を順次読み出す。
【０１０３】
アドレストランジスタ４４のゲートに接続されたアドレス信号線３８は、垂直走査回路５３に接続されている。アドレストランジスタ４４のオンおよびオフを制御するための行選択信号がアドレス信号線３８ごとに送出されることにより、読み出し対象の行が垂直走査回路５３によって走査および選択される。選択された行の画素Ｐｘから垂直信号線３６に信号電圧が読み出される。
【０１０４】
図示するように、この例では、電荷蓄積部ＦＤにリセットトランジスタ４６が接続されている。リセットトランジスタ４６は、所定のリセット電圧Ｖｒｓを供給するリセット電圧線３４に接続されており、オンとされることにより、電荷蓄積部ＦＤの電位をリセットする。この例では、リセットトランジスタ４６のゲートに接続されたリセット信号線３９が垂直走査回路５３に接続されている。垂直走査回路５３は、リセット信号線３９を介してリセット信号を画素Ｐｘに供給することにより、画素Ｐｘを行単位で選択して電荷蓄積部ＦＤの電位のリセットを行うことができる。
【０１０５】
光検出装置１００Ａ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２００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光検出装置１００Ａを製造することができる。本開示の光検出装置の光電変換構造は、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有するので、他のトランジスタと本開示の光検出装置とを同一の半導体基板に形成することも比較的容易である。
【０１０６】
（第２の実施形態）
図８は、本開示の第２の実施形態による光検出装置の電荷転送構造の一例を模式的に示す。図８に示す光検出装置１００Ｂは、光電変換構造および電荷転送構造を有する点で、図１〜図３に示す光検出装置１００Ａと共通する。ただし、光検出装置１００Ｂは、上述の電荷転送構造１２０Ａに代えて、電荷転送構造１２０Ｂを有する。図８では、光検出装置１００Ｂが有する光電変換構造１１０Ａの図示が省略されている。図８に示す電荷転送構造１２０Ｂと、図６などを参照して説明した電荷転送構造１２０Ａとの間の主な相違点は、電荷転送構造１２０Ｂが、第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿って配置された複数の電荷蓄積部を有する点である。
【０１０７】
図８に例示する構成では、Ｘ方向における長さがＬｗの４つの電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄが、間隔ｇをあけてＸ方向に沿って配列されている。電荷蓄積部の数、各電荷蓄積部の第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿った方向における長さ、および、隣接する２つの電荷蓄積部の間隔は、あくまでも例示である。例えば、電荷転送構造１２０Ｂが有する電荷蓄積部の数は、４つに限定されないし、複数の電荷蓄積部の間で幅または間隔が異なっていてもよい。
【０１０８】
図８に例示する構成において、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄとの間には、単一の転送ゲート電極Ｔｘが配置されている。この例では、転送ゲート電極Ｔｘは、Ｘ方向に沿って電荷蓄積部ＦＤａの左端から電荷蓄積部ＦＤｄの右端にまで延びている。つまり、ここでは、転送ゲート電極ＴｘのＸ方向における長さは、（４Ｌｗ＋３ｇ）である。
【０１０９】
後述するように、転送ゲート電極Ｔｘの電位をハイレベルとすることにより、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄの各々との間のゲートをオープンの状態とすることができる。第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄの各々との間のゲートをオープンとすることにより、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷を電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに分配して転送することができる。すなわち、電荷転送構造１２０Ｂは、４つの電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄを有することに対応して、第１電荷転送経路Ｃｈ１から電荷蓄積部に向けて電荷を転送する第２電荷転送経路Ｃｈ２を４つ有している。
【０１１０】
電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄには、それぞれ、読み出し線２８ａ〜２８ｄが接続されている。読み出し線２８ａ〜２８ｄの各々には、それぞれ、信号検出回路が接続され得る。すなわち、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに蓄積された信号電荷をそれぞれ独立して読み出すことが可能に構成され得る。
【０１１１】
（光検出装置１００Ｂにおける動作）
次に、図９を参照しながら、電荷転送構造１２０Ｂを利用した信号検出動作の一例を説明する。図９は、電荷転送構造１２０Ｂの平面図と、ある時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１内の信号電荷の分布の一例とをあわせて示す。
【０１１２】
光の検出に先立ち、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄのそれぞれをリセットする。例えば、読み出し線２８ａ〜２８ｄにそれぞれ接続された信号検出回路中のリセットトランジスタ４６をオン状態とした後、リセットトランジスタ４６をオフ状態とする。この時点では、第１制御電圧Ｖｃ１、第２制御電圧Ｖｃ２およびゲート制御電圧Ｖｔは、いずれもローレベルである。第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２がローレベルであるので、制御電極Ｔｃの下方に反転層は形成されていない。
【０１１３】
次に、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２をハイレベルとする。ここでは、図６を参照して説明した例と同様に、第４電圧線２４および第５電圧線２５に、それぞれ、Ｖｄｒ＜Ｖｃ２＜Ｖｃ１の関係を満たす第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２を印加する。これにより、図６を参照して説明した例と同様に、図６において下側に示すような電位勾配が第１電荷転送経路Ｃｈ１に形成される。
【０１１４】
この状態において、光電変換構造１１０Ａに光が入射すると、図６を参照して説明した例と同様に、光電変換構造１１０Ａの不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に、光電変換層１１４Ｐの誘電率の変化に応じた電流が生じる。この電流の変化により、不純物領域２１４の電位が、不純物領域２１２の電位と不純物領域２２２の電位との間で変化する。ここでは、第１バイアス電圧Ｖｂ１として３．３Ｖの電圧が不純物領域２１２に印加され、基準電圧Ｖｄｒとして０Ｖの電圧が不純物領域２２２に印加されているので、不純物領域２１４の電位は、照度に応じて３．３Ｖ〜０Ｖの間で変化する。照度が高いほど、不純物領域２１４の電位は、３．３Ｖに近づく。
【０１１５】
光電変換構造１１０Ａに光が照射されると、光電変換層１１４Ｐの誘電率の変化に伴う不純物領域２１４の電位の変化により、第１電荷転送経路Ｃｈ１中に、低電位の不純物領域２２２から高電位の不純物領域２１４に向かう電子の流れが生じる。このとき、第１制御電圧Ｖｃ１および第２制御電圧Ｖｃ２の調節によって電位勾配の大きさを制御することにより、不純物領域２１４への電子の転送速度を調整可能である。
【０１１６】
ここでは、図５に示すような時間変化を示す光が光電変換構造１１０Ａに入射した場合を想定する。図５および図６を参照して既に説明したように、光電変換構造１１０Ａに入射する光の強度が時間的に変化していると、第１電荷転送経路Ｃｈ１のある地点を通過する、信号電荷としての電子の量は、入射光の強度の時間変化に応じた時間的な変化を示す。そのため、光電変換構造１１０Ａに対する光入射の開始からある時間が経過したときにおける第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷の量は、図９において上側に模式的に示すように、入射光の強度Ｉの時間変化に対応した分布を示す。
【０１１７】
例えば、時刻Ｔｄにおいて、転送ゲート電極Ｔｘに印加するゲート制御電圧Ｖｔをハイレベルにしたとする。ゲート制御電圧Ｖｔをハイレベルとすると、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄの各々との間のポテンシャル障壁が低下し、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄの各々との間のゲートがオープンの状態となる。
【０１１８】
ゲートがオープンすると、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷が、第２電荷転送経路Ｃｈ２を介して電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに転送される。このとき、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷は、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄのいずれかに転送される。電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄのうち、どの電荷蓄積部に転送されるかは、着目する信号電荷の時刻Ｔｄ時点の移動距離に応じて異なる。例えば、時刻Ｔｄにおいて、Ｙ方向において電荷蓄積部ＦＤａと重なる領域Ｒｇａ付近に位置する信号電荷は、電荷蓄積部ＦＤａに転送され、Ｙ方向において電荷蓄積部ＦＤｄと重なる領域Ｒｇｄ付近に位置する信号電荷は、電荷蓄積部ＦＤｄに転送される。このように、第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿って複数の電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄを配置することにより、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷を、ゲートをオープンした時点における移動距離に応じて電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに分配することが可能である。
【０１１９】
図９において上側に模式的に示すように、ある時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷の量は、ある分布を示す。そのため、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに蓄積される電荷量は、その時刻における、第１電荷転送経路Ｃｈ１中の信号電荷の分布に応じた分布を示す。このことは、光入射によって生成された信号電荷を、図９における上側のグラフ中に破線で示す時間窓Ｔｗ１〜Ｔｗ４で時間分解して検出することを意味する。
【０１２０】
例えば、電子が、飽和速度が０．０４マイクロメートル／ピコ秒となるような強度の電場が印加された長さ４マイクロメートルの電荷転送経路を通って電荷蓄積部に移動するには、１００ピコ秒を要する。したがって、信号電荷としての電子を、長さが４マイクロメートルの電荷転送経路を介して電荷蓄積部に直接に転送するような構成では、信号電荷の転送だけでも１００ピコ秒を要する。これに対し、図８および図９に示すように、電荷転送経路に沿って複数の電荷蓄積部を配置し、電荷転送経路中を移動する電子を複数の電荷蓄積部に分配するような構成によれば、時間分解能を向上することが可能である。例えば、４マイクロメートルの電荷転送経路に沿って４つの電荷蓄積部を配置すれば、同じ電場強度のもとでも、およそ２５ピコ秒の時間分解能を実現し得る。
【０１２１】
このように、本開示の第２の実施形態では、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷を、信号電荷の移動距離に応じて複数の電荷蓄積部に分配することにより、飽和速度の制限を受けることなく、検出における時間分解能を向上させることが可能である。第１電荷転送経路Ｃｈ１における移動距離に応じて信号電荷を複数の電荷蓄積部に分配する、上述の例のような構成を例えば近赤外光を利用したイメージングに応用すれば、測定対象における深さ方向の情報を得ることが可能である。このとき、光パルスの入射と、図９を参照して説明した信号電荷の転送および蓄積とのサイクルを繰り返し、各電荷蓄積部における電荷量を積算することにより、ＳＮ比を向上することが可能である。電荷蓄積部に電荷を転送するための第２電荷転送経路Ｃｈ２に設けられたゲートのオープンは、光パルスの照射ごとに所定のタイミングで実行されればよい。
【０１２２】
なお、検出における時間窓は、電荷蓄積部の第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿った方向における長さ、隣接する２つの電荷蓄積部の間隔を調整することによっても制御可能である。例えば、電荷蓄積部の各々における、第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿った方向における長さを、時間分解したい比率に応じた比率としてもよい。
【０１２３】
図８および図９に示す例では、複数の電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄに共通して１つの転送ゲート電極Ｔｘを配置していることに対して、以下に説明するように、複数の電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄのそれぞれに対応するように複数のゲート電極を半導体基板２００上に設けてもよい。
【０１２４】
図１０は、電荷転送構造の変形例を模式的に示す。図１０に示す電荷転送構造１２０Ｃは、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄにそれぞれ対応するように、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｄとの間に、転送ゲート電極Ｔｘａ〜Ｔｘｄが配置されている。図示するように、転送ゲート電極Ｔｘａ〜Ｔｘｄには、ゲート制御線２６ａ〜２６ｄがそれぞれ接続されており、したがって、転送ゲート電極Ｔｘａ〜Ｔｘｄの各々は、独立してゲート制御電圧Ｖｔａ〜Ｖｔｄを印加可能に構成されている。すなわち、電荷転送構造１２０Ｃは、第１電荷転送経路Ｃｈ１に沿って配置された電荷蓄積部と同数の４つのゲートを有する。これらのゲートは、４つの第２電荷転送経路Ｃｈ２にそれぞれ対応して設けられているといえる。
【０１２５】
図１０に例示するような構成において、例えば、ある時刻においてゲート制御電圧ＶｔｂおよびＶｔｄを選択的にハイレベルとすることにより、図示するように、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤｂおよび電荷蓄積部ＦＤｄとの間の２つのゲートを選択的にオープンする制御が可能である。第１電荷転送経路Ｃｈ１にそって設けられた複数のゲートのうちの一部を選択的にオープンとすることにより、例えば、第１電荷転送経路Ｃｈ１中を移動する信号電荷のうち、Ｙ方向において電荷蓄積部ＦＤｃと重なる領域Ｒｇｃ付近に位置する信号電荷を電荷蓄積部ＦＤｂに向けて転送し得る。このような制御によれば、ゲートがオープン状態にある２つの電荷蓄積部、すなわち、この例では電荷蓄積部ＦＤｂおよび電荷蓄積部ＦＤｄの間において良好に信号電荷を分離し得る。
【０１２６】
なお、複数の電荷蓄積部に対応するようにして複数の転送ゲート電極を画素内に配置した構成においては、信号電荷である電子の供給源である不純物領域２２２に最も近い電荷蓄積部ＦＤｄをドレインとして利用することも可能である。例えば、図１０に例示する構成において、ある時刻以降においてゲート制御電圧Ｖｔｄをハイレベルとし、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤｄとの間のゲートをオープンとすれば、その時刻以降に第１電荷転送経路Ｃｈ１に流れ込んだ信号電荷は、優先的に電荷蓄積部ＦＤｄに転送される。そのため、ゲート制御電圧Ｖｔａ〜Ｖｔｃをハイレベルとし、第１電荷転送経路Ｃｈ１と電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｃとの間のゲートをオープンとした時刻以降もゲート制御電圧Ｖｔｄをハイレベルとすれば、電荷蓄積部ＦＤａ〜ＦＤｃへの余分な電荷の混入を抑制することが可能である。
【０１２７】
このように、複数の電荷蓄積部に対応するようにして複数の転送ゲート電極を画素内に配置し、複数の転送ゲート電極の間で、ハイレベルのゲート制御電圧を印加するタイミングを異ならせてもよい。このような構成によれば、複数の電荷蓄積部の各々への電荷の転送を独立して制御し得る。なお、複数の転送ゲート電極を同時にハイレベルとすれば、複数の電荷蓄積部に共通して単一のゲート電極を設けた構成と同様の検出動作も可能である。
【０１２８】
（第３の実施形態）
図１１は、本開示の第３の実施形態による光検出装置の断面を模式的に示す。図１１に示す光検出装置１００Ｃは、光電変換構造および電荷転送構造を有する点で、図１〜図３に示す光検出装置１００Ａと共通する。ただし、光検出装置１００Ｃは、光電変換構造１１０Ａに代えて、光電変換構造１１０Ｂを有する。
【０１２９】
図１１に示す光電変換構造１１０Ｂは、半導体基板２００に形成された不純物領域２１２および不純物領域２１４を有する電界効果トランジスタ６０を含む。不純物領域２１２は、ここでは、電界効果トランジスタ６０のドレイン領域として機能し、不純物領域２１４は、電界効果トランジスタ６０のソース領域として機能する。図１１に模式的に示すように、電界効果トランジスタ６０は、半導体基板２００のうち、不純物領域２１２と不純物領域２１４との間の領域上に位置するゲート絶縁層６４と、ゲート絶縁層６４上のゲート電極６６とを含む。ゲート絶縁層６４は、例えば、シリコン熱酸化膜である。電界効果トランジスタ６０中のゲート絶縁層６４および電荷転送構造１２０Ａ中の絶縁層１２４Ｓは、同層の構造であり得る。また、電界効果トランジスタ６０中のゲート電極６６は、電荷転送構造１２０Ａ中の制御電極Ｔｃと同層の構造であり得る。
【０１３０】
光電変換構造１１０Ｂは、電界効果トランジスタ６０に加えて、接続部６８と、上部電極７２、光電変換層７４および下部電極７６の積層構造とを含む。上部電極７２、光電変換層７４および下部電極７６の積層構造は、半導体基板２００の上方に位置する。光電変換層７４は、上部電極７２および下部電極７６に挟まれている。
【０１３１】
図１１に例示する構成において、上部電極７２、光電変換層７４および下部電極７６の積層構造は、半導体基板２００を覆うように形成された層間絶縁層５０に支持されている。接続部６８は、層間絶縁層５０内に配置され、下部電極７６と、電界効果トランジスタ６０のゲート電極６６とを互いに電気的に接続している。
【０１３２】
層間絶縁層５０は、シリコン酸化膜などの複数の絶縁層を含む積層構造を有し得る。この例では、層間絶縁層５０中に多層配線４０が配置されている。ここでは、多層配線４０は、３つの配線層を含み、中央の配線層が、第１電圧線１１、第３電圧線２３、第４電圧線２４および第５電圧線２５を含んでいる。もちろん、これらの配線の全てが同層に配置されている必要はない。層間絶縁層５０中の絶縁層の層数および多層配線４０中の配線層の層数は、図１１に示す例に限定されない。
【０１３３】
層間絶縁層５０上の構造に注目する。ここでは、上部電極７２は、透明電極であり、上部電極７２を通過した光が光電変換層７４に入射する。上部電極７２は、光電変換構造１１０Ａ中の透明ゲート電極１１２と同様に、例えばＴＣＯから形成され得る。図１１に示す例では、上部電極７２の、光電変換層７４とは反対側にマイクロレンズ７９が配置されている。上部電極７２およびマイクロレンズ７９の間には、赤外線透過フィルタなどの光学フィルタ、光電変換層７４の保護層などがさらに配置され得る。
【０１３４】
図１１において模式的に示すように、上部電極７２には、光電変換構造１１０Ａ中の透明ゲート電極１１２と同様に第２電圧線１２が接続される。光検出装置１００Ｃの動作時、第１電圧線１１が不純物領域２１２に所定の第１バイアス電圧Ｖｂ１を供給することに対して、第２電圧線１２は、不純物領域２１２の電位を基準としたときに所定の範囲内にある第２バイアス電圧Ｖｂ２を上部電極７２に供給する。
【０１３５】
光電変換層７４は、上述の光電変換構造１１０Ａ中の光電変換層１１４Ｐとほぼ同様の構造であり得る。光電変換層７４の厚さは、例えば２００ｎｍ程度である。光電変換層７４を構成する材料などの詳細は、後述する。
【０１３６】
下部電極７６は、典型的には、金属電極または金属窒化物電極である。下部電極７６を形成するための材料の例は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、ＲｕおよびＰｔである。下部電極７６は、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成されてもよい。ここでは、下部電極７６としてＴｉＮ電極を用いる。下部電極７６を遮光性の電極として形成することは、例えば、電界効果トランジスタ６０のチャネル領域への迷光の入射を抑制し、ノイズの低減に貢献する。
【０１３７】
下部電極７６に接続された接続部６８は、多層配線４０をその一部に含み、電界効果トランジスタ６０のゲート電極６６に下部電極７６を電気的に接続する機能を有する。なお、多層配線４０は、例えば銅などの金属によって形成される。多層配線４０中の配線層により、遮光膜を形成してもよい。
【０１３８】
図１１に示す光電変換構造１１０Ｂは、図１〜図３を参照して説明した光電変換構造１１０Ａと比較して、光電変換構造１１０Ａにおける光電変換層１１４Ｐと絶縁層１１４Ｓとの間に、下部電極７６、接続部６８およびゲート電極６６を含む導電構造を介在させた構造を有するということができる。あるいは、光電変換構造１１０Ｂ自体を、単一の電界効果トランジスタとみなすことも可能である。このような見方をした場合、光電変換構造１１０Ｂは、ゲート絶縁層６４を誘電体層として有するキャパシタと、光電変換層７４を誘電体層として有するキャパシタとの直列接続を含むゲートを有する電界効果トランジスタであるといえる。このとき、下部電極７６、接続部６８およびゲート電極６６を含む導電構造を間に有する、ゲート絶縁層６４および光電変換層７４の積層構造が、その電界効果トランジスタにおけるゲート容量を構成し、上部電極７２が、ゲート電極を構成するといえる。
【０１３９】
光検出装置１００Ｃにおける光の検出の原理は、第１の実施形態とほぼ同様である。不純物領域２１２および上部電極７２に所定の第１バイアス電圧Ｖｂ１および第２バイアス電圧Ｖｂ２がそれぞれ印加されることにより、光電変換層７４の両主面の間に所定の範囲内のバイアスが印加された状態で、上部電極７２を介して光電変換層７４に光が入射される。光電変換層７４に光が入射すると、光電変換層７４内に正および負の電荷対が生成され、光電変換層７４の誘電率が変化する。換言すれば、上部電極７２と下部電極７６との間の誘電率が変化する。このとき、光電変換層７４と上部電極７２との間、および、下部電極７６と光電変換層７４との間で、基本的に電荷のやりとりはない。
【０１４０】
光電変換構造１１０Ｂを単一の電界効果トランジスタとみなすと、光電変換層７４における誘電率が変化することにより、このトランジスタにおけるゲート容量が変化したときと同様の効果が生じる。光電変換層７４における誘電率の変化に伴い、電界効果トランジスタ６０の実効的なゲート電圧が変化し、光電変換層７４の誘電率の変化に応じた電流が不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に生じる。換言すれば、電界効果トランジスタ６０におけるドレイン電流が変化する。ドレイン電流の変化により、電荷転送構造１２０Ａの第１電荷転送経路Ｃｈ１では、不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に生じる電流の変化に応じた、不純物領域２２２から不純物領域２１４へ向かう電子の流れが生じる。電荷転送構造１２０Ａは、不純物領域２２２から不純物領域２１４に向かって移動する電子の少なくとも一部を所望のタイミングで第２電荷転送経路Ｃｈ２を介して電荷蓄積部ＦＤに転送させる。電荷蓄積部ＦＤに転送された電荷を適切な信号検出回路によって読み出すことにより、所望の時間窓での光検出が実現する。
【０１４１】
第３の実施形態によれば、光電変換層７４の半導体基板２００側に位置する下部電極７６を、接続部６８によって半導体基板２００上の電界効果トランジスタ６０のゲート電極６６に電気的に接続することにより、半導体基板２００を覆う層間絶縁層５０上に光電変換層７４を配置している。このような構成においては、半導体基板２００の法線方向から見たときに、上部電極７２および下部電極７６が重なりあう領域が、受光部に相当する。そのため、電荷転送構造の側方に光電変換層を配置する構成と比較して、より大きな開口率を得やすい。また、多層配線４０における各種の配線のレイアウトの自由度が向上する。
【０１４２】
図７を参照して説明した例と同様にして、複数の光検出装置１００Ｃを例えば２次元に配列して、これらの集合を撮像装置として利用することが可能である。この場合、画素Ｐｘとしての光検出装置１００Ｃの各々は、例えば図１１に示すように半導体基板２００に素子分離領域２００ｔが設けられることによって、隣接する他の光検出装置１００Ｃから電気的に分離される。また、各画素Ｐｘ中の下部電極７６は、隣接する他の画素Ｐｘ中の下部電極７６との間で空間的に分離されることにより、他の画素Ｐｘ中の下部電極７６から電気的に分離される。
【０１４３】
他方、光電変換層７４および上部電極７２は、複数の画素Ｐｘの間にわたって形成されてもかまわない。光電変換層７４および／または上部電極７２を複数の画素Ｐｘの間で連続する単一の層の形で形成することにより、製造工程の複雑化を回避できる。上部電極７２を複数の画素Ｐｘの間にわたって単一の電極の形で形成すれば、配線の複雑化を回避しながら、複数の画素Ｐｘの上部電極７２に一括して第２バイアス電圧Ｖｂ２を供給することができる。
【０１４４】
（光電変換層）
以下、光電変換層１１４Ｐ、７４の構成の典型例を詳細に説明する。ここでは、光電変換層７４を例にとって説明する。
【０１４５】
光電変換層７４を構成する材料としては、典型的には、半導体材料が用いられる。光電変換層７４は、光の照射を受けて内部に正および負の電荷対を生成する。ここでは、光電変換層７４を構成する材料として有機半導体材料を用いる。光電変換層７４は、例えば、下記一般式（１）で表されるスズナフタロシアニン（以下、単に「スズナフタロシアニン」と呼ぶことがある）を含む。
【化１】
2018186267.tif 000003
【０１４６】
一般式（１）中、Ｒ1〜Ｒ24は、独立して、水素原子または置換基を表す。置換基は、特定の置換基に限定されない。置換基は、重水素原子、ハロゲン原子、アルキル基（シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む）、アルケニル基（シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む）、アルキニル基、アリール基、複素環基（ヘテロ環基といってもよい）、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基（アニリノ基を含む）、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルスルホニルアミノ基、アリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールアゾ基、ヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基（−Ｂ（ＯＨ）2）、ホスファト基（−ＯＰＯ（ＯＨ）2）、スルファト基（−ＯＳＯ3Ｈ）、または、その他の公知の置換基であり得る。
【０１４７】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンとしては、市販されている製品を用いることができる。あるいは、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンは、例えば特開２０１０−２３２４１０号公報に示されているように、下記の一般式（２）で表されるナフタレン誘導体を出発原料として合成することができる。一般式（２）中のＲ25〜Ｒ30は、一般式（１）におけるＲ1〜Ｒ24と同様の置換基であり得る。
【化２】
2018186267.tif 000004
【０１４８】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンにおいて、分子の凝集状態の制御のし易さの観点から、Ｒ1〜Ｒ24のうち、８個以上が水素原子または重水素原子であると有益であり、Ｒ1〜Ｒ24のうち、１６個以上が水素原子または重水素原子であるとより有益であり、全てが水素原子または重水素原子であるとさらに有益である。さらに、以下の式（３）で表されるスズナフタロシアニンは、合成の容易さの観点で有利である。
【化３】
2018186267.tif 000005
【０１４９】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンは、概ね２００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長帯域に吸収を有する。例えば、上述の式（３）で表されるスズナフタロシアニンは、図１２に示すように、波長が概ね８７０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。図１２は、上述の式（３）で表されるスズナフタロシアニンを含む光電変換層における吸収スペクトルの一例である。なお、吸収スペクトルの測定においては、石英基板上に厚さが３０ｎｍの光電変換層が積層されたサンプルを用いている。
【０１５０】
図１２からわかるように、スズナフタロシアニンを含む材料から形成された光電変換層は、近赤外領域に吸収を有する。すなわち、光電変換層７４を構成する材料として、スズナフタロシアニンを含む材料を選択することにより、近赤外線を検出可能な光検出装置を実現し得る。
【０１５１】
図１３は、光電変換層７４の構成の一例を模式的に示す。図１３に例示する構成において、光電変換層７４は、正孔ブロッキング層７４ｈＢと、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンを含む有機半導体材料を用いて形成された光電変換積層体７４Ａと、電子ブロッキング層７４ｅＢとを有する。正孔ブロッキング層７４ｈＢは、光電変換積層体７４Ａおよび下部電極７６の間に配置されており、電子ブロッキング層７４ｅＢは、光電変換積層体７４Ａおよび上部電極７２の間に配置されている。
【０１５２】
図１３に示す光電変換積層体７４Ａは、ｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方を含む。図１３に例示する構成では、光電変換積層体７４Ａは、ｐ型半導体層７４ｐと、ｎ型半導体層７４ｎと、ｐ型半導体層７４ｐおよびｎ型半導体層７４ｎの間に挟まれた混合層７４ｈとを有する。ｐ型半導体層７４ｐは、電子ブロッキング層７４ｅＢと混合層７４ｈとの間に配置されており、光電変換および／または正孔輸送の機能を有する。ｎ型半導体層７４ｎは、正孔ブロッキング層７４ｈＢと混合層７４ｈとの間に配置されており、光電変換および／または電子輸送の機能を有する。後述するように、混合層７４ｈがｐ型半導体およびｎ型半導体の少なくとも一方を含んでいてもよい。
【０１５３】
ｐ型半導体層７４ｐおよびｎ型半導体層７４ｎは、それぞれ、有機ｐ型半導体および有機ｎ型半導体を含む。すなわち、光電変換積層体７４Ａは、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンを含む有機光電変換材料と、有機ｐ型半導体および有機ｎ型半導体の少なくとも一方とを含む。
【０１５４】
有機ｐ型半導体は、ドナー性有機半導体であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、有機ｐ型半導体は、２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物としては、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、Ｐ３ＨＴなどのチオフェン化合物、銅フタロシアニンなどのフタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、ドナー性有機半導体は、これらに限らず、上述したように、ｎ型化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用い得る。上述のスズナフタロシアニンは、有機ｐ型半導体材料の一例である。
【０１５５】
有機ｎ型半導体は、アクセプター性有機半導体であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、有機ｎ型半導体は、２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物としては、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、フラーレン、フェニルＣ61酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）などのフラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物（例えばナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピンなど）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、ペリレンテトラカルボキシルジイミド化合物（ＰＴＣＤＩ）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、これらに限らず、上述したように、ｐ型有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用い得る。
【０１５６】
混合層７４ｈは、例えば、ｐ型半導体およびｎ型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層であり得る。バルクへテロ接合構造を有する層として混合層７４ｈを形成する場合、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンをｐ型半導体材料として用い得る。ｎ型半導体材料としては、例えば、フラーレンおよび／またはフラーレン誘導体を用いることができる。バルクへテロ接合構造は、特許第５５５３７２７号公報において詳細に説明されている。参考のために、特許第５５５３７２７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
【０１５７】
検出を行いたい波長域に応じて適切な材料を用いることにより、所望の波長域に感度を有する光電変換構造を実現し得る。光電変換層７４を構成する材料は、有機半導体材料に限定されず、アモルファスシリコンなどの無機半導体材料を含んでいてもよい。光電変換層７４は、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。ここでは、スズナフタロシアニンとＣ60とを共蒸着することによって得られたバルクヘテロ接合構造を光電変換積層体７４Ａに適用した例を説明する。
【０１５８】
（光電変換層における光電流特性の典型例）
図１４は、光電変換層７４における光電流特性の典型例を示す。図１４中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層７４の例示的な電流−電圧特性を示している。なお、図１４には、光が照射されていない状態における電流−電圧特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
【０１５９】
図１４は、一定の照度のもとで、光電変換層７４の２つの主面の間に印加するバイアス電圧を変化させたときの主面間の電流密度の変化を示している。本明細書において、バイアス電圧における順方向および逆方向は、以下のように定義される。光電変換積層体７４Ａが、層状のｐ型半導体および層状のｎ型半導体の接合構造を有する場合には、ｎ型半導体の層よりもｐ型半導体の層の電位が高くなるようなバイアス電圧を順方向のバイアス電圧と定義する。他方、ｎ型半導体の層よりもｐ型半導体の層の電位が低くなるようなバイアス電圧を逆方向のバイアス電圧と定義する。有機半導体材料を用いた場合も、無機半導体材料を用いた場合と同様に、順方向および逆方向を定義することができる。光電変換積層体７４Ａの全体がバルクヘテロ接合構造を有する場合、光電変換層７４と光電変換層７４に接する電極との間でバイアス電圧の順方向および逆方向が定義される。具体的には、光電変換積層体７４Ａに含まれる有機材料のＨＯＭＯおよびＬＵＭＯ準位のうち、電極を構成している電極材料のフェルミ準位との間で最もエネルギー差が小さい準位を選択する。選択した準位に電子または正孔が注入しやすくなるように電極に印加するバイアス電圧が順方向であり、選択した準位に電子または正孔が注入しにくくなるように電極に印加するバイアス電圧が逆方向である。例えば、電極材料のフェルミ準位に対して、光電変換積層体７４Ａ中のアクセプターのＬＵＭＯ準位が最もエネルギー差の小さい準位である場合、光電変換積層体７４Ａに対して電子を注入しやすい状態となっている。この場合、光電変換層７４に接する電極に正の電圧を印加するのが逆方向のバイアス電圧であり、負の電圧を印加するのが順方向のバイアス電圧である。
【０１６０】
図１４に示すように、本開示の実施形態による光電変換層の光電流特性は、概略的には、第１〜第３の３つの電圧範囲によって特徴づけられる。第１電圧範囲は、逆バイアスの電圧範囲であって、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する電圧範囲である。第１電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って光電流が増大する電圧範囲といってもよい。第２電圧範囲は、順バイアスの電圧範囲であって、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する電圧範囲である。つまり、第２電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って順方向電流が増大する電圧範囲である。第３電圧範囲は、第１電圧範囲と第２電圧範囲の間の電圧範囲である。
【０１６１】
第１〜第３の電圧範囲は、リニアな縦軸および横軸を用いたときにおける光電流特性のグラフの傾きによって区別され得る。参考のため、図１４では、第１電圧範囲および第２電圧範囲のそれぞれにおけるグラフの平均的な傾きを、それぞれ、破線Ｌ１および破線Ｌ２によって示している。図１４に例示されるように、第１電圧範囲、第２電圧範囲および第３電圧範囲における、バイアス電圧の増加に対する出力電流密度の変化率は、互いに異なっている。第３電圧範囲は、バイアス電圧に対する出力電流密度の絶対値の変化率が、第１電圧範囲におけるバイアス電圧に対する出力電流密度の絶対値の変化率および第２電圧範囲におけるバイアス電圧に対する出力電流密度の絶対値の変化率よりも小さい電圧範囲として定義される。あるいは、電流−電圧特性を示すグラフにおける立ち上がりまたは立ち下りの位置に基づいて、第３電圧範囲が決定されてもよい。第３電圧範囲では、バイアス電圧を変化させても、光電変換層の主面間の電流密度は、ほとんど変化しない。後に詳しく述べるように、この第３電圧範囲では、光の照射によって生じた正および負の電荷対は、光の照射をやめれば速やかに再結合して消滅する。そのため、光検出装置の動作時に光電変換層の２つの主面の間に印加するバイアス電圧を第３電圧範囲の電圧に調整することによって、高速な応答を実現することが可能となる。
【０１６２】
本開示の実施形態では、動作時、不純物領域２１２と、上部電極７２または透明ゲート電極１１２との間の電位差が、例えば上述の第３電圧範囲に維持された状態で光の検出が実行される。換言すれば、光電変換構造１１０Ａは、不純物領域２１２と透明ゲート電極１１２との間の電位差が例えば第３電圧範囲に維持された状態で、光電変換層１１４Ｐの誘電率の変化に対応した電流を不純物領域２１２および不純物領域２１４の間に生じさせる。同様に、光電変換構造１１０Ｂは、不純物領域２１２と上部電極７２との間の電位差が例えば第３電圧範囲に維持された状態で、光電変換層７４の誘電率の変化に対応した電流を不純物領域２１２および不純物領域２１４の間に生じさせる。
【０１６３】
つまり、第１電圧線１１および第２電圧線１２に接続された電圧供給回路５１は、光の検出時、光電変換層１１４Ｐまたは光電変換層７４の両主面間に印加される電位差が例えば第３電圧範囲に維持されるような第１バイアス電圧Ｖｂ１および第２バイアス電圧Ｖｂ２を供給する。第１バイアス電圧Ｖｂ１および第２バイアス電圧Ｖｂ２の差は、例えば、０．１Ｖ程度であり得る。例えば光電変換構造１１０Ｂが適用される場合、電圧供給回路５１は、不純物領域２１２の電位を基準として、第２電圧線１２を介して、第３電圧範囲内にある第２バイアス電圧Ｖｂ２を上部電極７２に印加するように構成される。
【０１６４】
上述したように、両主面間に印加されるバイアス電圧が第３電圧範囲内であると、バイアス電圧を変化させても、光電変換層の主面間の電流密度は、ほとんど変化しない。換言すれば、光電変換層と、光電変換層に隣接する電極との間で電荷のやりとりがほとんど生じない。これは、生成された正および負の電荷が、分離して電極に移動することなく、双極子を形成し、生成された正の電荷および負の電荷自体が光電変換層の外部に取り出されないからである。そのため、光電変換によって生じた正および負の電荷対を光電変換層の誘電率の変化に有効に利用して、不純物領域２１２と不純物領域２１４との間に、誘電率の変化に対応した電流を生じさせることが可能である。
【０１６５】
このように、上述の実施形態においては、光の検出時に、不純物領域２１２の電位を基準として、光電変換層７４または光電変換層１１４Ｐに第３電圧範囲のバイアス電圧を印加している。これに対し、フォトダイオードまたは光電変換膜を利用した従来の光センサでは、一般に、図１４に示す第１電圧範囲に対応する、逆バイアスのもとで光検出の動作が実行される。そのため、光電変換によって生じた正孔および電子は、それぞれ、フォトダイオードのカソードおよびアノードに向かって移動する。従来の光センサの光検出においては、光電変換によって生じた電荷が、信号として外部回路に取り出される。
【０１６６】
光電変換層からの電荷の排出および光電変換層への電荷の流入は、数十ミリ秒程度とその速度が遅い。そのため、光センサをイメージセンサに適用する場合、光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴う構成では、撮像開始時の光電変換層への電圧の印加、光照射などに伴ってノイズ、残像などが発生するおそれがある。光の検出時に光電変換層に印加するバイアス電圧を例えば第３電圧範囲の電圧とする、本開示の典型的な実施形態の構成では、このような光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴わないので、ノイズ、残像などの発生を抑制し得る。また、第３電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態においては、光電変換層に光が入射しなくなると、正および負の電荷対は、数十マイクロ秒程度以下の短時間で再結合して消滅する。したがって、上述の実施形態によれば、高速な応答を実現することが可能である。高速な応答を実現し得るので、本開示の実施形態による光検出装置は、飛行時間法を利用した距離計測、超高速撮影などへの適用に有利である。
【０１６７】
なお、図１１に例示するデバイス構造は、一見すると、半導体基板上に光電変換層が配置された、積層型のイメージセンサのデバイス構造に似ている。しかしながら、積層型のイメージセンサでは、画素電極と、画素電極に対向する透明電極との間にバイアス電圧が印加され、光の照射によって光電変換層内に生成された正および負の電荷の一方が、信号電荷として画素電極に収集される。収集された信号電荷は、撮像セル内のフローティングディフュージョンに一時的に蓄積され、蓄積された電荷量に応じた信号電圧が所定のタイミングで読み出される。
【０１６８】
これに対し、本開示の光電変換構造１１０Ａおよび１１０Ｂでは、光電変換層で生成された正および負の電荷を電極に向けて移動させずに、光電変換層の誘電率の変化に応じた電気信号を読み出す。積層型のイメージセンサでは、信号電荷として正および負の電荷の一方しか利用できないことに対して、光電変換構造１１０Ａおよび１１０Ｂでは、正および負の電荷をペアの形で不純物領域２１２および不純物領域２１４の間の電流の変化に利用している。そのため、より高い感度を実現し得る。また、光電変換層の上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第３電圧範囲の電位差としているので、光の照射をやめれば、生成された電荷対は、速やかに再結合する。すなわち、積層型のイメージセンサとは異なり、画素電極の電位のリセット動作に相当する動作が不要である。
【０１６９】
（その他の変形例）
図１５は、本開示の光検出装置の他の変形例を示す。図１５に示す光検出装置１００Ｄは、図１１を参照して説明した光検出装置１００Ｃと比較して、光電変換構造１１０Ｂに代えて、光電変換構造１１０Ｃを有する。図１１に示す光電変換構造１１０Ｂと、光検出装置１００Ｄの光電変換構造１１０Ｃとの間の相違点は、光電変換構造１１０Ｃが、光電変換層７４と下部電極７６との間に配置された絶縁層７８をさらに有している点である。
【０１７０】
この例のように、例えば光電変換層７４と下部電極７６との間に絶縁層７８を配置することにより、不純物領域２１２と上部電極７２との間に、より大きな電位差を印加することが可能になる。例えば、光検出装置１００Ｄの動作時、不純物領域２１２と上部電極７２との間に、上述の第１電圧範囲内にあるバイアス電圧が印加された状態で、光の検出が実行されてもよい。この場合、電圧供給回路５１は、不純物領域２１２の電位を基準として、第２電圧線１２を介して、第１電圧範囲内にある第２バイアス電圧Ｖｂ２を上部電極７２に印加するように構成され得る。電圧供給回路５１が、不純物領域２１２の電位を基準として、第１電圧範囲内にある電圧と、第３電圧範囲内にある電圧とを切り替えて供給可能に構成されてもよい。
【０１７１】
光電変換層７４に第１電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態では、光電変換層７４と下部電極７６との間の絶縁層７８は、光電変換によって生成された正および負の電荷の一方を蓄積するキャパシタとして機能し得る。このキャパシタへの電荷の蓄積に伴い、接続部６８において静電誘導が起こり、電界効果トランジスタ６０における実効的なゲート電圧が変化する。したがって、電界効果トランジスタ６０のしきい値が変化する。出力信号の読み出しが終了した後は、例えば、第２バイアス電圧Ｖｂ２とは逆極性の電圧を上部電極７２に印加することにより、キャパシタとしての絶縁層７８に蓄積された電荷をリセットすることができる。
【０１７２】
光電変換層７４と下部電極７６との間に絶縁層７８を配置することに代えて、あるいは、光電変換層７４と下部電極７６との間に絶縁層７８を配置することに加えて、光電変換層７４と上部電極７２との間に絶縁層を配置してもよい。絶縁層７８を構成する材料としては、例えば、光電変換層７４を構成する材料よりもリーク電流の小さい材料を選択することができる。例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。絶縁層７８として、シリコン窒化物の膜、酸化アルミニウムの膜などを用いてもよい。
【０１７３】
以上に説明したように、本開示の実施形態によれば、所望の時間窓での光検出が可能である。なお、上述の信号検出トランジスタ４２、アドレストランジスタ４４、リセットトランジスタ４６および電界効果トランジスタ６０の各々は、ＮチャンネルＭＯＳであってもよいし、ＰチャンネルＭＯＳであってもよい。これらの全てがＮチャンネルＭＯＳまたはＰチャンネルＭＯＳのいずれかに統一されている必要もない。
【０１７４】
信号電荷として、電子に代えて正孔を利用するような構成を採用してもよい。相対的に移動度の低い正孔を利用することにより、隣接する電荷蓄積部間において良好に信号電荷を分離し得る。すなわち、本来転送されるべき電荷蓄積部に隣接する他の電荷蓄積部への信号電荷の混入を抑制し得る。
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
本開示の光検出装置は、イメージセンサなどに適用可能である。本開示の光検出装置は、光電変換層の材料を適切に選択することにより、可視光および／または赤外線の検出が可能であり、赤外線を利用した距離計測、可視光および赤外線を利用した画像の取得などに有用である。本開示の光検出装置は、デジタルカメラ、セキュリティカメラ、医療用カメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。
【符号の説明】
【０１７６】
１１    第１電圧線
１２    第２電圧線
２３    第３電圧線
２４    第４電圧線
２５    第５電圧線
２６、２６ａ〜２６ｄ    ゲート制御線
２８、２８ａ〜２８ｄ    読み出し線
３２    電源線
３６    垂直信号線
４２    信号検出トランジスタ
４４    アドレストランジスタ
４６    リセットトランジスタ
５１、５２    電圧供給回路
６０    電界効果トランジスタ
６４    ゲート絶縁層
６６    ゲート電極
６８    接続部
７２    上部電極
７４    光電変換層
７６    下部電極
７８    絶縁層
１００    撮像装置
１００Ａ〜１００Ｄ    光検出装置
１１０Ａ〜１１０Ｃ    光電変換構造
１１２    透明ゲート電極
１１４    ゲート絶縁層
１１４Ｐ    光電変換層
１１４Ｓ    絶縁層
１２０Ａ〜１２０Ｃ    電荷転送構造
１２４Ｓ、１２６Ｓ    絶縁層
２００    半導体基板
２１２、２１４、２２２    不純物領域
３００    遮光膜
Ｃｈ１    第１電荷転送経路
Ｃｈ２    第２電荷転送経路
ＦＤ、ＦＤａ〜ＦＤｄ    電荷蓄積部
Ｇｔ    ゲート
Ｐｘ    画素
ＳＣ    信号検出回路
Ｔｃ    制御電極
Ｔｘ、Ｔｘａ〜Ｔｘｄ    転送ゲート電極
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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