(57)【要約】【課題】微細化が可能であり、容易に製造できる光電変換素子ならびにその製造方法およびそれを用いたカメラを提供する。【解決手段】基板１と、伝導帯のエネルギー準位が基板１より低く、基板１内に形成されている光電変換層２とを備えた光電変換素子１０であって、光電変換層２に対してどちらか一方側に位置する基板３の表面は凹凸形状である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、伝導帯のエネルギー準位が前記基板より低く、前記基板内に形成されている光電変換層とを備えた光電変換素子であって、
前記光電変換層に対してどちらか一方側に位置する前記基板の表面は凹凸形状であることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記凹凸形状は、前記基板内に量子細線構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のストライプ状の溝により形成される請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記凹凸形状は、前記基板内に量子箱構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数の孔部により形成される請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記凹凸形状は、前記基板内に量子細線構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のストライプ状のショットキー電極により形成される請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記凹凸形状は、前記基板内に量子箱構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のショットキー電極により形成される請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記基板内に異なる複数の量子細線構造が形成されている請求項２または請求項４に記載の光電変換素子。
【請求項７】
前記基板内に異なる複数の量子箱構造が形成されている請求項３または請求項５に記載の光電変換素子。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光電変換素子を用いたカメラ。
【請求項９】
基板内に、伝導帯のエネルギー準位が前記基板より低い光電変換層を形成し、
前記光電変換層に対してどちらか一方側に位置する前記基板の表面に凹凸形状を形成することで、前記基板内に量子細線構造または量子箱構造を形成する光電変換素子の製造方法。
【請求項１０】
前記基板の表面に複数の溝または複数の孔部を形成することにより、前記凹凸形状を形成する請求項９に記載の光電変換素子の製造方法。
【請求項１１】
前記基板の表面に複数のストライプ状または柱状のショットキー電極を形成することにより、前記凹凸形状を形成する請求項９に記載の光電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受けた光を電気信号に変換する光電変換素子に関し、特にカラーフィルタを備えた光電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の光電変換素子の構成を示す断面図である。図７に示すように、光電変換素子１０１は、半導体基板１０１と、基板１０１の内部に形成された、伝導帯のエネルギー準位が基板１０１より低い光電変換層１０２と、光電変換層１０２の上部に形成されたカラーフィルタ１０９を備えている。基板１０１および光電変換層１０２は、光電変換素子１０１を形成している。
【０００３】
このような光電変換素子１０１のカラーフィルタ１０９に光１０６が入射すると、カラーフィルタ１０９で波長選別が行われ、所望の波長領域の光１０６ａのみ透過される。透過された光１０６ａは、基板１０１に入射する。光電変換層１０２は、伝導帯のエネルギー準位が基板１０１より低いため、光１０６ａを吸収し電気を生じさせる。このように、光電変換素子１０１は、所望の波長領域の光１０６ａが入射した場合に電気信号を出力する。
【０００４】
したがって、光電変換素子１０１は画素として用いることができる。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の光を透過するカラーフィルタ１０９をそれぞれ備えた、各光電変換素子１０１を画素として配列することで、例えばデジタルスチルカメラ等に用いることができる。
【０００５】
なお、基板１０１内に光電変換層１０２を形成する方法としては、例えば、基板１０１にＮ型のイオン注入を行うことで、伝導帯のエネルギー準位が基板１０１よりも低い部分を作って光電変換層１０２を形成する方法、あるいは基板１０１内に基板１０１よりも伝導帯のエネルギー準位が低い異なる材料を光電変換層１０２として形成する方法等がある。
【０００６】
なお、従来の光電変換素子１１０については、例えば、以下の特許文献１および非特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３１２７３１号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  １９９９年，ｖｏｌ．４３，ｐ．１９８９−１９９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の従来の光電変換素子１１０における、カラーフィルタ１０９は、顔料などの微粒子を備えることでフィルタ機能を有している。しかし、今後、固体撮像素子１１０自体の微細化が進むにつれて、フィルタの微細化も要求される。顔料等の微粒子を用いて形成されたカラーフィルタ１０９は、微細化に限界がある。したがって、今後、固体撮像素子１１０の微細化にカラーフィルタ１０９の微細化が追いつかなくなることが予想される。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、微細化が可能であり、容易に製造できる光電変換素子ならびにその製造方法およびそれを用いたカメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光電変換素子は、基板と、伝導帯のエネルギー準位が前記基板より低く、前記基板内に形成されている光電変換層とを備えた光電変換素子であって、前記光電変換層に対してどちらか一方側に位置する前記基板の表面は凹凸形状であることを特徴とする。
【００１０】
本発明のカメラは、本発明の光電変換素子を用いている。
【００１１】
本発明の光電変換素子の製造方法は、基板内に、伝導帯のエネルギー準位が前記基板より低い光電変換層を形成し、前記光電変換層に対してどちらか一方側に位置する前記基板の表面に凹凸形状を形成することで、前記基板内に量子細線構造または量子箱構造を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、微細化が可能であり、容易に製造できる光電変換素子ならびにその製造方法およびそれを用いたカメラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の光電変換素子は、基板の表面が凹凸形状であるため、構成部材の材料のみにより、バンドギャップが決定されるのではなく、基板の表面の形状によってもバンドギャップを変更することができるので、バンドギャップの選択範囲が広がり、フィルタを備えずとも、広範囲の波長帯において光を分離することができる。そのため、小型化および製造工程の簡略化が実現できる。
【００１４】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記凹凸形状は、前記基板内に量子細線構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のストライプ状の溝により形成される。それにより、材料のみで決定されるバンドギャップよりも高いバンドギャップを実効的に得ることができ、バンドギャップの選択範囲が実効的に広がる。なぜなら、電子が空間的に閉じ込められると、量子化されたエネルギー準位が形成されるからである。そのため、広い波長範囲に対応するフィルタ機能つきの光電変換素子を実現できる。
【００１５】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記凹凸形状は、前記基板内に量子箱構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数の孔部により形成され。それにより、材料のみで決定されるバンドギャップよりも高いバンドギャップを実効的に得ることができ、バンドギャップの選択範囲が実効的に広がる。そのため、広い波長範囲に対応するフィルタ機能つきの光電変換素子を実現できる。
【００１６】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記凹凸形状は、前記基板内に量子細線構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のストライプ状のショットキー電極により形成される。それにより、ショットキー電極に電圧を印加することで、バンドギャップを実効的に可変とすることができ、かつ高いバンドギャップを実効的に得ることができる。そのため、バンドギャップが可変である光電変換素子を実効的に実現できる。
【００１７】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記凹凸形状は、前記基板内に量子箱構造が形成されるように、前記基板の表面に形成された複数のショットキー電極により形成される。それにより、ショットキー電極に電圧を印加することで、バンドギャップを実効的に可変とすることができ、かつ高いバンドギャップを実効的に得ることができる。そのため、バンドギャップが可変である光電変換素子を実効的に実現できる。
【００１８】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記基板内に異なる複数の量子細線構造が形成されている。それにより、同一基板内において、異なる波長を透過する複数のフィルタを形成することができる。
【００１９】
また、本発明の光電変換素子は、好ましくは、前記基板内に異なる複数の量子箱構造が形成されている。それにより、同一基板内において、異なる波長を透過する複数のフィルタを形成することができる。
【００２０】
また、本発明のカメラは、本発明の光電変換素子を用いているので、高精度で、小型化が可能である。
【００２１】
また、本発明の光電変換素子の製造方法は、容易に本発明の光電変換素子を製造することができる。
【００２２】
また、好ましくは、前記基板の表面に複数の溝または複数の孔部を形成することにより、前記凹凸形状を形成する。それにより、容易に、量子細線構造および量子箱構造を有する光電変換素子を製造することができる。
【００２３】
また、好ましくは、前記基板の表面に複数のストライプ状または柱状のショットキー電極を形成することにより、前記凹凸形状を形成する。それにより、容易に、量子細線構造および量子箱構造を有する光電変換素子を製造することができる。
【００２４】
以下、本発明のさらに具体的な実施形態について説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る光電変換素子について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。
【００２６】
図１に示すように、実施の形態１の光電変換素子１０は、半導体基板１と、基板１内に形成された、伝導帯のエネルギー準位が基板１より低い光電変換層２とを備え、光電変換層２に対してどちらか一方側に位置する基板表面層３の表面は凹凸形状である。なお、つまり、基板１と、光電変換層２と、基板表面層３とが順次積層された構成である。
【００２７】
基板１には、例えばＧｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓおよびＩｎＰ等の半導体を用いればよい。光電変換層２は、基板１の内部にイオン注入を行い、一定の深さのみにイオンを分布させることで形成される。光電変換層２は、基板１よりも伝導帯のエネルギー準位が高ければよく、上記イオン注入以外の方法で光電変換層２を形成してもよい。例えば、伝導帯のエネルギー準位が基板１よりも高い、基板１とは異なる材料を基板１の内部に形成してもよい。例えば、基板１がＳｉの場合は光電変換層２はＡｓであり、基板１がＧａＡｓの場合は光電変換層２はＩｎＧａＡｓとすればよい。基板表面層３は、もとは基板１であった個所なので、基板１と同一の材料であり、基板表面層３の伝導帯のエネルギー準位は光電変換層２よりも低い。基板表面層３の表面には、溝７がストライプ状に形成されている。この溝７の幅ｗは例えば１ｎｍ〜１００ｎｍであり、深さｄは例えば１ｎｍ〜１００ｎｍとすればよい。すなわち、いわゆる量子細線構造を形成する。このような構成であるため、電子は溝７に沿ってしか移動できない。そのため、このような構成を一般的に１次元電子構造と呼ぶ。なお、従来例のように、光電変換層２の上部に形成された層の表面が平坦な場合は、電子が平面内を自由に移動できるため、２次元電子構造と呼ぶ。
【００２８】
図１に示すように、光電変換素子１０には、量子細線構造が形成されているため基板表面層３の表面と光電変換層２との距離が遠い個所（低バンドギャップ層３ａ）および基板表面層３の表面と光電変換層２との距離が近い個所（高バンドギャップ層３ｂ）とが交互に形成されている。このような構成であるため、光電変換素子１０のバンドギャップは、例えば、溝７の幅ｗ、深さｄ等を変化させることで変化し、かつ、従来の光電変換素子よりも高い任意のバンドギャップを実効的にとり得る。
【００２９】
高いバンドギャップを有するということは、選択できる波長域が広いということを意味している。
【００３０】
光６が、基板１に対して垂直方向に、基板表面層３側から光電変換素子１０に入射した場合、光電変換素子１０のバンドギャップに応じて、光電変換層２で吸収される光６のエネルギーが決まっている。光６が光電変換層２に吸収されると、光電変換素子１０は、起電力を生じる。光のエネルギーは光の波長で決定されるので、光電変換素子１０は、入射する光６のうち特定の波長帯の光のみを選択的に吸収することができる。
【００３１】
従来では、このバンドギャップは、基板１と光電変換層２の材質で決定されていた。しかし、実施の形態１のように、溝７を形成することでバンドギャップを溝７の構造で実効的に変化させることができ、従来よりも高いバンドギャップをとり得る。したがって、実施の形態１の光電変換素子１０は、材料を変化させずとも、広い波長域の中から所望の波長の光を選択的に電気信号に変換することができる。つまり、光電変換素子１０はカラーフィルタを必要とせずにフィルタ機能を有する。
【００３２】
また、基板表面層３に、溝７の構成を複数種類形成することで、複数のカラーフィルタを用いずとも、複数の波長の光を選択的に吸収することができる光電変換素子１０を形成することができる。例えば、図１において、領域４および領域５では溝７の配列が異なっている。したがって、光電変換素子１０は、異なる量子細線構造を有している。それにより、領域４および領域５では、それぞれ異なる波長の光を選択して吸収し、電気信号に変換することができる。
【００３３】
次に、実施の形態１の光電変換素子の製造方法について図２を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、それぞれ本発明の実施の形態１の光電変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、基板１の内部に光電変換層２を形成する。この形成方法は、上述したので省略する。次に図２（ｂ）に示すように、基板１内に所望の量子細線構造が形成されるように、レジストパターン９を形成する。次に、基板１をエッチングして溝７を形成することで、図２（ｃ）に示すように基板表面層３が形成される。次に、レジストパターン９を除去することで、図２（ｄ）に示すように、実施の形態１の光電変換素子１０が形成される。このように、容易に実施の形態１の光電変換素子１０を製造することができるので、製造時間が短縮でき、歩留が向上する。したがって、低コスト化が実現する。
【００３５】
以上、基板表面層３の表面にストライプ状の溝７が形成されている光電変換素子１０について説明した。図３（ａ）は、溝７が形成された光電変換素子１０の平面図である。また、例えば、図３（ｂ）には、本発明の実施の形態１の他の光電変換素子の平面図を示した。図３（ｂ）に示すように、基板表面層３の表面に、溝７の代わりに、例えば、円孔８が形成される構成としてもよい。この円孔８の直径は例えば１ｎｍ〜１００ｎｍとし、深さは例えば１ｎｍ〜１０００ｎｍとすればよい。このような構成にすることで、いわゆる量子箱構造が形成される。この円孔８の直径および深さ等を変化させることで、上述の量子細線構造と同様に、光電変換素子１０のバンドギャップを実効的に任意に変化させることができる。したがって、円孔８の直径および深さ等の円孔８の構成を変化させることにより、所望の波長の光を選択的に電気信号に変換することができる光電変換素子１０を実現できる。なお、円孔８とせずに、例えば、四角形または六角形の孔を形成してもよく、バンドギャップを実効的に変更できる。
【００３６】
また、量子箱構造において、電子は円孔８内のみでしか移動することができない。電子を閉じ込める範囲が狭いほど、バンドギャップを実効的に高くできるので、量子細線構造よりも量子箱構造の方が光電変換素子のバンドギャップを実効的に高くすることができる。なお、このような状態を０次元電子構造と呼ぶ。
【００３７】
このような量子箱構造を有する光電変換素子１０の製造方法は、上述の量子細線構造の光電変換素子１０と同様に、図２に示す方法でレジストパターン９を変更することで製造することができる。
【００３８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る光電変換素子について図を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係る光電変換素子の構成を示す断面図である。実施の形態２の光電変換素子２０は、実施の形態１と同様に量子細線構造が形成されている。しかし、基板に溝を形成せずに、基板にショットキー電極をストライプ状に形成することで量子細線構造が形成されている。なお、図４〜図６において実施の形態１で説明した部材と同様の部材については同一符号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図４に示すように、実施の形態２の光電変換素子２０は、半導体基板１と、半導体基板１内に形成された、伝導帯のエネルギー準位が基板１より低い光電変換層２と、基板１の表面にストライプ状に形成された複数のショットキー電極１７とを備えている。隣接するショットキー電極１７同士の間隔ｔは例えば１ｎｍ〜１００ｎｍであり、ショットキー電極１７の高さｈは例えば１ｎｍ〜１００ｎｍとすればよい。このような構成とすることで、ショットキー電極１７同士の間に溝１９が形成され、いわゆる量子細線構造が基板１内に形成されている。なお、ショットキー電極１７は、例えばＡｌやポリシリコン等で形成されている。
【００４０】
このような構成であるため、実施の形態２の光電変換素子２０は、ショットキー電極１７同士の間隔ｔおよびショットキー電極１７の高さｈといったショットキー電極１７の構成を変化させることで、実施の形態１と同様に、実効的に任意のバンドギャップとすることができる。さらに、実施の形態２の光電変換素子２０において、ショットキー電極１７に電圧を印加することで、バンドギャップを変化させることができる。
【００４１】
図４に示す光電変換素子２０の領域１４と領域１５とではショットキー電極１７の構成が異なるので、それぞれ異なるバンドギャップを有する。つまり、領域１４および領域１５では、それぞれ異なる波長帯の光を選択的に吸収し、電気信号に変換することができる。さらに、領域１４および領域１５のショットキー電極１７に電圧を印加することで、選択波長を所望の値に変化させることもできる。
【００４２】
したがって、実施の形態２の光電変換素子２０は、広い波長帯域において、特定の波長帯の光を選択的に検出することが可能である。
【００４３】
次に、実施の形態２の光電変換素子の製造方法について図５を用いて説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、それぞれ本発明の実施の形態２の光電変換素子の製造方法を説明するための断面工程図である。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、基板１の内部に光電変換層２を形成する。次に図５（ｂ）に示すように、基板１上に例えば、Ａｌ等のショットキー電極となり得る層１７ａを形成する。次に、所望の量子細線構造が形成されるように、エッチング等により、溝を形成して、図５（ｃ）に示すように、ショットキー電極１７を形成する。このように、容易に実施の形態２の光電変換素子２０を製造することができるので、製造時間が短縮でき、歩留が向上する。したがって、低コスト化が実現する。
【００４５】
以上、基板１の表面にストライプ状のショットキー電極１７が形成されている光電変換素子２０について説明した。図６（ａ）は、基板１にストライプ状のショットキー電極１７が形成された光電変換素子２０の平面図である。また、例えば、図６（ｂ）には、本発明の実施の形態２の他の光電変換素子の平面図を示した。図６（ｂ）に示すように、基板１の表面に、ショットキー電極１７の代わりに、例えば、円柱状のショットキー電極１８が形成される構成としてもよい。この円柱状のショットキー電極１８の直径Ｒは例えば１ｎｍ〜１００ｎｍとし、高さは例えば１ｎｍ〜１０００ｎｍとすればよい。このような構成にすることで、いわゆる量子箱構造が形成される。この円柱状のショットキー電極１８の構成を変化させることで、上述の量子細線構造と同様に、光電変換素子２０のバンドギャップを任意に変化させることができる。さらに、ショットキー電極１８に電圧を印加することで、バンドギャップを変化させることができる。なお、ショットキー電極１８は円柱状としたが、これは例えば、四角柱または六角柱としてもよく、バンドギャップを変更できる。
【００４６】
このような量子箱構造を有する光電変換素子２０の製造方法は、上述の量子細線構造の光電変換素子２０と同様に、図５に示す方法で形成するショットキー電極１７の形状を変更することで製造することができる。
【００４７】
以上のように、本発明の実施の形態１および２の光電変換素子は、カラーフィルタを用いずに、波長選択性機能を有している。そのため、カラーフィルタを形成するプロセスが不要であり、作製時間を短縮でき、歩留を向上させるので、低コストで製造できる。また、カラーフィルタを用いる必要がないので、微細化も可能である。
【００４８】
また、本発明の実施の形態１および２の光電変換素子をもちいて、例えば、（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のそれぞれの光を電気信号に変換する画素を形成することで、カラー特性の高い信号処理装置等を構成することができる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態１および２の光電変換素子は、カメラに用いればよく、例えば、デジタルスチルカメラや携帯電話カメラ等に用いることが好ましい。それにより、小型化されたカメラを実現することができる。
【００５０】
なお、実施の形態で具体的に示した、材料や構造は、あくまでも一例であり、本発明はこれらの具体例のみに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の光電変換素子は、微細化が可能であり、容易に製造できるため、高性能カメラ等に用いることが有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光電変換素子の構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１の光電変換素子の製造方法を説明するための断面工程図
【図３】本発明の実施の形態１に係る光電変換素子の平面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る光電変換素子の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２の光電変換素子の製造方法を説明するための断面工程図
【図６】本発明の実施の形態２に係る光電変換素子の平面図
【図７】従来の光電変換素子の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００５３】
１  基板
２  光電変換層
３  基板表面層
３ａ  低バンドギャップ層
３ｂ  高バンドギャップ層
４、５、１４、１５  領域
６  光
７  溝
８  円孔
９  レジストパターン
１０、２０  光電変換素子
１７、１８  ショットキー電極
１０１  基板
１０２  光電変換層
１０９  カラーフィルタ
１０６、１０６ａ  光
１１０  光電変換素子
【図１】
2005260078.tif 000003
【図２】
2005260078.tif 000004
【図３】
2005260078.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005260078.tif 000007
【図６】
2005260078.tif 000008
【図７】
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