(57)【要約】  本開示の撮像装置は、光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルと、電圧印加回路とを備える。光電変換部は、第１電極と、透光性の第２電極と、第１材料を含む第１光電変換層および第２材料を含む第２光電変換層を含む。第１光電変換層のインピーダンスは、第２光電変換層のインピーダンスよりも大きい。電圧印加回路は、第１電圧および第１電圧よりも絶対値が大きい第２電圧のいずれかを第１電極と第２電極との間に選択的に印加する。
2018025544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含み、
前記第１光電変換層のインピーダンスは、前記第２光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第１波長および前記第２波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第１波長および前記第２波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記電圧印加回路は、
第１電圧および第２電圧のいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加し、
前記第２電圧の絶対値は、前記第１電圧の絶対値よりも大きい、
撮像装置。
【請求項２】
前記第１波長は、可視波長域に含まれ、
前記第２波長は、赤外波長域に含まれる、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスは、前記第２光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスよりも大きい、
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第２光電変換層の前記インピーダンスに対する前記第１光電変換層の前記インピーダンスの比は、４４倍以上である、
請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１材料および前記第２材料は、電子供与性の分子である、
請求項１から４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層がいずれも、電子受容性の分子をさらに含む、
請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１光電変換層のインピーダンスおよび前記第２光電変換層のインピーダンスは、前記第１光電変換層および前記第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスである、
請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第２材料の吸収ピークに対応する第２波長において、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第２電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第１材料の吸収ピークに対応する第１波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きい、
請求項１から７のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項９】
前記光電変換部は、前記第１材料および前記第２材料を含む混合層をさらに含む、
請求項１から８のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの単位画素セルは、第１単位画素セルおよび第２単位画素セルを含む、
請求項１から９のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第１単位画素セルは、
前記第１単位画素セルの前記第１電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第１電荷検出回路、及び
第１抵抗器を含み、
前記第２単位画素セルは、
前記第２単位画素セルの前記第１電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第２電荷検出回路、及び
前記第１抵抗器とは抵抗値の異なる第２抵抗器を含む、
請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第１単位画素セルの前記第２電極に対向して配置されたカラーフィルタをさらに備える、
請求項１０または１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第２単位画素セルの前記第２電極に対向して配置された赤外透過フィルタをさらに備える、
請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記カラーフィルタに対向して配置された赤外線カットフィルタをさらに備える、
請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第１単位画素セルの前記第２電極および前記第２単位画素セルの前記第２電極は、連続した単一の電極である、
請求項１０から１４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記第１単位画素セルの前記第１光電変換層および前記第２単位画素セルの前記第１光電変換層は、連続した単一の層であり、
前記第１単位画素セルの前記第２光電変換層および前記第２単位画素セルの前記第２光電変換層は、連続した単一の層である、
請求項１０から１５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記第１波長は、赤外波長域に含まれ、
前記第２波長は、可視波長域に含まれる、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１８】
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルを備え、
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含み、
前記第１光電変換層のインピーダンスは、前記第２光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第１波長および前記第２波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第１波長および前記第２波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記光電変換部は、
第１電圧および前記第１電圧よりも絶対値が大きい第２電圧のうちいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加した場合、
前記第２材料の吸収ピークに対応する第２波長において、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第２電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、かつ
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第１材料の吸収ピークに対応する第１波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きくなる特性を有する、
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セキュリティカメラ、安全運転支援の車載カメラ等の用途のために、可視域に加えて、それよりも波長の長い近赤外または赤外域の光に対する高感度化を実現できる撮像装置が求められている。従来広く用いられているＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の撮像装置は、各画素を構成するＰＮフォトダイオードに蓄積された信号を、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む増幅回路によって読み出す。ＭＯＳ型の撮像装置の半導体材料として幅広く使用されているシリコンは、物性の限界から、約１１００ｎｍ以上の波長の光をあまり吸収することができない。このため、シリコン基板を用いたイメージセンサにこのような長波長の光に対する感度を持たせることは困難である。また、シリコン基板を用いたイメージセンサでは、光の吸収係数の波長依存性から、波長が８００ｎｍ以上の近赤外域の光に対する感度も、可視域の光に対する感度に比べて低くなっていることが知られている。【０００３】
そこで、例えば、特許文献１及び特許文献２には、光電変換材料として有機物を用い、赤外光を検出する光電変換部と可視光を検出する光電変換部とを縦方向に積層する技術が提案されている。ただし、有機物を用いた撮像装置は、一般に、光電変換材料である有機物を構成する骨格に由来した特有の吸収スペクトルを持つことから、シリコンのように広い波長領域にわたってブロードな分光感度を持たせることは簡単ではない。そのため、特許文献３には、ＲＧＢカラー撮像を行う場合、対象とする各波長域の分光感度を略均一とするために、画素毎に個別に電圧を印加する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２７０９１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０００１４５５号明細書
【特許文献３】特許第４５１１４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セキュリティカメラおよび車載カメラでは、昼間は可視光で画像を撮影し、夜間には赤外光で画像を撮影すると、より監視または運転支援の目的に適した画像を取得できる場合がある。このため、取得できる画像の波長帯域、または、分光感度特性が切り替え可能な撮像装置が求められていた。【０００６】
本開示の限定的ではないある例示的な一実施形態は、取得できる画像の波長帯域を切り替えたり、分光感度特性を切り替えたりすることが可能な撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備える。
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含む。
前記第１光電変換層のインピーダンスは、前記第２光電変換層のインピーダンスよりも大きい。
前記第１波長および前記第２波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第１波長および前記第２波長の他方は、赤外波長域に含まれる。
前記電圧印加回路は、
第１電圧および第２電圧のいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加し、
前記第２電圧の絶対値は、前記第１電圧の絶対値よりも大きい。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様によれば、取得できる画像の波長帯域を切り替えたり、分光感度特性を切り替えたりすることが可能な撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本開示の実施形態に係る撮像装置内の単位画素セルの例示的なデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、光電変換部の一例を示す模式的な断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、光電変換層に適用可能な材料の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、光電変換層に適用可能な材料の他の例を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、光電変換層に適用可能な材料の他の例を示す図である。
【図５】図５は、光電変換部の他の例を示す模式的な断面図である。
【図６】図６は、光電変換部のさらに他の構成例におけるエネルギ図である。
【図７】図７は、ＣＺＢＤＦの化学式を示す図である。
【図８】図８は、図６に示す光電変換構造における第１光電変換層および第２光電変換層の配置を互いに入れ替えた構成を有する光電変換構造に関するエネルギ図である。
【図９】図９は、感光領域において互いに隣接する２つの単位画素セルの断面を示す模式的な断面図である。
【図１０】図１０は、光学フィルタの配置の例を示す模式的な平面図である。
【図１１】図１１は、光学フィルタの配置の他の例を示す模式的な平面図である。
【図１２】図１２は、本開示の実施形態に係る撮像装置の回路構成の他の例を示す模式図である。
【図１３】図１３は、光学フィルタの配置のさらに他の例を示す模式的な断面図である。
【図１４】図１４は、実施例１−１のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図１５】図１５は、実施例１−１のサンプルに関する、４６０ｎｍ、５４０ｎｍ、６８０ｎｍ、８８０ｎｍの各波長における外部量子効率と、印加される電界との間の関係を示す図である。
【図１６】図１６は、実施例１−２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図１７】図１７は、実施例１−３のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図１８】図１８は、実施例２−１のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図１９】図１９は、比較例１のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図２０】図２０は、実施例２−２のサンプルに関するエネルギ図である。
【図２１】図２１は、実施例２−２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【図２２】図２２は、比較例２のサンプルに関するエネルギ図である。
【図２３】図２３は、比較例２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１１】
［項目１］
本開示の項目１に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含み、
前記第１光電変換層のインピーダンスは、前記第２光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第１波長および前記第２波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第１波長および前記第２波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記電圧印加回路は、
第１電圧および第２電圧のいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加し、
前記第２電圧の絶対値は、前記第１電圧の絶対値よりも大きい。
この構成によれば、第１電極および第２電極の間に印加する電圧を変化させることにより、光電変換部における分光感度特性を電気的に変化させ得る。また、この構成によれば、複数の電圧から選択された１つを選択的に光電変換部に印加し得る。
ここで、可視波長域とは、例えば、３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ未満の波長範囲をいい、赤外波長域とは、７５０ｎｍ以上の波長範囲をいう。
【００１２】
［項目２］
項目１に記載の撮像装置において、
前記第１波長は、可視波長域に含まれ、
前記第２波長は、赤外波長域に含まれてもよい。
この構成によれば、撮像装置の赤外波長域における感度を電気的に変化させ得る。
【００１３】
［項目３］
項目１または２に記載の撮像装置において、
第１光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスは、第２光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスよりも大きくてもよい。
この構成によれば、第１電極および第２電極の間への電圧の印加時に、第２光電変換層に印加される電圧よりも大きな電圧を第１光電変換層に印加し得る。
【００１４】
［項目４］
項目１から３のいずれかに記載の撮像装置において、
第２光電変換層の前記インピーダンスに対する第１光電変換層の前記インピーダンスの比は、４４倍以上であってもよい。
【００１５】
［項目５］
項目１から４のいずれかに記載の撮像装置において、
第１材料および第２材料は、電子供与性の分子であってもよい。
【００１６】
［項目６］
項目１から５のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層がいずれも、電子受容性の分子をさらに含んでいてもよい。
【００１７】
［項目７］
項目１から６のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第１光電変換層のインピーダンスおよび前記第２光電変換層のインピーダンスは、前記第１光電変換層および前記第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００１８】
［項目８］
項目１から７のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第２材料の吸収ピークに対応する第２波長において、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第２電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第１材料の吸収ピークに対応する第１波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きくてもよい。
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率は、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率の２倍以上であってもよい。
【００１９】
［項目９］
項目１から８のいずれかに記載の撮像装置において、
前記光電変換部は、前記第１材料および前記第２材料を含む混合層をさらに含んでいてもよい。
【００２０】
［項目１０］
項目１から９のいずれかに記載の撮像装置において、
前記少なくとも１つの単位画素セルは、第１単位画素セルおよび第２単位画素セルを含んでいてもよい。
【００２１】
［項目１１］
項目１０に記載の撮像装置において、
前記第１単位画素セルは、
前記第１単位画素セルの前記第１電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第１電荷検出回路、及び
第１抵抗器を含み、
前記第２単位画素セルは、
前記第２単位画素セルの前記第１電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第２電荷検出回路、及び
前記第１抵抗器とは抵抗値の異なる第２抵抗器を含んでいてもよい。
この構成によれば、電圧印加回路から第１単位画素セルおよび第２単位画素セルに印加される電圧を共通としながら、第１単位画素セルの第１電極と第２電極との間に印加される実効的なバイアス電圧と第２単位画素セルの第１電極と第２電極との間に印加される実効的なバイアス電圧とを、異ならせることができる。
【００２２】
［項目１２］
項目１０または１１に記載の撮像装置は、
第１単位画素セルの第２電極に対向して配置されたカラーフィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、第１電極および第２電極の間に印加する電圧を切り替えることにより、例えば、ＲＧＢ画像と、赤色光と赤外光、緑色光と赤外光および青色光と赤外光に基づく画像とを切り替えて取得可能である。
【００２３】
［項目１３］
項目１２に記載の撮像装置は、
第２単位画素セルの第２電極に対向して配置された赤外透過フィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、ＲＧＢの画像信号を出力する単位画素セルと、赤外光に基づく画像信号を出力する単位画素セルとを感光領域中に混在させることができる。
【００２４】
［項目１４］
項目１３に記載の撮像装置は、
カラーフィルタに対向して配置された赤外線カットフィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、ＲＧＢのカラー画像と赤外光による画像とを一括して取得可能なカメラを実現し得る。
【００２５】
［項目１５］
項目１０から１４のいずれかに記載の撮像装置において、
第１単位画素セルの第２電極および第２単位画素セルの第２電極は、連続した単一の電極であってもよい。
【００２６】
［項目１６］
項目１０から１５のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第１単位画素セルの前記第１光電変換層および前記第２単位画素セルの前記第１光電変換層は、連続した単一の層であり、
前記第１単位画素セルの前記第２光電変換層および前記第２単位画素セルの前記第２光電変換層は、連続した単一の層であってもよい。
【００２７】
［項目１７］
項目１に記載の撮像装置において、
前記第１波長は、赤外波長域に含まれ、
前記第２波長は、可視波長域に含まれていてもよい。
【００２８】
［項目１８］
本開示の項目１８に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルを備え、
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含み、
前記第１光電変換層のインピーダンスは、前記第２光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第１波長および前記第２波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第１波長および前記第２波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記光電変換部は、
第１電圧および前記第１電圧よりも絶対値が大きい第２電圧のうちいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加した場合、
前記第２材料の吸収ピークに対応する第２波長において、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第２電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、かつ
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第１材料の吸収ピークに対応する第１波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きくなる特性を有する、
撮像装置。
【００２９】
［項目１９］
本開示の項目１９に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも１つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第１電極と、
透光性の第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、第１波長に吸収ピークを有する第１材料を含む第１光電変換層と、
前記第１電極および前記第２電極の間に配置され、前記第１波長と異なる第２波長に吸収ピークを有する第２材料を含む第２光電変換層と、
を含み、
前記電圧印加回路は、
第１電圧および第２電圧のいずれかを前記第１電極と前記第２電極との間に選択的に印加し、
前記第２電圧の絶対値は、前記第１電圧の絶対値よりも大きく、
前記第２材料の吸収ピークに対応する第２波長において、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第２電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第１電極と前記第２電極との間に前記第１電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第２波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第１材料の吸収ピークに対応する第１波長における、前記第２電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第１電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きい。
【００３０】
本開示において、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部、又はブロック図の機能ブロックの全部又は一部は、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、又はＬＳＩ（ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む一つ又は複数の電子回路によって実行されてもよい。ＬＳＩ又はＩＣは、一つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、一つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、若しくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ  ｌａｒｇｅ  ｓｃａｌｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、又はＬＳＩ内部の接合関係の再構成又はＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
【００３１】
さらに、回路、ユニット、装置、部材又は部の全部又は一部の機能又は操作は、ソフトウエア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウエアは一つ又は複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウエアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウエアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システム又は装置は、ソフトウエアが記録されている一つ又は複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び必要とされるハードウエアデバイス、例えばインターフェース、を備えていても良い。
【００３２】
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態を説明する。以下の実施形態では、光電変換によって生じた正および負の電荷（典型的には正孔−電子対）のうち、正の電荷（例えば正孔）を信号電荷として検出する例を説明する。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない。さらに、一の実施形態と他の実施形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。
【００３３】
（撮像装置の構造）
図１は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を模式的に示している。図１に示す撮像装置１０１は、複数の単位画素セル１４と周辺回路とを有する。
【００３４】
図１では、２行２列のマトリクス状に配置された４つの単位画素セル１４が示されている。つまり、この例では、複数の単位画素セル１４は、例えば半導体基板に２次元、すなわち行方向および列方向に配列されて、感光領域（画素領域）を形成している。言うまでもないが、単位画素セル１４の数および配置は、図１に示す例に限定されない。例えば、撮像装置１０１は、ラインセンサであり得る。その場合、複数の単位画素セル１４は、１次元に配列される。本明細書において、行方向および列方向は、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、図１中において紙面の上下方向が列方向であり、水平方向が行方向である。単位画素セル１４の数は、１つであってもよい。
【００３５】
各単位画素セル１４は、光電変換部１０と、光電変換部１０に電気的に接続された電荷検出回路２５とを含む。この例では、光電変換部１０は、画素電極５０と、対向電極５２と、これらの間に配置された光電変換構造５１とを含む。電荷検出回路２５は、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ１３とを含む。
【００３６】
後に詳しく説明するように、本開示の実施形態において、光電変換部１０における光電変換構造５１は、第１および第２の光電変換層を有する積層構造を含む。第１光電変換層は、第１材料を含んでおり、第２光電変換層は、第２材料を含んでいる。本開示のある態様では、第１光電変換層は、第２光電変換層よりも高いインピーダンスを有する。このような構成によれば、画素電極５０と対向電極５２との間に印加する電圧を変化させることによって、光電変換部１０における分光感度特性を切り替えることが可能である。単位画素セル１４における分光感度特性を切り替えることにより、取得できる画像の波長帯域を切り替えることが可能である。なお、本明細書では、簡単のために、「インピーダンス」の用語を、「インピーダンスの絶対値」の意味で用いることがある。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００３７】
本開示の他のある態様では、第１材料のイオン化ポテンシャルの絶対値は、第２材料のイオン化ポテンシャルの絶対値よりも０．２ｅＶ以上大きい。後述するように、第１材料および第２材料の間のイオン化ポテンシャルの差がある程度大きければ、第１光電変換層と第２光電変換層との間のインピーダンス差が小さい場合であっても、画素電極５０と対向電極５２との間に印加する電圧を変化させることによって光電変換部１０における分光感度特性を変化させ得る。
【００３８】
図１に例示する構成において、撮像装置１０１は、電圧印加回路６０を有する。電圧印加回路６０は、例えば複数の単位画素セル１４の行毎に設けられた複数のバイアス電圧線１６との接続を有する。この例では、各単位画素セル１４の光電変換部１０における対向電極５２が、複数のバイアス電圧線１６のうちの対応する１つに接続されている。
【００３９】
電圧印加回路６０は、絶対値が互いに異なる少なくとも２つの電圧を発生可能に構成された回路であり得る。撮像装置１０１の動作時、電圧印加回路６０は、例えば、複数の異なる電圧のいずれかを単位画素セル１４に選択的に供給する。以下、電圧印加回路６０から供給される電圧を切替電圧と呼ぶことがある。電圧印加回路６０は、例えば、第１電圧ＶＡ、および、第１電圧ＶＡよりも絶対値の大きな第２電圧ＶＢの一方を選択的に単位画素セル１４に供給する。電圧印加回路６０は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。典型的には、電圧印加回路６０は、周辺回路の一部として、感光領域外に設けられる。
【００４０】
本実施形態では、バイアス電圧線１６を介して、対向電極５２の電位を切り替えることによって、画素電極５０と対向電極５２との間に印加される電圧を変化させる。画素電極５０と対向電極５２との間に印加される電圧を変化させることにより、光電変換部１０における分光感度特性が切り替えられる。信号電荷として正孔を画素電極５０によって収集する構成においては、画素電極５０の電位が対向電極５２の電位に対して相対的に低ければよい。
【００４１】
画素電極５０は、光電変換構造５１において光電変換によって生成された正および負の電荷のうちの一方（例えば正孔）を収集する。信号電荷として正孔を利用する場合、上述の第１電圧ＶＡおよび第２電圧ＶＢとして、対向電極５２の電位が画素電極５０の電位よりも高くなるような電圧が用いられる。画素電極５０は、電荷検出回路２５中の増幅トランジスタ１１のゲート電極に電気的に接続されており、画素電極５０によって集められた信号電荷（ここでは正孔）は、画素電極５０と増幅トランジスタ１１のゲート電極との間に位置する電荷蓄積ノード２４に蓄積される。本実施形態では信号電荷は、正孔であるが、信号電荷は、電子であってもよい。
【００４２】
電荷蓄積ノード２４に信号電荷が蓄積されることにより、信号電荷の量に応じた電圧が増幅トランジスタ１１のゲート電極に印加される。増幅トランジスタ１１は、この電圧を増幅し、信号電圧として出力する。増幅トランジスタ１１の出力は、アドレストランジスタ１３によって選択的に読み出される。なお、図１に示す例では、電荷検出回路２５は、リセットトランジスタ１２を含んでいる。図示するように、リセットトランジスタ１２のソース電極およびドレイン電極の一方は、画素電極５０に電気的に接続される。リセットトランジスタ１２をオンとすることにより、電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷をリセットすることができる。換言すると、リセットトランジスタ１２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極および光電変換部１０の画素電極５０の電位をリセットする。
【００４３】
図示するように、単位画素セル１４には、電源配線２１と、垂直信号線１７と、アドレス信号線２６と、リセット信号線２７とが接続されている。電源配線２１は、増幅トランジスタ１１のソース電極およびドレイン電極の一方（典型的にはドレイン電極）に接続され、単位画素セル１４に所定の電源電圧（例えば３．３Ｖ）を供給する。垂直信号線１７は、アドレストランジスタ１３のソース電極およびドレイン電極の一方（典型的にはソース電極）に接続される。アドレス信号線２６は、アドレストランジスタ１３のゲート電極に接続され、リセット信号線２７は、リセットトランジスタ１２のゲート電極に接続される。
【００４４】
図１に例示する構成において、撮像装置１０１は、上述の電圧印加回路６０の他に、周辺回路として、垂直走査回路１５と、水平信号読み出し回路２０と、複数のカラム信号処理回路１９と、複数の負荷回路１８と、複数の反転増幅器２２とを含む。垂直走査回路１５は、行走査回路とも呼ばれる。水平信号読み出し回路２０は、列走査回路とも呼ばれる。カラム信号処理回路１９は、行信号蓄積回路とも呼ばれる。
【００４５】
垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６およびリセット信号線２７に接続されており、複数の単位画素セル１４を行単位で選択し、信号電圧の読み出しおよび画素電極５０の電位のリセットを行う。垂直信号線１７は、複数の単位画素セル１４の列毎に設けられており、単位画素セル１４は、複数の垂直信号線１７のうちの対応する１つに接続されている。図示するように、負荷回路１８およびカラム信号処理回路１９は、垂直信号線１７と同様に複数の単位画素セル１４の列毎に設けられており、対応する垂直信号線１７を介して、各列に配置された１以上の単位画素セル１４に電気的に接続される。負荷回路１８と増幅トランジスタ１１とは、ソースフォロア回路を形成する。カラム信号処理回路１９は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換（ＡＤ変換）等を行う。水平信号読み出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９に電気的に接続されている。水平信号読み出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９から水平共通信号線（不図示）に信号を順次読み出す。
【００４６】
垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６を介して、アドレストランジスタ１３のオンおよびオフを制御する行選択信号をアドレストランジスタ１３のゲート電極に印加する。行選択信号の印加により、読み出し対象の行が走査され、選択される。選択された行の単位画素セル１４から垂直信号線１７に信号電圧が読み出される。垂直信号線１７は、垂直走査回路１５によって選択された単位画素セル１４から読み出された信号電圧をカラム信号処理回路１９へ伝達する。また、垂直走査回路１５は、リセット信号線２７を介して、リセットトランジスタ１２のオンおよびオフを制御するリセット信号をリセットトランジスタ１２のゲート電極に印加する。これにより、リセットトランジスタ１２がオンとされた単位画素セル１４の電荷蓄積ノード２４の信号電荷をリセットすることができる。
【００４７】
この例では、撮像装置１０１の周辺回路は、複数の単位画素セル１４の各列に対応して設けられた複数の反転増幅器２２を含む。図１において模式的に示すように、反転増幅器２２の負側の入力端子は、対応する垂直信号線１７に接続される。反転増幅器２２の出力端子は、複数の単位画素セル１４の各列に対応して設けられたフィードバック線２３に接続される。フィードバック線２３は、反転増幅器２２の負側の入力端子との接続を有する単位画素セル１４に接続されている。
【００４８】
反転増幅器２２の出力端子は、フィードバック線２３を介して、リセットトランジスタ１２のドレイン電極およびソース電極のうち、画素電極５０に接続されていない側に接続されている。アドレストランジスタ１３とリセットトランジスタ１２とが導通状態にあるとき、アドレストランジスタ１３およびリセットトランジスタ１２がオンとされた単位画素セル１４と反転増幅器２２との間に帰還経路が形成される。このとき、反転増幅器２２の正側の入力端子の電位は、所定の電位に固定される。帰還経路の形成により、垂直信号線１７の電圧が、反転増幅器２２の負側の入力端子への入力電圧Ｖｒｅｆに収束する。換言すれば、帰還経路の形成により、電荷蓄積ノード２４の電圧が、垂直信号線１７の電圧が、Ｖｒｅｆに等しくなるような電圧にリセットされる。電圧Ｖｒｅｆとしては、電源電圧および接地（０Ｖ）の範囲内の任意の大きさの電圧を用い得る。反転増幅器２２をフィードバックアンプと呼んでもよい。
【００４９】
（単位画素セルのデバイス構造）
図２は、本開示の実施形態に係る撮像装置１０１中の単位画素セル１４の例示的なデバイス構造を示す。
【００５０】
上述したように、単位画素セル１４は、電荷検出回路２５と、光電変換部１０とを含む。電荷検出回路２５における増幅トランジスタ１１、リセットトランジスタ１２およびアドレストランジスタ１３は、ここでは、半導体基板３１に形成されている。半導体基板３１は、例えば、ｎ型不純物領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ、４１Ｅを含む。この例では、半導体基板３１の表面上に層間絶縁層４３Ａ、４３Ｂおよび４３Ｃが積層されており、層間絶縁層４３Ｃ上に光電変換部１０が配置されている。図２には示されていないが、上述の垂直走査回路１５、水平信号読み出し回路２０、カラム信号処理回路１９、負荷回路１８、反転増幅器２２および電圧印加回路６０も半導体基板３１に形成され得る。これらのうちの全てまたは一部が、半導体基板３１とは異なる基板上に配置されていてももちろん構わない。
【００５１】
半導体基板３１は、例えば、ｐ型シリコン基板である。本明細書における「半導体基板」は、その全体が半導体である基板に限定されず、光が照射される側の表面に半導体層が設けられた絶縁基板等であってもよい。以下では、増幅トランジスタ１１、リセットトランジスタ１２およびアドレストランジスタ１３としてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを例示する。
【００５２】
増幅トランジスタ１１は、ドレイン領域およびソース領域としてそれぞれ機能するｎ型不純物領域４１Ｃおよび４１Ｄと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｂと、ゲート絶縁層３８Ｂ上に位置するゲート電極３９Ｂとを含む。図２においては図示が省略されているが、増幅トランジスタ１１のドレイン領域としてのｎ型不純物領域４１Ｃには、上述の電源配線２１が接続される。
【００５３】
リセットトランジスタ１２は、ドレイン領域およびソース領域としてそれぞれ機能するｎ型不純物領域４１Ｂおよび４１Ａと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ａと、ゲート絶縁層３８Ａ上に位置するゲート電極３９Ａとを含む。図２においては図示が省略されているが、リセットトランジスタ１２のソース領域としてのｎ型不純物領域４１Ａには、上述のフィードバック線２３が接続される。
【００５４】
アドレストランジスタ１３は、ドレイン領域およびソース領域としてそれぞれ機能するｎ型不純物領域４１Ｄおよび４１Ｅと、半導体基板３１上に位置するゲート絶縁層３８Ｃと、ゲート絶縁層３８Ｃ上に位置するゲート電極３９Ｃとを含む。この例では、増幅トランジスタ１１およびアドレストランジスタ１３がｎ型不純物領域４１Ｄを共有している。ｎ型不純物領域４１Ｄを共有することにより、増幅トランジスタ１１とアドレストランジスタ１３とが直列に接続されている。図２においては図示が省略されているが、アドレストランジスタ１３のソース領域としてのｎ型不純物領域４１Ｅには、上述の垂直信号線１７が接続される。
【００５５】
増幅トランジスタ１１のゲート絶縁層３８Ｂ、リセットトランジスタ１２のゲート絶縁層３８Ａおよびアドレストランジスタ１３のゲート絶縁層３８Ｃは、典型的には、同層である。同様に、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂ、リセットトランジスタ１２のゲート電極３９Ａおよびアドレストランジスタ１３のゲート電極３９Ｃは、典型的には、同層である。
【００５６】
半導体基板３１において、隣接する他の単位画素セル１４との間、および、増幅トランジスタ１１とリセットトランジスタ１２との間には素子分離領域４２が設けられる。素子分離領域４２によって、隣接する単位画素セル１４間の電気的な分離が行われる。また、電荷蓄積ノード２４に蓄積される信号電荷のリークが抑制される。
【００５７】
図２に例示する構成において、層間絶縁層４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃを含む積層構造の内部には、光電変換部１０の画素電極５０と増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂとを互いに電気的に接続する接続部４８が配置されている。ここでは、接続部４８は、配線４６Ａ、４６Ｂおよび４６Ｃと、プラグ４７Ａ、４７Ｂおよび４７Ｃと、コンタクトプラグ４５Ａ、４５Ｂとを含む。図示するように、プラグ４７Ｃは、画素電極５０と配線４６Ｃとを接続しており、コンタクトプラグ４５Ｂは、ゲート電極３９Ｂと配線４６Ａとを接続している。
【００５８】
層間絶縁層４３Ａ中には、リセットトランジスタ１２のｎ型不純物領域４１Ｂと配線４６Ａとを接続するコンタクトプラグ４５Ａが配置されている。コンタクトプラグ４５Ａとコンタクトプラグ４５Ｂとは、配線４６Ａによって接続されている。つまり、ここでは、画素電極５０は、半導体基板３１内のｎ型不純物領域４１Ｂにも電気的に接続されている。
【００５９】
上述したように、画素電極５０によって集められた信号電荷は、電荷蓄積ノード２４に蓄積される。電荷蓄積ノード２４は、画素電極５０と増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂとを互いに電気的に接続する接続部４８をその一部に含む。ここでは、画素電極５０は、半導体基板３１内のｎ型不純物領域４１Ｂにも電気的に接続されているので、ｎ型不純物領域４１Ｂは、信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域としての機能を有する。すなわち、電荷蓄積ノード２４は、画素電極５０、ゲート電極３９Ｂ、ｎ型不純物領域４１Ｂ、ならびに、これらを電気的に接続する、プラグ４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃ、コンタクトプラグ４５Ａ、４５Ｂおよび配線４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを含んでいる。接続部４８に接続されたゲート電極３９Ｂを有する増幅トランジスタ１１をその一部に含む電荷検出回路２５は、画素電極５０によって収集されて電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷を検出し、信号電圧を出力する。
【００６０】
層間絶縁層４３Ｃ上の光電変換部１０は、透光性の対向電極５２と、光電変換構造５１と、対向電極５２よりも半導体基板３１側に位置する画素電極５０とを含む。図２において模式的に示すように、光電変換構造５１は、対向電極５２と画素電極５０によって挟まれている。光電変換構造５１には、対向電極５２を透過した光が入射する。光電変換構造５１の構造の詳細は、後述する。
【００６１】
対向電極５２の材料としては、近赤外線および可視光に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｏｘｉｄｅ（ＴＣＯ））を用いることができる。ＴＣＯとしては、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、アルミニウム亜鉛酸化物（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２等を用いることができる。対向電極５２として、Ａｕ等の金属薄膜を用いてもよい。なお、本明細書における「透光性」および「透明」の用語は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味する。図２においては図示が省略されているが、対向電極５２は、上述のバイアス電圧線１６が接続される。撮像装置１０１の動作時、対向電極５２には、バイアス電圧線１６を介して所定のバイアス電圧が印加される。
【００６２】
層間絶縁層４３Ｃ上に設けられた画素電極５０は、アルミニウム、銅等の金属、または、不純物がドープされ導電性が付与されたポリシリコン等から形成される。画素電極５０は、複数の単位画素セル１４間で空間的に分離されることにより、隣接する他の単位画素セル１４中の画素電極５０から電気的に分離される。
【００６３】
図２に示すように、単位画素セル１４は、光電変換部１０の対向電極５２に対向する光学フィルタ５３を有し得る。光学フィルタ５３は、単位画素セル１４に照射された光のうち、特定の波長域の光を選択的に透過または遮断する。対向電極５２および光学フィルタ５３の間に保護層が配置されてもよい。光学フィルタ５３上または保護層上にマイクロレンズ５４が配置され得る。
【００６４】
撮像装置１０１は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に半導体基板３１としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって撮像装置１０１を製造することができる。
【００６５】
（光電変換構造）
図３は、光電変換部１０の断面構造の一例を示す。上述したように、光電変換部１０は、画素電極５０および対向電極５２と、これらに挟まれた光電変換構造５１とを含む。光電変換構造５１は、典型的には、有機材料を含む複数の層を有する。図３に例示する構成において、光電変換構造５１は、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の積層構造を含む。図示するように、この例では、第２光電変換層５１２は、第１光電変換層５１１および対向電極５２の間に位置している。
【００６６】
図３に例示する構成において、光電変換構造５１は、第１光電変換層５１１と画素電極５０との間に、電子ブロッキング層５１５および正孔輸送層５１３を含む。電子ブロッキング層５１５は、画素電極５０に隣接し、正孔輸送層５１３は、第１光電変換層５１１に隣接している。また、光電変換構造５１は、第２光電変換層５１２と対向電極５２との間に、電子輸送層５１４および正孔ブロッキング層５１６を含む。正孔ブロッキング層５１６は、対向電極５２に隣接し、電子輸送層５１４は、第２光電変換層５１２に隣接する。
【００６７】
ここでは、光電変換によって生じた正および負の電荷のうち、正の電荷（例えば正孔）を信号電荷として検出する。この場合、撮像装置１０１の動作時、対向電極５２には、画素電極５０の電位を基準としたときに対向電極５２が高電位となるような切替電圧が電圧印加回路６０から対向電極５２に供給される。例えば、電圧印加回路６０は、切替電圧として、互いに絶対値の異なる第１電圧ＶＡおよび第２電圧ＶＢ（｜ＶＢ｜＞｜ＶＡ｜）のうちの一方を対向電極５２に供給する。第１電圧ＶＡおよび第２電圧ＶＢのうちのいずれを対向電極５２に供給するかは、例えば、撮像装置１０１を操作する操作者の指令、撮像装置１０１が備える他の制御部等の指令に基づいて決定される。撮像装置１０１における動作の具体例は、後述する。
【００６８】
図３に示す電子ブロッキング層５１５は、画素電極５０から電子が注入されることによる暗電流を低減するために設けられており、正孔ブロッキング層５１６は、対向電極５２から正孔が注入されることによる暗電流を低減するために設けられる。正孔輸送層５１３は、第１光電変換層５１１および／または第２光電変換層５１２において生成された正の電荷を画素電極５０に効率良く輸送するために設けられる。電子輸送層５１４は、第１光電変換層５１１および／または第２光電変換層５１２において生成された負の電荷を対向電極５２に効率良く輸送するために設けられる。電子ブロッキング層５１５、正孔ブロッキング層５１６、正孔輸送層５１３および電子輸送層５１４を構成する材料は、隣接する層との間の接合強度、安定性、イオン化ポテンシャルの差および電子親和力の差等を考慮して公知の材料から選択することができる。電子ブロッキング層５１５、正孔ブロッキング層５１６、正孔輸送層５１３および電子輸送層５１４を構成する材料の少なくともいずれかとして、第１光電変換層５１１を形成するための材料または第２光電変換層５１２を形成するための材料を用いてもよい。
【００６９】
第１光電変換層５１１は、第１材料（典型的には半導体材料）を含む。第２光電変換層５１２は、第２材料（典型的には半導体材料）を含む。ある態様において、第１光電変換層５１１における単位厚さあたりのインピーダンスと、第２光電変換層５１２における単位厚さあたりのインピーダンスとは、互いに異なる。本開示のある態様において、第１光電変換層５１１の単位厚さあたりのインピーダンスは、第２光電変換層５１２の単位厚さあたりのインピーダンスよりも大きい。なお、インピーダンスは、光電変換層の厚さに依存し、光電変換層が複数の材料を含む場合には、光電変換層中のそれらの材料の体積比にも依存する。本開示の実施形態においては、積層構造に含まれる複数の光電変換層のうち、より大きなインピーダンスを有する層を第１光電変換層５１１として用いることができる。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００７０】
（インピーダンス差を利用した、バイアス電圧の切り替えによる分光感度特性の切り替え）
光電変換構造５１が、インピーダンスが互いに異なる第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２を含む場合、画素電極５０および対向電極５２の間にバイアス電圧を印加すると、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２には、インピーダンスに比例した電圧（電界といってもよい。）が印加される。本発明者らは、インピーダンスが互いに異なる光電変換層を含む光電変換構造に印加するバイアス電圧を変化させることにより、ある波長範囲に関する外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：Ｅ．Ｑ．Ｅ．）を変化させ得ることを見出した。換言すれば、そのような光電変換構造を光電変換部に有する単位画素セルにおいて、分光感度特性を電気的に変化させ得ることを見出した。例えば、第２材料の吸収ピークに対応する波長における、第１電圧ＶＡの印加時を基準としたときの、第２電圧ＶＢの印加時における光電変換構造５１の外部量子効率の増分は、第１材料の吸収ピークに対応する波長における、第１電圧ＶＡの印加時を基準としたときの、第２電圧ＶＢの印加時における光電変換構造５１の外部量子効率の増分よりも大きい。
【００７１】
例えば第１光電変換層５１１のインピーダンスおよび第２光電変換層５１２のインピーダンスをそれぞれＺ１およびＺ２とし、Ｚ１＞Ｚ２であるとすると、第２光電変換層５１２と比較してより大きな電圧が第１光電変換層５１１に印加される。したがって、画素電極５０および対向電極５２の間のバイアスが小さい状態、換言すれば、第１電圧ＶＡが対向電極５２に供給されている状態であっても、第１光電変換層５１１には、光電変換によって生成された電荷の電極までの移動に十分な大きさの電界が印加され得る。すなわち、光電変換によって生成された正および負の電荷がそれぞれ画素電極５０および対向電極５２まで到達し得る。すなわち、第１光電変換層５１１への光の照射によって生成された信号電荷が画素電極５０によって収集され、電荷蓄積領域に蓄積される。
【００７２】
これに対し、第２光電変換層５１２に印加される電界は、第１光電変換層５１１に印加される電界と比較して小さい。そのため、絶対値が比較的小さな第１電圧ＶＡが対向電極５２に供給されている状態であると、第２光電変換層５１２に印加される電界が、第２光電変換層５１２への光の照射によって生成された信号電荷の画素電極５０への到達に必要な大きさを下回り得る。画素電極５０に信号電荷が到達しなければ、第２光電変換層５１２において信号電荷が生成されても、電荷蓄積領域への信号電荷の蓄積が生じない。したがって、単位画素セル１４は、第２光電変換層５１２を構成する材料（特に第２材料）の吸収スペクトルに対応した波長範囲の光に対して十分な感度を示さない。
【００７３】
対向電極５２と画素電極５０との間に印加する電圧を増大させると、第２光電変換層５１２に印加される電圧も増大する。すなわち、より絶対値の大きな第２電圧ＶＢを対向電極５２に供給することにより、第２光電変換層５１２に印加される電界が増大し、信号電荷が画素電極５０に到達するようになる。したがって、単位画素セル１４が、第１光電変換層５１１を構成する材料（特に第１材料）の吸収スペクトルに対応した波長範囲の光に加えて、第２光電変換層５１２を構成する材料（特に第２材料）の吸収スペクトルに対応した波長範囲の光に対しても感度を示すようになる。
【００７４】
このように、第１光電変換層５１１と、第１光電変換層５１１よりも小さなインピーダンスを有する第２光電変換層５１２とを有する積層構造を適用することにより、対向電極５２に供給するバイアス電圧の切り替えによって分光感度特性を切り替え得る。第２光電変換層５１２のインピーダンスに対する第１光電変換層５１１のインピーダンスの比は、典型的には、１００倍以上１０１０倍以下の範囲である。本発明者らの検討によれば、第２光電変換層５１２のインピーダンスに対して、第１光電変換層５１１のインピーダンスが、例えば４４倍以上であれば、バイアス電圧の切り替えによる分光感度特性の切り替えを実現し得る。第２光電変換層５１２のインピーダンスに対する第１光電変換層５１１のインピーダンスの比は、１９０倍以上であってもよい。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００７５】
以下に説明するように、第１材料および第２材料の組み合わせとして、例えば、可視域に高い吸収係数を示す材料と赤外域に高い吸収係数を示す材料との組み合わせを用いることができる。このような材料の組み合わせによれば、可視光の照度および赤外線の照度の一方または両方に関する情報を取得可能な撮像装置を提供し得る。
【００７６】
典型的には、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２は、電子供与性（ドナー性）であるｐ型の分子と、電子受容性（アクセプター性）であるｎ型の分子とを含む。
【００７７】
第１材料および第２材料として、例えば電子供与性の分子を用い得る。電子供与性の分子の典型例は、有機ｐ型半導体であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質を有する。有機ｐ型半導体の例は、ＤＴＤＣＴＢ（２−｛［７−（５−Ｎ，Ｎ−Ｄｉｔｏｌｙｌａｍｉｎｏｔｈｉｏｐｈｅｎ−２−ｙｌ）−２，１，３−ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌ−４−ｙｌ］ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ｝ｍａｌｏｎｏｎｉｔｒｉｌｅ）等のトリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、α−セキシチオフェン（以下、「α−６Ｔ」と呼ぶ）、Ｐ３ＨＴ（ポリ３−ヘキシルチオフェン）等のチオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、ルブレン等のテトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等である。フタロシアニン化合物の例は、銅フタロシアニン（ＣｕＰｃ）、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、塩化アルミニウムフタロシアニン（ＣｌＡｌＰｃ）、Ｓｉ（ＯＳｉＲ３）２Ｎｃ（Ｒは、炭素数が１から１８のアルキル基を表し、Ｎｃはナフタロシアニンを表す。）、スズナフタロシアニン（ＳｎＮｃ）および鉛フタロシアニン（ＰｂＰｃ）等である。ドナー性有機半導体は、これらに限られず、ｎ型（アクセプター性）化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用い得る。イオン化ポテンシャルは、真空準位と最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギ準位との差である。
【００７８】
電子受容性の分子の典型例は、有機ｎ型半導体であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質を有する。有機ｎ型半導体の例は、Ｃ６０およびＣ７０等のフラーレン、フェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）等のフラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物（ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等）、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、ペリレンテトラカルボキシルジイミド化合物（ＰＴＣＤＩ）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等である。アクセプター性有機半導体は、これらに限らず、ｐ型（ドナー性）有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用い得る。電子親和力は、真空準位と最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギ準位との差である。
【００７９】
図４Ａは、ＳｎＮｃの化学式、図４Ｂは、ＤＴＤＣＴＢの化学式、図４Ｃは、Ｃ７０の化学式をそれぞれ示す。上記に限らず、乾式または湿式いずれかの方法によって成膜が可能な有機化合物または有機分子であれば、低分子であるか、高分子であるかを問わず、第１光電変換層５１１を構成する材料または第２光電変換層５１２を構成する材料として用い得る。
【００８０】
検出を行いたい波長域に応じて適切な材料を第１材料および第２材料としてそれぞれ用いることにより、所望の波長域に感度を有する光電変換構造５１を実現し得る。例えば、第１材料として、可視域に吸収ピークを有する材料を用い、第２材料として、赤外域に吸収ピークを有する材料を用い得る。上述のＤＴＤＣＴＢは、波長が概ね７００ｎｍの位置に吸収ピークを有し、ＣｕＰｃおよびＳｕｂＰｃは、それぞれ、波長が概ね６２０ｎｍおよび概ね５８０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。Ｓｉ（ＯＳｉＲ３）２Ｎｃは、波長が概ね７９０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。ルブレンは、波長が概ね５３０ｎｍの位置に吸収ピークを有し、α−６Ｔは、波長が概ね４４０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。すなわち、これらの材料の吸収ピークは、可視光の波長範囲にあり、これらを例えば第１材料として用い得る。他方、ＳｎＮｃは、波長が概ね８７０ｎｍの位置に吸収ピークを有し、ＣｌＡｌＰｃは、波長が概ね７５０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。すなわち、これらの材料の吸収ピークは、赤外光の波長範囲にあり、これらを例えば第２材料として用い得る。もちろん、第１材料として、赤外域に吸収ピークを有する材料を用い、第２材料として、可視域に吸収ピークを有する材料を用いてもよい。
【００８１】
本明細書において、可視波長域とは、例えば、３８０ｎｍ以上７５０ｎｍ未満の波長範囲をいい、赤外波長域とは、７５０ｎｍ以上の波長範囲をいう。また、近赤外波長域とは、例えば、７５０ｎｍ以上１４００ｎｍ未満の波長範囲をいう。本明細書では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。例えば、可視域に含まれる第１の波長に吸収ピークを有する材料を第１材料として用い、赤外域に含まれる第２の波長に吸収ピークを有する材料を第２材料として用いることにより、赤外域における感度を電気的に変化させ得る。
【００８２】
例えば、可視光に対して高い吸収係数を有する材料を第１材料として用いた第１光電変換層５１１のインピーダンスＺ１が、赤外光に対して高い吸収係数を有する材料を第２材料として用いた第２光電変換層５１２のインピーダンスＺ２よりも大きい（Ｚ１＞Ｚ２）場合を想定する。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。このとき、対向電極５２と画素電極５０との間に印加される電圧があるしきい値以下であると、光電変換部１０は、可視域において相対的に高い感度を示す。したがって、可視光による画像信号を取得することができる。一方、対向電極５２と画素電極５０との間に印加される電圧がしきい値を超える場合には、光電変換部１０は、可視域および赤外域に感度を示す。したがって、可視光および赤外光による画像信号を取得することができる。このことを言い換えると、対向電極５２と画素電極５０との間に印加する電圧において、可視光による撮像が可能な電圧をＶ１とし、可視光および赤外光による撮像が可能な電圧をＶ２とすれば、｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜の関係が成り立つ。
【００８３】
逆に、第１光電変換層５１１のインピーダンスＺ１が、第２光電変換層５１２のインピーダンスＺ２よりも小さい（Ｚ１＜Ｚ２）場合、対向電極５２と画素電極５０との間に印加される電圧があるしきい値以下であると、光電変換部１０は、赤外光域において相対的に高い感度を有し得る。このため、撮像装置１０１によって赤外光による画像信号を取得し得る。一方、対向電極５２と画素電極５０との間に印加される電圧がしきい値を超える場合には、光電変換部１０は、可視光領域および赤外光域に感度を示す。したがって、可視光および赤外光による画像信号を取得することができる。このとき、対向電極５２と画素電極５０との間に印加する電圧において、赤外光による撮像が可能な電圧をＶ３とし、可視光および赤外光による撮像が可能な電圧をＶ４とすれば、やはり、｜Ｖ３｜＜｜Ｖ４｜の関係が成り立つ。注目すべきは、対向電極５２と画素電極５０との間に印加する電圧によって、取得できる画像の波長帯域を切り替えられる点である。
【００８４】
単独の有機材料を用いることによっては第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２が所望の感度特性を十分に有しない場合には、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の一方または両方を、２以上の有機材料を混合することによって形成してもよい。あるいは、異なる有機材料を含む２以上の層を積層することによって第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の一方または両方を形成してもよい。第１光電変換層５１１および／または第２光電変換層５１２は、例えば、ｐ型半導体およびｎ型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層であり得る。バルクへテロ接合構造は、特許第５５５３７２７号公報において詳細に説明されている。参考のため、特許第５５５３７２７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２は、アモルファスシリコン等の無機半導体材料を含んでいてもよい。第１光電変換層５１１および／または第２光電変換層５１２が、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。
【００８５】
図５は、光電変換部１０の断面構造の他の例を示す。図５に示す光電変換構造５１Ａは、第１光電変換層５１１、混合層５１０および第２光電変換層５１２を含んでいる。混合層５１０は、少なくとも第１材料および第２材料を含む層であり、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の間に位置している。なお、図５および上述の図３は、あくまでも模式的な図であり、光電変換構造に含まれる各層の境界を厳密に画定できないこともある。本開示の他の断面図においても同様である。なお、本発明者らが検証したところによると、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２を有する積層構造を形成せずに、アクセプター性有機半導体としての第１材料および第２材料、ならびに、ドナー性有機半導体が混合された層のみを光電変換構造として用いた場合には、バイアスを増大させると、第１材料の吸収スペクトルに対応した波長範囲と、第２材料の吸収スペクトルに対応した波長範囲との両方において外部量子効率が上昇し得る。したがって、バイアス電圧を変化させることによる分光感度の変調の効果が得られないことがある。
【００８６】
このように、光電変換部１０の構成は、図３に示す構成に限定されない。例えば、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の配置は、図３および図５に示す配置と逆であり得る。光電変換構造５１において生成された正および負の電荷のうち、負の電荷（典型的には電子）を信号電荷として用いる場合には、電子ブロッキング層５１５および正孔輸送層５１３に代えて正孔ブロッキング層および電子輸送層を用い、電子輸送層５１４および正孔ブロッキング層５１６に代えて正孔輸送層および電子ブロッキング層を用いればよい。
【００８７】
（イオン化ポテンシャルの差を利用した、バイアス電圧の切り替えによる分光感度特性の切り替え）
本発明者らは、さらに、第１光電変換層５１１のインピーダンスが第２光電変換層５１２のインピーダンスと同じか、第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも小さい場合であっても、第１材料および第２材料の間のイオン化ポテンシャルの差がある程度大きければ、印加するバイアス電圧を変化させることによって分光感度特性を変化させ得ることを見出した。
【００８８】
図６は、光電変換部のさらに他の構成例におけるエネルギ図である。図６中の矩形は、各材料におけるＬＵＭＯおよびＨＯＭＯを模式的に示す。これらの矩形の上側の辺および下側の辺の近くに付された数値は、それぞれ、各材料の電子親和力およびイオン化ポテンシャルを表している。図６中の太い横線は、対向電極５２および画素電極５０の例示的なフェルミ準位を模式的に表している。
【００８９】
図６に例示する構成において、光電変換構造５１Ｂは、電子ブロッキング層５１５、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２が画素電極５０から対向電極５２に向かって積層された積層構造を有している。この例では、第１材料、第２材料、および、電子ブロッキング層５１５の材料として、それぞれ、ルブレン、ＳｎＮｃおよび両極性有機半導体であるビス（カルバゾリン）ベンゾジフラン（ＣＺＢＤＦ）が用いられている。図７は、ＣＺＢＤＦの化学式を示す。図６において模式的に示すように、ここでは、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２は、アクセプター性有機半導体としてのＣ７０を含んでいる。この例における第１光電変換層５１１は、可視光を受けて光電変換によって電荷対を生成し、第２光電変換層５１２は、赤外線を受けて光電変換によって電荷対を生成する。図６中の白丸「○」および黒丸「●」は、それぞれ、光電変換によって生成された正の電荷および負の電荷を表している。
【００９０】
既に説明したように、正の電荷を画素電極５０によって収集する場合、例えば対向電極５２に第１電圧ＶＡが供給されることにより、対向電極５２が画素電極５０よりも高電位とされる。この状態において、第１光電変換層５１１に可視光が入射されて第１光電変換層５１１に正および負の電荷が生成されると、正の電荷が画素電極５０に収集される。すなわち、単位画素セル１４は、可視光の照射によって生成された信号電荷が電荷蓄積領域に蓄積される、可視光の波長範囲に感度を有する状態である。負の電荷は、ルブレンのＬＵＭＯ準位からＣ７０のＬＵＭＯ準位に移り、画素電極５０および対向電極５２の間の電界に従って、対向電極５２に向かって移動する。第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の間でアクセプター性有機半導体として共通してＣ７０が用いられているので、Ｃ７０のＬＵＭＯ準位に移った負の電荷は、そのまま対向電極５２まで移動し、対向電極５２に収集され得る。
【００９１】
ここで、第２光電変換層５１２に赤外線が入射されて第２光電変換層５１２に正および負の電荷が生成された状態を想定する。正の電荷に注目すると、正の電荷は、画素電極５０および対向電極５２の間の電界に従って画素電極５０に向かって移動する。しかしながら、図６に示すように、ルブレンのイオン化ポテンシャルは、ＳｎＮｃのイオン化ポテンシャルよりも大きく、したがって、ＳｎＮｃのＨＯＭＯ準位とルブレンのＨＯＭＯ準位との間には、正の電荷に対するポテンシャル障壁が形成されている。そのため、画素電極５０および対向電極５２の間のバイアスが小さいと、正の電荷がこのポテンシャル障壁を超えられず、画素電極５０に到達しない。これは、単位画素セル１４が赤外線の波長範囲に感度を有しない状態であることを意味する。
【００９２】
画素電極５０および対向電極５２の間のバイアスを増大させ、ポテンシャル障壁を超えることが可能なエネルギを正の電荷に与えると、正の電荷がポテンシャル障壁を超えて画素電極５０に到達するようになる。すなわち、例えば対向電極５２に第１電圧ＶＡよりも絶対値の大きな第２電圧ＶＢを電圧印加回路６０から供給することにより、第２光電変換層５１２において生成された正の電荷を画素電極５０によって収集し得る。換言すれば、単位画素セル１４に供給するバイアス電圧の切り替えにより、単位画素セル１４に赤外線の波長範囲における感度を与えることができる。このとき、単位画素セル１４は、可視光および赤外線の波長範囲に感度を有する状態である。
【００９３】
本発明者らの検討によれば、第１材料のイオン化ポテンシャルの絶対値が、第２材料のイオン化ポテンシャルの絶対値よりも０．２ｅＶ以上大きければ、バイアス電圧の切り替えによるこのような分光感度特性の切り替えの効果が得られる。このとき、図６に例示されるように、第２光電変換層５１２が第１光電変換層５１１および対向電極５２の間に位置するような構成においては、画素電極５０よりも対向電極５２が高電位となるような切替電圧を用いればよい。
【００９４】
このように、第１材料のイオン化ポテンシャルの絶対値が、第２材料のイオン化ポテンシャルの絶対値よりも０．２ｅＶ以上大きければ、第１光電変換層５１１のインピーダンスが第２光電変換層５１２のインピーダンスと同じであるか、第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも小さい場合であっても、単位画素セル１４における分光感度特性を電気的に切り替え得る。この場合、さらに、第１光電変換層５１１のインピーダンスが第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも大きくてもよい。
【００９５】
図８は、図６に示す光電変換構造５１Ｂにおける第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の配置を互いに入れ替えた構成を有する光電変換構造５１Ｃに関するエネルギ図である。
【００９６】
図８に例示する構成においては、画素電極５０に向かって移動する正の電荷にとって、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の間にポテンシャル障壁は存在しない。したがって、画素電極５０よりも対向電極５２が高電位となるようなバイアス電圧を適用すれば、図８において白丸および矢印によって模式的に示されるように、第１光電変換層５１１において生成された正の電荷および第２光電変換層５１２において生成された正の電荷のいずれも、画素電極５０に到達し得る。したがって、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の間におけるイオン化ポテンシャルの差に起因した、分光感度特性の切り替えの効果は期待できない。ただし、第１光電変換層５１１のインピーダンスを第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも大きくすれば、このような積層順序であっても、バイアス電圧の切り替えによる分光感度特性の切り替えの機能自体は実現可能である。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００９７】
以上に説明したように、本開示の少なくともいずれかの実施形態によれば、互いに絶対値の異なる２以上のバイアス電圧を用いることにより、単位画素セル１４における分光感度特性を電気的に切り替えることが可能である。なお、光電変換によって生成された正および負の電荷のうち、負の電荷を信号電荷として用いる場合には、電子ブロッキング層５１５に代えて正孔ブロッキング層を用い、画素電極５０よりも対向電極５２が低電位となるようなバイアス電圧を対向電極５２に供給すればよい。図６および図８のいずれの例においても、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の間には電子に対するポテンシャル障壁は形成されていないが、第１光電変換層５１１のインピーダンスを第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも大きくすれば、バイアス電圧の切り替えによる分光感度特性の切り替えを実現することが可能である。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。
【００９８】
（撮像装置の動作例）
次に、撮像装置１０１の動作例を説明する。
【００９９】
図９は、感光領域において互いに隣接する２つの単位画素セルの断面を模式的に示す。図２を参照して説明したように、感光領域中の単位画素セル１４は、対向電極５２に対向する光学フィルタ５３を有し得る。図９は、光学フィルタ５３０を有する単位画素セル１４ｘおよび光学フィルタ５３１を有する単位画素セル１４ｙの断面を模式的に示している。ここで例示する構成における光学フィルタ５３０および５３１は、可視光および赤外光の波長範囲の光を選択的に透過させるカラーフィルタであり、可視域において選択的に吸収する光の波長範囲が互いに異なる。光学フィルタ５３０は、赤色光に対する透過率が高いＲフィルタ、緑色光に対する透過率が高いＧフィルタおよび青色光に対する透過率が高いＢフィルタのうちの１つであり得る。光学フィルタ５３１は、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタのうちの他の１つであり得る。
【０１００】
なお、ここでは、単位画素セル１４ｘの光電変換構造５１ｘおよび単位画素セル１４ｙの光電変換構造５１ｙに含まれる第１材料および第２材料として、可視域に高い吸収係数を示す材料（例えばＤＴＤＣＴＢ）および赤外域に高い吸収係数を示す材料（例えばＳｎＮｃ）をそれぞれ用いた構成を例示する。図面が過度に複雑になることを避けるために図９では図示が省略されているが、光電変換構造５１ｘおよび光電変換構造５１ｙは、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２を有する積層構造を含む。ここで説明する例において、第１光電変換層５１１のインピーダンスは、第２光電変換層５１２のインピーダンスよりも大きい。ここで、第１光電変換層のインピーダンスおよび第２光電変換層のインピーダンスは、第１光電変換層および第２光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。或は、第１材料におけるイオン化ポテンシャルの絶対値は、第２材料におけるイオン化ポテンシャルの絶対値よりも０．２ｅＶ以上大きい。
【０１０１】
図９に例示する構成において、単位画素セル１４ｘの光電変換構造５１ｘおよび単位画素セル１４ｙの光電変換構造５１ｙは、連続した単一の構造の形で形成されている。この例のように複数の単位画素セル１４の間で光電変換構造を共通の構成とすることにより、複数の単位画素セル１４にわたって光電変換構造５１を一括して形成でき、したがって、製造工程の複雑化を回避し得る。
【０１０２】
また、この例では、単位画素セル１４ｘの対向電極５２ｘおよび単位画素セル１４ｙの対向電極５２ｙが、連続した単一の電極の一部の形で形成されている。このような構成によれば、複数の単位画素セル１４にわたって一括して対向電極５２を形成できるので、製造工程の複雑化を回避し得る。連続した単一の電極の形で複数の単位画素セル１４の対向電極５２を形成すれば、配線の複雑化を回避しながら、複数の単位画素セル１４の対向電極５２に切替電圧を共通して印加可能である。対向電極５２は、単位画素セル１４毎に空間的に分離されることにより電気的に分離されていてもよい。この場合、ある単位画素セル１４および他のある単位画素セル１４に、互いに異なる切替電圧を独立して供給するようにしてもよい。
【０１０３】
図１０は、図９に示す単位画素セル１４ｘおよび単位画素セル１４ｙを含む感光領域を半導体基板３１の法線方向から見たときの外観の例を示す。この例では、ベイヤー配列のカラーフィルタアレイが用いられている。すなわち、光学フィルタ５３として、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタのいずれかが各単位画素セル１４の対向電極５２に対向して配置されている。ここで、図１０に示される９つの単位画素セル１４のうち、２行２列のマトリクス状に配置された４つの単位画素セル１４を含む画素ブロック１４ＢＫに注目する。図１０に示すように、各単位画素セル１４にカラーフィルタが配置された構成においては、例えば、以下の動作モードＩおよび動作モードＩＩを適用可能である。
【０１０４】
動作モードＩでは、電圧印加回路６０は、｜ＶＬ｜＜｜ＶＨ｜の関係を有する電圧ＶＬおよびＶＨを生成し、第１電圧としての電圧ＶＬおよび第２電圧としての電圧ＶＨを１フレーム毎に切り替えて出力する。第１電圧ＶＬの印加時、各単位画素セル１４の光電変換構造５１は、可視光の波長範囲に感度を有する状態となり、第２電圧ＶＨの印加時、各単位画素セル１４の光電変換構造５１は、可視光および赤外線の波長範囲に感度を有する状態となる。この場合、Ｒフィルタを有する単位画素セル１４、Ｇフィルタを有する単位画素セル１４およびＢフィルタを有する単位画素セル１４からは、それぞれ、Ｒ、ＧおよびＢの画像信号と（切替電圧が第１電圧ＶＬのフレーム）、赤色光と赤外光、緑色光と赤外光および青色光と赤外光による画像信号と（切替電圧が第２電圧ＶＨのフレーム）がフレーム毎に交互に出力される。
【０１０５】
撮像装置１０１は、水平信号読み出し回路２０（図２参照）に接続された信号処理回路を有し得る。信号処理回路は、例えば、各単位画素セル１４からの画像信号に演算処理を施し、画像を形成する。第１の動作モードＩにおいては、信号処理回路は、切替電圧が第１電圧ＶＬのフレームにおける出力に基づき、ＲＧＢのカラー画像を形成することができる。また、信号処理回路は、連続する２つのフレームの画像間において、対応する画素どうしの画素値の差分を求める。これにより、赤色光、緑色光および青色光による信号成分が除去され、赤外光による画像を得ることができる。よって、この動作モードによれば、カラー画像（静止画または動画）と、赤外光による画像（静止画または動画）とを実質的に同時に得ることができる。
【０１０６】
動作モードＩＩでは、例えば撮像装置１０１の利用シーンに応じて、第１電圧ＶＬおよび第２電圧ＶＨのいずれか一方を選択的に各単位画素セル１４に供給する。例えば、撮像装置１０１をセキュリティカメラまたは車載カメラとして用いる場合、昼間には、切替電圧として第１電圧ＶＬを電圧印加回路６０に生成させる。したがって、昼間においては、カラー画像が取得される。一方、夜間には、切替電圧として第２電圧ＶＨを電圧印加回路６０に生成させて画像を取得する。この場合、撮像装置１０１は、赤色光と赤外光、緑色光と赤外光および青色光と赤外光に基づく画像を取得する。夜間においては、取得される画像に可視域の情報があまり含まれない。したがって、実質的に、赤外光による画像を取得することができる。赤外照明を用いれば、赤外光による画像の取得にさらに有効である。このように、図１０に例示するような光学フィルタ５３の配置によれば、画素電極５０および対向電極５２の間に印加するバイアスを切り替えることによって、例えば、ＲＧＢ画像と、赤外光に基づく画像とを切り替えて取得可能である。
【０１０７】
図１１は、図９に示す単位画素セル１４ｘおよび単位画素セル１４ｙを含む感光領域を半導体基板３１の法線方向から見たときの外観の他の例を示す。図１０に示す構成と比較して、この例では、画素ブロック１４ＢＫ中のＧフィルタのうちの１つが赤外透過フィルタ（ＩＲフィルタ）に置き換えられている。このような構成においては、以下に説明するような動作モードＩＩＩを適用可能である。
【０１０８】
動作モードＩＩＩにおいても、例えば撮像装置１０１の利用シーンに応じて、第１電圧ＶＬおよび第２電圧ＶＨのいずれか一方が選択的に各単位画素セル１４に供給される。電圧印加回路６０が各単位画素セル１４に第１電圧ＶＬを供給している状態においては、各単位画素セル１４の光電変換構造５１は、可視光の波長範囲に感度を示す。したがって、Ｒフィルタ、ＧフィルタまたはＢフィルタが配置された単位画素セル１４の出力を利用してＲＧＢのカラー画像を得ることができる。ＩＲフィルタが配置された単位画素セル１４に対応する画素値は、例えば、周囲の画素値を用いて補完され得る。これに対し、電圧印加回路６０が各単位画素セル１４に供給している切替電圧が第２電圧ＶＨである状態においては、ＩＲフィルタが配置された単位画素セル１４は、赤外光に関する画像信号を出力する。したがって、ＩＲフィルタが配置された単位画素セル１４からの画像信号を選択的に取得することにより、赤外光に基づく画像を形成することができる。他方、Ｒフィルタ、ＧフィルタおよびＢフィルタが配置された単位画素セル１４は、それぞれ、赤色光と赤外光、緑色光と赤外光および青色光と赤外光に関する画像信号を出力する。カラーフィルタが配置された単位画素セル１４の画像信号は、利用されずに破棄され得る。つまり、動作モードＩＩＩでは、電圧印加回路６０から各単位画素セル１４に第１電圧ＶＬを供給することによって、可視光によるカラー画像を取得し、各単位画素セル１４に第２電圧ＶＨを供給することによって、赤外光による画像を得ることができる。例えば、撮像装置１０１をセキュリティカメラまたは車載カメラに適用すれば、昼間はカラー画像を取得し、夜間には赤外光の画像を取得するカメラを実現することが可能である。
【０１０９】
図１１に例示するような光学フィルタ５３の配置によれば、ＲＧＢの画像信号を出力する単位画素セル１４と、赤外光に基づく画像信号を出力する単位画素セル１４とを感光領域中に混在させることができる。したがって、動作モードＩまたはＩＩを適用した場合と同様に、例えば、ＲＧＢ画像と、赤外光に基づく画像とを切り替えて取得可能である。
【０１１０】
上述の動作モードＩ、ＩＩおよびＩＩＩにおいては、どのような波長帯域に関する画像を取得するかに応じて切替電圧を第１電圧ＶＬおよび第２電圧ＶＨの間で変更している。しかしながら、電圧印加回路６０から供給される電圧を複数の単位画素セル１４の間で共通としながら、これらの単位画素セル１４の間で分光感度特性を異ならせることも可能である。
【０１１１】
図１２は、本開示の実施形態に係る撮像装置の回路構成の他の例を示す。図１２に例示する構成において、単位画素セル１４ｘの電荷検出回路２５ｘおよび単位画素セル１４ｙの電荷検出回路２５ｙは、それぞれ、抵抗器Ｒ１およびＲ２を含んでいる。図示する例において、抵抗器Ｒ１およびＲ２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極と光電変換部１０の画素電極５０との間に接続されている。抵抗器Ｒ１およびＲ２は、互いに異なる抵抗値を有し、例えば、抵抗器Ｒ１は、抵抗器Ｒ２よりも大きな抵抗値を有する。
【０１１２】
図１２に例示する回路構成において、対向電極５２ｘおよび５２ｙに第２電圧ＶＨを印加すると、抵抗器Ｒ１および抵抗器Ｒ２において異なる電圧降下が生じる。したがって、電圧印加回路６０から単位画素セル１４ｘおよび１４ｙに印加される電圧を共通としながらも、画素電極５０と対向電極５２との間に印加される実効的なバイアス電圧を単位画素セル１４ｘおよび１４ｙの間で異ならせることができる。
【０１１３】
対向電極５２ｘおよび５２ｙに共通して第２電圧ＶＨを供給した場合、この例では、単位画素セル１４ｙの光電変換構造５１ｙには、単位画素セル１４ｘの光電変換構造５１ｘと比較してより大きな電界が印加される。したがって、可視光および赤外線の波長範囲における感度の付与に十分な大きさの電界を単位画素セル１４ｙに印加し得る。すなわち、対向電極５２ｘおよび５２ｙに印加する電圧（ここでは第２電圧ＶＨ）を共通としながら、単位画素セル１４ｘによって可視光（例えば赤色光）に関する画像信号を取得し、単位画素セル１４ｙによって可視光（例えば赤色光）および赤外光に関する画像信号を取得することが可能である。単位画素セル１４ｙにおける光学フィルタ５３１に代えてＩＲフィルタを用いれば、単位画素セル１４ｙによって赤外光に関する画像信号を取得することができる。
【０１１４】
抵抗器Ｒ１およびＲ２は、他の回路要素とは独立の個別の部品に限定されず、例えば電荷蓄積ノード２４における配線抵抗を抵抗器Ｒ１またはＲ２として利用してもよい。図９に例示する構成であれば、単位画素セル１４ｘの接続部４８ｘと、単位画素セル１４ｙの接続部４８ｙとの間で、例えば、これらを構成する材料、または、プラグの太さもしくは長さ等を異ならせ得る。これにより、接続部４８ｘと接続部４８ｙとの間において異なる抵抗値が得られるので、接続部４８ｘおよび４８ｙをそれぞれ抵抗器Ｒ１およびＲ２として利用し得る。
【０１１５】
図１３は、光学フィルタの配置の他の例を示す。図１３に例示する構成において、単位画素セル１４ｘは、カラーフィルタ５３２（例えばＲフィルタ、ＧフィルタまたはＢフィルタ）と、カラーフィルタ５３２に対向する赤外線カットフィルタ５３４とを有し、単位画素セル１４ｘに隣接する単位画素セル１４ｙは、ＩＲフィルタ５３６を有する。このような構成においては、以下に説明するような動作モードＩＶを適用可能である。
【０１１６】
動作モードＩＶでは、図１２を参照して説明した例と同様に、撮像時のバイアス電圧は、固定される。電圧印加回路６０は、第２電圧ＶＨを対向電極５２ｘおよび５２ｙに印加する。第２電圧ＶＨが印加された状態においては、光電変換部１０における光電変換構造５１ｘ、５１ｙは、可視域および赤外域に感度を有する状態となる。このとき、カラーフィルタ５３２および赤外線カットフィルタ５３４を有する単位画素セル１４ｘからは、例えば赤色光、緑色光および青色光のいずれかに関する画像信号が出力される。したがって、単位画素セル１４ｘからの画像信号に基づいて、ＲＧＢのカラー画像を形成することができる。ＩＲフィルタ５３６を有する単位画素セル１４ｙに対応する画素値は、例えば、周囲の画素値を用いて補完すればよい。一方、ＩＲフィルタ５３６を有する単位画素セル１４ｙからは、赤外光に関する画像信号が出力される。したがって、単位画素セル１４ｙからの画像信号に基づいて、赤外光の画像を形成することができる。すなわち、図１３に例示する構成によれば、ＲＧＢのカラー画像と赤外光による画像とを一括して取得可能なカメラを実現することができる。
【０１１７】
下記の表１は、撮像装置１０１の動作モードと、取得される画像信号との間の関係を示す。
【０１１８】
【表１】
2018025544.tif 000003
【０１１９】
このように、選択的に透過させる波長範囲の異なる複数の光学フィルタを適用することにより、光電変換構造を共通としながらも、分光感度特性が異なる複数の単位画素セル１４を感光領域中に混在させることができる。さらに、画素電極５０と対向電極５２との間に印加されるバイアス電圧を変更することにより、第２光電変換層５１２を構成する材料（特に第２材料）の吸収スペクトルに対応した波長範囲の光に対する感度を調整可能である。したがって、電圧印加回路６０から各単位画素セル１４に供給する切替電圧に応じて、取得される画像を例えば可視光に基づく画像および赤外光に基づく画像の間で切り替えることができる。本開示の実施形態によれば、可視光に基づく画像および赤外光に基づく画像を順次に、または、一括して取得可能な撮像装置が提供される。なお、切替電圧の数は２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
【０１２０】
上述の動作モードＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶは、あくまでも例示であり、撮像装置１０１には、種々の動作モードを適用可能である。なお、上述の例では、赤外域内の波長範囲における感度を切替電圧により調整している。しかしながら、光電変換構造５１の形成に用いる第１材料および第２材料の組み合わせによっては、可視域内の波長範囲における感度を切替電圧により調整し得る。例えば、第１電圧ＶＬの印加時に赤外光による画像が得られ、第２電圧ＶＨの印加時にはカラー画像が得られるような撮像装置を実現し得る。また、上述の動作モードＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶでは、取得される画像を可視光に基づく画像および赤外光に基づく画像の間で切り替えている。しかしながら、このような動作に限定されず、他の波長域の光に基づく画像間の切り替えを行ってもよい。
【０１２１】
電圧印加回路６０が単位画素セル１４に供給する切替電圧の具体的な値は、光電変換構造５１の構成に応じて適宜設定することが可能である。例えば、電圧印加回路６０は、光電変換構造５１において、可視域の感度が特異的に変化し、かつ、赤外域において感度がほとんど変化しないような電圧の範囲から選択された電圧を切替電圧として生成してもよい。この場合、可視域における特定の波長の感度を高めたり、低下させたりし得る。したがって、異なる波長分布の画像を切り替えて取得することが可能な撮像装置を実現し得る。
【実施例】
【０１２２】
上述した光電変換部１０と同様の積層構造を有するサンプルを製作し、バイアスを変化させて外部量子効率を測定することにより、製作したサンプルにおける、バイアスの変化に対する分光感度特性の変化を評価した。サンプルは、以下のようにして作製した。【０１２３】
（実施例１−１）
まず、ガラス基板を用意した。次に、表２に示す材料を真空蒸着によってガラス基板上に順次に堆積することにより、下面電極、電子ブロッキング層、下側光電変換層、上側光電変換層および上面電極の積層構造をガラス基板上に形成した。表２には、形成した各層の厚さもあわせて示されている。下側光電変換層の形成においては、ＳｎＮｃおよびＣ７０を共蒸着した。同様に、ＤＴＤＣＴＢおよびＣ７０を共蒸着することにより、上側光電変換層を形成した。下側光電変換層の形成および上側光電変換層の形成においては、ＳｎＮｃおよびＣ７０の体積比、ならびに、ＤＴＤＣＴＢおよびＣ７０の体積比が１：１となるように、蒸着における条件を調整した。これにより、実施例１−１のサンプルを得た。【０１２４】
【表２】
2018025544.tif 000004
【０１２５】
次に、分光計器株式会社製  分光感度測定装置ＣＥＰ−２５ＲＲを下面電極および上面電極に接続し、下面電極および上面電極の間に印加する電圧を変えながら、実施例１−１のサンプルにおける外部量子効率を測定した。ここでは、測定対象への光量を一定とした状態で、上面電極の電位を接地としたときの下面電極の電位を−３Ｖ、−５Ｖ、−８Ｖ、−１０Ｖおよび−１１Ｖに変化させて外部量子効率を測定した。これらのバイアス印加は、上述の光電変換部１０において画素電極５０によって正の電荷を収集する構成に対応している。すなわち、この例では、光電変換によって生成される正の電荷は、下面電極に向かって移動する。実施例１−１のサンプルにおける下面電極および上面電極を上述の光電変換部１０における画素電極５０および対向電極５２にそれぞれ対応付けることができる。ただし、測定においてガラス基板側から光を入射させる都合上、ここでは、下面電極の材料としてＩＴＯを用い、上面電極の材料としてＡｌを用いている。【０１２６】
図１４は、実施例１−１のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す。図１４に示す各グラフは、外部量子効率のピーク値が１となるように規格化されている。なお、図１４以降の、外部量子効率の電圧依存性に関する各グラフも、外部量子効率のピーク値が１となるように規格化されている。【０１２７】
図１４から、下面電極に印加するバイアス電圧の絶対値が小さい場合、換言すれば、２つの電極の間に印加される電界の強度が小さい場合、下側光電変換層に含まれるＳｎＮｃの吸収ピーク位置付近における外部量子効率は、比較的低い値を示すことがわかる。すなわち、赤外域における感度が低い。これに対し、上側光電変換層に含まれるＤＴＤＣＴＢが吸収ピークを示す可視域においては、比較的高い外部量子効率が得られている。さらに、図１４から、上面電極と下面電極との間に印加するバイアス電圧の絶対値を増大させると、バイアス電圧の絶対値の増大に従って、赤外域における外部量子効率が増大することがわかる。すなわち、バイアス電圧の大きさに依存して、ＳｎＮｃの吸収スペクトルに対応する波長域における感度が上昇することがわかる。【０１２８】
例えば、ＳｎＮｃの吸収ピークに対応する波長８７０ｎｍ付近において、下面電極の電位を−３Ｖとしたときの外部量子効率と、下面電極の電位を−１１Ｖとしたときの外部量子効率とを比較すると、後者は、前者と比較しておよそ３３．７倍であった。なお、図１４においては不図示であるが、ＳｎＮｃの吸収ピークに対応する波長８７０ｎｍ付近における、下面電極の電位を−１５Ｖとしたときの外部量子効率は、下面電極の電位を−３Ｖとしたときの外部量子効率と比較しておよそ７７．３倍であった。【０１２９】
次に、光を照射しない状態で、所定周波数において、上側光電変換層のインピーダンスと、下側側光電変換層のインピーダンスとを比較した。インピーダンスの測定には、下面電極および上面電極の間に上側光電変換層のみを有するサンプルと、下面電極および上面電極の間に下側光電変換層のみを有するサンプルとを用いた。上側光電変換層のインピーダンスの測定に使用したサンプルの構成は、下側光電変換層および電子ブロッキング層を形成せず、上側光電変換層の厚さを２００ｎｍとしたことを除いて、実施例１−１のサンプルと同様である。下側光電変換層のインピーダンスの測定に使用したサンプルの構成は、上側光電変換層および電子ブロッキング層を形成せず、下側光電変換層の厚さを２００ｎｍとしたことを除いて、実施例１−１のサンプルと同様である。インピーダンスの測定および解析には、東陽テクニカ社製  ＭｏｄｕＬａｂ  ＸＭ  ＥＣＳおよびＺｐｌｏｔソフトウェアを用いた。動作モードとしてＦｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｗｅｅｐモードを用い、振幅を１０ｍＶとして周波数を１Ｈｚから１ＭＨｚまで変化させた。なお、ｓｔａｒｔ  ｄｅｌａｙを５ｓｅｃとして測定した。上側光電変換層および下側光電変換層に関して、上側光電変換層および下側光電変換層に光を照射しない状態で、上面電極に対する下面電極へのバイアス電圧：−８Ｖ、周波数：１Ｈｚにおけるインピーダンスの値を比較した。【０１３０】
バイアス電圧が−８Ｖ、周波数が１Ｈｚのときのインピーダンスの値は、ＤＴＤＣＴＢを含む上側光電変換層について７．５×１０６Ω、ＳｎＮｃを含む下側光電変換層について４．２×１０３Ωであった。つまり、上側光電変換層のインピーダンスは、下側光電変換層のインピーダンスと比較して１８００倍程度大きい。【０１３１】
図１５は、実施例１−１のサンプルに関する、４６０ｎｍ、５４０ｎｍ、６８０ｎｍ、８８０ｎｍの各波長における外部量子効率と、印加される電界との間の関係を示す。図１５に示すグラフの横軸は、上面電極および下面電極の間に印加するバイアス電圧を、上側光電変換層、下側光電変換層および電子ブロッキング層の厚さの合計で割った値を示している。つまり、図１５に示すグラフの横軸は、上面電極と下面電極との間に印加される電界の大きさに対応している。【０１３２】
図１５に示す例では、波長が８８０ｎｍの光に対する外部量子効率は、約４×１０５Ｖ／ｃｍ未満の電界強度では、ほぼゼロであり、あるしきい値以上、ここでは約４×１０５Ｖ／ｃｍ以上の電界強度において増加し始めることがわかる。第１および第２の光電変換層を含む光電変換構造（例えば図３参照）に十分に大きなバイアスを印加することにより、２つの光電変換層のうち、相対的に小さなインピーダンスを有する層に、十分に大きなバイアスを印加し得る。図１５から、２つの光電変換層のうち、相対的に小さなインピーダンスを有する層（すなわち、ここでは下側光電変換層）への十分な大きさのバイアスの印加により、その層の外部量子効率が比較的大きな値を示すようになることがわかる。【０１３３】
図１５から、４６０ｎｍ、５４０ｎｍ、６８０ｎｍ、８８０ｎｍの各波長における外部量子効率は、上面電極および下面電極の間の電界の大きさが概ね９×１０５Ｖ／ｃｍ以上において飽和する傾向を示すこともわかる。上述の第１電圧ＶＡおよび第２電圧ＶＢの具体的な値は、例えば、以下のようにして決定することができる。光電変換構造に印加される電界強度が、ある第１の波長範囲（例えば可視域）の光に関する外部量子効率、および、ある他の第２の波長範囲（例えば赤外域）の光に関する外部量子効率が飽和する電界強度の７０％以上となるような電圧を第２電圧ＶＢとして用いることができる。第１電圧ＶＡとしては、光電変換構造５１に印加される電界強度が、第１の波長範囲の光に関する外部量子効率が飽和する電界強度の３０％以下となるような電圧を用いることができる。なお、外部量子効率が０．２程度以上である状態を、感度を有する状態と定義してもよい。第１電圧ＶＡおよび第２電圧ＶＢは、第１光電変換層５１１および第２光電変換層５１２の厚さ等を考慮して適宜決定すればよい。本発明者らの検討結果によれば、用途にもよるが、第２光電変換層５１２を構成する第２材料の吸収ピークに対応する波長において、第２電圧ＶＢの印加時の光電変換構造の外部量子効率が、第１電圧ＶＡの印加時と比較して２倍程度以上であれば実用上有用である。あるいは、第１光電変換層５１１を構成する第１材料の吸収ピークに対応する波長において、第２電圧ＶＢの印加時の光電変換構造の外部量子効率が、第１電圧ＶＡの印加時と比較して２倍程度以上であればよい。【０１３４】
（実施例１−２）
下側光電変換層および上側光電変換層の間に、ＳｎＮｃおよびＤＴＤＣＴＢを含む混合層を配置したこと以外は実施例１−１のサンプルとほぼ同様にして、実施例１−２のサンプルを作製した。下記の表３は、実施例１−２のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。混合層は、ＳｎＮｃ、ＤＴＤＣＴＢおよびＣ７０の３つの材料を共蒸着することによって形成した。混合層の形成においては、ＳｎＮｃ、ＤＴＤＣＴＢおよびＣ７０の体積比が１：１：８となるように、蒸着における条件を調整した。また、下側光電変換層の形成および上側光電変換層の形成においては、ＳｎＮｃおよびＣ７０の体積比、ならびに、ＤＴＤＣＴＢおよびＣ７０の体積比が１：４となるように、蒸着における条件を調整した。【０１３５】
【表３】
2018025544.tif 000005
【０１３６】
実施例１−２のサンプルについて、実施例１−１のサンプルと同様にして、外部量子効率の電圧依存性を測定した。図１６は、実施例１−２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す。【０１３７】
図１６に示すように、実施例１−２のサンプルでは、実施例１−１のサンプルと同様に、下面電極に印加するバイアス電圧の絶対値の増大によって、下側光電変換層に含まれるＳｎＮｃの吸収ピークに対応する波長８７０ｎｍ付近における外部量子効率が増大している。図１６から、第１および第２の光電変換層の間に、第１材料および第２材料の両方を含む混合層が配置された構成であっても、バイアス電圧の切り替えによる感度変調の効果を得ることが可能であることがわかる。【０１３８】
（実施例１−３）
下側光電変換層を形成するための材料としてＣｌＡｌＰｃおよびＣ７０を用いたこと以外は実施例１−１のサンプルと同様にして、実施例１−３のサンプルを作製した。下側光電変換層の形成においては、ＣｌＡｌＰｃおよびＣ７０の体積比が１：９となるように、蒸着における条件を調整した。下記の表４は、実施例１−３のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。【０１３９】
【表４】
2018025544.tif 000006
【０１４０】
実施例１−３のサンプルについて、実施例１−１のサンプルと同様にして、外部量子効率の電圧依存性を測定した。図１７は、実施例１−３のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す。【０１４１】
図１７に示すように、実施例１−３のサンプルでは、２つの電極の間に印加される電界強度の増大に伴い、赤外域における外部量子効率が増大している。つまり、実施例１−３のサンプルでは、上面電極と下面電極との間に印加するバイアス電圧の絶対値の増大によって、下側光電変換層に含まれるＣｌＡｌＰｃの吸収ピークに対応する波長７５０ｎｍ付近における外部量子効率が増大している。換言すれば、赤外域における、バイアス電圧の切り替えによる感度の変調が生じている。例えば、ＣｌＡｌＰｃの吸収ピークに対応する波長において、下面電極の電位を−１Ｖとしたときの外部量子効率と、下面電極の電位を−５Ｖとしたときの外部量子効率とを比較すると、後者は、前者のおよそ６．５５倍であった。【０１４２】
次に、実施例１−１と同様にして、実施例１−３のサンプルについて、下面電極および上面電極の間に上側光電変換層のみを有するサンプルと、下面電極および上面電極の間に下側光電変換層のみを有するサンプルとを作製し、上側光電変換層のインピーダンスおよび下側側光電変換層のインピーダンスを測定した。測定対象のサンプルにおける上側光電変換層および下側光電変換層の厚さは、ともに２００ｎｍであった。下記の表５は、インピーダンスの測定結果を示す。なお、以降に示すインピーダンスの値は、いずれも、サンプルに光を照射しない状態で、上面電極に対する下面電極へのバイアス電圧が−８Ｖ、周波数が１Ｈｚのときの値である。【０１４３】
【表５】
2018025544.tif 000007
【０１４４】
表５からわかるように、実施例１−３のサンプルでは、上側光電変換層のインピーダンスが下側光電変換層のインピーダンスと比較して１９０倍程度大きい。【０１４５】
なお、実施例１−１および実施例１−３のサンプルにおける上側光電変換層の形成に用いたＤＴＤＣＴＢのイオン化ポテンシャルは、５．６ｅＶ程度である。実施例１−１のサンプルにおける下側光電変換層の形成に用いたＳｎＮｃ、および、実施例１−３のサンプルにおける下側光電変換層の形成に用いたＣｌＡｌＰｃのイオン化ポテンシャルは、それぞれ、５．０ｅＶおよび５．５ｅＶである。したがって、実施例１−１および実施例１−３のサンプルでは、下側光電変換層および上側光電変換層の間には正孔に対するポテンシャル障壁は形成されていない。このことから、積層構造中の２つの光電変換層の間にインピーダンス差があれば、正孔に対するポテンシャル障壁が存在しなくても、バイアス電圧の切り替えによる感度の変調が得られると考えられる。ここで、上側光電変換層のインピーダンスおよび下側換層のインピーダンスは、上側光電変換層および下側光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が１Ｈｚにおけるインピーダンスであってもよい。【０１４６】
（実施例２−１）
上側光電変換層を形成するための材料としてＳｎＮｃおよびＣ７０を用い、下側光電変換層を形成するための材料としてルブレンおよびＣ７０を用いたこと以外は基本的に実施例１−１と同様にして、実施例２−１のサンプルを作製した。ＳｎＮｃおよびＣ７０の体積比、および、ルブレンおよびＣ７０の体積比は、１：４となるように調整した。下記の表６は、実施例２−１のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。表６に示すように、上側光電変換層および下側光電変換層の厚さは、ともに２００ｎｍであった。【０１４７】
【表６】
2018025544.tif 000008
【０１４８】
（比較例１）
上側光電変換層を形成するための材料としてルブレンおよびＣ７０を用い、下側光電変換層を形成するための材料としてＳｎＮｃおよびＣ７０を用いたこと以外は実施例２−１と同様にして、比較例１のサンプルを作製した。すなわち、比較例１のサンプルは、実施例２−１のサンプルにおける上側光電変換層と下側光電変換層とを互いに入れ替えた構成を有する。下記の表７は、比較例１のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。【０１４９】
【表７】
2018025544.tif 000009
【０１５０】
実施例２−１および比較例１のサンプルについて、実施例１−１のサンプルと同様にして、外部量子効率の電圧依存性を測定した。図１８および図１９は、実施例２−１および比較例１のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性をそれぞれ示す。【０１５１】
図１８において破線の丸印Ｓで示すように、実施例２−１のサンプルでは、２つの電極の間に印加される電界強度の増大に伴い、赤外域における外部量子効率が増大している。この例では、上面電極と下面電極との間に印加するバイアス電圧が−５Ｖよりも小さくなるあたりで赤外域において十分な感度が生じている。つまり、実施例２−１のサンプルでは、上面電極と下面電極との間に印加するバイアス電圧の絶対値の増大によって、下側光電変換層に含まれるＳｎＮｃの吸収ピーク位置付近における外部量子効率が増大している。例えば、ＳｎＮｃの吸収ピークに対応する波長８７０ｎｍ付近において、下面電極の電位を−３Ｖとしたときの外部量子効率と、下面電極の電位を−１０Ｖとしたときの外部量子効率とを比較すると、後者は、前者の４．２７倍であった。【０１５２】
これに対し、図１９に示すように、比較例１のサンプルでは、２つの電極の間に印加される電界強度の増大に伴って、赤外域における外部量子効率と、可視域における外部量子効率との両方が増大している。つまり、比較例１のサンプルでは、バイアス電圧の切り替えによる、赤外域の特異的な感度の変調は生じていない。【０１５３】
次に、実施例１−１と同様にして、実施例２−１のサンプルおよび比較例１のサンプルのそれぞれについて、下面電極および上面電極の間に上側光電変換層のみを有するサンプルと、下面電極および上面電極の間に下側光電変換層のみを有するサンプルとを作製し、光を照射しない状態で、所定周波数において、上側光電変換層のインピーダンスおよび下側側光電変換層のインピーダンスを測定した。測定対象のサンプルにおける上側光電変換層および下側光電変換層の厚さは、ともに２００ｎｍであった。下記の表８は、インピーダンスの測定結果を示す。【０１５４】
【表８】
2018025544.tif 000010
【０１５５】
表８からわかるように、比較例１のサンプルにおける上側光電変換層のインピーダンスは、下側光電変換層のインピーダンスよりも小さい。他方、実施例２−１のサンプルでは、上側光電変換層のインピーダンスが下側光電変換層のインピーダンスよりも大きい。ただし、下側光電変換層に対する上側光電変換層のインピーダンスの比は、１．１倍程度であり、下側光電変換層および上側光電変換層の間においてインピーダンスに大きな差は見られない。【０１５６】
ここで、ルブレンおよびＳｎＮｃのイオン化ポテンシャルに注目すると、ルブレンのイオン化ポテンシャルは、５．３５ｅＶであり、ＳｎＮｃのイオン化ポテンシャルは、５．０ｅＶである。したがって、実施例２−１のサンプルでは、下面電極に向かって移動する正の電荷からすると、ルブレンのＨＯＭＯ準位とＳｎＮｃのＨＯＭＯ準位との間に０．３５ｅＶのポテンシャル障壁が存在する（図６参照）。一方、比較例１のサンプルでは、下面電極に向かって移動する正の電荷からすると、ルブレンのＨＯＭＯ準位とＳｎＮｃのＨＯＭＯ準位との間に障壁が存在しない（図８参照）。比較例１のサンプルにおいて赤外域の特異的な感度の変調が見られず、実施例２−１のサンプルにおいて赤外域の特異的な感度の変調が見られた原因は、２つの光電変換層の間において、正孔に対するポテンシャル障壁が形成されていたからであると推測される。【０１５７】
（実施例２−２）
下記の表９に示す材料を真空蒸着によってガラス基板上に順次に堆積することにより、実施例２−２のサンプルを作製した。下側光電変換層の形成においては、ＣｌＡｌＰｃおよびＣ６０を共蒸着し、上側光電変換層の形成においては、α−６ＴおよびＣ７０を共蒸着した。下側光電変換層の形成においては、ＣｌＡｌＰｃおよびＣ６０の体積比が１：４となるように、蒸着における条件を調整し、上側光電変換層の形成においては、α−６ＴおよびＣ７０の体積比が１：１となるように、蒸着における条件を調整した。【０１５８】
【表９】
2018025544.tif 000011
【０１５９】
図２０は、実施例２−２のサンプルに関するエネルギ図を示す。図２０に示すように、ＣｌＡｌＰｃおよびα−６Ｔのイオン化ポテンシャルは、それぞれ、５．５ｅＶおよび５．３ｅＶであり、実施例２−２のサンプルでは、ＣｌＡｌＰｃのＨＯＭＯ準位とα−６ＴのＨＯＭＯ準位との間に０．２ｅＶのポテンシャル障壁が形成されている。【０１６０】
実施例２−２のサンプルについて、実施例１−１のサンプルと同様にして、外部量子効率の電圧依存性を測定した。図２１は、実施例２−２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す。図２１に示すように、実施例２−２のサンプルでは、下面電極に印加するバイアス電圧の絶対値の増大によって、α−６Ｔの吸収ピークに対応する波長４４０ｎｍ付近における外部量子効率が増大している。換言すれば、可視域における外部量子効率が増大している。つまり、この例では、可視域における、バイアス電圧の切り替えによる感度の変調の効果が得られている。【０１６１】
（比較例２）
上側光電変換層を形成するための材料および下側光電変換層を形成するための材料を互いに入れ替えたこと以外は、実施例２−２と同様にして、比較例２のサンプルを作製した。下記の表１０は、比較例２のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。【０１６２】
【表１０】
2018025544.tif 000012
【０１６３】
図２２は、比較例２のサンプルに関するエネルギ図を示す。図２２からわかるように、この例では、ＣｌＡｌＰｃのＨＯＭＯ準位およびα−６ＴのＨＯＭＯ準位の間において、正の電荷に対するポテンシャル障壁は形成されていない。【０１６４】
比較例２のサンプルについても、実施例１−１のサンプルと同様にして、外部量子効率の電圧依存性を測定した。図２３は、比較例２のサンプルにおける外部量子効率の電圧依存性を示す。図２３に示すように、比較例２のサンプルでは、下面電極に印加するバイアス電圧を変化させても、外部量子効率のグラフに大きな変化は見られず、バイアス電圧の切り替えによる感度の変調は生じていない。【０１６５】
図１８〜図２３から、上側光電変換層を構成する材料のＨＯＭＯ準位と、下側光電変換層を構成する材料のＨＯＭＯ準位の間に正の電荷に対するポテンシャル障壁を形成することにより、バイアス電圧の切り替えによる感度変調を実現し得ることがわかる。実施例２−２と比較例２との比較から、積層構造中の２つの光電変換層の材料を適切に選択することにより、可視域においても、外部量子効率の特異的な増大を実現し得ることがわかる。【０１６６】
実施例２−２と比較例２との比較から、光電変換構造中の積層構造に含まれる２つの光電変換層のうち、相対的に低電位とされる電極（この例では下面電極）に近い方の光電変換層の材料として、他方の光電変換層の材料よりも０．２ｅＶ程度以上大きなイオン化ポテンシャルを有する材料を用いれば、赤外域に限らず、特定の波長域における外部量子効率の特異的な増大の効果を実現し得ることがわかる。例えば、Ｓｉ（ＯＳｉＲ３）２Ｎｃのイオン化ポテンシャルおよびＣｕＰｃのイオン化ポテンシャルは、それぞれ、５．４ｅＶおよび５．２ｅＶであり、したがって、第１材料および第２材料としてＳｉ（ＯＳｉＲ３）２ＮｃおよびＣｕＰｃをそれぞれ用いれば、可視域における特異的な感度の変調が生じると期待される。実施例２−２のルブレンに代えてＣｕＰｃを用いてもよい。【０１６７】
以上に説明したように、本開示の一態様に係る実施形態によれば、分光感度特性を電気的に切り替え可能な撮像装置を提供し得る。本開示の一態様に係る実施形態によれば、光電変換部の光電変換構造に印加するバイアス電圧を用いて、特定の波長範囲における外部量子効率を選択的に増大させ得る。バイアス電圧は、例えば感光領域外に配置した電圧印加回路から各画素セルの光電変換部に供給することができる。２以上の電圧レベルを切り替えて生成可能な電圧印加回路を適用することにより、画素電極によって収集される電荷の極性、光電変換構造における具体的な積層構造に応じて、複数のバイアス電圧から選択された１つを選択的に光電変換部に印加し得る。例えば、光電変換部に印加するバイアス電圧を複数のバイアス電圧の間で切り替えることにより、取得できる画像の波長帯域を切り替えることが可能である。すなわち、本開示の一態様に係る￥￥￥実施形態による撮像装置によれば、例えば、ある波長範囲の光（例えば可視光）による画像と、ある波長範囲の光および他のある波長範囲の光（例えば赤外光）による画像とを取得可能である。【０１６８】
上述の実施形態における電圧印加回路６０は、２次元に配列された複数の単位画素セル１４の行毎に切替電圧を印加できるように構成されていた。しかしながら、２行毎または感光領域中の単位画素セル１４の全てに共通して同じ値の切替電圧を印加するように構成してもよい。また、単位画素セル１４毎に異なる電圧を印加できるように構成してもよく、互いに隣接する複数の単位画素セル１４等、行または列単位とは異なる単位毎に、異なる電圧を印加できるように構成してもよい。【０１６９】
上述の実施形態では、増幅トランジスタ１１、リセットトランジスタ１２およびアドレストランジスタ１３等の、単位画素セル中のトランジスタの各々がＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである例を説明した。しかしながら、本開示の実施形態におけるトランジスタは、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴに限定されない。単位画素セル中のトランジスタは、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよいし、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。また、これらがＮチャンネルＭＯＳＦＥＴまたはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴのいずれかに統一されている必要はない。単位画素セル中のトランジスタとして、ＦＥＴのほか、バイポーラトランジスタも用い得る。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本開示の実施形態による撮像装置は、例えば、デジタルカメラに代表される撮像装置に用いられるイメージセンサに有用である。光電変換層の材料および切替電圧を適切に選択することにより、赤外線を利用した画像の取得も可能であるので、本開示の実施形態は、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラ等にも適用可能である。
【符号の説明】
【０１７１】
１０      光電変換部
１４，１４ｘ，１４ｙ      単位画素セル
１５      垂直走査回路
１６      バイアス電圧線
２０      水平信号読み出し回路
２４      電荷蓄積ノード
２５，２５ｘ，２５ｙ      電荷検出回路
３１      半導体基板
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ      不純物領域
４８，４８ｘ，４８ｙ      接続部
５０      画素電極
５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１ｘ，５１ｙ      光電変換構造
５１０      混合層
５１１      第１光電変換層
５１２      第２光電変換層
５１３      正孔輸送層
５１４      電子輸送層
５１５      電子ブロッキング層
５１６      正孔ブロッキング層
５２，５２ｘ，５２ｙ      対向電極
５３，５３０，５３１      光学フィルタ
５３２      カラーフィルタ
５３４      赤外線カットフィルタ
５３６      ＩＲフィルタ
６０      電圧印加回路
１０１      撮像装置
Ｒ１，Ｒ２      抵抗器
【図１】
2018025544.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2018025544.tif 000017
【図４Ｃ】
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【図５】
2018025544.tif 000019
【図６】
2018025544.tif 000020
【図７】
2018025544.tif 000021
【図８】
2018025544.tif 000022
【図９】
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【図１０】
2018025544.tif 000024
【図１１】
2018025544.tif 000025
【図１２】
2018025544.tif 000026
【図１３】
2018025544.tif 000027
【図１４】
2018025544.tif 000028
【図１５】
2018025544.tif 000029
【図１６】
2018025544.tif 000030
【図１７】
2018025544.tif 000031
【図１８】
2018025544.tif 000032
【図１９】
2018025544.tif 000033
【図２０】
2018025544.tif 000034
【図２１】
2018025544.tif 000035
【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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2018025544.tif 000039
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