JP2002519853A - 赤外フィルタなしピクセル構造 - Google Patents
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Abstract
Description
関する。
付けられる。例えばカメラ内のイメージ検出デバイスは、伝統的なフィルムを基
礎とするシステムに置き換えて、イメージを捉える光を用いている。カメラ内の
イメージ検出デバイスは、電荷結合デバイス(CCD)技術や、または電界効果
型トランジスタ(FET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、ダイオー
ド・デバイスまたは相補形金属酸化物半導体(CMOS)を共用したフォトトラ
ンジスタ・デバイスによって、モノクロまたはカラーのイメージを捉えるように
構成されている。
テムは、一般的に光学システムの一部として赤外(IR)フィルタを必要とする
。この必要は、一般の半導体ベースのイメージ検出デバイスが可視光線(約38
0〜780ナノメートル)にのみならず、約780〜1100ナノメートルの範
囲の赤外線にも同様に反応することから生じている。IRフィルタがなければ、
その画像を歪ませる赤外信号の効果により高画質のカラー画像を得ることは、実
質的に不可能である。モノクロの画像も、シーンの輝度を正しく保存するために
は、同様にIRフィルタを必要とする。
または他の光学エレメント内に挿入される光学系列の一部(すなわち、イメージ
検出デバイスから離れた光学システムのどこか)をなしている。別個のIRフィ
ルタを包含することの欠点は、コスト高(IRフィルタは、普通約0.5〜1.
0USドル程になる)および全システムの部品点数に対し追加のエレメント、す
なわち部品点数が増えることである。追加部品は、撮像システムの設計において
取り入れられなければならず、各々のIRフィルタが撮像システムに機構的に組
み入れられなければならないごとに、それによって複雑さとコストを追加してい
く。さらにそのIRフィルタをどこに配置するかに依存して、撮像システムのサ
イズが変化し、その撮像システムのコストをさらに増大させる。そのIRフィル
タのカラー特性を取り入れるために、システム・ソフトウェアと信号処理が同様
に調整されなければならない。加えて、もしそのIRフィルタが例えばレンズの
前に配置される場合は、そのIRフィルタは環境に曝されるので、湿気やキズに
よるような環境からの損傷を受ける危険性も生じる。
ある。これらのフィルタは普通、可視光線のスペクトルの約80〜90%しか通
さないので、IRフィルタの挿入は撮像システム全体の信号対ノイズ比を悪化さ
せる。このように、悪化した信号対ノイズ比を伴うIRフィルタを有する撮像シ
ステムは、より高い信号対ノイズ比を有する撮像システムに対し、画質のより劣
ったイメージを生じることになる。
去し、システム全体に追加の部品を付け足すことによる費用の増加と複雑化を除
いた、撮像システムを提供することが望まれていた。
光選択性エレメントを含み、該光選択性エレメントは光のスペクトルの可視領域
に対応する波長を有する光のみを吸収する予め定められた厚さを有する。
添付の図面からより完全に明らかになろう。
に関するものである。以下の記載において、本発明の完全な理解を与えるために
多くの特殊な詳細が明らかにされている。しかしながら、本発明を実施するため
にこれらの特殊な詳細が用いられる必要がないことが、当業者には自明であろう
。他の場合の周知の材料や方法は、本発明を不必要に曖昧にしないように詳細に
は記載されていない。
かれたシーンを生成する、光子から電子へ光を変換する検出器である。普通、こ
れは相補形金属酸化物半導体(CMOS)または電荷結合デバイス(CCD)技
術を用いて製造されるイメージ・センサである。このイメージ・センサは、各々
のピクセルが光を吸収することができる多数のピクセル、例えば640列×48
0行のピクセルで構成されている。イメージ・センサは入射光を画像の2次元の
配列にタイル状にすることによって光学イメージを捕える。次いで、光のエネル
ギーが電荷に変換される。イメージ・センサの構造に応じて、これらのピクセル
は、変換された電荷をイメージ・センサから読み出すために「アドレスされる」
。ある種のイメージ・センサは、イメージ・センサ内の光検知エレメントとして
ダイオードを用いている。普通これらのダイオードは、CMOS回路内に集積さ
れているか、または従来の蒸着技術によりCMOS回路の表面に形成されること
ができる。
の完全なプロセスのフローを構成しないことに留意するべきである。本発明は当
業界において現在用いられている技術により実施することができ、本発明の理解
を可能にするために一般的に実施されているプロセス・ステップのみが含まれて
いる。
ク図を示す。センサ110は、ダイオード120とCMOSイメージ制御回路1
00を含んでいる。ダイオード120は、普通CMOSイメージ制御回路100
の表面上に構成されている。カラー・フィルタ・アレイ(CFA)140が、ダ
イオード120の上に重ねられている。一般的にCFA140は、各々が可視光
のスペクトルの異なる部分を選択的に透過し、それによりダイオード120に入
射する光を制限する、3つまたはそれ以上のカラー・チャネルで製造されている
。光選択性エレメントまたはIRフィルタ160がなければ、CFA140は可
視光のみならず赤外光もダイオード120に伝達してしまう。CFA140のカ
ラー・フィルタ・チャネルは、可視光の予め定められた範囲に対応する光を選択
して、あるチャネルを通してダイオード120に伝わるようにする。このように
してCFA140は、色づけられたカメラのチャネル反応で、画像化されるシー
ンの色成分を有する光を、デバイスの適宜の動作により評価されるようにする。
一般に用いられている色技法は、赤−緑−青(RGB)、シアン−マゼンタ−黄
色(CMY)およびシアン−マゼンタ−黄色−緑(CMYG)を含んでいる。例
えばRGBシステムは、人間の眼に見える光のスペクトル(約400〜700ナ
ノメートル)をその波長に基づき3色に分割する。各々の赤、緑または青フィル
タは、そのカラー・チャネルを通して約3分の1の利用可能な可視光を通す。そ
れ故各々のカラー・チャネルは、ある画像化されるシーンで利用可能な光からの
光子の3分の2を無視している。
の光の伝達を現し、一方0の光透過は光のゼロ伝達を現す。先に記載したように
赤、緑、青のフィルタ材料は、可視光のスペクトルすなわち約400〜700ナ
ノメートルの範囲にわたる、互いに異なる光透過特性を有する。赤のCFA材料
(R)が約600ナノメートルにピークの光透過性を有すること、すなわちこの
赤のCFA材料(R)は約600nmの波長を有する光の約90%を透過し、緑
のCFA材料(G)が約550ナノメートルにピークの光透過性を有すること、
すなわちこの緑のCFA材料(G)は約550nmの波長を有する光の約75%
を透過し、青のCFA材料(B)が約450ナノメートルにピークの光透過性を
有すること、すなわちこの青のCFA材料(B)は約450nmの波長を有する
光の約75%を透過することを、グラフは示している。
に基づくカメラ・システムの反応特性を表している。図2が別個のフィルタ材料
に基づくカラー・チャネルを考察する一方で、図3は全体としてのカメラ・シス
テムに関するカラー・チャネルを見ている。図3は、当該のセンサ反応性を有す
るCFA材料の特性と、約700ナノメートル以上の波長をカットオフするよう
に指定された赤外フィルタの特性を結合した後の、3つのカメラ・カラー・チャ
ネルの相対的な反応特性を示す。示された値は任意の単位である。
の利点は、当該のIRフィルタのエレメントが必要とされないので、カメラ・シ
ステム全体の部品点数が削減されることである。図4は、CMOSイメージ制御
回路400、ダイオード420およびCFA440を含むがIRフィルタを含ま
ない、本発明の一実施形態による図1の撮像システムの部品のブロック図を示す
。以上の記載のように、IRフィルタを含むことの欠点には、撮像システムへの
コストと複雑さの追加を含んでいる。
イメージを生成する撮像システムの提供が望まれているので、本発明はIRフィ
ルタを使用する必要なしにこれを達成する。本発明のピクセル構造は、特有の光
吸収特性を有するピクセル構造の層を用いて、これらの層を予め定められた厚さ
に調整して、可視光のスペクトル内の望ましい波長がダイオード420に吸収さ
れる一方で、赤外波長を透過させたりまたは反射させたりする。
ル構造500を示す。ピクセル構造500は、ダイオード510、上部電導層5
50および底部電導層560からなり、底部導電層560はCMOSイメージ制
御回路580の外側に構成されている。ダイオード510は、任意の光検知エレ
メントであってよく、例えばアモルファスシリコンおよびテルル化カドミウムで
製造されて良い。ダイオード510は、プラズマ・エンハンスド化学蒸着(PE
CVD)のような、従来の蒸着プロセスによりCMOSイメージ制御回路580
の上に形成される。蒸着温度が、CMOSイメージ制御回路580の耐熱温度を
越えないようにすることが、重要である。そうでなければ、CMOSイメージ制
御回路580の構造が破壊されてしまう。
ンpinダイオードであり、p型水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)
の薄膜層520に、真性型のa−Si:Hの厚膜層530とa−Si:Hのn型
の薄膜層540が加えられて構成されている。真性型層530は入射した光子を
吸収し、それらを電子と正孔の対に変換する。真性型層530は、0.1μm〜
1μmの範囲の厚さを有してよい。本発明のある実施形態では、入射光子の全て
を集めるために真性型層530は0.23μmの厚さを有している。p型層52
0およびn型層540は、真性型層530の間にバイアスが生成されるように、
十分薄く作られている。p型層520およびn型層540はそれぞれ、5nm〜
20nmおよび5nm〜40nmの範囲の厚さを有して良い。本発明のある実施
形態では、p型層520およびn型層540はそれぞれ10nmおよび20nm
の厚さを有している。p型層520は面積抵抗が高いので、アースへの表面接点
として働くには面積抵抗の低い第1の導電材料550が必要となる。第1の導電
材料550はダイオード510の上に形成されているので、光をダイオード51
0に導くために第1の導電材料550は透明でなければならず、また同様にp型
層520をアースするために導電性でなければならない。導電材料は例えば、酸
化亜鉛または酸化スズである。本発明のある実施形態では、第1の電導層550
はインジウム酸化スズ(ITO)でできている。第1の電導層550は50〜2
00nmの範囲の厚さを有し、例えば従来の蒸着またはスパッタリング技術を用
いてp型層520の上に形成されて良い。n型層540は次いで、CMOSイメ
ージ制御回路580に接続された、チタン(Ti)またはクロム(Cr)のよう
な金属導電体からなる第2の電導層560に接続される。バイア570が従来の
プロセスにより形成され、アルミ(Al)または銅(Cu)のような導電材料に
より満たされ、CMOSイメージ制御回路580に接続させられる。
、図5のピクセル構造の詳細な断面図を示す。ピクセル構造600は、ITO層
610、p型a−Si:H層620、真性型a−Si:H層630、n型a−S
i:H層640および導電層650からなる。ピクセル構造600は、CMOS
イメージ制御回路691の上に形成され、金属670で満たされたバイア660
によりそれと接続されている。金属670は次いで接点661に接触している。
中間層誘電体(ILDs)680および690が、導電層650と金属670を
絶縁するために、CMOSイメージ制御回路691の上に形成されている。本発
明のある実施形態では、CMOSイメージ制御回路691はゲート・オキサイド
693の上に形成された、ポリシリコン・ゲート692を備えている。CMOS
イメージ制御回路691のソースとドレインは、Pウェル内に形成されたn型で
ある。
造内に構築される特性を有することにより、赤外光を通過する。それ故、本発明
は撮像システム内の別個のIRフィルタの必要を不要にする。アモルファスシリ
コンpinダイオード510(p型層520、真性層530およびn型層540
に区分されている)とITO導電層550の厚さを、可視光スペクトル内の必要
な波長は吸収する一方で、赤外領域に対応する光の範囲がピクセル構造500を
透過するかまたは反射するように調整することにより、これは達成される。
ダイオード510とITO導電層550の厚さは、青の光に対応する約450ナ
ノメートルで吸収のピークを有する光のみが吸収されるような、予め定められた
厚さに適合される。緑、赤および赤外線に対応する光のより長い波長は吸収され
ることがなく、そのピクセル構造を透過するかまたは反射される。同様に、可視
光のスペクトルの青より長い波長の緑の光を吸収することが望ましい場合は、ダ
イオード510とITO導電層550の厚さは、青と緑の光に対応する約450
〜550ナノメートルで吸収のピークを有する光のみが吸収されるような、予め
定められた厚さにさらに増加される。赤および赤外線に対応する青や緑より長い
光の波長は吸収されることがなく、そのピクセル構造を透過するかまたは反射さ
れる。さらに、可視光のスペクトルの青、緑およびより長い赤の光を吸収するこ
とが望ましい場合は、ダイオード510とITO導電層550は、約450〜6
00ナノメートルで吸収のピークを有する赤の波長に至る光を同様に吸収するた
めにより厚く作製されるであろう。赤外光に対応するような赤の光より長い波長
は吸収されることがなく、そのピクセル構造を透過するかまたは反射される。
らの層を予め定められた厚さに調整することにより、本発明は可視光(青、緑お
よび赤)の内の望ましい波長を吸収するが、赤外領域の光の波長はカットする。
本発明のピクセル構造は、赤外光がイメージ・センサに入射することを効果的に
防止し、それによってIRフィルタの必要性を取り除く。
できる。シミュレーションにおいて、吸収特性はピクセル構造の可能な層特性お
よび変化する層厚さに応答して変化することが分かっている。
ダイオードの厚さの関数としての光のカットオフ波長(ピーク吸収の50%に等
しい吸収レベルとして定義された)を示す。無視できるような量の光のみがカッ
トオフ波長以上で吸収されると考えられる。
TOで被覆したpinダイオードの吸収特性を示す。ITOで被覆したpinダ
イオードは800Åの厚さのITO層と0.25μmの厚さのダイオード層を有
している。ITO層が800Å厚に作製され、アモルファス・シリコン・ダイオ
ード層(p型層、真性層およびn型層に区分されている)が0.25μm厚に作
製されると、50%以上の吸収レートで、それぞれ青、緑および赤の光に対応す
る約450から600までのピーク吸収を有する光がITO被覆pinダイオー
ドにより吸収される。しかしながら、赤外領域(780〜1100nm)の部分
に対応する850nm程度までの光は同様に吸収される。
覆したpinダイオードの吸収特性を示す。本発明の一実施形態では、ITOで
被覆したpinダイオードは800Åの厚さのITO層と0.20μmの厚さの
ダイオード層を有している。アモルファス・シリコン・ダイオード層(p型層、
真性層およびn型層に区分されている)の厚さを図6の0.25μm厚から0.
2μmに減少し、ITO層の厚さを800Åに維持することにより、50%以上
の吸収レートで赤外領域に対応する約790nm以上の光は吸収されず、ピクセ
ル構造を透過するかまたはそれに反射されることをシミュレーションが示した。
図8に示された本発明のピクセル構造の吸収特性は、普通のIRフィルタの吸収
特性に近似している。
る可視光の感度における妥協が信号の増加により補われることである。発明の背
景で記述したように、フィルタは普通可視光のスペクトル内の光の約80〜90
%を透過させるので、IRフィルタの挿入はシステム全体の信号対ノイズ比を減
少させる。本発明ではIRフィルタのエレメントを除外する事により、80〜9
0%の替わりに100%に達する可視光のスペクトルの光が透過して、IRフィ
ルタが必要な従来の撮像システムよりより高い画像品質を生じる。
効果が達成されることである。カメラ・システム全体の画像品質は、センサと同
様に光学系、IRフィルタ、カラー・フィルタ・アレイ(CFA)のような個々
の部品に依存するので、これらの個々の部品の各々が集合して最終的なイメージ
に影響する組み込まれた許容度を有している。IRフィルタ部品を除外すること
により、フィルタに関連した変動、部品に関する較正の必要性、そのエレメント
に関連した試験の必要を削減されたり除去したりすることができる。
する、イメージ・センサ・デバイスのアレイを示す。図9は、ITO層910、
p型a−Si:H層920、真性型a−Si:H層930、n型a−Si:H層
940、ベース電極950およびイメージ制御回路960からなるピクセル・ア
レイ900を示す。
エレメントまたはフィルタを含むことに焦点を合わせていた。一般的にはそのよ
うなイメージ・センサ・デバイスの用途は、780〜1100nmの範囲の赤外
光をフィルタする(例えば、反射または吸収)ことを求める。そのエレメントま
たはフィルタは、特定の用途により保証された以外の波長を選択するように作製
されることができ、本発明が特定のスペクトルの範囲を選択するエレメントに限
定されるべきでないことが感謝される。替わりにここに記述された原理は、種々
の選択性が関わる用途に適用されることができる。
・デバイスは、図10に示されたディジタル撮像システム400の一部分として
採用することができる。撮像システム400はイメージ・センサ・デバイス40
5上に光学イメージを生成するために、この場合は光である入射エネルギーを取
り入れる光学系430を有する。イメージ・センサ・デバイス405のフォト・
センサを制御するために必要とされる、リセット信号とワードラインを生成する
ために制御信号生成ロジック418が設けられている。出力の値(センサ信号)
は、順にディジタル処理ブロック414に供給されるアナログ−ディジタルA/
D変換ユニット410に供給される前に、アナログ形式でさらに処理されてもよ
い。アナログ信号処理、A/Dユニットおよびディジタル処理ブロックの部分は
センサ・アレイと同じダイの上に配置されてもよい。ディジタル処理は、保存ま
たは伝送のためにセンサ信号に基づくディジタル・イメージ・データの準備を含
む種々のディジタル機能を実行する、ハードワイヤード・ロジックおよび/また
はプログラムされたプロセッサを含んでもよい。
24を用いて実行されてもよい。例えば、システム400はディジタル・カメラ
として、ユニバーサル・シリアル・バス(USB)またはIEEE1394〜1
995のようなコンピューター周辺バス標準を実装した通信インターフェースを
含んでいる。撮像システム400は、例えば取り外し可能なメモリカード、回転
型磁気ディスクまたはその他の適宜のディジタル・イメージ・データの永久的な
記録のための記憶デバイスのような固体メモリを含む、不揮発の種類のローカル
記憶428を含んでもよい。システム400の動作はファームウェアとして記憶
されている命令に応答する従来型のマイクロコントローラを含むシステム・コン
トローラ422により制御されてもよい。
しながら、種々の修正と変化が添付の請求項に記載されているようなより広い本
発明の精神と範囲から逸脱することなくそれに加えることができることが、明ら
かであろう。従って明細書と図面は、限定としてではなく図示の説明と見なされ
るためにある。それ故本発明の精神は添付の請求項のみにより限定されるべきで
ある。
図を示す図である。
を示す図である。
づくカメラ・システムの相対的な反応特性を示す図である。
図である。
す図である。
ダイオード層を有する、ITO被覆pinダイオードの吸収特性の予測値を示す
図である。
のダイオード層を有する、ITO被覆pinダイオードの吸収特性の予測値を示
す図である。
ンサ・デバイスのアレイを示す図である。
スのアレイを組み込んだ、撮像システムを示す図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 光のスペクトルの可視領域に対応する波長を有する光のみを
吸収するように予め定められた厚さを有する一組の光選択性エレメントからなる
入射光に応答してセンサ信号を供給するピクセル構造。 - 【請求項2】 前記一組の光選択性エレメントがダイオードからなる請求項
1に記載のピクセル構造。 - 【請求項3】 前記一組の光選択性エレメントがさらに導電層を含み、前記
導電層が前記ダイオードの上に形成されている請求項2に記載のピクセル構造。 - 【請求項4】 前記ダイオードが水素化アモルファスシリコン(a−Si:
H)pinダイオードからなる請求項2に記載のピクセル構造。 - 【請求項5】 前記導電層がインジウムスズ酸化物(ITO)を含む請求項
3に記載のピクセル構造。 - 【請求項6】 前記水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)pinダ
イオードが0.02μmから1.0μmの範囲の厚さを有する請求項4に記載の
ピクセル構造。 - 【請求項7】 前記ITO層が0.08μmから0.2μmの範囲の厚さを
有する請求項5に記載のピクセル構造。 - 【請求項8】 光のスペクトルの可視領域に対応する波長を有する光のみを
吸収するように予め定められた厚さを有する一組の光選択性エレメントを有し、
入射光と制御信号に応答してセンサ信号を供給するピクセル構造を有するイメー
ジ・センサを備えた撮像システム。 - 【請求項9】 前記一組の光選択性エレメントがダイオードからなる請求項
8に記載の撮像システム。 - 【請求項10】 前記一組の光選択性エレメントがさらに導電層を含み、前
記導電層が前記ダイオードの上に形成されている請求項9に記載の撮像システム
。 - 【請求項11】 前記ダイオードが水素化アモルファスシリコン(a−Si
:H)pinダイオードからなる請求項9に記載の撮像システム。 - 【請求項12】 前記第1の導電層がインジウムスズ酸化物(ITO)を含
む請求項10に記載の撮像システム。 - 【請求項13】 前記水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)pin
ダイオードが0.02μmから1.0μmの範囲の厚さを有する請求項11に記
載の撮像システム。 - 【請求項14】 前記ITO層が0.08μmから0.2μmの範囲の厚さ
を有する請求項12に記載の撮像システム。 - 【請求項15】 前記制御回路がCMOSデバイスからなる請求項8に記載
の撮像システム。 - 【請求項16】 前記制御回路がCCDデバイスからなる請求項8に記載の
撮像システム。 - 【請求項17】 光のスペクトルの可視領域に対応する波長を有する光のみ
を吸収するように前記一組の光選択性エレメントの厚さを調整するステップを含
む、一組の光選択性エレメントを有するピクセル構造を形成する方法。
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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