(57)【要約】【課題】安価な薄膜堆積技術を使用してイメージセンサのピクセルを形成すること【解決手段】ピクセル(30/130/230)は、基板(32,132,232)と、基板上に、及び基板にほぼ平行に順次的に堆積されて、入射電磁放射線(70)を受け取るように構成された複数の光導電層(34/36/38,134/136/140/142/144,234/236/238)を含む。光導電層はそれぞれ、異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収するように構成され、層の伝導性の変化に基づいて、層により吸収された対応する波長範囲内の入射電磁放射線の量を示すように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（32、132、232）と、
前記基板上に、及び前記基板に実質的に平行に順次的に堆積され、入射電磁放射線（70）を受け取るように構成された複数の光導電層（34/36/38、134/136/138/140/142/144、234/236/238）とを含み、
前記光導電層がそれぞれ、異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収するように構成され、前記層の伝導性の変化に基づいて、前記層により吸収された入射電磁放射線の量を示すように構成されている、ピクセル（30、130、230）。
【請求項２】
絶縁層（40/42/44、146/148/150/152/154/156、234/236/238）が、各光導電層の間、及び前記複数の光導電層の第１の光導電層と前記基板との間に配置される、請求項１に記載のピクセル。
【請求項３】
誘電体層の対（346/348、352/354、358/360）が、各光導電層（334、336、338）の両面に平行に、及び前記両面上に堆積されて、各光導電層、及び対応する誘電体層の対がファブリーペロー共振器（350、356、362）を形成し、前記ファブリーペロー共振器が、前記波長範囲内の波長の電磁放射線を共振して、前記光導電層により吸収させるように構成されている、請求項１に記載のピクセル。
【請求項４】
入射電磁放射線が入射する表面とは反対側の、各光導電層（434/436/438）の表面上に、及びその表面に平行に、干渉フィルタ（440/442/444）が配置され、各干渉フィルタが、前記波長範囲内の全ての波長の電磁放射線を実質的に反射して、対応する光導電層により吸収させるように構成され、他の全ての波長の電磁放射線を実質的に通過させるように構成されている、請求項１に記載のピクセル。
【請求項５】
各光導電層（134/136/138/140/142/144）が同じ半導体材料からなり、各光導電層の層の深さが、前記基板に次第に近づくにつれて増加し、そのため前記基板に最も近い、前記複数の光導電層の第１の光導電層（134）が最も深い層の深さを有し、前記基板から最も遠い、前記複数の光導電層の最後の光導電層（144）が最も浅い層の深さを有する、請求項１に記載のピクセル。
【請求項６】
各光導電層（234/236/238）が異なる半導体材料からなり、各光導電層の半導体材料のバンドギャップのエネルギーが、前記基板に次第に近づくにつれて減少し、そのため前記基板に最も近い、前記複数の光導電層の第１の光導電層（234）が最も低いバンドギャップのエネルギーを有し、前記基板から最も遠い、前記複数の光導電層の最後の光導電層（238）が最も高いバンドギャップのエネルギーを有する、請求項１に記載のピクセル。
【請求項７】
前記ピクセルが薄膜堆積技術を使用して形成される、請求項１に記載のピクセル。
【請求項８】
前記光導電層の下にある前記基板に配置された読み出し回路（72）を更に含み、前記読み出し回路が、各光導電層に結合され、各層の導電率の変化に基づいて、積分期間の間に各層により吸収された電磁放射線の量を示すように構成されている、請求項１に記載のピクセル。
【請求項９】
ピクセル（30/130/230）を動作させる方法であって、
入射電磁放射線（70）を受け取り、
複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を対応する複数の光導電層（34/36/38、134/136/138/140/142/144、234/236/238）で吸収し、前記光導電層が前記入射電磁放射線に対して垂直に配列されており、
前記複数の異なる波長範囲のそれぞれの範囲内で吸収された電磁放射線の量を、対応する光導電層の導電率の変化に基づいて求めることを含む、方法。
【請求項１０】
前記複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収することが、
第１の光導電層（34、234）で赤色光に対応する範囲の波長を吸収し、
第２の光導電層（36/236）で緑色光に対応する範囲の波長を吸収し、
第３の光導電層（38/238）で青色光に対応する範囲の波長を吸収し、
前記複数の光導電層は、前記第１の光導電層が入射電磁放射線の供給源から最も遠くにあり、前記第３の光導電層が前記入射電磁放射線の供給源に最も近くにあるように構成されている、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導電層を有する、イメージセンサのピクセル（画素）に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なカラーカメラのイメージセンサにおいて、３つの個々のピクセルが、単一色のピクセルを形成するために使用され、この場合、それぞれの個々のピクセルは、フィルタを通過する色にピクセルが感光し、フィルタが遮断する色にピクセルが感光しないように、ピクセルの上に配置された赤色、緑色、又は青色の透過フィルタを有する。下に横たわる半導体光センサは一般に、光起電力センサ（即ち、フォトダイオード）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）である。
【０００３】
係るイメージセンサは広く用いられているが、いくつかの欠点を有する。第１に、３つの「基本的な」ピクセルが１つの色のピクセルを形成することを必要とされるので、係るイメージセンサが大きなチップ面積を必要とすることである。例えば、１メガピクセルのカラーカメラのイメージセンサは、３メガピクセルの「白黒」イメージセンサを必要とする。また、カラーピクセルは実際には小さなアレイであり、「点」ではないので、係るイメージセンサは、微細な規則正しい模様をイメジーングする場合に、「杉綾模様」効果のような種々のイメージングのアーチファクト（不自然な結果）に影響されやすい。更に、透過フィルタは一般に、染料を使用した有機物（例えば、プラスチック）であり、温度安定性が全くなく、色あせする傾向があり、高価である。
【０００４】
これらの欠点を克服する試みにおいて、１つの色のイメージセンサは、３つの別個のフォトダイオードを垂直方向に積み重ねたスタックを使用して単一の色のピクセルを形成し、この場合、３つのフォトダイオードのそれぞれは、ｐドープ半導体材料、及びｎドープ半導体材料から形成されたｐ−ｎ接合からなり、赤色光、緑色光、又は青色光をそれぞれ吸収する。ピクセルの垂直の特徴により、イメージセンサのサイズ、及び光の差別的な吸収に関連したイメジーングのアーチファクトの双方が大幅に低減される。更に、フォトダイオードを形成する半導体材料によりフィルタリングが行われるので、透過フィルタが必要とされない。
【０００５】
しかしながら、ｐ−ｎ接合の動作は、半導体の結晶構造の欠陥に非常に影響されやすく、それにより、入射光の吸収により形成された電子と正孔の対が再結合して、所望の光起電力作用の代わりに熱を生成する可能性がある。そういうものだから、係るフォトダイオードの形成は、最良の結果を出すために、慎重に制御されなければならず、一般に単結晶の半導体を使用することを必要とする。更に、ｐ−ｎ接合の形成は一般に、拡散プロセス又はイオン注入プロセスを使用して比較的高い温度で行われ、使用される基板のタイプに影響されやすいことが多い。また、ｐ−ｎ接合の深さに応じて、エピタキシャルプロセスも必要とされる。ｐ−ｎ接合を形成するために必要とされる典型的な高い温度の結果として、特定の材料（例えば、ガラス及びプラスチック）は、基板材料として使用されることができない。更に、特定の半導体材料は、ｐ型又はｎ型の形成に利用できず、かくしてフォトダイオード用に使用されることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の課題は、上述した技術的な問題を克服、又は少なくとも緩和することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、基板と、基板上に、及び基板に実質的に平行に順次的に堆積されて、入射電磁放射線を受け取るように構成された複数の光導電層を含むピクセルを提供する。光導電層はそれぞれ、異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収するように構成され、層の伝導性の変化に基づいて、層により吸収された対応する波長範囲内の入射電磁放射線の量を示すように構成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、イメージセンサのピクセルは、多結晶及び他のタイプの半導体を使用して形成されることができ、単結晶半導体の使用に限定されない。また、本発明によれば、ピクセルは、比較的簡単で安価な薄膜堆積技術を使用して形成され得る。更に、本発明によれば、ピクセルの基板として、ガラス及びプラスチックのような低コストの材料を使用することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、添付図面を参照することによって、より十分に理解される。図面の要素は、互いに対して必ずしも一律の縮尺に従っていない。同じ参照符号は、対応する類似した部品を示す。
【００１０】
以下の詳細な説明において、説明の一部を形成する添付図面を参照し、添付図面は、本発明が実施され得る特定の実施形態を例示するために示される。この点に関して、「上側」、「下側」、「前面」、「裏面」、「前部」、「後部」等の方向を示す用語は、説明される図面（単数又は複数）の向きに関連して使用される。本発明の実施形態のコンポーネントは多数の異なる向きに配置され得るので、方向を示す用語は、説明のために使用され、決して制限しない。理解されるべきは、他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱せずに構造的又は論理的な変更を行うことができる。従って、以下の詳細な説明は、制限の意味で解釈されるべきでなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により規定される。
【００１１】
図１は、本発明による光導電層を使用するピクセル３０の一実施形態を概して示すブロック略図である。ピクセル３０は、基板３２、第１の光導電層（半導体層とも称する）３４、第２の光導電層３６、及び第３の光導電層３８を含む。一実施形態において、基板３２は半導体材料からなる。一実施形態において、図１に関して、基板３２は、シリコンからなる。他の実施形態において、以下でより詳細に説明されるように、基板３２は、例えば、ガラス又はプラスチックのような他の材料からなることができる。
【００１２】
一実施形態において、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８はそれぞれ、半導体材料からなる。一実施形態において、図１に示されるように、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８はそれぞれ、ｎ型シリコンからなる。他の実施形態において、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８は、電磁放射線を吸収することに応じて変化する伝導性を有する任意の適切な材料（即ち、光伝導性材料）からなることができる。
【００１３】
絶縁層４０、４２、４４はそれぞれ、基板３２と第１の半導体層３４との間、第１の半導体層３４と第２の半導体層３６との間、及び第２の半導体層３６と第３の半導体層３８との間に配置される。一実施形態において、絶縁層４０、４２、４４は、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８を支持すると共に、互いから及び基板３２から電気的に絶縁する誘電体材料からなる。
【００１４】
リード線４６と４８はそれぞれ、第１の半導体層３４に堆積された金属コンタクト５０と５２を介して、第１の半導体層３４の両側に結合される。リード線５４と５６はそれぞれ、第２の半導体層３６に堆積された金属コンタクト５８と６０を介して、第２の半導体層３６の両側に結合される。リード線６２と６４はそれぞれ、第３の半導体層３８に堆積された金属コンタクト６６と６８を介して、第３の半導体層３８の両側に結合される。
【００１５】
ピクセル３０は、或る範囲の波長からなる入射電磁放射線７０を受け取るように構成される。一実施形態において、ピクセル３０は、積分期間の間に入射電磁放射線７０を受け取るように構成される。一実施形態において、入射電磁放射線７０は、電磁スペクトルの可視部分からの光からなる（即ち、約７００ｎｍから約４００ｎｍの波長）。他の実施形態において、入射電磁放射線７０は、電磁スペクトルの紫外線部分からの波長（約４００ｎｍから約１０ｎｍ）及び電磁スペクトルの赤外線部分からの波長（約１ｍｍから約７５０ｎｍ）からなることができる。
【００１６】
第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８のような光伝導性材料の伝導性（コンダクタンス）は、電磁放射線の吸収に応じて変化する。一般に、シリコンを含む、半導体材料の抵抗は、光伝導性材料のバンドギャップのエネルギーよりも大きなエネルギーを有する電磁放射線を吸収する際に減少し、半導体材料の導電率の増加という結果になる。
【００１７】
電磁放射線は、半導体材料の内部に入り、電磁放射線のエネルギーに基づいて半導体材料内の異なる深さで吸収される。電磁放射線のエネルギーが半導体材料のバンドギャップのエネルギーより大きい場合、電磁放射線は半導体材料により吸収される。電磁放射線のエネルギーが半導体材料のバンドギャップのエネルギーよりさらに大きい場合、電磁放射線はより迅速に吸収される。更に、電磁放射線のエネルギーは概してその波長に関連付けられているので、より短い波長は概して、より長い波長よりも大きいエネルギーを有し、より長い波長は概して、より短い波長に比べて、半導体材料内のより大きな深さまで入り込み吸収される。
【００１８】
図２Ａは、例えば、シリコンのような半導体材料のバルク試料の、半導体材料に入射する可視光の種々の波長に対する吸光特性を概して示すグラフ８０である。バルク半導体材料内に入る光の浸入深さ（Ｄ）８２は、ｘ軸に沿って示される。入射光の相対的強度（Ｉ）８４は、ｙ軸に沿って示され、入射強度（Ｉ０）は８６で示される。曲線８８は青色光（約４５０ｎｍの波長）の吸収を示し、曲線９０は緑色光（約５５０ｎｍの波長）の吸収を示し、曲線９２は赤色光（約６５０ｎｍの波長）の吸収を示す。図示されたように、より高いエネルギーの青色光８８は、より低いエネルギーの緑色光９０と赤色光９２よりも迅速に吸収され、緑色光９０と赤色光９２は、吸収される前に半導体材料内へより深く入り込む。
【００１９】
図２Ａは、半導体材料のバルク試料の吸光特性を示すが、半導体材料は入射光を吸収するために連続している必要はない。図２Ｂは、図２Ａの半導体材料の吸光特性を示すグラフ１００であり、この場合、半導体層は、層１０２、層１０４、層１０６として示される３つの層からなる。曲線１０８は青色光（約４５０ｎｍの波長）の吸収を示し、曲線１１０は緑色光（約５５０ｎｍの波長）の吸収を示し、曲線１１２は赤色光（約６５０ｎｍの波長）の吸収を示す。光の吸収は、層の間で光が吸収されないことを除いて、図２Ａに示されたものと類似している。図２Ｂに関して、各層の深さは、青色光が層１０２により主として吸収され、緑色光が層１０４により主として吸収され、赤色光が層１０６により主として吸収されるようになっている。
【００２０】
図１に戻ると、一実施形態において、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８はそれぞれ、異なる範囲の波長の電磁放射線を吸収するように構成される。一実施形態において、各半導体層は、電磁スペクトルの可視部分（約４００ｎｍから約７００ｎｍの波長）の異なる部分を吸収するように構成され、この場合、第１の半導体層３４は主として赤色光（約６５０ｎｍの波長）を吸収するように構成され、第２の半導体層３６は主として緑色光（約５５０ｎｍの波長）を吸収するように構成され、第３の半導体層３８は主として青色光（約４５０ｎｍの波長）を吸収するように構成される。
【００２１】
一実施形態において、絶縁層４０、４２、４４は、光学的に透明な誘電体材料（即ち、電磁放射線を実質的に吸収しない）からなる。一実施形態において、絶縁層４０、４２、４４は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる。一実施形態において、絶縁層４０、４２、４４は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。
【００２２】
一実施形態において、ピクセル３０は、積分期間の間に電磁放射線７０を受け取り、この場合、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８は、それらそれぞれの波長範囲内の光を実質的に吸収する。上述した態様に類似した態様において、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８の導電率は、各層により吸収された赤色光、緑色光、及び青色光の量にそれぞれ基づいて変化する。一実施形態において、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８の導電率の変化、ひいては積分期間の間に吸収された赤色光、緑色光、及び青色光の量は、リード線６２と６４、５４と５６、並びに４６と４８を介して第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８の抵抗を監視することによってそれぞれ求められる。一実施形態において、以下でより詳細に説明されるように、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８の抵抗は、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８の下のシリコン基板３２に形成された読み出し回路７２により監視される。
【００２３】
一実施形態において、積分期間の間に、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８により、それぞれ吸収された赤色光、緑色光、及び青色光の量は、導電率の対応する変化に基づいて読み出し回路７２により求められ、出力７４、７６、７８を介して電子信号として提供される。そういうものだから、図１に関連して上述したようなピクセル３０は、３色（ＲＧＢ）ピクセルと呼ばれることができる。図３により概して示されるような３色ピクセル３０のアレイ１１６は、デジタルカメラのようなイメージセンサを形成するために使用されることができ、この場合、各ピクセル３０の出力７４、７６、７８を介して提供される電子信号は、デジタルカラーイメージを形成するために使用される。一実施形態において、図１０に関連して以下でより詳細に説明されるように、単一の３色ピクセル３０は、「白色」光源を制御するためのカラーセンサを形成するために使用され得る。
【００２４】
ピクセル３０は、本発明に従って、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８のような光導電層を使用し、光導電効果に基づいているので、ピクセル３０は、従来のフォトダイオードを使用する光起電力ベースのセンサに必要とされたようなｐ−ｎ接合を必要としない。この結果、ピクセル３０は、係る従来のセンサより優れたいくつかの利点を提供する。
【００２５】
第１に、光導電効果は概して、半導体の欠陥に影響されにくいので、ピクセル３０は、多結晶及び他のタイプの半導体を使用して形成されることができ、概してｐ−ｎ接合を使用する光起電力ベースのセンサでの場合のように、単結晶半導体の使用に限定されない。例えば、例示的な一実施形態において、ピクセル３０の第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８は、アモルファス水素化シリコン（α-Ｓｉ：Ｈ）を用いて形成される。
【００２６】
また、ピクセル３０は、ｐ型材料を形成することが困難又は可能であり、ひいては光起電力ベースのセンサにより概して使用されることができない半導体材料を使用して形成され得る。係る半導体材料の例には、硫化カドミウム、カーボン（ダイヤモンド）、及び炭化ケイ素が含まれ、それら後者の２つは、以下でより詳細に説明されるように、紫外線を吸収するのに概して良好に適している。
【００２７】
更に、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８のようなピクセル３０の半導体層は、ｐ−ｎ接合の適切な形成に概して必要な拡散、イオン注入、及びエピタキシャルのプロセスとは対照的に、比較的簡単で安価な薄膜堆積技術を使用して形成され得る。一実施形態において、例えば、ピクセル３０の半導体層は、電気メッキ技術を使用して形成され得る。例えば、スパッタリング堆積技術、蒸着技術、及び化学蒸着技術のような他の従来の薄膜堆積技術も同様に使用され得る。
【００２８】
係る薄膜堆積技術は低い温度で実施され得るので、ピクセル３０の基板３２は、一般にｐ−ｎ接合の形成に関連した概して高い温度で使用されることができないガラス及びプラスチックのような低コストの材料からなることができる。例えば、セラミック、金属、プラスチック複合材（例えば、グラスファイバー）、及び半導体層が堆積され得る他の誘電体材料のような他の基板材料も、同様に使用され得る。
【００２９】
以下でより詳細に説明されるように、係る薄膜堆積技術を使用することにより、ピクセル３０の半導体層のそれぞれは、異なる波長範囲の可視光を吸収するように、又は電磁スペクトルの他の部分からの異なる波長範囲の光（例えば、赤外線及び紫外線）を吸収するように調整された異なる半導体材料からなることができる。半導体材料の例には、カーボン（ダイヤモンド）及び炭化ケイ素（これらはＵＶ放射線の吸収に良好に適する）、ゲルマニウム（近赤外放射線の吸収に適する）、水銀カドミウムテルル（中赤外放射線の吸収に適する）、及び窒化ガリウム（遠赤外放射線の吸収に適する）が含まれる。他の半導体材料には、ゲルマニウムシリコン合金（合金比率に依存して可変のバンドギャップのエネルギーを有する）、ヒ化ガリウム、及び窒化ガリウムが含まれる。
【００３０】
基板３２の上に、第１、第２、及び第３の光導電層３４、３６、３８のような光導電層を堆積することにより、ピクセル３０は、読み出し回路７２のような読み出し及び信号処理回路を層の下の基板３２に集積化することを可能にする。そういうものだから、信号読み出し及びかなりの量の信号処理は、ピクセル３０に対して局所的に実施されることができ、それにより、アレイ１１６のようなピクセルのアレイを使用する際に、イメージセンサをよりコンパクトにすることが可能になる。
【００３１】
基板上に、及び基板とほぼ平行に順次的に堆積された光導電層を使用する、本発明の実施形態によるピクセル３０は、従来の大抵のイメージセンサにおいて３つの別個の水平方向に堆積された単色のピクセルとは対照的に、単一の「垂直」カラーピクセルでカラーイメジーングを行う。更に、半導体の光伝導性を使用する、本発明の実施形態によるピクセル３０は、起電力効果を利用し且つｐ−ｎ接合の形成を必要とする「垂直」ピクセルに比べて、製造が簡単で安価であり、半導体の欠陥に対する耐性が大きい（即ち、単結晶半導体に限定されない）。
【００３２】
図４は、図１に関連した読み出し回路７２の一部の例示的な一実施形態を示す。読み出し回路７２は、コントローラ１１８、スイッチ１１９（例えば、トランジスタ）、及び読み出しコンデンサ１２０を含む。読み出し回路７２は、リード線４６と４８を介して第１の半導体層３４の両端に結合され、可変抵抗１２２は、第１の半導体層３４の可変抵抗を表す。読み出し回路は更に、定電圧源１２４、及び１２５で示されるコモン、即ち接地に結合される。一実施形態において、積分期間の前に、スイッチ１１９は、読み出しコンデンサ１２０が放電されるように「開」位置にある。
【００３３】
積分期間の開始時に、コントローラ１１８は、読み出しコンデンサ１２０を電圧源１２４に結合するようにスイッチ１１９を閉じ、第１の半導体層３４の可変抵抗１２２を通って接地１２５までの回路を完成する。可視光の形態の電磁放射線７０がピクセル３０に入射する際、第１の半導体層３４は、赤色光の吸収を開始し、それにより可変抵抗１２２の抵抗が変化する。積分期間の間に、読み出しコンデンサ１２０は電荷を蓄積し始め、この場合、蓄積される電荷の量は可変抵抗１２２の抵抗、ひいては第１の半導体層３４により吸収された赤色光の量に依存する。
【００３４】
積分期間の完了時に、コントローラ１１８はスイッチ１１９を開き、電圧源１２４を読み出しコンデンサ１２０から切断する。続いて、コントローラ１１８は、読み出しコンデンサ１２０に蓄積された電荷を測定し、蓄積された電荷に基づいた、及び積分期間の間に第１の半導体層３４により吸収された赤色光の量を表す電子信号を７４において提供する。図示されていないが、読み出しコンデンサ１２０に類似した読み出しコンデンサが、第２及び第３の半導体層３６、３８のそれぞれに関連付けられて結合され、コントローラ１１８により監視されて、積分期間の間に第２及び第３の半導体層３６、３８により吸収された緑色光及び青色光の量を示す電子信号が７６及び７８において提供される。
【００３５】
留意すべきは、図４により示されたような読み出し回路７２は、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）のアーキテクチャに一般に使用されている１トランジスタ１キャパシタ（１Ｔ１Ｃ）メモリセルに類似する。更に留意すべきは、図４の読み出し回路７２は、例示のためだけに含められており、任意の数のアーキテクチャ及び構造を使用して、積分期間の間に伝導性を監視し、第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８により吸収された光の量を求めることができる。
【００３６】
図１〜図４に関連して上述したようなピクセル３０は３色センサであるが、本発明による光導電層を使用するピクセルは、３色よりも多いか、又は少ない色を検知するように構成され得る。
【００３７】
図５は、本発明による６色ピクセル１３０の一実施形態を概して示すブロック図である。ピクセル１３０は、基板１３２、第１の半導体層１３４、第２の半導体層１３６、第３の半導体層１３８、第４の半導体層１４０、第５の半導体１４２、及び第６の半導体層１４４を含む。絶縁層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４、及び１５６は、半導体層を支持し、半導体層を互いから及び基板１３２から電気的に絶縁する。一実施形態において、絶縁層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４、及び１５６は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及び窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）のような光学的に透明な誘電体材料からなる。
【００３８】
一実施形態において、ピクセル１３０は、電磁スペクトルの可視部分からの光からなる入射電磁放射線７０を受け取るように構成される。一実施形態において、第１〜第６の半導体層１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４のそれぞれは、異なる波長範囲の可視光を吸収するように構成される。一実施形態において、第１の半導体層１３４は、主として赤色光（６８０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第２の半導体層１３６は、主としてオレンジ色光（６１０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第３の半導体層１３８は、主として黄色光（５８０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第４の半導体層１４０は、主として緑色光（５５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第５の半導体層１４２は、主として青色光（４７０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、及び第６の半導体層１４４は、主としてすみれ色光（４００ｎｍの単波長）を吸収するように構成される。
【００３９】
一実施形態において、図５に示されるように、第１〜第６の半導体層１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４のそれぞれは、ｎ型アモルファス水素化シリコン（α-Ｓｉ：Ｈ）からなる。一実施形態において、第１〜第６の半導体層１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４のそれぞれの厚さ又は深さは、第１の半導体層１３４の深さ（Ｄ）１５７により示されるように、各半導体層が、ピクセル１３０内へより深く入り込む、次第に長くなる波長の入射可視光７０を吸収することを可能にするように、基板１３２に近づくにつれて増加する。
【００４０】
図１〜図４に関連して上述された態様に類似した態様においてのように、リード線の対１５８（Ｒ１）と１６０（Ｒ２）、１６２（Ｏ１）と１６４（Ｏ２）、１６６（Ｙ１）と１６８（Ｙ２）、１７０（Ｇ１）と１７２（Ｇ２）、１７４（Ｂ１）と１７６（Ｂ２）、及び１７８（Ｖ１）と１８０（Ｖ２）はそれぞれ、第１〜第６の半導体層１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４の両側に結合されて、積分期間の間に各半導体層により吸収された入射光７０の量を測定するように、対応する半導体層の伝導性を監視することを可能にする。
【００４１】
ｎ型アモルファス水素化シリコン（α-Ｓｉ：Ｈ）からなるものとして図５に示されたが、第１〜第６の半導体層１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４はこの材料に限定されず、ｐ型、ｎ型、及び本質的にドーピングされた半導体材料を含む他の半導体材料からなることができる。更に、図１により示された３色ピクセル３０の半導体層、及び図５により示された６色ピクセル１３０は、半導体層のそれぞれが同じ半導体材料からなるように説明されるが、ピクセル３０の第１、第２、及び第３の半導体層３４、３６、３８のようなピクセルの半導体層はそれぞれ、異なるタイプの半導体材料からなることができる。
【００４２】
図６は、本発明による３色（ＲＧＢ）ピクセル２３０の一実施形態を概して示すブロック図であり、半導体層のそれぞれは、異なるバンドギャップのエネルギーを有する異なる半導体材料からなる。ピクセル２３０は、基板２３２、第１の半導体層２３４、第２の半導体層２３６、第３の半導体層２３８、及び絶縁層２４０、２４２、２４４を含む。
【００４３】
一実施形態において、第１、第２、及び第３の半導体層２３４、２３６、２３８はそれぞれ、第３の半導体層２３８のバンドギャップのエネルギーが第２の半導体層２３６のバンドギャップのエネルギーより大きく、第２の半導体層２３６のバンドギャップのエネルギーが第１の半導体層２３４のバンドギャップのエネルギーより大きいように、異なるバンドギャップのエネルギーを有する異なる半導体材料からなる。即ち、第１、第２、及び第３の半導体層２３４、２３６、２３８のバンドギャップのエネルギーは、基板２３２に次第に近づくにつれて減少する。
【００４４】
一実施形態において、第３の半導体層２３８は、主として青色光（４５０ｎｍの単波長）を吸収して、他の全ての波長を通過させるように構成されたバンドギャップのエネルギーを有する半導体材料からなる。一実施形態において、第３の半導体層２３８は、アモルファス水素化シリコンカーバイド（α-ＳｉＣ：Ｈ）からなる。一実施形態において、第２の半導体層２３６は、主として緑色光（５５０ｎｍの単波長）を吸収して、他の全ての波長を通過させるように構成されたバンドギャップのエネルギーを有する半導体材料からなる。一実施形態において、第２の半導体層２３６は、アモルファス水素化シリコン（α-Ｓｉ：Ｈ）からなる。一実施形態において、第１の半導体層２３４は、主として赤色光（６５０ｎｍの単波長）を吸収して、他の全ての波長を通過させるように構成されたバンドギャップのエネルギーを有する半導体材料からなる。一実施形態において、第１の半導体層２３４は、アモルファス水素化シリコンゲルマニム（α-ＳｉＧｅ：Ｈ）からなる。
【００４５】
図１〜図４に関連して上述された態様に類似した態様においてのように、リード線の対２４６（Ｒ１）と２４８（Ｒ２）、２５４（Ｇ１）と２５６（Ｇ２）、及び２６２（Ｂ１）と２６４（Ｂ２）はそれぞれ、第１、第２、及び第３の半導体層２３４、２３６、２３８の両側に結合されて、積分期間の間に各半導体層により吸収された入射光７０の量を測定するように、対応する半導体層の伝導性を監視することを可能にする。
【００４６】
図７は、本発明によるピクセル３３０の一実施形態を概して示すブロック図であり、半導体層のそれぞれは、ファブリーペロー共振器の一部を形成する。ピクセル３３０は、基板３３２、第１の半導体層３３４、第２の半導体層３３６、第３の半導体層３３８、及び絶縁層３４０、３４２、３４４を含む。
【００４７】
一実施形態において、図７により示されるように、第１、第２、及び第３の半導体層はそれぞれ、ｎ型シリコンからなる。一実施形態において、第１の半導体層３３４は、主として赤色光（６５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第２の半導体層３３６は、主として緑色光（５５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第３の半導体層３３８は、主として青色光（４５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成される。
【００４８】
誘電体層３４６と３４８が第１の半導体層３３４の両面に配置されて、第１のファブリーペロー共振器３５０を形成する。同様に、誘電体層３５２と３５４が第２の半導体層３３６の両面に配置されて、第２のファブリーペロー共振器３５６を形成し、誘電体層３５８と３６０が第３の半導体層３３８の両面に配置されて、第３のファブリーペロー共振器３６２を形成する。
【００４９】
当該技術において一般に知られているように、異なる屈折率を有する２つの材料間の接触面は、屈折率及び材料の深さに基づいて、特定の波長、又は特定範囲の波長の光を反射する。一実施形態において、第３の半導体層３３８及び誘電体層３５８と３６０の屈折率と深さは、主として青色光に対応する波長の入射光７０が反射されて、第３のファブリーペロー共振器３６２の第３の半導体層３３８内で共振させると同時に、他の波長を通過させるように構成される。
【００５０】
同様に、第２の半導体層３３６及び誘電体層３５２と３５４の屈折率と深さは、主として緑色光に対応する波長の入射光７０が反射されて、第２のファブリーペロー共振器３５６の第２の半導体層３３６で共振させるように構成され、第１の半導体層３３４及び誘電体層３４６と３４８の屈折率と深さは、主として赤色光に対応する波長の入射光７０が反射されて、第１のファブリーペロー共振器３５０の第１の半導体層３３４で共振させるように構成される。
【００５１】
上述したように、所望の波長、又は所望範囲の波長の入射光７０をそれぞれ共振させるために第１、第２、及び第３のファブリーペロー共振器３５０、３５６、３６２を使用することにより、第１、第２、及び第３の半導体層３３４、３３６、３３８がそれぞれ、赤色光、緑色光、及び青色光を吸収することが可能になり、それらの光は、そうでない場合には通過して吸収されないことができる。
【００５２】
図１〜図４に関連して上述された態様に類似した態様においてのように、リード線の対３６４（Ｒ１）と３６６（Ｒ２）、３６８（Ｇ１）と３７０（Ｇ２）、及び３７２（Ｂ１）と３７４（Ｂ２）はそれぞれ、導電層を介して第１、第２、及び第３の半導体層３３４、３３６、３３８の両側に結合されて、積分期間の間に各半導体層により吸収された入射光７０の量を測定するように、対応する半導体層の伝導性を監視することを可能にする。
【００５３】
ファブリーペロー共振器３５０、３５６、３６２をそれぞれ形成するために、誘電体層の対３４６と３４８、３５２と３５４、及び３５８と３６０を使用するように図示されて上述されたが、他の実施形態において、ファブリーペロー共振器は、係る誘電体材料の対を使用せずに、絶縁層３４０、３４２、３４４のみを使用して形成され得る。係る実施形態において、誘電体層３６０のみが、ファブリーペロー共振器３６２の上側層を形成するために使用される。例えば、一実施形態において、第１のファブリーペロー共振器３５０は、第１の半導体層３３４及び絶縁層３４０と３４２により形成され、第２のファブリーペロー共振器３５６は、第２の半導体層３３６及び絶縁層３４２と３４４により形成され、第３のファブリーペロー共振器３６２は、第３の半導体層３３８、絶縁層３４４、及び誘電体層３６０により形成される。係る実施形態において、半導体層３３４、３３６、３３８、絶縁層３４０、３４２、３４４、及び誘電体層３６０の深さと組成は、ファブリーペロー共振器のそれぞれが所望範囲の波長の入射放射線を反射して共振させるように、選択されて構成される。
【００５４】
図８は、干渉フィルタを使用する、本発明による３色（ＲＧＢ）ピクセル４３０の一実施形態を概して示すブロック図である。ピクセル４３０は、基板４３２、第１の半導体層４３４、第２の半導体層４３６、及び第３の半導体層４３８を含む。一実施形態において、第１の半導体層４３４は主として赤色光（６５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第２の半導体層４３６は主として緑色光（５５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第３の半導体層４３８は主として青色光（４５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成される。第１の干渉フィルタ４４０は基板４３２と第１の半導体層４３４との間に堆積され、第２の干渉フィルタ４４２は第１の半導体層４３４と第２の半導体層４３６との間に堆積され、第３の干渉フィルタ４４４は第２の半導体層４３６と第３の半導体層４３８との間に堆積される。
【００５５】
上述したように、及び当該技術において一般に知られているように、異なる屈折率を有する２つの材料間の接触面は、材料の屈折率及び深さに基づいて、特定の波長、又は特定範囲の波長の光を反射する。一実施形態において、図８に示されているように、第１、第２、及び第３の干渉フィルタ４４０、４４２、４４４はそれぞれ、異なる屈折率を有する異なる誘電体材料の交互に重なった層（即ち、誘電体材料の一方が、他方の誘電体材料よりも高い屈折率を有する）からなる。一実施形態において、第１、第２、及び第３の干渉フィルタ４４０、４４２、４４４は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）と窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の交互に重なった層からなる。
【００５６】
一実施形態において、第３の干渉フィルタ４４４の交互に重なった層の屈折率、深さ、及び数は、第３の干渉フィルタ４４４が第３の半導体層４３８に入る主として青色光に対応する波長の入射光７０を反射すると同時に、他の全ての波長を実質的に通過させることを可能にするように構成される。同様に、第２の干渉フィルタ４４２の交互に重なった層の屈折率、深さ、及び数は、第２の半導体層４３６に入る主として緑色光に対応する波長の入射光７０を反射するように構成され、第１の干渉フィルタ４４０の交互に重なった層の屈折率、深さ、及び数は、第１の半導体層４３４に入る主として赤色光に対応する波長の入射光７０を反射するように構成される。
【００５７】
上述したように、所望の波長、又は所望範囲の波長の入射光７０を反射するために第１、第２、及び第３の干渉フィルタ４４０、４４２、４４４を使用することにより、第１、第２、及び第３の半導体層４３４、４３６、４３８がそれぞれ、赤色光、緑色光、及び青色光を吸収することが可能になり、それらの光は、そうでない場合には通過して吸収されないことができる。
【００５８】
図１〜図４に関連して上述された態様に類似した態様においてのように、リード線の対４４６（Ｒ１）と４４８（Ｒ２）、４５４（Ｇ１）と４５６（Ｇ２）、及び４６２（Ｂ１）と４６４（Ｂ２）はそれぞれ、第１、第２、及び第３の半導体層４３４、４３６、４３８の両側に結合されて、積分期間の間に各半導体層により吸収された入射光７０の量を測定するように、対応する半導体層の伝導性を監視することを可能にする。
【００５９】
図９は、絶縁層の代わりに光導電層を絶縁するためにｐ−ｎ接合を使用する、本発明によるピクセル５３０の一実施形態を概して示すブロック図である。ピクセル５３０は、基板５３２、第１の半導体層５３４、第２の半導体層５３６、及び第３の半導体層５３８を含む。一実施形態において、第１の半導体層５３４は、主として赤色光（６５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第２の半導体層５３６は主として緑色光（５５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成され、第３の半導体層５３８は主として青色光（４５０ｎｍの単波長）を吸収するように構成される。
【００６０】
第１、第２、及び第３の半導体層５３４、５３６、５３８は、ｐ−ｎ接合が第１の半導体層５３４と第２の半導体層５３６との間、及び第２の半導体層５３６と第３の半導体層５３８との間の界面領域に形成されるように、交互になっているｐ型及びｎ型半導体材料からなる。ｐ−ｎ接合により形成された空乏領域は、第１及び第２の半導体層５３４、５３６、並びに第２及び第３の半導体層５３６、５３８を「自己絶縁」する。一実施形態において、図示されたように、第１及び第３の半導体層５３４、５３８はｎ型シリコンからなり、第２の半導体層５３６はｐ型シリコンからなる。しかしながら、第１、第２、及び第３の半導体層５３４、５３６、５３８は、他の適切なｎ型及びｐ型半導体からなることができる。
【００６１】
図１〜図４に関連して上述された態様に類似した態様においてのように、リード線の対５４６（Ｒ１）と５４８（Ｒ２）、５５４（Ｇ１）と５５６（Ｇ２）、及び５６２（Ｂ１）と５６４（Ｂ２）はそれぞれ、第１、第２、及び第３の半導体層５３４、５３６、５３８の両側に結合されて、積分期間の間に各半導体層により吸収された入射光７０の量を測定するように、対応する半導体層の伝導性を監視することを可能にする。
【００６２】
本明細書において、特定の実施形態が図示されて説明されたが、当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱せずに、図示されて説明された特定の実施形態の代わりに、種々の代替及び／又は等価の具現化形態を使用できる。本出願は、本明細書で説明された特定の実施形態の任意の改作物又は変形物を網羅することが意図されている。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその等価物によってのみ制限される。
【００６３】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組合せからなる例示的な実施形態を示す。
１．基板と、
前記基板上に、及び前記基板に実質的に平行に順次的に堆積され、入射電磁放射線を受け取るように構成された複数の光導電層とを含み、
前記光導電層がそれぞれ、異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収するように構成され、前記層の伝導性の変化に基づいて、前記層により吸収された入射電磁放射線の量を示すように構成されている、ピクセル。
２．前記光導電層がそれぞれ、半導体材料からなる、上記１に記載のピクセル。
３．前記半導体材料が、アモルファス水素化シリコンからなる、上記１に記載のピクセル。
４．絶縁層が、各光導電層の間、及び前記複数の光導電層の第１の光導電層と前記基板との間に配置される、上記１に記載のピクセル。
５．誘電体層の対が、各光導電層の両面に平行に、及び前記両面上に堆積されて、各光導電層、及び対応する誘電体層の対がファブリーペロー共振器を形成し、前記ファブリーペロー共振器が、前記波長範囲内の波長の電磁放射線を共振して、前記光導電層により吸収させるように構成されている、上記１に記載のピクセル。
６．入射電磁放射線が入射する表面とは反対側の、各光導電層の表面上に、及びその表面に平行に、干渉フィルタが配置され、各干渉フィルタが、前記波長範囲内の全ての波長の電磁放射線を実質的に反射して、対応する光導電層により吸収させるように構成され、他の全ての波長の電磁放射線を実質的に通過させるように構成されている、上記１に記載のピクセル。
７．各光導電層が同じ半導体材料からなり、各光導電層の層の深さが、前記基板に次第に近づくにつれて増加し、そのため前記基板に最も近い、前記複数の光導電層の第１の光導電層が最も深い層の深さを有し、前記基板から最も遠い、前記複数の光導電層の最後の光導電層が最も浅い層の深さを有する、上記１に記載のピクセル。
８．各光導電層が異なる半導体材料からなり、各光導電層の半導体材料のバンドギャップのエネルギーが、前記基板に次第に近づくにつれて減少し、そのため前記基板に最も近い、前記複数の光導電層の第１の光導電層が最も低いバンドギャップのエネルギーを有し、前記基板から最も遠い、前記複数の光導電層の最後の光導電層が最も高いバンドギャップのエネルギーを有する、上記１に記載のピクセル。
９．前記ピクセルが薄膜堆積技術を使用して形成される、上記１に記載のピクセル。
１０．前記光導電層の下にある前記基板に配置された読み出し回路を更に含み、前記読み出し回路が、各光導電層に結合され、各層の導電率の変化に基づいて、積分期間の間に各層により吸収された電磁放射線の量を示すように構成されている、上記１に記載のピクセル。
１１．前記複数の光導電層が、同じ半導体材料の交互になっているｐ型層及びｎ型層からなる、上記１に記載のピクセル。
１２．前記複数の光導電層が、電磁スペクトルの可視部分からの波長の電磁放射線を吸収するように構成されている、上記１に記載のピクセル。
１３．前記複数の光導電層が、電磁スペクトルの赤外線部分からの波長の電磁放射線を吸収するように構成されている、上記１に記載のピクセル。
１４．前記複数の光導電層が、電磁スペクトルの紫外線部分からの波長の電磁放射線を吸収するように構成されている、上記１に記載のピクセル。
１５．基板と、
前記基板上に堆積された第１、第２、及び第３の半導体層を含み、
前記第１の半導体層が前記基板の最も近くに配置され、前記第２の半導体層が前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間に配置され、前記第１の半導体層が、赤色光に対応する波長範囲の入射光を吸収するように構成され、前記第２の半導体層が、緑色光に対応する波長範囲の入射光を吸収するように構成され、前記第３の半導体層が、青色光に対応する波長範囲の入射光を吸収するように構成され、前記第１、第２、及び第３の半導体層がそれぞれ、前記層の導電率の変化に基づいて前記対応する波長範囲内で吸収された入射光の量を示すように構成されている、カラーピクセル。
１６．前記第１、第２、及び第３の半導体層がそれぞれ、同じ半導体材料からなる、上記１５に記載のカラーピクセル。
１７．前記第１の半導体層が、前記第２の半導体層の厚さよりも大きい厚さを有し、前記第２の半導体層が、前記第３の半導体層よりも大きい厚さを有する、上記１６に記載のカラーピクセル。
１８．前記第１、第２、及び第３の半導体層がそれぞれ、異なる半導体材料からなり、前記第１の半導体層が、前記第２の半導体層のバンドギャップのエネルギーよりも小さいバンドギャップのエネルギーを有し、前記第２の半導体層が、前記第１の半導体層のバンドギャップのエネルギーよりも小さいバンドギャップのエネルギーを有する、上記１５に記載のカラーピクセル。
１９．ピクセルのアレイを含むカラーイメージセンサであって、
各ピクセルが、
基板と、
前記基板上に、及び前記基板に実質的に平行に順次的に堆積され、入射電磁放射線を受け取るように構成された複数の光導電層とを含み、
前記光導電層がそれぞれ、異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収するように構成され、前記層の伝導性の変化に基づいて、前記層により吸収された入射電磁放射線の量を示すように構成されている、カラーイメージセンサ。
２０．前記ピクセルのそれぞれが、共通の基板を共有する、上記１９に記載のカラーイメージセンサ。
２１．ピクセルを動作させる方法であって、
入射電磁放射線を受け取り、
複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を対応する複数の光導電層で吸収し、前記光導電層が前記入射電磁放射線に対して垂直に配列されており、
前記複数の異なる波長範囲のそれぞれの範囲内で吸収された電磁放射線の量を、対応する光導電層の導電率の変化に基づいて求めることを含む、方法。
２２．前記複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収することが、電磁スペクトルの可視部分からの複数の異なる範囲の波長を吸収することを含む、上記２１に記載の方法。
２３．前記複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収することが、
第１の光導電層で赤色光に対応する範囲の波長を吸収し、
第２の光導電層で緑色光に対応する範囲の波長を吸収し、
第３の光導電層で青色光に対応する範囲の波長を吸収し、
前記複数の光導電層は、前記第１の光導電層が入射電磁放射線の供給源から最も遠くにあり、前記第３の光導電層が前記入射電磁放射線の供給源に最も近くにあるように構成されている、上記２２に記載の方法。
２４．前記複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収することが、電磁スペクトルの赤外線部分からの複数の異なる範囲の波長を吸収することを含む、上記２１に記載の方法。
２５．前記複数の異なる波長範囲の入射電磁放射線を吸収することが、電磁スペクトルの紫外線部分からの複数の異なる範囲の波長を吸収することを含む、上記２１に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【図２Ａ】半導体材料の吸光特性を示すグラフである。
【図２Ｂ】半導体材料の吸光特性を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態によるピクセルのアレイを示すブロック図である。
【図４】本発明によるピクセルの読み出し回路の例示的な一実施形態を示すブロック略図である。
【図５】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【図６】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【図７】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【図８】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【図９】本発明によるピクセルの一実施形態を示すブロック略図である。
【符号の説明】
【００６５】
30、130、230  ピクセル
32、132、232  基板
34〜38、134〜144、234〜238、334〜338、434〜438  光導電層
40〜44、146〜156、234〜238  絶縁層
70  入射電磁放射線
72  読み出し回路
346、348、352、354、358、360  誘電体層
350、356、362  ファブリーペロー共振器
440〜444  干渉フィルタ
【図１】
2007158338.tif 000003
【図２Ａ】
2007158338.tif 000004
【図２Ｂ】
2007158338.tif 000005
【図３】
2007158338.tif 000006
【図４】
2007158338.tif 000007
【図５】
2007158338.tif 000008
【図６】
2007158338.tif 000009
【図７】
2007158338.tif 000010
【図８】
2007158338.tif 000011
【図９】
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