(57)【要約】【課題】感度を低下させることなく残像を防ぐことが可能な固体撮像素子を提供する。【解決手段】下部電極１０９と、下部電極１０９に対向する上部電極１１１と、下部電極１０９と上部電極１１１との間に設けられた光電変換層１１０ａ，１１０ｂとを含む光電変換素子Ａを有する固体撮像素子５であって、光電変換層１１０ａが赤外の波長域に感度を有し、光電変換層１１０ｂが緑色の波長域に感度を有し且つ赤外の波長域の光を透過する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極と、前記第一の電極に対向する第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に少なくとも設けられた光電変換層とを含む光電変換素子を有する固体撮像素子であって、
前記光電変換層が、第一の波長域に感度を有する第一の光電変換層と、前記第一の波長域を除く第二の波長域に感度を有する第二の光電変換層との積層構造となっている固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記第一の電極を光入射側の電極とし、
前記第一の光電変換層と前記第二の光電変換層のうち、前記第一の電極により近い位置に配置された方の光電変換層が、前記第一の電極から遠い位置に配置された方の光電変換層が感度を持っている波長域の光を透過する固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記第一の波長域が緑色の波長域であり、
前記第二の波長域が赤外の波長域である固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記第一の光電変換層及び前記第二の光電変換層の各々が有機材料で構成されている固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子と、
前記第一の波長域内の光又は前記第二の波長域内の光を前記固体撮像素子に照射する光源とを備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第一の電極と、前記第一の電極に対向する第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に少なくとも設けられた光電変換層とを含む光電変換素子を有する固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換層を一対の電極で挟んだ構成の光電変換素子を多数有する固体撮像素子においては、光電変換層と一対の電極の各々との界面においてキャリアトラップが形成されてしまい、ここでキャリアが捕獲されてしまう。このため、ある露光期間中に発生してキャリアトラップに捕獲されてしまったキャリアが、次の露光期間が開始されるまで残ってしまい、この結果、残像が発生するという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、特許文献１には、波長７００ｎｍ以上のバイアス光を固体撮像素子に照射するバイアス光源を設け、このバイアス光で発生させたキャリアによってキャリアトラップを埋めた状態で露光を行う装置が開示されている。この装置によれば、可視光によって発生したキャリアがキャリアトラップに捕獲されることなく読み出されるため、残像の問題を解決することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２３４５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された装置では、バイアス光によってキャリアを発生させた状態で露光を行う、つまり、光電変換層中のキャリア密度が大きい状態で露光を行うため、外部に取り出せるキャリアが減少してしまい、感度が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度を低下させることなく残像を防ぐことが可能な固体撮像素子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】
【０００７】
本発明の固体撮像素子は、第一の電極と、前記第一の電極に対向する第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に少なくとも設けられた光電変換層とを含む光電変換素子を有する固体撮像素子であって、前記光電変換層が、第一の波長域に感度を有する第一の光電変換層と、前記第一の波長域を除く第二の波長域に感度を有する第二の光電変換層との積層構造となっている。
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、前記第一の電極を光入射側の電極とし、前記第一の光電変換層と前記第二の光電変換層のうち、前記第一の電極により近い位置に配置された方の光電変換層が、前記第一の電極から遠い位置に配置された方の光電変換層が感度を持っている波長域の光を透過する。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、前記第一の波長域が緑色の波長域であり、前記第二の波長域が赤外の波長域である。
【００１０】
本発明の固体撮像素子は、前記第一の光電変換層及び前記第二の光電変換層の各々が有機材料で構成されている。
【００１１】
本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記第一の波長域内の光又は前記第二の波長域内の光を前記固体撮像素子に照射する光源とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、感度を低下させることなく残像を防ぐことが可能な固体撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態で説明する固体撮像素子は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置に搭載して用いることができる。以下に、固体撮像素子を搭載した撮像装置の一例であるデジタルカメラの構成について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。図２は、図１に示す固体撮像素子の１画素の断面模式図である。図３は、図２に示す受光層の詳細構成を示す断面模式図である。
【００１５】
図１に示したデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、固体撮像素子５にバイアス光を照射するバイアス光源３とを備える。
【００１６】
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。
【００１７】
又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。
【００１８】
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。
【００１９】
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。
【００２０】
固体撮像素子５は、図２に示したような構成の画素を、同一平面上に複数配列した構成となっている。
固体撮像素子５の１画素は、基板となるシリコン基板１０１上方にゲート絶縁膜１０５、絶縁膜１０６、及び遮光膜１０７を介して積層された光電変換素子Ａを備える。
【００２１】
光電変換素子Ａは、遮光膜１０７上に形成された下部電極１０９と、下部電極１０９上方に形成された下部電極１０９に対向する上部電極１１１と、下部電極１０９と上部電極１１１の間に設けられた受光層１１０とを含む構成となっている。
【００２２】
上部電極１１１には、その上方から被写体からの入射光が入射される。上部電極１１１は、受光層１１０に入射光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明な導電性材料で構成される。上部電極１１１の材料としては、可視光及び赤外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（TCO;Transparent Conducting Oxide）を好ましく用いることができる。Ａｕなどの金属薄膜も用いることができるが、透過率を９０%以上得ようとすると抵抗値が極端に増大するため、ＴＣＯの方が好ましい。ＴＣＯとして、特に、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２等を好ましく用いることができる。尚、上部電極１１１は、全画素で共通の一枚構成であるが、画素毎に分割してあっても良い。
【００２３】
下部電極１０９は、画素毎に分割された薄膜であり、透明又は不透明の導電性材料で構成される。下部電極１０９の材料としてアルミニウムや銀等を好ましく用いることができる。
【００２４】
図３に示すように、受光層１１０は、下部電極１０９上に積層された下引き層１１０ｄと、下引き層１１０ｄ上に形成された光電変換層１１０ａと、光電変換層１１０ａ上に形成された光電変換層１１０ｂと、光電変換層１１０ｂ上に形成された緩衝層１１０ｃとを備える。尚、受光層１１０の構成は、図３において、緩衝層１１０ｃを省略した構成、下引き層１１０ｄを省略した構成、又は、緩衝層１１０ｃ及び下引き層１１０ｄを省略した構成であっても良い。受光層１１０には、少なくとも複数層の光電変換層が含まれていれば良い。受光層１１０は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。
【００２５】
光電変換層１１０ａ，１１０ｂは、有機や無機の光電変換材料で構成されている。無機の光電変換材料としては例えばアモルファスシリコンが挙げられる。有機の光電変換材料として知られている材料としては、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、フタロシアニン誘導体、キナクリドン誘導体、ポルフィリン誘導体、フラーレン、ポリメチン化合物等が挙げられる。これらの中から、入射光のうちの特定波長域の光を吸収して、吸収した光に応じた電荷を発生するものから１種もしくは複数種を選択して用いることができる。
【００２６】
光電変換層１１０ａと光電変換層１１０ｂのうちの一方は、第一の波長域に感度を有する光電変換層であり、他方は、該第一の波長域を除く第二の波長域に感度を有する光電変換層となっている。ここで、「波長域に感度を有する」とは、主としてその波長域の光を吸収して、吸収した光に応じた電荷を発生することを言う。即ち、ある波長域に吸収のピークを有する光電変換材料で構成された光電変換層を、該波長域に感度を有する光電変換層と定義している。
【００２７】
又、光電変換層１１０ａと光電変換層１１０ｂのうち、光入射側の電極である上部電極１１１に近い位置にある光電変換層１１０ｂは、上部電極１１１から遠い位置にある光電変換層１１０ａが感度を持っている波長域の光を透過する材料で構成されている。
【００２８】
光電変換層１１０ａは、例えば、赤外の波長域（一般的には波長約７００ｎｍ以上）に感度を有するフタロシアニン系有機材料やナフタロシアニン系有機材料等の光電変換材料で構成されている。
【００２９】
光電変換層１１０ｂは、例えば、緑色の波長域（一般的には波長約４５０ｎｍ〜約６１０ｎｍ）に感度を有し、且つ、光電変換層１１０ａが感度を持っている赤外の波長域の光を透過する光電変換材料で構成されている。このような材料としては下記化合物２が挙げられる。
【００３０】
下部電極１０９表面に凹凸がある場合、あるいは下部電極１０９表面にゴミが付着していた場合、その上に低分子の有機光電変換材料を蒸着して光電変換層１１０ａ，１１０ｂを形成すると、この凹凸部分で光電変換層１１０ａ，１１０ｂに細かいクラックや光電変換層１１０ａ，１１０ｂが薄くしか形成されない部分ができやすい。この時、さらにその上から上部電極１１１を形成すると、上記クラックが透明導電性材料膜にカバレッジされて光電変換層１１０ａ，１１０ｂと上部電極１１１と部分的に近接するため、ＤＣショートやリーク電流の増大が生じやすい。このようなリーク電流の増大を防止するために、下部電極１０９上には、凹凸を緩和する下引き層１１０ｄが形成されている。下引き層１１０ｄはアモルファス性の有機材料を用いることができる。
【００３１】
緩衝層１１０ｃは、上部電極１１１を形成するときの光電変換層１１０ａ，１１０ｂへのダメージを防ぐために設けられており、ＳｉＯ（酸化珪素）等の無機材料で形成することができる。
【００３２】
光電変換素子Ａの１つの構成例についての製造方法を以下に記載する。
まず、基板上にＩＴＯを成膜して下部電極１０９を形成する。次に、ＩＴＯ上に下記化合物１を真空蒸着法により５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の膜厚で成膜して下引き層１１０ｄを形成する。次に、下引き層１１０ｄ上に化合物３を真空蒸着法により１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の膜厚で成膜して光電変換層１１０ａを形成する。次に、光電変換層１１０ａ上に下記化合物２を真空蒸着法により５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲の膜厚で成膜して光電変換層１１０ｂを形成する。次に、光電変換層１１０ｂ上にＳｉＯ（酸化珪素）を真空蒸着法により５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の膜厚で成膜して緩衝層１１０ｃを形成する。最後に、緩衝層１１０ｃ上にＩＴＯを成膜して光電変換素子Ａを完成させる。
【００３３】
【化１】
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【００３４】
上部電極１１１と下部電極１０９の間に所定のバイアス電圧を印加することで、光電変換層１１０ａ，１１０ｂで発生したキャリア（正孔、電子）のうちの一方を上部電極１１１に移動させ、他方を下部電極１０９に移動させることができる。本実施形態では、上部電極１１１に配線が接続され、この配線を介してバイアス電圧が上部電極１１１に印加されるものとする。又、バイアス電圧は、光電変換層１１０ａ，１１０ｂで発生した電子が上部電極１１１に移動し、正孔が下部電極１０９に移動するように極性が決められているものとする。勿論、電子が下部電極１０９に移動し、正孔が上部電極１１１に移動するように極性を決めておいても良い。
【００３５】
下部電極１０９下方の半導体基板１０１内には光電変換層１１０ｂで発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部１０２が形成されている。電荷蓄積部１０２上にはアルミニウム等の導電性材料からなるビアプラグ１０４が形成され、ビアプラグ１０４上に下部電極１０９が形成されており、このビアプラグ１０４によって下部電極１０９と電荷蓄積部１０２とが電気的に接続されている。
【００３６】
シリコン基板１０１上にはゲート絶縁膜１０５が形成され、この上に絶縁膜１０６が形成され、この上に、シリコン基板１０１に光が入射するのを防ぐ遮光膜１０７が形成されている。上部電極１１１上には光電変換素子Ａを保護する保護膜１１２が形成されている。
【００３７】
シリコン基板１０１内及びシリコン基板１０１表面には、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部１０３が形成されている。信号読み出し部１０３は、公知のＣＭＯＳ回路で構成され、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷をその量に応じた信号に変換して出力する。信号読み出し部１０３は、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷をＣＣＤによってアンプまで転送し、このアンプで電荷量に応じた信号を出力するような構成であっても良い。
【００３８】
図３に示す受光層１１０では、下部電極１０９及び上部電極１１１間にある物体同士の界面（下部電極１０９と下引き層１１０ｄとの界面、下引き層１１０ｄと光電変換層１１０ａとの界面、光電変換層１１０ａと光電変換層１１０ｂとの界面、光電変換層１１０ｂと緩衝層１１０ｃとの界面、緩衝層１１０ｃと上部電極１１１との界面）にキャリアトラップが形成されてしまう。
【００３９】
このため、固体撮像素子５で露光を開始し、この露光によって受光層１１０内で発生するキャリアは、その一部がキャリアトラップに捕獲されてしまう。この結果、残像が発生してしまう。
【００４０】
そこで、本実施形態では、光電変換層１１０ａが感度を持っている波長域内の光をバイアス光源３から固体撮像素子５に照射し、このバイアス光源３からの光によって光電変換層１１０ａ内にキャリアを発生させ、このキャリアによって、上記キャリアトラップを埋めた状態で露光を開始することで、光電変換層１１０ｂ内で発生したキャリアを残すことなく下部電極１０９に移動させて、残像を防止できるようにしている。
【００４１】
つまり、光電変換層１１０ｂを、被写体像に応じた撮像信号を得るために用いる撮像用の光電変換層とし、光電変換層１１０ａを、下部電極１０９及び上部電極１１１間にある物体同士の界面に存在するキャリアトラップにキャリアを埋めて残像を防止するための残像防止用の光電変換層としている。
【００４２】
図１のバイアス光源３は、残像防止用の光電変換層である光電変換層１１０ａが感度を持っている波長域内の光（バイアス光）を固体撮像素子５に照射するものであり、例えば中心波長が７３０ｎｍのＬＥＤを用いることができる。
【００４３】
以上のように構成された光電変換素子Ａの動作について説明する。
露光期間開始直前にバイアス光源３からバイアス光が発光されると、このバイアス光は光電変換層１１０ｂを透過して光電変換層１１０ａに入射する。光電変換層１１０ａでは、入射したバイアス光に応じたキャリアが発生し、このキャリアが下部電極１０９や上部電極１１１に移動する過程で、キャリアトラップで捕獲され、キャリアトラップがキャリアによって埋められる。
【００４４】
そして、露光期間が開始されると、被写体からの光が固体撮像素子５に入射する。固体撮像素子５に入射した光は光電変換層１１０ｂに入射し、ここで緑色の波長域の光が吸収され、吸収された光に応じたキャリアが発生する。そして、発生したキャリアが下部電極１０９及び上部電極１１１に移動し、下部電極１０９に移動した電子が電荷蓄積部１０２に蓄積され、この蓄積された電子に応じた信号が信号読出し部１０３から出力される。
【００４５】
被写体からの光のうち、光電変換層１１０ｂを透過した光は光電変換層１１０ａに入射するが、光電変換層１１０ａは可視域に感度を有していないため、この光は光電変換層１１０ａではほとんど吸収されず、光電変換層１１０ｂで発生したキャリアに応じた信号のみが固体撮像素子５から得られる。
【００４６】
このように、本実施形態のデジタルカメラによれば、光電変換層１１０ａにバイアス光を当て、光電変換層１１０ａで発生したキャリアによりキャリアトラップを埋めた後、光電変換層１１０ｂで被写体からの光を吸収させて撮像を行っているため、残像を防止することができる。又、光電変換層１１０ｂは、光電変換層１１０ａの吸収波長域に感度を持たないため、バイアス光によって光電変換層１１０ｂ内に発生するキャリアは微々たるものとなる。このため、露光開始時点での光電変換層１１０ｂ内のキャリア密度を小さくすることができ、感度低下を防ぐことができる。特許文献１では、バイアス光源からの光と被写体からの光とを同一の光電変換層に吸収させていたため、キャリア密度が高い状態で露光を行うことになってしまい、感度が低下していたが、本実施形態によればそのようなことを防ぐことができる。
【００４７】
尚、本実施形態では、光電変換層１１０ａを残像防止用の光電変換層とし、光電変換層１１０ｂを撮像用の光電変換層としたが、光電変換層１１０ａを撮像用の光電変換層とし、光電変換層１１０ｂを残像防止用の光電変換層としても良い。この場合は、バイアス光源３を、光電変換層１１０ｂが感度を持っている波長域内の光を発光可能なものとすれば良い。
【００４８】
光電変換層１１０ａを残像防止用の光電変換層とし、光電変換層１１０ｂを撮像用の光電変換層とした場合にはモノクロ撮像が可能となり、光電変換層１１０ａを撮像用の光電変換層とし、光電変換層１１０ｂを残像防止用の光電変換層とした場合には赤外撮像が可能となる。このため、バイアス光源３を、緑光を発光するものと、赤外光を発光するものとの２つ設けておき、撮影モードに応じてこれらを切り替えて固体撮像素子５に照射させるようにすることで、赤外撮像とモノクロ撮像とを切り替え可能なデジタルカメラを実現することができる。又、光源として発光波長を調整できるものを用いた場合には、１つの光源を設け、撮影モードに応じて発光波長を制御するようにしても良い。
【００４９】
又、本実施形態では、受光層１１０に含まれる各光電変換層が単層構造の例を示したが、該各光電変換層は複数層構造であっても良い。複数層構造であっても、全体として上述した特性を持っていれば良い。
【００５０】
又、図３に示した受光層１１０の構成において、光電変換層１１０ａと光電変換層１１０ｂの位置が逆であっても良い。この場合には、光電変換層１１０ａを、光電変換層１１０ｂで感度を持っている波長域の光を透過する材料で構成しておく必要がある。尚、露光期間中に発生したキャリアの移動距離を小さくして感度を向上させるという観点にたつと、下部電極１０９でキャリアを捕集して撮像信号を生成する場合には、撮像用の光電変換層を下部電極１０９側に配置しておくことが好ましく、上部電極１１１でキャリアを捕集して撮像信号を生成する場合には、撮像用の光電変換層を上部電極１１１側に配置しておくことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図
【図２】図１に示す固体撮像素子の１画素の断面模式図
【図３】図２に示す受光層の詳細構成を示す断面模式図
【符号の説明】
【００５２】
Ａ  光電変換素子
５  固体撮像素子
１０９  下部電極
１１０  受光層
１１０ａ，１１０ｂ  光電変換層
１１０ｃ  緩衝層
１１０ｄ  下引き層
１１１  上部電極
【図１】
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【図２】
2009152242.tif 000005
【図３】
2009152242.tif 000006