(57)【要約】  入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、第１の半導体基板と第２の半導体基板との間に配置され、第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、第２の半導体基板と導電層との間に配置され、第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、を備え、第１の光電変換層、導電層、および絶縁膜を透過した光が第２の半導体基板に入射し、導電層には所定の電圧が印加され、所定の電圧が導電層に印加されている場合に第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、所定の電圧が導電層に印加されていない場合に第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い。
2016111010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、
入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、
前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、
前記第２の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、
を備え、
前記第１の光電変換層、前記導電層、および前記絶縁膜を透過した光が前記第２の半導体基板に入射し、
前記導電層には所定の電圧が印加され、
前記所定の電圧が前記導電層に印加されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、前記所定の電圧が前記導電層に印加されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い
固体撮像装置。
【請求項２】
予め定めた第１の波長から、前記第１の波長よりも長い予め定めた第２の波長までの光を遮光する第１の光学フィルタ、
をさらに備え、
前記第１の半導体基板は、
前記第１の光学フィルタと前記第２の半導体基板との間に配置され、
前記第１の波長帯域の上限の波長は、前記第１の波長よりも短い波長であり、
前記第２の波長帯域の下限の波長は、前記第２の波長よりも長い波長である
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ、
をさらに備え、
前記第３の波長は、
前記第１の波長以上で前記第２の波長以下である
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記第２の光学フィルタが遮光する下限の波長は、前記第２の光電変換層が光電変換する下限の波長以下の波長である
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第２の光学フィルタは、
少なくとも赤色の波長の光を遮光する
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層は、
ＰＮ接合型の光電変換部であり、
前記第１の光電変換層を形成する第１のＮ型半導体層の厚さは、
前記第２の光電変換層を形成する第２のＮ型半導体層の厚さよりも薄い
請求項１から請求項５のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度は、
前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度と同じ、または前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度よりも濃い
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１の光電変換層は、
赤色の波長の光を透過する第１の色フィルタ、緑色の波長の光を透過する第２の色フィルタ、または青色の波長の光を透過する第３の色フィルタのいずれか１つの色フィルタが、前記第１の波長帯域の光が入射する側に配置され、
前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ、および前記第３の色フィルタのそれぞれは、さらに、
少なくとも前記第２の波長帯域の光を透過する
請求項１から請求項７のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第１の光電変換層を透過した光の反射を防止する反射防止膜、
をさらに備える
請求項１から請求項８のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記導電層に印加する前記所定の電圧を制御するゲート電圧制御部、
をさらに備える
請求項１から請求項９のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
ゲート電圧制御部は、
前記第２の光電変換層に対応する導電層毎、または複数の前記導電層毎に、異なる電圧値の前記所定の電圧を印加する
請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
近赤外光が照射されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第１の電気信号と、前記近赤外光が照射されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第２の電気信号とに基づいて、前記近赤外光のみが含まれている電気信号を生成する演算処理部、
をさらに備える
請求項１から請求項１１のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、可視光と近赤外光とを受光する固体撮像装置に関する複数の技術が開示されている。このような固体撮像装置では、可視光によって得られる通常の画像（以下、「可視光画像」という）と、近赤外光によって得られる被写体までの距離などの情報が含まれた画像（以下、「近赤外光画像」という）とを１つの固体撮像装置で取得することができる。【０００３】
例えば、特許文献１には、可視光を受光する通常の画素（以下、「可視光検出画素」という）と、近赤外光を受光する近赤外光用の画素（以下、「近赤外光検出画素」という）とのそれぞれを、画素領域内の同一平面上に配置した固体撮像装置が開示されている。より具体的には、特許文献１に開示された固体撮像装置では、近赤外光を受光しない一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の４つの可視光検出画素の組と、近赤外光用画素とのそれぞれを、画素領域内で重複しない位置に千鳥状に配置している。このとき、特許文献１に開示された固体撮像装置には、例えば、非特許文献１に開示されたような技術が適用されているものと考えられる。より具体的には、千鳥状に配置された可視光検出画素の組のそれぞれに、近赤外光による電荷の影響を受けない、つまり、近赤外光による電荷が漏れ込まないようにするためのポテンシャルバリアが配置されていると考えられる。【０００４】
また、例えば、特許文献２および非特許文献２には、可視光検出画素と近赤外光検出画素とのそれぞれを、同じシリコン基板内で深さ方向の位置を変えて形成した固体撮像装置が開示されている。より具体的には、高いエネルギーでイオン注入した深い位置の空乏層と、通常のエネルギーでイオン注入した表面に近い位置（浅い位置）の空乏層とのそれぞれを、同じシリコン基板に形成している。そして、浅い位置に空乏層が形成された可視光検出画素で可視光を検出し、深い位置に空乏層が形成された近赤外光用画素で近赤外光を検出している。このため、特許文献２および非特許文献２に開示された固体撮像装置では、可視光検出画素のそれぞれに対応して貼付されるカラーフィルタ（色フィルタ）が、可視光と近赤外光との両方を透過する特性を持っている。これは、固体撮像装置の画素領域を受光面から見ると、同じ位置に可視光検出画素と近赤外光検出画素とが形成されており、深さ方向の違いによって可視光と近赤外光とのそれぞれを検出するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本国特開２０１０−０８１６０９号公報
【特許文献２】米国特許第７８７２２３４号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ａ  １．５Ｍｐｉｘｅｌ  ＲＧＢＺ  ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ  Ｃｏｌｏｒ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ”，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ（ＩＳＳＣＣ），Ｓｅｓｓｉｏｎ  ２２／Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒｅ／２２．７，２０１２  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｆｅｂ．  ２０１２
【非特許文献２】“ＩＲ／Ｃｏｌｏｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  ＶＩＰＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ（ＩＩＳＷ），２００７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１の技術を適用した特許文献１、特許文献２、および非特許文献２のそれぞれで開示された技術は、１つの固体撮像装置で可視光と近赤外光とを検出することができる技術であるが、それぞれの技術を適用した固体撮像装置では、以下のような問題から、可視光と近赤外光とを高い精度で分離し、それぞれの光を検出することができない。【０００８】
特許文献１に開示された、非特許文献１の技術を適用した構成の固体撮像装置では、近赤外光検出画素にも可視光が入射する。そして、近赤外光検出画素は、可視光から近赤外光までの広い範囲の光に対する感度を持っている。このため、近赤外光検出画素は、近赤外光のみではなく可視光も検出してしまい、つまり、可視光による電荷が近赤外光の電荷に混ざってしまい、近赤外光のみを検出することができない。また、特許文献１に開示された固体撮像装置の画素の配置では、近赤外光検出画素が配置された位置に可視光検出画素が存在しないため、特許文献１に開示された固体撮像装置を搭載した撮像システムで可視光画像を生成する処理においては、近赤外光検出画素が配置された位置が欠陥画素としての扱いになってしまう。【０００９】
また、特許文献２および非特許文献２に開示された固体撮像装置では、深さ方向の違いによって可視光と近赤外光とのそれぞれを分けて検出するという構成であるため、可視光検出画素と近赤外光検出画素との間に、例えば、非特許文献１に開示された技術のような、可視光と近赤外光とを分離する働きをするポテンシャルバリアを配置することができない。このため、可視光検出画素に近赤外光による電荷の漏れ込みが発生してしまう。また、逆に、近赤外光検出画素に可視光による電荷（特に、赤色（Ｒ）の可視光による電荷）の漏れ込みも発生してしまう。【００１０】
このようなことから、非特許文献１の技術を適用した特許文献１、特許文献２、および非特許文献２のそれぞれに開示された固体撮像装置は、例えば、十分に明るい照明など、特定の撮影条件の下で使用しなければ、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して検出することができない。【００１１】
本発明は、上記の課題に基づいてなされたものであり、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる固体撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様の固体撮像装置は、入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、前記第２の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、を備え、前記第１の光電変換層、前記導電層、および前記絶縁膜を透過した光が前記第２の半導体基板に入射し、前記導電層には所定の電圧が印加され、前記所定の電圧が前記導電層に印加されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、前記所定の電圧が前記導電層に印加されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い。【００１３】
本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様の固体撮像装置において、予め定めた第１の波長から、前記第１の波長よりも長い予め定めた第２の波長までの光を遮光する第１の光学フィルタ、をさらに備え、前記第１の半導体基板は、前記第１の光学フィルタと前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第１の波長帯域の上限の波長は、前記第１の波長よりも短い波長であり、前記第２の波長帯域の下限の波長は、前記第２の波長よりも長い波長であってもよい。【００１４】
本発明の第３の態様によれば、上記第２の態様の固体撮像装置において、前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ、をさらに備え、前記第３の波長は、前記第１の波長以上で前記第２の波長以下であってもよい。【００１５】
本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様の固体撮像装置において、前記第２の光学フィルタが遮光する下限の波長は、前記第２の光電変換層が光電変換する下限の波長以下の波長であってもよい。【００１６】
本発明の第５の態様によれば、上記第４の態様の固体撮像装置において、前記第２の光学フィルタは、少なくとも赤色の波長の光を遮光してもよい。【００１７】
本発明の第６の態様によれば、上記第１の態様から上記第５の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層は、ＰＮ接合型の光電変換部であり、前記第１の光電変換層を形成する第１のＮ型半導体層の厚さは、前記第２の光電変換層を形成する第２のＮ型半導体層の厚さよりも薄くてもよい。【００１８】
本発明の第７の態様によれば、上記第６の態様の固体撮像装置において、前記第１のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度は、前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度と同じ、または前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度よりも濃い濃くてもよい。【００１９】
本発明の第８の態様によれば、上記第１の態様から上記第７の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の光電変換層は、赤色の波長の光を透過する第１の色フィルタ、緑色の波長の光を透過する第２の色フィルタ、または青色の波長の光を透過する第３の色フィルタのいずれか１つの色フィルタが、前記第１の波長帯域の光が入射する側に配置され、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ、および前記第３の色フィルタのそれぞれは、さらに、少なくとも前記第２の波長帯域の光を透過してもよい。【００２０】
本発明の第９の態様によれば、上記第１の態様から上記第８の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第１の光電変換層を透過した光の反射を防止する反射防止膜、をさらに備えてもよい。【００２１】
本発明の第１０の態様によれば、上記第１の態様から上記第９の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記導電層に印加する前記所定の電圧を制御するゲート電圧制御部、をさらに備えてもよい。【００２２】
本発明の第１１の態様によれば、上記第１０の態様の固体撮像装置において、ゲート電圧制御部は、前記第２の光電変換層に対応する導電層毎、または複数の前記導電層毎に、異なる電圧値の前記所定の電圧を印加してもよい。【００２３】
本発明の第１２の態様によれば、上記第１の態様から上記第１１の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、近赤外光が照射されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第１の電気信号と、前記近赤外光が照射されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第２の電気信号とに基づいて、前記近赤外光のみが含まれている電気信号を生成する演算処理部、をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
上記各態様によれば、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる固体撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の固体撮像装置における変形例の概略構造を示した図である。
【図６】本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性を説明する図である。
【図８】本発明の第５の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性と撮像システムとの関係を説明する図である。
【図９】本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性を説明する図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの別の透過特性を説明する図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態の固体撮像装置を備えた撮像システムにおける処理を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第１の実施形態の固体撮像装置１０は、可視光によって得られる通常の画像（以下、「可視光画像」という）と、近赤外光によって得られる画像（以下、「近赤外光画像」という）とを取得することができる固体撮像装置である。この近赤外光画像には、被写体までの距離の情報が含まれている。
【００２７】
固体撮像装置１０は、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図１には、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置１０を示している。
【００２８】
なお、固体撮像装置１０には、固体撮像装置１０の機能を実現するための回路が、第１の半導体基板１１および第２の半導体基板１２のそれぞれの半導体基板上に形成されている。固体撮像装置１０の機能を実現するための回路としては、入射してきた光（光線）を電気信号に変換するフォトダイオードなどの光電変換部を含む画素が二次元のマトリクス状に複数配置された画素アレイ部、光電変換部によって光電変換された電気信号（以下、「画素信号」という）を処理する列処理回路、画素アレイ部内の画素を駆動するための駆動回路などがある。また、固体撮像装置１０の機能を実現するための回路には、列処理回路によって処理された画素信号を信号処理する信号処理回路などもある。
【００２９】
図１には、固体撮像装置１０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。固体撮像装置１０では、光線が入射される側から見て上面に配置された第１の半導体基板１１に形成された通常の画素（以下、「可視光検出画素」という）で、可視光のみを検出して光電変換する。また、固体撮像装置１０では、光線が入射される側から見て下面に配置された第２の半導体基板１２に形成された近赤外光用の画素（以下、「近赤外光検出画素」という）で、近赤外光のみを検出して光電変換する。
【００３０】
固体撮像装置１０では、Ｐ型半導体である第１の半導体基板１１と、第１の半導体基板１１に形成したＮ型半導体１１０とのＰＮ接合で、可視光検出画素の光電変換部（フォトダイオード）を構成する。この可視光検出画素の光電変換部は、固体撮像装置１０の画素アレイ部に、二次元のマトリクス状に複数形成される。図１には、第１の半導体基板１１内に３つのＮ型半導体１１０が形成された、すなわち、第１の半導体基板１１に３つの可視光検出画素が形成された状態を示している。
【００３１】
なお、第１の半導体基板１１の構造は、一般的な固体撮像装置の構造と同様である。従って、第１の半導体基板１１を、光線が入射してくる側の面がシリコン層となるように第２の半導体基板１２と接合する、いわゆる、裏面照射（ＢａｃｋＳｉｄｅ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ：ＢＳＩ）型の固体撮像装置としてもよい。
【００３２】
また、固体撮像装置１０では、Ｎ型半導体である第２の半導体基板１２にＰ型半導体１２０を形成し、さらに、Ｐ型半導体１２０の領域内に、Ｎ型半導体１２１を形成することによってＮＰＮ半導体の構造を形成する。このＮＰＮ半導体の構造は、第１の半導体基板１１内に形成された可視光検出画素の光電変換部の１つ、または複数に対応して、二次元のマトリクス状に複数形成する。図１には、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、すなわち、第１の半導体基板１１内に形成された３つの可視光検出画素に対して１つのＮＰＮ半導体の構造が形成された状態を示している。
【００３３】
なお、固体撮像装置１０では、第２の半導体基板１２内にＮ型半導体１２１を形成する際に、以下の条件を満たすようにする。
【００３４】
（条件１）
第２の半導体基板１２内に形成するＮ型半導体１２１の厚さＷ２は、第１の半導体基板１１内に形成するＮ型半導体１１０の厚さＷ１よりも厚く（Ｗ２＞Ｗ１）形成する。
【００３５】
（条件２）
Ｎ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度Ｘ２は、Ｎ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度Ｘ１と同じ、またはＮ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度Ｘ１よりも薄い濃度（Ｘ２≦Ｘ１）にする。
【００３６】
これらの条件を満たすようにそれぞれの半導体基板にＮ型半導体を形成することによって、固体撮像装置１０では、第１の半導体基板１１に形成されたＮ型半導体１１０と第２の半導体基板１２に形成したＮ型半導体１２１を比較した場合、Ｎ型半導体１２１の空乏層の位置が、Ｎ型半導体１１０の空乏層の位置よりも深い位置に形成される。
【００３７】
また、固体撮像装置１０では、第２の半導体基板１２においてＮ型半導体１２１が形成された位置の表面に、絶縁膜であるシリコン酸化膜１３１と、導電層であるポリシリコンゲート電極１３２とを形成する。なお、固体撮像装置１０において形成するシリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２のそれぞれは共に、近赤外光を遮光することなく透過する特性を持った酸化膜および金属電極である。
【００３８】
なお、図１に示した固体撮像装置１０の構成では、第２の半導体基板１２に、絶縁膜であるシリコン酸化膜１３１と導電層であるポリシリコンゲート電極１３２とを、酸化膜および金属電極として形成した構成を示した。しかし、固体撮像装置１０に形成する絶縁膜および導電層は、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２に限定されるものではない。つまり、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２と同様に近赤外光を遮光することなく透過する特性と機能とを実現することができる絶縁膜と導電層とであれば、他の材料によって形成した絶縁膜（酸化膜）と導電層（金属電極）との組み合わせを固体撮像装置１０に形成してもよい。
【００３９】
第２の半導体基板１２では、ポリシリコンゲート電極１３２とＮ型半導体１２１とによってフォトゲート型の光電変換部（フォトダイオード）１０１を構成し、Ｐ型半導体１２０とＮ型半導体１２１とのＰＮ接合で、ＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）１０２を構成する。固体撮像装置１０では、ＰＮ接合型の光電変換部１０２が、近赤外光検出画素の光電変換部（フォトダイオード）となる。図１には、第２の半導体基板１２内に構成されたフォトゲート型の光電変換部１０１と、ＰＮ接合型の光電変換部１０２（近赤外光検出画素の光電変換部）とのそれぞれを、ダイオードの記号で模式的に示している。
【００４０】
また、固体撮像装置１０では、ポリシリコンゲート電極１３２にゲート電圧ＶＧを印加する。このゲート電圧ＶＧを印加することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の位置が、ゲート電圧ＶＧを印加していないときに比べて第２の半導体基板１２内の深い位置となる。これにより、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長は、ゲート電圧ＶＧを印加していないときに検出する近赤外光の波長よりも、ゲート電圧ＶＧを印加したときに検出する近赤外光の波長の方が、より長い波長となる。図１には、ポリシリコンゲート電極１３２に印加したゲート電圧ＶＧによって、光電変換部１０２の空乏層１０３が、破線で示した深い位置となっている状態を模式的に表している。
【００４１】
なお、このゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の深さを制御することができる。つまり、ゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長を制御することができる。
【００４２】
第１の実施形態によれば、入射された第１の波長帯域の光（可視光）を光電変換する第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板（第２の半導体基板１２）と、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間に配置され、近赤外光検出画素の光電変換部１０２に対応した導電性を有する導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）と、第２の半導体基板１２とポリシリコンゲート電極１３２との間に配置され、近赤外光検出画素の光電変換部１０２に対応した絶縁性を有する絶縁膜（シリコン酸化膜１３１）と、を備え、可視光検出画素の光電変換部、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３１を透過した光が第２の半導体基板１２に入射し、ポリシリコンゲート電極１３２には所定の電圧（ゲート電圧ＶＧ）が印加され、ゲート電圧ＶＧがポリシリコンゲート電極１３２に印加されている場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換する第２の波長帯域の光（近赤外光）の波長は、ゲート電圧ＶＧがポリシリコンゲート電極１３２に印加されていない場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い固体撮像装置（固体撮像装置１０）が構成される。
【００４３】
また、第１の実施形態によれば、可視光検出画素の光電変換部および近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、ＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）であり、可視光検出画素の光電変換部を形成する第１のＮ型半導体層（Ｎ型半導体１１０）の厚さは、近赤外光検出画素の光電変換部１０２を形成する第２のＮ型半導体層（Ｎ型半導体１２１）の厚さよりも薄い固体撮像装置１０が構成される。
【００４４】
また、第１の実施形態によれば、Ｎ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度は、Ｎ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度と同じ、またはＮ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度よりも濃い固体撮像装置１０が構成される。
【００４５】
このような構成によって固体撮像装置１０では、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光を検出する。ここで、図１に示した光電変換部１０１は、第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出（吸収）する画素として機能する。つまり、光電変換部１０１は、可視光検出画素の光電変換部によって検出されずに（吸収されずに）近赤外光と共に第１の半導体基板１１を透過し、光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまう可能性がある可視光を吸収して抑圧する構成（画素）として機能している。このような構成によって固体撮像装置１０では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。
【００４６】
なお、光電変換部１０１が検出した、第１の半導体基板１１をわずかに透過してきた可視光を光電変換した電気信号（画素信号）は破棄してもよい。
【００４７】
また、図１に示した固体撮像装置１０においては、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、つまり、３つの可視光検出画素（実際には、一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した４つの可視光検出画素であることが望ましい）に対して１つのＮ型半導体１２１、つまり、１つの近赤外光検出画素を形成した場合の構成を示した。しかし、近赤外光検出画素は、それぞれの可視光検出画素に対応して形成、つまり、１つの可視光検出画素に対して１つの近赤外光検出画素を形成する構成であってもよい。この場合、それぞれの近赤外光検出画素に対応する光電変換部１０１が検出して光電変換した画素信号を破棄せず、対応する可視光検出画素が光電変換した可視光の画素信号の一部として用いる構成にしてもよい。
【００４８】
なお、固体撮像装置１０においては、可視光検出画素のそれぞれが検出する可視光の波長（色）に応じたカラーフィルタ（色フィルタ）を貼付することができる。これにより、固体撮像装置１０は、カラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することができる。言い換えれば、図１に示した固体撮像装置１０の構成は、モノクロの可視光画像と近赤外画像とを取得する構成であるが、同様の構成でカラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することもできる。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第２の実施形態の固体撮像装置２０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０にカラーフィルタ１１１が貼付された構成である。図２も、固体撮像装置２０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置２０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【００５０】
第２の実施形態の固体撮像装置２０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置２０には、第１の半導体基板１１に形成されたそれぞれの可視光検出画素の光電変換部（第１の半導体基板１１内に形成するＮ型半導体１１０）の位置に、それぞれの可視光検出画素が検出する波長（色）の可視光を透過するカラーフィルタ１１１が貼付されている。このため、固体撮像装置２０では、カラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することができる。
【００５１】
固体撮像装置２０のそれぞれの可視光検出画素の位置に貼付されたカラーフィルタ１１１は、対応する波長（色）の可視光と近赤外光との両方を透過する特性を持っている。図２には、緑色（Ｇ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｇと、青色（Ｂ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｂと、赤色（Ｒ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｒとのそれぞれのカラーフィルタ１１１が対応する可視光検出画素の位置に貼付されている場合を示している。
【００５２】
第２の実施形態によれば、第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）は、赤色（Ｒ）の波長の光を透過する第１の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｒ）、緑色（Ｇ）の波長の光を透過する第２の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｇ）、または青色（Ｂ）の波長の光を透過する第３の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｂ）のいずれか１つの色フィルタ（カラーフィルタ１１１）が、第１の波長帯域の光（可視光）が入射する側に配置され、カラーフィルタ１１１Ｒ、カラーフィルタ１１１Ｇ、およびカラーフィルタ１１１Ｂのそれぞれは、さらに、少なくとも第２の波長帯域の光（近赤外光）を透過する固体撮像装置（固体撮像装置２０）が構成される。
【００５３】
このような構成によって固体撮像装置２０では、第１の半導体基板１１に形成されたカラーフィルタ１１１Ｇが貼付された可視光検出画素の光電変換部で緑色（Ｇ）の可視光のみを検出し、カラーフィルタ１１１Ｂが貼付された可視光検出画素の光電変換部で青色（Ｂ）の可視光のみを検出し、カラーフィルタ１１１Ｒが貼付された可視光検出画素の光電変換部で赤色（Ｒ）の可視光のみを検出する。また、固体撮像装置２０では、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、カラーフィルタ１１１Ｇ、カラーフィルタ１１１Ｂ、およびカラーフィルタ１１１Ｒが貼付されたそれぞれの可視光検出画素を透過してきた近赤外光を検出する。そして、固体撮像装置２０でも、光電変換部１０１は、それぞれの可視光検出画素の光電変換部によって検出されずに（吸収されずに）近赤外光と共に透過してきた、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）および赤色（Ｒ）のわずかな可視光を検出（吸収）して抑圧する画素として機能する。このような構成によって固体撮像装置２０では、それぞれの波長（色）の可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部でそれぞれの波長（色）の可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。
【００５４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置について説明する。図３は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第３の実施形態の固体撮像装置３０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図３には、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置３０において、固体撮像装置３０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。
【００５５】
なお、固体撮像装置３０を構成する第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との構成には、第１の実施形態の固体撮像装置１０における第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２の構成と同様の構成要素を含んでいる。従って、以下の説明においては、固体撮像装置３０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【００５６】
第３の実施形態の固体撮像装置３０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置３０では、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に、シリコン酸化膜１３３を形成している。このシリコン酸化膜１３３は、可視光検出画素の光電変換部を透過した可視光と近赤外光とが出射する側の第１の半導体基板１１との界面における光の反射を防止する反射防止膜として機能する。これにより、第１の半導体基板１１を透過した可視光と近赤外光との全てが第２の半導体基板１２に入射される。なお、シリコン酸化膜１３１も、第１の半導体基板１１を透過した可視光と近赤外光とが入射する側の第２の半導体基板１２との界面における光の反射を防止する反射防止膜として機能している。つまり、固体撮像装置３０では、シリコン酸化膜１３１、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３３の多層構造によって、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間における光の反射を防止している。
【００５７】
第３の実施形態によれば、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）との間に配置され、第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）を透過した光の反射を防止する反射防止膜（シリコン酸化膜１３３）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置３０）が構成される。
【００５８】
このような構成によって固体撮像装置３０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出する。このとき、固体撮像装置３０では、シリコン酸化膜１３３を形成することにより、シリコン酸化膜１３１、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３３の多層構造で、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間に反射防止膜を構成する。このような構成によって固体撮像装置３０では、可視光と近赤外光とを、第１の実施形態の固体撮像装置１０よりも多く第２の半導体基板１２に透過して、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光をより多く検出することができる。
【００５９】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置について説明する。図４は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第４の実施形態の固体撮像装置４０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０において、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を可変にする構成である。図４も、固体撮像装置４０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置４０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【００６０】
第４の実施形態の固体撮像装置４０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置４０では、第２の半導体基板１２においてＮ型半導体１２１が形成された位置に形成したポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更するゲート電圧制御部１４０を備えている。
【００６１】
上述したように、ゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の深さ、つまり、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長に長さを制御することができる。固体撮像装置４０では、ゲート電圧制御部１４０が出力するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更することによって、図４に破線で模式的に表した光電変換部１０２の空乏層１０３の深さを、光電変換部１０２で検出したい近赤外光の波長に応じた深さに制御することができる。より具体的には、ゲート電圧ＶＧの電圧値を現在の電圧値よりも高くすることによって、空乏層１０３の位置を現在よりも深い位置に移動させ、光電変換部１０２が、より波長の長い近赤外光を検出するように制御することができる。逆に、ゲート電圧ＶＧの電圧値を現在の電圧値よりも低くすることによって、空乏層１０３の位置を現在よりも浅い位置に移動させ、光電変換部１０２が、より波長の短い近赤外光を検出するように制御することもできる。
【００６２】
なお、本発明においては、ゲート電圧制御部１４０が出力するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更する方法に関しては、特に規定しない。例えば、第２の半導体基板１２内（第１の半導体基板１１内であってもよい）にゲート電圧制御部１４０を備え、このゲート電圧制御部１４０が、固体撮像装置４０の外部の制御部からの制御に応じて設定された電圧値のゲート電圧ＶＧを生成する、つまり、外部の制御部からの制御に応じてゲート電圧ＶＧの電圧値を変更（制御）する構成であってもよい。また、例えば、固体撮像装置４０の外部で生成した電圧値のゲート電圧ＶＧを直接入力する構成であってもよい。
【００６３】
このような構成によって固体撮像装置４０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出する。このとき、固体撮像装置４０では、ゲート電圧制御部１４０によってポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更する。これにより、固体撮像装置４０は、所望の波長の近赤外光を検出した近赤外光画像を取得することができる。
【００６４】
なお、固体撮像装置４０では、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を、全ての近赤外光検出画素で同じ値にする、つまり、全ての近赤外光検出画素の光電変換部１０２で同じ波長の近赤外光を検出する構成にする。しかし、それぞれの近赤外光画素毎、あるいは予め定めた近赤外光検出画素の組毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成にしてもよい。つまり、それぞれのポリシリコンゲート電極１３２毎、あるいは予め定めたポリシリコンゲート電極１３２の組毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成にしてもよい。これにより、固体撮像装置４０では、それぞれの近赤外光画素毎、あるいは予め定めた近赤外光検出画素の組毎に、異なる波長の近赤外光を検出することができる。
【００６５】
ここで、それぞれの近赤外光画素毎に異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成の一例について説明する。図５は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置における変形例の概略構造を示した図である。図５も、第４の実施形態の固体撮像装置４０における変形例の概略構造を、画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、図５に示した第４の実施形態の変形例の固体撮像装置４０を、「固体撮像装置４１」という。
【００６６】
図５には、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、つまり、３つの可視光検出画素（実際には、一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した４つの可視光検出画素であることが望ましい）が含まれる可視光検出画素の組に対応するそれぞれの近赤外光検出画素に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成の一例を示している。なお、図５では、一方の可視光検出画素の組に対応する近赤外光検出画素を「近赤外光検出画素ａ」とし、他方の可視光検出画素の組に対応する近赤外光検出画素を「近赤外光検出画素ｂ」として示している。そして、図５では、それぞれの近赤外光画素に対応する構成の符号に、対応する近赤外光検出画素を区別するための符号「ａ」、または符号「ｂ」を付加して示している。
【００６７】
固体撮像装置４１では、近赤外光検出画素ａに対応するポリシリコンゲート電極１３２ａにゲート電圧ＶＧａを印加し、近赤外光検出画素ｂに対応するポリシリコンゲート電極１３２ｂにゲート電圧ＶＧｂを印加している。ここで、ゲート電圧ＶＧａの電圧値が、ゲート電圧ＶＧｂの電圧値よりも低い、つまり、ＶＧａ＜ＶＧｂである場合を考える。この場合、図５示したように、空乏層１０３ｂの位置は、空乏層１０３ａの位置よりも深い位置になる。従って、近赤外光検出画素ｂの光電変換部１０２ｂは、近赤外光検出画素ａの光電変換部１０２ａよりも波長の長い近赤外光を検出することになる。これにより、固体撮像装置４１は、近赤外光検出画素ａの光電変換部１０２ａが検出した波長の近赤外光画像と、近赤外光検出画素ｂの光電変換部１０２ｂが検出した波長の近赤外光画像との２つの近赤外光画像を取得することができる。
【００６８】
第４の実施形態によれば、導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）に印加する所定の電圧（ゲート電圧ＶＧ）を制御するゲート電圧制御部（ゲート電圧制御部１４０）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置４０）が構成される。
【００６９】
また、第４の実施形態によれば、ゲート電圧制御部１４０は、第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）に対応するポリシリコンゲート電極１３２毎、または複数のポリシリコンゲート電極１３２毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する固体撮像装置４０が構成される。
【００７０】
上記に述べたように、本発明の第１〜第４の実施形態の固体撮像装置では、第１の半導体基板１１にＮ型半導体１１０を形成することによって、可視光を検出する可視光検出画素の光電変換部を構成し、第２の半導体基板１２にＮＰＮ半導体の構造、シリコン酸化膜１３１、およびポリシリコンゲート電極１３２を形成することによって、近赤外光を検出する近赤外光検出画素の光電変換部１０２を構成する。また、本発明の第１〜第４の実施形態の固体撮像装置では、ポリシリコンゲート電極１３２と第２の半導体基板１２に形成されたＮ型半導体１２１とによって、フォトゲート型の光電変換部１０１を構成する。そして、本発明の第１〜第４の実施形態の固体撮像装置では、光電変換部１０１で第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出して抑圧する。これにより、本発明の第１〜第４の実施形態の固体撮像装置では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。そして、本発明の第１〜第４の実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光画像と近赤外光画像との両方を同時に得て、それぞれの画像を利用した処理を実行することができる。
【００７１】
なお、固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍの近赤外光など、特定の波長の近赤外光を検出する場合がある。このような撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載する固体撮像装置では、所望の波長の近赤外光を検出する構成を備えていることが望ましい。
【００７２】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置について説明する。図６は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第５の実施形態の固体撮像装置５０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を備えることによって、可視光と特定の波長の近赤外光とを検出する固体撮像装置である。図６も、固体撮像装置５０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置５０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【００７３】
光学フィルタ１５０は、固体撮像装置５０に入射する光（光線）の内、予め定めた波長の光のみを遮光（吸収や反射）する特性を持っている。より具体的には、光学フィルタ１５０は、固体撮像装置５０に備えた可視光検出画素が検出することができる上限の波長以上の予め定めた波長の近赤外光から、近赤外光検出画素が検出することができる下限の波長以下の予め定めた波長の可視光までの光を遮光する特性である。言い換えれば、光学フィルタ１５０における光の透過特性は、固体撮像装置５０に備えた可視光検出画素が検出することができる上限の波長よりも長い予め定めた波長の近赤外光と、近赤外光検出画素が検出することができる下限の波長よりも短い予め定めた波長の可視光との両方の光を透過する特性である。なお、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長と近赤外光の下限の波長とは、固体撮像装置５０に形成された可視光検出画素の光電変換部の分光感度と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度とに合わせて決定する。
【００７４】
ここで、光学フィルタ１５０の透過特性と、可視光検出画素および近赤外光検出画素の分光感度との関係について説明する。図７は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置５０に備えた光学フィルタ１５０の透過特性を説明する図である。図７には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ１との一例をそれぞれグラフで示している。なお、図７において縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、図７では、説明を容易にするためにそれぞれのグラフを分離して示しているため、それぞれのグラフは、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
【００７５】
可視光検出画素の光電変換部の分光感度および近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図７に示した分光感度特性Ｂ１および分光感度特性Ｃ１である場合、光学フィルタ１５０の光の透過特性を、透過特性Ａ１のようにする。
【００７６】
より具体的には、可視光検出画素の光電変換部の感度が波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）からゼロになり、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも長い波長では感度がゼロである場合、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長を、可視光検出画素の光電変換部の感度がゼロになる波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の波長にする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１におけるグラフの立ち上がりの位置を、波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の位置にする。
【００７７】
また、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の感度が波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）からゼロになり、波長ｆ＿ｌｏｗよりも短い波長では感度がゼロであり場合、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長を、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の感度がゼロになる波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長にする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１におけるグラフの立ち下がりの位置を、波長ｆ＿ｌｏｗ以下の位置にする。
【００７８】
言い換えれば、光学フィルタ１５０は、少なくとも、可視光検出画素の光電変換部および近赤外光検出画素の光電変換部１０２の両方が光に対する感度を持っている波長の範囲の透過率をゼロにする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１のように、少なくとも波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長〜波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲の光を遮光する。
【００７９】
なお、この透過特性Ａ１は、光学フィルタ１５０を、いわゆる、ノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタとすることによって実現することができる。
【００８０】
このように、光学フィルタ１５０の光の透過特性を透過特性Ａ１とすることによって、固体撮像装置５０では、可視光検出画素の光電変換部による波長ｆ＿ｌｏｗ以上の波長の光（近赤外光）の検出と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２による波長ｆ＿ｈｉｇｈ以下の波長の光（可視光）の検出とが行われなくなり、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
【００８１】
第５の実施形態によれば、予め定めた第１の波長（波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ））から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い予め定めた第２の波長（波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ））までの光を遮光する第１の光学フィルタ（光学フィルタ１５０）、をさらに備え、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）は、光学フィルタ１５０と第２の半導体基板（第２の半導体基板１２）との間に配置され、第１の波長帯域の上限の波長（透過する可視光の上限の波長）は、波長ｆ＿ｌｏｗよりも短い波長であり、第２の波長帯域の下限の波長（透過する近赤外光の下限の波長）は、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも長い波長である固体撮像装置（固体撮像装置５０）が構成される。
【００８２】
上記に述べたように、固体撮像装置５０では、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ１とに基づいて決定された透過特性の光学フィルタ１５０を備える。このような構成によって固体撮像装置５０では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。
【００８３】
例えば、図７に示した透過特性Ａ１の光学フィルタ１５０を備えた固体撮像装置５０では、波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光と、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光とに、より高い精度で分離して、それぞれの波長の光を検出することができる。これにより、固体撮像装置５０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍなど、特定の波長の近赤外光を検出する機能を実現することができる。
【００８４】
なお、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長と近赤外光の下限の波長とは、上述したように、固体撮像装置５０に形成された可視光検出画素の光電変換部の分光感度と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度とに合わせて決定するが、固体撮像装置５０を搭載する撮像システム（撮像アプリケーション）における仕様にも適合する必要がある。ここで、撮像システム（撮像アプリケーション）における仕様としては、取得（撮影）する画像の波長の範囲や、撮像システム（撮像アプリケーション）に備えた照明装置（例えば、ＬＥＤ照明）が照射する光の波長などがある。
【００８５】
ここで、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１、つまり、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長および近赤外光の下限の波長と、固体撮像装置５０を搭載する撮像システム（撮像アプリケーション）における波長の仕様との関係について、いくつかの例を説明する。図８は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置５０に備えた光学フィルタ１５０の透過特性と撮像システムとの関係を説明する図である。図８には、図７に示した光学フィルタ１５０における特性のグラフに、以下で説明する撮像システムにおける波長の仕様を合わせて示したグラフである。なお、以下の説明においては、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長が波長ｆ＿ｌｏｗ＝７００ｎｍであり、下限の波長が波長ｆ＿ｈｉｇｈ＝８００ｎｍであるとして説明する。また、撮像システムが取得する可視光画像における波長の範囲、すなわち、可視光に対する視感度が４００ｎｍ〜７００ｎｍであるとして説明する。
【００８６】
まず、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）を備え、撮影対象の空間に照射した近赤外光（パルス光）が被写体で反射して戻ってくる時間を計測する、いわゆる、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式、もしくは三角測量法などの原理によって撮像システムと被写体との距離の情報を取得するシステム、あるいは近赤外光照明を備えた監視カメラである場合について考える。この場合、固体撮像装置５０は、可視光画像の波長の範囲の他に、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔを検出することが望まれる。例えば、撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔが８５０ｎｍであるとした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。また、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗは、撮像システムにおける可視光の視感度の上限の波長（＝７００ｎｍ）と一致している。このため、固体撮像装置５０は、可視光検出画素の光電変換部で通常の可視光画像を取得し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で距離の情報を含む近赤外光画像（距離画像）を取得することができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、被写体との距離の情報を取得するシステムや監視カメラなどの撮像システムに適合する。
【００８７】
続いて、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、血管、皮下、脳などの状態の造影と、生体の表面とを同時に撮影する医療用のシステム、あるいは、静脈と指紋とを同時に撮影する保安システムである場合について考える。このような撮像システムも、近赤外光照明を備えている。この場合、固体撮像装置５０は、可視光画像の波長の範囲の他に、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔを検出することが望まれる。例えば、撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔが９４０ｎｍまたは１０００ｎｍであるとした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。また、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗは、撮像システムにおける可視光の視感度の上限の波長（＝７００ｎｍ）と一致している。このため、固体撮像装置５０は、可視光検出画素の光電変換部で生体の表面の可視光画像を取得し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で血管などの近赤外光画像を取得することができる。なお、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長は、図４および図５に示した第４の実施形態の固体撮像装置４０と同様に、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更することによって変えることができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、血管などを造影する医療用のシステムや保安システムなどの撮像システムに適合する。
【００８８】
続いて、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、癌などを診断するためにＩＣＧ（インドシアニングリーン）などの蛍光薬剤を人体に投与し、近赤外光による励起によって蛍光発光した特定のタンパク質を造影する医療用のシステムである場合について考える。このような撮像システムも、近赤外光照明を備えているが、固体撮像装置５０には、近赤外光照明が照射する近赤外光、つまり、励起させるための近赤外光（励起光）は検出せず、蛍光発光した特定のタンパク質の近赤外光のみを検出することが望まれる。このとき、例えば、蛍光発光を励起させるために撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する励起光の波長ｆ＿ｅｘｔが７７０ｎｍであり、特定のタンパク質が蛍光発光した波長が８１０ｎｍである（以下の説明においては、仮に、「波長ｆ＿ｌｉｇｈｔ」とする）とした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。撮像システムにおいて照射する励起光の波長ｆ＿ｅｘｔは、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗと、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈとの間の波長である。つまり、光学フィルタ１５０は、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長〜波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲の光を遮光するため、撮像システムが照射する励起光を遮光する。また、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、特定のタンパク質が蛍光発光した近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。このため、固体撮像装置５０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、励起光を含まず、蛍光発光した近赤外光のみを含む近赤外光画像を取得することができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、近赤外光で励起して蛍光発光させる蛍光薬剤を使用して診断する医療用のシステムなどの撮像システムに適合する。
【００８９】
このように、固体撮像装置５０は、可視光と近赤外光とを高い精度で分離するため、様々な撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載され、固体撮像装置５０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）において様々な機能を実現することができる。
【００９０】
なお、固体撮像装置５０の構成を実現する方法、つまり、光学フィルタ１５０を備えるための方法としては、固体撮像装置５０の製造工程において、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を貼付する方法が考えられる。しかし、固体撮像装置５０の構成を実現する方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、撮像システムの撮像部に第１の実施形態の固体撮像装置１０を組み付ける際に、つまり、撮像部の組み立て工程において、固体撮像装置１０に光（光線）を集光する光学レンズと固体撮像装置５０との間に光学フィルタ１５０を挿入することによって、固体撮像装置５０の構成を実現してもよい。
【００９１】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置について説明する。図９は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第６の実施形態の固体撮像装置６０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図９には、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置６０において、固体撮像装置６０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。
【００９２】
なお、固体撮像装置６０を構成する第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との構成には、第５の実施形態の固体撮像装置５０における第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２の構成と同様の構成要素を含んでいる。従って、以下の説明においては、固体撮像装置６０において第５の実施形態の固体撮像装置５０と異なる点のみを説明し、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【００９３】
第６の実施形態の固体撮像装置６０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。そして、固体撮像装置６０では、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、光学フィルタ１５０を備えている。さらに、固体撮像装置６０では、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に、光学フィルタ１６０を形成している。この光学フィルタ１６０は、近赤外光と共に第１の半導体基板１１を透過してきた、予め定めた波長以下の可視光を遮光（吸収や反射）する特性を持っている。
【００９４】
なお、固体撮像装置６０でも、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、第２の半導体基板１２に形成された光電変換部１０１で第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出（吸収）する機能を有しているが、光学フィルタ１６０は、第２の半導体基板１２に入射する可視光をより確実に抑圧するための機能として備えている。この光学フィルタ１６０は、例えば、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長よりも短い波長に対しても感度がある場合に、より有効に機能し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、より精度よく近赤外光のみを検出することができる。
【００９５】
ここで、固体撮像装置６０内のそれぞれの位置での光と、光学フィルタ１５０および光学フィルタ１６０の透過特性と、可視光検出画素および近赤外光検出画素の分光感度との関係について説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置６０に備えた光学フィルタ（光学フィルタ１５０および光学フィルタ１６０）の透過特性を説明する図である。図１０には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２と、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２との一例をそれぞれグラフで示している。また、図１０には、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の一例も併せてグラフで示している。なお、図１０においても縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、図１０においても、図７に示した第５の実施形態における特性のグラフと同様にそれぞれのグラフを分離して示しているため、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
【００９６】
なお、図１０に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１とは、図７に示したそれぞれの特性と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【００９７】
第１の半導体基板１１における可視光検出画素の位置における光の透過特性が、図１０に示した透過特性Ｅ２である場合を考える。この場合、図１０に示した第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２のように、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光の他に、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光が、第２の半導体基板１２に入射される。
【００９８】
仮に、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図１０に示した分光感度特性Ｃ２である場合、近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、光学フィルタ１５０によって遮光していない可視光を検出してしまう可能性がある。すなわち、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の光に対しても感度を持っている場合には、光電変換部１０２で検出する近赤外光に、波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の可視光（図１０において丸で囲んで示した範囲を参照）が漏れ込んでしまう可能性がある。そして、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の可視光を検出してしまうと、近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、近赤外光のみを検出していることにはならない。
【００９９】
そこで、固体撮像装置６０では、光学フィルタ１６０の光の透過特性を、透過特性Ｄ２のようにする。より具体的には、光学フィルタ１６０が透過する近赤外光の下限の波長を、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長にする。なお、光学フィルタ１６０が透過する近赤外光の下限の波長は、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長である。つまり、光学フィルタ１６０によって波長ｆ＿ｌｏｗ以下の可視光の透過率をゼロにし、光学フィルタ１５０と光学フィルタ１６０とによって第２の半導体基板１２に入射する可視光を遮光する。
【０１００】
この光学フィルタ１５０と光学フィルタ１６０とによって、第２の半導体基板１２には、図１０に示した光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２のように、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の波長の近赤外光のみが入射されるようになる。
【０１０１】
このように、光学フィルタ１６０の光の透過特性を透過特性Ｄ２とすることによって、固体撮像装置６０の第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２では、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の光（可視光）の検出が行われなくなる。これにより、固体撮像装置６０では、可視光と特定の波長の近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
【０１０２】
上記に述べたように、固体撮像装置６０では、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。また、固体撮像装置６０では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２に基づいて決定された透過特性の光学フィルタ１６０を備える。このような構成によって固体撮像装置６０では、第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光が第２の半導体基板１２に入射される前に抑圧し、光電変換部１０１によるわずかな可視光の抑圧をより確実なものとする。これにより、固体撮像装置６０では、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。
【０１０３】
例えば、図１０に示した透過特性Ａ１の光学フィルタ１５０と、透過特性Ｄ２の光学フィルタ１６０とを備えた固体撮像装置６０では、波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光と、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光とのそれぞれの光の検出を、第５の実施形態の固体撮像装置５０よりもさらに高い精度で分離して行うことができる。これにより、固体撮像装置６０を、例えば、監視カメラなどの撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載した場合、監視カメラなどで多く用いられる近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍの近赤外光を高い精度で分離して検出することができ、より高精細な近赤外光画像を得ることができる。また、固体撮像装置６０を、例えば、医療用の撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載した場合、医療用のシステムにおいて撮影する蛍光発光した近赤外光の波長と近赤外の近赤外光照明の波長とを高い精度で分離して検出することができ、より高精細な近赤外光画像を得ることができる。
【０１０４】
なお、固体撮像装置６０では、光学フィルタ１６０を、例えば、第２の半導体基板１２を形成する製造工程、つまり、半導体の製造工程において形成することを想定したため、図１０に示したように、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２において近赤外光を透過する範囲の透過特性を山なりの形で示した。しかし、光学フィルタ１６０を形成する方法は、半導体の製造工程において形成する方法に限定されるものではない。例えば、光学フィルタ１６０と同じ特性の光学フィルタを半導体の製造工程とは別に作製し、この光学フィルタを、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを積層する工程において貼り合わせることによって光学フィルタ１６０としてもよい。この場合、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２は、近赤外光を透過する波長における透過率が、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と同様に、急峻に立ち上がる透過特性になると考えられる。
【０１０５】
また、固体撮像装置６０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を備えた第５の実施形態の固体撮像装置５０に光学フィルタ１６０を形成する場合について説明した。しかし、光学フィルタ１６０は、第３の実施形態の固体撮像装置３０のように、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間にシリコン酸化膜１３３、すなわち、反射防止膜が形成された固体撮像装置にも形成することができる。この場合、光学フィルタ１６０は、シリコン酸化膜１３３と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に形成する。
【０１０６】
なお、光学フィルタ１６０は、図１０に示した光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２のグラフのように、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長の光の透過率がゼロである、つまり、ハイパス型の光学フィルタである場合について説明した。しかし、光学フィルタ１６０の透過特性は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出してしまう可能性がある、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長以下の波長の可視光を遮光することができる透過特性であればよい。従って、光学フィルタ１６０では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長よりも短い波長の光に関しては、特に透過特性に規定はない。これは、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長よりも短い波長の可視光であれば、光学フィルタ１６０を透過して第２の半導体基板１２に入射されても、近赤外光検出画素の光電変換部１０２における近赤外光の検出に影響を及ぼさないからである。
【０１０７】
従って、光学フィルタ１６０をより容易に形成することができれば、光学フィルタ１６０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長以下の予め定めた波長の可視光から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長〜波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの位置の波長の近赤外光を遮光することができる透過特性であればよい。このため、透過特性が適合していれば、光学フィルタ１６０を、光学フィルタ１５０と同様の、いわゆる、ノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタで構成してもよい。
【０１０８】
ここで、光学フィルタ１６０をノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタで構成した場合の一例について説明する。図１１は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置６０に備えた光学フィルタ１６０の別の透過特性を説明する図である。図１１には、図１０に示した固体撮像装置６０における光の波長に対するそれぞれの特性と同様に、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２と、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ３との一例をそれぞれグラフで示している。また、図１１には、図１０に示した固体撮像装置６０における光の波長に対するそれぞれの特性と同様に、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の一例も併せてグラフで示している。なお、図１１においても縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
【０１０９】
なお、図１１に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２のそれぞれは、図１０に示したそれぞれの特性と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１１０】
第１の半導体基板１１を透過してくる可能性が高い可視光は、近赤外光に近い波長である赤色（Ｒ）に対応する可視光であると考えられる。言い換えれば、近赤外光と波長が離れている青色（Ｂ）に対応する可視光と、緑色（Ｇ）に対応する可視光とは、第１の半導体基板１１を透過してくる可能性が低いと考えられる。図１１には、青色（Ｂ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過する、青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）を、光学フィルタ１６０とした場合における光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ３のグラフを示している。
【０１１１】
仮に、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図１１に示した分光感度特性Ｃ３である場合、つまり、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒから光に対しても感度を持っている場合について考える。そして、光学フィルタ１６０の光の透過特性が、図１１に示した透過特性Ｄ３のように、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が感度を持つ波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒ以下の波長から透過率がゼロになり、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長〜波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの波長の位置から透過率が立ち上がる透過特性である場合を考える。すなわち、図１１において丸で囲んで示した範囲に示したように、光学フィルタ１６０における透過率がゼロではない波長と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が感度を持つ波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒとに重なりがないものとする。この場合、例え光の特性Ｆ２のように可視光が第１の半導体基板１１を透過してきた場合でも、光学フィルタ１６０と光学フィルタ１５０とによって、第２の半導体基板１２には、図１１に示した光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の特性の光が入射される。つまり、第２の半導体基板１２には、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の可視光や近赤外光が入射されることがなくなる。
【０１１２】
これにより、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２では、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の光（可視光）の検出が行われなくなる。このように、固体撮像装置６０において第２の半導体基板１２に形成する光学フィルタ１６０を、青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）場合でも、可視光と特定の波長の近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
【０１１３】
なお、図１１においては、光学フィルタ１６０の光の透過特性が青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）の透過特性である場合について説明した。しかし、上述したように、光学フィルタ１６０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長以下の波長の可視光から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長〜波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの位置の波長の近赤外光を遮光することができる透過特性であればよい。従って、透過特性が適合していれば、光学フィルタ１６０を、緑色（Ｇ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）で構成してもよい。つまり、光学フィルタ１６０は、近赤外光に近い波長である赤色（Ｒ）に対応する可視光を少なくとも遮光することができる透過特性であればよい。
【０１１４】
第６の実施形態によれば、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ（光学フィルタ１６０）、をさらに備え、第３の波長は、第１の波長（波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長）以上で第２の波長（波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長）以下である固体撮像装置（固体撮像装置６０）が構成される。
【０１１５】
また、第６の実施形態によれば、光学フィルタ１６０が遮光する下限の波長は、第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が光電変換する下限の波長（波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒ）以下の波長である固体撮像装置６０が構成される。
【０１１６】
また、第６の実施形態によれば、光学フィルタ１６０は、少なくとも赤色（Ｒ）の波長の光（可視光）を遮光する固体撮像装置６０が構成される。
【０１１７】
上記に述べたように、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置では、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性や近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性に基づいて決定した透過特性の光学フィルタ（光学フィルタ１５０や光学フィルタ１６０）を備える。これにより、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置では、可視光と近赤外光とを光学的にも分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。そして、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光画像と近赤外光画像との両方を同時に得て、それぞれの画像を利用した処理を実行することができる。
【０１１８】
なお、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光のみを検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる構成は、上述したような光学的な構成以外にも考えられる。
【０１１９】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置について説明する。図１２は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第７の実施形態の固体撮像装置７０は、第５の実施形態の固体撮像装置５０内に、それぞれの光電変換部によって光電変換された電気信号（画素信号）に基づいて可視光および近赤外光を検出するための処理を行う構成である。図１２も、固体撮像装置４０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置４０において第５の実施形態の固体撮像装置５０と異なる点のみを説明し、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
【０１２０】
第７の実施形態の固体撮像装置７０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置７０では、第２の半導体基板１２内に、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して処理を行う差分演算部１７０を備えている。
【０１２１】
差分演算部１７０は、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２が近赤外光を検出して光電変換した画素信号を補正する演算を行う。より具体的には、近赤外光が照射されているときに近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した画素信号（以下、「近赤外光照射画素信号」という）と、近赤外光が照射されていないときに近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した画素信号（以下、「近赤外光未照射画素信号」という）とに基づいて、近赤外光として検出された可視光を除外するための演算を行う。これにより、差分演算部１７０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光のみが含まれている画素信号を生成することができる。
【０１２２】
なお、固体撮像装置７０では、上述したように、近赤外光が照射されているときと近赤外光が照射されていないときとのそれぞれで画素信号（近赤外光照射画素信号および近赤外光未照射画素信号）を取得する。従って、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）には、近赤外光を照射するための近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）を備える必要がある。
【０１２３】
ここで、固体撮像装置７０を搭載した撮像システムにおいて、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光のみが含まれている画素信号を生成するための処理について説明する。図１３は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置７０を備えた撮像システムにおける処理を模式的に示した図である。図１３には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、それぞれの処理段階における画素信号に含まれる光の波長の成分との一例をそれぞれグラフで示している。なお、図１３において縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や、画素信号に含まれる波長の成分の量を表しているが、図１３では、説明を容易にするためにそれぞれのグラフを分離して示しているため、それぞれのグラフは、透過率の絶対的な高さや、波長の成分の絶対的な量を表しているものではない。以下の説明においては、適宜、図１３に示したそれぞれグラフを参照する。
【０１２４】
まず、撮像システムは、近赤外光照明が近赤外光を照射した状態（近赤外光の照射がオンの状態）で撮影を行う。このときの撮影では、差分演算部１７０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から、図１３に示したグラフＳ１の範囲の波長が含まれる近赤外光照射画素信号を取得する。この近赤外光照射画素信号Ｓ１には、近赤外光の成分と、近赤外光として検出された可視光、つまり、第１の半導体基板１１を透過してきてしまった（光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまった）可視光の成分が含まれている。
【０１２５】
その後、撮像システムは、近赤外光照明が近赤外光の照射を停止した状態（近赤外光の照射がオフの状態）で撮影を行う。このときの撮影では、差分演算部１７０は、可視光検出画素の光電変換部からの画素信号と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から、図１３に示したグラフＳ２の範囲の波長が含まれる近赤外光未照射画素信号とを取得する。この近赤外光未照射画素信号Ｓ２には、可視光の成分（図１３では、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）よりも短い波長の成分）が含まれている。この可視光の成分は、近赤外光の照射がオフの状態であるにもかかわらず、近赤外光として検出された成分であり、第１の半導体基板１１を透過してきてしまった（光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまった）可視光の成分である。
【０１２６】
そして、差分演算部１７０は、近赤外光照射画素信号Ｓ１と近赤外光未照射画素信号Ｓ２との差分を演算する。これにより、差分演算部１７０は、図１３に示したグラフＳ３の範囲の波長が含まれる、つまり、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光の成分のみが含まれている画素信号Ｓ３を生成する。
【０１２７】
なお、可視光のみの成分が含まれた画像信号は、近赤外光の照射がオフの状態で行った撮影によって得られた可視光検出画素の光電変換部からの画素信号である。
【０１２８】
なお、上述した処理では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から取得した画素信号のみに基づいて近赤外光の成分のみが含まれている画素信号を得るための処理を行う場合について説明したが、同様の考え方を、可視光検出画素の光電変換部から取得した画素信号に適用してもよい。例えば、近赤外光の照射がオンの状態で得た可視光検出画素の光電変換部からの画素信号と、近赤外光の照射がオフの状態で得た可視光検出画素の光電変換部からの画素信号との差分を演算することによって、可視光検出画素の光電変換部が検出した近赤外光の成分のみが含まれる画素信号を生成してもよい。また、ここで生成した近赤外光の成分のみが含まれた画素信号を、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光の成分のみが含まれている画素信号Ｓ３に加算することによって、可視光検出画素の光電変換部によって検出（吸収）されてしまった画素信号を含めた近赤外光の成分の画素信号としてもよい。
【０１２９】
このように、固体撮像装置７０では、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して処理を施すことによっても、可視光と特定の波長の近赤外光とを分離して、それぞれの光を検出した画素信号を得ることができる。
【０１３０】
第７の実施形態によれば、近赤外光が照射されている場合に第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が光電変換した第１の電気信号（近赤外光照射画素信号）と、近赤外光が照射されていない場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した第２の電気信号（近赤外光未照射画素信号）とに基づいて、近赤外光のみが含まれている電気信号（画素信号）を生成する演算処理部（差分演算部１７０）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置７０）が構成される。
【０１３１】
上記に述べたように、固体撮像装置７０では、画素信号を補正する演算を行う差分演算部１７０を備える。このような構成によって固体撮像装置７０では、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して演算処理を行う。これにより、固体撮像装置７０では、光学的な構成以外の方法で、可視光と特定の波長の近赤外光とを分離して、それぞれの光を検出した画素信号を得ることができる。
【０１３２】
例えば、図１３に示した一例では、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光を検出した画素信号を得ることができる。これにより、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）でも、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍなど、特定の波長の近赤外光を検出する機能を実現することができる。
【０１３３】
なお、図１２に示した固体撮像装置７０の構成では、差分演算部１７０を第２の半導体基板１２内に備える場合について説明したが、差分演算部１７０を備える場所は、第２の半導体基板１２に限定されるものではない。例えば、固体撮像装置７０を構成する第１の半導体基板１１内に差分演算部１７０を備える構成にしてもよい。また、固体撮像装置７０内に差分演算部１７０を備えるのではなく、例えば、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）内に備えたいずれかの処理部が、差分演算部１７０の機能を実現する構成にしてもよい。
【０１３４】
上記に述べたように、本発明の各実施形態によれば、固体撮像装置を複数の半導体基板を積層した構成にし、光（光線）が入射される側から見て上面に配置された第１の半導体基板に可視光を検出する通常の画素を形成し、下面に配置された第２の半導体基板に近赤外光を検出する近赤外光用の画素を形成する。このとき、本発明の各実施形態では、第２の半導体基板にＮＰＮ半導体の構造、および絶縁膜と導電層とを形成する。そして、本発明の各実施形態では、導電層とＮＰＮ半導体の構造において光線が入射される側のＮ型半導体とによってフォトゲート型の光電変換部（フォトダイオード）を構成し、ＮＰＮ半導体の構造内のＰ型半導体とＮ型半導体である第２の半導体基板とのＰＮ接合によってＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）を構成する。この構成によって本発明の各実施形態では、フォトゲート型の光電変換部を、第１の半導体基板を透過してきたわずかな可視光を検出して抑圧する画素として機能させ、ＰＮ接合型の光電変換部を近赤外光用の画素として機能させる。これにより、本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、通常の画素で可視光を検出し、近赤外光用の画素、つまり、ＰＮ接合型の光電変換で近赤外光のみを検出することができる。このことにより、本発明の各実施形態では、可視光によって得られる通常の画像と、近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。そして、本発明の各実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光によって得られる通常の画像と、近赤外光によって得られる画像とを用いた様々な機能を実現することができる。
【０１３５】
また、本発明の各実施形態では、固体撮像装置に光（光線）が入射する側の面に、通常の画素の光電変換部の分光感度特性と、近赤外光用の画素のＰＮ接合型の光電変換の分光感度特性とに基づいて決定された、予め定めた波長の光のみを透過する特性を持っている光学フィルタを備える。この構成によって本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、可視光によって得られる通常の画像と、特定の波長の近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。
【０１３６】
また、本発明の各実施形態では、近赤外光用の画素のＰＮ接合型の光電変換の分光感度特性に基づいて決定された透過特性の光学フィルタを、第１の半導体基板と導電層との間に形成する。これにより、本発明の各実施形態では、フォトゲート型の光電変換部を併せて、第１の半導体基板を透過してきたわずかな可視光の抑圧をより確実に行う。この構成によって本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とをさらに高い精度で分離して、可視光によって得られる通常の画像と、特定の波長の近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。
【０１３７】
なお、本発明の各実施形態では、それぞれの実施形態毎に異なる固体撮像装置の構成を示した。しかし、それぞれの実施形態は、排他的な構成ではなく、それぞれの実施形態で示した構成を同時に備えてもよい。つまり、第１〜第７の実施形態で示したそれぞれの構成要素の複数を同時に備えてもよい。例えば、第２の実施形態の固体撮像装置２０に、第３の実施形態で示したシリコン酸化膜１３３と、第４の実施形態で示したゲート電圧制御部１４０と、第５の実施形態で示した光学フィルタ１５０と、第６の実施形態で示した光学フィルタ１６０と、第７の実施形態で示した差分演算部１７０とのいずれか１つの構成、複数の構成、または全てを同時に備えた固体撮像装置を形成してもよい。これにより、可視光と近赤外光とをさらに高い精度で分離したそれぞれの画像を取得する固体撮像装置を構成し、この固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）において望まれる様々な機能を実現することができる。
【０１３８】
また、本発明の各実施形態においては、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との２枚の半導体基板を積層した固体撮像装置の構成について説明した。しかし、固体撮像装置において積層する基板の枚数は２枚に限らず、さらに多くの枚数の基板を積層する構成であってもよい。
【０１３９】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
上記各実施形態によれば、固体撮像装置において、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる。
【符号の説明】
【０１４１】
１０，２０，３０，４０，４１，５０，６０，７０  固体撮像装置
１１  第１の半導体基板
１１０  Ｎ型半導体（第１の光電変換層，第１のＮ型半導体層）
１１１  カラーフィルタ（色フィルタ）
１１１Ｇ  カラーフィルタ（第２の色フィルタ，色フィルタ）
１１１Ｂ  カラーフィルタ（第３の色フィルタ，色フィルタ）
１１１Ｒ  カラーフィルタ（第１の色フィルタ，色フィルタ）
１２  第２の半導体基板
１２０，１２０ａ，１２０ｂ  Ｐ型半導体（第２の光電変換層）
１２１，１２１ａ，１２１ｂ  Ｎ型半導体（第２の光電変換層，第２のＮ型半導体層）
１０１，１０１ａ，１０１ｂ  光電変換部
１０２，１０２ａ，１０２ｂ  光電変換部（第２の光電変換層）
１０３，１０３ａ，１０３ｂ  空乏層（第２の光電変換層）
１３１，１３１ａ，１３１ｂ  シリコン酸化膜（絶縁膜）
１３２，１３２ａ，１３２ｂ  ポリシリコンゲート電極（導電層）
１３３  シリコン酸化膜（反射防止膜）
１４０  ゲート電圧制御部
１５０  光学フィルタ（第１の光学フィルタ）
１６０  光学フィルタ（第２の光学フィルタ）
１７０  差分演算部（演算処理部）
【図１】
2016111010.tif 000003
【図２】
2016111010.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】
2016111010.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2016111010.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016111010.tif 000015
【国際調査報告】
2016111010.tif 000016
2016111010.tif 000017
2016111010.tif 000018
2016111010.tif 000019