(57)【要約】【課題】  なだれ増倍現象によって増倍する機能を有する光電変換膜において、その光電変換膜の厚みを小さくすることなく、内部の電界強度を格段に上げることができる、固体撮像素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】光電変換膜２０を、信号読出回路部１００を含む回路基板部３０上に一体的に形成してなる固体撮像素子において、信号読出回路部１００の光電変換膜２０側に、画素５に対応して所定の数の信号読出し用の電極部が設けられており、この電極部のそれぞれは、先端部分１Ａが光電変換膜２０内に挿入された信号読出電極１と、少なくとも一部が光電変換膜２０と接触するように配された補助電極４とを有し、信号読出電極１の先端部１Ａと補助電極４との間に電位差が生じるように信号読出電極１と補助電極４のそれぞれに、互いに異なる電圧が印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を、信号読出回路部を含む回路基板部上に一体的に形成してなる固体撮像素子において、
該信号読出回路部の該光電変換部側に隣接して、画素に対応させて所定数の信号読出し用の電極部が設けられており、
該電極部のそれぞれは、先端部分が該光電変換部内に挿入された主電極と、少なくとも一部が該光電変換部と接触するように配された補助電極とを有し、該主電極と該補助電極との間に電位差が生じるように、該主電極と該補助電極のそれぞれに、互いに異なる電圧が印加される構成とされていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記主電極は前記先端部分が尖った形状をなす円錐状の電極であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記補助電極は、前記主電極の前記先端部分を囲むような形状とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
光電変換部を、信号読出回路部を含む回路基板部上に一体的に形成する固体撮像素子の製造方法において、
該信号読出回路部の最上部に、画素に対応させて、錐状をなす主電極と、該主電極とは隙間を空け、該主電極の先端部分を囲むように、該主電極との間に電位差をもつ補助電極を形成し、
該主電極と該補助電極の間の隙間を絶縁物により埋めて絶縁膜を形成する絶縁物塗布工程と、
該絶縁膜から該主電極の先端部分と該補助電極の少なくとも一部が露出するように、前記絶縁物を除去する絶縁物除去工程と、
露出した該主電極の先端部分を覆い、かつ該補助電極の少なくとも一部に当接するように、前記光電変換部を積層する光電変換部積層工程と、をこの順に行うことを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換膜と、半導体技術で作製される信号読み出し回路を電気的に接続してなるＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子およびその製造方法に関し、詳しくは、信号読み出し回路の電極として極めて細い先端部を有する円錐形等の電極を備えた固体撮像素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テレビ用カメラやデジタルカメラ等に用いられるイメージセンサー（固体撮像素子）の画素サイズは急速に小さくなってきており、１画素当たりの光の利用効率が大幅に低下することから感度不足が問題となってきている。
【０００３】
ところで、ＣＭＯＳイメージセンサーの光入射面に入射した光の量に応じて電荷を生成し、この電荷をなだれ増倍現象によって増倍する機能を有する、光電変換膜を積層した高感度固体撮像素子が提案されている（下記非特許文献１、２）。
このようなイメージセンサーでは、光電変換膜の光入射側に設けた透明電極と、この透明電極とは逆側部分に接する信号読み出し回路（以下、記載の便宜のため信号読出回路と称する）部に画素に対応して配列された信号読出電極との間に強い電界を生成することで、入射光に応じて光電変換膜内に生じた電荷を、なだれ増倍現象により増倍する。電界を強めることによりこの電荷の増倍率は大きくなり、感度も大幅に向上していく。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】High-Sensitivity Image Sensors Overlaid With Thin-Film Gallium Oxide/Crystalline Selenium Heterojunction Photodiodes: S. Imura et al.：IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 63, NO. 1, pp.86-91(2016).
【非特許文献２】Low-voltage-operation avalanche photodiode based on n-gallium oxide/p-crystalline selenium heterojunction: S. Imura et al. : Appl. Phys. Lett.104, 242101 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、増倍された電荷を画素ごとに信号として読み出す回路は、半導体技術で作製されており、光電変換膜に印加できる電圧は通常５Ｖ以下である。このため、増倍率を高くし超高感度化を図るために、今までは、光電変換膜を薄くして内部電界の強度を上げるようにしていた。その一方、光電変換膜を薄くするとこの膜における光吸収率が低下し、電荷の生成効率が大幅に低下するため、電界を強くすることには限度がある。
このような理由から、光電変換膜の厚みを維持したままでも、内部の電界強度を格段に上げることの要求が高まっていた。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、なだれ増倍現象によって増倍する機能を有する光電変換膜において、その光電変換膜の厚みを小さくすることなく、内部の電界強度を格段に上げることができる、固体撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、
光電変換部を、信号読出回路部を含む回路基板部上に一体的に形成してなる固体撮像素子において、
該信号読出回路部の該光電変換部側に隣接して、画素に対応させて所定数の信号読出し用の電極部が設けられており、
該電極部のそれぞれは、先端部分が該光電変換部内に挿入された主電極と、少なくとも一部が該光電変換部と接触するように配された補助電極とを有し、該主電極と該補助電極との間に電位差が生じるように、該主電極と該補助電極のそれぞれに、互いに異なる電圧が印加される構成とされていることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、前記主電極は前記先端部分が尖った形状をなす円錐状の電極であることが好ましい。
また、前記補助電極は、前記主電極の前記先端部分を囲むような形状とされていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法は、
光電変換部を、信号読出回路部を含む回路基板部上に一体的に形成する固体撮像素子の製造方法において、
該信号読出回路部の最上部に、画素に対応させて、錐状をなす主電極と、該主電極とは隙間を空け、該主電極の先端部分を囲むように、該主電極との間に電位差をもつ補助電極を形成し、
該主電極と該補助電極の間の隙間を絶縁物により埋めて絶縁膜を形成する絶縁物塗布工程と、
該絶縁膜から該主電極の先端部分と該補助電極の少なくとも一部が露出するように、前記絶縁物を除去する絶縁物除去工程と、
露出した該主電極の先端部分を覆い、かつ該補助電極の少なくとも一部に当接するように、前記光電変換部を積層する光電変換部積層工程と、をこの順に行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の固体撮像素子によれば、先端部分が光電変換部内に挿入された主電極と、少なくとも一部が光電変換部と接触するように配された補助電極とを有し、主電極と補助電極との間に電位差が生じるように構成している。
【００１１】
光が光電変換部に入射すると、光電変換部内で、入射光量に応じた電子・正孔対が生じる。この電子・正孔対のうち一方のキャリアは補助電極に、他方のキャリアは信号読み出し用の主電極側に、光電変換部内に印加された電界にしたがって各々引き寄せられる。
このとき光電変換部内の電界は、先端部分が光電変換部内に挿入された信号読み出し用の主電極に近くなるほど強くなるように形成されているので、上記他方のキャリアは加速し、光電変換部内の他の原子に衝突して新たにこの他方のキャリアを生成することを繰り返しこの他方のキャリアの数を増やしながら（なだれ増倍）、光電変換部内に位置する信号読み出し用の主電極に捕獲される。これによりわずかな入射光でも多数のキャリアを生成できるので感度を向上することができる。
【００１２】
すなわち、先端部分が光電変換部内に挿入された主電極と、少なくとも一部が光電変換部と接触するように配された補助電極との間で電位差を生じさせ、その間に電界が発生するようにしているので、感度を大幅に向上させることが可能になる。
【００１３】
また、本発明の固体撮像素子の製造方法によれば、主電極と補助電極の間の隙間を絶縁物により埋める絶縁物塗布工程と、この絶縁物よりなる絶縁膜から主電極の先端部分と補助電極の少なくとも一部が露出するように、該絶縁膜の一部を除去する絶縁物除去工程と、露出した主電極の先端部分と補助電極が覆われるように、前記光電変換部を積層する光電変換部積層工程と、をこの順に行うようにしているので、感度が大幅に向上した固体撮像素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の全体（光電変換膜を除く）を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体撮像素子の一部断面を示す模式図である。
【図３】図２に示す固体撮像素子の一部を拡大して示す模式図である。
【図４】固体撮像素子の製造方法において、スピント型冷陰極アレイを製造する工程を示す概略図（（ａ）〜（ｅ））である。
【図５】製造されたスピント型冷陰極を用い、本実施形態に係る固体撮像素子を製造する工程を示す概略図（（ｅ）〜（ｈ））である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る固体撮像素子およびその製造方法について図面を用いて説明する。
まず、図１〜３を用いて本実施形態に係る固体撮像素子について説明する。
【００１６】
この固体撮像素子は、光電変換膜２０と回路基板部３０を接合してなるものである。
ここで、回路基板部３０は、信号読出回路部１００上に画素電極部２００を形成してなるものであり、また、光電変換膜２０は、回路基板部３０上に形成された光電変換層からなる。
【００１７】
一方、回路基板部３０のうち画素電極部２００は、画素電極（金属膜）２上にコーン（円錐）状の信号読出電極１を図１に示す如く２次元的に配列してなる。また、信号読出回路部１００は、信号読出電極１から出力された電荷を所定時間にわたり蓄積する回路部、およびこの蓄積された電荷を読み出す回路部を備えている。
【００１８】
すなわち、各信号読出電極１に対応して、リセット部１０９、電荷蓄積部１１０、電荷検出部１１１、ＡＤ変換部１１２および信号を外部に出力するためのインターフェース部（ＩＦ）１１３を備えている。電荷蓄積部１１０は信号読出電極１からの電荷を蓄積するものであり、電荷検出部１１１は所定の蓄積時間の経過後、電荷の蓄積量に応じた電気信号を発生するものであり、ＡＤ変換部１１２は、この電気信号をＡＤ変換してデジタル信号として出力するものであり、インターフェース部（ＩＦ）１１３は、電気信号がデジタル信号として外部に出力される際に、出力部として機能するものである。また、リセット部１０９は、上記電気信号がデジタル信号として出力された後、電荷蓄積部１１０に蓄積されている電荷をリセットするためのリセット電圧を出力するものである。
【００１９】
また、上述した電荷蓄積部１１０、電荷検出部１１１およびリセット部１０９により信号読出部１０１が構成される。
なお、信号読出電極１からの電荷を電荷蓄積部１１０に蓄積するモードを蓄積モードと称し、電荷蓄積部１１０に蓄積された電荷を電荷検出部１１１において電気信号に変換するモードを読出しモードと称する。
【００２０】
補助電極４は、図２に示すように、光電変換膜２０内に突出するように配される。画素電極２上の、信号読出電極１の周りには、隙間を空けて絶縁膜３が配設される（図１の一部拡大図（一点鎖線で囲まれている）を参照）。絶縁膜３の厚みは、信号読出電極１の高さよりも若干小さくなるように形成されており、このため、信号読出電極１の先端部１Ａの周りに補助電極４が位置するように配される。補助電極４は、信号読出電極１の先端部１Ａを中心とする円形の透孔を有し、この透孔の内壁縁部４Ａと信号読出電極１の先端部１Ａの間に強い電界が発生するように、これら両者が互いに近接した状態に配設される。
なお、この透孔の直径は、図１の一部拡大図に示すように、例えばΦ１μｍ、またはそれ以下のサイズとされる。
【００２１】
また、信号読出電極１は、前述したように円錐状をなしており、その先端部１Ａは、補助電極４との間で高電界を発生させ得るように、曲率半径が1〜数10nmと鋭い形状を有するように形成されている。このような電極形状は、例えば、電界放出型電子源（冷陰極）としてJournal of Appl. Phys., VOL. 47, NO. 12 (Dec.1976).において紹介されており、一般にスピント型冷陰極と称されている。
本実施形態においては、信号読出電極１は電源の負極に、補助電極４は電源の正極に接続されている。
【００２２】
本実施形態においては、上記信号読出電極１が、縦に３個、横に３個配列された正方形領域を、１つの画素（単位画素）５として設定しているが、任意の数の信号読出電極１によって、１つの画素を構成することができる。
【００２３】
図３は、本実施形態にかかる固体撮像素子の作用を説明する概念図である。
本実施形態においては、前述したように、信号読出電極１には負電圧が、一方、補助電極４には正電圧が印加されており、信号キャリアは正孔とされている。
ここで、信号読出回路部１００の電荷検出部１１１から信号読出電極１に対して補助電極４よりも低いリセット電圧が印加され、この補助電極４との間に電界を生じさせる。
【００２４】
図３に示すように、光が光電変換膜２０に入射するとその量に応じた電子・正孔対がこの光電変換膜２０内に生じる。そして、光電変換膜２０内に印加されている電界に従い、電子は補助電極４側に引き寄せられ、正孔は信号読出電極１側に引き寄せられる。
【００２５】
このときの光電変換膜２０内の電界は信号読出電極１に近くなるほど強くなるように形成されているので、正孔は信号読出電極１に近くなるにつれて加速し、膜内の他の原子に衝突して新たに複数個の正孔を生成する。このような衝突を繰り返すことで正孔の数を飛躍的に増やし（なだれ増倍）、この増大した正孔が信号読出電極１に捕獲されることになる。なお、OPTRONICS（1991）NO. 1, pp.193-198.には、電界により電子を真空中に放出する際に、１×１０９V/m 以上の電界が必要となることが記載されており、一般にスピント型冷陰極ではこの電界が容易に得られていることが知られている。
【００２６】
このような信号キャリアを飛躍的に増大させる仕組みによって、入射光がわずかであっても感度を大幅に向上させることができる。
【００２７】
次に、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について、図面を用いて説明する。
本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法においては、回路基板上に現行手法を応用してスピント型冷陰極アレイを作製し、次にこれを本実施形態に係る撮像素子に変換するようにしている。そこで、まず、図４を用いて、現行手法に係るスピント型冷陰極アレイの製造方法について、簡単に説明する。
【００２８】
スピント型冷陰極アレイを作製する際には、まず、回路基板部３０上に画素電極用の金属膜１２、絶縁膜１３および金属膜１４を積層する（図４（ａ））。金属膜１２は、絶縁膜１３および金属膜１４を積層する前に、フォトリソグラフィ等の技術を用いて、画素ごとに分離させる。
次に、信号読出電極１１を画素電極用金属膜１２上に配設しうる大きさの平面視円形の開口部１６をエッチング処理により作製する（図４（ｂ））。
【００２９】
次に、開口部１６の中心軸（一点鎖線で描かれている）位置を中心として、積層体を回転させながら、その斜め上方から犠牲層（他の層の製造のために作製されるもので、最終的には除去される）１７の材料を蒸着させて犠牲層１７を作製する。この斜め蒸着により犠牲層１７は上方に向かうにしたがって開口部１６の中心軸方向にせり出すように、これによって開口部１６の開口面積が狭まるように形成される（図４（ｃ））。
【００３０】
次に、回路基板部３０に対して上方垂直方向から信号読出電極１１の形成材料１１ｂを蒸着させる。この蒸着処理により形成された信号読出電極材料層１１ｂは、犠牲層１７のせり出し形状に倣い、積層されるにしたがって開口部１６方向にさらにせり出すように形成され、積層がさらに進むと、開口部１６が閉鎖されてしまう。
一方で、この蒸着処理の進行とともに、画素電極用金属膜１２上には、信号読出電極１１が積層されるが、積層されるにしたがって開口部１６が狭まっていくので、信号読出電極１１は徐々に径が小さくなり、最終的に画素電極２上に形成される信号読出電極１１は前述したように円錐形状となる（図４（ｄ）、（ｅ））。
【００３１】
ところで、本実施形態の固体撮像素子の製造方法においても、手法そのものは、上記現行手法による工程を基にしてスピント型冷陰極アレイを製造するが、現行手法との差異は、信号読出電極１１の先端部１１Ａが光電変換膜２０内に挿入された構成とされ、補助電極（金属膜）１４の透孔の内壁縁部１４Ａがこの先端部１１Ａを、その側方において取り囲むように配されている点である。
【００３２】
図５（ｅ）〜（ｈ）は、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法において、スピント型冷陰極を用いて固体撮像素子を製造する工程を段階的に示すものである。
本実施形態に係る図５（ｅ）を現行手法に係る図４（ｅ）と比較すると、絶縁膜１３の高さが低くなっており、信号読出電極１１の先端部１１Ａが補助電極をなす金属膜１４の透孔の内壁縁部１４Ａと横方向に揃えられるような配置とされている。
【００３３】
本実施形態における製造方法においては、図５（ｅ）に示すように、信号読出電極１１は、絶縁膜１３や補助電極からなる金属膜１４に囲まれた穴部４０内に配置されており、この穴部４０の側方内壁面とは隙間を空けて配されている。
この後、この隙間を絶縁物で埋設するようにして絶縁膜１３ｂを形成する（図５（ｆ））。
この絶縁膜１３ｂは上述した絶縁膜１３と同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。
【００３４】
次に、この絶縁膜１３ｂを、エッチング処理により除去していき、絶縁膜１３と同様の厚みとなった時点でエッチング処理を停止する。これにより、エッチング処理の影響を受けない信号読出電極１１の先端部１１Ａのみが絶縁膜１３ｂの上面から突出するように配される（図５（ｇ））。
【００３５】
この後、図５（ｇ）に示す積層体の上部から光電変換膜２０を積層する。これにより信号読出電極１１の先端部１１Ａが、光電変換膜２０内に挿入され、かつこの先端部１１Ａの周囲に、光電変換膜２０と接触する、補助電極とされる金属膜１４が配される。この結果、この先端部１１Ａと、補助電極とされる金属膜１４との間の領域は光電変換膜２０により埋設される。
このように、本実施形態に係る固体撮像素子の製造方法によれば、簡単な手法により、高倍率のなだれ増倍現象を起こすことのできる固体撮像素子を製造することができる（図５（ｈ））。
【００３６】
本発明の固体撮像素子およびその製造方法としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態における各層を構成する具体的な材料として、光電変換膜２０として、例えば、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）等からなるｎ型層と、結晶セレン等からなるｐ型層により構成してもよいし、絶縁膜３、１３、１３ｂとして、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮおよびＳｉＮ等のＳｉの酸化物、窒化物および酸窒化物等から構成してもよいが、その他の種々の材料、例えば樹脂により生成することも可能である。また、各層の厚みとしても種々の態様のものを採用することが可能である。
【００３７】
また、図４および図５に示された各層の成膜方法としても蒸着法に限られるものではなくスパッタリング法などの他の成膜手法を適用することができる。
また、上述した実施形態においては、信号キャリアを正孔とした場合について説明したが、本発明の固体撮像素子は、信号キャリアを電子とした場合にも同様に増倍率の大きいなだれ増倍現象を起こさせることができる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、信号読出用の主電極を、先端部分が尖った形状をなすスピント型の冷陰極として説明しているが、主電極としてはこれに限られるものではなく、高電界を発生させるために、光電変換膜内に挿入される先端部が尖った形状をなすものであれば、主電極全体がコーン状あるいは錐状でなくともよい。また、主電極全体が、カーボンナノファイバあるいはカーボンナノチューブ等のように細い繊維状のものであってもよい。
【００３９】
なお、光電変換部内に挿入される主電極先端部の長さは最良の増倍率が得られるような値に適宜設定することが望ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１、１１      信号読出電極（信号読み出し電極）
１Ａ、１１Ａ      先端部
２      画素電極
３、１３、１３ｂ      絶縁膜
４      補助電極
４Ａ、１４Ａ      内壁縁部
５      画素
１１ｂ      信号読出電極材料層
１２      画素電極用金属膜
１４      金属膜（補助電極）
１６      開口部
１７      犠牲層
２０      光電変換膜
３０      回路基板部
４０      穴部
１００      信号読出回路部（信号読み出し回路部）
１０１      信号読出部
１０９      リセット部
１１０      （電荷）蓄積部
１１１      （電荷）検出部
１１２      ＡＤ変換部
１１３      インターフェース部
２００      画素電極部
【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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