(57)【要約】【課題】カルコパイライト構造の化合物半導体層を受光部に用い画素毎に受光部が分離していない構造を有し、暗電流を増加させずに電気的なクロストークを抑制することができる固体撮像素子を提供する。【解決手段】固体撮像素子は、撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、半導体１０基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極１１を有する。半導体基板１０は、下部電極１１及びカルコパイライト構造の化合物半導体層（受光層）１２に接する多層配線層を備える。下部電極１１と電気的に分離している独立配線層１８が、前記多層配線層の中で最も下部電極１１及び受光層１２に近い層の配線層に含まれ、且つ、下部電極１１間に配置される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、
カルコパイライト構造の化合物半導体からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、
前記受光層よりもバンドギャップの大きい半導体層と、
前記半導体層の上面に形成された透明導電層と、を有し、
前記半導体基板は、前記下部電極及び前記受光層に接する多層配線層を備え、
前記下部電極と電気的に分離している独立配線層が、前記多層配線層の中で最も前記下部電極及び前記受光層に近い層の配線層に含まれ、且つ、前記下部電極間に配置されることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記独立配線層が所定の電位に固定される請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記所定の電位が調整可能である請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記独立配線層に電気的に接続される端子を有し、
前記所定の電位に対応する電圧が外部から前記端子に印加される請求項２又は請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記所定の電位が０Ｖより大きい請求項２〜４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記撮像面が、第１の領域と、前記第１の領域の周りに形成される第２の領域に分かれ、前記第１の領域内の全ての前記下部電極それぞれと、それに隣接する前記第１の領域内の前記下部電極との間に前記独立配線層が配置される請求項１〜５のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記独立配線層は、前記第１の領域内の全ての前記下部電極に対応している複数の開口部が二次元配列されている形状である請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記開口部の面積は前記下部電極の面積よりも大きい請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記撮像面に垂直な方向から見て前記下部電極全体が前記開口部内に収まっている請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子にて取得されたイメージ情報を処理する制御部と、を有する固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカルコパイライト構造の化合物半導体層を有する固体撮像素子（イメージセンサ）及びこれを用いた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カルコパイライト構造の化合物半導体層を有するイメージセンサは、受光部のバンドギャップアライメントが可能である事から、Siよりもバンドギャップの小さい材料を用いる事で、Siでは撮像困難な近赤外線領域をセンシングする事が可能であるという利点を有している。このため、カルコパイライト構造の化合物半導体層を有するイメージセンサを用いた固体撮像装置は監視分野や医療分野への応用が期待されている。
【０００３】
カルコパイライト構造の化合物半導体層を有するイメージセンサの一例として、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2層（ＣＩＧＳ層）を有するＣＩＧＳイメージセンサを挙げることができる。
【０００４】
ＣＩＧＳイメージセンサの一つの形態は、ＬＳＩウェハの上面に二次元配列された下部電極（アノード電極）の上面を覆うようにＣＩＧＳ層を積層した構造を有している。そして、下部電極及びその周辺が画素を形成している。ＣＩＧＳイメージセンサの受光部であるＣＩＧＳ材料は多結晶体であるため、エッチング端面に起因するリーク電流の抑制が困難であり、受光部を物理的に分離することは画素毎の均一化の観点から好ましくない。そのため、通常ＣＩＧＳイメージセンサでは、受光部全体をＣＩＧＳ層で一様に覆うＣＩＧＳベタ膜構造としている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
ＣＩＧＳイメージセンサでは、ｐ型半導体であるＣＩＧＳ層とＣＩＧＳ層よりもバンドギャップの大きいｎ型半導体層とを接合したｐｎ接合構造のフォトダイオードが形成されている。そして、光は全空乏化したＣＩＧＳ層内で光電変換され、画素毎に、収集された電荷量に応じた電位変化を信号として取り出している。そして、透明電極である上部電極（カソード電極）がｎ型半導体層の上面を覆うように形成されており、全ての画素の共通電極となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５３８９７号公報（図１、図３等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
全空乏化したＣＩＧＳ層内部では、ｐｎ接合で生じる電界の他に、部分的に形成された下部電極と、一様に形成されている上部電極との間で電界が生じている。全空乏化したＣＩＧＳ層内で光電変換によって生成された電子正孔対は、ＣＩＧＳ層内の電界によって分離され、電子はｎ型半導体層に向かって移動し、正孔は下部電極に向かって移動する。
【０００８】
下部電極に到達した正孔は下部電極で収集され、正孔を収集した下部電極の電位は上昇する。したがって、光が照射される画素の下部電極と光が照射されない画素の下部電極との間に電位差が生じ、両者間に両者間の距離に応じた電界が生じる。この両者間に生じる電界のせいで正孔が前者から後者に移動して後者で収集されると、電気的なクロストークとなる。この電気的なクロストークを防ぐためには、画素間でもＣＩＧＳ層を全空乏化させておくことが必要である。
【０００９】
ＣＩＧＳ層を全空乏化させる手法としては、下記(i)(ii)の二つが考えられる。
(i) ＣＩＧＳ層のアクセプター濃度を下げる。
(ii) ＣＩＧＳ層とｎ型半導体層とを接合したｐｎ接合構造のフォトダイオードに印加する逆バイアスを増加させる。
【００１０】
しかし、ＣＩＧＳ材料は、不純物の添加（ドープ）によって伝導型及びアクセプター濃度が決まる材料ではなく、結晶欠陥によって自発的にｐ型半導体になっている材料である。このため意図的なアクセプター濃度の制御が困難である。従って、上記(i)の手法を実現することは難しい。
【００１１】
また、上記(ii)の手法を実行した場合、逆バイアスの増加に伴って下部電極と上部電極との間に発生するリーク電流（暗電流）も増加する。このリーク電流はフォトダイオードに光を照射したときに流れる光電流と同じ方向に流れるため、リーク電流が流れると、画像を白浮きさせたり、補正した場合にダイナミックレンジを低下させたりする。また、下部電極がフローティングになっている露光中では逆バイアスを制御できないので、上記(ii)の手法は露光中においてＣＩＧＳ層の全空乏化を制御できない。
【００１２】
本発明は、上記の状況に鑑み、カルコパイライト構造の化合物半導体層を受光部に用い画素毎に受光部が分離していない構造を有し、暗電流を増加させずに電気的なクロストークを抑制することができる固体撮像素子及びそのような固体撮像素子を用いた固体撮像装置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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、撮像面が二次元配列された複数個の画素に区切られた固体撮像素子であって、半導体基板と、前記半導体基板上面に隣と間隔をあけているとともに前記画素内に入るように設けられた複数個の下部電極と、カルコパイライト構造の化合物半導体からなり、前記複数個の下部電極を一括して覆うように前記半導体基板上面に設けられた受光層と、前記受光層よりもバンドギャップの大きい半導体層と、前記半導体層の上面に形成された透明導電層と、を有し、前記半導体基板は、前記下部電極及び前記受光層に接する多層配線層を備え、前記下部電極と電気的に分離している独立配線層が、前記多層配線層の中で最も前記下部電極及び前記受光層に近い層の配線層に含まれ、且つ、前記下部電極間に配置される構成（第１の構成）とする。
【００１４】
また、上記第１の構成である固体撮像素子において、前記独立配線層が所定の電位に固定される構成（第２の構成）としても良い。
【００１５】
また、上記第２の構成である固体撮像素子において、前記所定の電位が調整可能である構成（第３の構成）としても良い。
【００１６】
また、上記第２又は第３の構成である固体撮像素子において、前記独立配線層に電気的に接続される端子を有し、前記所定の電位に対応する電圧が外部から前記端子に印加される構成（第４の構成）としても良い。
【００１７】
また、上記第２〜第４いずれかの構成である固体撮像素子において、前記所定の電位が０Ｖより大きい構成（第５の構成）としても良い。
【００１８】
また、上記第１〜第５いずれかの構成である固体撮像素子において、前記撮像面が、第１の領域と、前記第１の領域の周りに形成される第２の領域に分かれ、前記第１の領域内の全ての前記下部電極それぞれと、それに隣接する前記第１の領域内の前記下部電極との間に前記独立配線層が配置される構成（第６の構成）としても良い。
【００１９】
また、上記第６の構成である固体撮像素子において、前記独立配線層は、前記第１の領域内の全ての前記下部電極に対応している複数の開口部が二次元配列されている形状である構成（第７の構成）としても良い。
【００２０】
また、上記第７の構成である固体撮像素子において、前記開口部の面積は前記下部電極の面積よりも大きい構成（第８の構成）としても良い。
【００２１】
また、上記第８の構成である固体撮像素子において、前記撮像面に垂直な方向から見て前記下部電極全体が前記開口部内に収まっている構成（第９の構成）としても良い。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体撮像素子は、上記第１〜第９いずれかの構成の固体撮像素子と、前記固体撮像素子にて取得されたイメージ情報を処理する制御部と、を有する構成（第１０の構成）とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、カルコパイライト構造の化合物半導体層を受光部に用い画素毎に受光部が分離していない構造を有し、暗電流を増加させずに電気的なクロストークを抑制することができる固体撮像素子及びそのような固体撮像素子を用いた固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】固体撮像装置の概略図
【図２】固体撮像装置のブロック図
【図３】ＣＩＧＳイメージセンサの画素部分の平面図
【図４】図３に示すＣＩＧＳイメージセンサの画素部分を拡大した断面図
【図５】比較例のＣＩＧＳイメージセンサの画素部分を拡大した断面図
【図６】カメラモジュール（固体撮像装置）の一画素分の概略回路構成
【図７】エネルギーバンド図
【図８】エネルギーバンド図
【図９】エネルギーバンド図
【図１０】エネルギーバンド図
【図１１】比較例のＣＩＧＳイメージセンサの一画素の断面図
【図１２】本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサを用いて解像度チャートを撮影した場合の撮影画像
【図１３】比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いて解像度チャートを撮影した場合の撮影画像
【図１４】本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサの電流電圧特性を示す図
【図１５】エネルギーバンド図
【図１６】エネルギーバンド図
【図１７】エネルギーバンド図
【図１８】エネルギーバンド図
【図１９】独立配線層の平面図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜固体撮像装置の概略構成＞
図１は固体撮像装置の概略図であり、図２は図１に示す固体撮像装置のブロック図である。図１及び図２に示す固体撮像装置は、ＣＩＧＳイメージセンサを用いたカメラモジュールＣｍである。図２において、実線は信号（データ）の送受信を示しており、破線は電力の供給を示している。
【００２６】
カメラモジュールＣｍは、ＣＩＧＳイメージセンサ１、制御部２、電源回路３、記憶部４、インターフェース回路５、発振器６、温度調整部７、レンズユニット８、及び基板９を備えている。
【００２７】
ＣＩＧＳイメージセンサ１、制御部２、電源回路３、記憶部４、インターフェース回路５、発振器６、温度調整部７、及びレンズユニット８は基板９に実装されている。また、レンズユニット８も基板９に取り付けられている。
【００２８】
基板９は、パターン配線が形成された基板である。基板９に実装された各素子の端子は、それぞれ対応するパターン配線に接続されており、パターン配線を介して電力の供給や他の素子と信号の送受信を行う。
【００２９】
ＣＩＧＳイメージセンサ１は、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2層を受光層として用い、入射した被写体からの光を画素ごとに光電変換し、撮影画像の電子データ（画像データ）を取得する。
【００３０】
ＣＩＧＳイメージセンサ１は、制御部２から制御コマンドを受信するとともに、取得した画像データを制御部２に送信する。ＣＩＧＳイメージセンサ１は、制御部２からの制御コマンドに基づいて処理（例えば、画像データの取得、送信等の処理）を行う。ＣＩＧＳイメージセンサ１の詳細については、後述する。
【００３１】
制御部２は記憶部４に不揮発的に記憶されているプログラム及びデータを用いて固体撮像装置全体を制御する。制御部２は例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、ＰＩＣ（Peripheral Interface Controller）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、などによって構成することができる。
【００３２】
電源回路３は、カメラモジュールＣｍの外部に設けられる外部電源（例えば、バッテリ）から供給された電力を元にＣＩＧＳイメージセンサ１及び制御部２に必要な電源電力を生成してＣＩＧＳイメージセンサ１及び制御部２に供給する。また、図２において破線の図示を省略しているが、制御部２は記憶部４及び温度調整部７に必要な電源電力を供給する。なお、本実施形態とは異なり、電源回路３が記憶部４及び温度調整部７に必要な電源電力を記憶部４及び温度調整部７に直接供給しても良い。
【００３３】
記憶部４は、内部メモリ４１と、フラッシュメモリ等の可搬性を有する外部メモリの着脱が可能な外部メモリスロット４２とを備えている。
【００３４】
内部メモリ４１としては、制御部２の処理データ等を一時的に保管するＲＡＭ（Random Access Memory）や、読み出し専用のＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えている。なお、内部メモリ４１の構成はこれに限定されるものではない。
【００３５】
外部メモリスロット４２は、カード状や棒状の外部メモリが装着された状態で、外部メモリにデータを記録したり、外部メモリからデータを読み出したりする。なお、外部メモリとして、半導体メモリを挙げているが、これに限定されるものではない。
【００３６】
インターフェース回路５は、接続ケーブルを介してカメラモジュールＣｍと外部機器とを接続するための回路であり、外部機器からの制御コマンドを制御部２に送信するとともに、制御部２からの画像データを外部機器に送信することができる。インターフェース回路５としては、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）インターフェース、ＩＥＥＥ１３９４インターフェース等、接続ケーブルの規格に対応した回路を広く採用することができる。また、インターフェース回路５は無線通信で外部機器と接続する回路であってもよい。この場合、インターフェース回路５は、電波を送受信する無線通信回路を備える構成となる。
【００３７】
発振器６は、制御部２の動作の基準となる同期信号を送信する。発振器６としては、水晶振動子を備えた水晶発振器を挙げることができるが、これに限定されるものではない。発振器６から出力される信号は制御部２の動作の基準クロックとして用いられる。
【００３８】
温度調整部７は、熱交換器７１及び温度制御回路７２を有しており、ＣＩＧＳイメージセンサ１の温度を一定の範囲に収まるように調整する。熱交換器７１は、吸熱側（低温側）がＣＩＧＳイメージセンサ１に接触するように配置されており、ＣＩＧＳイメージセンサ１から吸収した熱を放出する。
【００３９】
熱交換器７１の構成としては、例えば、電圧を印加することで温度差を発生するペルチェ素子を備える構成、熱媒体を吸熱側と放熱との間で循環させるヒートパイプを備える構成等が考えられる。
【００４０】
温度制御回路７２は、ＣＩＧＳイメージセンサ１の温度情報に基づいて、熱交換器７１を制御する制御信号を熱交換器７２に送信している。本実施形態では、ＣＩＧＳイメージセンサ１が自身の温度を測定する温度センサを備えており、ＣＩＧＳイメージセンサ１は自身の温度情報を制御部２を通して温度制御回路７２に送信している。温度制御回路７２は、ＣＩＧＳイメージセンサ１の温度情報と目標温度とに基づいて、ＣＩＧＳイメージセンサ１の温度が目標温度になるように、熱交換器７１を制御する。目標温度は、例えば記憶部４が記憶しており、制御部２によって温度制御回路７２に送信されても良く、また例えば温度制御回路７２によって不揮発的に記憶されていても良い。
【００４１】
このように、温度調整部７を備えていることでＣＩＧＳイメージセンサ１の温度上昇を抑制しＣＩＧＳイメージセンサ１の温度を一定の範囲に収めることが可能となる。これにより、ＣＩＧＳイメージセンサ１の特性変化を抑えることができる。なお、本実施形態では、温度制御回路７２を制御部２と独立して設けた構成としているが、温度制御回路７２は制御部２の一部に含まれていてもよい。
【００４２】
レンズユニット８は、１個又は複数個のレンズを組み合わせた光学系を含む構成であり、レンズユニット８に入射した被写体からの光をＣＩＧＳイメージセンサ１に結像させるための光学系である。なお、ＣＩＧＳイメージセンサ１に光を導く光学系としてレンズユニット８を挙げているが、これに限定されるものではなく、例えば、プリズム等を用いるものや光ファイバ、像導伝部材等を用いるものであってもよい。また、レンズユニット８が、焦点距離、絞り等を調整可能な構成である場合、電源回路３からレンズユニット８内部に設けられているアクチュエータを駆動する電力の供給を受けるようにしてもよい。また、電源回路３とは異なる系統から電力の供給を受けるようになっていてもよい。また、レンズユニット８が調整可能である場合、レンズユニット８が制御部２から制御コマンドを受信し、制御コマンドに基づいて調整されるようになっていてもよい。
【００４３】
＜ＣＩＧＳイメージセンサの構造＞
図３はＣＩＧＳイメージセンサ１の画素部分の平面図であり、図４は図３に示すＣＩＧＳイメージセンサ１の画素部分を拡大した断面図である。なお、図３は後述の下部電極１１を明示するための図であり、ＣＩＧＳイメージセンサ１のうち、後述のＬＳＩウェハ１０と下部電極１１だけを図示している。
【００４４】
図３に示すようにＣＩＧＳイメージセンサ１は、正方形状の画素Ｐｘを２次元方向に隙間なく敷き詰めて配列した構成を有している。なお、図３はＣＩＧＳイメージセンサ１を模式的に示しているものであり、縦６ピクセル×横１０ピクセルとしているがこれに限定されるものではない。
【００４５】
図４では二つの画素Ｐｘの断面を示している。図４に示すようにイメージセンサ１にはＬＳＩウェハ（半導体基板）１０、下部電極１１、受光層（ｐ型半導体層）１２、ｎ型半導体層１３、透明電極層１４、及び保護膜１５が設けられている。受光層（ｐ型半導体層）１２、ｎ型半導体層１３、透明電極層１４及び保護膜１５は、ＬＳＩウェハ１０の上面にこの順番で積層されている。ＬＳＩウェハ１０の最上部には下部電極１１及び受光層１２に接する多層配線層が形成されている。なお、図４においては多層配線層の一部のみを図示している。具体的には、多層配線層の中で最も下部電極１１及び受光層１２に近い層の配線層のみを図４で図示している。
【００４６】
下部電極１１は、タングステン、モリブデン等の金属で形成された電極膜であり、ＬＳＩウェハ１０の最上面であるＳｉＯ2膜上に形成されている。下部電極１１は、多層配線層の内部に形成されているスルーホール１６Ａを介して配線層１７に接続される。また、下部電極１１と電気的に分離している独立配線層１８が下部電極１１間に配置されている。なお、配線層１７は、配線層１７及び独立配線層１８よりも下層の配線層（不図示）と、スルーホール１６Ｂを介して接続される。
【００４７】
図３に示すように、下部電極１１は平面視正方形状である。下部電極１１が形成されたＬＳＩウェハ１０の上面に受光層１２が形成されている。受光層１２は、ｐ型半導体であるＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2（ＣＩＧＳ）からなり、ｐ型半導体層となる。なお、以下の説明において、受光層１２について、ＣＩＧＳ層１２又はｐ型半導体層１２と説明する場合もあるが同じものである。
【００４８】
受光層１２の上面にはｎ型半導体層１３が形成されている。ｎ型半導体層１３は、ＣｄＳバッファ層１３１と、アンドープＺｎＯ層１３２とを含んでいる。受光層１２の上面にＣｄＳバッファ層１３１が形成されており、さらに、ＣｄＳバッファ層１３１の上面にアンドープＺｎＯ層１３２が形成されている。なお、ＣｄＳ及びアンドープＺｎＯはｎ型半導体である。ｐ型半導体層１２とｎ型半導体層１３とでｐｎ接合が形成されており、フォトダイオードを構成している。
【００４９】
アンドープＺｎＯ層１３２の上面には、Ａｌを不純物として添加（ドープ）したＺｎＯからなる透明電極（ＡｌドープＺｎＯ層）１４が形成されている。ＡｌドープＺｎＯは、低抵抗であるとともに透明な材料であり、透明電極として利用される。なお、透明電極１４としては、ＡｌドープＺｎＯ以外にも、透明で低抵抗な材料を広く採用することができる。透明電極１４の上面には、ＳｉＮ等からなる保護層１５が形成されている。保護層１５は、空気中の水分が上述の各層の内部に進入を防ぐための層である。なお、保護層１５としては、ＳｉＮ以外にも、水分の進入を防ぐとともに、ＣＩＧＳイメージセンサ１の受光部に入射する波長の光の透光性が高い材料を広く採用することができる。
【００５０】
ＣＩＧＳイメージセンサ１において、ＣＩＧＳ層１２とＣｄＳ層１３１及びアンドープＺｎＯ層１３２とがｐｎ接続となっており、フォトダイオードを構成している。そして、ＣＩＧＳ層１２側に配置される下部電極１１は、ｐ側電極でありアノード電極である。一方、ｎ型半導体層１３側に配置される透明電極１４は、ｎ側電極でありカソード電極である。
【００５１】
図３に示すように、ＣＩＧＳイメージセンサ１では、画素Ｐｘ毎に下部電極１１を１個ずつ備えた構成を有している。一方、透明電極１４は、すべての画素Ｐｘで共通の電極となるように形成されている。
【００５２】
そのため、ＣＩＧＳイメージセンサ１は、カソード電極が全ての画素Ｐｘで共通である、すなわち、カソードコモン構造である。また、下部電極１１以外の半導体層（膜）を全ての画素で一括して形成する、いわゆる、ベタ膜構造である。すなわち、ＣＩＧＳイメージセンサ１は、カソードコモン構造であるとともにベタ膜構造である。
【００５３】
ＣＩＧＳイメージセンサ１において、保護層１５及び透明電極１４は、可視光領域及びそれよりも長い近赤外領域の光が透過する材料で形成されている。また、アンドープＺｎＯ層１３２はワイドバンドギャップ半導体材料であり、ＣｄＳ層１３１はバッファ層であるため薄く形成されていることから、可視光領域以上の波長の光の大部分はｎ型半導体層１３を透過する。そのため、可視光領域及びそれよりも長い波長の光（近赤外光成分）がｐ型半導体層であるＣＩＧＳ層１２に到達する。フォトダイオードでは、中性領域よりも空乏層で光電変換されることで、光電変換効率を高めることができる。光が空乏化するＣＩＧＳ層に届きやすいヘテロ接合のフォトダイオード構造は光電変換効率を高め易い構造である。
【００５４】
通常、ＣＩＧＳイメージセンサ１では、フォトダイオードのリセット時にｐｎ接合に逆バイアスとなるように下部電極１１と透明電極１４とに電圧を印加している。フォトダイオードの容量を使って電荷信号を電圧信号に変換する場合は、そこから次フレームにおけるリセット直前のアノードの電位とリセット時の電位の差が出力電圧に相当する。このようにイメージセンサの場合は太陽電池と異なり、逆バイアスを印加して使用するため、イメージセンサの動作電圧範囲で、受光層１２が空乏化すれば良い。Ｓｉを使った多くのＣＭＯＳイメージセンサのように、光電変換するフォトダイオードと、そこで発生した電荷を転送して別の検出部で電圧に変換する信号読み出し構造を用いても良い。
【００５５】
＜空乏化の説明＞
空乏化の説明にあたっては、図５に示す画素断面構造を有する比較例のＣＩＧＳイメージセンサと、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１とを対比しながら説明する。比較例のＣＩＧＳイメージセンサはＣＩＧＳイメージセンサ１から独立配線層１８を取り除いた構造である。
【００５６】
比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いた場合も本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１を用いた場合もカメラモジュール（固体撮像装置）の一画素分の概略回路構成は図６のようになる。
【００５７】
ｐ型半導体であるＣＩＧＳ層とｎ型半導体層とを接合したｐｎ接合構造のフォトダイオードＤ１のアノードがトランジスタＱ１の一端及びアンプＡ１の入力端に接続されている。トランジスタＱ１の他端は定電圧源Ｓ１の正極に接続され、定電圧源Ｓ１の負極はグランド電位になっている。ここでは、フォトダイオードＤ１のカソードに３．３Ｖが印加され、定電圧源Ｓ１が１．１Ｖの電圧を出力する場合を例に挙げて説明する。トランジスタＱ１、定電圧源Ｓ１、アンプＡ１、及びトランジスタＱ１のオン／オフを制御する制御回路は、イメージセンサ１のＬＳＩ部分に作りこむ。
【００５８】
トランジスタＱ１をオンにしてリセット動作を実行すると、フォトダイオードＤ１に２．２Ｖの逆バイアスがかかってフォトダイオードＤ１は図７に示すバンド構造となり、ＣＩＧＳ層１２が全空乏化する。この全空乏化は、比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いた場合と本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１を用いた場合の双方に共通である。
【００５９】
なお、ＣｄＳバッファ層１３１は非常に薄いため図７においてＣｄＳバッファ層１３１のエネルギーバンドの図示は省略している。図７以外のエネルギーバンド図においても同様である。
【００６０】
次にトランジスタＱ１をオフにしてフォトダイオードＤ１をフローティング状態にして露光動作を実行する。光電変換によってＣＩＧＳ層１２に発生した電子正孔対は、ＣＩＧＳ層内の電界によって分離され、図８に示すようにＣＩＧＳ層１２のバンドに沿って電子（図８中の黒丸）はＺｎＯ層に向かって正孔（図８中の白丸）は下部電極１１に向かって移動する。この電子及び正孔の移動についても、比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いた場合と本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１を用いた場合の双方に共通である。
【００６１】
露光中に電子正孔対の発生並びに電子及び正孔の移動が繰り返されることによって、図９に示すようにＣＩＧＳ層１２のバンドが下がる。露光中にフォトダイオードの容量が一定の場合、ΔＱ ＝ Ｃ (ΔＶに従って、露光中の受光量に比例して下部電極１１の電
位が変化する。このＣＩＧＳ層１２のバンド降下についても、比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いた場合と本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１を用いた場合の双方に共通である。なお、図９ではリセット動作時のＣＩＧＳ層１２のバンドを細線で図示している。
【００６２】
比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いた場合には、上記のＣＩＧＳ層１２のバンド降下が進むと、図１０に示すようにＣＩＧＳ層１２のバンドにフラットな領域（中性領域）が出現するおそれがある。図１１に示すように、中性領域１９は、特に下部電極が形成されていない下部電極１１間のＣＩＧＳ／ＳｉＯ2界面で発生し易い。
【００６３】
本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１は、独立配線層１８を所定の電位に固定することで、露光中であっても中性領域１９が発生しないようにしている。その結果、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１は電気的なクロストークが抑えられる。このため、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１を用いて解像度チャートを撮影した場合の撮影画像は図１２に示すようになる。これに対して、比較例のＣＩＧＳイメージセンサを用いて解像度チャートを撮影した場合の撮影画像は図１３に示すようになる。
【００６４】
上記の所定の電位は次のような観点から設定すると良い。図１４は、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサの電流電圧特性を示す図であって、隣接し合う下部電極１１を二つのグループに分けて、その二つのグループ間に電圧を印加した時に流れる電流の独立配線層電圧依存性を測定した結果を示すグラフである。
【００６５】
独立配線層１８に電圧を印加しない場合に比べて、独立配線層１８に正の電圧を印加した場合は、下部電極１１間を流れる電流が減少する事が分かる。一方、独立配線層１８に負の電圧を印加した場合は、下部電極１１間を流れる電流が二桁も増大する。
【００６６】
この現象は以下のように理解することができる。図１５及び図１６に示すようにＣＩＧＳ層１２はＣｄＳバッファ層１３１及びアンドープＺｎＯ層１３２とｐｎ接合を形成している。一方、図１６に示すようにＣＩＧＳ層１２は下部電極１１の無い部分では、下層のＳｉＯ2膜及び独立配線層１８と、ＭＯＳ(Metal/Oxide/Semiconductor)ダイオードを形成しているとも考える事ができる。
【００６７】
ＣＩＧＳ層１２はｐ型半導体である事から、独立配線層１８に負のバイアスが印加されると、蓄積状態になる。この場合、図１７に示すようにＣＩＧＳ／ＳｉＯ2界面に正孔が蓄積されるため、下部電極１１間を流れる電流が増える事になる。一方、独立配線層１８に正の電圧を印加すると、図１８に示すようにＣＩＧＳ層１２を下層側から空乏化させる事ができる。独立配線層１８に電圧を印加して、ＣＩＧＳ層１２の電位を変化させる事で、中性領域に変化し易かった下部電極１１間の空乏化を維持でき、下部電極１１間を流れる電流を減少させる（＝クロストークを抑制する）事ができる。
【００６８】
なお、図１４に示す電流電圧測定データでは独立配線層１８に±３０Ｖもの電圧を印加しているが、これは測定に用いたサンプルではＣＩＧＳ層１２と独立配線層１８の間のＳｉＯ2膜の膜厚が厚いからである。ＳｉＯ2膜の膜厚を薄くすれば、独立配線層１８に印加する電圧を数Ｖまで下げる事ができる。また、独立配線層１８に電圧を印加しても、電流は流れない事から、消費電力を増大させる事は無い。
【００６９】
また、独立配線層１８に印加する所定の電位を調整可能にするために、独立配線層１８に電気的に接続される端子をＣＩＧＳイメージセンサ１に設け、所定の電位に対応する電圧がＣＩＧＳイメージセンサ１の外部から上記の端子に印加される構成とし、固体撮像装置が所定の電位に対応する電圧を出力する電圧源を備えるようにする。そして、上記の電圧源を可変電圧源とする。一方、独立配線層１８に印加する所定の電位を完全に固定する場合には、上記の電圧源を定電圧源とすればよい。
【００７０】
また、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１の撮像面は、有効画素領域と、有効画素領域の周りに形成される無効画素領域に分かれている。本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１では、有効画素領域内の全ての下部電極１１それぞれと、それに隣接する有効画素領域内の下部電極１１との間に独立配線層１８が配置される。これにより、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１では、有効画素領域内の全画素において電気的なクロストークが抑えられる。
【００７１】
また、本実施形態のＣＩＧＳイメージセンサ１では、図４に示すように下部電極１１と接続されている配線層１７は独立配線層１８と同一階層に配置されている。このような配置において、下部電極１１と独立配線層１８を電気的に分離するために、独立配線層１８は例えば図１９に示す形状にすればよい。なお、図１９において点線は下部電極１１の外縁を示している。
【００７２】
図１９に示す例では、独立配線層１８は、有効画素領域内の全ての下部電極１１に対応している複数の開口部ＯＰが二次元配列されている形状である。そして、開口部ＯＰの面積は下部電極１１の面積よりも大きくなっており、撮像面に垂直な方向から見て下部電極１１全体が開口部ＯＰ内に収まっている。
【００７３】
＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００７４】
例えば、上記実施形態ではＣＩＧＳイメージセンサを用いたが、他のカルコパイライト構造の化合物半導体層を有するイメージセンサを用いていても良い。カルコパイライト構造の化合物半導体は、黄銅鉱（chalcopyrite）と同じ結晶構造であり、例えば組成式I−III−VI２、II−IV−V２で示される。ただし、組成式中のローマ数字は周期表の族番号を示している。例えば、ローマ数字のIはIB族元素であり、IIはIIB族元素である。組成式中、IB族元素は例えばＣｕ、Ａｇ等を含み、IIIB族元素は例えばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ等を含み、VIB族元素は例えばＳ、Ｓｅ、Ｔｅ等を含む。また、IIB族元素は例えばＺｎ、Ｃｄ等を含み、IVB族元素は例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等を含み、VB族元素は例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ等を含む。
【００７５】
また例えば、上記実施形態では下部電極１１は平面視正方形状であるが、これに限定されず、例えば平面視正十二角形状や平面視正十六角形状であっても良い。或いは、平面視円形状であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係る固体撮像素子及びこれを用いた固体撮像装置は例えば監視分野や医療分野に応用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
Ｃｍ  カメラモジュール（固体撮像装置）
１  ＣＩＧＳイメージセンサ（固体撮像素子）
１０  ＬＳＩウェハ（半導体基板）
１１  下部電極
１２  受光層（ｐ型半導体層）
１３  ｎ型半導体層
１３１  ＣｄＳバッファ層
１３２  アンドープＺｎＯ層
１４  透明電極
１５  保護層
１６Ａ、１６Ｂ  スルーホール
１７  配線層
１８  独立配線層
１９  中性領域
２  制御部
３  電源回路
４  記憶部
４１  内部メモリ
４２  外部メモリスロット
５  インターフェース回路
６  発振器
７  温度調整部
７１  熱交換器
７２  温度制御回路
８  レンズユニット
９  基板
Ａ１  アンプ
Ｄ１  フォトダイオード
Ｑ１  トランジスタ
Ｓ１  定電圧源
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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