(57)【要約】  本開示の一態様に係る撮像装置は、外部からの光を受ける第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する半導体基板と、前記第２面上に位置する第１トランジスタと、前記第２面に面しており、前記半導体基板を透過した光を受ける光電変換部と、を備える。前記半導体基板は、シリコン基板またはシリコン化合物基板である。前記光電変換部は、前記第１トランジスタに電気的に接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、１．１μｍ以上の第１波長の光を吸収する材料を含む光電変換層と、を含む。前記第１電極は、前記第２面と前記光電変換層との間に位置する。前記材料の１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度は、前記材料の１．１μｍ以上の波長域における分光感度の最大値の０％以上５％以下の範囲内である。
2020105361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの光を受ける第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する半導体基板と、
前記第２面上に位置する第１トランジスタと、
前記第２面に面しており、前記半導体基板を透過した光を受ける光電変換部と
を備え、
前記半導体基板は、シリコン基板またはシリコン化合物基板であり、
前記光電変換部は、
前記第１トランジスタに電気的に接続された第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、１．１μｍ以上の第１波長の光を吸収する材料を含む光電変換層と、
を含み、
前記第１電極は、前記第２面と前記光電変換層との間に位置し、
前記材料の１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度は、前記材料の１．１μｍ以上の波長域における分光感度の最大値の０％以上５％以下の範囲内である、
撮像装置。
【請求項２】
前記材料は、量子ナノ構造を有する、
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記材料は、カーボンナノチューブである、
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記材料は、III族元素、IV族元素、V族元素およびVI族元素からなる群から選択される少なくとも１つを含むナノ粒子である、
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記材料は、１．１μｍ未満の第２波長の光を吸収し、
前記半導体基板は、前記第２波長の光を吸収する、
請求項２から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記半導体基板の厚さは、３０μｍ以上８００μｍ以下である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１面に面しているマイクロレンズをさらに備える、
請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記光電変換部と前記半導体基板との間に位置し、前記第１電極を前記第１トランジスタに電気的に接続する導電構造をさらに備え、
前記第１電極と前記導電構造との接続部は、前記第１面の法線方向から見て前記マイクロレンズの外縁よりも外側に位置する、
請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記光電変換部と前記半導体基板との間に、導波路構造を含む絶縁層をさらに備える、
請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第１電極は、前記第１波長の光に対して８０％以上の透過率を有する、
請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第２電極は、前記第１波長の光に対して８０％以上の反射率を有する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記光電変換部を覆う封止膜をさらに備える、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
画素をさらに備え、
前記画素は、前記光電変換部および前記第１トランジスタを含む、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記半導体基板内に配置された、第１フォトダイオードを含む１以上のフォトダイオードをさらに備え、
前記画素は、前記第１フォトダイオードをさらに含む、
請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記第２面上に位置し、前記第１フォトダイオードに電気的に接続された第２トランジスタをさらに備える、
請求項１４に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記１以上のフォトダイオードは複数のフォトダイオードを含み、
前記画素は、前記複数のフォトダイオードを含む、
請求項１４または１５に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記第１面に面しているカラーフィルタをさらに備え、
前記カラーフィルタは、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させない、
請求項１３から１６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記第１面に面しており、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させない帯域除去フィルタをさらに備える、
請求項１から１６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１９】
複数の画素をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれは、前記光電変換部および前記第１トランジスタを含み、
前記複数の画素の前記光電変換層は連続する単一の層である、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
１．１μｍ以上の波長域の光を出射する光源と、を備える、
撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置及び撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光センサの分野では、波長域を限定したセンシングに対する要求がある。このような応用においては、波長を制限する光学フィルタを撮像部の前面に配置することによって所望の波長に基づく撮像を行うことが一般的である。例えば下記の特許文献１は、イメージセンサの上方に光学フィルタが配置されたカメラモジュールを開示している。【０００３】
特許文献１に記載の技術では、光学フィルタの配置により、可視域でのイメージングと、赤外域でのイメージングとを切り替えて実行可能としている。特許文献１の図１０に例示されるように、特定の波長成分のフィルタリングには、バンドパスフィルタが用いられ得る。ただし、バンドパスフィルタとしては、一般的に、干渉型の光学フィルタが用いられる。そのため、光の入射角に対する依存性が大きく、広角の撮影には不向きである。【０００４】
他方、下記の特許文献２は、アモルファスシリコンから形成された第１のフォトダイオード、および、多結晶シリコンなどの、結晶性を有するシリコン層の形で形成された第２のフォトダイオードの積層構造を有する光検出装置を開示している。第１のフォトダイオードは、第２のフォトダイオードの上方に位置し、可視光を検出することに対し、第２のフォトダイオードは、第１のフォトダイオードを透過した赤外光を検出する。すなわち、この光検出装置では、第１のフォトダイオードは、第２のフォトダイオードへの可視光の入射を低減する光学フィルタの機能も兼ねている。【０００５】
また、下記の特許文献３は、第１の光電変換部が形成された単結晶Ｓｉ基板の表面上および裏面上にそれぞれ第２および第３の光電変換部を有する固体撮像装置を開示している。第３の光電変換部は、キナクリドンからなる有機膜をその一部に含み、第２の光電変換部は、シリコンゲルマニウム層をその一部に含む。これらの光電変換部は、光の入射側から第３の光電変換部、第１の光電変換部および第２の光電変換部の順に積層されている。このような積層構造により、入射光のうち緑の波長域の成分に関する信号、青の波長域の成分に関する信号および赤の波長域の成分に関する信号を個別に取得することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００８９２３７号明細書
【特許文献２】特開２０１２−０９９７９７号公報
【特許文献３】特開２０１５−０３７１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に赤外域の狭帯域撮像においてノイズが低減された高感度な撮像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】
【０００８】
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態に係る撮像装置は、外部からの光を受ける第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する半導体基板と、前記第２面上に位置する第１トランジスタと、前記第２面に面しており、前記半導体基板を透過した光を受ける光電変換部と、を備える。前記半導体基板は、シリコン基板またはシリコン化合物基板である。前記光電変換部は、前記第１トランジスタに電気的に接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、１．１μｍ以上の第１波長の光を吸収する材料を含む光電変換層と、を含む。前記第１電極は、前記第２面と前記光電変換層との間に位置する。前記材料の１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度は、前記材料の１．１μｍ以上の波長域における分光感度の最大値の０％以上５％以下の範囲内である。【０００９】
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、システム、集積回路、方法またはコンピュータプログラムで実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路、方法およびコンピュータプログラムの任意の組み合わせによって実現されてもよい。【００１０】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【００１１】
本開示のある実施形態によれば、特に赤外域の狭帯域撮像においてノイズが低減された高感度な撮像が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の第１の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図２】光電変換層に含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線を示す図である。
【図３】Ｓｉ基板における、波長と透過率との間の関係を示す図である。
【図４】画素電極の形状の例を示す模式的な平面図である。
【図５】画素電極の形状の他の例を示す模式的な平面図である。
【図６】画素電極の形状のさらに他の例を示す模式的な平面図である。
【図７】画素電極の形状のさらに他の例を示す模式的な平面図である。
【図８】画素電極の形状のさらに他の例を示す模式的な平面図である。
【図９】本開示の第１の実施形態による撮像装置の変形例を示す模式的な断面図である。
【図１０】各画素Ｐｘが有する例示的な回路構成を模式的に示す図である。
【図１１】バルクの形態とされた材料に関するエネルギーバンドの例と、量子ドットの形態とされた材料に関するエネルギーバンドの例とをあわせて示す図である。
【図１２】光電変換部に関する例示的なエネルギー図である。
【図１３】図１２に示す光電変換膜の第１層に関する典型的な分光感度曲線を模式的に示す図である。
【図１４】図１２に示す光電変換膜の第２層に関する分光感度曲線の例を模式的に示す図である。
【図１５】図１２に示す光電変換膜に関する分光感度曲線を模式的に示す図である。
【図１６】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１７】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１８】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図１９】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２０】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２１】本開示の第１の実施形態による撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図２２】本開示の第２の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図２３】図２２に示す撮像装置の各画素Ｐｘが有する例示的な回路構成を模式的に示す図である。
【図２４】図２２に示す撮像装置の各画素Ｐｘが有する他の例示的な回路構成を模式的に示す図である。
【図２５】第２の実施形態の変形例による撮像装置の画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図２６】マイクロレンズ、カラーフィルタおよび画素電極の配置の例を示す模式的な上面図である。
【図２７】第２の実施形態の他の変形例による撮像装置の画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図２８】導波路構造の変形例を説明するための模式的な断面図である。
【図２９】本開示の第３の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。
【図３０】本開示の第４の実施形態による撮像システムの概略を示す模式的なブロック図である。
【図３１】撮像システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図３２】撮像システムの動作の他の一例を示すフローチャートである。
【図３３】画素のデバイス構造の他の変形例を示す模式的な断面図である。
【図３４】画素のデバイス構造のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。
【図３５】半導体基板上のマイクロレンズの前面に配置されるレンズの構成の一例を示す模式的な断面図である。
【図３６】光入射側の表面に赤外透過膜を有する光学部材の他の一例を示す模式的な断面図である。
【図３７】画素のデバイス構造のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。
【図３８】本開示の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。
【図３９】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４０】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４１】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４２】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４３】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４４】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４５】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４６】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４７】図３８に示す撮像装置の例示的な製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４８】本開示の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の一態様の概要は、以下のとおりである。
【００１４】
［項目１］
本開示の項目１に係る撮像装置は、
外部からの光を受ける第１面および前記第１面の反対側の第２面を有する半導体基板と、
前記第２面上に位置する第１トランジスタと、
前記第２面に面しており、前記半導体基板を透過した光を受ける光電変換部と
を備え、
前記半導体基板は、シリコン基板またはシリコン化合物基板であり、
前記光電変換部は、
前記第１トランジスタに電気的に接続された第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、１．１μｍ以上の第１波長の光を吸収する材料を含む光電変換層と、
を含み、
前記第１電極は、前記第２面と前記光電変換層との間に位置し、
前記材料の１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度は、前記材料の１．１μｍ以上の波長域における分光感度の最大値の０％以上５％以下の範囲内である。
【００１５】
項目１の構成によれば、１．１μｍ未満の波長を有する光が半導体基板に吸収されるので、光電変換部には、半導体基板を透過した１．１μｍ以上の波長を有する成分が入射する。光電変換層が、１．１μｍの波長よりも長波長側に吸収ピークを示す分光感度特性を有し得るので、狭帯域のバンドパスフィルタを不要としながら、近赤外域の狭帯域撮像が可能である。また、１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光に起因するノイズを低減できるので赤外域の狭帯域撮像に特に有利である。
【００１６】
［項目２］
項目１に記載の撮像装置において、前記材料は、量子ナノ構造を有していてもよい。
【００１７】
項目２の構成によれば、光電変換膜が、１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長域にほとんど吸収を示さないようにすることができ、特に赤外域の狭帯域に関してより高いＳＮ比を有する撮像装置を実現し得る。
【００１８】
［項目３］
項目２に記載の撮像装置において、材料は、カーボンナノチューブであってもよい。
【００１９】
項目３の構成によれば、状態密度が離散的となるために、光電変換層の分光感度曲線のピークが急峻な形状となり、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。
【００２０】
［項目４］
項目２に記載の撮像装置において、材料は、III族元素、IV族元素、V族元素およびVI族元素からなる群から選択される少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００２１】
項目４の構成によれば、状態密度が離散的となるために、光電変換層の分光感度曲線のピークが急峻な形状となり、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。
【００２２】
［項目５］
項目２から４のいずれか１項に記載の撮像装置において、材料は、１．１μｍ未満の第２波長の光を吸収し、
半導体基板は、第２波長の光を吸収してもよい。
【００２３】
項目５の構成によれば、第２波長を有する光を半導体基板が吸収するので、第２波長における感度を実効的に消すことができ、撮像装置の感度として表れないようにすることができる。
【００２４】
［項目６］
項目１から５のいずれか１項に記載の撮像装置において、半導体基板の厚さは、３０μｍ以上８００μｍ以下であってもよい。
【００２５】
項目６の構成によれば、１．１μｍよりも短い波長を有する成分を半導体基板における吸収によって十分に減衰させることができる。
【００２６】
［項目７］
項目１から６のいずれか１項に記載の撮像装置は、前記第１面に面しているマイクロレンズをさらに備えていてもよい。
【００２７】
［項目８］
項目７に記載の撮像装置は、光電変換部と半導体基板との間に位置し、第１電極を第１トランジスタに電気的に接続する導電構造をさらに備え、
第１電極と導電構造との接続部は、第１面の法線方向から見てマイクロレンズの外縁よりも外側に位置していてもよい。
【００２８】
項目８の構成によれば、接続部がマイクロレンズの外縁よりも外側に位置するので、導電構造による光の遮断を回避することができる。
【００２９】
［項目９］
項目１から８のいずれか１項に記載の撮像装置は、光電変換部と半導体基板との間に、導波路構造を含む絶縁層をさらに備えていてもよい。
【００３０】
項目９の構成によれば、半導体基板を透過した赤外光を効率よく光電変換部に導くことができる。
【００３１】
［項目１０］
項目１から９のいずれか１項に記載の撮像装置において、第１電極は、第１波長の光に対して８０％以上の透過率を有していてもよい。
【００３２】
項目１０の構成によれば、光を通過させるための開口を第１電極に設ける必要がなく、より大きな開口率を得やすい。
【００３３】
［項目１１］
項目１から１０のいずれか１項に記載の撮像装置において、第２電極は、第１波長の光に対して８０％以上の反射率を有していてもよい。
【００３４】
項目１１の構成によれば、光電変換層を通過した光を対向電極によって半導体基板の側に向けて反射させることができ、より多くの光を光電変換に寄与させ得る。すなわち、より高い感度の発揮を期待できる。
【００３５】
［項目１２］
項目１から１１のいずれか１項に記載の撮像装置は、第２電極側において光電変換部を覆う封止膜をさらに備えていてもよい。
【００３６】
項目１２の構成によれば、光電変換部への酸素の進入を防止する効果が得られる。
【００３７】
［項目１３］
項目１から１２のいずれか１項に記載の撮像装置は、画素をさらに備え、
前記画素は、光電変換部および第１トランジスタを含んでいてもよい。
【００３８】
［項目１４］
項目１３に記載の撮像装置は、半導体基板内に配置された、第１フォトダイオードを含む１以上のフォトダイオードをさらに備え、
画素は、第１フォトダイオードをさらに含んでいてもよい。
【００３９】
項目１４の構成によれば、入射光のうち可視域の成分を第１フォトダイオードによって光電変換することができる。
【００４０】
［項目１５］
項目１４に記載の撮像装置は、第２面上に位置し、第１フォトダイオードに電気的に接続された第２トランジスタをさらに備えていてもよい。
【００４１】
項目１５の構成によれば、第１フォトダイオードにおいて生成された電荷を第２トランジスタによって読み出すことにより、入射光のうち可視域の成分の強度に関する情報をも得ることができる。
【００４２】
［項目１６］
項目１４または１５に記載の撮像装置において、前記１以上のフォトダイオードは複数のフォトダイオードを含み、
画素は、複数のフォトダイオードを含んでいてもよい。
【００４３】
［項目１７］
項目１３から１６のいずれか１項に記載の撮像装置は、前記第１面に面しているカラーフィルタをさらに備え、
カラーフィルタは、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させなくてもよい。
【００４４】
項目１７の構成によれば、第１フォトダイオードによって赤外光が光電変換されることに起因する余計な電荷の生成を抑制できるので、ホワイトバランスの崩れを防止することが可能である。
【００４５】
［項目１８］
項目１から１６のいずれか１項に記載の撮像装置は、前記第１面に面しており、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させない帯域除去フィルタをさらに備えていてもよい。
【００４６】
項目１８の構成によれば、第１フォトダイオードによって赤外光が光電変換されることに起因する余計な電荷の生成を抑制できるので、ホワイトバランスの崩れを防止することが可能である。
【００４７】
［項目１９］
項目１から１２のいずれか１項に記載の撮像装置は、
複数の画素をさらに備え、
前記複数の画素のそれぞれは、前記光電変換部および前記第１トランジスタを含み、
前記複数の画素の前記光電変換層は連続する単一の層であってもよい。
【００４８】
［項目２０］
本開示の項目２０に係る撮像システムは、項目１から１９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
１．１μｍ以上の波長域の光を出射する光源と、を備える。
【００４９】
項目２０の構成によれば、例えば夕暮れが近付いたときなどに、光源から赤外光を放射させて撮影を行うことにより、赤外光に関する明るい画像をより確実に得ることが可能になる。
【００５０】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。
【００５１】
（第１の実施形態）
図１は、本開示の第１の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を示す。図１は、本開示の第１の実施形態による撮像装置１００Ａの一部を取り出してその断面を模式的に示している。図示するように、撮像装置１００Ａは、例えば二次元に配置された複数の画素Ｐｘを含む。ただし、画素Ｐｘの数および配置は、図１に示す例に限定されず任意である。撮像装置が少なくとも１つの画素Ｐｘを有していれば、その撮像装置を光検出素子として利用することができる。画素Ｐｘの配置が一次元であれば、撮像装置１００Ａを例えばラインセンサとして利用できる。
【００５２】
撮像装置１００Ａは、概略的には、ウェル１１０ｗが形成された半導体基板１１０Ａと、光電変換部１２０とを有する。半導体基板１１０Ａは、光が入射する面である第１面１１０ｆおよび第１面１１０ｆの反対側に位置する第２面１１０ｂを有し、図１に模式的に示すように、光電変換部１２０は、半導体基板１１０Ａの第２面１１０ｂ側に位置する。半導体基板１１０Ａと光電変換部１２０との間には、絶縁層１３０Ａが位置し、光電変換部１２０は、絶縁層１３０Ａ上に配置されている。
【００５３】
絶縁層１３０Ａは、典型的には、複数の層間絶縁層の積層構造を有する。絶縁層１３０Ａを構成する各層は、例えば、二酸化シリコンから形成される。絶縁層１３０Ａは、多層配線１３１を内部に有する。多層配線１３１は、例えばＣｕなどから形成され、複数の配線層１３４、および、異なるレイヤーの配線間を互いに接続するビア１３６などを含む。
【００５４】
図１に示すように、光電変換部１２０は、複数の画素電極１２１と、対向電極１２２と、対向電極１２２および複数の画素電極１２１に挟まれた光電変換層１２３とを含む。図１に例示する構成において、対向電極１２２は、光電変換部１２０において複数の画素Ｐｘにまたがって連続した単一の電極の形で設けられ、光電変換層１２３も同様に、複数の画素Ｐｘにまたがって連続した単一の層の形で設けられている。これに対し、画素電極１２１は、各画素Ｐｘに対応して設けられている。すなわち、画素Ｐｘの各々は、画素電極１２１と、対向電極１２２の一部と、光電変換層１２３の一部とを含む。なお、図１に示す例では、各画素Ｐｘに対応するようにして半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆ側に複数のマイクロレンズ１９０が配置されている。
【００５５】
画素Ｐｘの各々は、さらに、上述の半導体基板１１０Ａの一部をも含む。本開示の実施形態において、半導体基板１１０Ａとしては、主にシリコンを含有する基板が用いられる。ここで、「主にシリコンを含有する」とは、シリコンがドーパントとして含有される場合を除くことを意味する。主にシリコンを含有する基板の例は、主成分がシリコンまたはシリコン化合物であるような基板、すなわち、Ｓｉ基板、および、ＳｉＧｅ混晶を含むいわゆるＳｉＧｅ基板などである。
【００５６】
図１に模式的に示すように、半導体基板１１０Ａには、複数の第１トランジスタ１１１が形成されている。これらの第１トランジスタ１１１は、典型的には、半導体基板１１０Ａの第２面１１０ｂ側に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の形で形成された信号検出トランジスタである。複数の第１トランジスタ１１１の各々は、例えばソースフォロワを形成することにより、画像信号を出力する。以下では、半導体基板１１０ＡとしてＰ型Ｓｉ基板を例示する。この場合、複数の第１トランジスタ１１１の各々は、典型的にはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。
【００５７】
複数の画素Ｐｘの各々は、上述の第１トランジスタ１１１を含む。各画素Ｐｘの第１トランジスタ１１１は、光電変換部１２０の対応する画素電極１２１と電気的な接続を有する。この例では、第１トランジスタ１１１は、半導体基板１１０Ａと光電変換部１２０との間に位置する導電構造１３２によって、対応する画素電極１２１に電気的に接続されている。導電構造１３２は、配線層１３４およびビア１３６の一部を含む、上述の多層配線１３１の一部から構成された構造である。図１では図示が省略されているが、半導体基板１１０Ａには、第１トランジスタ１１１を画素Ｐｘごとに電気的に分離する素子分離領域も形成される。
【００５８】
各画素Ｐｘに対応して光電変換部１２０に設けられた画素電極１２１は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、ＲｕまたはＰｔなどから形成され得る。この例では、画素電極１２１の中央部に、光電変換層１２３に向かって光が画素電極１２１を通過できるように開口Ａｐが設けられている。各画素Ｐｘの画素電極１２１を対応する第１トランジスタ１１１に電気的に接続する導電構造１３２は、上述したように、Ｃｕなど基本的に光を遮断する材料から形成される。そのため、導電構造１３２は、半導体基板１１０Ａの法線方向から見たとき、この開口Ａｐに重ならない位置に配置される。同様に、第１トランジスタ１１１も、典型的にはこの開口Ａｐに重ならない位置に配置される。
【００５９】
画素電極１２１は、あるいは、後述するように、ＩＴＯなどの、赤外線を透過させる材料から形成されてもよい。この場合も、導電構造１３２は、半導体基板１１０Ａを透過して光電変換層１２３に向かう光の進行を妨げない位置、例えば、画素Ｐｘの中央を避けた位置に配置される。なお、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。画素電極１２１は、光電変換層１２３と半導体基板１１０Ａの第２面１１０ｂとの間に位置する。
【００６０】
光電変換部１２０の対向電極１２２は、画素電極１２１よりも半導体基板１１０Ａから遠くに位置する。すなわち、対向電極１２２は、画素電極１２１とは光電変換層１２３に関して反対側に位置する。
【００６１】
図１に例示する構成において、光電変換層１２３は、光電変換膜１２４と、電子ブロッキング層１２５とを含む。電子ブロッキング層１２５は、光電変換膜１２４と複数の画素電極１２１との間に配置される。光電変換層１２３は、光の入射を受けて光電変換層１２３内に正および負の電荷対を発生させる。例えば対向電極１２２に所定の電圧を印加することによって対向電極１２２の電位を画素電極１２１の電位よりも高くすることにより、電荷対のうち正の電荷を画素電極１２１によって収集することができる。
【００６２】
本開示の実施形態では、光電変換膜１２４の材料として、１．１μｍ以上の第１波長の光を吸収する材料が選択される。後に詳しく説明するように、光電変換膜１２４は、カーボンナノチューブあるいは量子ドットなどの、量子閉じ込めを発現する材料を含有する。カーボンナノチューブ、量子ドットといった材料は、特定の波長に特異的な吸収ピークを示す特性を有する。したがって、このような材料を光電変換材料として形成された光電変換膜は、埋め込みフォトダイオードなどの、半導体結晶に形成されたデバイスが示すようなブロードな吸収特性とは異なり、急峻な吸収ピークを有する分光感度特性を示す。
【００６３】
ただし、信号電荷として利用される電荷の生成に関わる主要な光電変換材料として、吸収ピークが離散的なカーボンナノチューブまたは量子ドットを用いた場合であっても、１．１μｍ未満の波長域に、より高いエネルギーに対応する共鳴に起因する吸収ピークが存在することがあり得る。また、光電変換層が、電荷分離のためのアクセプターまたはドナーを含んでいると、１．１μｍ未満の波長を有する光が電荷分離のための材料に吸収されることも起こり得る。このような１．１μｍ未満の波長域における意図しない吸収は、１．１μｍ以上の波長域における狭帯域撮像を行おうとする場合、ＳＮ比を低下させる要因となり得る。
【００６４】
しかしながら、図１に例示する構成においては、光電変換部１２０とマイクロレンズ１９０との間に半導体基板１１０Ａが介在している。半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆは、外部からの光を受ける受光面を構成し、したがって、光電変換層１２３は、半導体基板１１０Ａを透過した光を受ける。よく知られているように、シリコンは、そのバンドギャップに対応する１．１μｍ未満の波長を有する光を吸収し、１．１μｍ以上の波長の光を透過させる。したがって、半導体基板１１０Ａがロングパスフィルタとして機能することにより、光電変換層１２３には、半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆに入射した光のうち、半導体基板１１０Ａを透過した１．１μｍ以上の波長を有する成分が入射する。
【００６５】
さらに、上述したように、光電変換層１２３は、量子閉じ込めを発現する材料を含有することにより、ロングパスフィルタのカットオン波長に相当する１．１μｍの波長よりも長波長側に鋭い吸収ピークを示す分光感度特性を有する。したがって、半導体基板１１０Ａを介して光電変換層１２３に光を入射させることにより、１．１μｍ以上のある波長の光を特異的に吸収する分光感度特性を得ることができる。すなわち、狭帯域のバンドパスフィルタを不要としながら、特定の波長、例えば、近赤外域の光に関する撮像が可能になる。
【００６６】
なお、上述の特許文献２に記載の技術では、アモルファスシリコンから形成された第１のフォトダイオードを光学フィルタとしても機能させている。しかしながら、シリコンは、アモルファスの形態では７００ｎｍから８００ｎｍの波長域に十分な吸収を示さない。すなわち、例えば９００ｎｍ以上の波長域における狭帯域の撮像においては、アモルファスシリコンは、赤外光をカットするフィルタとしてはほとんど機能せず、狭帯域の撮像に不要な７００ｎｍから８００ｎｍの波長域の光まで光電変換される結果を招き、ノイズが増加してしまう。さらに、特許文献２に記載の技術では、赤外光を検出するための第２のフォトダイオードが、結晶性を有するシリコン層の形で形成されている。結晶性を有するシリコンは、１１００ｎｍ程度の波長域まで光を吸収するので、９００ｎｍ以上の波長域における狭帯域の撮像に用いた場合、狙いの波長よりも長波長の光まで光電変換されてしまう。つまり、長波長側まで拡がるブロードな感度があだとなり、ノイズの増大を招いてしまう。
【００６７】
これに対し、本開示の実施形態では、主にシリコンを含有する半導体基板を介して光を光電変換層に入射させるものの、光電変換膜の材料として量子閉じ込めを発現する材料を用いている。そのため、光電変換膜の材料として、例えば１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長域にほとんど吸収を示さない材料を選択することができる。そのため、半導体基板を介して光電変換膜に１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の波長を有する光が入射したとしても、このような成分に起因するノイズの発生を回避できる。すなわち、特に赤外域の狭帯域に関してより高いＳＮ比を有する撮像装置を提供し得る。
【００６８】
以下、画素Ｐｘのデバイス構造および光電変換層１２３の構成の詳細を説明する。
【００６９】
図２は、光電変換層１２３に含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線を示す。図２に示す例において、光電変換層１２３の分光感度曲線は、１．１μｍ以上の波長である第１波長λ１に第１ピークＰｋ１を有する。第１波長λ１は、例えば、１．１μｍ以上２μｍ以下の範囲にある波長である。分光感度曲線におけるピーク、換言すれば、感度のピークは、吸収スペクトルにおける極大値である吸収ピークと同義である。第１ピークＰｋ１は、分光感度曲線に現れるピークのうちの１つであり、１．１μｍ以上の波長域に現れる感度のピークとして特定される。
【００７０】
第１ピークＰｋ１は、比較的鋭く、第１ピークＰｋ１の半値全幅ＦＷＨＭは、典型的には２００ｎｍ以下である。また、本開示の実施形態において、信号電荷として利用される電荷の生成に関わる主要な光電変換材料の、１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度は、１．１μｍ以上の波長域における分光感度の最大値の０％以上５％以下の範囲であり得る。信号電荷の生成に関わる主要な光電変換材料の、１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域における分光感度がこのような範囲にあると、１．０μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光に起因するノイズを低減できるので赤外域の狭帯域撮像に特に有利である。このような分光感度特性を示す材料の典型例は、カーボンナノチューブあるいは量子ドットなどの、量子閉じ込め効果を発現する材料である。上述の第１ピークＰｋ１は、例えばカーボンナノチューブのＥ１１遷移に対応する吸収ピークであり得る。光電変換膜１２４の光電変換材料として量子ドットを用いた場合も、カーボンナノチューブと同様に状態密度が離散的であるので、同様の分光感度特性を得ることが可能である。
【００７１】
光電変換膜１２４の材料として量子閉じ込めを発現することのできる材料を用いた場合、特に第１ピークＰｋ１の現れる第１波長λ１よりも長波長側において、光電変換層１２３として５０％程度以下の比較的低い分光感度を得やすい。すなわち、光電変換膜１２４の光電変換材料として量子閉じ込めを発現することのできる材料を用いることにより、第１波長λ１よりも長波長側の光をカットするフィルタを不要とできるという利点が得られる。また、第１波長λ１よりも短波長側に注目すると、第２光学遷移または光電変換層中のアクセプターもしくはドナーによる吸収、および、電子ブロッキング層１２５による紫外域の吸収の影響により、第１波長λ１よりも長波長側の領域ほどには光電変換層１２３全体として分光感度が低下しないことがあり得るが、第１波長λ１よりも短波長側において、比較的に低い分光感度、すなわち第１ピークＰｋ１よりも低い分光感度の領域を生じさせることが可能になる。
【００７２】
光電変換層１２３の特に信号電荷の生成に関わる材料に関する分光感度曲線は、第１ピークＰｋ１を含む複数のピークを有し得る。図２に示す例では、分光感度曲線は、第１ピークＰｋ１に加えて、第２波長λ２に第２ピークＰｋ２を有する。第２波長λ２は、例えば、第２光学遷移に対応する波長であり、この場合、第１ピークＰｋ１は、信号電荷の生成に関わる材料の第１光学遷移に対応し、複数のピークのうち最も長波長側に位置する。換言すれば、第２ピークＰｋ２は、複数のピークのうち長波長側から２番目の吸収ピークである。ここで、第１光学遷移は、光学遷移の選択則において許容される、最低エネルギーの光学遷移のことであり、第２光学遷移は、その次に高いエネルギーの光学遷移のことである。
【００７３】
図２に模式的に示すように、第２ピークＰｋ２が現れる第２波長λ２は、１．１μｍ未満であり得る。ここで、本開示の実施形態では、光電変換層１２３には、主にシリコンを含有する半導体基板、典型的にはＳｉ基板を透過した光が入射する。また、上述したように、シリコンは、１．１μｍ未満の波長を有する光を吸収する。そのため、撮像装置に入射した光のうち、１．１μｍよりも短い波長である第２波長λ２を有する光は、半導体基板を通過する間に減衰され、ほとんど光電変換層１２３に到達しない。すなわち、光電変換膜１２４の材料が第２波長λ２に吸収ピークを有していたとしても、第２波長λ２およびその付近の波長を有する成分は、半導体基板によって遮断され、光電変換を介した信号電荷の発生に寄与しない。したがって、入射光のうち第１波長λ１を有する成分に関する画像信号を低ノイズで選択的に得ることができる。
【００７４】
図３は、Ｓｉ基板における、波長と透過率との間の関係を示す。図３中の曲線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３およびＧ４は、それぞれ、Ｓｉ基板の厚さが１０μｍ、３０μｍ、１００μｍおよび７７５μｍであるときの、波長と透過率との間の関係を表す。図３から、Ｓｉ基板が３０μｍ程度以上の厚さを有していれば、１．１μｍよりも短い波長を有する光に対して十分なフィルタリング機能を示し得ることがわかる。なお、３０μｍ以上の厚さを有している場合であっても、Ｓｉ基板は、例えば１１３０ｎｍの波長を有する光をほぼ１００％透過させることもわかる。
【００７５】
１．１μｍよりも短い波長を有する成分を十分に減衰させる観点から、半導体基板１１０Ａは、例えば、３０μｍ以上の厚さを有する。半導体基板１１０Ａの厚さに特に制限はないが、工業用Ｓｉ基板は、８インチであれば７２５±２０μｍ、１２インチであれば７７５±２０μｍの範囲の厚さを有する。したがって、半導体基板１１０Ａも８００μｍ以下の厚さを有し得る。なお、既に説明したように、絶縁層１３０Ａは、二酸化シリコンなどのシリコン酸化物、あるいは、窒化シリコンなどのシリコン窒化物などから形成される。これらの材料は、厚さが２μｍ程度であっても、１μｍ以上の波長域の光に対して９０％以上の透過率を示し得る。
【００７６】
再び図１を参照する。図１に模式的に示すように、光電変換部１２０の画素電極１２１は、半導体基板１１０Ａと光電変換部１２０の光電変換膜１２４との間に位置する。画素電極１２１が、赤外線を透過させないＴｉＮなどの材料から形成されている場合、光電変換膜１２４が画素電極１２１で覆われてしまうと、半導体基板１１０Ａを透過した光が画素電極１２１によって遮断されてしまう。そのため、この例では、画素電極１２１に開口Ａｐを設けている。
【００７７】
図４および図５は、画素電極１２１の形状の例を示す。図４および図５は、半導体基板１１０Ａの第２面１１０ｂの法線方向から見たときの画素電極１２１の配置および画素電極１２１のそれぞれの形状の例を模式的に示している。図４および図５では、各画素Ｐｘに対応して半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆ側に配置されたマイクロレンズの外縁の位置も二点鎖線によりあわせて示している。
【００７８】
図４に示す画素電極１２１Ａは、概ね矩形状の外形を有し、中央に矩形状の開口Ａｐを有する。このような構成においては、画素Ｐｘの平面視における面積に占める開口Ａｐの面積の割合が、画素Ｐｘの開口率を決める。図１を参照しながら説明したように、各画素Ｐｘの画素電極１２１Ａは、第１トランジスタ１１１に電気的に接続された導電構造１３２との接続を有する。各画素Ｐｘにおいて、画素電極と導電構造１３２との間の接続部は、マイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に位置する。導電構造１３２は、典型的には、半導体基板１１０Ａと光電変換部１２０との間において半導体基板１１０Ａの法線方向に延びるビア１３６を含む。そのため、導電構造１３２の特に画素電極との接続部をマイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に位置させることにより、導電構造１３２による光の遮断を回避することができる。
【００７９】
例えば画素電極が矩形状の外形を有する場合、画素電極と導電構造１３２との間の接続部は、矩形状の４つの角部のいずれかの位置に設けられ得る。この例では、画素電極１２１Ａは、矩形状の部分から画素Ｐｘの外縁に向けて延長する引き出し部１２１ｄを有し、画素電極１２１Ａと導電構造１３２との間の接続部１２１ｃが、引き出し部１２１ｄ上の領域に設けられている。図４に模式的に示すように、接続部１２１ｃは、マイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に形成される。
【００８０】
図５に示す画素電極１２１Ｂは、中央に開口Ａｐが設けられた概ね円環状の形状を有する。この例でも、接続部１２１ｃは、やはりマイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に位置している。言うまでもないが、画素電極１２１の形状および配置は、図４および図５に示す例に限定されない。画素電極１２１の形状は、三角形または六角形などの多角形状であってもよく、また、画素電極１２１の外形と開口Ａｐの形状とが一致している必要もない。ただし、光電変換によって生成された電荷が画素電極の一部に偏って収集されることを回避する観点からは、画素電極１２１が対称性の高い形状を有していると有利である。複数の画素電極１２１は、三角格子状の配置を有していてもよい。
【００８１】
赤外域の光を透過させる材料から画素電極１２１が形成される場合には、画素電極１２１に開口Ａｐを設けなくてもよい。図６から図８は、画素電極１２１の形状の他の例を示す。図６に示す画素電極１２１Ｃは、円板状の電極部１２１Ｃｅと、電極部１２１Ｃｅから延びる引き出し部１２１ｄとを有する。図７に示す画素電極１２１Ｄは、矩形状の電極部１２１Ｄｅと、電極部１２１Ｄｅから延びる引き出し部１２１ｄとを有する。これらの例では、引き出し部１２１ｄ上の領域に接続部１２１ｃが配置されている。
【００８２】
図８に示す画素電極１２１Ｅは、矩形状の電極部１２１Ｅｅを有するものの、引き出し部１２１ｄを有しない。図７に示す画素電極１２１Ｄと比較して、画素電極１２１Ｅの電極部１２１Ｅｅは、画素電極１２１Ｄの電極部１２１Ｄｅよりも大きな面積を有する。図８に例示する構成において、電極部１２１Ｅｅの矩形状の４つの角部は、マイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に位置し、電極部１２１Ｅｅの角部のうちの１つの位置に接続部１２１ｃが設けられている。赤外域の光を透過させる材料から画素電極１２１が形成される場合、画素Ｐｘの平面視における面積に占める画素電極１２１の面積の割合が、画素Ｐｘの開口率を決める。したがって、ＳＮ比を向上させる観点からは、電極部の面積をなるべく大きくすることが有利である。赤外域の光を透過させる材料を画素電極１２１の材料に適用することにより、光を通過させるための開口Ａｐを設ける必要がなくなるので、より大きな開口率を得やすい。
【００８３】
上述の電極部１２１Ｃｅ、１２１Ｄｅ、１２０Ｅｅは、１．１μｍ以上のある波長の光、例えば第１波長λ１を有する光に対して例えば８０％以上の透過率を示す。赤外域の光を透過させる材料の例は、ＩＴＯおよびＺｎＯに代表される透明導電性酸化物（Transparent Conducting Oxide（ＴＣＯ））である。例えばＩＴＯ膜の形で画素電極１２１を形成する場合、キャリア密度の調整によって、画素電極１２１の赤外光に対する透過率を調整可能である。キャリア密度を低下させることにより、例えば、１５００ｎｍの波長を有する光に対して８０％程度の透過率を示すＩＴＯ膜を得ることができる。また、例えば、ＺｎＯは、２００ｎｍ程度の厚さの薄膜とすることにより、１５００ｎｍの波長を有する光に対して９０％以上の透過率を得ることができる。本明細書における「透明」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し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
【００８４】
他方、対向電極１２２には、光電変換部１２０に入射する光に対する透過性は要求されない。対向電極１２２は、Ａｌ、ＴｉＮまたはＡｇなどの金属などから形成され得る。光電変換部１２０に入射する光を反射させる材料から対向電極１２２を形成してもよい。対向電極１２２は、１．１μｍ以上の第１波長λ１を有する光に対して例えば８０％以上の反射率を有し得る。１．１μｍ以上の波長を有する光に対して例えば８０％以上の反射率を示すような対向電極１２２の材料の例は、ＡｌおよびＡｕである。Ａｌ膜およびＡｕ膜は、垂直入射において、１．１μｍ以上の波長を有する光に対して９０％程度の反射率を示す。１．１μｍ以上の特に第１波長λ１を有する光に対して対向電極１２２が例えば８０％以上の高い反射率を示すことにより、光電変換層１２３を通過した光を対向電極１２２によって半導体基板１１０Ａの側に向けて反射させることができ、より多くの光を光電変換に寄与させ得る。すなわち、より高い感度の発揮を期待できる。
【００８５】
図１に例示する構成において、光電変換部１２０の半導体基板１１０Ａとは反対側の表面、すなわち、対向電極１２２側の表面は、封止膜１４０によって覆われている。封止膜１４０は、例えばＡｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ（酸窒化ケイ素）またはガラスなどから形成され、典型的には、５００ｎｍ以上の厚さを有する。光電変換部１２０の表面を封止膜１４０で覆うことにより、光電変換部１２０の特に光電変換膜１２４への酸素の進入を防止する効果が得られる。
【００８６】
封止膜１４０は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮまたはＡｌなどの金属を例えば２００ｎｍ以上堆積した膜であってもよい。封止膜１４０が金属を含有することにより、光電変換部１２０への水分の進入だけでなく、対向電極１２２側からの光の入射によるノイズの発生および輻射による熱に起因したノイズの発生を抑制し得る。対向電極１２２上にＳｉＯＮ、金属およびＳｉＯＮを順次に堆積することにより、封止膜１４０を形成してもよい。
【００８７】
図１に示す例では、撮像装置１００Ａは、上述の半導体基板１１０Ａ、絶縁層１３０Ａ、光電変換部１２０および封止膜１４０を含む構造を支持する支持基板１５０を有する。ただし、支持基板１５０は、必須の要素ではなく、必要に応じて撮像装置１００Ａに設けられる。例えば、半導体基板１１０Ａが、構造の支持に十分な厚さを有する場合には、支持基板１５０を省略することができる。
【００８８】
図１に示す例のように撮像装置に支持基板１５０を設け、絶縁層１３０Ａおよび支持基板１５０の間に光電変換層１２３を挟むことにより、光電変換層１２３の配置を断面視において画素Ｐｘの厚さ方向に関して中央に近づけることができる。このような光電変換層１２３の配置によれば、絶縁層１３０Ａから光電変換層１２３に加わる応力を、支持基板１５０から光電変換層１２３に加わる応力によって相殺し得る。支持基板１５０の材料は、特に限定されず、支持基板１５０としては、Ｓｉ基板、あるいは、シリコン酸化物の膜、シリコン窒化物の膜または高分子膜などを用い得る。
【００８９】
図９は、本開示の第１の実施形態による撮像装置の変形例を模式的に示す。図１を参照しながら説明した撮像装置１００Ａと比較して、図９に示す撮像装置１００Ｋは、封止膜１４０上に配置されたペルチェ素子１４２を有する。封止膜１４０上にペルチェ素子１４２を配置し、撮像装置１００Ｋの動作時にペルチェ素子１４２によって光電変換部１２０を冷却することにより、熱励起によるキャリアの生成を抑制し得る。結果として、ノイズの原因となり得る暗電流の発生を抑制することができる。この例で４は、一般的な冷却型赤外線イメージセンサよりも光電変換部により近い位置で光電変換部を冷却できるので、光電変換部をより効率的に冷却し得る。図示するように、ペルチェ素子１４２は、複数の画素Ｐｘごとに設けられ得る。
【００９０】
図１０は、各画素Ｐｘの回路構成の典型例を示す。図１０に模式的に示すように、画素Ｐｘは、概略的には、光電変換部１２０と、上述の第１トランジスタ１１１を含む検出回路１０とを含む。この例では、検出回路１０は、信号検出トランジスタとしての第１トランジスタ１１１に加えて、選択トランジスタ１１３およびリセットトランジスタ１１５を含む。選択トランジスタ１１３およびリセットトランジスタ１１５は、典型的には、第１トランジスタ１１１と同様に、半導体基板１１０Ａの第２面１１０ｂに形成されるＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。
【００９１】
図１０に模式的に示すように、光電変換部１２０の対向電極１２２は、図１０において不図示の電圧供給回路に接続されることにより、動作時に所定の電圧ＶＥを印加可能に構成される。他方、光電変換部１２０の画素電極１２１は、第１トランジスタ１１１のゲートに接続される。動作時、第１トランジスタ１１１のドレインに、図１０において不図示の電源から電源電圧ＡＶＤＤの供給を受けることにより、第１トランジスタ１１１は、フローティングディフュージョンノードＦＤの電位に応じた信号を出力するソースフォロワとして機能する。ここで、フローティングディフュージョンノードＦＤは、光電変換部１２０と第１トランジスタ１１１とを互いに電気的に接続するノードである。フローティングディフュージョンノードＦＤは、上述の導電構造１３２とリセットトランジスタ１１５のソース領域およびドレイン領域の一方とをその一部に含む。なお、図１０では、フローティングディフュージョンノードＦＤが有する容量を容量素子ＣＦの形で示している。
【００９２】
選択トランジスタ１１３は、第１トランジスタ１１１のソースと、複数の画素Ｐｘの列ごとに設けられる複数の出力信号線１２のうち対応する１つとの間に接続されている。選択トランジスタ１１３のゲートは、アドレス制御線を介して不図示の垂直走査回路に接続され、アドレス制御線の電位ΦＳの制御により、選択トランジスタ１１３のオンおよびオフが制御される。典型的には、アナログ−デジタル変換回路を含むカラム信号処理回路１４が出力信号線１２に接続される。アナログ−デジタル変換回路は、半導体基板１１０Ａに形成された回路であり得る。カラム信号処理回路１４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を行う回路をさらに含み得る。
【００９３】
この例では、検出回路１０は、リセットトランジスタ１１５を含む。リセットトランジスタ１１５のソースおよびドレインの一方は、フローティングディフュージョンノードＦＤとの接続を有する。リセットトランジスタ１１５のソースおよびドレインの他方は、図１０において不図示のリセット電圧源に接続されることにより、撮像装置の動作時に所定のリセット電圧ＶＲの供給を受ける。リセットトランジスタ１１５のゲートは、リセット制御線を介して例えば垂直走査回路に接続されている。垂直走査回路は、リセット制御線の電位ΦＲの制御により、リセットトランジスタ１１５のオンおよびオフを制御する。
【００９４】
以上から理解されるように、撮像装置１００Ａおよび１００Ｋにおける信号検出の原理は、いわゆる積層型の撮像装置における原理とほぼ同様であり得る。積層型の撮像装置に関する基本的な構造および動作の例は、例えば特開２０１７−１８８９１７号公報に説明されている。参考のために、特開２０１７−１８８９１７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
【００９５】
次に、光電変換層１２３の構成をより詳細に説明する。図２を参照しながらの上述の説明から理解されるように、光電変換層１２３は、１．１μｍ以上の第１波長λ１の光を吸収することができる。ここで、光電変換層がある波長の光を「吸収する」といったとき、光電変換層がその波長の光に対して示す吸収率が１００％であることは必須ではない。
【００９６】
図１および図９に例示する構成において、光電変換層１２３は、電子ブロッキング層１２５と、光電変換膜１２４とを有する。電子ブロッキング層１２５は、例えば、ＮｉＯなどの金属酸化物または下記の式（１）で表されるＴＡＰＣなどの有機材料から形成される。
【化１】
2020105361.tif 000003
【００９７】
光電変換膜１２４は、量子閉じ込め効果を持つ量子ナノ構造を有する材料を含有する。量子ナノ構造とは、一次元的、二次元的または三次元的に量子サイズ効果を発現する構造を指す。量子ナノ構造を有する材料の例は、カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは、グラフェンを丸めたような構造を有し、直径がナノメートル領域の、継ぎ目のない概ね円筒状である。円筒が１つの構造を特に単層カーボンナノチューブと呼び、複数の円筒が入れ子になった構造を多層カーボンナノチューブと呼ぶ。単層カーボンナノチューブの電子的特性および光学的特性の多くは、カイラル指数によって指定されるカイラリティによって決まり、単層カーボンナノチューブは、カイラリティに応じて金属的な性質または半導体的な性質を示す。
【００９８】
単層カーボンナノチューブ中の電子のエネルギーは、チューブが円筒状であることによる周期性に起因してチューブ軸方向の波数のみによって指定される。すなわち、単層カーボンナノチューブの電子状態は、一次元的である。単層カーボンナノチューブのバンド構造は、状態密度の発散するエネルギー準位（サブバンド）が離散的に発現する点で特徴的である。状態密度におけるこのような特異点は、Ｖａｎ  Ｈｏｖｅ特異点と呼ばれる。
【００９９】
単層カーボンナノチューブの吸収スペクトルは、このサブバンド間のエネルギーに相当する波長において急峻なピークを示す。カーボンナノチューブにおいては、フェルミ準位から数えて１番目のサブバンド間の光学遷移が第１光学遷移であり、２番目のサブバンド間の光学遷移が第２光学遷移である。図２を参照して説明した第２ピークＰｋ２は、第２光学遷移であるＥ２２遷移に対応する吸収ピークであり得る。
【０１００】
単層カーボンナノチューブは、カイラリティと呼ばれる自由度を持ち、下記の表１に示すように、カイラリティに応じた異なる波長に共鳴吸収を示す。例えば（９，８）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、８００ナノメートル前後および１．４１マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。（７，６）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、６５０ナノメートル前後および１．１３マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。なお、表１に示す各波長の値は、あくまでも一例であり、実測値と５０ナノメートル程度の誤差が生じることもあり得る。
【０１０１】
【表１】
2020105361.tif 000004
【０１０２】
３０μｍ以上の厚さを有するＳｉ基板は、（９，８）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブが共鳴吸収を示す１．４１マイクロメートルの波長の光をほぼ１００％透過させることに対し、第２光学遷移に対応する８００ナノメートル前後の波長を有する光を０．１％以下しか透過させない。また、３０μｍ以上の厚さを有するＳｉ基板は、（７，６）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブが共鳴吸収を示す１．１３マイクロメートルの波長の光をほぼ１００％透過させることに対し、第２光学遷移に対応する６５０ナノメートル前後の波長を有する光を０．１％以下しか透過させない。
【０１０３】
表１に例示するカイラリティを有する半導体型カーボンナノチューブは、シリコンにおいて透過率が急激に減少する１０００ｎｍ付近の波長域の光にほとんど吸収を示さない。したがって、例えば、検出を行おうとする光の波長に応じたカイラリティを有する単層カーボンナノチューブを用いて光電変換膜１２４を形成することにより、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。カーボンナノチューブは、後述する量子ドットと比較してより急峻な吸収ピークを得やすく、特定の波長における特異的に高い感度の発揮に有利な光電変換材料である。光電変換膜１２４に、カイラリティの異なる複数のカーボンナノチューブを混在させてもよい。
【０１０４】
量子ナノ構造として、ナノロッドもしくはナノワイヤ、量子井戸を有する結晶もしくは超格子、または、量子ドットを適用することも可能である。ナノロッド、ナノワイヤ、量子井戸を有する結晶もしくは超格子および量子ドットなどの量子ナノ構造を形成するための原料としては、Ｓｉ、ＧｅなどのV族半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどのIV-VI族半導体、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどのIII-V族半導体、あるいは、ＨｇＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＴｅなどの３元混晶体を選択することができる。量子ドットなどの量子ナノ構造を形成するための原料として金属も適用し得る。
【０１０５】
数十ナノメートル以下程度の直径および数百ナノメートル以上の長さを有するナノロッドもしくはナノワイヤは、一次元的な量子閉じ込め効果を示す。ナノロッドおよびナノワイヤの直径は、使用する原料によって異なり、例えば、ＰｂＳであれば１８ナノメートル以下、ＩｎＡｓであれば２９ナノメートル以下、ＩｎＳｂであれば６１ナノメートル以下である。ナノロッドおよびナノワイヤの長さは、使用する原料のボーア半径と比較して大きな値であってよい。
【０１０６】
量子井戸を有する結晶または超格子は、二次元的な量子閉じ込め効果を示す。量子井戸を有する結晶の層の厚さおよび超格子の層の厚さは、使用する原料のボーア半径以下の値となるようにされる。量子ドットは、三次元的な量子閉じ込め効果を示す。量子ドットは、２から１０ナノメートル程度の直径を有するナノクリスタルであり、数十個程度の原子で構成される。量子ドットの表面には、分散剤、配位子による修飾などが付与され得る。量子ドットは、ＡＰｂＸ３の化学式で示される、ペロブスカイト構造を有する量子ドットであってもよい。ここで、ＡＰｂＸ３の化学式中、Ａは、セシウム、メチルアンモニウムおよびホルムアミジニウムからなる群から選択される１つであり、Ｘは、塩素、臭素またはヨウ素である。
【０１０７】
粒子の粒径が励起子のボーア半径程度以下になると、励起子、電子が三次元的に空間に閉じ込められ、その状態密度は、バルクのときと異なり離散化される。また、粒径が小さくなるとこの量子閉じ込め効果が増大し、図１１に模式的に示すように、ギャップが拡大する。したがって、同一の原料であっても量子ドットの形態とすることにより、バルク時のエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを実現することができ、かつ、その粒径によってエネルギーギャップを調整することが可能である。
【０１０８】
量子ドットでは、第１光学遷移における吸収ピークの幅は、その原料およびその粒径によって大きく変化し得る。したがって、光電変換膜１２４を構成する光電変換材料として例えば量子ドットを選択した場合には、その原料および粒径を調整することによって、光電変換膜１２４において特異的に吸収を示す波長を調整することが可能である。
【０１０９】
なお、光電変換膜１２４は、量子閉じ込め効果を持つ材料に加えて、アクセプターとしての有機化合物またはドナーとしての有機化合物を含有し得る。図１２は、光電変換部に関する例示的なエネルギー図を示す。図１２に示す例は、光電変換によって生成される正および負の電荷のうち正の電荷を画素電極１２１によって収集する場合の構成である。
【０１１０】
図１２中、３つの矩形の左側にある太い横線は、画素電極１２１のフェルミ準位を表し、３つの矩形の右側にある太い横線は、対向電極１２２のフェルミ準位を表す。図１２において３つ並ぶ矩形のうち、一番左の矩形の底辺は、電子ブロッキング層１２５の最高被占分子軌道（ＨＯＭＯ）のエネルギー準位を表し、底辺に対向する辺は、最低空分子軌道（ＬＵＭＯ）のエネルギー準位を表す。図１２に例示する構成において、光電変換層１２３Ａは、第１層１２４ｐおよび第２層１２４ａを含む光電変換膜１２４Ａを有する。図１２中の中央の矩形およびその矩形の右側の矩形は、光電変換膜１２４Ａの第１層１２４ｐおよび第２層１２４ａのそれぞれにおけるＨＯＭＯおよびＬＵＭＯのエネルギー準位の高さを模式的に示している。
【０１１１】
光電変換膜１２４Ａの第１層１２４ｐは、第１波長λ１の光を特異的に吸収する材料を主に含有する層であり、量子閉じ込め効果を持つ材料から実質的に形成される。他方、光電変換膜１２４Ａの第２層１２４ａは、主にアクセプター性有機化合物を含有する層であり、再結合による励起子の失活を抑制する機能を有する。アクセプター性有機化合物としては、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。アクセプター性有機化合物の代表例は、下記の式（２）で表されるＣ６０フラーレン、下記の式（３）で表されるフェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）である。なお、Ｃ６０フラーレンのイオン化ポテンシャルおよび電子親和力の値は、それぞれ、およそ６．４ｅＶおよび４．０ｅＶである。ＰＣＢＭのイオン化ポテンシャルおよび電子親和力の値は、それぞれ、およそ６．１ｅＶおよび３．７ｅＶである。
【化２】
2020105361.tif 000005
【化３】
2020105361.tif 000006
【０１１２】
光電変換膜１２４Ａの第１層１２４ｐは、赤外域の光の吸収により電荷対を発生させ、赤外域の光の強度に関する信号電荷の発生に寄与する。図１３は、光電変換膜１２４Ａの第１層１２４ｐに関する典型的な分光感度曲線を模式的に示す。
【０１１３】
他方、図１４は、光電変換膜１２４Ａの第２層１２４ａに関する分光感度曲線の例を模式的に示す。フラーレンおよびＰＣＢＭは、赤外域に吸収を示さず、したがって、このような材料から形成された第２層１２４ａは、赤外域に感度を有しない。ただし、図１４からわかるように、可視光に対して感度を有し得る。第２層１２４ａで生成され、画素電極１２１に収集された電荷は、ノイズの原因となり得る。
【０１１４】
図１５は、第１層１２４ｐおよび第２層１２４ａを含む光電変換膜１２４Ａに関する分光感度曲線を模式的に示す。光電変換膜が、量子閉じ込め効果を持つ第１の材料と、これとは異なる第２の材料、例えばアクセプターとしての有機化合物またはドナーとしての有機化合物などとを含有する場合、光電変換膜の分光感度特性は、図１５に模式的に示すように、第１の材料に関する分光感度特性と、第２の材料に関する分光感度特性とを合成したものとなる。例えばアクセプターとしての有機化合物またはドナーとしての有機化合物は、典型的には、０．９μｍを超える波長の光を吸収しない。この例では、第２の材料における吸収は、半導体基板１１０Ａが吸収を示す１．１μｍ未満の波長域にある。そのため、光電変換膜が、フラーレンおよびＰＣＢＭのような、赤外域の光電変換に寄与する材料以外の第２の材料を含有していても、第２の材料による光吸収は、光電変換部１２０の実効的な感度には表れない。
【０１１５】
このように、本開示の実施形態では、光電変換膜が、量子閉じ込め効果を持つ第１の材料に加えて、アクセプターまたはドナー、分散剤などの第２の材料をさらに含有していてもかまわない。なお、図１２では、第１層１２４ｐおよび第２層１２４ａの積層構造を有する光電変換膜１２４Ａを例示しているが、光電変換膜は、量子閉じ込め効果を持つ第１の材料と、これとは異なる第２の材料とが混合されたバルクヘテロ接合構造層の形で形成されてもよい。この場合も上述の例と同様に、第２の材料による光吸収は、光電変換部１２０の実効的な感度に表れない。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。参考のために、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。光電変換膜と対向電極１２２との間に正孔ブロッキング層がさらに配置されてもよい。
【０１１６】
カーボンナノチューブおよび量子ドットでは状態密度が離散的となるために、これらを材料とする光電変換層の分光感度曲線のピークは急峻な形状となり、また、２つのピークの間には明瞭な谷が現れる。隣接する２つのピークは、ある光学遷移（例えばＥ２２遷移）におけるエネルギーギャップの大きさに対応する波長と、これとは異なる光学遷移（例えばＥ１１遷移）におけるエネルギーギャップの大きさに相当する波長との差に相当する波長分離れている。そのため、ピーク間の、相対的に低感度の谷の部分が、シリコンにおいて透過率が急激に減少する波長である１．１μｍに位置することにより、第１ピークＰｋ１以外の吸収ピークに起因する感度を実質的に消すことができる。そのため、撮像装置１００Ａ、１００Ｋは、第２ピークＰｋ２に対応する第２波長λ２に実効的に感度を示さない。
【０１１７】
このように、光電変換膜１２４の材料が複数の吸収ピークを有する場合であっても、第１ピークＰｋ１以外のピークの位置を１．１μｍ未満の波長域とすることにより、それらの吸収ピークに対応する波長における感度を実効的に消すことができ、撮像装置の感度として表れないようにすることができる。なお、図２に示す例では、第２ピークＰｋ２と比較して第１ピークＰｋ１の方が高い。しかしながら、これはあくまでも例示であり、第１ピークＰｋ１よりも第２ピークＰｋ２の方が高くてもかまわない。
【０１１８】
また、第１波長λ１よりも長波長側に注目すると、第１ピークＰｋ１が急峻な形状を有することにより、第１波長λ１よりも長いある波長λｄを超えるような波長の光に対しても、撮像装置１００Ａ、１００Ｋは、実効的に感度を示さない。ここで、波長λｄは、光電変換層１２３に含まれる主要な光電変換材料の分光感度特性によって決まる波長である。
【０１１９】
すなわち、本開示の実施形態による撮像装置は、第１波長λ１を含むある特定の波長域に選択的に感度を持つ。このように、本開示の実施形態によれば、半導体基板を透過した光を受ける光電変換膜を構成する材料のうち、特に、信号電荷として利用される電荷の生成に関わる主要な光電変換材料自体が急峻な吸収ピークを有することにより、バンドパスフィルタなどの光学フィルタを不要としながら、狭帯域の撮像を実現できる。特に、干渉を利用したフィルタリングではないので、斜め光に対しても所期のフィルタ機能を発揮させることが可能である。
【０１２０】
（撮像装置１００Ａの例示的な製造方法）
ここで、図１６から図２１を参照しながら、図１に示す撮像装置１００Ａの例示的な製造方法を簡単に説明する。まず、図１６に示すように、主にシリコンを含有する半導体基板１１０Ｓを用意する。ここでは、半導体基板１１０ＳとしてＰ型Ｓｉ基板を用いる例を説明する。
【０１２１】
次に、半導体基板１１０Ｓの一方の主面である第２面１１０ｂ側からのイオン注入などにより、図１７に模式的に示すように、ウェル１１０ｗ、トランジスタのソース領域またはドレイン領域としてのＮ型不純物領域１１０ｎ、および、素子分離領域などを第２面１１０ｂ側に形成する。次に、第２面１１０ｂの所定の領域上に検出回路１０を構成する第１トランジスタ１１１、選択トランジスタ１１３およびリセットトランジスタ１１５のゲート電極を配置する。なお、図１７では、図面が複雑になることを避けるために、これらのゲート電極の図示を省略している。
【０１２２】
次に、図１８に示すように、半導体基板１１０Ｓの第２面１１０ｂを覆う絶縁層１３０Ａを形成する。例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）により、絶縁膜を形成する。典型的には、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料を複数回に分けて堆積し、ダマシンプロセスの適用により、上述のアドレス制御線、リセット制御線および出力信号線１２を含む多層配線１３１を絶縁層１３０Ａの内部に形成する。このとき、絶縁膜のパターニングによって半導体基板１１０Ｓ上の回路との間のコンタクトも形成する。
【０１２３】
次に、図１９に模式的に示すように、絶縁層１３０Ａ上に光電変換部１２０を配置する。この例では、画素電極１２１は、絶縁層１３０Ａに埋め込まれる形で絶縁層１３０Ａの上面近くに形成され、導電構造１３２に接続されている。このように、光電変換部１２０は、導電構造１３２との接続を有する画素電極１２１を含む。
【０１２４】
光電変換部１２０は、積層型の撮像装置における光電変換部と同様に形成可能であり、光電変換部１２０の形成には公知の半導体プロセスを適用可能である。本開示の実施形態によれば、半導体基板を覆う絶縁層１３０Ａ上に光電変換部１２０を配置するので、従来のＣＭＯＳイメージセンサとは異なり、半導体基板を構成するシリコンなどの半導体とは異なる材料を光電変換膜１２４の材料として選択できる。そのため、光電変換部１２０を支持する半導体基板の材料の持つ吸収特性に依らない、所望の波長域に関する撮像を実現できる。
【０１２５】
ここでは、次に、図２０に示すように、光電変換部１２０の対向電極１２２上に封止膜１４０を形成する。封止膜１４０の形成には、化学気相成長および物理気相成長のいずれも適用可能である。この例では、さらに、封止膜１４０上に支持基板１５０を接合している。
【０１２６】
その後、典型的には、半導体基板１１０Ｓの厚さを低減させる。例えば、図２１に模式的に示すように、半導体基板１１０Ｓを第２面１１０ｂとは反対側の主面側から研削または研磨することにより、第１面１１０ｆおよび第２面１１０ｂを有する半導体基板１１０Ａを得る。その後、半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆ側にマイクロレンズ１９０を配置する。マイクロレンズ１９０と半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆとの間に、平坦化のための保護層などが介在されてもよい。以上の工程により、図１に示す撮像装置１００Ａが得られる。なお、半導体基板１１０Ｓの薄化後に支持基板１５０が除去されてもよい。
【０１２７】
（第２の実施形態）
図２２は、本開示の第２の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を模式的に示す。図１を参照しながら説明した撮像装置１００Ａと比較して、図２２に示す撮像装置１００Ｂは、半導体基板１１０Ａに代えて半導体基板１１０Ｂを有する。また、撮像装置１００Ｂは、半導体基板１１０Ｂの第１面１１０ｆと、マイクロレンズ１９０との間に位置するカラーフィルタ１８０をさらに有する。
【０１２８】
図２２に模式的に示すように、半導体基板１１０Ｂには、１以上のフォトダイオード１１０Ｐが形成されている。これらフォトダイオード１１０Ｐは、半導体基板１１０Ａを覆う絶縁層１３０Ａの形成の前に、イオン注入などによって形成できる。なお、図２２に示す第１トランジスタ１１１は、フォトダイオード１１０Ｐに対して紙面（すなわち切断面）よりも手前側または奥側に位置する。
【０１２９】
図２２に示す例では、画素Ｐｘごとに１つのフォトダイオード１１０Ｐが設けられている。各画素Ｐｘのフォトダイオード１１０Ｐは、素子分離領域１１０ｓによって空間的、電気的に分離されている。素子分離領域１１０ｓは、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）またはイオン注入によって形成される。なお、本明細書において、「画素Ｐｘ」は、画素電極１２１および第１トランジスタ１１１を含む単位構造を指す。
【０１３０】
カラーフィルタ１８０としては、１．１μｍ以上の波長域の光を透過させるフィルタを用いる。したがって、各画素Ｐｘのフォトダイオード１１０Ｐには、カラーフィルタ１８０を通過した光が入射する。そのうち、１．１μｍ以上の波長を有する成分は、半導体基板１１０Ｂを透過し、光電変換部１２０のうちフォトダイオード１１０Ｐの下方に位置する部分に到達する。すなわち、光電変換部１２０は、入射光のうち１．１μｍ以上の第１波長λ１を有する光の強度を検出する。
【０１３１】
他方、各画素Ｐｘのフォトダイオード１１０Ｐは、カラーフィルタ１８０を通過した光のうち１．１μｍ未満の波長を有する成分の入射によって電荷を発生させる。後述するように、各画素Ｐｘのフォトダイオード１１０Ｐは、図２２において不図示の第２トランジスタとの接続を有する。第２トランジスタは、フォトダイオード１１０Ｐによって生成された電荷を読み出す信号検出トランジスタである。本開示の第２の実施形態によれば、フォトダイオード１１０Ｐにおいて生成された電荷を第２トランジスタによって読み出すことにより、入射光のうち可視域の成分の強度に関する情報をも得ることができる。
【０１３２】
図２３は、撮像装置１００Ｂの各画素Ｐｘの回路構成の例を示す。図２３に例示する構成において、各画素Ｐｘは、検出回路１０に加えて、第２の出力信号線２２に接続された第２の検出回路２０を有する。図示するように、第２の検出回路２０は、第２トランジスタ１１２と、第２の選択トランジスタ１１４と、第２のリセットトランジスタ１１６とを含む。この例では、第２の検出回路２０は、転送トランジスタ１１８をさらに有している。この転送トランジスタ１１８は、フォトダイオード１１０Ｐと、信号検出トランジスタとしての第２トランジスタ１１２との間に接続される。第２トランジスタ１１２、第２の選択トランジスタ１１４、第２のリセットトランジスタ１１６および転送トランジスタ１１８は、典型的にはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、検出回路１０のトランジスタと同様に、半導体基板１１０Ｂの第２面１１０ｂに形成される。
【０１３３】
第２トランジスタ１１２のゲートは、転送トランジスタ１１８を介してフォトダイオード１１０Ｐに接続される。第２トランジスタ１１２は、そのドレインに所定の電源電圧ＡＶＤＤ２が供給されることにより、ソースフォロワとして機能し、ゲートに印加された電圧に応じた信号を、選択トランジスタ１１４を介して第２の出力信号線２２に出力する。電源電圧ＡＶＤＤ２は、第１トランジスタ１１１のドレインに供給される電源電圧ＡＶＤＤと異なる電圧であってもよいし、共通であってもよい。なお、第２トランジスタ１１２のゲート電極は、上述の第１トランジスタ１１１のゲート電極の形成の工程において並行して形成され得る。すなわち、第２トランジスタ１１２のゲート電極は、第１トランジスタ１１１のゲート電極と同層であり得る。
【０１３４】
転送トランジスタ１１８の動作は、転送トランジスタ１１８のゲートに接続される転送制御線の電位ΦＴによって制御される。転送制御線の電位ΦＴは、例えば垂直走査回路によって制御される。同様に、第２の選択トランジスタ１１４のゲートに接続される第２のアドレス制御線の電位ΦＳ２も、垂直走査回路によって制御され得る。すなわち、転送トランジスタ１１８のオンおよびオフ、ならびに、第２の選択トランジスタ１１４のオンおよびオフは、垂直走査回路によって制御され得る。
【０１３５】
第２のリセットトランジスタ１１６のソースおよびドレインの一方は、第２トランジスタ１１２のゲートに電気的に接続され、動作時、ソースおよびドレインの他方に所定のリセット電圧ＶＲ２が印加される。第２のリセットトランジスタ１１６のゲートに接続される第２のリセット制御線の電位ΦＲ２も、垂直走査回路によって制御され得る。
【０１３６】
この例では、第１トランジスタ１１１が出力信号線１２に接続され、第２トランジスタ１１２が第２の出力信号線２２に接続されているので、第１トランジスタ１１１からの信号と、第２トランジスタ１１２からの信号とを独立して読み出すことができる。すなわち、赤外域のとりわけ第１波長λ１を有する光の強度に関する信号と、可視光の強度に関する信号とを個別に取得することができる。
【０１３７】
図２３に例示する構成において、出力信号線１２と第２の出力信号線２２とに独立して、アナログ−デジタル変換回路を含むカラム信号処理回路が接続されていてもよい。光電変換部１２０によって得られる、赤外域のとりわけ第１波長λ１を有する光の強度に関する信号と、フォトダイオード１１０Ｐによって得られる、可視光の強度に関する信号とは、異なるタイミングでデジタル信号に変換されてもよい。
【０１３８】
図２４は、撮像装置１００Ｂの各画素Ｐｘの回路構成の他の例を示す。図２４に例示する構成では、各画素Ｐｘは、検出回路１０Ｂを含む。検出回路１０Ｂは、上述の検出回路１０に転送トランジスタ１１８をさらに追加した形を有する。この例では、光電変換部１２０が接続されたフローティングディフュージョンノードＦＤにさらにフォトダイオード１１０Ｐが接続されている。
【０１３９】
図２４に示すような回路構成によれば、検出回路全体のサイズの増大を抑制しながらも、第１波長λ１を有する光の強度に関する信号と、可視光の強度に関する信号とを個別に取得することが可能である。ただし、信号の読み出しを独立して実行可能であるので、フレームレートの観点では図２３に示す回路構成が有利である。
【０１４０】
（変形例１）
図２５は、第２の実施形態の変形例による撮像装置の画素のデバイス構造を模式的に示す。図２５に示す撮像装置１００Ｃは、光電変換部１２０の上方に位置する半導体基板１１０Ｃを有する。半導体基板１１０Ｃに複数のフォトダイオード１１０Ｐが形成されており、フォトダイオード１１０Ｐに第２トランジスタ１１２が接続されている点は、図２２に示す撮像装置１００Ｂと同様である。したがって、この例でも、第１波長λ１を有する光の強度に関する信号と、可視光の強度に関する信号とを個別に取得可能である。図２２を参照しながら説明した例と、図２５に示す撮像装置１００Ｃとを比較すると、図２５に示す例では、撮像装置１００Ｃは、画素Ｐｘごとに複数のフォトダイオード１１０Ｐを含む。
【０１４１】
図２６は、半導体基板１１０Ｃの法線方向から見たときの、マイクロレンズ１９０、カラーフィルタ１８０および画素電極１２１の配置の例を示す。図２６に例示する構成において、画素Ｐｘは、２行２列の配列を有する４つのセルＣＥを含む。ここで、これらのセルＣＥは、それぞれが上述のフォトダイオード１１０Ｐのうちの１つを含む構造である。
【０１４２】
この例では、ある画素Ｐｘの光電変換部１２０の上方に位置するカラーフィルタ１８０は、１つの第１フィルタ領域１８０ｒと、２つの第２フィルタ領域１８０ｇと、１つの第３フィルタ領域１８０ｂとを含む。第１フィルタ領域１８０ｒは、赤色の波長域の光を選択的に透過させる。第２フィルタ領域１８０ｇのそれぞれは、緑色の波長域の光を選択的に透過させ、第３フィルタ領域１８０ｂは、青色の波長域の光を選択的に透過させる。これら第１フィルタ領域１８０ｒ、第２フィルタ領域１８０ｇおよび第３フィルタ領域１８０ｂのそれぞれは、図２６において不図示の複数のフォトダイオード１１０Ｐのうち、それらの直下に位置する対応するフォトダイオード１１０Ｐを覆う。このような構成によれば、画素Ｐｘごとに、赤外光の強度に関する信号に加えて、例えば、赤色光の強度に関する信号、緑色光の強度に関する信号および青色光の強度に関する信号を取得することができる。
【０１４３】
なお、この例では、各画素Ｐｘが４つのセルＣＥを有することに対応して４つのマイクロレンズ１９０を含む。図２６に例示する構成において、画素電極１２１Ｆは、上面視において４つのセルＣＥに跨っており、その中央に１つの開口Ａｐを有している。ただし、開口Ａｐの数は１つに限定されず、画素Ｐｘが４つのセルＣＥ含むことに対応して画素電極に合計で４つの開口を設けてもよい。
【０１４４】
なお、図２６に示す例では、４つのセルＣＥのうち図２６中の右下に位置するセルＣＥに、画素電極と導電構造１３２との接続部１２１ｃが配置されている。ただし、接続部１２１ｃの位置は、絶縁層１３０Ａ内の光路上に位置しなければ任意である。図２６に示す例のように各画素Ｐｘが複数のセルＣＥを含むような構成では、接続部１２１ｃが画素Ｐｘの中央に位置することもあり得る。この場合も、接続部１２１ｃが、マイクロレンズ１９０の外縁よりも外側に位置する点は、図４から図８を参照しながら説明した各例と同様である。
【０１４５】
（変形例２）
図２７は、第２の実施形態の他の変形例による撮像装置の画素のデバイス構造を模式的に示す。これまでに説明した種々の例と、図２７に示す撮像装置１００Ｄとの間の主な相違点は、図２７に例示する構成では、絶縁層１３０Ａに代えて、内部に導波路構造１３５Ａの形成された絶縁層１３０Ｂが設けられている点である。
【０１４６】
半導体基板１１０Ｃと光電変換部１２０との間に位置する導波路構造１３５Ａは、例えばＴｉＯが分散されたポリイミドなどの有機材料、または、窒化シリコンなどから形成され、絶縁層１３０Ｂの他の部分と比較して高い屈折率を有する。導波路構造１３５Ａの屈折率の範囲は、光電変換部１２０を介して検出しようとする波長に応じて異なるが、典型的には、１．６以上である。
【０１４７】
導波路構造１３５Ａは、例えば、以下のようにして形成できる。まず、図１８を参照しながら説明した例と同様にして、半導体基板１１０Ｃの第２面１１０ｂを覆う層間絶縁層および多層配線を形成する。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、層間絶縁層のうち配線の配置された箇所を残すようにして層間絶縁層に複数の凹部を形成する。これらの凹部は、半導体基板１１０Ｃに形成されたフォトダイオード１１０Ｐに対応した位置に設けられる。このときに形成される凹部の深さは、例えば４００ｎｍから６００ｎｍ程度の範囲である。その後、層間絶縁層の材料よりも高い屈折率を有する材料を堆積する。高屈折率材料の堆積により、層間絶縁層に形成された凹部の内部が高屈折率材料で充填される。必要に応じて、高屈折率材料の膜の上面を平坦化する。凹部の表面に金属などの赤外線反射材料の膜を形成してから、凹部の内部を高屈折率材料で充填してもよい。
【０１４８】
図２７から理解されるように、これらの導波路構造１３５Ａは、半導体基板１１０Ｃに形成されたフォトダイオード１１０Ｐに対応して独立して絶縁層１３０Ｂ内に設けられる。上述したアドレス制御線などの各種の制御線および出力信号線１２、第２の出力信号線２２、ならびに、導電構造１３２は、絶縁層１３０Ｂのうち導波路構造１３５Ａが形成された領域以外の領域に位置する。絶縁層１３０Ｂのうち多層配線の配線の部分を覆う凸部と、これらの凸部の間に形成された凹部に位置する導波路構造１３５Ａとは、それぞれ、クラッドおよびコアとして機能する。図２７に例示する構成によれば、半導体基板１１０Ｃを透過した赤外光を効率よく光電変換部に導くことができる。
【０１４９】
フォトダイオード１１０Ｐが形成された半導体基板（半導体基板１１０Ｂまたは半導体基板１１０Ｃ）の第１面１１０ｆと、カラーフィルタ１８０との間に、上述の導波路構造１３５Ａと同様の導波路構造を有する絶縁層を介在させてもよい。この場合、フォトダイオード１１０Ｐからの信号の読み出しに関わる配線が、第１面１１０ｆおよびカラーフィルタ１８０の間に位置する絶縁層の内部のうち、導波路構造が設けられた領域以外の領域に配置されてもよい。第１面１１０ｆおよびカラーフィルタ１８０の間に位置する絶縁層の内部に導波路構造を設けることにより、撮像装置１００Ｂに入射した光のうち可視域にある成分をフォトダイオード１１０Ｐに効率良く導くことができる。
【０１５０】
層間絶縁層中に導波路を形成する方法は、特開２０１２−１１４１５５号公報および特開２０１１−２４３７５３号公報などに説明されている。参考のために、特開２０１２−１１４１５５号公報の開示内容の全てと、特開２０１１−２４３７５３号公報の開示内容の全てとを本明細書に援用する。
【０１５１】
半導体基板の第２面１１０ｂを覆う層間絶縁層に複数の凹部を形成した後、これら凹部の内部に絶縁膜および金属膜などを積層することによって、図２８に示すように、導波路構造１３５Ｂを形成してもよい。導波路構造１３５Ｂを絶縁膜および金属膜などの積層膜の形で形成することにより、導波路構造１３５Ｂに干渉型のバンドパスフィルタとしての機能を持たせ得る。導波路構造１３５Ｂがバンドパスフィルタ機能を有することにより、半導体基板のロングパスフィルタとしての機能を補完し得る。
【０１５２】
なお、図２８に示す撮像装置１００Ｅでは、複数のフォトダイオード１１０Ｐを互いに分離する素子分離領域１１０ｓが、ディープトレンチの形で半導体基板１１０Ｄの内部に形成されている。この場合、素子分離領域１１０ｓに囲まれたフォトダイオード１１０Ｐが導波路構造としても機能し得るので、可視域に関する感度向上の効果が期待できる。また、あるセルＣＥに入射した光を、光電変換部１２０のうちそのセルＣＥに対応する領域に効率的に導くことができるので、赤外域に関する感度も向上し得る。さらに、マイクロレンズの収差によるスポットの拡がりを補償する効果が期待できる。
【０１５３】
このような素子分離領域１１０ｓは、例えば半導体基板に貫通孔を形成した後、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）で貫通孔の内部を充填することによって形成できる。このような構造によれば、半導体基板１１０Ｄに入射した光を、貫通孔を規定する側面の位置で反射させることが可能である。貫通孔の形成後、貫通孔を規定する側面上に例えばＳｉＮ膜を形成しておいてもよい。あるいは、例えば物理気相成長によって、Ａｕ、ＡｌまたはＴｉなどの、可視光および／または赤外光を反射させる金属材料で素子分離領域１１０ｓの表面を覆うことにより、より高い効果が期待できる。このような構成は、図２２に示す撮像装置１００Ｂのように画素Ｐｘごとに１つのフォトダイオード１１０Ｐを設けた構造に特に有利である。
【０１５４】
図２８に模式的に示すように、素子分離領域１１０ｓは、半導体基板１１０Ｄの第２面１１０ｂから、ウェル１１０ｗよりも深い領域に達していてもよい。図２８では、素子分離領域１１０ｓを半導体基板１１０Ｄの第２面１１０ｂから第１面１１０ｆに向かって窄まるように描いているが、素子分離領域１１０ｓが、半導体基板１１０Ｄの第１面１１０ｆから第２面１１０ｂに向かって窄まる形状を有することもあり得る。
【０１５５】
（第３の実施形態）
図２９は、本開示の第３の実施形態による撮像装置の画素のデバイス構造を模式的に示す。図２９に示す撮像装置１００Ｆは、半導体基板１１０Ｂの第１面１１０ｆ側に位置する帯域除去フィルタ１７０をさらに有すること以外は、図２２を参照しながら説明した撮像装置１００Ｂとほぼ同様の構成を有する。なお、この例では、各画素Ｐｘに１つのフォトダイオード１１０Ｐが配置されているが、言うまでもなく、各画素Ｐｘが複数のフォトダイオード１１０Ｐを有していてもよい。
【０１５６】
帯域除去フィルタ１７０は、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させず、１．１μｍ以上の波長を有する光を透過させる分光透過特性を有する。ここで、「実質的に透過させない」とは、注目した波長の光に対して透過率が５％以下の範囲にあることを指す。例えば、帯域除去フィルタの名称で市販されているフィルタは、典型的には、特定の波長の光を１％から５％程度までカットすることができる。すなわち、帯域除去フィルタ１７０は、赤外光のうちシリコンが吸収し得る帯域にある成分を選択的に遮断する。
【０１５７】
帯域除去フィルタ１７０としては、吸収型のフィルタ、または、誘電体多層膜が表面に形成されたフィルム（例えばダイクロイックフィルタ）などを用いることができる。また、ショートパスフィルタまたはＩＲカットフィルタの名称で市販されている光学フィルタの中にも、１．１μｍ以上の波長を有する成分を透過させるものがあり、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させない性質を有していれば、このような光学フィルタも帯域除去フィルタ１７０として用い得る。吸収型のフィルタは、光の入射角に対する依存性がないので、広角の撮影に有利である。他方、帯域除去フィルタ１７０を誘電体多層膜の形で形成すると、高い透過率を示す領域とほとんど透過率を示さない領域との間でステップ状の急激な変化を得やすい。
【０１５８】
図２９中に太い矢印Ｌ１で模式的に示すように、撮像装置１００Ｆに入射した光のうち、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長を有する成分は、帯域除去フィルタ１７０によって遮断される。他方、撮像装置１００Ｆに入射した光のうち、０．７５μｍ未満の波長を有する成分および１．１μｍ以上の波長を有する成分は、帯域除去フィルタ１７０を透過して半導体基板１１０Ｂに到達する。これらの成分のうち前者（図２９中に太い矢印Ｌ２で模式的に示す。）は、半導体基板１１０Ｂのフォトダイオード１１０Ｐによって光電変換される。またこれらの成分のうち後者（図２９中に太い矢印Ｌ３で模式的に示す。）、すなわち、１．１μｍ以上の波長を有する赤外光は、半導体基板１１０Ｂおよび絶縁層１３０Ａをも透過して光電変換部１２０に到達する。
【０１５９】
第３の実施形態によれば、赤外光のうちシリコンが吸収を示す０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光が、フォトダイオード１１０Ｐに到達する前に帯域除去フィルタ１７０によって除去される。したがって、フォトダイオード１１０Ｐによって赤外光が光電変換されることに起因する余計な電荷の生成を抑制でき、可視光の強度に関する信号へのノイズの混入を回避できる。すなわち、フォトダイオード１１０Ｐによって赤外光が光電変換されることによるホワイトバランスの崩れを防止することが可能である。なお、帯域除去フィルタ１７０の配置は、図２９に示す例に限定されず、カラーフィルタ１８０とマイクロレンズ１９０との間に帯域除去フィルタ１７０が配置されてもよい。
【０１６０】
半導体基板の第１面１１０ｆ側に帯域除去フィルタ１７０を配置することに代えて、カラーフィルタ１８０として、０．７５μｍ以上１．１μｍ未満の波長域の光を実質的に透過させない、吸収型のフィルタを用いてもよい。一般的なカラーフィルタは、有機材料に顔料などを分散させた材料を硬化させることによって作製される。例えば有機材料にさらにフタロシアニン系近赤外線吸収色素などを分散させることにより、０．７５μｍ未満の波長域の光および１．１μｍ以上の波長域の光を選択的に透過させるカラーフィルタを得ることができる。半導体基板の第１面１１０ｆ側に帯域除去フィルタ１７０を配置することに代えて、このようなカラーフィルタを適用することによっても、ホワイトバランスの崩れを回避できるという上述の例と同様の効果が得られる。
【０１６１】
（第４の実施形態）
図３０は、本開示の第４の実施形態による撮像システムを模式的に示す。図３０に示す撮像システム２００は、撮像装置１００と、レンズ光学系２１０と、信号処理回路２２０と、システムコントローラ２３０と、光源２４０とを含む。撮像装置１００としては、上述の撮像装置１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆのいずれをも適用し得る。図３０に例示する構成において、撮像装置１００は、光電変換部１２０と、１以上のフォトダイオード１１０Ｐを有する半導体基板１１０Ｂと、検出回路１０と、第２の検出回路２０とを含む。
【０１６２】
レンズ光学系２１０は、例えばオートフォーカス用レンズ、ズーム用レンズおよび絞りを含む。レンズ光学系２１０は、撮像装置１００の撮像面に光を集光する。信号処理回路２２０は、検出回路１０及び第２の検出回路２０からの出力信号を処理する。信号処理回路２２０は、例えば、ガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、オートホワイトバランスなどの処理を行う。撮像システム２００の用途によって、信号処理回路２２０は、距離計測演算、波長情報分離などの処理も実行する。信号処理回路２２０は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＩＳＰ（Image Signal Processor）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などによって実現され得る。信号処理回路２２０が１以上のメモリを含んでいてもよい。
【０１６３】
システムコントローラ２３０は、撮像システム２００全体を制御する。特に、この例では、システムコントローラ２３０は、光源２４０と撮像装置１００とを互いに同期させて動作させる。システムコントローラ２３０は、例えばマイクロコントローラによって実現され得る。システムコントローラ２３０は、１以上のメモリを含み得る。
【０１６４】
光源２４０は、ここでは、１．１μｍ以上の波長域の光を放射する赤外光源である。光源２４０として、赤外レーザを用いることも可能である。特に、アイセーフと呼ばれる、１．４μｍ付近の波長域の光を出射する光源を光源２４０に有利に用い得る。上述したように、光源２４０および撮像装置１００は、システムコントローラ２３０からの指示により同期して動作させられる。撮像システム２００のある応用において、光源２４０は、被写体３００に向けて照明光Ｒ１を照射し、撮像装置１００は、被写体３００からの反射光Ｒ２に基づく撮像を実行する。
【０１６５】
図３０に模式的に示すように、検出回路１０は、光電変換部１２０との接続を有することにより、光電変換部１２０によって生成された信号電荷に基づく信号を出力し、第２の検出回路２０は、フォトダイオード１１０Ｐとの接続を有することにより、フォトダイオード１１０Ｐによって生成された信号電荷に基づく信号を出力する。すなわち、撮像システム２００は、赤外域の特定の波長の光に関する画像と、可視光に関する画像とを取得することができる。以下では、赤外域の特定の波長の光に関する画像を単に「赤外画像」と呼び、可視光に関する画像を単に「可視画像」と呼ぶ。なお、図３０では、半導体基板１１０Ｂと、検出回路１０及び第２の検出回路２０とが分離して描かれているが、検出回路１０および第２の検出回路２０は、半導体基板１１０Ｂ上に形成され得る。検出回路１０および第２の検出回路２０の組に代えて、図２４に示す検出回路１０Ｂを適用してもよい。
【０１６６】
図３１は、撮像システム２００の動作の一例を示す。図３１は、イベントドリブン型のプログラムに従って撮像システム２００を動作させる例である。
【０１６７】
この例では、まず、ステップＳ１１において、検出回路１０によって光電変換部１２０からの信号電荷の読み出しを行うことにより、赤外画像を取得する。このときに得られる画像信号は、第１波長λ１を有する光に関する画像を表現する信号である。必要に応じて、光源２４０から第１波長λ１を有する光を放射させながら、光源２４０に同期させて光電変換部１２０を動作させて撮像を実行してもよい。光源２４０は、撮像の実行時にオンされればよく、常時オンとしておく必要はない。
【０１６８】
次に、ステップＳ１２において、取得された、赤外光に関する画像信号を解析することにより、可視画像を取得するか否かを判定する。例えば、予め設定された閾値と画素値との比較を行い、画素値が閾値を超える場合には処理をステップＳ１３に進め、画素値が閾値以下の場合には処理をステップＳ１１に戻してもよい。あるいは、１つ前のフレームに得られた赤外画像との差分を求めたり、パターンマッチングを実行したりすることによって、人などの動く物体を検出し、このような物体が検出された場合に処理をステップＳ１３に進めるようにしてもよい。検出回路１０からの信号に基づいて被写体までの距離を算出し、その距離が、所定の閾値を超えない場合に処理をステップＳ１３に進めるようにしてもよい。このような判定は、信号処理回路２２０によって実行され得る。
【０１６９】
次に、ステップＳ１３において、オフとされていた第２の検出回路２０をオン状態とし、ステップＳ１４において、フォトダイオード１１０Ｐからの信号電荷を読み出すことにより可視画像を取得する。可視画像の取得後、第２の検出回路２０は、ステップＳ１５において再びオフ状態とされる。このように、撮像システム２００は、赤外光に関する画像信号の解析結果に基づいて、フォトダイオード１１０Ｐを動作させるか否かを決定する回路を含んでいてもよい。ステップＳ１２において可視画像を取得すると判定された場合に選択的にフォトダイオード１１０Ｐ側の回路を起動させることにより、消費電力の低減を図ることができる。
【０１７０】
その後、ステップＳ１６において、例えば、ユーザからのオフの指令が入力されたか否かの判定を実行し、撮像システム２００のオフが選択された場合には、処理を終了させる。撮像システム２００のオフの指令が与えられていない場合には、処理がステップＳ１１に戻され、上述のステップＳ１２からＳ１６が繰り返される。
【０１７１】
図３１に示す例では、光電変換部１２０および検出回路１０を赤外センサとして利用し、その出力に応じて可視画像を取得するか否かを決定している。このように、光電変換部１２０および検出回路１０によって取得される、被写体までの距離に関する情報あるいは被写体の変位に関する情報に基づいて必要に応じてフォトダイオード１１０Ｐ側の回路を動作させることにより、消費電力を低減しつつ、必要が生じた際に、色に関する情報を含む画像を取得することができる。
【０１７２】
このような応用は、特に夜間における監視に有用である。可視域の光を放射する光源を撮像システムにさらに搭載して、可視画像を取得すると判定されたときにその光源をオンするようにしてもよい。可視域の光を放射する光源をオンにすることにより、色に関する情報を含む、より明瞭な可視画像を得ることができ、また、不審者に対しては、警告を与えることができる。取得した可視画像を外部のサーバに送信するようにしてもよい。なお、ステップＳ１１における赤外画像の取得は、１分ごと、１時間ごとなど、一定の周期で実行されてもよい。
【０１７３】
なお、光電変換部１２０の光電変換膜１２４に、カイラリティが異なる複数のカーボンナノチューブを混在させたような場合には、光電変換膜１２４に用いたカーボンナノチューブのカイラリティに応じて光源２４０から放射される光の波長域を選択してもよい。例えば１．２μｍの波長に吸収ピークを有するカーボンナノチューブと、１．４μｍの波長に吸収ピークを有するカーボンナノチューブとを光電変換膜１２４に混在させた場合、光源２４０から放射される光の波長として、１．２μｍおよび１．４μｍのいずれかを選択することができる。屋内での撮影または夜間における撮影であれば、人工照明には基本的に１μｍ以上の波長域の光が含まれない。そのため、光電変換膜１２４が、１．２μｍの波長の光と、１．４μｍの波長の光との両方を吸収する場合であっても、光源２４０から例えば１．２μｍの波長の光を放射させることにより、１．４μｍの波長の光の吸収に起因する電荷の生成を回避でき、したがって、ＳＮ比の低下を回避することができる。
【０１７４】
可視画像を取得するか否かの判定は、撮像システム２００の外部で実行されてもよい。例えば、取得された赤外画像のデータを外部のサーバなどに送信し、可視画像を取得するか否かの判定を外部のサーバに実行させてもよい。撮像システム２００を自動車などの車両に搭載した場合には、障害物、前方の車両、人などについてのヘッドウェー（Time Headway）が所定の閾値を下回ったときに可視画像を取得するようにしてもよい。
【０１７５】
図３２は、撮像システム２００の動作の他の一例を示す。図３２に示す動作は、通常は可視画像を取得し、必要が生じた場合に赤外画像を取得する例である。
【０１７６】
この例では、まず、ステップＳ２１において、第２の検出回路２０によってフォトダイオード１１０Ｐからの信号電荷の読み出しを行う。すなわち、ここでは、可視画像が取得される。可視画像の取得は、例えば一定の周期で実行される。
【０１７７】
次に、ステップＳ２２において、取得された、可視光に関する画像信号を解析することにより、赤外画像を取得するか否かを判定する。例えば、予め設定された閾値と画素値との比較を行い、画素値が閾値を下回る場合には処理をステップＳ２３に進め、画素値が閾値以上の場合には処理をステップＳ２１に戻す。このような判定基準を適用した場合、例えば夕暮れが近付いて画像の明度が全体的に低下すると、赤外画像を取得すると判定されることになる。このような判定は、信号処理回路２２０によって実行されてもよいし、システムコントローラ２３０によって実行されてもよい。
【０１７８】
次に、ステップＳ２３において、光源２４０をオンとし、また、オフとされていた検出回路１０をオン状態とする。光源２４０がオンされることにより、光電変換部１２０には、光源２４０から放射され、被写体で反射した赤外光が入射する。検出回路１０がオン状態とされていることにより、ステップＳ２４において、光電変換部１２０からの信号に基づく赤外画像が得られる。赤外画像の取得後、処理がステップＳ２５に進められ、光源２４０および検出回路１０が再びオフとされる。
【０１７９】
その後、ステップＳ２６において、例えば、ユーザからのオフの指令が入力されたか否かの判定が実行される。撮像システム２００のオフの指令が与えられていない場合には、処理がステップＳ２１に戻される。
【０１８０】
このような動作によれば、可視画像の明度が低下したときに撮像システム２００が赤外撮影モードに移行することになり、赤外光に関する明るい画像をより確実に得ることができる。また、ステップＳ２２において赤外画像を取得すると判定されない限り、光電変換部１２０側の回路および光源２４０がオンとされないので、消費電力の低減を図ることができる。このような応用は、監視カメラにおける昼夜の撮影モードの切り替えに有用である。このように、撮像システム２００は、フォトダイオード１１０Ｐからの出力に基づき光源２４０を動作させるか否かを決定する制御回路などを含んでいてもよい。
【０１８１】
（その他の変形例）
図３３は、画素のデバイス構造の他の変形例を模式的に示す。図３３に例示する撮像装置１００Ｇは、上述の画素Ｐｘに加えて、半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆ側に遮光膜１９６が設けられた画素Ｄｘを有する。遮光膜１９６は、典型的には、Ｔｉなどの可視光を透過させない金属材料、またはＴｉＮなどの可視光を透過させない金属化合物材料から形成される。なお、半導体基板１１０Ａに代えて、フォトダイオード１１０Ｐを有する半導体基板１１０Ｂ、１１０Ｃまたは１１０Ｄを画素Ｐｘおよび画素Ｄｘに適用してもよい。
【０１８２】
例えば、撮像装置１００Ｇが、二次元に配列された複数の画素Ｐｘを含む場合、画素Ｄｘは、画素Ｐｘの二次元配列から形成される撮像領域の外側に配置される。図示するように、画素Ｄｘは、マイクロレンズ１９０に代えて遮光膜１９６が第１面１１０ｆ上に配置されていること以外は、画素Ｐｘと基本的に同様の光電変換構造を有する。そのため、画素Ｄｘの第１トランジスタ１１１は、画素Ｄｘの画素電極１２１によって収集された信号電荷の量に応じた信号を出力することができる。半導体基板１１０Ａの第１面１１０ｆのうち画素Ｄｘに対応する領域上に遮光膜１９６が配置されているので、撮像装置に画素Ｄｘを設けることにより、画素Ｄｘの第１トランジスタ１１１から、暗時の信号レベルを得ることができる。
【０１８３】
図３３に例示する構成において、絶縁層１３０Ａ中に配置された多層配線１３１Ｇは、画素Ｄｘの画素電極１２１を実質的に覆う遮光部１３８をその一部に有する。遮光部１３８は、平面視において遮光膜１９６の少なくとも一部に重なる位置に設けられる。ここで、「画素電極１２１を実質的に覆う」とは、平面視において、画素電極１２１のうち、光電変換膜１２４の信号電荷の生成に寄与する領域上にある部分に重なっていることを意味する。例えば図３３に示す例のように画素電極１２１が開口Ａｐを有する場合、遮光部１３８は、画素Ｄｘの画素電極１２１の開口Ａｐの直上に位置し得る。
【０１８４】
図示する例では、画素電極１２１の１つ上のレイヤーにある配線層１３４の一部が遮光部１３８を構成している。図６から図８を参照しながら説明した例のように、赤外域の光を透過させる材料から画素電極１２１が形成されている場合には、遮光部１３８は、画素電極１２１のうち、導電構造１３２が接続される接続部１２１ｃが設けられる引き出し部１２１ｄ以外の領域を覆うように絶縁層１３０Ａ中に形成される。
【０１８５】
上述したように、多層配線１３１は、例えばＣｕから形成され、したがって多層配線１３１Ｇの一部である遮光部１３８は、半導体基板１１０Ａを透過した赤外光を透過させない。この例のように、光電変換部１２０と、光電変換部１２０の前面に位置する半導体基板との間に遮光部１３８を予備的に配置しておくことにより、遮光膜１９６による赤外光の遮蔽が十分でない場合であっても、光電変換部１２０のうち画素Ｄｘ内にある部分への赤外光の入射を抑制することができる。赤外光の入射が抑制されることにより、赤外光の入射に起因する電荷対の生成に起因する、暗時に対応する信号レベルの変動を回避することができる。
【０１８６】
遮光部１３８は、導電構造１３２または他の配線の一部であってもよいし、他の配線などから分離されることにより、電気的に浮遊であってもよい。遮光部１３８は、単一の部材に限定されず、平面視において全体として画素電極１２１を実質的に覆うように配置された複数の部分を含んでいてもよい。
【０１８７】
図３４は、画素のデバイス構造のさらに他の変形例を模式的に示す。図３４に示す撮像装置１００Ｈは、例えば二次元に配列された１以上の画素Ｐｘと、各画素Ｐｘに対応して設けられたマイクロレンズ１９０のさらに前面に配置されたレンズ２１２とを有する。レンズ２１２は、レンズ光学系２１０（図３０参照）を構成する一群のレンズのうちの１つであり得る。
【０１８８】
図３４に例示する構成において、画素Ｐｘの各々は、図２２に示す撮像装置１００Ｂの画素Ｐｘと同様の構成を有する。すなわち、画素Ｐｘの各々は、半導体基板１１０Ｂに形成されたフォトダイオード１１０Ｐをその一部に含み、例えば図３４において不図示の第２トランジスタ１１２（例えば図２３参照）を介して、入射光のうち可視域の成分の強度に関する情報を取得可能に構成されている。
【０１８９】
よく知られているように、平行光を光軸に平行にレンズに入射させたときの集光位置は、波長に応じて異なる。すなわち、色収差が生じる。ここで、「集光位置」とは、ビームの直径が最小となるスクリーンの位置を意味する。軸上色収差のために、より長波長の光ほどレンズからより遠い位置に収束する。すなわち、１１００ナノメートル以上の波長を有する赤外光は、可視光（例えば４００ナノメートルから７００ナノメートルの波長域の光）と比較して画素Ｐｘのより深い位置に集光される。
【０１９０】
既に説明したように、本開示の第２の実施形態によれば、光電変換部１２０との接続を有する第１トランジスタ１１１を介して、入射光のうち赤外域の成分の強度に関する情報を取得できることに加え、第２トランジスタ１１２を介して、入射光のうち可視域の成分の強度に関する情報をも取得することができる。本開示の典型的な実施形態では、入射光のうち赤外域の成分も可視域の成分もともに共通のレンズ光学系およびマイクロレンズを介して光電変換部１２０またはフォトダイオード１１０Ｐに入射する。このとき、可視光に関する集光位置と、赤外光に関する集光位置との間隔は、１マイクロメートル以上であり得る。後述するような、フォトダイオード１１０Ｐが形成される基板と、光電変換部１２０が積層される基板とが別個の基板であるような形態では、可視光に関する集光位置と、赤外光に関する集光位置との間の距離が３０マイクロメートル以上になることもあり得る。
【０１９１】
レンズ２１２は、入射光のうち可視域の成分が、フォトダイオード１１０Ｐに集光され、赤外域の成分が、半導体基板１１０Ｂの第１面１１０ｆからより遠い位置にある光電変換膜１２４に集光されるように設計される。例えば、レンズ２１２は、１．１μｍ以上の波長を有する光を、可視光と比較して１μｍ以上離れた位置に収束させるように設計され得る。
【０１９２】
本開示の実施形態では、赤外光の強度に関する信号を生成する光電変換部１２０は、可視光を検出するフォトダイオード１１０Ｐよりも被写体から遠い位置にある。このように、フォトダイオード１１０Ｐと比較して光電変換部１２０を画素Ｐｘのより深い位置に配置する構成によれば、図３４に模式的に示すように、軸上色収差を逆手に取って、可視光の集光位置をフォトダイオード１１０Ｐの内部としながら、赤外光の集光位置を光電変換膜１２４内または絶縁層１３０Ｂ中の導波路構造内（図２７および図２８参照）とすることが可能である。
【０１９３】
レンズ２１２を含むレンズ光学系中のレンズ群は、ガラスまたは高分子から形成され得る。レンズ光学系が、ガラスから形成された光学部材および高分子から形成された光学部材の組み合わせから構成されていてもよい。フォトダイオード１１０Ｐと比較して光電変換部１２０を画素Ｐｘのより深い位置に配置する構成によれば、レンズ光学系中の相異なる光学部材の材料として、屈折率差の小さい材料の組み合わせを選択することが可能になる。これは、レンズ光学系の設計コストおよび製造コストの低減に貢献する。また、赤外光の帯域は、可視光の帯域よりも広く、したがって、赤外光の集光位置は、可視光と比較してより広い範囲に拡がり得る。そのため、光電変換部１２０を画素Ｐｘのより深い位置に配置することにより、色収差に関するマイクロレンズ１９０の光学設計に、より大きな余裕を持たせることができるという効果も得られる。なお、レンズ光学系中の光学部材は、互いに間隔をあけて配置されていてもよいし、これらの一部または全部が互いに接合されていてもよい。
【０１９４】
図３５は、マイクロレンズ１９０の前面に配置されるレンズの構成の一例を示す。図３５に示すレンズ２１２Ａは、図３４に示すレンズ２１２の一例であり、透光性のレンズ部２１２ｔと、レンズ部２１２ｔの光入射側の面に配置された赤外透過膜２１２ｓとを含む。赤外透過膜２１２ｓは、可視光を反射または吸収することにより、可視光を遮断しながら赤外光を選択的に透過させる。赤外透過膜２１２ｓは、例えば赤外透過材料の膜または誘電体多層膜の形で形成された機能膜である。
【０１９５】
図３５に示すように、赤外透過膜２１２ｓは、中央に開口２１２ａｐを有し、レンズ部２１２ｔの光入射側の表面を環状に覆う。換言すれば、レンズ部２１２ｔの光入射側の表面のうち、中央付近の領域は、赤外透過膜２１２ｓから露出されている。赤外透過膜２１２ｓが可視光を反射または吸収するので、入射光のうち可視域の成分に対する実質的な絞りの大きさは、図３５中に両矢印Ｄｖで示す、開口２１２ａｐの直径によって決まる。他方、赤外透過膜２１２ｓは、赤外光を透過させるので、レンズ２１２Ａをレンズ光学系に適用した場合、入射光のうち赤外域の成分に対する絞りは、実質的に開放絞りとなる。すなわち、レンズ２１２Ａを用いることにより、可視光と例えば１．１μｍ以上の波長域にある赤外光との間で別個の光学系を準備する必要なく、これらの間で異なるＦ値を静的な構成によって得ることができる。
【０１９６】
この例のように可視光と赤外光との間で異なるＦ値が得られる構成は、図３０に例示するような、撮像装置と同期して被写体に赤外光を照射するアクティブな光源２４０を有する撮像システムなどにおける応用に特に有用である。例えばレンズ２１２Ａを適用した場合、赤外光に対しては、可視光よりも小さなＦ値が得られ、したがってより明るい画像を取得することができ、遠距離のセンシングに有利である。ここで、回折限界は、波長およびＦ値の大きさに比例することが一般に知られている。赤外光の波長は、可視光よりも長い。したがって、赤外域の成分に対する絞りが実質的に開放絞りであっても、回折限界の低下に対する影響は小さいといえる。
【０１９７】
絞りが大きくなる、換言すれば、Ｆ値が小さくなると、被写体までの距離が小さい近距離での撮影時の被写界深度が小さくなる。しかしながら、赤外光による撮影は、近距離での撮影よりもむしろ遠距離のセンシングに用いられることが多い。フォーカスが予め遠距離に設定された撮影では、解像度よりも明度が優先され得る。そのため、Ｆ値が小さくなることに起因して被写界深度が小さくなることは許容される。なお、光源２４０として、アイセーフの光を出射する光源を用いた場合、比較的大きな出力を実現しやすく、したがって、より明るい画像を得やすい。このような観点からも、赤外光による撮影は、遠距離の撮影に有利である。
【０１９８】
他方、可視光に基づく撮影は、通常、環境光の下で実行される。図３５に例示するような、赤外透過膜２１２ｓを有するレンズを用いることにより、赤外光に関しては開放絞りを得ながら、可視域に関してはより大きなＦ値を得ることができる。すなわち、可視光に関する回折限界を大きく維持することができる。この場合、フォトダイオード１１０Ｐを有するセルをより密に配置することにより、解像度が向上する。例えば、図２５および図２６を参照しながら説明した撮像装置１００Ｃのように、１つの画素Ｐｘ中に複数のセルＣＥを配置した形態は、可視域に関してより高い解像度を得る観点において有利である。図２５および図２６に例示する構成では、各画素Ｐｘにおいて光電変換部１２０のうち赤外域の撮像に寄与する領域のサイズは、フォトダイオード１１０Ｐのサイズと比較して大きく、明るい画像の取得にも有利である。このように、光電変換部１２０を利用した赤外域の撮像と、特定の光源に依らずに比較的に高い解像度を得やすい、フォトダイオード１１０Ｐを利用した可視域の撮像とを被写体までの距離に応じて使い分けるようにしてもよい。
【０１９９】
レンズ２１２Ａに代えて、図３６に示すような、光入射側に赤外透過膜２１２ｓを有する板状の光学部材２１２Ｂをレンズ光学系に適用してもよい。図３６に例示する構成において、赤外透過膜２１２ｓは、ガラスなどから形成された透光性の支持部材２１２ｕ上に配置されており、図３５に示すレンズ２１２Ａの例と同様に、その中央にはやはり開口２１２ａｐが設けられている。光学部材２１２Ｂの外形は、任意であり、例えば矩形状であってもよいし、円形状であってもよい。このような構成によっても、可視光と赤外光との間で異なるＦ値を得ることができる。例えば、入射光のうち赤外域の成分に対する絞りを実質的に開放絞りとすることができる。
【０２００】
図３７は、画素のデバイス構造のさらに他の変形例を模式的に示す。図３７に示す撮像装置１００Ｉは、１以上のフォトダイオード１１０Ｐが形成された半導体基板１１０Ｂと、半導体基板１１０Ｂの第２面１１０ｂ側に配置された光電変換部１２０と、半導体基板１１０Ｂおよび光電変換部１２０の間に位置する絶縁層１３０Ａを有する点で、図２２に示す撮像装置１００Ｂとほぼ同様の構成を有する。図２２に示す撮像装置１００Ｂと、図３７に示す撮像装置１００Ｉとの間の主な相違点は、撮像装置１００Ｉが、赤外光を反射しながら可視光を選択的に透過させる反射膜１３９を半導体基板１１０Ｂの第２面１１０ｂ上にさらに有している点である。
【０２０１】
反射膜１３９は、例えば１．１μｍ以上の波長を有する赤外光を透過させながら、可視光を反射する。半導体基板１１０Ｂの第２面１１０ｂと、光電変換部１２０との間に反射膜１３９を配置することにより、半導体基板１１０Ｂを透過した可視域の成分の少なくとも一部を反射させてフォトダイオード１１０Ｐに戻すことができる。すなわち、可視光に関する外部量子効率を向上させる効果が期待できる。図３７に例示する構成では、半導体基板１１０Ｂの第２面１１０ｂのうちフォトダイオード１１０Ｐに対応する各領域上に反射膜１３９を配置している。
【０２０２】
反射膜１３９は、典型的には誘電体多層膜であり、例えば「コールドミラー」の名称で市販されている光学部材に用いられる薄膜を適用できる。半導体基板１１０Ｂと絶縁層１３０Ａとの間に介在する反射膜１３９は、絶縁層１３０Ａの形成の工程（図１８参照）の前に半導体基板１１０Ｓの第２面１１０ｂ上に反射膜１３９の材料を堆積し、堆積された材料をパターニングすることによって形成できる。半導体基板１１０Ｂに代えて、各画素Ｐｘに複数のフォトダイオード１１０Ｐが形成された半導体基板１１０Ｃ（図２５参照）を適用したり、絶縁層１３０Ａに代えて、内部に導波路構造１３４Ａまたは１３５Ｂを有する絶縁層１３０Ｂを適用したりすることが可能なことは、言うまでもない。
【０２０３】
図３８は、本開示の実施形態による撮像装置のさらに他の変形例を示す。図３８に示す撮像装置１００Ｊの画素Ｐｘは、光電変換部１２０の一部と、光電変換部１２０の前面に位置し、複数のフォトダイオード１１０Ｐが形成された半導体基板１１０Ｃの一部とを含む。
【０２０４】
図３８に例示する構成において、撮像装置１００Ｊは、半導体基板１１０Ｃと、内部に複数の貫通電極１３３を有する半導体基板１１０Ｄとを含む。半導体基板１１０Ｃの主面のうち、半導体基板１１０Ｄとは反対側に位置する主面１１０ｇの上方には、例えば複数のフォトダイオード１１０Ｐに対応するようにして複数のマイクロレンズ１９０が配置される。すなわち、撮像装置１００Ｊにおいて、被写体からの光は、半導体基板１１０Ｃの一方の主面１１０ｇ側から入射する。
【０２０５】
半導体基板１１０Ｃと半導体基板１１０Ｄとの間には、絶縁層１３０Ｃが位置している。絶縁層１３０Ｃは、内部に多層配線１３１Ｃを有する。図３８に模式的に示すように、絶縁層１３０Ｃ中の多層配線１３１Ｃは、半導体基板１１０Ｃ中のフォトダイオード１１０Ｐのそれぞれを、半導体基板１１０Ｄ中の対応する貫通電極１３３に電気的に接続する導電構造を含む。また、半導体基板１１０Ｄと光電変換部１２０の間には、内部に多層配線１３１Ｄが配置された絶縁層１３０Ｄが位置する。図示するように、貫通電極１３３は、半導体基板１１０Ｄの半導体基板１１０Ｃ側にある第１面１１０ｆ側の導電構造を第１面１１０ｆとは反対側にある第２面１１０ｂ側の多層配線１３１Ｄに電気的に接続する。
【０２０６】
図３８に示す例において、半導体基板１１０Ｄの第２面１１０ｂには、複数の第１トランジスタ１１１および第２トランジスタ１１２が形成されている。絶縁層１３０Ｄ中の多層配線１３１Ｄは、光電変換部１２０の画素電極１２１を対応する第１トランジスタ１１１に電気的に接続する導電構造１３２と、貫通電極１３３を対応する第２トランジスタ１１２に電気的に接続する部分とをその一部に含む。この例では、第１トランジスタ１１１および第２トランジスタ１１２が半導体基板１１０Ｄに形成されているが、第１トランジスタ１１１、第２トランジスタ１１２などを含む検出回路は、半導体基板１１０Ｃに形成されてもかまわない。
【０２０７】
後述するように、図３８に示す構造は、概略的には、複数のフォトダイオード１１０Ｐを有する第１の半導体基板１１０Ｃと、光電変換部１２０を支持する第２の半導体基板１１０Ｄとを貼り合わせることによって得ることができる。図３８において絶縁層１３０Ｃよりも下方に描かれている部分は、半導体基板１１０Ｄ内に貫通電極１３３が設けられ、第２面１１０ｂ側に第２トランジスタ１１２が形成されている点を除き、図１に示す撮像装置１００Ａに似た構造を有しているといえる。
【０２０８】
半導体基板１１０Ｃおよび１１０Ｄとしては、上述の半導体基板１１０Ａおよび１１０Ｂと同様に、Ｓｉ基板などの、主にシリコンを含有する半導体基板が用いられる。半導体基板１１０Ｃの主面１１０ｇに入射した光のうち、１．１μｍ未満の波長を有する成分は、フォトダイオード１１０Ｐに入射することにより、波長が１．１μｍ未満の光の強度（典型的には、可視光の強度）に関する信号電荷を発生させる。フォトダイオード１１０Ｐに電気的に接続された第２トランジスタ１１２は、波長が１．１μｍ未満の光の強度に関する信号電荷を検出する。
【０２０９】
ここで、半導体基板１１０Ｃは、典型的には、図２２を参照しながら説明した構成における半導体基板１１０Ｂよりも小さな厚さを有し得る。そのため、図３８に例示する構成における半導体基板１１０Ｃの主面１１０ｇからフォトダイオード１１０Ｐまでの距離は、典型的には、図２２に例示する構成における半導体基板１１０Ｂの第１面１１０ｆからフォトダイオード１１０Ｐまでの距離よりも小さい。換言すれば、図２２に示す撮像装置１００Ｂと比較して、図３８に示す撮像装置１１０Ｊのフォトダイオード１１０Ｐは、カラーフィルタ１８０などが配置される半導体基板の表面からより近い、比較的浅い部分に位置する。したがって、図３８に例示する構成によれば、半導体基板の厚さが低減されることにより、フォトダイオード１１０Ｐに入射する光量の減衰を抑制することが可能である。すなわち、可視域に関する感度を向上させ得る。
【０２１０】
なお、半導体基板の厚さが低減されることにより、波長が１．１μｍ未満の光のうち、フォトダイオード１１０Ｐを通過する部分が増加し得る。ただし、このような成分は、光電変換部１２０に到達する前に、絶縁層１３０Ｃ、半導体基板１１０Ｄおよび絶縁層１３０Ｄを通過する過程で十分に減衰される。特に、半導体基板１１０Ｄは、例えば３０μｍ程度以上の厚さを有することにより、１．１μｍよりも小さな波長を有する光を遮断するフィルタとして機能する。
【０２１１】
他方、半導体基板１１０Ｃの主面１１０ｇに入射した光のうち、１．１μｍ以上の波長を有する成分は、半導体基板１１０Ｃ、絶縁層１３０Ｃ、半導体基板１１０Ｄおよび絶縁層１３０Ｄを透過し、画素電極１２１の開口Ａｐを介して光電変換層１２３に到達する。光電変換層１２３の主要な光電変換材料が、第１波長λ１の光を吸収することにより、これまでに説明した種々の例と同様に、１．１μｍ以上の特に第１波長λ１の強度に関する画像信号を得ることができる。
【０２１２】
以下、図３８に示す撮像装置１００Ｊの例示的な製造方法の概略を説明する。まず、図３９に示すように、主にシリコンを含有する半導体基板１１０Ｔを準備する。ここでは、半導体基板１１０ＴとしてＰ型Ｓｉ基板を例示する。
【０２１３】
次に、半導体基板１１０Ｔの一方の主面１１０ｈ側からのイオン注入などにより、図４０に模式的に示すように、ウェル１１０ｗ、フォトダイオード１１０Ｐ、および、素子分離領域１１０ｓなどを主面１１０ｈ側に形成する。このとき、主面１１０ｈ側に第１トランジスタ１１１および／または第２トランジスタ１１２を形成してもよい。
【０２１４】
次に、図１８を参照しながら説明した絶縁層１３０Ａの形成の工程と同様にして、図４１に示すように、半導体基板１１０Ｔの主面１１０ｈを覆う絶縁層１３０Ｃを形成する。このとき、絶縁層１３０Ｃの内部に、フォトダイオード１１０Ｐとの電気的接続を有する多層配線１３１Ｃを形成する。図３７を参照しながら説明した撮像装置１００Ｉの例と同様に、半導体基板１１０Ｔの主面１１０ｈ上に、１．１μｍ以上の波長を有する赤外光を透過させながら、可視光を反射する反射膜を設けてもよい。この場合、絶縁層１３０Ｃおよび多層配線１３１Ｃの前に、反射膜１３９を半導体基板１１０Ｔの主面１１０ｈ上に形成しておけばよい。
【０２１５】
次に、半導体基板１１０Ｔを主面１１０ｈとは反対側の主面側から研削または研磨することにより、図４２に模式的に示すように、半導体基板１１０Ｔの厚さを低減させる。薄化後の半導体基板１１０Ｔすなわち半導体基板１１０Ｃは、半導体基板１１０Ｄよりも小さな厚さを有し得る。半導体基板１１０Ｔの薄化により、主面１１０ｈとは反対側に上述の主面１１０ｇが形成される。その後、必要に応じて、絶縁層１３０Ｃ上にパッシベーション膜を形成する。このとき、後述の貫通電極１３３との電気的接続のために、パターニングによってパッシベーション膜の一部を除去し、パッシベーション膜から多層配線１３１Ｃの一部を露出させておく。
【０２１６】
さらに、半導体基板１１０Ｔとは別途に、第１面１１０ｆおよび第１面１１０ｆとは反対側の第２面１１０ｂを有し、主にシリコンを含有する半導体基板１１０Ｕを準備する。ここでは、半導体基板１１０ＵとしてＰ型Ｓｉ基板を例示する。次に、図４３に示すように、図１７を参照しながら説明した例と同様にして、半導体基板１１０Ｕの第２面１１０ｂ側にウェル、第１トランジスタ１１１、第２トランジスタ１１２および素子分離領域などを形成する。これにより、半導体基板１１０Ｕから上述の半導体基板１１０Ｄが得られる。このとき、半導体基板１１０Ｕの第２面１１０ｂ側には、光電変換部１２０によって生成された信号電荷を一時的に保持するための接合容量も形成され得る。
【０２１７】
次に、図１８を参照しながら説明した例と同様にして、図４４に示すように、半導体基板１１０Ｄの第２面１１０ｂ上のトランジスタなどを覆う絶縁層１３０Ｄと、第１トランジスタ１１１および第２トランジスタ１１２との電気的接続を有する多層配線１３１Ｄとを第２面１１０ｂ上に形成する。さらに、絶縁層１３０Ｄの上面付近に画素電極１２１を形成する。
【０２１８】
次に、図１９を参照しながら説明した例と同様にして、画素電極１２１上に光電変換層１２３および対向電極１２２を順次に形成することにより、図４５に示すように、絶縁層１３０Ｄ上に光電変換部１２０を形成する。典型的には、絶縁膜または金属膜の形で、対向電極１２２を覆う封止膜１４０をさらに形成する。
【０２１９】
次に、図４６に示すように、半導体基板１１０Ｄに貫通電極１３３を形成する。貫通電極１３３の形成には、公知の半導体プロセスを適用できる。なお、貫通電極１３３は、画素Ｐｘ内に配置されてもよいし、画素Ｐｘ内には貫通電極１３３を設けず、複数の画素Ｐｘの配列の外側の領域に貫通電極１３３を配置してもよい。
【０２２０】
次に、図４７に示すように、図４２に示す構造と、図４６に示す構造とを接合によって一体化する。接合においては、半導体基板１１０Ｄの第１面１１０ｆを絶縁層１３０Ｃに対向させ、絶縁層１３０Ｃ中の多層配線１３１Ｃと、半導体基板１１０Ｄに設けられた貫通電極１３３とを電気的に接続する。これにより、絶縁層１３０Ｃ中の多層配線１３１Ｃ、半導体基板１１０Ｄ中の貫通電極１３３および絶縁層１３０Ｄ中の多層配線１３１Ｄを介して、半導体基板１１０Ｃ中のフォトダイオード１１０Ｐが、対応する第２トランジスタ１１２に電気的に接続される。図４２に示す構造と、図４６に示す構造との間の接合には、拡散接合、常温接合または陽極接合などの公知の手法を適用し得る。なお、半導体基板１１０Ｃ中のフォトダイオード１１０Ｐと、第２トランジスタ１１２との間の電気的接続は、貫通電極１３３を介した接合に限定されず、Ｃｕボンディングを介した接続などであってもよい。図４２に示す構造と、図４６に示す構造との接続の態様も特別な手法に限定されない。
【０２２１】
典型的には、さらに、半導体基板１１０Ｃの主面１１０ｇ側にカラーフィルタ１８０およびマイクロレンズ１９０が配置される。以上の工程により、図３８に示す撮像装置１００Ｊが得られる。
【０２２２】
図４８に示す撮像装置１００Ｌのように、半導体基板１１０Ｃの主面１１０ｇ側に遮光膜１９６を有する画素Ｄｘを設けてもよい。図３３を参照しながら説明した例と同様に、遮光膜１９６は、可視光を遮断する機能を有する。
【０２２３】
図４８に例示する構成では、半導体基板１１０Ｃの上方に位置する遮光膜１９６に加えて、平面視において画素Ｄｘの画素電極１２１を実質的に覆う遮光部１３８ｃおよび遮光部１３８ｄをそれぞれ絶縁層１３０Ｃ中および絶縁層１３０Ｄ中にさらに配置している。遮光部１３８ｃは、例えば多層配線１３１Ｃの一部であり、遮光部１３８ｄは、例えば多層配線１３１Ｄの一部である。多層配線１３１Ｃおよび１３１Ｄは、例えばＣｕから形成され、したがってこれらの遮光部１３８ｃ、１３８ｄは、半導体基板１１０Ｃを透過した赤外光を透過させず、また、典型的には、可視光も透過させない。
【０２２４】
半導体基板１１０Ｃの上方に位置する遮光膜１９６に加えて、絶縁層１３０Ｃ中および／または絶縁層１３０Ｄ中に遮光部を配置することにより、光電変換部１２０のうち画素Ｄｘ内にある部分への赤外光の入射を抑制することができ、暗時に対応する信号レベルの変動を回避することができる。絶縁層１３０Ｃの内部および絶縁層１３０Ｄの内部にそれぞれ遮光部１３８ｃおよび遮光部１３８ｄを形成し、さらに、平面視において重なるようにこれらの遮光部を配置することにより、半導体基板１１０Ｃを透過した赤外光の、光電変換部１２０のうち画素Ｄｘ内にある部分への入射をより効果的に抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２２５】
本開示の実施形態は、例えば、医療用カメラ、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、測距カメラ、顕微鏡カメラ、ドローンと呼ばれる無人航空機用カメラ、ロボット用カメラなどの種々のカメラおよびカメラシステムに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。
【符号の説明】
【０２２６】
１０、１０Ｂ、２０    検出回路
１２、２２    出力信号線
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ、１００Ｉ、１００Ｊ、１００Ｋ、１００Ｌ    撮像装置
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０Ｓ    半導体基板
１１０Ｐ    フォトダイオード
１１０ｂ    半導体基板の第２面
１１０ｆ    半導体基板の第１面
１１０ｓ    素子分離領域
１１０ｗ    ウェル
１１１    第１トランジスタ（第１の信号検出トランジスタ）
１１２    第２トランジスタ（第２の信号検出トランジスタ）
１１３、１１４    選択トランジスタ
１１５、１１６    リセットトランジスタ
１１８    転送トランジスタ
１２０    光電変換部
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ、１２１Ｄ、１２１Ｅ、１２１Ｆ    画素電極
１２１ｃ    画素電極の接続部
１２１ｄ    画素電極の引き出し部
１２２      ：対向電極
１２３、１２３Ａ    光電変換層
１２４、１２４Ａ    光電変換膜
１２５    電子ブロッキング層
１３０Ａ、１３０Ｂ    絶縁層
１３２    導電構造
１３５Ａ、１３５Ｂ    導波路構造
１４０    封止膜
１７０    帯域除去フィルタ
１８０    カラーフィルタ
１９０    マイクロレンズ
２００    撮像システム
２１０    レンズ光学系
２２０    信号処理回路
２３０    システムコントローラ
２４０    光源
Ａｐ    画素電極の開口
ＣＥ    セル
Ｐｘ    画素
【図１】
2020105361.tif 000007
【図２】
2020105361.tif 000008
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【国際調査報告】
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