(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージ・センサ；等方性放射リフレクタ；および前記イメージ・センサと等方性放射リフレクタとの間に設けられた蛍光層とから構成され、前記蛍光層は第１の波長の入射光子を第２の波長の光子に変換すると共に上記第１の波長は４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にあり、また前記第２の波長は９００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあり、前記等方性放射リフレクタは赤外光線を反射すると共に前記第１の波長の光を通過させることを特徴とするイメージ・センサ装置。
【請求項２】
イメージセンサを用意するステップと；前記イメージ・センサに対応して蛍光層を設けるステップと；等方性放射リフレクタを設けるステップとから構成され、前記蛍光層は第１の波長の入射光子を第２の波長の光子に変換すると共に前記第１の波長は４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にあり、且つ前記第２の波長は９００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあり、更に前記等方性放射リフレクタは赤外線を反射しかつ第１の波長の光を通過させるものであって、前記等方性放射リフレクタを設けるステップは前記蛍光層がこの等方性放射リフレクタと前記イメージ・センサとの間に存在するように位置付けを行うことを特徴とするイメージ・センサ装置の製作方法。
【請求項３】
イメージ・センサを用意するステップと；
第１の波長内の入力光子を第２の波長内の光子に変換する蛍光層を前記イメージ・センサに対応して設けるステップと；
赤外光線を反射させ且つ第１の波長内の光を通過させる等方性放射リフレクタを前記蛍光層が前記イメージ・センサとこのリフレクタとの間に位置するように位置づけするステップと；
４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲の前記第１の波長内の光子を前記蛍光層で吸収するステップと；
９００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲の前記第２の波長内の光子を前記蛍光層から再放射するステップと；
から構成されるイメージ・センサの応答向上方法。
【請求項４】
メモリ・デバイス；イメージ・センサ；等方性放射リフレクタ；前記イメージ・センサと等方性放射リフレクタとの間に設けられた蛍光層および前記イメージ・センサと前記メモリ・デバイスとに接続したイメージング回路；
とから構成され、前記蛍光層は第１の波長の入射光子を第２の波長の光子に変換すると共に上記第１の波長は、４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲にあり、また前記第２の波長は９００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあり、前記等方性放射リフレクタは赤外光線を反射すると共に前記第１の波長の光を通過させるものであり、前記イメージング回路は前記イメージ・センサからの電気信号を処理すると共に上記処理された電気信号を前記メモリ・デバイス内に蓄積させることを特徴とするイメージ・センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（Ｉ．  発明の分野）
本発明は、イメージ・センサの光応答性の向上に関する。
【０００２】
（ＩＩ．  背景情報）
相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージ・センサは、その多くの利点からイメージング・アプリケーションにおける電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の代替選択肢として注目されてきた。ＣＭＯＳイメージ・センサは、一般にＣＣＤイメージ・センサと比較した場合に、より低い電源を使用し、より高い機能的な集積化を伴う、よりシンプルなシステム・レベルの設計を有している。これらの事実は、コストを下げることに貢献する一方、カメラ・オン・チップ（camera on a chip）の可能性を提供する。たとえば、ビデオ・カメラおよびディジタル・カメラにおいては、この種の特徴が極めて望ましいものであり、装置をＴＶのリモート・コントロール装置並のサイズまで小さくし、高い可搬性をもたらす。それに加えて、ＣＭＯＳイメージ・センサの消費電力が低いことから、バッテリ使用時にも長時間にわたって高い解像度のカラー・イメージを記録することが可能になる。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージ・センサは、一般に、使用するピクセル・アレイのタイプに応じて、大きく２つのカテゴリに分けることが可能であり、その１つは受動ピクセル・アレイとするカテゴリ、残り１つは能動ピクセル・アレイとするカテゴリである。受動ピクセル・アレイにおいては、各ピクセルが単にフォトダイオードによって生成される電荷を収集し、収集した電荷をイメージ処理のためのイメージング回路に転送する。これに対して能動ピクセル・アレイは、各ピクセル内に増幅回路が備わり、フォトダイオードが生成した電荷によって表される信号を増幅した後に、処理のためのイメージング回路に転送される。能動ピクセル・アレイに対する受動ピクセル・アレイの利点は、各ピクセルが最小のコンポーネントを有することであり、それによって高いフィル・ファクタが可能になり、ひいては高い量子効率がもたらされる。フィル・ファクタとは、一般に、光電性エリア対ピクセル全体のサイズの比を言う。量子効率は、光電感度の測定値であり、１つのピクセルが捕獲した光子によって生成される電子の、そのピクセルのエリア全体にわたって入射する光子に対する比を言う。しかしながら、受動ピクセル・アレイの１つの欠点は、生成される電荷レベルが場合によっては低く、そのためイメージ回路をドライブして高画質イメージを生成する上で充分ではなくなることが挙げられる。能動ピクセル・アレイにおいては、ピクセルが、電荷によって表される信号を増幅し、イメージング回路を充分にドライブすることができる。ところが、増幅のために使用する回路がいくつか増えることから、フィル・ファクタが一般に低く、したがってそれが量子効率に影響する。このため能動ピクセル・アレイは、通常、ピクセルの光電エリア外の光子をピクセルの光電性エリアに集光するマイクロレンズを使用して低い量子効率を補正している。しかしながら、マイクロレンズは高価であり、一般に能動ピクセル・アレイ・センサの製造コストを引き上げることになる。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージ・センサ・テクノロジは決して新しいテクノロジではなく、ＣＭＯＳイメージ・センサおよびＣＣＤイメージ・センサは、ともに同時期に開発されている。ＣＣＤイメージ・センサの使用に比べてＣＭＯＳイメージ・センサを使用することの利点は（前述したように）少なくないが、イメージング・アプリケーションにおいては、ＣＣＤイメージ・センサがＣＭＯＳイメージ・センサを圧倒してきた。その主な理由としては、ＣＭＯＳイメージ・センサがＣＣＤによって生成されるイメージに匹敵する画質を提供し得なかったこと、つまり光電性における問題であり、ＣＣＤイメージ・センサがＣＭＯＳイメージ・センサの上を行っていた。しかしながらＣＭＯＳイメージ・センサは、各種の複雑かつ高価な画質向上テクノロジを使用した光電性の向上によって急速に広まりつつある。しかしながら、コストの点から見れば、ＣＣＤイメージング・デバイスと比較してコストが低いというＣＭＯＳイメージ・センサの利点が、画質向上テクノロジに起因して大きく損なわれてしまった。そこで、より高画質のイメージが生成可能であり、かつ可能であれば、コストにおけるＣＭＯＳセンサの利点を維持できるＣＭＯＳセンサの光電性の向上が望まれている。
【０００５】
（要約）
イメージ・センサの光応答の向上に関する方法および装置が開示されている。入射光子とイメージ・センサの間に蛍光層が配置され、それにおいて蛍光層は、入射光子を第１の波長から第２の波長に変換する。
【０００６】
本発明のそのほかの特徴ならびに利点は、添付の図面および以下の説明から明らかなものとなろう。
【０００７】
以下、添付の図面を参照して例を示すことによって本発明の説明を行うが、これらは限定を意味するものではない。
【０００８】
（詳細な説明）
以下、イメージ・センサのイメージ応答を向上させる方法および装置について説明する。一実施形態においては、イメージ・センサがピクセル・アレイを有する。各ピクセルは、入射光を電荷に変換するように構成され、蛍光層がピクセル・アレイと入射光の間に配置される。蛍光層は、入射光を吸収し、そのイメージ・センサの最適量子効率に対応する波長の光として再放射する。本発明の理解を補助するため、次にＣＭＯＳイメージ・センサにおけるピクセルの動作について簡単な説明を行うが、これは限定の意味としてとらえられるべきものではない。
【０００９】
図１は、能動ピクセル・アレイを有する一例のＣＭＯＳイメージ・センサにおける１つのピクセルを表した回路図である。この図を参照してピクセルの動作について説明する。トランジスタＭ４は、フォトダイオードＤ１をリセット電力（ここではＶＣＣＴ）にプリチャージするために使用される。フォトダイオードＤ１上に光子が照射されると、電子−正孔ペアが生成され、電子がＮタイプのウェルによって収集されてダイオードＤ１を低い電圧にドライブする。この電圧は、光強度およびプリチャージ以降の時間、つまり一般に蓄積時間と呼ばれる時間の関数である。サンプリング・トランジスタＭ３およびストレージ・キャパシタＣ１は、「電子シャッタ」を構成し、トランジスタＭ３に対して印加されるＳＡＭＰＬＥ信号がデアサートされると、ストレージ・キャパシタＣ１がフォトダイオードＤ１から分離され、フォトダイオードＤ１両端の瞬時的なアナログ電圧を捕獲する。トランジスタＭ２は、アクセス・デバイスであり、トランジスタＭ１は、ソース−フォロワのトップを構成する。負荷デバイスＭＬは、それぞれのビット・ラインに共通である。
【００１０】
図２はタイミング・チャートであり、この図を参照して図１に示したピクセルの動作の説明をさらに補足する。最初にトランジスタＭ４に対してＲＥＳＥＴ（リセット）がアサートされ、フォトダイオードＤ１が概略でＶＣＣＴにプリチャージされる。ＳＡＭＰＬＥ（サンプル）は、ＲＥＳＥＴ（リセット）と同時にアサートされるので、フォトダイオードＤ１と同じレベルまでストレージ・キャパシタＣ１をプリチャージすることが可能になる。ＲＥＳＥＴ（リセット）がデアサートになりトランジスタＭ４がオフになると蓄積が開始され、フォトダイオードＤ１に対する光子の照射によるフォトダイオードＤ１の端子間の電圧降下を記録する。ＳＡＭＰＬＥ（サンプル）のアサートが継続しているので、ストレージ・キャパシタＣ１の電圧降下は、フォトダイオードＤ１の端子間の電圧降下に対応することになる。ＳＡＭＰＬＥ（サンプル）がデアサートになり、それによってトランジスタＭ３がオフになると、ストレージ・キャパシタＣ１がフォトダイオードＤ１から分離されてフォトダイオードＤ１の端子間の電圧降下の瞬時値を捕獲する。読み出しは、ワードラインＷＬのアサートによって行ごとに実施され、これがトランジスタＭ２をオンにするのでストレージ・キャパシタＣ１の端子間の電圧降下が負荷デバイスＭＬの端子間にアサートされ、かつ行内の各ピクセルのビット・ラインＢＬがドライブされる。
【００１１】
前述したようにＣＭＯＳイメージ・センサは、光電子効果の原理に基づいてイメージを取り込む。シリコンの光電性エリアに入った光子は、光強度に比例して電子を放出させる。別の見方をすれば、１つの方法においては、ＣＭＯＳセンサの光電性は、ピクセルの光電性エリアに到達できる光の強度によって決定されると言うことができる。しかしながらカラーを弁別するためには、方法の１つによるとピクセル・アレイの表面に各種のカラー・フィルタを設けることになり、詳しくは後述するが、それがＣＭＯＳセンサの光電性に影響を与える。１つの方法においては、ピクセル・アレイのピクセルのそれぞれの上に１つの原色（つまりレッド、グリーン、またはブルー）が照射されるようにカラー・フィルタ・アレイが入射光のカラーを分解する。つまり、カラー・フィルタ・アレイ内の各フィルタのポジションは、ピクセル・アレイ内のピクセルによって取り込まれるパターンを決定する。各ピクセルはフィルタリングされた後の入射光を電荷として取り込み、それが電圧信号に変換されてイメージング回路によって処理される。一般にカラー・フィルタは、現存する市販カラー・フィルタ・アレイ（ＣＦＡ）材料を使用して、ピクセル・アレイ表面に適用される。しかしながらこの構成においては、センサによって検出可能な光強度のおおむね３分の２がフィルタ・アレイによってブロックされてしまい、その結果センサの光電性が低下する。一実施形態によれば、ピクセル・アレイの光電性を向上させるために、センサ表面にマイクロレンズを配置する。このマイクロレンズは、それがなければピクセルの非光電性エリアを照射することになる光子をピクセルの光電性エリアに集光させる。このようにしてセンサの有効フィル・ファクタを、マイクロレンズの効率にもよるが、２倍もしくは３倍にすることができる。図３は、以上述べたこの種の構成を示している。
【００１２】
図４は、シリコンから作られたＣＭＯＳイメージ・センサのスペクトル応答を示している。ＣＭＯＳイメージ・センサは、一般に９００〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の範囲に最適量子応答を有している。言い換えると、ＣＭＯＳイメージ・センサは、赤外線波長領域内において最適量子効率で動作するということになる。ＣＭＯＳセンサが可視スペクトルを電荷に変換する場合には、効率のよい変換が得られず、したがってＣＭＯＳセンサは、最適量子効率で動作しないことになる。したがって、最適量子効率スペクトル内でＣＭＯＳセンサを動作させることが望ましい。
【００１３】
図５は、本発明の一実施形態に従ったＣＭＯＳイメージ・センサ５０を示している。ＣＭＯＳセンサ５０は、カラー・フィルタ・アレイ５１およびピクセル・アレイ５５を包含している。カラー・フィルタ・アレイ５１とピクセル・アレイ５５の間には、蛍光層５３が介挿されており、それがカラー・フィルタ・アレイ５１を通過する可視光を吸収し、ＣＭＯＳピクセル・アレイ５５の最適量子効率に対応する波長にエネルギをシフトする。その原理は、管の内側表面にコーティングされた蛍光物質が蛍光管によって生成された紫外線を吸収し、可視光として再放射する蛍光管に類似している。それと同様に、イメージ・センサ５０内では、カラー・フィルタ・アレイ５１を通過した光が蛍光層５３によって吸収され、ピクセル・アレイ５５が最適量子効率で動作する赤外線スペクトル領域において再放射される。一般に、ピクセル・アレイ内のフォトダイオードのシリコンは、可視光スペクトルより赤外線スペクトルにおいて感度が高くなる。この現象は、ソリッド・ステートの物理学の原理に一致する。
【００１４】
図６および７に、蛍光物質の励起スペクトルおよび放射スペクトルの特性を示す。理想を述べれば、蛍光物質が４００〜７００ナノメートルの範囲の励起スペクトルを有していることが望ましい。放射スペクトルに関しては、９００〜１０００ナノメートルの波長で放射が行われることが望ましい。図６および７に示した放射スペクトルは、英国エセックス州のＰｈｏｓｐｈｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（フォスファ・テクノロジ）から入手可能な蛍光物質ＵＭＰＫＣ６０＃５２９６に対応している。
【００１５】
図８に、本発明の別の実施形態に従ったＣＭＯＳイメージ・センサを示す。ＣＭＯＳセンサ８０は、ピクセル・アレイ８３および蛍光層８１を包含している。ピクセル・アレイ８３に入射した光子は、まず蛍光層８１によって吸収され、その後、イメージ・センサ８０が最適量子効率で動作できる赤外線波長において再放射される。この構成においては、カラー・フィルタ・アレイが使用されない。蛍光層８１は、複数の蛍光ドット８２を包含し、各ドット８２は、ピクセル・アレイ８３内のピクセル８５に対応している。各蛍光ドット８２は、可視スペクトル内における特定波長の光子を吸収し、赤外線スペクトルに含まれる波長の光子を再放射する。このようにして、蛍光層８１が色分解を行う。別の見方をすれば、蛍光層内の特定の波長（つまりレッド、クリーンまたはブルー）を吸収する各蛍光物質の位置が、ピクセル・アレイ内のピクセルによって取り込まれるＲＧＢパターンを決定するということになる。各蛍光ドットが１つの波長だけを吸収し、赤外線波長において放射が行われることから、カラー・フィルタ・アレイが必要なくなる。
【００１６】
蛍光層を使用する１つの利点は、蛍光物質が光子を吸収し、より長い時間にわたって再放射が行われるように時間ドメインを調整できることである。これにより、特定のイメージを用いて、ピクセル・アレイのピクセルを、より長い時間にわたって露光することが可能になる。ＣＭＯＳセンサのサンプリング時間は、ピクセル・アレイの表面に入射する光子のより完全な浸透が可能になるように調整し、長くなった時間に適応させることができる。
【００１７】
図９に、本発明の一実施形態に従ったＣＭＯＳイメージ・センサ９０を示す。この実施形態においては、イメージ・センサ９０が等方性放射リフレクタ９１、蛍光層９３、およびピクセル・アレイ９５を包含している。等方性放射リフレクタの役割は、次のように説明できる。一般に、ＣＭＯＳイメージ・センサに入る入射光は、赤外線波長成分を有している。赤外線波長成分は、蛍光層９３によって変換された赤外線波長の光子が、入射光の赤外線波長成分と区別できないという意味において、ピクセル・アレイ９５によって生成されるＲＧＢパターンと干渉する。等方性放射リフレクタは、入力光の赤外線波長成分を蛍光層９３から外れるように反射させることによって赤外線のフィルタリングを行う。等方性放射リフレクタ９１のもう１つの役割は、蛍光層が一般に、変換後の赤外線波長の光子を両方向に、つまりピクセル・アレイ９５の方向だけでなく、等方性放射リフレクタ９１の方向にも放射することに関係する。等方性放射リフレクタ９１は、伝播してきた赤外線波長の光子を反射させて蛍光層９３側に戻す。等方性放射リフレクタは市販されており、たとえばカリフォルニア州サンタローザにあるＯＣＬＩから入手することができる。
【００１８】
図１０は、本発明に従ったイメージング・システム１００を示している。このイメージング・システム１００は、たとえばビデオ・カメラまたはディジタル・カメラ、あるいはディジタル・プロセッシングに関係する任意のシステムとすることができる。図に示されているように、本発明に従って蛍光層を備えたイメージ・センサ１０１は、イメージング回路１０３に結合され、さらにそれがメモリ・デバイス１０５に結合されている。メモリ・デバイス１０５は、イメージのストアが可能な半導体メモリ、磁気ディスクまたは光ディスクとすることができる。イメージング・システム１００は、次のように動作する。すなわち、イメージを含む入射光が本発明に従って設計されたイメージ・センサ１０１を照射する。イメージ・センサ１０１は、図１および２を参照して説明した形態においてイメージを取り込む。ピクセルによって生成された電荷は、処理のためにイメージング回路１０３に渡される。電気信号によって表されたイメージは、イメージング回路１０３によって処理された後、メモリ・デバイス１０５にストアされるか、あるいはイメージング・システムの外に転送されることになる。
【００１９】
以上の明細においては、本発明の具体的な実施形態を参照してその説明を行ってきた。しかしながら、付随する特許請求の範囲に示される本発明の精神ならびに範囲はさらに広く、それから逸脱することなしにこれに対する各種の修正および変更が可能なことは明らかであろう。したがって、明細書ならびに図面は、限定としてではなく例示として扱われるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  例として示すＣＭＯＳイメージ・センサのピクセル・アレイ内の１つのピクセルを表した回路図である。
【図２】  図１に示したピクセルのタイミング・チャートである。
【図３】  カラー・フィルタおよびマイクロレンズを含むピクセルの断面図である。
【図４】  シリコンから作られた例示のＣＭＯＳイメージ・センサの応答スペクトルを示したグラフである。
【図５】  本発明の一実施形態に従ったカラー・フィルタ・アレイ、蛍光層、およびピクセル・アレイを包含するＣＭＯＳイメージ・センサを示している。
【図６】  本発明の一実施形態に使用される蛍光物質の励起スペクトルを示している。
【図７】  上記の本発明の実施形態に使用される上記の蛍光物質の放射スペクトルを示している。
【図８】  本発明の一実施形態に従った蛍光層およびピクセル・アレイを包含するＣＭＯＳイメージ・センサを示している。
【図９】  本発明の一実施形態に従った等方性放射リフレクタ、蛍光層、およびピクセル・アレイを包含するＣＭＯＳイメージ・センサを示している。
【図１０】  本発明の一実施形態に従った蛍光層を使用するイメージング・デバイスを示している。
【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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