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固体撮像素子、及び該素子を用いた撮像装置

国内特許コード P07A010482
整理番号 P02-42
掲載日 2007年9月14日
出願番号 特願2002-266171
公開番号 特開2004-103964
登録番号 特許第4271917号
出願日 平成14年9月12日(2002.9.12)
公開日 平成16年4月2日(2004.4.2)
登録日 平成21年3月6日(2009.3.6)
発明者
  • 徳田 崇
  • 太田 淳
  • 香川 景一郎
出願人
  • 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
発明の名称 固体撮像素子、及び該素子を用いた撮像装置
発明の概要

【課題】可視光撮像と赤外光撮像とが可能な固体撮像素子を低廉なコストで提供し、且つ小型化も図る。
【解決手段】表面にPN接合フォトダイオードを形成したシリコン基板10の裏面に赤外受光層13を形成し、基板10の内部を通過した赤外光によりキャリアを生成する。可視光撮像モードでは、N型領域11近傍の基板10表面と赤外受光層13下面とを短絡し、キャリアが空乏層12に入り込むのを抑制する。赤外光撮像モードでは、赤外受光層13下面に負電圧を印加することにより空乏層12を拡大し、赤外受光層13で発生したキャリアが空乏層12へ入ることを促進する。空乏層12へ入ったキャリア(電子)は電界によって迅速にN型領域11まで移動し外部へと取り出される。これにより、従来のSi固体撮像素子とほぼ同程度の製造工程で赤外固体撮像素子が作製でき、大幅なコスト削減が可能となり素子サイズも小さくなる。
【選択図】 図3

従来技術、競合技術の概要
近年、固体撮像素子は、デジタルカメラ、カメラ一体型VTR、ファクシミリ、カメラ機能付き携帯電話などの様々な電子機器に利用されており、その性能の進歩には著しいものがある。最も一般的であるシリコン(Si)系の固体撮像素子は、多数の画素が2次元的に配列された構成となっており、各画素は主として受光素子(光電変換部)と電荷読出し回路とで構成されている。受光素子の構造として現在主流であるのは、PN接合フォトダイオード又はフォトゲート構造であり、いずれも入射光によって生成される電子正孔対であるキャリア(フォトキャリア)を検出することで撮像機能を実現している。
【0003】
図9は従来知られている素子構造の例であり、(A)はPN接合フォトダイオード構造の概略縦断面図、(B)はMOSフォトゲート構造の概略断面図である(例えば、非特許文献1など参照)。
【0004】
図9(A)の例では、光電変換部に光が入射すると、主として、N型領域であるソース領域51の接合境界付近に形成される空乏層52内部でキャリアが発生する。発生したキャリアのうち、正孔は基板50を通して排出され、他方、電子は空乏層52内部に蓄積される。その後、ゲート電極53に所定電圧を印加すると、ゲート電極53直下にチャネル54が形成され、このチャネル54を通してN型領域であるドレイン領域55に電子が流れ、ドレイン領域55に接続された信号線56から信号として取り出される。
【0005】
図9(B)の例では、光電変換部に光が入射すると、主として、直流電圧が印加されるフォトゲート電極61の直下に形成されるMOSキャパシタ領域62内部でキャリアが発生する。発生したキャリアのうち、正孔は基板60を通して排出され、他方、電子はMOSキャパシタ領域62内部に蓄積される。その後、ゲート電極63に所定電圧を印加すると、ゲート電極63直下の転送領域64で電位障壁が下がり、この電位障壁を乗り越えてN型領域65に電子が流れ、N型領域65に接続された信号線66から信号として取り出される。
【0006】
こうした固体撮像素子を用いた撮像装置では、上記のように、画素毎に光電変換部で蓄積された電子の量に応じた信号をそれぞれ検出し、その画素信号を画像処理回路で処理することにより、2次元画像を構成することができる。
【0007】
【非特許文献1】
安藤隆男、菰淵寛仁著、「固体撮像素子の基礎-電子の目のしくみ」、映像情報メディア学会、1999年
産業上の利用分野
本発明は固体撮像素子(一般にはイメージセンサと呼ばれる)及び該素子を用いた撮像装置に関し、更に詳しくは、可視光領域のみならず赤外光領域にも感度を有する可視光/赤外光両用の固体撮像素子、及び該素子を用いた撮像装置に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 a)シリコン基板上の光照射面に形成され、少なくとも可視帯域の光を受けてキャリアを生成する又はキャリアを生成した後に蓄積するキャリア収集領域を有する可視受光手段と、
b)前記基板を挟んで前記可視受光手段の裏側の面又は該可視受光手段と同一面であってその近傍に設けられ、赤外帯域の光を受けてキャリアを生成する赤外受光手段と、
c)前記赤外受光手段と前記キャリア収集領域との間に与える電位差を変化させることにより、前記赤外受光手段で生成されたキャリア前記キャリア収集領域への移動の度合を制御するキャリア移動制御手段と、
を備え、前記キャリア収集領域から赤外光と可視光の両方による信号を取り出すとともに、その赤外光の相対的な感度を調整できるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項2】 a)シリコン基板上の光照射面に形成され、少なくとも可視帯域の光を受けてキャリアを生成する又はキャリアを生成した後に蓄積するキャリア収集領域を有する可視受光手段と、
b)前記基板を挟んで前記可視受光手段の裏側の面又は該可視受光手段と同一面であってその近傍に設けられ、赤外帯域の光を受けてキャリアを生成する赤外受光手段と、
c)前記赤外受光手段と前記キャリア収集領域との間に該赤外受光手段で生成されるキャリアの極性に応じた極性の電位差を与えた状態と、前記赤外受光手段と前記キャリア収集領域の外側の基板との間を実質的に短絡して該赤外受光手段と該基板とが同電位である状態とを切り替えることにより、前記赤外受光手段で生成されたキャリアの前記キャリア収集領域への移動を制御するキャリア移動制御手段と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項3】 前記赤外受光手段は前記基板の裏側の面に設けられ、該基板内部を通過してきた赤外光を受けてキャリアを生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
【請求項4】 前記キャリア移動制御手段は、前記可視受光手段の周囲に形成されたP型及び/又はN型の拡散領域と、該拡散領域に所定電圧を印加する電圧印加手段と、を含むことを特徴とする請求項1~のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項5】 請求項1~のいずれかに記載の固体撮像素子と、可視帯域の光を遮断する光学フィルタと、該光学フィルタを前記固体撮像素子の光照射面の手前に挿入する又は該光照射面の手前から取り除くフィルタ駆動手段と、を備え、前記光学フィルタを固体撮像素子の光照射面の手前に挿入した状態で、前記キャリア移動制御手段により、赤外受光手段で生成されたキャリアキャリア収集領域への移動促進させることによって、可視帯域の光を除去した、赤外帯域の光による画像信号を取得するようにしたことを特徴とする撮像装置。
産業区分
  • 固体素子
  • テレビ
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2002266171thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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