JP2005303273A - Photoelectric conversion film stacked solid-state image sensor - Google Patents

Photoelectric conversion film stacked solid-state image sensor Download PDF

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Daisuke Yokoyama
大輔 横山
Toshiaki Fukunaga
敏明 福永
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion film stacked solid-state image sensor, from which photoelectric charges can be extracted efficiently. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion film stacked solid-state image sensor has a photoelectric conversion film 23 formed on a semiconductor substrate having a signal readout circuit. An incident light is photoelectrically converted to a signal according to the incident light quantity by the photoelectric conversion film 23, and is read out by the signal readout circuit. The photoelectric conversion film 23 is composed of deposition layers. The deposition layers comprises a first deposition layer 51, in which p-conductive quantum dots 55 and i-conductive quantum dots 56 are mixed, and a second deposition layer 52, in which n-conductive quantum dots 57 and i-conductive quantum dots 56 are mixed. A third deposition layer 53 consisting of i-conductive quantum dots 56 is preferably provided between the first deposition layer 51 and the second deposition layer 52. <P>COPYRIGHT: (C)2006,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且つ如何なる構造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 and in what structure the photoelectric conversion film is formed.

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、前記光電変換膜が量子ドットの堆積層で構成され、該堆積層が、p型導電性の量子ドットとi型導電性の量子ドットとを混合した第1堆積層と、n型導電性の量子ドットと前記i型導電性の量子ドットとを混合した第2堆積層とを備え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 a photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device that is read out to the outside by a circuit, the photoelectric conversion film is composed of a quantum dot deposition layer, and the deposition layer includes a p-type conductivity quantum dot and an i-type conductivity quantum dot. And a second deposition layer in which an n-type conductive quantum dot and the i-type conductive quantum dot are mixed.

この構成により、光電変換膜が巨視的なp―n接合となり、電位勾配が光電変換膜内に形成されるため、光入射によって発生した光電荷の取り出しが容易となる。   With this configuration, the photoelectric conversion film becomes a macroscopic pn junction and a potential gradient is formed in the photoelectric conversion film, so that it is easy to take out the photocharge generated by light incidence.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記第1堆積層と前記第2堆積層との間に前記p型導電性の量子ドット及び前記n型導電性の量子ドットを含まない前記i型導電性の量子ドットによる第3堆積層が設けられることを特徴とする。   The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to the present invention does not include the p-type conductive quantum dots and the n-type conductive quantum dots between the first deposited layer and the second deposited layer. A third deposited layer is formed by a type conductive quantum dot.

この構成により、光電変換膜が巨視的にp―i―n接合となり、i層内に形成された電位勾配により光入射によって発生した光電荷の取り出しが更に容易となる。   With this configuration, the photoelectric conversion film becomes a pin junction macroscopically, and it becomes easier to take out the photocharge generated by light incidence by the potential gradient formed in the i layer.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子は、前記の各量子ドットが半導体超微粒子をコアとし該半導体超微粒子に比べて光学バンドギャップエネルギが大きい材料によって前記コアが被覆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, each of the quantum dots has a semiconductor ultrafine particle as a core, and the core is covered with a material having a larger optical band gap energy than the semiconductor ultrafine particle. And

この構成により、半導体超微粒子に光が入射することで発生した電子―正孔対の超微粒子表面における再結合が抑制され、光電荷の取り出しが更に容易となる。   With this configuration, recombination on the surface of the ultrafine particles of electron-hole pairs generated when light is incident on the semiconductor ultrafine particles is suppressed, and the photocharge can be more easily taken out.

本発明の光電変換膜積層型固体撮像素子の前記半導体超微粒子がCdSeであり、該CdSeを被覆する前記材料がZnSであることを特徴とする。   The semiconductor ultrafine particle of the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention is CdSe, and the material covering the CdSe is ZnS.

この構成により、光電変換膜の製造が容易になる。   This configuration facilitates the manufacture of 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半導体超微粒子がZnTeであり、該ZnTeを被覆する前記材料がZnS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 semiconductor ultrafine particles are ZnTe, and the material covering the ZnTe is ZnS.

この構成により、光電変換膜の製造が容易になる。   This configuration facilitates the manufacture of 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半導体超微粒子がInNであり、該InNを被覆する前記材料がGaNであることを特徴とする。   In the photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device of the present invention, the semiconductor ultrafine particles are InN, and the material covering the InN is GaN.

この構成によっても光電変換膜の製造が容易となる。   This configuration also facilitates the production of the photoelectric conversion film.

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420〜500nm、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500〜580nm、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580〜660nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記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, 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 420 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 580 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is a wavelength of 580 to 660 nm. The average particle size of the 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520〜580nm、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580〜660nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記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 a wavelength of 480 to 520 nm, the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the third layer is a wavelength of 520 to 580 nm, and the maximum value of the photoelectric conversion film of the fourth layer is The average particle diameter of the quantum dots provided in each photoelectric conversion film is determined so that the maximum value of light absorption is a wavelength of 580 to 660 nm.

この構成により、人間の視感度に応じたカラー画像の再生が可能となる。   With this configuration, it is possible to reproduce a color image according to human visibility.

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。   The signal charges stored in the high-concentration impurity regions 2, 4 and 6 for storing color signals described above are read out by the MOS circuits 3, 5 and 7, and further, although not shown, they are formed on the semiconductor substrate. Although it is taken out by the 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, the signal charge is read out by the MOS circuit formed on the semiconductor substrate. However, the charge stored in the high-concentration impurity regions 2, 4 and 6 for storing color signals is the same as that in the conventional CCD image sensor. Further, it is also possible to adopt a configuration in which it is moved 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良い。   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 as the lowermost layer may be made opaque so that it also serves 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CdSe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CdSe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CdSe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CdSe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 CdSe quantum dots provided in the films are different. The CdSe quantum dot in the blue color photoelectric conversion film 23 has the smallest particle size, then the CdSe quantum dot in the green color detection photoelectric conversion film 18 has an intermediate particle size, and the red color detection photoelectric conversion. The particle size of the CdSe quantum dots in the film 13 is the largest, and in any case, the particle size is on the order of nanometers.

例えば、青色検出用のCdSe量子ドットの平均粒径は1.7〜2.5nmの範囲、緑色検出用のCdSe量子ドットの平均粒径は2.5〜4nmの範囲、赤色検出用のCdSe量子ドットの平均粒径は4〜8nm程度とするのが好ましい。   For example, the average particle diameter of CdSe quantum dots for blue detection is in the range of 1.7 to 2.5 nm, the average particle diameter of CdSe quantum dots for green detection is in the range of 2.5 to 4 nm, and the CdSe quantum for red detection The average particle size of the dots is preferably about 4 to 8 nm.

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420〜500nm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500〜580nmとなるように、赤色検出用の光電変換膜13では580〜660nm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 420 to 500 nm in the photoelectric conversion film 23 for blue detection, and the maximum value of light absorption is 500 to 580 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 580 to 660 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520〜580nm、光電変換膜13における光吸収の極大値が580〜660nm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 580 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 660 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33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 33 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信号処理を、特許第2872759号公報記載の信号処理と同様に行うことで、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, a signal processing in which β having the highest negative sensitivity, that is, negative red sensitivity is detected by the photoelectric conversion film 31 and this negative sensitivity is subtracted from the red sensitivity detected by the photoelectric conversion film 13 is disclosed in Japanese Patent No. 2872759. By performing the same signal processing as described, it is possible to reproduce human sensitivity to red.

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, by the MOS circuits 3, 5, 7, and 37, electrons having a charge amount corresponding to each color are read out 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、電極24側のp層領域51と、電極21側のn層領域52と、両者間に設けられたi層領域53とからなる。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion films 23, 18, 13, and 31. In the illustrated example, 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 diameter of the quantum dots is different) is on the electrode 24 side. It consists of a p-layer region 51, an n-layer region 52 on the electrode 21 side, and an i-layer region 53 provided therebetween.

p層領域51は、p型導電性のCdSe超微粒子をコアとし、これをZnSで被覆したp型量子ドット55と、i型導電性のCdSe超微粒子をコアとしこれをZnSで被覆したi型導電性の量子ドット56とを所定割合で混合した層でなる。   The p-layer region 51 has p-type quantum dots 55 coated with ZnS and coated with ZnS, and i-type coated with ZnS and coated with ZnS. It consists of a layer in which conductive quantum dots 56 are mixed at a predetermined ratio.

i層領域53は、i型導電性のCdSe超微粒子をコアとしこれをZnSで被覆したi型導電性の量子ドット56を堆積した層でなる。   The i-layer region 53 is a layer in which i-type conductive quantum dots 56 in which i-type conductive CdSe ultrafine particles are used as a core and coated with ZnS are deposited.

n層領域52は、n型導電性のCdSe超微粒子をコアとし、これをZnSで被覆したn型導電性の量子ドット57と、i型導電性のCdSe超微粒子をコアとしこれをZnSで被覆したi型導電性の量子ドット56とを所定割合で混合した層でなる。   The n-layer region 52 has n-type conductive CdSe ultrafine particles as a core, n-type conductive quantum dots 57 coated with ZnS, and i-type conductive CdSe ultrafine particles as a core, and this is coated with ZnS. The i-type conductive quantum dots 56 are mixed at a predetermined ratio.

図6は、図5に示す構成から想定される理想的なエネルギバンドの模式図である。超微粒子内部のCdSe量子ドットが外殻のZnSを隔てて極めて近い距離で隣接しているため、量子閉じ込め効果により生じたCdSe粒子内の不連続準位が、隣接するCdSe粒子内の不連続準位と相互作用し、ミニバンドを生じる。   FIG. 6 is a schematic diagram of an ideal energy band assumed from the configuration shown in FIG. Since the CdSe quantum dots inside the ultrafine particles are adjacent to each other at a very close distance across the outer shell ZnS, the discontinuous levels in the CdSe particles caused by the quantum confinement effect are the discontinuous levels in the adjacent CdSe particles. Interacts with the position to produce a miniband.

光電変換膜23のp型層51―i型層53―n型層52の接合(これを巨視的なp−i−n接合という。)の拡散電位および外部電源から印加された逆バイアス電圧により電位の勾配が生じたi層領域53において、光照射により、CdSe粒子内に生じた電子と正孔は、ミニバンドを通して電荷分離する。   The diffusion potential of the junction of the p-type layer 51-i-type layer 53-n-type layer 52 of the photoelectric conversion film 23 (this is called a macroscopic pin junction) and the reverse bias voltage applied from the external power source. In the i-layer region 53 where the potential gradient is generated, electrons and holes generated in the CdSe particles by light irradiation are separated by charge through a miniband.

ミニバンドを形成するためには、隣接するCdSe量子ドット表面間の距離(CdSe量子ドット間を隔てるZnS被覆層および有機分子層の厚みの和)は、0.3nmから5nmの範囲にあることが好ましく、0.3nmから2nmの範囲にあることが更に好ましい。粒子間距離が大きくなるほど、光照射によるキャリア発生時の電気伝導度は著しく下がるため、より大きな逆バイアス電圧が必要となり、ノイズの増加につながる。   In order to form a miniband, the distance between adjacent CdSe quantum dot surfaces (the sum of the thicknesses of the ZnS coating layer and the organic molecular layer separating the CdSe quantum dots) may be in the range of 0.3 nm to 5 nm. Preferably, it is in the range of 0.3 nm to 2 nm. As the interparticle distance increases, the electrical conductivity at the time of generation of carriers due to light irradiation decreases significantly, so that a larger reverse bias voltage is required, leading to an increase in noise.

尚、上述した実施形態では、巨視的にp―i―n接合としたが、i層領域53を省略し、巨視的にp―n接合とすることでも、電位勾配が発生するため可能である。しかし、i層領域53をp層領域51とn層領域53との間に介在させることで、電位勾配を制御でき、より好適である。   In the above-described embodiment, the pin junction is macroscopically. However, the potential gradient can be generated by omitting the i-layer region 53 and macroscopically forming the pn junction. . However, the potential gradient can be controlled by interposing the i layer region 53 between the p layer region 51 and the n layer region 53, which is more preferable.

CdSe超微粒子の製造については、例えば“ジャーナルオブアメリカンケミカルソサエティー”(B.O.DabbousiefaAJoumalofAmencanChemicalSociety,Vo1115,8706-8715(1993))等に詳しく記載されており、更に、CdSe微粒子をZnS被覆する方法は、例えば“ジャーナル オブ フィジカルケミストリー”(C.B.Murray et al Journal of Physical Chemistry,Vol.l01,9463-9475(1997))等に詳しく記載されている。   The production of CdSe ultrafine particles is described in detail in, for example, “Journal of American Chemical Society” (BODabbousiefaAJoumalofAmencanChemicalSociety, Vo1115, 8706-8715 (1993)). It is described in detail in “Journal of Physical Chemistry” (CBMurray et al Journal of Physical Chemistry, Vol. L01, 9463-9475 (1997)).

例えば、トリオクチルホスフィン(TOP)にジメチルカドミウムを溶解した溶液、および、TOPにトリオクチルホスフィンセレナイド(TOPSe)を溶解した溶液を混合し、約300℃に加熱したトリオクチルホスフィンオキサイド(TOPO)に注入する。
その後、加熱時間と温度を調節して生成するCdSe超微粒子の粒径を制御し、取り出した溶液をメタノールに加えて遠心分離することでさらに粒径の分級を行う。
For example, a solution of dimethylcadmium dissolved in trioctylphosphine (TOP) and a solution of trioctylphosphine selenide (TOPSe) dissolved in TOP are mixed and heated to about 300 ° C. in trioctylphosphine oxide (TOPO). inject.
Thereafter, the particle size of the ultrafine CdSe particles is controlled by adjusting the heating time and temperature, and the particle size is further classified by adding the extracted solution to methanol and centrifuging.

粒径の分級後、ヘキサン中で再分散させした溶液をTOPOおよびTOPからなる溶液に加え加熱し、TOPにジエチル亜鉛を溶解した溶液、およびTOPにヘキサメチルジシラチアンを溶かした溶液を加え、CdSe/ZnSを生成させる。   After classifying the particle size, a solution redispersed in hexane is added to a solution composed of TOPO and TOP, heated, a solution in which diethyl zinc is dissolved in TOP, and a solution in which hexamethyldisilathian is dissolved in TOP are added, CdSe / ZnS is generated.

ここで、CdSe超微粒子の粒径および目的とするZnS被覆の厚みに応じて温度と添加量を調節する。生成した超微粒子分散溶液をメタノールに加えて遠心分離し、ヘキサン等の有機溶媒中に再分散させる。   Here, the temperature and addition amount are adjusted according to the particle diameter of the ultrafine CdSe particles and the thickness of the target ZnS coating. The resulting ultrafine particle dispersion is added to methanol, centrifuged, and redispersed in an organic solvent such as hexane.

更に、本実施形態で用いるn型のCdSe/ZnSを得るには、例えば“サイエンス”(Dong Yu et al,Science,Vo1 300,1277-1280(2003))に記載されているように、CdSe超微粒子を合成した後に乾燥させ、超高真空下でカリウム蒸着を行い、カリウム原子から電子を注入する。全ての超微粒子に電子注入されている必要は無く、局所的にはn型のCdSe/ZnSとi型のCdSe/ZnSが混在していても構わない。電子注入された超微粒子の数の比率が極めて小さい場合でも、上記のミニバンドを介して拡散が起こるため、巨視的にはn型とみなすことができる。   Furthermore, in order to obtain n-type CdSe / ZnS used in the present embodiment, as described in “Science” (Dong Yu et al, Science, Vo1 300, 1277-1280 (2003)) After synthesizing the fine particles, they are dried, and potassium deposition is performed under ultra-high vacuum to inject electrons from potassium atoms. Electrons need not be injected into all the ultrafine particles, and n-type CdSe / ZnS and i-type CdSe / ZnS may be mixed locally. Even when the ratio of the number of ultra-fine particles injected with electrons is extremely small, diffusion occurs through the above-described miniband, so that it can be regarded macroscopically as n-type.

p型のCdSe/ZnSを得る場合は、ブラズマ放電で生じる塩素ラジカルを付着させて正孔を注入する。この場合もn型の場合と同様に、局所的にはp型のCdSe/ZnS超微粒子とi型のCdSe/ZnS超微粒子が混在していても構わない。   When obtaining p-type CdSe / ZnS, chlorine radicals generated by plasma discharge are attached to inject holes. In this case, similarly to the n-type, p-type CdSe / ZnS ultrafine particles and i-type CdSe / ZnS ultrafine particles may be locally mixed.

得られた超微粒子を、ドクターブレード法によりn型およびi型およびp型の順に透明電極21(図5参照)上に堆積させ、熱処理を行う。こうして得られたp―i―n接合の光電変換膜23の上に、スパッタ法により透明電極24を積層する。CdSe/ZnS超微粒子間に、3nm以下程度の有機分子層が残存していても構わない。   The obtained ultrafine particles are deposited on the transparent electrode 21 (see FIG. 5) in the order of n-type, i-type and p-type by the doctor blade method, and heat treatment is performed. On the thus obtained pin junction photoelectric conversion film 23, a transparent electrode 24 is laminated by sputtering. An organic molecular layer of about 3 nm or less may remain between the CdSe / ZnS ultrafine particles.

上記の実施形態では、溶液中で合成したCdSe/ZnS超粒子を使用したが、超微粒子の製造方法や種類は上記の例に限るものではない。例えば、真空中で、格子ひずみを利用して、ZnS基板表面上に、巨視的なn型のCdSe層を形成する。CdSe層が形成される初期段階では、CdSeは膜状になるまでには至らず、離散的な島状にCdSeが成長するため、この段階でCdSeの形成を止めて、この島状のCdSeをZnSの成長で埋め込む。次に、i型のCdSeを同様に島状に形成してZnSで埋め込み、次に同様にp型のCdSeを島状に形成してZnSで埋め込むという手順を夫々繰り返し、光電変換膜23を製造してもよい。   In the above embodiment, CdSe / ZnS ultra particles synthesized in a solution are used, but the production method and type of ultra fine particles are not limited to the above examples. For example, a macroscopic n-type CdSe layer is formed on the surface of the ZnS substrate by utilizing lattice strain in a vacuum. At the initial stage when the CdSe layer is formed, CdSe does not reach a film shape, and CdSe grows into discrete islands. Therefore, at this stage, the formation of CdSe is stopped, and this island-like CdSe is removed. Embed by growth of ZnS. Next, i-type CdSe is similarly formed into an island shape and embedded with ZnS, and then p-type CdSe is similarly formed into an island shape and embedded with ZnS, whereby the photoelectric conversion film 23 is manufactured. May be.

また、コア部分がlnNで、外殻がGaNの半導体超微粒子をCdSe/ZnSの代わりに用いることもできる。或いは、コア部分がZnTeであり、外殻がZnSの半導体超微粒子を用いてもよい。   Also, semiconductor ultrafine particles having a core portion of lnN and an outer shell of GaN can be used instead of CdSe / ZnS. Alternatively, semiconductor ultrafine particles having a core portion of ZnTe and an outer shell of ZnS may be used.

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。但し、青色の光電変換膜を透過する青色光の透過率は、青色の光電変換膜の特性に固有な値であるため、仮に青色光が次層の緑色の光電変換膜に入射しても、青色光の入射による緑色の光電変換の信号変化は、青色光電変換膜の信号強度から見積もることができ、信号演算により補正を行うことも可能である。   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. However, since the transmittance of blue light transmitted through the blue photoelectric conversion film is a value inherent to the characteristics of the blue photoelectric conversion film, even if blue light is incident on the green photoelectric conversion film of the next layer, The change in green photoelectric conversion signal due to the incidence of blue light can be estimated from the signal intensity of the blue photoelectric conversion film, and can be corrected by signal calculation.

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. 図5に示す光電変換膜のエネルギバンドの模式図である。It is a schematic diagram of the energy band of the photoelectric conversion film shown in FIG.

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
51 p層領域(p型CdSe/ZnS量子ドットとi型CdSe/ZnS量子ドットと
の混合領域)
52 n層領域(n型CdSe/ZnS量子ドットとi型CdSe/ZnS量子ドットと
の混合領域)
53 i層領域(i型CdSe/ZnS量子ドットの領域)
55 p型CdSe/ZnS量子ドット
56 i型CdSe/ZnS量子ドット
57 n型CdSe/ZnS量子ドット
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 51 P layer region (mixed region of p-type CdSe / ZnS quantum dots and i-type CdSe / ZnS quantum dots) )
52 n layer region (mixed region of n-type CdSe / ZnS quantum dots and i-type CdSe / ZnS quantum dots)
53 i-layer region (region of i-type CdSe / ZnS quantum dots)
55 p-type CdSe / ZnS quantum dots 56 i-type CdSe / ZnS quantum dots 57 n-type CdSe / ZnS quantum dots

Claims (10)

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、前記光電変換膜が量子ドットの堆積層で構成され、該堆積層が、p型導電性の量子ドットとi型導電性の量子ドットとを混合した第1堆積層と、n型導電性の量子ドットと前記i型導電性の量子ドットとを混合した第2堆積層とを備え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 includes a quantum dot deposition layer, and the deposition layer includes a first deposition layer in which a p-type conductive quantum dot and an i-type conductive quantum dot are mixed, and an n-type conductive layer. A photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device, comprising: a second deposited layer obtained by mixing a conductive quantum dot and the i-type conductive quantum dot. 前記第1堆積層と前記第2堆積層との間に前記p型導電性の量子ドット及び前記n型導電性の量子ドットを含まない前記i型導電性の量子ドットによる第3堆積層が設けら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。   A third deposited layer of the i-type conductive quantum dots not including the p-type conductive quantum dots and the n-type conductive quantum dots is provided between the first deposited layer and the second deposited layer. The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to claim 1, wherein 前記の各量子ドットが半導体超微粒子をコアとし該半導体超微粒子に比べて光学バンドギャップエネルギが大きい材料によって前記コアが被覆されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光電変換膜積層型固体撮像素子。   3. The photoelectric device according to claim 1, wherein each quantum dot has a semiconductor ultrafine particle as a core, and the core is covered with a material having an optical band gap energy larger than that of the semiconductor ultrafine particle. Conversion film laminated solid-state imaging device. 前記半導体超微粒子がCdSeであり、該CdSeを被覆する前記材料がZnSであることを特徴とする請求項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 3, wherein the semiconductor ultrafine particles are CdSe, and the material covering the CdSe is ZnS. 前記半導体超微粒子がZnTeであり、該ZnTeを被覆する前記材料がZnSであることを特徴とする請求項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 3, wherein the semiconductor ultrafine particles are ZnTe, and the material covering the ZnTe is ZnS. 5. 前記半導体超微粒子がInNであり、該InNを被覆する前記材料がGaNであることを特徴とする請求項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 3, wherein the semiconductor ultrafine particles are InN, and the material covering the InN 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 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420〜500nm、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500〜580nm、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580〜660nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記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7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 420 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 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 580 nm, and the wavelength is 580 to 660 nm. The photoelectric conversion film laminated solid-state imaging device according to claim 7. 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 stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the photoelectric conversion film sandwiched between two transparent electrode films is stacked in four layers via 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520〜580nm、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580〜660nmとなるように各光電変換膜に設けられる前記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9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, the wavelength 520 to 580 nm, and the maximum value of light absorption of the photoelectric conversion film of the fourth layer is the wavelength 580 to 660 nm. The photoelectric conversion film stacked solid-state imaging device according to claim 9, wherein an average particle diameter of the quantum dots provided in each photoelectric conversion film is determined.
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