JP2006005312A - 光センサおよび固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度でかつダイナミックレンジの広い光センサおよび固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 光センサ部１２が受光部とホトン−パルス発生回路から構成し、受光部に入射したホトンが変換された光電子を検出する光電子検出部２４を、第１量子ドット２６と、第１量子ドット２６の両側に互いに対向して配置された光電子蓄積領域２８およびゲート電極２９と、これらに対して垂直方向に配置され、抵抗Ｒ1を介して電源電圧が印加されたソース電極３０およびドレイン電極３１から構成する。第１量子ドット２６に印加されるゲート電極２９を第１量子ドット２６が非導通となる電位に設定し、光電子蓄積領域２８に保持された所定数の光電子の電位を付加することで第１量子ドット２６を導通させ、ソース電極３０−ドレイン電極３１間に電流が流れる。その結果、ホトン数に応じたパルス信号が生成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は光センサおよび固体撮像装置に係り、特に光電子の検出部に量子ドットを備えた光センサおよび固体撮像装置に関する。

固体撮像装置は、ＣＣＤ型やＭＯＳ型撮像素子の採用により小型化、軽量化が図られ、その機動性により戸外の様々な場面の記録あるいは報道用のカメラとして広く普及している。

機動性を一層高めるため、暗闇の被写体を撮影可能な超高感度の固体撮像装置が求められている。例えば、夜間であっても被写体を鮮明に捉えることで、正確な描写や情報の正確性が高まり、報道用あるいは研究用の映像としての価値を高めることができる。その一方、このような超高感度固体撮像装置は、超高感度の故、高輝度の被写体の映像がつぶれてしまったり、撮像素子が壊れる等の問題も生じ易い。超高感度で、広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置が求められている。

固体撮像装置は、受光面に画素を形成する微少なフォトダイオードがマトリクス状に配置されている。フォトダイオードはアノードが接地され逆バイアスが印加されており、入射したホトン（光子）の数に応じた信号電荷がキャパシタを形成するｐｎ接合部に蓄積され、信号電荷の蓄積によって生じたカソード電圧を順次読み出して、各画素を再構成して画像を得ている（例えば特許文献１および非特許文献１参照。）。
特開昭６１−１５２１７６号公報 ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＡＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ Ｖｏｌ．４７ （２０００） ｐ．２１２３−２１２７

しかしながら、一般にこのようなフォトダイオードのみを光センサとして用いた固体撮像装置では、到来するホトンが数個あるいは数十個により変化するカソード電圧は微少であるので、これらのホトン数を識別することは極めて困難である。

また、アバランシェフォトダイオードを用いて高感度化しても十分ではなく、また、このような場合、輝度の高い部分を有する被写体では、カソード電圧等の飽和により、忠実に被写体を表現できなくなってしまう。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、高感度でかつダイナミックレンジの広い光センサおよび固体撮像装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、入射したホトン数に応じたパルス信号を送出するホトン検出手段と、前記パルス信号を計数する計数手段と、前記計数手段から計数値のデジタル信号を逐次読み出す走査手段と、を備える固体撮像装置であって、前記ホトン検出手段は、受光部とパルス発生回路とを備え、前記パルス発生回路が、前記ホトンにより生じた各々の光電子をパルス信号に変換するホトン検出部と、前記パルス信号に応じてホトン検出部に蓄積された光電子を取り出す制御を実行するリセット制御部とからなり、前記ホトン検出部が所定数の光電子から受ける電位に応じて導通する量子ドットを備えることを特徴とする固体撮像装置が提供される。

本発明によれば、ホトン検出部が、受光部でホトンから変換された所定数の光電子から受ける電位により導通する量子ドットを備えている。量子ドットを電流をオン−オフする電流スイッチング手段、あるいは流れる電流値の大小を制御する手段として用いることで、光電子をパルス信号に変換する。パルス信号を計数手段により計数することで、入射したホトン数を計数することができる。さらに、パルス信号に応じてパルス信号の基となった光電子をホトン検出部から取り出すことで、量子ドットが非導通あるいは流れる電流値が小となると共に、ホトン検出部が初期化される。その結果、ホトン数を計数することができ、暗闇のホトン数の少ない被写体を撮影することができ高感度化可能である。また、一つの受光部あたりのパルス発生回路の数を増加してホトン検出手段の動作周波数を増加することで、輝度の高い、ホトン数の多い被写体を撮影することができ、ダイナミックレンジの広い被写体を正確に撮像することができる。

本発明の他の観点によれば、入射したホトン数に応じたパルス信号を送出するホトン検出手段と、前記パルス信号を計数する計数手段とを備える光センサであって、前記ホトン検出手段は、受光部とパルス発生回路とを備え、前記パルス発生回路が、前記ホトンにより生じた各々の光電子をパルス信号に変換するホトン検出部と、前記パルス信号に応じてホトン検出部に蓄積された光電子を取り出す制御を実行するリセット制御部とからなり、前記ホトン検出部が所定数の光電子から受ける電位に応じて導通する量子ドットを備えることを特徴とする光センサが提供される。

本発明によれば、ホトンから変換された所定数の光電子の有無により量子ドットがオン−オフあるいは流れる電流値が増減するので、入射したホトン数を計数することができる。したがって、正確でダイナミックレンジの広い光センサが実現できる。

本発明によれば、所定数の光電子から受ける電位により導通する量子ドットを用いることで、入射したホトン数を正確に計数することができるので、高感度でかつダイナミックレンジの広い光センサおよび固体撮像装置を実現できる。

以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の模式図、図２は、図１に示す固体撮像装置の１ラインの概略構成を示すブロック図である。

図１および図２を参照するに、本実施の形態の固体撮像装置１０は、２次元の受光面１１にマトリックス状に配置された光センサ部１２と、光センサ部１２の出力側に接続されたパルス増幅回路１３およびパルス計数回路１４と、パルス計数回路１４からデジタル信号の計数値を読み出す水平走査回路１５および垂直走査回路１６から構成され、１つの画素１９に対して、１組の光センサ部１２、増幅回路１３、およびパルス計数回路１４が割り当てられる。

固体撮像装置１０は、例えば基板の端面に光センサ部１２が形成され、基板の表面に増幅回路１３、パルス計数回路１４、および水平走査回路１５が形成され、絶縁層を介して複数の基板が積層されて、光センサ部１２が受光面１１にマトリクス状に配置される。

光センサ部１２は到来したホトンを光電変換により光電子に変換し、さらに、光電子を電気的なパルス信号に変換する。光センサ部１２に到来した所定数のホトンに対応して、１つのパルス信号が出力され、パルス増幅回路１３で増幅された後、パルス計数回路１４で積算される。一方、パルス増幅回路１３ではパルス信号の出力と同時にリセット信号が光センサ部１２に供給され、光センサ部１２内の初期化が行われる（後ほど詳しく説明する。）
パルス増幅回路１３は、光センサ部１２からのパルス信号をパルス計数回路が検出可能な電圧にまで増幅する。パルス増幅回路１３は設けてもよく、設けなくてもよい。

パルス計数回路１４は、積算した計数値を保持し、水平走査回路１５からの読み出し信号に応じて、デジタル信号として計数値を出力する。水平走査回路１５は垂直走査回路１６からの走査信号を受けて、所定の周期で読み出し信号を出力する。

このようにして、固体撮像装置１０は、光センサ部１２に到来したホトン数に相当する計数値からなる映像信号を出力することができる。次に、固体撮像装置１０の光センサ部１２について詳述する。

図３は、実施の形態に係る固体撮像装置を構成する光センサ部の概略構成を示すブロック図である。

図３を参照するに、光センサ部１２は、到来したホトンを光電子に変換する受光部１８と、光電子をパルス信号に変換する複数のホトン−パルス発生回路２０から構成され、ホトン−パルス発生回路２０は、光電子を検出してパルス信号に変換するホトン検出部２１、パルス信号を増幅する増幅部２２、ホトン検出部２１の光電子を取り出す制御を実行するリセット制御部２３から構成される。増幅部２２は出力信号として図１および２に示す増幅回路にパルス信号を送出し、リセット制御部２３はパルス増幅回路１３からリセット信号が供給される。ここで、増幅部２２の出力は、パルス増幅回路１３に対して並列に接続されており、それぞれのホトン−パルス発生回路２０から出力されたパルス信号は時系列に配列されて送出される。なお、パルス信号が異なるホトン−パルス発生回路２０から同時に送出された場合は、パルス信号が重畳されるが、パルス計数回路１４においてパルス信号の電圧を加味して計数することで正確にパルス信号数を計数できる。

図４は光センサ部の回路図、図５（Ａ）〜（Ｉ）は光センサ部の動作を説明するための波形図である。図５は、１個のホトンに対して１個のパルス信号が出力される場合について説明するものである。

図４および図５を参照するに、光電子検出部２４は、第１量子ドット２６と、第１量子ドット２６の両側に、互いに対向して配置された光電子蓄積領域２８およびゲート電極２９と、これらに対して垂直方向に配置されたソース電極３０およびドレイン電極３１から構成される。

第１量子ドット２６は、後ほど説明するが、例えば、シリコン基板上に近接して配置されたソース電極３０およびドレイン電極３１との間に形成される。これらの電極３０、３１を結ぶ仮想線に対してほぼ垂直方向に、第１量子ドット２６を挟んでゲート電極２９および光電子蓄積領域２８が配置され、ゲート電極２９に印加されるゲート電圧と光電子蓄積領域２８に保持された光電子数に依存する電位により第１量子ドット２６のコンダクタンスが制御される。

ソース電極３０は接地され、ドレイン電極３１は抵抗Ｒ1を介して正電圧の電源に接続されており、第１量子ドット２６を挟んだソース電極３０−ドレイン電極３１間に電圧が印加されている。

また、ゲート電極２９には定電圧電源３１が接続されており、そのゲート電圧は、光電子蓄積領域２８に所定数の光電子がない場合には第１量子ドット２６のコンダクタンスがほぼ０、すなわち、第１量子ドット２６を介したソース電極３０とドレイン電極３１との間にほぼ導通がないときの電圧に設定され、光電子蓄積領域２８に所定数の光電子がある場合には第１量子ドット２６のコンダクタンスが高い、すなわち、第１量子ドット２６を介したソース電極３０とドレイン電極３１との間に導通があるときの電圧に設定される。この第１量子ドット２６のコンダクタンスの変化は量子ドットのいわゆるクーロン振動により生じる。

クーロン振動は、ソース電極およびドレイン電極に電気的に接続された量子ドット中の量子準位が、量子ドットに近接して配置されたゲート電極のゲート電圧に応じてエネルギーレベルが変化し、ソース電極およびドレイン電極のフェルミ準位の間に入る度に量子ドットのコンダクタンスが高い状態に変化し、それ以外のゲート電圧ではコンダクタンスが０になる現象をいう。

図５（Ａ）に示すように受光部１８にホトンが到来すると、受光部１８においてホトンが光電子に変換され、光電子は受光部１８を伝導し、正に帯電する光電子蓄積領域２８に引きつけられて保持される。図５（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、光電子が光電子蓄積領域２８に保持されると、光電子蓄積領域２８の電極４１の電位が変化し、電極４１から第１量子ドット２６に対して電界が印加される。なお、１個の光電子が光電子蓄積領域２８に保持された後も受光部１８にはホトンが到来し光電子に変換されるが、光電子蓄積領域２８は１個の光電子が保持されたことでほぼ電荷中性となるので、２個目の光電子が光電子蓄積領域２８に引きつけられて保持されることはなく、隣接する他の光電子蓄積領域２８に保持される。

光電子が光電子蓄積領域２８に保持されると、図５（Ｃ）に示すように第１量子ドット２６が感じる電圧がコンダクタンスの低いＶ₁から高いＶ₂に変化し、第１量子ドット２６のコンダクタンスが増加し、ソース電極３０とドレイン電極３１との間に電流が流れ、図５（Ｄ）に示すようにドレイン電極３１の電圧が低下する。ここで図５（Ｄ）は下方向が電圧が増加する方向である。ここで、流れる電流量は、例えば数ｐＡ程度であるのでＲ₁はトランジスタＴｒ₁のターンオフに必要な電圧値が得られる抵抗値に設定される。

ドレイン電圧の変化により、増幅部２２のトランジスタＴｒ₁のゲート電圧が低下し、トランジスタＴｒ₁がターンオフとなって、図５（Ｅ）に示すようにパルス増幅回路１３への出力電圧が変化し、“Ｈｉｇｈ”となる。またこれと同時に図５（Ｆ）に示すように、リセット制御部２３のトランジスタＴｒ3のゲート電圧が変化しトランジスタＴｒ3をターンオンする。

リセット制御部２３では、トランジスタＴｒ2にパルス増幅回路１３からリセット信号が供給される。リセット信号は、増幅部２２からの出力電圧の変化に応じて生成される。パルス計数回路には、複数の光センサ部１２からパルス信号が供給されるので、それらのパルス信号毎に図５（Ｇ）に示すようにリセット信号がトランジスタＴｒ2のゲートに供給され、Ｔｒ2がターンオンする。

一方、光電子取出し部２５は、第２量子ドット３３、ゲート３４、ホトン検出部２１と共通の光電子蓄積領域２８、およびドレイン３５から構成される。光電子取出し部２５は、ホトン検出部２１の増幅部２２からの出力電圧の変化が生じた後に、光電子蓄積領域２８に保持された光電子を取り出して、次の光電子を取り込めるように初期化するものである。

ゲート電極３４は、リセット制御部２３のＴｒ2およびＴｒ3のいずれかがオフの場合は、第２量子ドット３３のコンダクタンスが０の状態になるゲート電圧Ｖ₃に設定される。そして、ゲート電極３４は、Ｔｒ2とＴｒ3が同時にオンの状態では、第２量子ドット３３のコンダクタンスが高い状態になるゲート電圧Ｖ₄に設定される。ゲート電圧Ｖ₄は、Ｔｒ2とＴｒ3のソース−ドレイン間オン抵抗の合成値とＲ3、あるいはＲ3のかわりに設けるＲ3’との分圧により設定される。なお、Ｒ3およびＲ3’は両方とも設けてもよい。

図５（Ｆ）および（Ｇ）に示すように、Ｔｒ2とＴｒ3が同時にオンになると、ゲート電極３４の電圧が第２量子ドット３３のコンダクタンスが高い状態になり、光電子蓄積領域２８に保持された光電子が第２量子ドットを介してドレイン電極３５から電源電圧に流れ込み、光電子蓄積領域２８の光電子がない状態になる。その結果、第１量子ドット２６のコンダクタンスが０となり、ドレイン電極３１の電圧が変化し、Ｔｒ１はターンオンとなり、パルス増幅回路１３への出力は“Ｌｏｗ”となり、Ｔｒ3がターンオフとなる。これにより光電子検出部２４は次の光電子の取込みが可能となる。

以上の説明では、光センサ部１２は、ホトンから変換された個々の光電子についてパルス信号に変換しパルス計数回路に送出するものである。光センサ部１２の光電子蓄積領域２８の格納可能な光電子数とゲート電極２９に印加するゲート電圧とを制御することで、第１量子ドット２６のコンダクタンスが増加する光電子数を２個以上の所定数に設定することも可能である。すなわち、２個以上の到来したホトンから１個のパルス信号に変換し、ホトン数を２個以上の単位で計数することもできる。その動作については、上記の説明において、１個の光電子を所定数の光電子に置き換えるだけであるので、その説明を省略する。

図６は、光センサ部の一構成例を示す図である。

図６を参照するに、光センサ部１２には、シリコン基板３９のほぼ中央に配置された受光部１８、受光部１８を囲む多数のホトン−パルス発生回路２０、ホトン−パルス発生回路２０と増幅回路を接続する配線部３８等から構成される。一つのホトン−パルス発生回路２０は、図示を省略するが、上述したように、ホトン検出部、増幅部、リセット制御部から構成され、ホトン検出部が受光部１８側に、増幅部およびリセット制御部が配線部３８側に配置される。

図６に示すように、ホトン−パルス発生回路２０は、１個の光センサ部１２（画素）当たり十分な受光部１８の面積が確保できる限り多数個が設けられることが好ましい。光センサ部１２が精度よく受光できる照度の明るい側の範囲が広くなりダイナミックレンジが広がる。例えば、１個のホトン毎に計数するように設定した場合、ホトンが受光部１８に到来してパルス計数回路がパルス信号を処理するサイクルをｆＨｚとすると、１個の光センサ部１２（１画素）当たり、ホトン−パルス発生回路２０を２個設けると、１個の光センサ部１２は毎秒ｆ×２個まで数え落としなく到来ホトンの数を計数できる。

通常の撮影では被写体照度２０００ルクスにおいてＦ１１を基準とする場合が多く、この場合は受光部１２の大きさを１０μｍ×１０μｍに形成すると、受光部の照度は約２ルクスとなる。このとき、１ルクスの白色光が照射されている場合、１ｍ²当たりに到来するホトン数は１．３×１０¹⁶個といわれているので、受光部に到来するホトン数は毎秒約２×１．３×１０⁶個となる。毎秒６０枚の画像を取得する場合、１枚の画像の１受光部１２への到来ホトン数は約４３０００個となる。したがって、上記ｆが２ｋＨｚの場合、１受光部当たり２２個のホトン−パルス発生回路２０を設けることで、被写体照度２０００ルクス、Ｆ１１での撮影において、数え落としなく到来ホトンの数を計数できる。

被写体照度２０００ルクス、Ｆ１１以上の明るさの場合は飽和状態となるので、その５倍程度の光を正確に受光できる１１０個のホトン−パルス発生回路２０を設けることが好ましい。これよりも照度が大きい被写体に対してはむしろ飽和状態とすることがさらに好ましい。図６では一例として２６個のホトン−パルス発生回路２０を設けているが、例えば、縦の列を２３個×２列、横の列を２２個×２列とすることで１１０個のホトン−パルス発生回路２０を設ける。

図７（Ａ）は、図６に示すホトン−パルス発生回路のホトン検出部の一構成例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図７（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、ホトン検出部２１は、受光部１８と共通するシリコン基板３９に形成される。受光部１８のシリコン基板３９には、ｐ型の不純物、例えばＢ、Ｉｎ等が導入され、ｐ型不純物領域が形成されている。

光電子蓄積領域２８は、シリコン基板３９中に形成されたｎ型不純物領域４０とその上に形成された電極４１から構成される。ｎ型不純物領域４０および電極４１は受光部１８側に面して配置され、図６に示す隣接するホトン−パルス発生回路２０の方向に長い形状で形成される。隣接するｎ型不純物領域４０および電極４１との間隙Ｂは互いに電子が移動しない程度の距離に形成される。このように光電子蓄積領域２８を配置することで、受光部１８で生成された光電子をｎ型不純物領域４０に確実に誘導でき、ホトン検出部２１のドレイン電極３１やゲート電極３４の側に光電子が移動して検出漏れが生じることを防止する。

ｎ型不純物領域４０は、シリコン基板３９中にｎ型の不純物（ドナー）、例えばＰ、Ａｓ等を希薄に導入し形成される。ｎ型不純物領域４０の不純物濃度は、例えばｐ型不純物領域の不純物濃度よりもわずかに高い２〜３倍程度に設定することで、ｎ型不純物領域４０が完全空乏化された状態に形成される。すなわち、ｎ型不純物領域４０はドナー原子の電子が抜かれており、かつその電子がほぼ存在しない状態なので、電荷中性が崩れわずかに正に帯電している。したがって、所定数の光電子を保持していない状態ではｎ型不純物領域４０はわずかに正に帯電し、所定数の光電子を保持するとほぼ電気的に中性になる。このようにすることで、所定数の光電子が保持されていない状態では受光部１８で生成した光電子をｎ型不純物領域４０に誘導し、所定数の光電子を保持した状態ではそれを超える数の光電子がｎ型不純物領域４０に入ることを防止できる。なお、完全空乏化したｎ型不純物領域４０は、例えば、イオン注入することで形成し、電荷中性となる上記所定の光電子数はイオン注入量の制御により制御する。

電極４１には、受光部１８の反対側に第１突部４１−１および第２突部４１−２の２つの突部が形成されている。第１突部４１−１は光電子検出部２４の一部をなし、ゲート電極２９と対向している。一方、第１突部４１−１とゲート電極２９とを結ぶ方向に対して垂直方向にソース電極３０とドレイン電極３１とが配置され、これら電極の端部４１−１ａ、２９ａ〜３１ａに囲まれて第１量子ドット２６がシリコン基板３９中に形成される。第１量子ドット２６は、これらの電極に囲まれた数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度の寸法のシリコン基板３９中の領域に量子論的に形成されるものである（第２量子ドットもこの点については同様である。）。ソース電極３０の端部とドレイン電極３１の端部との距離は例えば４００ｎｍに設定され、第１突部４１−１の端部とゲート電極２９との距離は例えば３００ｎｍに設定される。

ゲート電極２９には、光電子蓄積領域２８に所定数の光電子が保持された場合に第１量子ドット２６のコンダクタンスが増加し、それ以外はコンダクタンスが略０となるようにゲート電圧が設定される。

このように光電子検出部２４を構成することで、上述したように、受光部１８に到来したホトンは光電子に変換されて、その光電子がｎ型不純物領域４０に誘導され、ｎ型不純物領域４０に所定数の光電子が保持されるとソース電極３０とドレイン電極３１のそれぞれの端部３０ａ、３１ａ間のシリコン基板２９のコンダクタンスが増加し電流が流れる。

一方、電極４１の第２突部４１−２は光電子取出し部２５の一部をなし、ドレイン電極３５と対向している。第２突部４１−２とドレイン電極３５とを結ぶ方向に対して垂直方向の一方の側にゲート電極３４が配置され、これらの端部に囲まれて第２量子ドットがシリコン基板３９中に形成される。第２突部４１−２の端部とドレイン電極３５の端部との距離は、例えば４００ｎｍに設定され、第２突部４１−２とドレイン電極３５の中心を貫く中心線とゲート電極３４との距離は例えば１５０ｎｍに設定される。

このように光電子取出し部２５を構成することで、図５（Ｈ）に示すゲート電圧がＶ4に設定されることで、第２量子ドット３３のコンダクタンスが増加して、光電子蓄積領域２８の光電子がドレイン電極３５に流れる。これにより光電子蓄積領域２８に保持される光電子が０個となり、次の光電子を取り入れる状態（初期状態）に設定される。

シリコン基板３９の表面は、ホトン検出部２１等を構成する電極等と共にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の保護膜４２に覆われてもよい。信頼性および耐久性等が向上する。

ホトン検出部２１の構成は、上述した第１および第２量子ドット２６、３３を離隔した電極間のシリコン基板中に形成する以外に、２本の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を用いて、それら端部を対向して配置すると共に端部間の半導体基板の近くにゲート電極を配置して、端部間の半導体基板中に形成した量子ドットを用いてもよく、さらに、上述したように、２個の量子ドットを組み合わせられる構成の公知の量子ドットを用いてもよい。

図８は、光センサ部の他の例を示す構成図である。図８を参照するに、光センサ部１２は、複数のホトン−パルス発生回路５１が水平方向に一列に配置されたホトン−パルス発生回路列５２ａ〜５２ｃが、受光部１８を介して垂直方向に３段に配列されて構成される。ホトン−パルス発生回路列５２ａ〜５２ｃは、３段に限定されず、１段でもよく、４段以上でもよい。

ホトン−パルス発生回路５１は互いに離隔して配置され、図示を省略しているが、図７で示した光電子蓄積領域２８は、ホトン−パルス発生回路５１の辺に沿ってその内側に形成され、ホトン−パルス発生回路５１の外側に位置する受光部１８で生成された光電子を誘導する。また、光電子が生成された位置に近い光電子蓄積領域２８が既に所定数の光電子を保持している場合に、ホトン−パルス発生回路５１間の間隙の受光部１８を通過して他のホトン−パルス発生回路列５２ａ〜５２ｃの光電子蓄積領域２８に移動することもでき、光電子の検出漏れを抑制することができる。

なお、ホトン−パルス発生回路５１とパルス増幅回路（不図示）とを電気的に接続する配線部は、ホトン−パルス発生回路５１から垂直配線部を介してホトン−パルス発生回路５１の上側に配線層を設けてパルス増幅回路に接続してもよく、ホトン−パルス発生回路５１のシリコン基板３９に貫通電極を設け、裏側からパルス増幅回路に接続してもよい。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、実施の形態では光センサ部を２次元に配列した例を示したが、本発明は、光センサ部を１次元に配列したラインセンサに適用できる。

また、図１に示す固体撮像装置のパルス増幅回路およびパルス計数回路を受光面に配置してもよい。１枚のシリコン基板上に光センサ部とこれらの回路を同時に形成でき製造工程が簡便となる。なお、パルス増幅回路およびパルス計数回路は隣接する光センサ部の水平方向や垂直方向の境界部に形成する。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の模式図である。 図１に示す固体撮像装置の１ラインの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る固体撮像装置を構成する光センサ部の概略構成を示すブロック図である。 光センサ部の回路図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は光センサ部の動作を説明するための波形図である。 光センサ部の一構成例を示す図である。 （Ａ）は、図６に示すホトン−パルス発生回路のホトン検出部の一構成例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 光センサ部の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 固体撮像装置
１１ 受光面
１２ 光センサ部
１３ パルス増幅回路
１４ パルス計数回路
１５ 水平走査回路
１６ 垂直走査回路
１８ 受光部
２０ ホトン−パルス発生回路
２１ ホトン検出部
２２ 増幅部
２３ リセット制御部
２４ 光電子検出部
２５ 光電子取出し部
２６ 第１量子ドット
２８ 光電子蓄積領域
２９ ゲート電極
３０ ソース電極
３１ ドレイン電極
３２ 定電圧電源
３３ 第２量子ドット
３４ ゲート電極
３５ ドレイン電極
３８ 配線部
３９ シリコン基板
４０ ｎ型不純物領域
４１ 電極
４１−１ 第１突部
４１−２ 第２突部
４２ 保護膜
５０ 光センサ部
５１ ホトン−パルス発生回路
５２ａ〜５２ｃ ホトン−パルス発生回路列

Claims (9)

1. 入射したホトン数に応じたパルス信号を送出するホトン検出手段と、
   前記パルス信号を計数する計数手段と、
   前記計数手段から計数値のデジタル信号を逐次読み出す走査手段と、を備える固体撮像装置であって、
   前記ホトン検出手段は、受光部とパルス発生回路とを備え、
   前記パルス発生回路が、
   前記ホトンにより生じた各々の光電子をパルス信号に変換するホトン検出部と、
   前記パルス信号に基づいてホトン検出部に蓄積された光電子を取り出す制御を実行するリセット制御部とからなり、
   前記ホトン検出部が所定数の光電子から受ける電位に応じて導通する量子ドットを備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記ホトン検出部は、
   前記量子ドットに電気的に接続された第１の電極および第２の電極と、
   前記量子ドットの電位を制御する制御電極および光電子蓄積部を備え、
   前記第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加され、
   前記光電子蓄積部に所定数の光電子がある場合に量子ドットを介して第１の電極と第２の電極との間が導通し、パルス信号が送出されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記ホトン検出部は、前記パルス信号に基づいてリセット制御部から送出される制御信号の電位により導通する他の量子ドットを備え、
   前記光電子がホトン検出部から取出されることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記ホトン検出部は、前記他の量子ドットに電気的に接続された第３の電極および前記光電子蓄積部と、前記リセット制御部と電気的に接続され、該他の量子ドットの電位を制御する他の制御電極とをさらに備え、
   前記リセット制御部からの制御信号に応じて、他の量子ドットを介して第３の電極および前記光電子蓄積部が導通し、光電子蓄積部から光電子が取出されることを特徴とする請求項２または３記載の固体撮像装置。
5. 前記ホトン検出手段は、前記ホトン検出部から供給されたパルス信号を増幅する増幅部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の固体撮像装置。
6. 前記ホトン検出手段は、複数の前記パルス発生回路が受光部を囲むように配置されると共に、前記光電子蓄積部が受光部に面して配置されてなることを特徴とする請求項２〜５のうち、いずれか一項の固体撮像装置。
7. 前記ホトン検出手段は、複数の前記パルス発生回路が互いに離隔されて列状に配置されてなり、隣接するパルス発生回路の間隙に受光部が設けられてなることを特徴とする請求項２〜６のうち、いずれか一項記載の固体撮像装置。
8. 前記受光部は、シリコン基板に形成されたｐ型の不純物領域からなり、
   前記光電子蓄積部が前記ｐ型の不純物領域中に形成された空乏化されたｎ型の不純物領域を有することを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の固体撮像装置。
9. 入射したホトン数に応じたパルス信号を送出するホトン検出手段と、
   前記パルス信号を計数する計数手段とを備える光センサであって、
   前記ホトン検出手段は、受光部とパルス発生回路とを備え、
   前記パルス発生回路が、
   前記ホトンにより生じた各々の光電子をパルス信号に変換するホトン検出部と、
   前記パルス信号に応じてホトン検出部に蓄積された光電子を取り出す制御を実行するリセット制御部とからなり、
   前記ホトン検出部が所定数の光電子から受ける電位に応じて導通する量子ドットを備えることを特徴とする光センサ。

Images