(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、感度が高く、高い色分離能を有する受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供である。【解決手段】  単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子であって、前記半導体基板の光入射側の外部に、前記各波長帯域の中心波長より短波長の光を検出する短波長受光部を設けてなることを特徴とする受光素子。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子であって、
前記半導体基板の光入射側の外部に、前記各波長帯域の中心波長より短波長の光を検出する短波長受光部を設けてなることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記半導体基板と前記短波長受光部との間に、絶縁層を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記半導体基板と前記短波長受光部とが、離間してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記接合面が、前記半導体基板の光入射側から順に、緑色を主に受光する受光部、赤色を主に受光する受光部であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記半導体基板がシリコン基板であり、シリコン基板の光入射側からｎｐｎ接合、又はｐｎｐｎ接合の構造であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記短波長受光部が、無機半導体で構成され、バンドギャップが４２０〜４８０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記短波長受光部が、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ系、ＩｎＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｌＰ系の無機半導体で構成されることを特徴とする請求項６に記載の受光素子。
【請求項８】
前記短波長受光部の量子効率曲線が、波長４２０〜４８０ｎｍの範囲内に極大値を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項９】
前記短波長受光部のバンドギャップ波長より短い又は同等のバンドギャップ波長を有する半導体に前記短波長受光部が埋め込み形成されてなることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の受光素子が、複数配列されてなる撮像素子。
【請求項１１】
ＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする請求項１０に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は本発明は、カラー受光素子、及び撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から受光素子は、結晶シリコン、アモルファスシリコン、あるいはＧａＡｓなどの化合物半導体で形成されたＭＯＳキャパシタやｐｎ接合ダイオードが一般に用いられている。またこれらの受光素子は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子において、光電変換部として利用することができる。ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサは、信号の読み出し方式が異なるが、いずれの撮像素子においても、受光素子は一般的に同一の構成のものが使用できる。このような撮像素子は、イメージカメラ、複写機、ファクシミリなど多方面に使用されている。
【０００３】
しかし従来の受光素子は、光の強弱を電気信号に変換するだけの機能しか持たず、色の検出はできなかった。そこで、個々のフォトセンサに単色のカラーフィルタを被せ、別の色を受け持つ隣接するいくつかのフォトセンサの信号と総合し、色信号を得る単板方式が活用されている。カラーフィルタとしては、光の３原色として、赤色（以下Ｒと称する場合あり）、緑色（以下Ｇ）、青色（以下Ｂ）が用いられ、又はその補色として、シアン（以下Ｃ）・マゼンタ（以下Ｍ）・イエロー（以下Ｙ）が用いられる。３つの補色に可視領域の広い緑を加えて４色とする方式も提案されている。
【０００４】
また、高画質向けにおいては、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用いられている。たとえば、入射光がプリズムを用いて色分解された後、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対してそれぞれフォトセンサを配置する例や、さらに解像度を高めるためにＧ用フォトセンサを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、単板方式においては、いくつかの課題を内包していた。
一つ目は、光の一部がカラーフィルタで吸収されるために感度が低下するという問題である。特に、赤色のフィルタを通過すると、青色と緑色とがカラーフィルタ内で損失してしまい、最大で１／３の光しか利用されていない。
二つ目は、ＲＧＢの３色を異なる位置で検出するために色分離が起こり、偽色が生じやすい点である。特に、被写体の明暗の境目などに偽色を発生しやすく、偽色によってモアレ現象が起こり得る。このような偽色やモアレ現象の問題を回避するため、光学ローパスフィルタが設けられるが、光学ローパスフィルタによって解像度が低下する。光学ローパスフィルタは薄くするほど解像度の低下を防ぐことができるが、逆にその効果が薄らぐという相反する作用を呈する。
【０００６】
一方の多板方式においても、課題は存在する。多板方式では、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ため、コストが高くなることや、装置が大きくなるという問題である。さらには、プリズムをはじめとした光学素子で光が損失することも重大な問題である。
【０００７】
このような偽色の解決に向けて、積層型のイメージセンサの構成が提示された（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。異なる色に感度を有する受光素子を積層することができれば、同一の（平面）位置で各色に分離できるため、受光位置の違いによる偽色の問題を回避できる。このような構造では理論的にローパスフィルタは不要となる。
【０００８】
提示された積層型のイメージセンサは、積層された受光部を有し、Ｓｉの吸収係数の波長依存性を利用して、その深さ方向で色分離をおこなう構成となっている。この撮像素子は、偽色に対しては有効であるが、Ｓｉ中の光進入深さによって色分離するために、積層された各受光部で検知するスペクトル範囲がブロードであり、色分離が不充分であった。このことは、実質的に信号に変換される光の量が小さくなることを示し、感度も低下する。また、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、感度と色分離がトレードオフの関係になり、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、その設計には制限があった。
【０００９】
積層型イメージセンサの色分離においては、特に、青色と緑色と色分離が不充分である。この問題に対し、緑色のセンサーをＳｉ基板上部に設け、青色と赤色とをＳｉ基板で受光するという方法が提示された（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
偽色が発生しない積層型イメージセンサは優れた受光素子であり、更なる感度と色分離との問題の解決が望まれている。
【特許文献１】米国特許第５，９６５，８７５号明細書
【特許文献２】特開平７−３８１３６号公報
【特許文献３】特開２００３−３３２５５１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、感度が高く、高い色分離能を有する受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
積層型のイメージセンサの開発過程において、表面準位の存在が極めて重要な問題であることが判明した。基板表面には、汚染や結晶の不完全性などが原因で、余剰なドナー、アクセプタ、またはトラップ等が存在し、好ましくない局在的なエネルギー準位を発生させている。積層型イメージセンサではシリコン基板表面において、短波長側である青色を感知ているが、この青色受光部は、基板表面から浅い部分であるため、表面準位の影響を極めて大きく受けていることが判明した。このことが原因で、青色の信号にはノイズが多いことが分かった。
【００１３】
そこで、異なる色を同一の（平面）位置で受光して偽色の問題を解決した上、短波長受光領域（主に青色）の感度を低下させず、高い色分離能を呈するよう、光入射側に別途短波長受光部（青色センサ等）を設け、表面準位の影響を回避した。
すなわち、以下の本発明の受光素子、及びその受光素子を有する撮像素子により、本発明の課題解決に至った。
【００１４】
＜１＞  単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層してなり、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子であって、前記半導体基板の光入射側の外部に、前記各波長帯域の中心波長より短波長の光を検出する短波長受光部を設けてなることを特徴とする受光素子。
【００１５】
＜２＞  前記半導体基板と前記短波長受光部との間に、絶縁層を設けてなることを特徴とする前記＜１＞に記載の受光素子。
【００１６】
＜３＞  前記半導体基板と前記短波長受光部とが、離間してなることを特徴とする前記＜１＞又は＜２＞に記載の受光素子。
【００１７】
＜４＞前記接合面が、前記半導体基板の光入射側から順に、緑色を主に受光する受光部、赤色を主に受光する受光部であることを特徴とする前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の受光素子。
【００１８】
＜５＞  前記半導体基板がシリコン基板であり、シリコン基板の光入射側からｎｐｎ接合、又はｐｎｐｎ接合の構造であることを特徴とする前記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の受光素子。
【００１９】
＜６＞  前記短波長受光部が、無機半導体で構成され、バンドギャップが４２０〜４８０ｎｍの範囲にあることを特徴とする前記＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の受光素子。
【００２０】
＜７＞  前記短波長受光部が、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ系、ＩｎＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｌＰ系の無機半導体で構成されることを特徴とする前記＜６＞に記載の受光素子。
【００２１】
＜８＞  前記短波長受光部の量子効率曲線が、波長４２０〜４８０ｎｍの範囲内に極大値を有することを特徴とする前記＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の受光素子。
【００２２】
＜９＞  前記短波長受光部のバンドギャップ波長より短い又は同等のバンドギャップ波長を有する半導体に前記短波長受光部が埋め込み形成されてなることを特徴とする前記＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載の受光素子。
【００２３】
＜１０＞  前記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の受光素子が、複数配列されてなる撮像素子。
【００２４】
＜１１＞  ＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする前記＜１０＞に記載の撮像素子。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、感度が高く、高い色分離能を有する受像素子、及びその受像素子を用いた撮像素子を提供することができる。
【００２６】
本発明の撮像素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ、スキャナー、複写機、Ｘ線イメージセンサをはじめとする任意の撮像素子に適用可能である。また、本発明の受光素子は、バイオセンサ、化学センサをはじめとする任意の光センサに適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、積層型の構造であり同一の面内位置で各色を検知できるため、第１の作用として、偽色が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、いわゆるモアレ現象が発生する。
【００２８】
第二の作用として、受光部の面積を大きく取ることができ、解像度が高い撮像素子や、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。
従来のカラーフィルタを用いた場合、Ｒ、Ｂ、Ｇの３つの受光部（ピクセル）で一つの画素を構成ため、同一サイズの受光部を適用した場合には、色の数（たとえばＲＧＢであれば３つ）の分だけ、一つの画素が大きくなってしまう。
【００２９】
第三の作用としては、カラー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必要なくなるという作用もある。
【００３０】
本発明においては、さらに、半導体基板外部に、短波長受光部を配することに特徴がある。短波長受光部では、積層構造で受光する中心波長より短波長の光を検出する。特に、短波長受光部が有機材料から構成される場合には、量子効率曲線が波長４２０〜４８０ｎｍの範囲内に極大値を有し、無機半導体から構成される場合には、バンドギャップが４２０〜４８０ｎｍの範囲にある、すなわち青色に感度を有するものを適用する。
このような短波長受光部を配した積層構造により、第四の作用として、表面準位に起因する青色のノイズが軽減され、感度及び色分離を高めることができる。
【００３１】
また、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、低コスト化という第五の作用も奏する。
【００３２】
以下、本発明の受光素子及び撮像素子について、詳しく説明する。
【００３３】
＜受光素子＞
（１）概略
受光素子には、光導電効果や光起電力効果を利用することができる。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が挙げられる。
本発明では、単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層し、前記第１導電型及び第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子を用いる。単一の半導体基板としては、単結晶シリコンが好ましく、シリコン基板の深さ方向に依存する吸収波長特性を利用して色分離を行うことができる。
さらに、本発明では、前記半導体基板外部に、前記各波長帯域の中心波長より短波長の光を検出する短波長受光部を有する。短波長受光部は、青色センサであることが好ましい。有機材料から構成される場合には、量子効率曲線が波長４００〜５００ｎｍ、より好ましくは４２０〜４８０ｎｍの範囲内に極大値を有し、無機半導体から構成される場合には、バンドギャップが波長４００〜５００ｎｍであることが好ましく、４２０〜４８０ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
【００３４】
（２）短波長受光部
短波長受光部は、有機材料や無機半導体、いずれで構成することも可能ある。しかし、有機材料は熱安定性が悪く、素子形成プロセスが困難であることから、無機半導体で構成されることが好ましい。
【００３５】
短波長受光部を構成する無機半導体は、特に限定されないが、より好ましくは、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ系、ＩｎＡｌＰ系、又はＩｎＧａＡｌＰ系の無機半導体である。
ＩｎＧａＮ系の無機半導体は、Ｉｎの含有組成を適宜変更し、青色の波長範囲内に極大吸収値を有するよう調整されたものである。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＮ（０≦Ｘ＜１）の組成となる。このような化合物半導体は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて製造される。
Ｇａと同じ１３族原料のＡｌを用いる窒化物半導体のＩｎＡｌＮ系についても、ＩｎＧａＮ系と同様に短波長受光部として利用することができる。
また、ＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰを用いることもできる。
【００３６】
短波長受光部を構成する無機半導体は、埋め込み構造となっていてもよい。埋め込み構造とは、短波長受光部部分の両端を短波長受光部とは異なる半導体で覆われる構成のものをいう。両端を覆う半導体としては、短波長受光部のバンドギャップ波長より短い又は同等のバンドギャップ波長を有する半導体であることが好ましい。
【００３７】
適用する短波長受光部において短波長光（特に、４２０〜４８０ｎｍの青色に相当する波長）の吸収率は、６０％以上であることが好ましく、より好ましくは、９０％以上である。吸収されず通過した残りの短波長光は、次に説明するシリコン基板に達するが、当該シリコン基板の緑色を感知する部分においても青色を感知する。したがって、シリコン基板上部に設けられた短波長受光部における短波長光の吸収率が予め認知されている場合には、演算により短波長光の強度が補正できる。
【００３８】
短波長受光部の厚みは、その吸収係数にも依存するが、０．３μｍ〜１．５μｍであることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ〜１μｍである。
【００３９】
短波長受光部が有機材料で形成される場合、青色吸収色素としてクマリン６を用いることができる。例えば、透明導電性高分子であるポリシランにクマリン６を分散させたものを用い、製膜を行う（以下、クマリン６／ポリシラン膜と表記する。）。クマリン６／ポリシラン膜は、ＩＴＯ電極付きガラス基板上に回転塗布法によって形成できる。クマリン６／ポリシラン膜上に半透明のアルミニウム電極を形成したものが、短波長受光部として利用できる。
【００４０】
短波長受光部と、次に説明する半導体基板内で緑色と赤色との色分離を行う受光部とは、どのような形態で結合されていてもよいが、電極が設けられる。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。
また、短波長受光部と半導体基板との間には、電気的に絶縁するために、絶縁層を設けることが好ましい。さらに、短波長受光部と半導体基板とは、離間して設けられていてもよい。
【００４１】
短波長受光部は、両面を電極で挟んで配置される。一方の電極から青色光の信号を取り出し、他方の電極はバイアス電極に接続される。短波長受光部を通過した光が、緑色と赤色との色分離を行う半導体基板の受光部に到達するよう、電極は透明電極とする。
【００４２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な短波長受光部の実施態様を詳細に説明する。
【００４３】
１）第１の短波長受光部の実施態様
図１は、ＩｎＧａＮ系の半導体から構成される短波長受光部を示す。
ｐ−ＧａＮ層コンタクト層（１０）、ｐ−ＩｎＧａＮ層（１２）、ｎ−ＩｎＧａＮ層（１４）、ｎ−ＧａＮコンタクト層（１６）が、この順に積層され、ｎ−ＧａＮコンタクト層（１６）表面にｎ側電極（２２）が、ｐ−ＧａＮコンタクト層（１０）の表面にｐ側電極（２０）が備えられる。ｎ側電極（２２）と、Ｓｉ回路基板上に形成した半田（２４）とが接合され、ｐ側電極（２０）とＳｉ信号転送回路基板（１８）との接合用の電極（３０）とが、絶縁膜（３２）中及びその上に形成された電気配線（２８）により接合される。Ｓｉ信号転送回路基板（１８）とｎ側電極（２２）との間には、透明絶縁膜（２６）が設けられる。
【００４４】
２）第２の短波長受光部の実施態様
図２は、ＩｎＧａＮ受光部の周囲をＧａＮで埋め込み形成（３４）した態様である。埋め込み形成する以外は、第１の短波長受光部の実施態様と同様である。
【００４５】
３）第３の短波長受光部の実施態様
図３は、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＡｌＰ系半導体で短波長受光部を構成した場合の実施態様である。
ｐ−ＩｎＡｌＰ層（４４）、ｎ−ＩｎＡｌＰ層（４２）が積層される。ｐ−ＧａＡｓコンタクト（４６）がｐ−ＩｎＡｌＰ層（４４）側に配置され、Ｓｉ回路基板上に形成した半田（２４）とｐ側電極（２０）を介し接合される。ｎ−ＧａＡｓコンタクト（４０）はｎ−ＩｎＡｌＰ層（４４）側に配置され、ｎ側電極（２２）を介しＳｉ信号転送回路基板（１８）と、絶縁膜（３２）中及びその上に形成された電気配線（２８）により接合される
【００４６】
４）第４の短波長受光部の実施態様
図４は、上記第３の短波長受光部の実施態様にＩｎＡｌＰ埋め込み層（４８）を設けた態様である。埋め込み形成する以外は、第３の短波長受光部の実施態様と同様である。
【００４７】
（３）半導体基板
本発明では、単一の半導体基板内に形成されるｐｎ接合面の深さに依存する吸収波長特性を利用して色分離を行う受光部が設けられる。半導体基板としては、高密度にアレイ化したシリコンアレイも用いることができるが、より好ましくは、単結晶シリコン基板である。高密度にアレイ化したシリコンアレイの場合には、混色を避ける必要があり、遮光膜を形成させる必要がある。光入射側最上面に透明の絶縁膜を形成し、開口を持たせて金属を蒸着することにより、遮光膜が形成できる。
表面から入射する光は、波長の長いものほどシリコン基板深くまで到達するため、光入射側から順に、青色、緑色、赤色を感知する。しかし、表面から入射する光は、上記短波長受光部を通過したものであり、短波長光（主に青色光）は９０％以上除かれている。吸収されずに通過した若干の短波長光は、緑色を感知する接合面において感知される。
緑色としては波長５００〜６００ｎｍ程度、赤色としては波長６００ｎｍ程度以上の光を検出することが好ましい。
【００４８】
また、接合は、光入射側から、ｎｐｎ、又はｐｎｐｎとなっていることが好ましい。特に、表面にｐ層を設け表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、及び暗電流をトラップすることができ暗電流を低減できるため、ｐｎｐｎ接合とすることがより好ましい。
【００４９】
このようなフォトダイオードは、ｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層、ｐ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向にｐｎｐｎの４層が形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、ｐｎ接合面の深さが可視光の各波長帯域（Ｒ、Ｇ）をカバーするように設計する。同様に、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層の順に形成することで、ｎｐｎの３層の接合ダイオードが得られる。ここで、ｎ型層から光信号を取り出し、ｐ型層はアースに接続する。
また、各領域に引き出し電極を設け、所定のリセット電位をかけると、各領域が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、接合面に生じる容量を極めて小さくすることができる。
【００５０】
（４）その他の構成
なお、作製した素子に対して、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ことも可能である。
【００５１】
また、シリコン基板の積層部分での赤外光の受光を避けるため、赤外線カットフィルタを設けることが好ましい。
【００５２】
更に、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、集光効率を向上させることができるため、このような態様も好ましい。
【００５３】
（５）実施態様例
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な短波長受光部の実施態様を詳細に説明する。
１）第一の受光素子の実施形態
図５は、シリコン基板内にｎｐｎ接合ダイオードを形成し、シリコン基板の光入射側外部に短波長受光部を設けた受光素子の実施態様を示す。
ｐ形のシリコン基板（５０）にｎ形領域（ｎウェル）（５２）、ｐ形領域（ｐウェル）（５４）、ｎ形領域（ｎウェル）（５６）を形成する。信号は、ｎ形領域（ｎウェル）（５２）から赤色、ｎ形領域（ｎウェル）（５６）から緑色を出力する。ｐ形領域にはアース（５８）を配する
短波長受光部（６０）は、上記第１〜第４の短波長受光部の実施態様で記載したもの等を適宜用いる。短波長受光部（６０）は、絶縁膜（６２）と透明電極（６４）を介して、上記ｎｐｎ構成を有するｐ形のシリコン基板（５０）の外部に設ける。
短波長受光部（６０）は、透明電極（６４）と（６６）との間に配され、透明電極（６４）は、バイアス電極Ｖｂ（６８）に接続され、透明電極（６６）から青色の信号が出力される。バイアス電極Ｖｂ（６８）には、必要に応じて逆バイアス電圧を印加する。
透明電極（６６）よりも光入射側に、遮光膜（７０）を設ける。遮光膜（７０）は、ｎｐｎ接合面を覆わないように配する。
【００５４】
２）第二の受光素子の実施形態
図６は、シリコン基板内にｐｎｐｎ接合ダイオードを形成し、シリコン基板の光入射側外部に短波長受光部を設けた受光素子の実施態様を示す。
ｐ形のシリコン基板（５０）にｎ形領域（ｎウェル）（５２）、ｐ形領域（ｐウェル）（５４）、ｎ形領域（ｎウェル）（５６）、及びｐ形領域（ｐウェル）（７２）を形成する。ｐｎｐｎ接合を形成した以外は、上記第一の受光素子の実施形態と同様である。
【００５５】
３）第三の受光素子の実施態様
図７は、図６の第二の受光素子の実施態様にマイクロレンズアレイ（７４）を設けた実施態様である。マイクロレンズ（７４）を設けた以外は、上記第二の実施態様と同様である。
【００５６】
（５）用途
上述の積層された受光素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。
【００５７】
＜撮像素子＞
（１）概略
本発明の撮像素子は、上記受光素子を複数配列してなることを特徴とする。受光素子において入力光を電気信号に変換し、その信号を読み取ることで撮像が行われる。
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、信号電荷を読み出すことがあげられる。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。
【００５８】
（２）信号読み出し方式
信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。
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、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、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。
【００５９】
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、垂直操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通して順番に出力端から読み出される。
【００６０】
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回路を設けることや、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。
【００６１】
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。
【００６２】
（３）撮像素子の実施形態
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な短波長受光部の実施態様を詳細に説明する。
図８は、受光素子１画素と、その読み出し回路を説明するための回路図である。受光素子の平面構造を模式的に表し、読出し等価回路を合わせて記載する。
８０は、ｎ形領域（ｎウェル）（５２）から赤色信号を取り出す引き出し電極であり、８２は、ｎ形領域（ｎウェル）（５６）から緑色信号を取り出す引き出し電極であり、８４は、電極（６６）から青色信号を取り出す引き出し電極である。これらの信号は、増幅回路ＶＣＣにより増幅処理され、出力される。（８０）〜（８４）の電極は、バイアス電圧ＶR（８６）、ＶG（８８）、ＶB（９０）に接続され、リセット電位をかけることができる。
【００６３】
以下に実施例をあげて、本発明を説明する。ただし、下記実施例は、本発明にかかる受光素子及び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。またこれとは逆に、使用目的によってはさらに構成要素を追加してもよい。上述の概念に含まれるものであれば、その構成及び製法は、こだわらない。
【実施例１】
【００６４】
＜第１の短波長受光部の作製＞
ＩｎＧａＮ系半導体で構成される短波長受光部の作製工程について、概略を図９に示す。
有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＮ基板上に、２μｍのｎ−ＧａＮ層コンタクト層（１６）、０．５μｍのｎ−ＩｎＧａＮ層（１４）、０．５μｍのｐ−ＩｎＧａＮ層（１２）、０．５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層（１０）を形成した。ｐ−ＧａＮコンタクト層（１０）の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ側電極（２０）をリング状に形成し、素子分離を行った。その後、Ｓｉ配線基板に接着後（１８）、ｎ−ＧａＮ基板を除去した。
ｎ−ＧａＮコンタクト層（１６）の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極（２２）を形成した。素子間に絶縁膜を形成し、通常のフォトリソグラフィーで絶縁膜に穴をあけ、ｎ側電極とＳｉ上の電極パッドとの配線を形成した。ｐ側は各電子に共通のバイアス電圧を加える配線であり、ｎ側が信号の取り出し配線である。
【００６５】
＜第２の短波長受光部の作製＞
図１０は、ＩｎＧａＮ受光部の周囲をＧａＮで埋め込み形成した作製工程概略図である。埋め込み（３４）形成する以外は、第１の短波長受光部の作製工程と同様である。
埋め込み形成の方法は、酸化膜をマスクとして短波長受光部の端面を選択成長させることにより行った。周囲のＧａＮ層は、短波長受光部側面を０．２μｍ被覆させた。
【００６６】
＜第３の短波長受光部の作製＞
図１１は、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＡｌＰ系半導体で短波長受光部を作製した工程概略図である。
有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＩｎＧａＰエッチング阻止層、１μｍのｎ−ＧａＡｓコンタクト層（４０）、０．５μｍのｎ−ＩｎＡｌＰ層（４２）、０．５μｍのｐ−ＩｎＡｌＰ層（４４）、０．２μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層（４６）を形成した。その後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（４６）を通常のドライエッチングにより所定の形状に加工し、その表面にリング状のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕのｐ側電極（４６）を形成した。ｐ側電極とＳｉ回路基板上に形成した半田との接合を行い、短波長受光部をシリコン受光部（１８）とアライメントした。ｎ−ＧａＡｓ基板、ｎ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＩｎＧａＰエッチング阻止層をドライエッチングにより除去し、引き続き、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層（４０）を所定の形状に加工した。所定の形状に加工したｎ−ＧａＡｓコンタクト層の表面にリング状のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕのｎ側電極（２２）を形成し、Ｓｉの回路に接続した。
【００６７】
＜第４の短波長受光部の作製＞
図１２は、上記第３の短波長受光部にＩｎＡｌＰで埋め込み形成した（４８）工程外略図である。埋め込みの方法は、上記第２の短波長受光部の作製と同様である。
【００６８】
＜第５の短波長受光部の作製＞
短波長受光部を有機材料で作製した。
青色吸収色素としてクマリン６を用いた。透明導電性高分子であるポリシランにクマリン６を分散させ、ＩＴＯ電極付きガラス基板上に回転塗布法によって、１．０μｍの膜厚に形成した。クマリン６／ポリシラン膜上に膜厚５０ｎｍの半透明アルミニウム電極を形成した。
【００６９】
＜第一の受光素子の作製＞
シリコン基板内に、入射側から第１導電型のｐ形領域と、第１導電型と逆の導電型である第２導電型のｎ型領域とを交互に複数積層し、ｎｐｎ接合ダイオードを形成した。それぞれのｐｎ接合の深さは、０．２５μｍ、２．３μｍとした。信号の出力は、ｎ形領域から行った。ｐ形領域からアースを配した。
短波長受光部は、上記第１〜第５の短波長受光部を適宜用いた。
また、短波長受光部よりも光入射側に、ｎｐｎ接合面を覆わないようにして遮光膜を設けた。
いずれの短波長受光部をシリコン基板外に設けた場合も、青色の信号にはノイズが少なかった。
【実施例２】
【００７０】
＜第二の受光素子の作製＞
第一の受光素子の作製において、ｎｐｎ接合ダイオードとしたところを、ｐｎｐｎ接合ダイオードとした以外は同様にして、第二の受光素子を作製作製した。ここで、それぞれのｐｎ接合の深さは、０．１μｍ、０．３μｍ、２．５μｍとした。
このようにｐｎｐｎ接合ダイオードをシリコン基板に有する受光素子であっても、シリコン基板外に短波長受光部を設けたものは、青色の信号のノイズが少なかった。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１の短波長受光部の構成を示す断面図。
【図２】第２の短波長受光部の構成を示す断面図。
【図３】第３の短波長受光部の構成を示す断面図。
【図４】第４の短波長受光部の構成を示す断面図。
【図５】第１の受光素子素子の構成を示す断面図。
【図６】第２の受光素子素子の構成を示す断面図。
【図７】第３の受光素子素子の構成を示す断面図。
【図８】撮像素子における読み出し回路図。
【図９】第１の短波長受光部の工程概略図。
【図１０】第２の短波長受光部の工程概略図。
【図１１】第３の短波長受光部の工程概略図。
【図１２】第４の短波長受光部の工程概略図。
【符号の説明】
【００７２】
１０  ｐ−ＧａＮ層コンタクト層
１２  ｐ−ＩｎＧａＮ層
１４  ｎ−ＩｎＧａＮ層
１６  ｎ−ＧａＮコンタクト層
１８  Ｓｉ信号転送回路基板
２０  ｐ側電極
２２  ｎ側電極
２４  Ｓｉ回路基板上に形成した半田
２６  透明絶縁膜
２８  電気配線
３０  接合用の電極
３２  絶縁膜
３４  ＧａＮ埋め込み層
４０  ｎ−ＧａＡｓコンタクト
４２  ｎ−ＩｎＡｌＰ層
４４  ｐ−ＩｎＡｌＰ層
４６  ｐ−ＧａＡｓコンタクト
４８  ＩｎＡｌＰ埋め込み層
５０  ｐ型シリコン基板（５０）
５２  ｎ形領域（ｎウェル）
５４  ｐ形領域（ｐウェル）
５６  ｎ形領域（ｎウェル）
５８  アース
６０  短波長受光部
６２  絶縁膜
６４  透明電極
６６  透明電極
６８  バイアス電極Ｖｂ
７０  遮光膜
７２  ｐ形領域（ｐウェル）
７４  マイクロレンズアレイ
８０  赤色信号の引き出し電極
８２  緑色信号の引き出し電極
８４  青色信号の引き出し電極
８６  バイアス電圧ＶR
８８  バイアス電圧ＶG
９０  バイアス電圧ＶB
【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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