JP2005268384A - Photoelectric transducer film-laminated solid-state imaging device - Google Patents

Photoelectric transducer film-laminated solid-state imaging device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric transducer film-laminated solid-state imaging device capable of efficiently extracting optical charge from a photoelectric transducer film. <P>SOLUTION: In a photoelectric transducer film-laminated solid-state imaging device, a photoelectric transducer film 23 is laminated on a semiconductor substrate with a signal reading circuit formed thereon, and a signal corresponding to the quantity of incident light photoelectric-transduced by the photoelectric transducer film 23 is read to the outside by the signal reading circuit. The photoelectric transducer film 23 includes a photoelectric transducer layer wherein a first quantum dots 43 contributed to photoelectric transduction and a second quantum dots 44 having a band gap greater than that of the first quantum dots 43 are substantially uniformly distributed. Appropriately, InN quantum dots are used as the first quantum dots 43, and GaN quantum dots are used as the second quantum dots 44. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、信号読出回路が表面に形成された半導体基板の上に光電変換膜を積層して構成される光電変換膜積層型固体撮像素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device configured by stacking a photoelectric conversion film on a semiconductor substrate on which a signal readout circuit is formed.

光電変換膜積層型固体撮像素子の原型的な素子として、例えば下記特許文献1記載のものがある。この固体撮像素子は、半導体基板の上に感光層を3層積層し、各感光層で検出された赤色(R),緑色(G),青色(B)の夫々の電気信号を、半導体基板表面に形成されているMOS回路で読み出すという構成になっている。   As a prototype element of the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device, for example, there is one described in Patent Document 1 below. In this solid-state imaging device, three photosensitive layers are stacked on a semiconductor substrate, and red (R), green (G), and blue (B) electrical signals detected in each photosensitive layer are transmitted to the surface of the semiconductor substrate. Reading is performed by the MOS circuit formed in the circuit.

斯かる構成の固体撮像素子が過去に提案されたが、その後、半導体基板表面部に多数の受光部(フォトダイオード)を集積すると共に各受光部上に赤色(R),緑色(G),青色(B)の各色カラーフィルタを積層したCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサが著しく進歩し、現在では、数百万もの受光部(画素)を1チップ上に集積したイメージセンサがデジタルスチルカメラに搭載される様になっている。   A solid-state imaging device having such a configuration has been proposed in the past. Thereafter, a large number of light receiving portions (photodiodes) are integrated on the surface portion of the semiconductor substrate, and red (R), green (G), and blue are integrated on each light receiving portion. The CCD type image sensor and CMOS type image sensor in which the color filters of each color (B) are laminated have advanced remarkably, and now, an image sensor in which millions of light receiving parts (pixels) are integrated on one chip is used as a digital still camera. It comes to be installed.

しかしながら、CCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサは、その技術進歩が限界近くまで進み、1つの受光部の開口の大きさが2μm程度と、入射光の波長オーダに近づいており、製造歩留まりが悪いという問題に直面している。   However, the CCD type image sensor and the CMOS type image sensor have progressed to their limits, and the aperture size of one light receiving part is about 2 μm, which is close to the wavelength order of incident light, and the manufacturing yield is poor. Faced with the problem.

また、微細化された1つの受光部に蓄積される光電荷量の上限は、電子3000個程度と少なく、これで256階調を奇麗に表現するのが困難にもなってきている。このため、画質や感度の点で今以上のイメージセンサをCCD型やCMOS型で期待するのは困難になっている。   In addition, the upper limit of the amount of photocharge accumulated in one miniaturized light receiving portion is as small as about 3000 electrons, which makes it difficult to express 256 gradations neatly. For this reason, it is difficult to expect an image sensor more than the current type in the CCD type or the CMOS type in terms of image quality and sensitivity.

そこで、これらの問題を解決する固体撮像素子として、特許文献1で提案された固体撮像素子が注目を集めるようになり、特許文献2や特許文献3に記載されているイメージセンサが新たに提案される様になってきている。   Therefore, as a solid-state imaging device that solves these problems, the solid-state imaging device proposed in Patent Document 1 has attracted attention, and image sensors described in Patent Document 2 and Patent Document 3 are newly proposed. It is becoming like this.

特許文献2に記載されたイメージセンサは、シリコンの超微粒子を媒質内に分散して光電変換層とし、超微粒子の粒径を変えた複数の光電変換層を半導体基板の上に3層積層し、夫々の光電変換層で、赤色,緑色,青色の夫々の受光量に応じた電気信号を発生させる様になっている。   In the image sensor described in Patent Document 2, ultrafine particles of silicon are dispersed in a medium to form a photoelectric conversion layer, and a plurality of photoelectric conversion layers having different ultrafine particle sizes are stacked on a semiconductor substrate. In each photoelectric conversion layer, electrical signals corresponding to the received light amounts of red, green and blue are generated.

特許文献3に記載されたイメージセンサも同様であり、粒径の異なるナノシリコン層を半導体基板の上に3層積層し、夫々のナノシリコン層で検出された赤色,緑色,青色の各電気信号を、半導体基板の表面部に形成されている蓄積ダイオードに読み出すようになっている。   The same applies to the image sensor described in Patent Document 3, in which three nanosilicon layers having different particle diameters are stacked on a semiconductor substrate, and red, green, and blue electrical signals detected by each nanosilicon layer are detected. Is read out to the storage diode formed on the surface portion of the semiconductor substrate.

特開昭58―103165号公報JP 58-103165 A 特許第3405099号公報Japanese Patent No. 3405099 特開2002―83946号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-83946

光電変換層に使用する超微粒子としてシリコンを用いた場合、光を受光することで発生した電子―正孔対が超微粒子の表面において短時間に再結合してしまい、再結合前に電荷を取り出すのが容易でなく、このため、固体撮像素子としての性能が十分でないという問題がある。   When silicon is used as the ultrafine particles used in the photoelectric conversion layer, the electron-hole pairs generated by receiving light are recombined in a short time on the surface of the ultrafine particles, and the charge is extracted before recombination. Therefore, there is a problem that the performance as a solid-state imaging device is not sufficient.

光電変換膜積層型固体撮像素子を実用化するには、光電変換膜を如何なる材料で形成するかという問題を解決する必要がある。   In order to put the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device into practical use, it is necessary to solve the problem of what material the photoelectric conversion film is formed of.

本発明の目的は、効率的に光電荷を光電変換膜から取り出すことができる光電変換膜積層型固体撮像素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device capable of efficiently taking out photoelectric charges from a photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、信号読出回路が形成された半導体基板の上に光電変換膜が積層され該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号が前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、光電変換に寄与する第1量子ドットと該第1量子ドットより大きなバンドギャップを有する第2量子ドットとが実質的に均質に分散した光電変換層を前記光電変換膜が有することを特徴とする。   The photoelectric conversion film stack type solid-state imaging device of the present invention has a photoelectric conversion film stacked on a semiconductor substrate on which a signal readout circuit is formed, and a signal corresponding to the amount of incident light photoelectrically converted by the photoelectric conversion film is the signal readout. In the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device read out to the outside by the circuit, the first quantum dots contributing to photoelectric conversion and the second quantum dots having a larger band gap than the first quantum dots are substantially uniformly dispersed. The photoelectric conversion layer has a photoelectric conversion layer.

この構成により、第1量子ドットに光が入射することで発生した正孔―電子対の再結合が抑制され、光電変換膜からの光電荷の取り出しが容易となる。   With this configuration, recombination of hole-electron pairs generated when light is incident on the first quantum dots is suppressed, and the extraction of photocharges from the photoelectric conversion film is facilitated.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層に前記第2量子ドットからなる正孔輸送層が積層されて前記光電変換膜が構成されることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion film is configured by laminating a hole transport layer composed of the second quantum dots on the photoelectric conversion layer.

この構成により、正孔の輸送が容易となり、更に光電荷の光電変換膜からの取り出しが容易となる。   With this configuration, the hole can be easily transported, and the photocharge can be easily taken out from the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記正孔輸送層の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされていることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is characterized in that a p-type impurity is doped in the second quantum dots of the hole transport layer.

この構成により、正孔の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。   With this configuration, the hole can be easily transported, and the photocharge can be more easily taken out from the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層の前記第2量子ドットにn型不純物がドーピングされていることを特徴とする。   The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention is characterized in that an n-type impurity is doped in the second quantum dots of the photoelectric conversion layer.

この構成により、電子の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。   With this configuration, electrons can be transported more easily, and photocharges can be more easily taken out from the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記正孔輸送層の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされ、前記光電変換層の前記正孔輸送層側の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされていることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention, the second quantum dot of the hole transport layer is doped with p-type impurities, and the second quantum dot on the hole transport layer side of the photoelectric conversion layer is doped. A p-type impurity is doped.

この構成により、正孔の輸送が容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが更に容易となる。   With this configuration, the hole can be easily transported, and the photocharge can be more easily taken out from the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記光電変換層の正孔輸送層と反対側の前記第2量子ドットにn型不純物がドーピングされていることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is characterized in that an n-type impurity is doped in the second quantum dots on the opposite side of the photoelectric conversion layer from the hole transport layer.

この構成により、電子の輸送が更に容易となり、光電荷の光電変換膜からの取り出しが一層効率的に行われる。   With this configuration, electrons can be transported more easily, and photoelectric charges can be more efficiently taken out from the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子の前記第1量子ドットがInNであり、前記第2量子ドットがGaNであることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention, the first quantum dots are InN, and the second quantum dots are GaN.

シリコンより再結合が抑制されるInNを利用することで固体撮像素子として性能が向上し、また、GaNを用いることで正孔,電子の輸送が容易となる。   The use of InN, in which recombination is suppressed from silicon, improves the performance as a solid-state imaging device, and the use of GaN facilitates the transport of holes and electrons.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、2枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して3層に積層されることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion film sandwiched between two transparent electrode films is laminated in three layers via a transparent insulating film.

この構成により、カラー画像の撮像が可能となる。   With this configuration, a color image can be captured.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記3層の光電変換膜のうち、第1番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長400〜500nm、第2番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長500〜560nm、第3番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長560〜640nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記第1量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention, among the three layers of photoelectric conversion films, the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the first layer is a wavelength of 400 to 500 nm, the second layer The photoelectric conversion film is provided in each photoelectric conversion film so that the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film is a wavelength of 500 to 560 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is a wavelength of 560 to 640 nm. The average particle diameter of the first quantum dots is determined.

この構成により、赤色(R),緑色(G),青色(B)の3原色に分けて画像データを取り出すことが可能となる。   With this configuration, it is possible to extract image data divided into three primary colors of red (R), green (G), and blue (B).

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、2枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して4層に積層されることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the photoelectric conversion film sandwiched between two transparent electrode films is stacked in four layers via a transparent insulating film.

この構成により、様々な信号処理が可能となり、色再現性の良いカラー画像の撮像が可能となる。   With this configuration, various signal processing is possible, and a color image with good color reproducibility can be captured.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記4層の光電変換膜のうち、第1番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長420〜480nm、第2番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長480〜520nm、第3番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長520〜560nm、第4番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長560〜620nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記第1量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention, the maximum value of light absorption of the first photoelectric conversion film among the four photoelectric conversion films is a wavelength of 420 to 480 nm, the second layer. The maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film is 480 to 520 nm, the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is 520 to 560 nm, and the maximum value of the photoelectric conversion film of the fourth layer is The average particle diameter of the first quantum dots provided in each photoelectric conversion film is determined so that the maximum value of light absorption is a wavelength of 560 to 620 nm.

この構成により、色再現性が更に優れたカラー画像を撮像することができる。   With this configuration, it is possible to capture a color image with further excellent color reproducibility.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記第2番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量を、前記第4番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量から差し引くことで赤色の信号量を求めることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention, the signal amount detected by the photoelectric conversion film of the second layer is calculated from the signal amount detected by the photoelectric conversion film of the fourth layer. The red signal amount is obtained by subtraction.

この構成により、人間の視感度に応じた赤色の再生が可能となる。   With this configuration, red reproduction according to human visibility is possible.

本発明によれば、効率的に光電荷(信号電荷)を光電変換膜から取り出すことができる光電変換膜積層型固体撮像素子を提供可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the photoelectric conversion film laminated | stacked solid-state image sensor which can take out photoelectric charge (signal charge) from a photoelectric conversion film efficiently.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る光電変換膜積層型固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。この実施形態では、光電変換膜を3層積層して、赤色(R),緑色(G),青色(B)の3原色に対応する電気信号を取り出す構成、すなわち、カラー画像を撮像する構成になっているが、光電変換膜を1層だけ設け、単色例えば白黒の画像を撮像する構成でよい。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one pixel of a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, three layers of photoelectric conversion films are stacked to extract an electrical signal corresponding to the three primary colors of red (R), green (G), and blue (B), that is, a configuration for capturing a color image. However, only one layer of the photoelectric conversion film may be provided to capture a monochrome image, for example, a monochrome image.

図1において、n型シリコン基板50に形成されたPウェル層1の表面部には、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域2と、赤色信号読出用のMOS回路3と、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域4と、緑色信号読出用のMOS回路5と、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域6と、青色信号読出用のMOS回路7とが形成されている。   In FIG. 1, on the surface portion of a P well layer 1 formed on an n-type silicon substrate 50, a high-concentration impurity region 2 for red signal storage, a MOS circuit 3 for reading red signals, and a green signal storage A high concentration impurity region 4, a green signal readout MOS circuit 5, a blue signal storage high concentration impurity region 6, and a blue signal readout MOS circuit 7 are formed.

各MOS回路3,5,7は、半導体基板表面に形成されたソース用,ドレイン用の不純物領域と、ゲート絶縁膜8を介して形成されたゲート電極とから成る。これらのゲート絶縁膜8及びゲート電極の上部には絶縁膜9が積層されて平坦化される。この絶縁膜9の表面に遮光膜を形成する場合もあるが、遮光膜を形成した場合には遮光膜を絶縁する関係で更に絶縁膜10を積層する。遮光膜は、多くの場合、金属薄膜で形成されるためである。遮光膜をこの場所に設けない場合には、図示の絶縁膜9,10は一体でよい。   Each MOS circuit 3, 5, 7 is composed of a source and drain impurity region formed on the surface of the semiconductor substrate and a gate electrode formed via a gate insulating film 8. An insulating film 9 is laminated and planarized on the gate insulating film 8 and the gate electrode. In some cases, a light shielding film is formed on the surface of the insulating film 9, but when the light shielding film is formed, an insulating film 10 is further laminated so as to insulate the light shielding film. This is because the light shielding film is often formed of a metal thin film. When the light shielding film is not provided at this location, the illustrated insulating films 9 and 10 may be integrated.

上述した色信号蓄積用の高濃度不純物領域2,4,6に蓄積された信号電荷に応じた信号はMOS回路3,5,7によって読み出され、更に、図示は省略したが、半導体基板に形成された読み出し電極によって外部に取り出されるが、その構成は、従来のCMOS型イメージセンサと同様である。   Signals corresponding to the signal charges accumulated in the high-concentration impurity regions 2, 4, and 6 for color signal accumulation described above are read out by the MOS circuits 3, 5, and 7, and although not shown, Although it is taken out by the formed readout electrode, its configuration is the same as that of a conventional CMOS image sensor.

また、この例は、半導体基板に形成したMOS回路で信号電荷量に応じた信号を読み出す構成としたが、色信号蓄積用の高濃度不純物領域2,4,6の蓄積電荷を、従来のCCD型イメージセンサと同様に、垂直転送路に沿って移動させ、水平転送路に沿って外部に読み出す構成とすることもできる。   In this example, a signal corresponding to the amount of signal charge is read out by a MOS circuit formed on a semiconductor substrate. However, the charge stored in the high-concentration impurity regions 2, 4, and 6 for storing color signals is used as a conventional CCD. Similar to the type image sensor, it may be configured to move along the vertical transfer path and read out along the horizontal transfer path.

以上の構成は、従来のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサの半導体プロセスによって製造され、以後に述べる構成を付加することで、光電変換膜積層型固体撮像素子を製造する。   The above configuration is manufactured by a conventional CCD image sensor or CMOS image sensor semiconductor process, and a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device is manufactured by adding the configuration described below.

図1に示す絶縁膜10の上に、透明電極膜11を形成する。この透明電極膜11は、赤色信号蓄積用の高濃度不純物領域2に電極12によって導通される。この電極12は、透明電極膜11及び高濃度不純物領域2以外とは電気的に絶縁される。そして、透明電極膜11の上部に、赤色検出用の光電変換膜13を形成し、更にその上部に透明電極膜14を形成する。即ち、1対の透明電極膜11,14間に光電変換膜13を挟む構成となっている。尚、最下層となる電極膜11を不透明にして遮光膜を兼用させてもよい。   A transparent electrode film 11 is formed on the insulating film 10 shown in FIG. The transparent electrode film 11 is electrically connected to the high concentration impurity region 2 for red signal accumulation by the electrode 12. This electrode 12 is electrically insulated from areas other than the transparent electrode film 11 and the high concentration impurity region 2. Then, a red detection photoelectric conversion film 13 is formed on the transparent electrode film 11, and a transparent electrode film 14 is further formed on the photoelectric conversion film 13. That is, the photoelectric conversion film 13 is sandwiched between the pair of transparent electrode films 11 and 14. Note that the electrode film 11 which is the lowermost layer may be made opaque to be used as a light shielding film.

透明電極膜14の上部には透明絶縁膜15が形成され、その上部に、透明電極膜16が形成される。この透明電極膜16は、緑色信号蓄積用の高濃度不純物領域4に電極17によって導通される。この電極17は、透明電極膜16及び高濃度不純物領域4以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜16の上部には緑色検出用の光電変換膜18が形成され、その上部に、透明電極膜19が形成される。即ち、1対の透明電極膜16,19間に光電変換膜18を挟む構成となっている。   A transparent insulating film 15 is formed on the transparent electrode film 14, and a transparent electrode film 16 is formed on the transparent insulating film 15. The transparent electrode film 16 is electrically connected to the high-concentration impurity region 4 for storing the green signal by the electrode 17. This electrode 17 is electrically insulated from areas other than the transparent electrode film 16 and the high concentration impurity region 4. A green color detection photoelectric conversion film 18 is formed on the transparent electrode film 16, and a transparent electrode film 19 is formed on the photoelectric conversion film 18. That is, the photoelectric conversion film 18 is sandwiched between the pair of transparent electrode films 16 and 19.

透明電極膜19の上部には透明絶縁膜20が形成され、その上部に、透明電極膜21が形成される。この透明電極膜21は、青色信号蓄積用の高濃度不純物領域6に電極22によって導通される。この電極22は、透明電極膜21及び高濃度不純物領域6以外とは電気的に絶縁される。透明電極膜21の上部には青色検出用の光電変換膜23が形成され、その上部に、透明電極膜24が形成される。即ち、1対の透明電極膜21,24間に光電変換膜23を挟む構成となっている。   A transparent insulating film 20 is formed on the transparent electrode film 19, and a transparent electrode film 21 is formed on the transparent insulating film 20. The transparent electrode film 21 is electrically connected to the high concentration impurity region 6 for storing the blue signal by the electrode 22. This electrode 22 is electrically insulated from areas other than the transparent electrode film 21 and the high concentration impurity region 6. A blue color photoelectric conversion film 23 is formed on the transparent electrode film 21, and a transparent electrode film 24 is formed on the photoelectric conversion film 23. That is, the photoelectric conversion film 23 is sandwiched between the pair of transparent electrode films 21 and 24.

最上層には透明絶縁膜25が設けられ、この実施形態では、この透明絶縁膜25中に、この画素への入射光の入射範囲を制限する遮光膜26が設けられる。本実施形態で最上層に遮光膜26を設けたのは、画素間の混色をより一層低減するためである。均質な透明電極膜としては、酸化錫(SnO)、酸化チタン(TiO)、酸化インジウム(InO)、酸化インジウム−錫(ITO)薄膜を用いるが、これに限るものではない。その形成方法としては、レーザアブレーション法,スパッタ法などがある。 A transparent insulating film 25 is provided as the uppermost layer. In this embodiment, a light shielding film 26 for limiting the incident range of incident light to the pixel is provided in the transparent insulating film 25. The reason why the light shielding film 26 is provided in the uppermost layer in this embodiment is to further reduce the color mixture between pixels. As the homogeneous transparent electrode film, tin oxide (SnO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (InO 2 ), and indium oxide-tin (ITO) thin film are used, but the present invention is not limited thereto. Examples of the formation method include a laser ablation method and a sputtering method.

光電変換膜23,18,13の構成は、基本的には同じであるが、膜中に設けられるInN量子ドットの粒径が異なる。青色検出用の光電変換膜23中のInN量子ドットの粒径が一番小さく、次に、緑色検出用の光電変換膜18中のInN量子ドットの粒径が中間で、赤色検出用の光電変換膜13中のInN量子ドットの粒径が一番大きく、いずれも、粒径はナノメートルのオーダである。   The structures of the photoelectric conversion films 23, 18, and 13 are basically the same, but the particle diameters of InN quantum dots provided in the films are different. The InN quantum dots in the blue color photoelectric conversion film 23 have the smallest particle size, then the InN quantum dots in the green color detection photoelectric conversion film 18 have an intermediate particle size, and the red color detection photoelectric conversion. The particle size of InN quantum dots in the film 13 is the largest, and in any case, the particle size is on the order of nanometers.

これらの粒径は、対応する波長の光吸収が大きくなり電子―正孔対が多数発生するように選択する。即ち、青色検出用の光電変換膜23では光吸収の極大値が400〜500nmとなるように、緑色検出用の光電変換膜18では光吸収の極大値が500〜560nmとなるように、赤色検出用の光電変換膜13では560〜640nmになるように粒径を選択する。   These particle sizes are selected so that light absorption at the corresponding wavelength is increased and a large number of electron-hole pairs are generated. That is, the red detection is performed so that the maximum value of light absorption is 400 to 500 nm in the photoelectric conversion film 23 for blue detection, and the maximum value of light absorption is 500 to 560 nm in the photoelectric conversion film 18 for green detection. In the photoelectric conversion film 13 for use, the particle size is selected to be 560 to 640 nm.

図1に示した実施形態は、赤色,緑色,青色の3原色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の例であるが、4色を検出できる構成にすることも可能である。図2は、4色を検出する光電変換膜積層型固体撮像素子の1画素分の断面模式図であり、図1の構成に対し、緑色(G)と青色(B)の中間色(GB:エメラルド色)を検出する光電変換膜31を透明電極32,33で挟んだ層を、緑色検出用の層と青色検出用の層との間に設けている。つまり、検出する光の波長が短い順に、光電変換膜23,31,18,13を上から順に設けている。   The embodiment shown in FIG. 1 is an example of a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device that detects three primary colors of red, green, and blue. However, a configuration that can detect four colors is also possible. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of one pixel of a photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device that detects four colors, and is an intermediate color (GB: emerald) of green (G) and blue (B) with respect to the configuration of FIG. A layer in which a photoelectric conversion film 31 for detecting color) is sandwiched between transparent electrodes 32 and 33 is provided between a green detection layer and a blue detection layer. That is, the photoelectric conversion films 23, 31, 18, and 13 are provided in order from the top in ascending order of the wavelength of light to be detected.

この例では、光電変換膜23における光吸収の極大値が420〜480nm、光電変換膜31における光吸収の極大値が480〜520nm、光電変換膜18における光吸収の極大値が520〜560nm、光電変換膜13における光吸収の極大値が580〜620nmとなるように、量子ドットの粒径を決めている。   In this example, the maximum value of light absorption in the photoelectric conversion film 23 is 420 to 480 nm, the maximum value of light absorption in the photoelectric conversion film 31 is 480 to 520 nm, the maximum value of light absorption in the photoelectric conversion film 18 is 520 to 560 nm, The particle size of the quantum dots is determined so that the maximum value of light absorption in the conversion film 13 is 580 to 620 nm.

そして、中間色の信号電荷蓄積用の高濃度不純物領域36を半導体基板に形成し、この高濃度不純物領域36と透明電極32とを導通し他の構成部分とは電気絶縁された電極35を設けると共に、高濃度不純物領域36の信号電荷を読み出すMOS回路37が半導体基板に設けられる。透明電極膜31と上部の透明電極膜21との間に透明絶縁膜34を設けるのは当然である。   Then, a high-concentration impurity region 36 for storing signal charges of intermediate colors is formed in the semiconductor substrate, and an electrode 35 electrically connected to the high-concentration impurity region 36 and the transparent electrode 32 and electrically insulated from other components is provided. A MOS circuit 37 for reading signal charges in the high concentration impurity region 36 is provided on the semiconductor substrate. Naturally, the transparent insulating film 34 is provided between the transparent electrode film 31 and the upper transparent electrode film 21.

波長480〜520nmの中間色を検出する利点は、人間の視感度に応じて赤色を補正するためである。人間の視感度は、図3にα,β,γとして示す様に、緑色(G),赤色(R),青色(B)で負の感度を持っている。このため、固体撮像素子でR,G,Bの正の感度のみ検出して色再現を行っても、人間の見た画像を再現することはできない。そこで、負感度の一番大きいβすなわち赤の負感度を光電変換膜31によって検出し、光電変換膜13で検出した赤の感度から、この負感度分を差し引くことで、人間の赤色に対する感度を再現することができる。   The advantage of detecting an intermediate color having a wavelength of 480 to 520 nm is to correct red according to human visibility. As shown in FIG. 3 as α, β, and γ, human visual sensitivity is negative in green (G), red (R), and blue (B). For this reason, even if color reproduction is performed by detecting only positive sensitivities of R, G, and B with a solid-state imaging device, an image seen by humans cannot be reproduced. Therefore, β having the greatest negative sensitivity, that is, negative red sensitivity is detected by the photoelectric conversion film 31, and the sensitivity to human red is obtained by subtracting this negative sensitivity from the red sensitivity detected by the photoelectric conversion film 13. Can be reproduced.

図4は、図1に示すMOS回路3,5,7の回路図である。このMOS回路は、R,G,B毎に3つのFET素子で構成され、その回路構成は、従来のCMOS型イメージセンサで用いる回路と同じである。図2の固体撮像素子では、1画素分に対して中間色(GB)用の3つのFET素子が追加されるだけである。   FIG. 4 is a circuit diagram of the MOS circuits 3, 5, and 7 shown in FIG. This MOS circuit is composed of three FET elements for each of R, G, and B, and the circuit configuration is the same as the circuit used in a conventional CMOS image sensor. In the solid-state imaging device of FIG. 2, only three FET elements for intermediate colors (GB) are added for one pixel.

従来のCMOS型イメージセンサでは、半導体表面に「受光部」を設ける必要があったため、これらのMOS回路を半導体表面に製造する場合、受光部を広くする関係で狭い場所に製造しなければならなかった。しかし、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、「受光部」を半導体表面に設ける必要がないため、MOS回路の製造は容易となる。また、配線スペースに余裕ができるため、図4ではR,G,Bのうちの1つをセレクト信号で選択しながら順次読み出す構成であるが、R,G,Bを一緒に読める配線接続にすることも容易となる。これは、読み出し回路を、MOS回路ではなく、CCD型イメージセンサの様に電荷転送路を設けるタイプでも同様である。   In the conventional CMOS type image sensor, it is necessary to provide a “light-receiving part” on the semiconductor surface. Therefore, when manufacturing these MOS circuits on the semiconductor surface, the light-receiving part must be manufactured in a narrow place because of the widening of the light-receiving part. It was. However, in the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present embodiment, it is not necessary to provide a “light receiving portion” on the semiconductor surface, so that the MOS circuit can be easily manufactured. In addition, since there is room in the wiring space, in FIG. 4, one of R, G, and B is sequentially read while being selected by a select signal, but the wiring connection is such that R, G, and B can be read together. It becomes easy. This is the same even if the readout circuit is not a MOS circuit but a type in which a charge transfer path is provided like a CCD image sensor.

図1,図2に示す構造は、1画素分であるが、これらの画素が半導体基板の表面側に縦横にアレイ状に設けられる。最も、一画素一画素に応じて光電変換膜を区分して積層する必要はなく、半導体基板の表面全面に光電変換膜を一枚構成で積層することができる。そして、一画素一画素は、各光電変換膜を挟む一対の透明電極のうちの一方を一画素一画素に分離して形成することで、画素を分離できる。   The structure shown in FIGS. 1 and 2 is for one pixel, but these pixels are provided in an array in the vertical and horizontal directions on the surface side of the semiconductor substrate. However, it is not necessary to divide and stack the photoelectric conversion films according to each pixel, and the photoelectric conversion films can be stacked in a single structure on the entire surface of the semiconductor substrate. One pixel and one pixel can be separated by forming one of the pair of transparent electrodes sandwiching each photoelectric conversion film into one pixel and one pixel.

上述した図1または図2の光電変換膜積層型固体撮像素子に、被写体からの光が入射すると、入射光のうちの青色の光が光電変換膜23で吸収され、緑色の光が光電変換膜18で吸収され、赤色の光が光電変換膜13で吸収される。また、図2の場合では青色と緑色の中間色(GB)であるエメラルド色の光が光電変換膜31で吸収される。   When light from a subject is incident on the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of FIG. 1 or 2 described above, blue light of the incident light is absorbed by the photoelectric conversion film 23 and green light is converted into a photoelectric conversion film. The red light is absorbed by the photoelectric conversion film 13. In the case of FIG. 2, emerald light that is an intermediate color (GB) of blue and green is absorbed by the photoelectric conversion film 31.

光電変換膜23を構成する量子ドット(超微粒子)では、入射光を吸収して電子―正孔対が生成される。この電子―正孔対は、時間をおくと再結合して青色の光を放射するが、透明電極24,21間に電圧を印加すると、これら電子―正孔対のうち電子が再結合前に透明電極21から電極22を通って高濃度不純物領域6に流れる。   The quantum dots (ultrafine particles) constituting the photoelectric conversion film 23 absorb incident light and generate electron-hole pairs. This electron-hole pair recombines with time and emits blue light. However, when a voltage is applied between the transparent electrodes 24 and 21, before the electrons are recombined, It flows from the transparent electrode 21 through the electrode 22 to the high concentration impurity region 6.


同様にして、光電変換膜18で生成された緑色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域4に流れ、光電変換膜13で生成された赤色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域2に流れ、エメラルド色の入射光量に応じた電子が高濃度不純物領域36(図2)に流れる。そして、MOS回路3,5,7,37によって、各色に対応する電荷量の電子が外部に読み出される。

Similarly, electrons corresponding to the green incident light amount generated in the photoelectric conversion film 18 flow into the high concentration impurity region 4, and electrons corresponding to the red incident light amount generated in the photoelectric conversion film 13 are in the high concentration impurity region. 2, electrons corresponding to the amount of incident light of the emerald color flow to the high concentration impurity region 36 (FIG. 2). Then, the MOS circuits 3, 5, 7, and 37 read out the electrons having the charge amount corresponding to each color to the outside.

図5は、光電変換膜23,18,13,31の断面模式図である。透明電極膜24,21間に設けられる光電変換膜23(18,13,31も同様であり、異なるのは、量子ドットの粒径だけである。)は、図示の例では、光電変換層41と、正孔輸送層42とを備える。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion films 23, 18, 13, and 31. The photoelectric conversion film 23 provided between the transparent electrode films 24 and 21 (18, 13, and 31 is the same, and only the particle size of the quantum dots is different) is the photoelectric conversion layer 41 in the illustrated example. And a hole transport layer 42.

光電変換層41は、超微粒子でなるInN量子ドット43と、InNよりも大きなバンドギャップを持つ物質、この例ではGaNの量子ドット44とを構成要素とし、両者43,44を均等に分散させて構成してある。   The photoelectric conversion layer 41 includes InN quantum dots 43 made of ultrafine particles and a material having a larger band gap than InN, in this example, GaN quantum dots 44, and both 43 and 44 are uniformly dispersed. It is configured.

図5の例では、正孔輸送層42を設けているが、光電変換膜23として、光電変換層41だけで構成することでもよい。しかし、正孔輸送層42を設ける方が、正孔の輸送効率が向上するため好ましい。   In the example of FIG. 5, the hole transport layer 42 is provided, but the photoelectric conversion film 23 may be configured only by the photoelectric conversion layer 41. However, it is preferable to provide the hole transport layer 42 because the hole transport efficiency is improved.

図6は、光電変換膜23(他の光電変換膜も同様)の別実施形態の断面模式図である。この図6の例は、図5の実施形態と同様に、InN量子ドット43とGaN量子ドット44とを使用する点は同じであるが、正孔輸送層42のGaN量子ドット44pとしてp型不純物をドーピングしたものを使用し、光電変換層41のGaN量子ドット44nとしてn型不純物をドーピングしたものを使用している点が異なる。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of the photoelectric conversion film 23 (the same applies to other photoelectric conversion films). The example of FIG. 6 is the same in that InN quantum dots 43 and GaN quantum dots 44 are used, as in the embodiment of FIG. 5, but p-type impurities are used as the GaN quantum dots 44 p of the hole transport layer 42. The difference is that a material doped with n-type impurities is used as the GaN quantum dot 44n of the photoelectric conversion layer 41.

この構成により、GaN量子ドット44pによる正孔輸送効率が向上すると共にGaN量子ドット44nによる電子輸送効率も向上する。尚、光電変換層41内のGaN量子ドット44に必ずしもn型不純物をドーピングしておく必要はなく、不純物をドーピングしてないGaN量子ドットを使用することもできる。   With this configuration, the hole transport efficiency by the GaN quantum dots 44p is improved and the electron transport efficiency by the GaN quantum dots 44n is also improved. Note that the GaN quantum dots 44 in the photoelectric conversion layer 41 are not necessarily doped with n-type impurities, and GaN quantum dots that are not doped with impurities may be used.

図7は、光電変換膜23(他の光電変換膜も同様)の更に別の実施形態の断面模式図である。この図7の例は、図5の実施形態と同様に、InN量子ドット43とGaN量子ドット44とを使用する点は同じであるが、正孔輸送層42のGaN量子ドット44pとしてp型不純物をドーピングしたものを使用し、更に、光電変換層41の正孔輸送層42側のGaN量子ドット44pもp型不純物をドーピングしたものを使用し、光電変換層41の反正孔輸送層側のGaN量子ドット44nとしてn型不純物をドーピングしたものを使用している点が異なる。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of still another embodiment of the photoelectric conversion film 23 (the same applies to other photoelectric conversion films). The example of FIG. 7 is similar to the embodiment of FIG. 5 in that InN quantum dots 43 and GaN quantum dots 44 are used, but p-type impurities are used as the GaN quantum dots 44p of the hole transport layer 42. Further, the GaN quantum dots 44p on the hole transport layer 42 side of the photoelectric conversion layer 41 are also doped with p-type impurities, and the GaN on the anti-hole transport layer side of the photoelectric conversion layer 41 is used. The difference is that a quantum dot 44n is doped with an n-type impurity.

この構成によっても、GaN量子ドット44pによる正孔輸送効率が向上すると共にGaN量子ドット44nによる電子輸送効率も向上する。尚、光電変換層41内の反正孔輸送層側すなわち透明電極21側のGaN量子ドット44に必ずしもn型不純物をドーピングしておく必要はなく、不純物をドーピングしてないGaN量子ドットを使用することでもよい。   This configuration also improves the hole transport efficiency due to the GaN quantum dots 44p and the electron transport efficiency due to the GaN quantum dots 44n. The GaN quantum dots 44 on the anti-hole transport layer side, that is, the transparent electrode 21 side in the photoelectric conversion layer 41 do not necessarily need to be doped with n-type impurities, and GaN quantum dots that are not doped with impurities should be used. But you can.

図8は、図5乃至図7に示す光電変換膜を製造する製造装置の説明図である。この製造装置は、3つの真空チャンバ51,52,53を備え、真空チャンバ51内に、光電変換膜を積層する半導体基板50が置かれる。真空チャンバ51は図示しない真空ポンプに排気路51aを介して接続される。   FIG. 8 is an explanatory diagram of a manufacturing apparatus for manufacturing the photoelectric conversion film shown in FIGS. This manufacturing apparatus includes three vacuum chambers 51, 52, and 53, and a semiconductor substrate 50 on which a photoelectric conversion film is stacked is placed in the vacuum chamber 51. The vacuum chamber 51 is connected to a vacuum pump (not shown) through an exhaust path 51a.

真空チャンバ52,53は同一構造でなり、各真空チャンバ52,53共に、N2ガスの導入路52a,53aと、導入路52a,53aの途中に設けられた流量調整装置52b,53bと、N2ガスを排気する排気路52c,53cと、チャンバ52,53内に置かれたターゲットホルダ52d,53dと、ターゲットホルダ52d,53dに保持されたターゲットにパルスレーザ光を照射するレーザ光源52e,53eとを備える。   The vacuum chambers 52 and 53 have the same structure, and both the vacuum chambers 52 and 53 have N2 gas introduction paths 52a and 53a, flow rate adjusting devices 52b and 53b provided in the middle of the introduction paths 52a and 53a, and N2 gas. Exhaust paths 52c and 53c for exhausting the gas, target holders 52d and 53d placed in the chambers 52 and 53, and laser light sources 52e and 53e for irradiating the targets held by the target holders 52d and 53d with pulsed laser light. Prepare.

真空チャンバ51と真空チャンバ52,53とは夫々連通路52f,53fによって連通されるが、各連通路52f,53fの途中にはオリフィスが設けられ、チャンバ52,53内にN2ガスが導入されても、チャンバ51内の真空度が所定真空度に維持される様になっている。   The vacuum chamber 51 and the vacuum chambers 52 and 53 are communicated with each other by communication passages 52f and 53f. An orifice is provided in the middle of each communication passage 52f and 53f, and N2 gas is introduced into the chambers 52 and 53. Also, the degree of vacuum in the chamber 51 is maintained at a predetermined degree of vacuum.

また、連通路52f,53fには、図示しない質量分離装置が設けられており、チャンバ52,53内のターゲットからパルスレーザ光照射によって出射された超微粒子は、先ずイオン化され、次に加速され、最後に偏向電極によって曲げられたとき、所定範囲内の粒径の超微粒子のみがチャンバ51内の半導体基板50方向に入射する様になっている。   In addition, a mass separation device (not shown) is provided in the communication passages 52f and 53f, and the ultrafine particles emitted from the targets in the chambers 52 and 53 by the pulse laser beam irradiation are first ionized and then accelerated. Finally, when bent by the deflection electrode, only ultrafine particles having a particle diameter within a predetermined range are incident on the semiconductor substrate 50 in the chamber 51.

斯かる製造装置において、真空チャンバ51,52,53内の真空度が1.0×10−9Torrまで排気された後、N2ガスをチャンバ52,53内に導入し、その圧力を、0.01〜1.0Torrの範囲内の所定圧力値に維持する。この状態で、真空チャンバ52内のターゲットホルダ52dに置かれたInNターゲット55の表面に対してレーザ光源52eからパルスレーザを照射する。これにより、InNターゲット55の表面ではレーザアブレーション現象が発生し、InNのイオンあるいはクラスタ状の中性原子がターゲット55から脱離する。この離脱したクラスタ等は、Nガスと衝突して減速し、他のクラスタ等と衝突し、次第に粒径が大きくなる。この結果、数nm〜数10nmの超微粒子が生成される。 In such a manufacturing apparatus, after the degree of vacuum in the vacuum chambers 51, 52, 53 is evacuated to 1.0 × 10 −9 Torr, N 2 gas is introduced into the chambers 52, 53, and the pressure is set to 0. A predetermined pressure value within the range of 01 to 1.0 Torr is maintained. In this state, the laser light source 52e irradiates the surface of the InN target 55 placed on the target holder 52d in the vacuum chamber 52 with a pulse laser. As a result, a laser ablation phenomenon occurs on the surface of the InN target 55, and InN ions or cluster-like neutral atoms are desorbed from the target 55. The detached clusters collide with the N 2 gas and decelerate, collide with other clusters and the like, and the particle diameter gradually increases. As a result, ultrafine particles of several nm to several tens of nm are generated.

真空チャンバ53内には、GaNターゲット56が置かれ、上記と同様にして、数nm〜数10nmのGaNの超微粒子が生成される。InN,GaN共に、レーザアブレーションの過程でInとN、GaとNに分離する可能性があるが、両方とも窒素ガス雰囲気中でレーザアブレーションが起きるため、InN,GaN共に化学量論的組成は保たれる。   A GaN target 56 is placed in the vacuum chamber 53, and ultrafine particles of GaN of several nm to several tens of nm are generated in the same manner as described above. Both InN and GaN may be separated into In and N, and Ga and N in the process of laser ablation. However, both of InN and GaN maintain the stoichiometric composition because laser ablation occurs in a nitrogen gas atmosphere. Be drunk.

一方、真空チャンバ51内には半導体基板50が置かれ、真空チャンバ51と真空チャンバ52,53との差圧により、InN超微粒子あるいはGaN超微粒子は、連通路52f,53fを通して真空チャンバ51内に噴射され、半導体基板50上に堆積される。   On the other hand, the semiconductor substrate 50 is placed in the vacuum chamber 51. Due to the differential pressure between the vacuum chamber 51 and the vacuum chambers 52 and 53, the InN ultrafine particles or the GaN ultrafine particles enter the vacuum chamber 51 through the communication passages 52f and 53f. Sprayed and deposited on the semiconductor substrate 50.

このため、図5の透明電極21を、真空チャンバ51内において半導体基板50の表面に形成した後、真空チャンバ52,53から同時に同一粒径のInN超微粒子とGaN超微粒子を半導体基板50に噴射させることで、InN超微粒子とGaN超微粒子とが均質に分散した図5の光電変換層41が生成され、その後、GaN超微粒子のみを半導体基板50に噴射させることで、正孔輸送層42が生成される。この後、真空チャンバ51内において透明電極膜24を半導体基板50表面に形成することで、2枚の透明電極膜21,24で挟まれた光電変換膜23が製造される。   For this reason, after forming the transparent electrode 21 of FIG. 5 on the surface of the semiconductor substrate 50 in the vacuum chamber 51, InN ultrafine particles and GaN ultrafine particles having the same particle size are simultaneously sprayed onto the semiconductor substrate 50 from the vacuum chambers 52 and 53. Thus, the photoelectric conversion layer 41 in FIG. 5 in which the InN ultrafine particles and the GaN ultrafine particles are uniformly dispersed is generated, and then only the GaN ultrafine particles are sprayed onto the semiconductor substrate 50, whereby the hole transport layer 42 is formed. Generated. Thereafter, by forming the transparent electrode film 24 on the surface of the semiconductor substrate 50 in the vacuum chamber 51, the photoelectric conversion film 23 sandwiched between the two transparent electrode films 21 and 24 is manufactured.

図1,図2に示す各光電変換膜23,18,13,31は上記と同様の工程で製造されるが、各光電変換膜の製造において、InN超微粒子とGaN超微粒子の粒径制御を行う必要がある。それは、連通路52f,53fに設けた質量分離装置で行う。   The photoelectric conversion films 23, 18, 13, and 31 shown in FIGS. 1 and 2 are manufactured in the same process as described above. In the manufacture of each photoelectric conversion film, the particle size control of InN ultrafine particles and GaN ultrafine particles is performed. There is a need to do. This is performed by a mass separator provided in the communication passages 52f and 53f.

この質量分離装置の原理は、質量分析装置と同じであり、先ず、発生した超微粒子をイオン化して帯電させ、次に加速電界を印加して加速する。加速された粒子を、偏向電極間の電界中に通すことで、加速粒子は、質量すなわち粒径に応じた半径の円弧軌道をとる。これにより、所望範囲の粒径の超微粒子のみが連通路52f,53fを通過して真空チャンバ51内に入ることができ、他の粒径の粒子は壁面等に当たって壁面に付着する。即ち、加速電界や偏向電界を調整することで、真空チャンバ51内に入る超微粒子の粒径を制御でき、光電変換膜を生成する量子ドットの粒径制御が可能となる。   The principle of this mass separator is the same as that of the mass spectrometer. First, the generated ultrafine particles are ionized and charged, and then accelerated by applying an acceleration electric field. By passing the accelerated particles through the electric field between the deflection electrodes, the accelerated particles take an arc orbit having a radius corresponding to the mass, that is, the particle diameter. As a result, only ultrafine particles having a particle size in a desired range can enter the vacuum chamber 51 through the communication passages 52f and 53f, and particles having other particle sizes hit the wall surface and adhere to the wall surface. That is, by adjusting the acceleration electric field and the deflection electric field, the particle diameter of the ultrafine particles entering the vacuum chamber 51 can be controlled, and the particle diameter of the quantum dots that generate the photoelectric conversion film can be controlled.

GaN超微粒子にp型不純物をドーピングするには、GaNターゲット56自体にp型不純物を含むものを使用すればよく、同様に、n型不純物をドーピングするには、n型不純物を含むGaNターゲット56を使用する。   In order to dope the GaN ultrafine particles with p-type impurities, the GaN target 56 itself may contain p-type impurities. Similarly, in order to dope n-type impurities, the GaN target 56 containing n-type impurities may be used. Is used.

図6,図7に示す光電変換膜を生成するには、真空チャンバ53内に、p型不純物を含むGaNターゲットとn型不純物を含むGaNターゲットの両方を用意しておき、必要に応じて使用ターゲットを切り替えればよい。   In order to generate the photoelectric conversion film shown in FIGS. 6 and 7, both a GaN target containing a p-type impurity and a GaN target containing an n-type impurity are prepared in the vacuum chamber 53 and used as necessary. What is necessary is just to switch a target.

尚、上述の様にして形成する光電変換膜23の膜厚は、例えば青色の光を光電変換する光電変換膜であれば、青色の光を十分に吸収して次層の光電変換膜に青色光が入射しない様にするのがよい。仮に青色光が次層の緑色光の光電変換膜に入射して光励起が起きると、色分離が悪くなるためである。   In addition, if the film thickness of the photoelectric conversion film 23 formed as described above is, for example, a photoelectric conversion film that photoelectrically converts blue light, the blue light is sufficiently absorbed into the next photoelectric conversion film. It is better to prevent light from entering. This is because if blue light is incident on the photoelectric conversion film for green light in the next layer and photoexcitation occurs, color separation becomes worse.

図1,図2の各光電変換膜から対応する各高濃度不純物領域2等に信号電荷を移動させる方法としては、通常のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサの受光素子から信号を取り出す手法に準じた手法を採用してもよい。例えば、一定量のバイアス電荷を高濃度不純物領域2等(蓄積ダイオード)に注入して(リフレッシュモード)おき、光入射によって一定の電荷を蓄積(光電変換モード)した後、信号電荷を読み出すという方法である。光電変換膜そのものを蓄積ダイオードとして用いることもでき、別途、蓄積ダイオードを付設することも可能である。   As a method of moving signal charges from the photoelectric conversion films of FIGS. 1 and 2 to the corresponding high-concentration impurity regions 2 and the like, a method of extracting signals from a light receiving element of a normal CCD image sensor or CMOS image sensor is used. A similar method may be adopted. For example, a method of injecting a certain amount of bias charge into the high-concentration impurity region 2 or the like (storage diode) (refresh mode), accumulating the constant charge by light incidence (photoelectric conversion mode), and then reading the signal charge It is. The photoelectric conversion film itself can be used as a storage diode, or a storage diode can be additionally provided.

高濃度不純物領域2等に移動された信号電荷の読み出しには、通常のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサの読み出し手法をそのまま適用することができる。   For reading the signal charge moved to the high concentration impurity region 2 or the like, a normal CCD image sensor or CMOS image sensor read method can be applied as it is.

従来から、CCD等の固体撮像素子においては、光電変換機能を有した受光素子と、変換された信号の蓄積機能、蓄積された信号の読み出し機能や、画素位置の選択機能などを有する。受光部で光電変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのもの若しくは付設されたキャパシタに蓄えられる。蓄えられた電荷は、いわゆる電荷結合素子(CCD)や、X−Yアドレス方式を用いたMOS型撮像素子(いわゆるCMOSセンサ)の手法により、画素位置の選択と共に読み出される。   Conventionally, a solid-state imaging device such as a CCD has a light receiving element having a photoelectric conversion function, a function of storing a converted signal, a function of reading out a stored signal, a function of selecting a pixel position, and the like. The signal charge or signal current photoelectrically converted by the light receiving unit is stored in the light receiving unit itself or an attached capacitor. The stored charges are read out together with the selection of the pixel position by a so-called charge coupled device (CCD) or a MOS type image pickup device (so-called CMOS sensor) using an XY address system.

CCD型イメージセンサでは、画素の電荷信号を、転送スイッチによりアナログシフトレジスタに転送する電荷転送部を有しており、レジスタの動作で信号を出力端に順次読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス(lineaddress)型、フレーム転送(frame transfer)型やインターライン転送(interline transfer)型、フレームインターライン転送(frame interlinetransfer)型方式などが挙げられる。また、CCDには2相構造、3相構造、4相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが、本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子における垂直転送路の構造はこれらのうちの任意の構造を採用できる。   The CCD image sensor includes a charge transfer unit that transfers a charge signal of a pixel to an analog shift register by a transfer switch, and sequentially reads the signal to the output terminal by the operation of the register. Examples include a line address type, a frame transfer type, an interline transfer type, and a frame interline transfer type method. The CCD has a two-phase structure, a three-phase structure, a four-phase structure, and a buried channel structure. The structure of the vertical transfer path in the photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device of the present invention is one of these. Any structure can be adopted.

他には、アドレス選択方式として、1画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧(または電荷)として読み出す方式が挙げられる。2次元にアレイ化されたX−Yアドレス走査の撮像素子がCMOSセンサとして知られる。これは、X−Yの交点に接続された画素に設けられたスイッチが垂直シフトレジスタに接続され、垂直走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に設けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。   In addition, as an address selection method, there is a method in which each pixel is sequentially selected by a multiplexer switch and a digital shift register and read as a signal voltage (or charge) to a common output line. An image sensor for XY address scanning that is two-dimensionally arrayed is known as a CMOS sensor. This is because the switch provided in the pixel connected to the intersection of XY is connected to the vertical shift register, and is read from the pixel provided in the same row when the switch is turned on by the voltage from the vertical scanning shift register. The signal is read out to the output line in the column direction. This signal is sequentially read from the output through a switch driven by a horizontal scanning shift register.

出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling)の手法などにより、S/Nの向上を図ることができる。   For reading out the output signal, a floating diffusion detector or a floating gate detector can be used. Further, S / N can be improved by providing a signal amplifying circuit in the pixel portion, a correlated double sampling method, or the like.

信号処理には、ADC回路によるガンマ補正、AD変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。NTSC信号に用いる際は、RGB信号をYIQ信号の変換処理を施すことができる。これらは、従来のCCD型イメージセンサやCMOS型イメージセンサと同じである。   For signal processing, gamma correction by an ADC circuit, digitization by an AD converter, luminance signal processing, and color signal signal processing can be performed. Examples of the color signal processing include white balance processing, color separation processing, and color matrix processing. When used for NTSC signals, RGB signals can be converted to YIQ signals. These are the same as conventional CCD image sensors and CMOS image sensors.

上述した実施形態では、マイクロレンズや赤外線カットフィルタ,紫外線カットフィルタについては述べなかったが、図1,図2の構成で、赤外線カットフィルタを最下層や最上層に設けることも可能であり、また、マイクロレンズを使用して集光率を上げることも可能である。また、紫外線カットフィルタを、最上層に設けたり、或いは、レンズと光電変換膜との間の適宜箇所に入れてもよい。   In the above-described embodiment, the microlens, the infrared cut filter, and the ultraviolet cut filter have not been described. However, the infrared cut filter can be provided in the lowermost layer or the uppermost layer in the configuration of FIGS. It is also possible to increase the light collection rate using a microlens. In addition, an ultraviolet cut filter may be provided in the uppermost layer, or may be placed at an appropriate position between the lens and the photoelectric conversion film.

更に、本実施形態の光電変換膜積層型固体撮像素子では、光電変換膜を3層構造,4層構造とすることで、様々な利点を有することができる。例えば、撮像画像にモアレが発生しない、一つの画素でR,G,Bを一緒に検出できるため光学ローパスフィルタが不要となり高解像度が得られる、輝度,色とも解像度が良く色にじみがない、信号処理が単純でしかも擬信号が発生しないため髪の毛等の再現性が良くなる、画素混合が容易でまた部分読みも容易となる、マイクロレンズを使用しなくても開口率100%である、撮像レンズに対する射出瞳距離に制約ないためシェーディングが無く、このため、レンズ交換カメラに適し、更に、レンズの薄型化に貢献する等、従来のCCD型やCMOS型のイメージセンサが持っていた問題を解決することができる。   Furthermore, the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present embodiment can have various advantages by making the photoelectric conversion film have a three-layer structure or a four-layer structure. For example, there is no moiré in the captured image, R, G, and B can be detected together with one pixel, so an optical low-pass filter is not required and high resolution is obtained. An imaging lens that has simple processing and does not generate pseudo signals, improves the reproducibility of hair, etc., facilitates pixel mixing and facilitates partial reading, and has an aperture ratio of 100% without using a microlens. There is no shading because there is no restriction on the exit pupil distance with respect to the lens, which makes it suitable for interchangeable lens cameras and contributes to the thinning of the lens, and solves the problems of conventional CCD type and CMOS type image sensors. be able to.

本発明に係る光電変換膜積層型固体撮像素子は、従来のCCD型やCMOS型のイメージセンサの代わりに使用でき、しかも、一画素を従来より大きくできるため感度が高くなるという利点があるため、デジタルカメラ等に搭載すると有用である。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to the present invention can be used in place of a conventional CCD type or CMOS type image sensor, and has the advantage that the sensitivity can be increased because one pixel can be made larger than the conventional one. It is useful when mounted on a digital camera or the like.

本発明の一実施形態に係る3層構造の光電変換膜積層型固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for 1 pixel of the photoelectric conversion film laminated | stacked solid-state image sensor of the 3 layer structure which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る4層構造の光電変換膜積層型固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for 1 pixel of the photoelectric conversion film laminated | stacked solid-state image sensor of the 4 layer structure which concerns on one Embodiment of this invention. 人間の視感度を示すグラフである。It is a graph which shows human visibility. MOS回路で構成された信号読出回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a signal readout circuit configured by a MOS circuit. 本発明の一実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photoelectric conversion film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の別実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photoelectric conversion film which concerns on another embodiment of this invention. 本発明の更に別の実施形態に係る光電変換膜の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the photoelectric conversion film which concerns on another embodiment of this invention. 本発明の実施形態における光電変換膜の製造装置の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing apparatus of the photoelectric converting film in embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 Pウェル層
2,4,6,36 高濃度不純物領域
3,5,7,37 MOS回路
8 ゲート絶縁膜
9,10 絶縁膜
11,14,16,19,21,24,32,33 透明電極膜
12,17,22,35 電極
13,18,23,31 光電変換膜
25 透明絶縁膜
26 遮光膜
41 光電変換層
42 正孔輸送層
43 InN量子ドット(超微粒子)
44 GaN量子ドット(超微粒子)
44p p型不純物がドーピングされたGaN量子ドット
44n n型不純物がドーピングされたGaN量子ドット
50 半導体基板
51,52,53 真空チャンバ
52e,53e パルスレーザ光源
55 InNターゲット
56 GaNターゲット
1 P well layer 2, 4, 6, 36 High concentration impurity region 3, 5, 7, 37 MOS circuit 8 Gate insulating film 9, 10 Insulating film 11, 14, 16, 19, 21, 24, 32, 33 Transparent electrode Films 12, 17, 22, 35 Electrodes 13, 18, 23, 31 Photoelectric conversion film 25 Transparent insulating film 26 Light shielding film 41 Photoelectric conversion layer 42 Hole transport layer 43 InN quantum dots (ultrafine particles)
44 GaN quantum dots (ultrafine particles)
44pp GaN quantum dots doped with p-type impurities 44n GaN quantum dots doped with n-type impurities 50 Semiconductor substrates 51, 52, 53 Vacuum chamber 52e, 53e Pulse laser light source 55 InN target 56 GaN target

Claims (12)

信号読出回路が形成された半導体基板の上に光電変換膜が積層され該光電変換膜によって光電変換された入射光量に応じた信号が前記信号読出回路によって外部に読み出される光電変換膜積層型固体撮像素子において、光電変換に寄与する第1量子ドットと該第1量子ドットより大きなバンドギャップを有する第2量子ドットとが実質的に均質に分散した光電変換層を前記光電変換膜が有することを特徴とする光電変換膜積層型固体撮像素子。   A photoelectric conversion film is stacked on a semiconductor substrate on which a signal readout circuit is formed, and a signal corresponding to the amount of incident light photoelectrically converted by the photoelectric conversion film is read out to the outside by the signal readout circuit. In the device, the photoelectric conversion film has a photoelectric conversion layer in which first quantum dots contributing to photoelectric conversion and second quantum dots having a larger band gap than the first quantum dots are substantially uniformly dispersed. A photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device. 前記光電変換層に前記第2量子ドットからなる正孔輸送層が積層されて前記光電変換膜が構成されることを特徴とする請求項1に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   2. The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion film is configured by stacking a hole transport layer including the second quantum dots on the photoelectric conversion layer. 前記正孔輸送層の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項2に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second quantum dots of the hole transport layer are doped with a p-type impurity. 前記光電変換層の前記第2量子ドットにn型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   4. The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 2, wherein the second quantum dot of the photoelectric conversion layer is doped with an n-type impurity. 5. 前記正孔輸送層の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされ、前記光電変換層の前記正孔輸送層側の前記第2量子ドットにp型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項2に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The p-type impurity is doped in the second quantum dot of the hole transport layer, and the p-type impurity is doped in the second quantum dot on the hole transport layer side of the photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to claim 2. 前記光電変換層の正孔輸送層と反対側の前記第2量子ドットにn型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項5に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   6. The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 5, wherein an n-type impurity is doped in the second quantum dot on the opposite side of the photoelectric conversion layer to the hole transport layer. 前記第1量子ドットがInNであり、前記第2量子ドットがGaNであることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 1, wherein the first quantum dot is InN, and the second quantum dot is GaN. 2枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して3層に積層されることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The photoelectric conversion film stack according to claim 1, wherein the photoelectric conversion film sandwiched between two transparent electrode films is stacked in three layers via a transparent insulating film. Type solid-state imaging device. 前記3層の光電変換膜のうち、第1番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長400〜500nm、第2番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長500〜560nm、第3番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長560〜640nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記第1量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする請求項8に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   Among the photoelectric conversion films of the three layers, the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the first layer is a wavelength of 400 to 500 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the second layer is a wavelength. The average particle diameter of the first quantum dots provided in each photoelectric conversion film is determined so that the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is 500 to 560 nm and the wavelength is 560 to 640 nm. The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to claim 8, wherein 2枚の透明な電極膜に挟まれた前記光電変換膜が透明絶縁膜を介して4層に積層されることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The photoelectric conversion film stack according to any one of claims 1 to 7, wherein the photoelectric conversion film sandwiched between two transparent electrode films is stacked in four layers through a transparent insulating film. Type solid-state imaging device. 前記4層の光電変換膜のうち、第1番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長420〜480nm、第2番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長480〜520nm、第3番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長520〜560nm、第4番目の層の前記光電変換膜の光吸収の極大値が波長560〜620nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記第1量子ドットの平均粒径が決められることを特徴とする請求項10に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   Among the four layers of photoelectric conversion films, the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the first layer is a wavelength of 420 to 480 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the second layer is a wavelength. The maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is 480 to 520 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the fourth layer is the wavelength of 560 to 620 nm. The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 10, wherein an average particle diameter of the first quantum dots provided in each photoelectric conversion film is determined. 前記第2番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量を、前記第4番目の層の前記光電変換膜によって検出された信号量から差し引くことで赤色の信号量を求めることを特徴とする請求項11に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   The red signal amount is obtained by subtracting the signal amount detected by the photoelectric conversion film of the second layer from the signal amount detected by the photoelectric conversion film of the fourth layer, The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to claim 11.
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