(57)【要約】【課題】感度を向上させる。【解決手段】下部電極Ｅは、光反射機能を有する金属で構成される。透明な上部電極２０３は、下部電極Ｅに対して光入射側（上側）に対向配置される。光電変換膜２０４は、下部電極Ｅと上部電極２０３との間に形成される。下部電極Ｅは、光入射側に複数の突起Ｐを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射機能を有する金属で構成される第１電極と、
前記第１電極に対して光入射側に対向配置された透明な第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に形成された光電変換膜と、を有する画素が、複数配置された撮像素子であって、
前記第１電極は、光入射側に複数の突起を備えたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記突起は、柱体であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記突起は、錐体であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記複数の突起の各々の先端の高さは、前記第１電極の外縁部に近い突起ほど高いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
光反射機能を有する金属で構成される第１電極と、
前記第１電極に対して光入射側に対向配置された透明な第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に形成された光電変換膜と、を有する画素が、複数配置された撮像素子であって、
前記第１電極の光入射側は不規則な凹凸面に形成されることを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
前記第１電極の外縁部には、先端高さが前記突起よりも高い遮光用の壁部が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記第１電極の外縁部には、遮光用の壁部が光入射側に突設されたことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像素子を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換膜を有する積層型の撮像素子、及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置には、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ型の撮像素子が用いられる。この撮像素子は通常、画素毎に半導体基板上に形成されたフォトダイオード（以下、ＰＤ）に入射した光を光電変換して、画素毎の信号量を読み出す構成となっている。近年の撮像素子の高画素化に伴って、画素毎のＰＤの受光面積は低下傾向にあり、受光面積の低下は撮像素子の感度低下に直結するため好ましくない。そこで、画素毎の受光面積を拡げるために、積層型撮像素子が提案されている（例えば特許文献１）。この撮像素子では、半導体基板の上方に、下部電極、下部電極と対向する上部電極、カラーフィルタが積層され、下部電極と上部電極の間に有機光電変換膜が形成される。
【０００３】
ところで、有機光電変換膜を備えた積層型撮像素子の感度を向上させるために、単純には、有機光電変換膜の層を厚くすることで、光の吸収率を上げる方法が知られている。しかし、有機光電変換膜の電子移動度が小さいために、有機光電変換膜の層を厚くすると応答性が低下する。応答性が低下すると、特に下部電極から離れた所で有機光電変換膜に発生した信号電荷の一部が読み出されずに、次のフレームの信号電荷と混ざって残像を発生させてしまうという問題がある。従って、応答性を維持するためには有機光電変換膜を厚くし過ぎないことが求められ、感度を向上させるためには有機光電変換膜の光の吸収率を高めることが求められている。
【０００４】
特許文献２には、光反射機能を有する金属電極である下部電極と、透明電極である光入射側の上部電極と、下部電極と上部電極との間に形成された光電変換層とを有する撮像素子が開示されている。この撮像素子は、光電変換層を透過した光が、下部電極で反射して光電変換層に再入射し、反射前に吸収しきれなかった光を光電変換層でさらに吸収する。これにより光吸収率が上がり、撮像素子の感度が向上するとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５０８７３０４号
【特許文献２】特開２００７−２７３８９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の構成では、下部電極で反射して光電変換層に再入射した光は必ずしも光電変換層で吸収されず、上部電極を透過して撮像素子の外部に放出されてしまう光成分が少なからずある。従って、撮像素子の感度を向上させる上で改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、光反射機能を有する金属で構成される第１電極と、前記第１電極に対して光入射側に対向配置された透明な第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成された光電変換膜と、を有する画素が、複数配置された撮像素子であって、前記第１電極は、光入射側に複数の突起を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像素子の模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う画素部の断面を示す模式図である。
【図３】光が下部電極の突起で反射して拡散する様子を示す図である。
【図４】第１の変形例の突起を有する画素部の模式的な断面図である。
【図５】第２の変形例の突起を有する画素部の模式的な断面図である。
【図６】撮像素子の画素部の模式的な断面図である。
【図７】撮像素子の画素部の模式的な断面図である。
【図８】撮像素子の画素部の模式的な断面図である。
【図９】撮像装置のシステムブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像素子の模式図である。図１では、撮像素子９０１を光入射側から見ている。撮像素子９０１は、画素部１０１、垂直走査部１０２、読み出し部１０３、水平走査部１０４を備える。画素部１０１には、不図示の光学系により結像された光学像を受光する複数の画素１０５が行列状に配置されている。画素１０５は、光電変換膜２０４（図２）を備えている。図１では、説明のため画素１０５として９画素のみ示したが、実際にはさらに多くの画素１０５が配置されて画素部１０１が構成される。
【００１３】
垂直走査部１０２は、画素部１０１の複数の行を垂直方向に順次選択し、画素１０５の信号を行毎に、読み出し部１０３にサンプリングする。水平走査部１０４は、読み出し部１０３にサンプリングされた画素１０５の信号を、水平方向に順次選択することによって、後段のアナログフロントエンド（ＡＦＥ）９０２（図９）などの回路へ出力する。
【００１４】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う画素部１０１の断面を示す模式図である。以降、便宜上、撮像素子９０１の上方、下方については図２を基準に呼称する。ただし、撮像素子９０１が使用される際の姿勢は問わない。図２における上方から下方へ光が入射する。撮像素子９０１は積層型撮像素子である。なお、複数の画素１０５の構成は共通であるので、代表して主に１つの画素１０５の構成を説明する。
【００１５】
画素部１０１は半導体基板２０８を備え、半導体基板２０８の上に、絶縁膜２０６、複数の下部電極Ｅ（第１電極）、光電変換膜２０４、上部電極２０３（第２電極）、複数のカラーフィルタ（ＣＦ）２０２、複数のマイクロレンズ２０１が積層される。下部電極Ｅ、ＣＦ２０２及びマイクロレンズ２０１は画素１０５ごとに構成され、半導体基板２０８の上方において、それぞれの平面上にマトリクス上に多数配置される。マイクロレンズ２０１は、不図示の光学系を通過して撮像素子９０１に結像された光を画素毎にさらに集光する。ＣＦ２０２は、対応する画素１０５に応じて、例えば赤系、青系、緑系の特定の波長の光のみを透過させる。複数のＣＦ２０２は、例えばベイヤー配列に従って配置される。上部電極２０３は、下部電極Ｅに対して光入射側（上側）に対向配置される透明な電極である。光電変換膜２０４は、下部電極Ｅと上部電極２０３との間に形成される。
【００１６】
ここで、上部電極２０３は、光電変換膜２０４に光を入射させる必要があるため透明度が高いことが好ましい。透明な電極材料としては例えば、透明導電性酸化物が適当であり、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が候補に挙げられる。なお、上部電極２０３は、画素毎に分割されていてもよいし、２以上の画素または全画素で共通化されていてもよい。光電変換膜２０４は、光を吸収し、吸収した光に応じた電荷を発生させる光電変換材料で構成される。なお、その光電変換材料として、無機材料または有機材料を用いることができるが、分光特性や感度に優れる点から、本実施の形態では有機材料を用いている。光電変換膜２０４は、単層構造でも多層構造でも良い。
【００１７】
絶縁膜２０６は、複数の金属配線２０７の間、及び複数の下部電極Ｅの間に形成され、各々の間を電気的に絶縁する。半導体基板２０８には、複数の画素１０５に対応する不純物領域が形成され、光電変換膜２０４で生成された信号電荷を保持することが可能である。さらに、半導体基板２０８には、不図示の信号電荷を読み出すための回路が形成されている（図９で後述）。
【００１８】
このように構成された画素１０５では、マイクロレンズ２０１によって集光されて、ＣＦ２０２を透過した特定の波長の光のみが光電変換膜２０４で光電変換されて信号電荷が発生する。そして画素部１０１は、上部電極２０３と下部電極Ｅの間にバイアス電圧を印加し、光電変換膜２０４中に電界をかけることで、下部電極Ｅに移動した信号電荷を外部に取り出すことが可能な構成となっている。
【００１９】
下部電極Ｅは、光反射機能を有する金属で構成される金属電極である。下部電極Ｅを構成する材料としては、例えばＡｌ（アルミニウム）やＴｉ（チタン）が挙げられるが、これらに限定されない。下部電極Ｅは、光入射側に複数の突起Ｐを備える。すなわち、下部電極Ｅは、板状のベース部Ｂを有し、ベース部Ｂから多数の突起Ｐが上部電極２０３の側に向かって突出している。突起Ｐはベース部Ｂと一体に形成されるが、別体で形成され固着されてもよい。突起Ｐは、ベース部Ｂと別体で構成される場合は、光反射機能を有する金属で構成される。突起Ｐは先端が凸曲面に形成される。画素１０５は、突起Ｐが複数配置されたことで、下部電極Ｅにおける反射光を様々な方向に拡散させる性質を有する。図２における、光路２１０、２１１、２１２、２１３、２１４は、画素１０５に入射する光の入射及び反射の経路の例を示している。
【００２０】
図２では、突起Ｐは、１画素につき行方向に１５個を図示したが、実際にはこのような突起Ｐが下部電極Ｅの上面に２次元状に多数形成される。また、突起Ｐの配置ピッチ（間隔）は、様々な方向からの入射光を均一に拡散することができるように小さいのが望ましい。
【００２１】
図３は、光路２１０の光が下部電極Ｅの突起Ｐで反射して拡散する様子を示す図である。図３では、説明の便宜のため、画素１０５に入射した光路２１０の光を、５つの入射光３０１、３０２、３０３、３０４、３０５に分けて実線で図示している。入射光３０１、３０２、３０３、３０４、３０５が突起Ｐで反射した光がそれぞれ、破線で示された反射光３０６、３０７、３０８、３０９、３１０に対応している。図３から分かるように、反射光３０６〜３１０は、突起Ｐの表面で１回以上反射して、様々な方向に拡散している。
【００２２】
ところで、例えば特許文献２の従来技術のように、下部電極が単純な平板で構成される場合は、下部電極で反射した光は強いエネルギを持った鏡面反射光成分が支配的となる。この鏡面反射光成分は、スネルの法則に従って上部電極に向かって反射する成分であるため、光電変換膜中の光路長が短く、光電変換膜で吸収されずに外に出てしまう光成分が多いという問題があった。一方、本実施の形態の撮像素子９０１によれば、下部電極Ｅの突起Ｐで反射した光は拡散反射成分が支配的となる。この拡散反射光成分は、様々な方向に分散して反射する成分である。そのため、反射光が光電変換膜２０４中を進む距離（光路長）を長くすることができる。従来技術よりも光電変換膜中の光路長の長い光成分が増えることで、光は光電変換膜に吸収され易くなり、光吸収率（光電変換効率）の向上によって撮像素子９０１の感度が高まる。
【００２３】
本実施の形態によれば、光反射機能を有する金属で構成される下部電極Ｅが、光入射側に複数の突起Ｐを備えたので、画素１０５の感度を向上させることができる。感度が向上することから、光電変換膜２０４の厚みを増す必要がなく、応答性の低下が回避される。
【００２４】
なお、本実施の形態では、突起Ｐとして先端が曲面のものを例示したが、突起Ｐの形状は例示に限定されず、拡散反射成分が支配的となって上記効果が発揮される範囲で自由に変形してもよい。図４、図５で、突起Ｐの形状の変形例を挙げる。
【００２５】
図４、図５はそれぞれ、第１、第２の変形例の突起Ｐを有する画素部１０１の模式的な断面図である。第１、第２の変形例では、画素部１０１は、下部電極Ｅに代えて下部電極Ｅ２、Ｅ３を備え、下部電極Ｅ２、Ｅ３にはそれぞれ、突起Ｐに代えて突起Ｐ２、Ｐ３が設けられる。
【００２６】
第１の変形例（図４）では、下部電極Ｅ２のベース部Ｂから突起Ｐ２が上部電極２０３の側に向かって突出している。突起Ｐ２は柱体であり、より具体的には円柱や四角柱などである。なお、その柱体の断面形状は問わず、楕円や多角形であってもよい。この形状の突起Ｐ２は、公知の半導体製造プロセス技術によって容易に製造可能である。
【００２７】
第２の変形例（図５）では、下部電極Ｅ３のベース部Ｂから突起Ｐ３が上部電極２０３の側に向かって突出している。突起Ｐ３は錐体であり、より具体的には円錐や四角錐などである。なお、その錐体の断面形状は問わず、楕円や多角形であってもよい。
【００２８】
なお、本実施の形態及び変形例において、下部電極に設ける突起の形態は、画素部１０１における全ての画素１０５間で共通でなくてもよい。互いに異なる突起（突起Ｐ、Ｐ２、Ｐ３）を有した画素１０５が混在してよい。例えば、画素１０５の配列面方向（２次元に配列される平面方向）における、画素部１０１の中央の画素１０５と周辺領域の画素１０５とで、備わる突起の形状を異ならせてもよい。あるいは画素１０５のＣＦ２０２の色毎に、突起の形状や配置ピッチを変えてもよい。
【００２９】
なお、本実施の形態及び変形例において、画素１０５はＣＦ２０２を含む構成として説明したが、ＣＦ２０２を含むことは必須でない。ＣＦ２０２を画素１０５に設けない場合でも、光電変換膜２０４を構成する材料を画素毎に変えることによって、画素毎に異なる分光感度特性が得られるように光電変換膜２０４を構成することが可能である。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像素子９０１の画素部１０１の模式的な断面図である。第１の実施の形態に対して、本実施の形態における画素部１０１は、下部電極Ｅに代えて下部電極Ｅ４を備える。第１の実施の形態の撮像素子９０１と同じ構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００３１】
下部電極Ｅ４の光入射側は不規則な凹凸を有する凹凸面Ｅ４ａに形成されている。下部電極Ｅ４には、第１の実施の形態と同様に光を反射する機能を有する金属電極が用いられる。下部電極Ｅ４は、凹凸面Ｅ４ａを有することで、反射光を様々な方向の光に拡散させて反射させる性質を持つ。凹凸面Ｅ４ａは、様々な方向からの入射光を均一に拡散することができるように微細に形成されていることが望ましい。このような構成により、様々な方向に拡散した反射光が光電変換膜２０４中を進む距離（光路長）が長くなる。
【００３２】
本実施の形態によれば、応答性の低下を回避しつつ画素１０５の感度を向上させることに関し、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る撮像素子９０１の画素部１０１の模式的な断面図である。第１の実施の形態に対して、本実施の形態における画素部１０１は、下部電極Ｅに代えて下部電極Ｅ５を備える。第１の実施の形態の撮像素子９０１と同じ構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００３４】
下部電極Ｅ５は、第１の実施の形態と同様に複数の突起Ｐを有する。下部電極Ｅ５のベース部Ｂの外縁部Ｂａからは、遮光用の壁部７０１が上部電極２０３の側（上方）に向かって突設されている。壁部７０１はベース部Ｂと一体に形成されるが、別体で形成され固着されてもよい。壁部７０１は複数の突起Ｐを周囲から囲むように設けられる。壁部７０１の先端高さは、突起Ｐよりも高い（先端位置が上部電極２０３に近い）。
【００３５】
突起Ｐで反射した光は拡散するため、隣接する画素１０５の光電変換膜２０４に拡散光が侵入してしまうおそれがある。すなわち、拡散反射した光は画素１０５の配列面方向に対して斜めに反射する成分を多く含むため、ある画素１０５の下部電極Ｅ５で反射した光が、隣接する画素１０５に侵入して混色が生じることが懸念される。そこで、本実施の形態では、下部電極の外周側の端部（外縁部Ｂａ）に遮光部として壁部７０１を設け、画素１０５間の反射光の漏れを抑制した。
【００３６】
本実施の形態によれば、応答性の低下を回避しつつ画素１０５の感度を向上させることに関し、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、複数の突起Ｐを周囲から囲むように、突起Ｐより高い壁部７０１を設けたので、混色の発生を抑制することができる。
【００３７】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る撮像素子９０１の画素部１０１の模式的な断面図である。第１の実施の形態に対して、本実施の形態における画素部１０１は、下部電極Ｅに代えて下部電極Ｅ６を備える。第１の実施の形態の撮像素子９０１と同じ構成要素についての詳細な説明は省略する。
【００３８】
下部電極Ｅ６は、光入射側に複数の突起Ｐ４を備える。すなわち、ベース部Ｂから多数の突起Ｐ４が上部電極２０３の側に向かって突出している。突起Ｐ４の先端形状は第１の実施の形態における突起Ｐと同様である。第１の実施の形態では、各突起Ｐの先端の高さは共通であった。これに対し本実施の形態では、各突起Ｐ４のベース部Ｂからの突出高さは共通でなく、従って、上下方向における各突起Ｐ４の先端位置が共通でない。具体的には、各突起Ｐ４の先端の高さは、画素１０５の配列面方向における画素１０５の中心に位置する突起Ｐ４が最も低く、ベース部Ｂの外縁部Ｂａに近い突起Ｐ４ほど高くなっている。突起Ｐ４の先端の高さは、下部電極Ｅ６の中心から外側（外縁部Ｂａの側）に向かって徐々に高くなっており、下方に凹んだ仮想の凹曲面が各突起Ｐ４の先端に当接する。
【００３９】
このような構成により、第１の実施の形態と同様に、突起Ｐ４で反射した光は拡散反射成分が支配的となり、反射光は様々な方向に分散する。さらに、外縁部Ｂａに近い突起Ｐ４で反射した光は、下部電極Ｅ６の中心側（外縁部Ｂａの内側）へ向く成分が多くなる。これにより、光の多くを画素１０５の中心側に向かって反射させることができることから、隣接する画素１０５に侵入する反射光成分を少なくすることができる。従って、混色の発生を抑制することができる。
【００４０】
本実施の形態によれば、応答性の低下を回避しつつ画素１０５の感度を向上させることに関し、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、各突起Ｐ４の先端の高さは外縁部Ｂａに近い突起Ｐ４ほど高いので、混色の発生を抑制することができる。
【００４１】
最後に、撮像素子９０１を備える撮像装置の概略構成について説明する。図９は、撮像装置のシステムブロック図である。本撮像装置は例えばデジタルスチルカメラとして構成される。
【００４２】
ＡＦＥ９０２は撮像素子９０１に接続され、基準レベルの調整（クランプ処理）およびＡ／Ｄ変換回路によるアナログデジタル変換処理を行う。デジタルフロントエンド（ＤＦＥ）９０３はＡＦＥ９０２に接続され、各画素のデジタル出力を受けて画像信号の補正や画素の並び替え等をデジタル処理する。デジタル信号処理部９０４はＤＦＥ９０３に接続され、ＤＦＥ９０３からのデジタル出力に対して、現像処理や欠陥画素の補間処理を行う。メモリ部９０５は、デジタル信号処理部９０４の作業用メモリであり、連続撮影等においてはバッファメモリとしても使用される。制御部９０６はＣＰＵ（不図示）などを内蔵し、撮像装置全体を統括的に制御する。操作部９０７は、撮像装置に設けられた操作部材（不図示）へのユーザの操作を電気的に受け付ける。表示部９０８は、画像等を表示する。記録部９０９は、メモリカードやハードディスクなどの記録媒体である。タイミング発生回路（ＴＧ）９１０は、撮像素子９０１を駆動する各種タイミングを生成する。
【００４３】
このような構成の撮像装置により、前述の撮像素子９０１の駆動及び撮像素子９０１の読み出し駆動が実現される。但し、本発明に係る撮像装置の構成としては、例示したものに限定されない。例えば、撮像素子９０１は、列毎のＡ／Ｄ変換回路を含む構成としてもよく、その場合は、撮像素子９０１が、読み出した画素毎のデジタル信号をＤＦＥ９０３へ出力する。また、撮像素子９０１が、Ａ／Ｄ変換回路とＤＦＥブロックを内部に備える構成であってもよい。
【００４４】
なお、第３の実施の形態（図７）における、遮光用の壁部７０１を設ける構成は、第１の実施の形態（図２）、第１、第２の変形例（図４、図５）及び第２、第４の実施の形態（図６、図８）にも適用可能である。第４の実施の形態に適用する場合、壁部７０１は、先端が凹凸面Ｅ４ａの最高位置より高くなるように光入射側に向けて突設すればよい。また、第４の実施の形態（図８）における、各突起Ｐ４の先端の高さを外縁部Ｂａに近い突起Ｐ４ほど高くする構成は、第１、第２の変形例（図４、図５）にも適用可能である。また、第２の実施の形態（図６）に第４の実施の形態（図８）を応用し、下部電極Ｅ４の凹凸面Ｅ４ａの概略形状を、下方に凹んだ凹曲面としてもよく、つまり、凹曲面上に不規則で微細な凹凸を形成する構成としてもよい。
【００４５】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。上述の実施形態の一部を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
Ｅ、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４  下部電極
Ｐ、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４  突起
１０５  画素
２０３  上部電極
２０４  光電変換膜
９０１  撮像素子
【図１】
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【図２】
2018133357.tif 000004
【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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