(57)【要約】【課題】撮像素子の構成に関して、感度と画質を向上させる新規な素子を提供する。【解決手段】撮像素子基板上に、３原色の受光部のうち、中間の波長の受光部を有する平面領域と他の２つの撮像部を積層した平面領域を配置する。独立した受光部を例えば緑とし、受光感度をあげる。積層した受光部では、青と赤を受光する。お互いに波長が離れているので、波長分離を良く行えるので、色純度が良くなる。これによって偽色を防ぎ、受光感度に優れた素子となる。【選択図】      図１
2004165242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１の波長域の光を検出する第１の平面領域と、第２および第３の波長域の光を検出する第２の平面領域が配置されたカラー撮像素子であって、
前記第２の平面領域において、第２の波長域を受光する部位と第３の波長域の光を受光する部位が積層されてなることを特徴とするカラー撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラー撮像素子、受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の受光素子には、結晶シリコン、アモルファスシリコン、ＧａＡｓなどの化合物半導体のｐ−ｎ接合あるいはｐ−ｉ−ｎ接合を用いる素子が一般に用いられている。これらの受光素子を２次元状に配列して面型の撮像素子としたり、１次元に配列してラインセンサとして用いられる。
【０００３】
従来、カラーの撮像素子においては、色分離には特定の波長領域の光を透過する色フィルタを配する色フィルタ方式が一般的である。すなわち、カラー撮像素子においては、図７に示すように、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ７０２の上部に色フィルタ７０１を配する。色フィルタとしては、３原色である赤色（レッド（以下Ｒ））、緑色（グリーン（以下Ｇ））、青色（ブルー（以下Ｂ））の原色フィルタを配する例や、補色フィルタとしてシアン、マゼンダ、イエロー、グリーンに色分解する色フィルタ方式があげられる。
【０００４】
また、高画質向けにおいては、多板方式として、色分解プリズムにより色像を分解し３枚ないしは４枚の撮像素子を用いる多板方式が挙げられる。たとえば、入射光をプリズムを用いて色分解した後、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対してそれぞれＣＣＤを配置する。さらに解像度を高めるためにＧ用ＣＣＤを２枚採用した４板式の構成も知られている。
【０００５】
しかしながら、色フィルタ方式においては、課題として、１）光の一部が色フィルタで吸収されるために、光量が落ちること、２）異なる色を異なる位置で検出することで色分離がなされるため偽色が生じること、がある。また、偽色の課題を回避するために光学的ローパスフィルタを必要とし、ここでも光の損失が生じる。
【０００６】
一方で、多板方式においては、高精度なプリズムや色分離膜（ダイクロイックミラー）を必要とし、高度な位置合わせ技術を必要とすることで、コストが高くなることや、装置が大きくなってしまうこと、さらには、プリズムをはじめとした光学素子で光を損失してしまうことなどの課題がある。
【０００７】
偽色の解決に向けて、積層型のイメージセンサの構成が挙げられる。すなわち、異なる色に感度を有した受光素子を積層することができれば、同一の（平面）位置で色分離できるため、偽色の問題を回避できる。積層型イメージセンサとしては、Ｓｉの吸収係数の波長依存性を利用して、深さ方向で色分離をおこなうイメージセンサが提案された（特許文献１を参照）。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許  第５９６５８７５号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示された撮像素子は、偽色に対しては有効であるが、積層された各受光部のスペクトル範囲がブロードであり、色分離が不十分であるという問題がある。
【００１０】
また、実質的に所望の色信号に変換される光量が少なくなる。各受光部のＰ−Ｎ接合の深さを設計することで、ある程度の色分離を制御可能であるが、色分離を高めようとすると感度が低くなってしまうなど、感度と色分離がトレードオフの関係になり、その設計には制限が大きい。
【００１１】
特に、視感度の高い緑に対しての感度と色分離の両立が難しい。たとえば、一般的な可視カラーイメージセンサにおいては、赤、緑、青はそれぞれ４５０ｎｍ付近、５５０ｎｍ付近、６５０〜７００ｎｍ付近にピーク感度を有することが好ましい。しかしこの素子は、緑の感度ピークが５００ｎｍであり、理想と比べてやや短波長側に寄っており、赤の感度は長波長方向によっているために、色純度が劣ることになる。
【００１２】
さらには、３層の積層構造により配線をはじめとした構造が複雑になり、製造が困難になり、コストが高くなることも問題もある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、上記従来技術に対して、感度が高く、高度な色分離能力を有し、偽色が少ない撮像素子を提供することにある。
【００１４】
本発明は、基板上に形成された第１の波長域の光を検出する第１の平面領域と、第２および第３の波長域の光を検出する第２の平面領域が配置されたカラー撮像素子であって、前記第２の平面領域において、第２の波長域を受光する部位と第３の波長域の光を受光する部位が積層されてなることを特徴とするカラー撮像素子である。
【００１５】
またその平面配置が、第１の平面領域と第２の平面領域がチェッカ配列もしくは囲み配列で配置されていることを特徴とし、
さらに、第１の波長域の中心波長が前記第２及び第３の波長域の中心波長のいずれか一方よりも長く、他方よりも短いことが特徴であり、
特に、第１の波長域は緑、第２の波長域は青、第３の波長域は赤に対応していることを特徴としている。
【００１６】
また前記基板がシリコン基板であって、シリコン基板の第２の領域に配した第２及び第３の波長域の光を受光する部位と、シリコン基板上に配された配線層と、配線層上の第１の領域に配した第１の波長域の光を受光する部位を有することを特徴とする撮像素子である。
【００１７】
また第２及び第３の波長域の光を受光する部位は、前記シリコン基板内の深さの異なる位置に配することを特徴とし、シリコン基板の第１の領域に、トランジスタもしくは電荷結合素子を有することが好ましい。
【００１８】
さらに、第１の波長域を受光する部位は有機半導体で構成されていてもよく、前記第１の波長域を受光する部位を構成する有機半導体と、第２の領域に配する色フィルタが同一材料を有していてもよく、さらに好ましくは有機半導体の移動度が０．００１から１ｃｍ２／Ｖｓの間にあるとよい。
【００１９】
また、第１及び第２及び第３の波長域の光を受光する部位で検出された信号は、シリコン基板に配された増幅器によって信号増幅がなされたり、シリコン基板に配された電荷転送部によって電荷転送がなされることが素子の小型化にとっても好ましい形態である。
【００２０】
さらに本発明は、前記のカラー撮像素子の構成を備えた受光部を有する受光素子であって、撮像以外の目的に利用できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の撮像素子の原理図を示す。
【００２２】
撮像素子は、３原色の緑、青、赤に対して感度を有する受光部１０１，１０２，１０３を有する。緑の受光部を有した第１の平面領域と、赤と青の受光部が厚さ方向に積層された第２の平面領域が配置されている。
【００２３】
赤と青の受光部は積層された構造を持ち、同一の面内位置で赤と青の色を検知するため、従来の色フィルタを用いて赤青緑すべてを異なる場所で検知する手法と比べて、第１の作用として、偽色が少ないという効果がある。偽色は、ナイキスト周波数より高い空間周波数の画像成分がナイキスト周波数以下の領域に折り返されることにともなう偽信号で、折り返し歪み（ａｌｉａｓｉｎｇ）と呼ばれる。折り返し歪みの多い信号から画像を組み立てると、いわゆるモアレが生じてしまうものである。
【００２４】
他にも、従来の色フィルタを用いた場合、赤、青、緑の３つの受光部（ピクセル）で一つの画素を構成するが、本発明では２つの受光領域で一つの画素を構成するため、同一サイズの受光部を適用した場合には、画素が小さく、解像度が大きいことになる。逆に、同一の解像度であれば、受光部の面積を大きく取れる。これにより、第２の作用として、解像度が大きい撮像素子や、大きな開口率を有した撮像素子を実現することができる。すなわち、同一の精細度で作製した場合でも、より高精細の画像を撮像素子とすることができる。
【００２５】
さらには、色フィルタでの光の損失が回避されるため、光の利用効率が高くなり、感度が向上する。色フィルタや光学的ローパスフィルタをはじめとする光学部品が軽減されるという作用もある。
【００２６】
また、前述の図８の例に示した従来技術に紹介した撮像素子に比べて、色純度及び感度を高くすることができる。特に緑の感度を高くしようとすると、色純度や赤青の感度を著しく損なう傾向があるが、本発明の撮像素子においては、緑の感度が高く、赤、青も十分色分離可能な撮像素子とすることができる。
【００２７】
さらに、３層すべてを積層した構成は、配線をはじめとした構造が複雑になるが、本発明では２層の積層であるため、配線をはじめとした構成が簡略化されるという作用がある。これにより、信号読み出しが容易になることや、低コストで作成できることなどの効果がある。
【００２８】
また、前述の多板方式の撮像系に比べると、撮像素子が一つですむことや、高精度な色分解プリズム、ダイクロイックミラーなどが必要なくなるため、小型化、低コスト化が可能である。
【００２９】
以下、本発明の撮像素子について、詳しく説明する。
【００３０】
＜撮像素子の構成＞
本発明の撮像素子の構成は、第１の波長域の光を検出する第１の平面領域と、第２および第３の波長域の光を検出する第２の領域の２つの平面領域が配置されている。その第２の領域においては、第２の波長域を受光する部位と第３の波長域の光の受光部が積層されていることが特徴である。
【００３１】
図１は本発明の撮像素子の画素構成を説明する模式断面図である。
【００３２】
図において１０１は第一の受光部、１０２は第２の受光部、１０３は第３の受光部である。第１の波長域を受光する第１の受光部は第１の平面領域に配され、第２および第３の波長域の光の受光部は、第２の平面領域に積層して形成されている。
【００３３】
それぞれの受光部で検出する波長スペクトル範囲は、第１の波長域の中心波長が、前記第２及び第３の波長域の中心波長のいずれか一方よりも長く、他方よりも短いことが好ましい。これは、第２、３の受光部において積層構成で色分離する際に、第２と第３の波長域が離れているほうが分離しやすいためである。
【００３４】
図３に波長域と中心波長について、その関係を示した。図４にはそれぞれの波長域の相対関係の例を示した。さらに言えば、可視域のカラー撮像素子として、第１の波長域は緑、第２の波長域は青、第３の波長域は赤に対応していることが好ましい。たとえば、青としては波長４００〜５００ｎｍ程度、緑としては波長５００〜６００ｎｍ程度、赤としては波長６００ｎｍ程度以上の光を検出することがあげられる。すなわち、好ましい例の一つとして、第一の領域に緑の受光部を配し、第２の領域に青の受光部と赤の受光部を積層して配する構成があげられる。
【００３５】
このようなの画素（第１、２の領域）を２次元配列することで撮像素子が構成される。第１および第２の領域の平面配列としては、図２に示すように、ライン配列、チェッカ配列や千鳥配列、囲み配列などがあげられる。ＣＣＤやマトリックス配線との適合性において、ライン配列やチェッカ配列が好ましく、偽色が生じにくいと言う観点でチェッカ配列や囲み配列が好ましい。
【００３６】
受光部で光―電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、いわゆる電荷結合素子（ＣＣＤ）や、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。
【００３７】
ここで、各波長域の受光部の配置例は上述にかぎられるわけではなく、図９に示すように、本発明の撮像素子の受光部の配置方法は多様である。例えば、第１の受光部に赤や青を配してもよいし、第２及び第３の受光部および積層順序も任意の順序が可能である。
【００３８】
これらの中でも、緑の視感度が高いことや、赤と青の波長が離れているため積層構成において色分離しやすいことなどの理由で、第１の受光部で緑を検出することが好ましい。
【００３９】
また第１の受光部で緑を検出する場合、第２の受光部で青、第３の受光部で赤を検出するのが好ましい。これは、従来技術の撮像素子と同様の原理に基づいて、第２と第３の受光部をＳｉをはじめとする同一材料で構成し、その第２の受光部の膜厚を第２の色の進入可能な厚さに設定することで、第３の色との吸収係数の差を利用して色分離が可能だからである。このような構成は、特に、第１の受光部に緑の受光部とすることで、緑に対して受光感度、色分離が優れた撮像素子とすることができるとともに、第２，３の受光部を同一材料で形成することで構成が単純になるという利点がある。
【００４０】
次に、撮像素子に適用する受光素子について説明する。
【００４１】
受光素子には、光導電効果や光起電力効果を用いることができる。構成としては、光伝導型、ｐ−ｎ接合型、ショットキー接合型、ＰＩＮ接合型、ＭＳＭ（金属―半導体―金属）型の受光素子やフォトトランジスタ型の受光素子を適用することが挙げられる。
【００４２】
受光素子を構成する材料としては、Ｓｉ，ａ−Ｓｉ，ＣｄＳ，ＺｎＳ，Ｓｅ，ＳｅＴｅＡｓ，ＺｎＳｅ，ＧａＡｓなどの無機半導体材料や、任意の有機半導体材料を用いることができる。
【００４３】
また、第１の受光部は、単色のみ（たとえば緑）を検知する受光素子が好ましい。シリコンなどの受光素子の上に色フィルタを配することで構成することもできるが、ある色（たとえば緑）を選択的に検知する受光素子がより好ましい。このような受光素子として、有機半導体材料を適用することがあげられる。
【００４４】
図１３にはメロシアニンの吸収スペクトルを示す。このようの有機半導体材料を受光素子に適用することで、ある色（緑）を選択的に感度を有した受光素子を用いることがあげられる。
【００４５】
第２，３の受光部は、積層して配置され色分離を行う。それぞれに対して、異なる材料を積層する方法が挙げられるが、単一材料（たとえばシリコン）の吸収係数の差を用いて、色分離を行う方法や構造が単純になり好ましい。この場合は、深さ方向にＰＮ接合を複数配し、各接合の周辺で光を検出することになる。
【００４６】
また、図５ａ）のように第１の受光部に有機半導体からなる受光素子を適用し、第２、第３の受光部にシリコンの受光素子を適用することが好ましい例である。第２、第３の受光部は、シリコンの吸収係数の波長依存性を利用して、色の分離がなされる。特に、第１（緑）の受光部に有機半導体を適用し、第２（青）、第３（赤）に対してはシリコンにおける光吸収長の差を用いて色分離する構成は、赤と青の波長が離れているために、ＰＮ接合の深さに関しての設計範囲が広がり、効果的に色分離が可能となることから、好ましい構成の一つである。このような構成により、感度が高く、十分な色分離能を有し、安定した駆動が可能な撮像素子を実現できる。
【００４７】
他にも図５ｂ）のように、第１、２の受光部に有機半導体からなる受光素子を適用し、第３の受光部にシリコンの受光素子を適用する例もあげられる。
【００４８】
これらの構成の特徴の一つは、シリコン基板をベースとすることで、既存技術のＣＣＤ技術やＣ−ＭＯＳ技術を用いることができ、高速で安定した駆動を実現できることにある。
【００４９】
さらに、シリコン基板の第１の領域にはＣＣＤやトランジスタなどを配し、その上方に第１の受光部を配することで、面積の有効利用がなされている。すなわち、このような構成により、高密度な受光素子の配置が可能となり、より高解像度の撮像素子を実現できる。
【００５０】
また下記の観点から、第１の受光部は有機半導体からなることが好ましい。第一に、図５のように、第１の受光部を配線上などに形成する場合には、製膜で受光素子を作成できることが必要であり、有機半導体やアモルファスＳｉを適用することが好ましい。
【００５１】
第二に、図６のように第１の受光部の有機半導体を、第２の領域にも覆うように形成することで、第２の領域においては色フィルタとして機能させることもできる。このような構成は、第２、第３の受光部での色分離向上が期待できる。
【００５２】
また、第１の受光部の形成工程の一部を、第２の領域の色フィルタ形成工程と兼ねることができる。
【００５３】
また、アモルファスＳｉや有機半導体からなるＴＦＴを用いることで、大面積のイメージセンサを実現することができる。この場合も、第２、３の受光部をアモルファスＳｉで構成する場合にも、また好適である。
【００５４】
撮像素子として、上述のようにＲ，Ｇ，Ｂ，の三原色の受光素子を配置した構成を説明したが、４色以上であってもかまわない。
【００５５】
また、補色分離型のカラー撮像素子にも適用できる。たとえば、図１０ａ）に、第１の領域には、シアン、イエローの受光部を配し、第２の領域には、緑とマゼンタの受光部を積層した構成の例を示した。他にも、図１０ｂ）のように第１の受光部は白色（赤青緑すべての色）を検知するものとし、青、赤の受光部を積層する構成などの例などもあげられる。
【００５６】
（信号読み出し）
本発明の撮像素子の信号読み出しには一般的なＣＣＤやＣＭＯＳセンサの手法を適用できる。
【００５７】
ＣＣＤを適用した転送読み出し方式として、画素の電荷信号を転送スイッチにより、アナログシフトレジスタに転送し、レジスタの動作で信号を出力端に準じ読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス（ｌｉｎｅ  ａｄｄｒｅｓｓ）型、フレーム転送（ｆｒａｍｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）型やインターライン転送（ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）型、フレームインターライン転送（ｆｒａｍｅ  ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造３相構造や４相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが特に、こだわらず任意の構造を適用できる。
【００５８】
他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（または電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に設けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを介して順番に出力端から読み出される。
【００５９】
出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅部を設けることや、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。
【００６０】
信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。
【００６１】
（有機受光素子）
先に述べたように、本発明の撮像素子では、受光素子には有機半導体を適用することが好ましい例といえる。以下においては、特に有機半導体を用いた受光素子について説明する。
【００６２】
本発明に好適な有機半導体として、以下に示す化合物が好適である。
【００６３】
ペリレン、テトラセン、ペンタセン、ピレン、に代表されるアセン類、およびその誘導体。ポリアセチレン誘導体、チオフェン環を有するポリチオフェン誘導体、ポリ（３−アルキルチオフェン）誘導体、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）誘導体、ポリチエニレンビニレン誘導体、ベンゼン環を有するポリフェニレン誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、窒素原子を有するポリピリジン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリアニリン誘導体、ポリキノリン誘導体等の共役高分子化合物。ジメチルセクシチオフェン、クオータチオフェンに代表されるオリゴマー、および銅フタロシアニン誘導体に代表される有機分子、トリフェニレン誘導体に代表されるディスコチック液晶、フェニルナフタレン誘導体、ベンゾチアゾール誘導体に代表されるスメクチック液晶、ポリ（９，９−ジアルキルフルオレン−ビチオフェン）共重合体に代表される液晶ポリマー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００６４】
また、ここでいう有機半導体とは、広義にはキャリア（電子、ホール）の移動を利用できる有機材料であり、一般的な色素や顔料を含み、たとえば、ローダミンＢ、エオシン−Ｙ、クマリンなどの色素材料を適用することもできるし、アゾ顔料やスクアリリウム顔料、アズレニウム顔料、フタロシアニン顔料などを適用することもできる。
【００６５】
受光層としては、これらの有機半導体材料、色素材料を混合したり、積層したりすることも可能である。たとえば、受光スペクトルを制御した有機半導体（色素）材料と電気伝導度の優れた有機半導体材料を混合することなどが考えられる。
【００６６】
また、本発明で用いられる有機化合物半導体層はその電気伝導度を調整する為に適当なドーパントを含有していても良い。ドーパントの種類としてアクセプター性のＩ２、Ｂｒ２、Ｃｌ２、ＩＣｌ、ＢＦ３、ＰＦ５、Ｈ２ＳＯ４、ＦｅＣｌ３、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、ドナー性のＬｉ、Ｋ、Ｎａ、Ｅｕ、界面活性剤であるアルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩等があげられる。
【００６７】
図１１は本発明の有機受光素子における一例を示す断面図である。
【００６８】
ａ）受光層１１０２（有機半導体層）３を上下の電極１１０１で挟んだ単層構成のもの、ｂ）は単層構成であるが電極をパターニングし光入射部を開口させたもの、ｃ）は２種類の有機半導体層を積層させた２層構成であり、たとえばｐ型の有機半導体１１０３とｎ型の有機半導体１１０４を積層し、ｐｎ型の受光素子とすることが挙げられる。ｄ）は３種類の有機半導体層を積層させた３層構成であり、たとえばｐ型の有機半導体１１０３とｉ型の有機半導体１１０５、ｎ型の有機半導体１１０４を積層し、ｐｉｎ型の受光素子とすることや、それぞれの層を光吸収層をキャリア輸送層で挟んだ構造として用いることが挙げられる。ｅ）さらには、２種類のイオン化ポテンシャルや電子親和力の異なる有機半導体材料の多層に積層した多層構造１１０６のものである。
【００６９】
ただし、これら図１１にしめすものは、基本的な素子構成であり有機受光素子の構成はこれらに限定されるものではない。例えば、電極と有機受光層界面に絶縁性層を設ける、接着層あるいは干渉層を設ける。電子注入効率の良い電子注入層を陰極、電子輸送層界面に挿入する、など多様な層構成をとることができる。
【００７０】
またキャリア輸送層としては、電子輸送層としてアルミキノリノール錯体誘導体（代表例は、Ａｌｑ）などの材料、また、ホール輸送層６には、例えばトリフェニルジアミン誘導体（代表例は、α−ＮＰＤやＴＰＤ）などの材料が用いることができる。
【００７１】
受光層に適用する有機半導体材料としては、膜質に優れ、移動度が高いことがキャリア失活を低減することや高速応答の観点から好ましい。材料設計の指針として、伝導度（移動度）を高めるためには分子間結合を強めることが考えられる。しかし、一方で、結合を強くしすぎるとバンド幅が広がり、吸収スペクトルがブロードになる傾向が生じる。本発明の有機半導体材料としては、ある波長域（たとえば緑）に対して選択的に感度を有した材料が好ましい。このような観点から、結合の強さ、移動度は、ある適当な範囲となるように設定することが好ましい。本発明者らが鋭意検討したところ、たとえば、本発明においてもっとも効果を発揮する緑を選択的に受光する受光素子においては、移動度が１０＾−６から１０＾１程度が適当である。その中でも１０＾−３から１０＾０ｃｍ２／Ｖｓの範囲が好ましい。
【００７２】
有機受光素子において、有機化合物を含む層は乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜される。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法，ＭＢＥ法等の物理気相成長法あるいはプラズマ重合等のＣＶＤ法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、ＬＢ法等が用いられる。
【００７３】
受光層の厚みは、その吸収係数にも依存するが、１０μｍより薄く、好ましくは０．５μｍ以下、より好ましくは０．０５〜０．５μｍの厚みに薄膜化することが好ましい。
【００７４】
さらに本発明で用いられる電極は導電体であれば特に限定はされないが、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｒ等の金属材料、ポリシリコン、シリサイド、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ，ＳｎＯ２、等の無機材料も好適であるが、ハイドープされたポリピリジン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンに代表される導電性高分子および炭素粒子、銀粒子等を分散した導電性インク等を用いることができる。これらの電極物質は単独で用いてもよく、複数併用することもできる。
【００７５】
有機受光素子の信号取り出しは、通常のシリコンの受光素子からの信号取り出しに準じた手法で行うことができる。たとえば、一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して（リフレッシュモード）おき、一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読みすことがあげられる。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。信号電荷の読み出しには、前述のＣＣＤやＣＭＯＳセンサの読み出し手法を適用することができる。
【００７６】
本発明の撮像素子で用いる基板としては、特に限定するものではないが、シリコン基板、ガラス、石英、プラスチックシート等の透明性基板、金属製基板、セラミックス製基板等の不透明性基板、が用いられる。
【００７７】
なお、作成した素子に対して、酸素や水分等との接触を防止する目的で保護層あるいは封止層を設けることもできる。保護層としては、ダイヤモンド薄膜、金属酸化物、金属窒化物等の無機材料膜、フッ素樹脂、ポリパラキシレン、ポリエチレン、シリコーン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子膜、さらには、光硬化性樹脂等が挙げられる。また、ガラス、気体不透過性プラスチック、金属などで素子部分をカバーし、適当な封止樹脂により素子自体をパッケージングすることもできる。この場合吸水性の高い物質をパッケージング内に存在させる事も可能である。
【００７８】
なお、上記は、本発明にかかる撮像素子、受光素子及び撮像素子を適用した撮像素子の一例を示したに過ぎず、本発明により得られた撮像素子、受光素子の用途はこれのみに限定されるものでないことは言うまでもない。
【００７９】
【実施例】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に限られるものではなく、上述の概念に含まれるものであれば、その構成、製法は、こだわらない。
【００８０】
（実施例１）
本実施例においては、数値的な見積もりにより、図１に示す構成の撮像素子の優位性を示した例である。
【００８１】
図に示すように、緑を検出する第１の領域と、青と赤の光を検出する第２の領域が配列しており、第２の領域において、青を検出する受光部１０２、赤を検出する受光部１０３の順番で積層された撮像素子である。緑に吸収スペクトルのピークを有した有機半導体からなる受光部を、青と赤はシリコンからなる受光部をモデルケースとしている。青と赤は、シリコンにおける吸収長の違いを用いて分離がなされる。すなわち、図５ａ）準じた構成をモデルとしている。
【００８２】
すなわち、第１の波長域の光を検出する第１の領域と、第２および第３の波長域の光を検出する第２の領域が配列して形成された撮像素子であって、
第２の領域において、第２の波長域を受光する部位と第３の波長域の光を受光する部位が積層されてなることを特徴とする撮像素子であり、特に第１の波長域は緑、第２の波長域は青、第３の波長域は赤に対応している撮像素子である。
【００８３】
計算モデルは、緑の受光素子の吸収スペクトルとして、色フィルタと類似形状の吸収スペクトルとして、中心波長０．５５μｍ、標準偏差０．０３μｍの正規分布を仮定した。赤と青はＳｉの吸収スペクトルの波長依存性を利用し、深さ方向で色分離を行うモデルの上での計算した結果である。シリコン基板における青、赤の受光部（ＰＮ接合）の深さは、０．１５μｍ、２．０μｍ近傍とした。
【００８４】
また、第１、第２の領域の面積率は同一とし、それぞれの受光部の開口率は５０％としている。
【００８５】
一方で、比較例１として、Ｓｉの吸収スペクトルの波長依存性を利用し、深さ方向で赤青緑の３色の色分離を行うモデルを扱った。シリコン基板における青、緑、赤の受光部深さは、０．２μｍ、０．６μｍ、２．０μｍとした。開口率は５０％とした。
【００８６】
このような系の光入射量及び色分離能力を、見積もった結果を表１に示す。
【００８７】
【表１】
2004165242.tif 000003
【００８８】
ここで、受光率とは、単色光が撮像素子に入射した際に、その光が所望の受光部で検出される割合を示す量であり、たとえば、青の受光率とは、入射した青の光（たとえば波長４５０ｎｍの光）の内、青の受光部で受光できる割合である。受光率が大きいことは、その色に対する感度が高い撮像素子ということができる。
【００８９】
また、色分離率とは、撮像素子の色分離の能力を示す指標として導入した量であり、ある波長の光が入射した際に、ＲＧＢの信号のうちの所望の色信号に振り分けられる割合に対応する量である。たとえば、青の色分離率としては、青（波長４５０ｎｍ）の光が入射された際に、
（青の受光部で検出される光量）／（（青の受光部で検出される光量）＋（緑の受光部で検出される光量）＋（赤の受光部で検出される光量））で示される量である。
【００９０】
ここで青、緑、赤はそれぞれ４５０、５５０，６５０ｎｍの波長の光が入射したときの値とした。
【００９１】
表からわかるように、本実施例の図１及ぶ図５ａ）に準じた構成を適用することで、感度（表受光率）に優れた撮像素子、特に緑に対して十分な感度を有した素子とすることができることがわかる。また、色分離にも優れた撮像素子とすることができることがわかる。
【００９２】
（実施例２）
実施例１の系に加えて、第２の領域に赤、青を透過し、緑を吸収する色フィルタを配した場合の例である。すなわち図６の構成に対応したモデルである。
【００９３】
色フィルタとして、中心波長０．５５μｍ、標準偏差０．０３μｍの正規分布の吸収スペクトルを有したフィルタを仮定した。これは、第１の受光部を構成する光吸収材料と同一の材料で色フィルタを構成することを鑑みている。
【００９４】
このような系の光入射量及び色分離能力を、見積もった結果を表２に示す。
【００９５】
【表２】
2004165242.tif 000004
【００９６】
実施例１に比べると、領域２に色フィルタを配することで、赤、青の受光部で緑の光が検出されなくなるため、さらに緑の色分離率が向上している。
【００９７】
（実施例３）
本実施例においては実施例１に準じた構成のＣＭＯＳセンサ型の撮像素子の例である。
【００９８】
実施例１と同様に、緑を検出する第１の領域と、青と赤の光を検出する第２の領域が配列しており、第２の領域において、青を検出する受光部１０２、赤を検出する受光部１０３の順番で積層された撮像素子である。
【００９９】
図５ａ）のように青と赤の受光部はシリコン基板の第２の領域に設けてある。一方で、緑の受光部は配線層の上の第１の領域に設けてある。シリコン基板の第１の領域には、トランジスタやキャパシタが配してある。
【０１００】
また、本実施例は、図２ｄ）に示すように、第１、２の領域は囲み配列に配列している。
【０１０１】
緑の受光部としてメロシアニンからなる有機半導体の光吸収層を適用した有機受光素子を用い、赤と青はＳｉの受光部を用いた撮像素子である。青はシリコン基板５０４における表面から浅い位置に設けた第２の受光部５０２で検知され、赤は、深い位置に設けた第２の受光部５０３で検知される。すなわち、赤と青を、シリコンにおける吸収係数の波長依存性を用いて、色分離がなされる。各受光部は、シリコン基板に設けられた増幅器５０５を介して読み出される。
【０１０２】
まず、一般的なＣＭＯＳセンサ作製手法に基づいて、シリコン基板に青の受光部（ｐｎ接合）と赤の受光部が積層された積層型シリコンイメージセンサを作製した。
【０１０３】
シリコン基板における青、赤の受光部の深さは、０．１５μｍ、２．０μｍとした。配線層を形成し、その上に、緑の有機受光素子を積層することで作製した。緑の有機受光素子は不図示のビア配線によりシリコン基板に接続される。それぞれの受光素子は、各画素のシリコントランジスタに接続され、通常のＣＭＯＳセンサと同様な方式で読み出される。すなわち、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを棟して順番に出力端から読み出される。各画素は、４トランジスタ構成からなる。
【０１０４】
第１の領域に配する緑の受光素子は、受光部にスパッタ法にて厚さ１００ｎｍの酸化亜鉛膜、真空蒸着により厚さ１００ｎｍのメロシアニン膜、さらに、厚さ８０ｎｍのＡｇ膜を成膜することで作製した。Ａｇ膜は、受光部の中央に開口した形状にパターニングされている。図１３にメロシアニンの吸収スペクトルを示す。
【０１０５】
一方で、比較例２として、Ｓｉの吸収スペクトルの波長依存性を利用し、深さ方向で赤、青、緑の色分離を行った例（ＵＳＰ  Ｎｏ．５９６５８７５）のＣＭＯＳセンサを用意した。シリコン基板における青、緑、赤の受光部深さは、０．２μｍ、０．６μｍ、２．０μｍとした。
【０１０６】
また、比較例３として、一般的なベイヤ配列の色フィルタを配した撮像素子を用意した。
【０１０７】
本実施例の撮像素子は、比較例３に比べて偽色が少なかった。また、緑の受光素子を配線やトランジスタと同じ面内位置に配することや赤と青の受光部が積層されることで、面積の有効利用がなされているため、高精細に画素を配置することが可能である。このことは、トランジスタや配線の配置面積を大きくとれるなどの利点にもつながる。また色フィルタを必要としないため、感度も良好であった。
【０１０８】
また比較例２とし比較して、色分離と感度に優れた。特に、緑の感度および色分離能が高かった。比較例２と比べると、赤の感度が１．２倍、青の感度が１．２倍、緑の感度が１．３倍であった。また、赤の色分離率は１．２倍、青の色分離率は１．１倍、緑の色分離率は１．６倍であった。また、設計上、受光部の積層が２層であるため、インタコネクト配線や、トランジスタの配置などで、構造上の自由度が大きいという特徴がある。
【０１０９】
（実施例４）
本実施例においては、メロシアニンは全面に、すなわち第１の領域のみならず第２の領域にも製膜し、第２の領域においては緑を吸収する色フィルタとして機能させたところ、感度が若干落ちたものの、色分離能の高い撮像素子となった。これは、実施例２の計算の結果を支持する結果である。
【０１１０】
（実施例５）
本実施例は、シリコン基板の第１の領域にＣＣＤを、第２の領域に赤の受光部を配し、配線上の第１の領域に緑の有機受光素子、第２の領域に青の有機受光素子を配した例である。
【０１１１】
信号の読み取りには、赤は勿論のこと、青と緑もシリコン基板のＣＣＤを用いて行う。ＣＣＤはインターライン型のＣＣＤとした。
【０１１２】
第１、第２の領域の配置は、図２ａ）のようにチェッカ配列とした。
【０１１３】
まず、一般的なＣＣＤの作製手法に基づいて、シリコン基板に赤の受光部と電荷転送部を作製し、その上に配線層を形成し、さらにその上に、青及び緑の有機受光素子を作製した。青の受光素子の受光層にはＤＣＭ１、緑の受光層にはエオシンＹを採用した。
【０１１４】
緑の受光素子は、実施例３に準じた。青の受光素子は、スパッタ法にて厚さ１００ｎｍの酸化亜鉛、真空蒸着法にて電子輸送層としてアルミニウムトリスキノリノール（以下、Ａｌｑ３  と記す）を膜厚５０ｎｍ、青吸収層として厚さ１００ｎｍのＤＣＭ１、正孔輸送層として厚さ１５０ｎｍのＮ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎ’−ジフェニル−（１，１’−ビフェニル）−４−４’−ジアミン（以下、ＴＰＤと記す）さらに厚さ８０ｎｍのポリピリジン膜を成膜した。ポリピリジン膜は、受光部を開口した形状にパターニングされている。ＴＰＤ膜、ポリピリジン膜はアルミやＷ−Ｓｉなどの電極を介してシリコン基板の電荷蓄積部に接続された。
【０１１５】
実施例の撮像素子は、偽色が少なく、色分離と感度も良好であった。
【０１１６】
（実施例６）
緑を検出する第１の領域と、青と赤の光を検出する第２の領域が配列しており、赤、青、緑ともにシリコンによる受光部で検出する例である。
【０１１７】
本実施例は、図１２に示すようにシリコン基板の第１の領域およぶ第２の領域ともに、ＰＮ接合が３段積層された構造の受光部を有する。それぞれは、青、緑、赤の受光部深さに対応し、深さは、０．２μｍ、０．６μｍ、２．０μｍとした。
【０１１８】
また、第１の領域には、赤と青を吸収し緑を透過する色フィルタを、第１の領域には、赤と青を透過し緑を吸収する色フィルタを配した。第１、第２の領域の配置は、図２ａ）のようにチェッカ配列とした。
【０１１９】
第１の領域で緑を、第２の領域で赤と青を検出する。すなわち、第１の領域においては、緑の受光部の信号を検出するようにトランジスタとの接続がなされ（赤、青の受光部の検出回路は必要ない）、第２の領域においては、赤と青の受光部の信号を検出するようにトランジスタとの接続がなされる。
【０１２０】
本実施例の撮像素子は、比較例３に比べて偽色が少なかった。また、赤と青が積層されることで、面積の有効利用がなされているため、高精細に画素を配置することができ、トランジスタや配線の配置面積を大きくとれるなどの利点がある。
【０１２１】
また比較例２とし比較して、色分離に優れた。特に、緑の感度および色分離能が高かった。比較例２と比べると、また、赤の色分離率は１．３倍、青の色分離率は１．２倍、緑の色分離率は１．６倍であった。また、設計上、実質的に、受光部の積層が２層であるため、インタコネクト配線や、トランジスタの配置などで、構造上の自由度が大きいという特徴がある。
【０１２２】
（実施例７）
本実施例は、ガラス基板１２０３上の第１の領域に緑の有機受光素子１２０１、第２の領域に青と赤を吸収長の長さで色分離可能なａ―Ｓｉからなる受光素子１２０２、さらにａ−ＳｉからなるＴＦＴ、キャパシタや配線などを配し、ラインセンサとした例である。配列は第１の領域が第２の領域を囲んだ画素が１列に配列したものとなっている。
【０１２３】
まずａ−ＳｉからなるＴＦＴトランジスタを有したガラス基板を用意した。引き続き、ｐ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ型のタンデム型ａ−Ｓｉ受光素子を作製した。それぞれの厚さは下の層から順番に、８０ｎｍ，７００ｎｍ，１８０ｎｍ，９０ｎｍ，１０ｎｍである。このａ−Ｓｉ受光素子は電圧を＋２．５Ｖと−２．５Ｖに切り替えることで、上部、及び、下部のｐｉｎ部での受光を切り替えることができる。ａ−Ｓｉは、ＰＥＣＶＤ（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で製膜した。
【０１２４】
さらに緑の有機受光素子を作製した。
【０１２５】
緑の有機受光素子は、受光部にスパッタ法にて厚さ１００ｎｍの酸化亜鉛膜、蒸着により厚さ１００ｎｍのメロシアニン膜、電荷輸送層として厚さ１μｍのＴＰＤ膜、さらに電極として厚さ８０ｎｍのＡｇ膜を成膜することで作製した。Ａｇ膜は、受光部の中央に開口した形状にパターニングされている。Ａｇ電極はアルミなどの電極を介してａ―Ｓｉからなるキャパシタ、さらにはＴＦＴへの接続される。それぞれの受光素子からの信号は、ＴＦＴを介して、アドレス選択方式で読み出された。
【０１２６】
本実施例の撮像素子は、偽色が少なく、色分離と感度に優れた。また、本実施例においてはａ−Ｓｉを用いたＴＦＴを用いた信号読みだしを行っているため、大面積の撮像素子を実現できた。
【０１２７】
（実施例８）
本実施例は、図１４に示すように、第１の領域に緑の有機受光素子、第２の領域に赤の有機受光素子、さらに基板を挟んでその下に青の有機受光素子を配したカラー受光素子の例である。第１の領域は、第２の領域を同心円状に囲むように配置された。
【０１２８】
赤、緑、青の受光部にはそれぞれ銅フタロシアニン、ローダミンＢ，テトラセンを用いている。
【０１２９】
石英基板の裏面上に透明電極として厚さ１００ｎｍのＺｎＯを製膜後、第２の領域に厚さ１５０ｎｍの銅フタロシアニン、厚さ２００ｎｍのＡｇを製膜し、赤の受光部とした。
【０１３０】
次に石英基板の表面の厚さ１００ｎｍのＩＴＯ膜を製膜後、第１の領域に厚さ１００ｎｍのローダミンＢ、第２の領域には厚さ１５０ｎｍのテトラセンを配し、さらにそれぞれの領域に受光部開口を有した厚さ８０ｎｍのＡｇ膜を製膜した。第１の領域は、表面すなわち、光照射方向からみて、開口Ａｇ／ローダミンＢ／ＩＴＯ／石英基板となり、緑の受光素子となる。第２の領域は、表面すなわち、光照射方向からみて、開口Ａｇ／テトラセン／ＩＴＯ／石英基板／ＺｎＯ／銅フタロシアニン／Ａｇと青と赤の積層型受光素子となっている。それぞれの受光素子の電極に接続された電流計、からそれぞれ、緑、青、赤に対応した信号を取り出すことができる。
【０１３１】
本カラー受光素子は、小型で色分離能力の高いカラー受光素子であった。
【０１３２】
【発明の効果】
上述のようにして、本発明により、高精細化が可能で感度が高く、高度な色分離能力を有し、偽色が少ない、撮像素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像素子の構成を示す模式断面図。
第１の受光部１０１を有する平面領域と、積層された第２の受光部１０２および第３の受光部１０３を有する平面領域が配置されている。
【図２】本発明の撮像素子における第１，２の領域の平面配置の一例を示す図。
【図３】感度スペクトルを示す概念図
【図４】受光部の感度スペクトルの組み合わせ例を示す概念図。
第１の受光部の感度スペクトル  ４０１、第２の受光部の感度スペクトル  ４０２、
第３の受光部の感度スペクトル  ４０３とその波長域を示す。
【図５】本発明の撮像素子の画素部の構成例を示す断面模式図。
シリコン基板  ５０４、トランジスタ、ＣＣＤ、キャパシタンスなどを有する領域５０５、
配線層  ５０６などを有する。
【図６】本発明の撮像素子の画素部の構成例を示す断面模式図。
【図７】従来の一般的な撮像素子を示す図。
色フィルタ  ７０１、Ｓｉ−ＣＣＤ  もしくはＳｉ  ＣＭＯＳセンサ  ７０２。
【図８】本発明の撮像素子の受光部の配列例を示す図。
【図９】本発明の撮像素子の受光部の配列例を示す図。
【図１０】有機受光素子の構成例を示す断面模式図。
１１０１は電極、１１０２は受光層（有機半導体）、１１０３はｐ層、１１０４はｎ層、１１０５はｉ層、１１０６は多層構造部を示す。
【図１１】実施例６の構成を示す図。
【図１２】メロシアニンの吸収スペクトルを示す図。
【図１３】実施例８の構成を示す図。
【図１】
2004165242.tif 000005
【図２】
2004165242.tif 000006
【図３】
2004165242.tif 000007
【図４】
2004165242.tif 000008
【図５】
2004165242.tif 000009
【図６】
2004165242.tif 000010
【図７】
2004165242.tif 000011
【図８】
2004165242.tif 000012
【図９】
2004165242.tif 000013
【図１０】
2004165242.tif 000014
【図１１】
2004165242.tif 000015
【図１２】
2004165242.tif 000016
【図１３】
2004165242.tif 000017