JP2006245088A - 物理情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バンドギャップを利用した撮像装置において、結晶性の問題を解消する。
【解決手段】化合物半導体である混晶系の組成比を変えることでバンドギャップを制御する。たとえばＡｌＧａＩｎＰ系混晶やＳｉＧｅＣ系混晶やＺｎＣｄＳｅ系混晶やＡｌＧａＩｎＮ系混晶にすることで格子不整Δａの絶対値を小さくする。Ｓｉの格子定数より大きいＧｅをＳｉＣに混ぜるなどによって、格子不整の絶対値を小さくし、結晶性を高くする。また、ＳｉとＳｉＣまたはＳｉＧｅＣ系層の界面に、厚み１０ｎｍ程度以下の超格子層を１層以上入れることで、結晶性をさらに高くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、物理情報取得装置に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をするバンドギャップを利用した検知領域によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読出可能な物理量分布検知の半導体装置を利用した固体撮像装置などへの適用に好適な信号取得技術に関する。

光や放射線などの外部から入力される電磁波などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素（たとえば画素）をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。

たとえば、映像機器の分野では、物理量の一例である光（電磁波の一例）の変化を検知するＣＣＤ（Charge Coupled Device ）型あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）型の固体撮像装置が使われている。これらは、単位構成要素（固体撮像装置にあっては画素）によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。

たとえば、固体撮像装置は、デバイス部の撮像部（画素部）に設けられている光電変換素子（受光素子；フォトセンサ）であるフォトダイオードにて、光や放射線などの外部から入力される電磁波を検知して信号電荷を生成・蓄積し、この蓄積された信号電荷（光電子）を、画像情報として読み出す。

ここで、従来の単板式カラー画像撮像用の固体撮像装置は、１つの撮像デバイスで色の情報を持つ信号を取得するべく、撮像部の受光面側に色の（識別）選別を行なうためのカラーフィルタ（色分離フィルタ）が設けられているものが主流となっている。

減色フィルタを用いることで色を識別するイメージセンサでは、色別の減色フィルタを用いることによって色を識別し、それぞれのフィルタの下に光を検出する光電変換素子用の半導体層を設けることで、フィルタを透過した光をそれぞれ別に検出する。この場合、１画素をなす１つの光電変換素子に対して、それぞれ個別の色成分を割り当てる必要があり、色分離の１単位は、色分離フィルタの繰返周期分となってしまう。

たとえば、カラーフィルタの組合せとしては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の３種類を用いる原色系と、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、およびグリーン（Ｇ）の４種類を用いる補色系がある。原色系は補色系に比べて色再現性がよく、補色系はカラーフィルタの光透過率が高いことから感度の点で有利となる。映像の再生時には、原色系あるいは補色系のカラーフィルタを用いて得られた色信号（たとえばＲ，Ｇ，Ｂの原色信号）に対して信号処理が行なわれ、輝度信号および色差信号が合成される。

ところで、原色系あるいは補色系のカラーフィルタの組合せは、何れも、特定の波長領域成分のみを透過し光電変換素子に導く一方、その他波長領域成分を遮断（カット）することで、色選択を行なう減色フィルタとなっている。

たとえば、色の３原色である赤，緑，青の３色の減色フィルタを用いることによって色を識別し、それぞれのフィルタの下に光を検出する半導体層を光電変換素子として設けることで、各減色フィルタを透過した３原色光をそれぞれ個別に検出する。

しかしながら、減色フィルタ方式の場合、カットする光が多いために光の利用効率が悪い。特に、赤，緑，青の３原色のフィルタを用いてそれぞれの色を識別する場合、光量はそれだけで１／３以下に落ちてしまう。

また色別に光電変換素子が必要であるために、色分離の１単位に最低でも３つの光電変換素子が必要となり、高密度画素数のセンサを実現する上で障害となる。その上、色分離フィルタが必要であるためにコストが高くなる。

このような減色フィルタが持つ問題に対して最近、光の波長によって半導体の吸収係数が異なることを利用して色を識別するセンサが提案されている（たとえば特許文献１参照）。

米国特許第５９６５８７５号公報

図２０は、特許文献１に記載のセンサの仕組みを説明する図であって、図２０（Ａ）は半導体層の光吸収スペクトル特性を示す図、図２０（Ｂ）は、デバイスの断面構造の模式図である。

この仕組みにおいては、Ｓｉ（シリコン）半導体の３原色光の吸収係数が図２０（Ａ）に示すように青，緑，赤の順に小さくなる、すなわち入射光Ｌ１に含まれる青色光、緑色光、および赤色光に関しては、深さ方向において波長による場所依存性を呈することを利用して、図２０（Ｂ）に示すように、Ｓｉ半導体の表面から深さ方向に青，緑，赤の各色光を検出するための層を順次設けている。

しかしながら、波長による吸収係数の違いを利用した特許文献１に記載の仕組みでは、理論上検知できる光量が低下しないが、青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるためにそれらの光が青色光として検知されてしまう。このために、青の信号が本来ない場合でも緑や赤の信号が入ることで青にも信号が入り偽信号が生じてしまうことになるので、十分な色再現性を得られない。

これを避けるためには、３原色全体で計算による信号処理で補正を行なう必要があり、計算に必要な回路を別途必要となるので、その分だけ回路構成が複雑・大規模になり、またコスト的に高くなる。さらに、たとえば３原色のうちどれか１色が飽和するとその飽和した光の本来の値が判らなくなることで計算に狂いが生じ、結果として本来の色とは異なるように信号を処理することになる。

また、図２０（Ａ）に示すように、殆どの半導体は赤外光に対して吸収感度を有する。したがって、たとえばＳｉ半導体を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）などにおいては通常、減色フィルタの一例として赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる必要がある。

このような、波長による吸収係数の違いを利用した仕組みが持つ問題に対して、減色フィルタを使わずにバンドギャップを利用することで、光量変換の効率がよく、かつ色の分別もよく、かつ１つのセンサで３原色のそれぞれの光を検知できるセンサが提案されている（たとえば特許文献２〜４を参照）。これらに開示されているものは、バンドギャップを深さ方向に変化させた構造を持つイメージセンサとなっている。

特開平１−１５１２６２号公報 特開平３−２８９５２３号公報 特開平６−２０９１０７号公報

しかしながら、特許文献２に記載の仕組みでは、ガラス基板上にバンドギャップＥｇが異なる材料を順次半導体層の深さ方向に積層させることで色分別させるとはいうものの、たとえば、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の色分別ではＥｇ（Ｂ）＞Ｅｇ（Ｇ）＞Ｅｇ（Ｒ）となるように積層することが述べられているに過ぎず、具体的な材料についての記載はない。

これに対して、特許文献３ではＳｉＣ材料を用いた色分別について述べられており、また特許文献４ではＡｌＧａＩｎＡｓやＡｌＧａＡｓ材料についての記載がある。しかしながら、特許文献３，４では、異なる材料のヘテロ接合での結晶性についての記載がない。

異なる結晶構造の材料を接合させた場合には、格子定数の違いによってミスフィット転位が発生して結晶性が悪化する。その結果、バンドギャップ中に形成された欠陥準位にトラップされた電子が吐き出されることで暗電流の発生を招くことになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バンドギャップを利用することで減色フィルタを使わずにセンサを構成するに際して、結晶性の問題を解消することのできる仕組みを提供することを目的とする。

本発明に係る物理情報取得装置（典型的には撮像装置）においては、検知領域を、格子整合系で構成するか、もしくは所定の元素を添加することで格子整合条件に適合するように構成することとした。

また従属項に記載された発明は、本発明に係る物理情報取得装置のさらなる有利な具体例を規定する。

たとえば、３元以上の混晶にすることで、格子整合条件に適合するように構成することができる。

あるいは、格子整合系またはある元素を添加することで格子整合条件に近づけることのできる混晶と量子井戸層の組合せでバンドギャップを変えるようにしてもよい。

なお、量子井戸層との組合せにする場合には、超格子構造にするのがよい。

また、検知領域は、各検知領域間だけでなく、基板との関係においても、格子整合した構造を有するようにするのがよい。

本発明によれば、検知領域を、格子整合系で構成するか、もしくは所定の元素を添加することで格子整合条件に適合するように構成するようにしたので、バンドギャップを深さ方向に変化させた構造を持たせる場合に、各検知領域間の結晶性の問題を解消することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜基本構成＞
図１は、本発明に係る物理情報取得装置の一例であって、バンドギャップを制御することで色分別をする撮像装置（イメージセンサ）の概念を説明する図である。

図示するように、ガラス基板上にバンドギャップＥｇが異なる材料を順次積層させることで色分別させる。本例では、青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、および赤色光（Ｒ）を分別して検知するべく、Ｅｇ（Ｂ）＞Ｅｇ（Ｇ）＞Ｅｇ（Ｒ）となるように積層する、つまり各検知層のそれぞれのバンドギャップを順次小さくするようにしている。すなわち、青色光の検知層では青色光だけが吸収して緑色光と赤色光が透過できるようなバンドギャップＥｇにする。この点は、特許文献２に記載の仕組みと同じである。

青色光の検知層では、その層のバンドギャップＥｇ（Ｂ）を、たとえば、Ｅｇ（Ｂ）＝２．３８〜２．５３ｅＶで、望ましくはＥｇ（Ｂ）＝２．４５〜２．４９ｅＶになるようにする。このようにすることで青色光の検知層では青色光だけを検知し、緑色光や赤色光を検知しない。

また、緑色光の検知層では赤色光を検知しないように、その層のバンドギャップＥｇ（Ｇ）を、たとえばＥｇ（Ｇ）＝１．９８〜２．２０ｅＶで、望ましくはＥｇ（Ｇ）＝２．０７〜２．１２ｅＶになるようにする。こうすることで青色光と緑色光の検知ができるようになる。

なお、ここで青色光の検知層において青色光が十分に吸収されるような厚さになっていれば青色光が緑色光の層まで到達しないので、緑色光の検知層では緑色光だけを検知できることになる。たとえばそれは青色光の吸収係数をαＢ（ｃｍ＾−１；“＾”はべき乗を示す；以下同様）とすると、青色光の強度が緑色光検知層との界面で１／ｅ以下になるような青色光の検知層の厚み、すなわち１／αＢ×１０＾−４（μｍ）以上に厚くする。さらに望ましくは、強度が１／ｅ２以下になるように２／αＢ×１０＾−４（μｍ）以上に厚くする。

最後に、赤色の検知層では、赤色光を検知できるように、その層のバンドギャップＥｇ（Ｒ）を、たとえばＥｇ（Ｒ）＝２．２０ｅＶ以下にする。望ましくはＥｇ（Ｒ）＝１．９０ｅＶ以下になるようにする。こうすることで赤色光を検知できる。

ここで、緑色光が赤色光の検知層に入射しないように緑色光の検知層の吸収係数をαＧ（ｃｍ＾−１）とすると、緑色光の強度が１／ｅ以下になるように緑色光の検知層の厚みを１／αＧ×１０＾−４（μｍ）以上に厚くする。望ましくは、強度が１／ｅ２以下になるように２／αＢ×１０＾−４（μｍ）以上に厚くする。

＜バンドギャップを得る第１の方法；第１例＞
図２は、バンドギャップを得る第１の方法の一例（第１の方法の第１例という）を説明する図である。

上述のようなバンドギャップを得る方法としては、先ず第１の方法として、化合物半導体である混晶系の組成比を変えることでバンドギャップを制御する第１の方法を採用することができる。たとえばＡｌＧａＩｎＰ系混晶やＳｉＧｅＣ系混晶やＺｎＣｄＳｅ系混晶やＡｌＧａＩｎＮ系混晶が挙げられる。

特に、図２に示す第１の方法の第１例は、ＳｉＣ系に同じＶＩ族元素Ｇｅを入れる、つまり、Ｇｅを入れてＳｉＧｅＣ系の混晶とする態様である。図２に示すように、ＳｉＣ系においては同じＶＩ族元素である上に、一般的に多く使われているＳｉ基板との相性が良好である。よって、ＳｉとＣの組成比によってバンドギャップを効率よく制御することができる。

仮にベガード則が成り立つとした場合、青色光の検知層では、たとえばＳｉＸＣ１−Ｘの組成をＸ＝０．６８とすると、Ｅｇ（Ｂ）＝２．４８ｅＶ、また緑色光の検知層では、Ｘ＝０．７６とするとＥｇ（Ｇ）＝２．１ｅＶとなり、上述の範囲を満たすことになる。ここで赤の検知層はＳｉ基板をそのまま用いてもよい。

このように、バンドギャップを制御することで、色分別をすることができる。減色フィルタを用いないので、光−電気信号の変換効率が高くなり、高い感度特性が得られる。また色別にセンサが必要でないために１つの画素に１つのセンサで済むようになる。そのために高密度画素数のイメージセンサを実現できるようになる。

＜バンドギャップを得る第１の方法；第２例＞
図３は、混晶系の組成比を変える第１の方法の他の例（第１の方法の第２例という）を説明する、量子井戸型構造を示す図である。この第１の方法の第２例は、Ｇｅを入れてＳｉＧｅＣ系混晶にすることで格子不整Δａの絶対値を小さくする点に特徴を有する。

すなわち、Ｓｉ基板を用いた場合、ＳｉＣ系だけでバンドギャップを制御すると図３に示すように、Ｃの格子定数がＳｉのそれより小さいために格子不整の絶対値が大きくなる。そのためにＳｉ／ＳｉＣ界面の所でミスフィット転位が導入されて結晶性が劣化することがある。そこで、Ｓｉの格子定数より大きいＧｅをＳｉＣに混ぜることによって、格子不整の絶対値を小さくし、結晶性を高くする。

ここで述べている格子不整を次式（１）で定義する。なお、ａ_SiはＳｉの格子定数で、ａ_SiC はＳｉＣ混晶の格子定数である。

＜バンドギャップを得る第１の方法；その他の変形例＞
上述した第１の方法のそれぞれは、化合物半導体である混晶系の組成比を変えることでバンドギャップを制御する手法であり、特に、Ｇｅを入れてＳｉＧｅＣ系の混晶とすることで結晶性を高めるようにしている。

しかしながら、混晶系の組成比を変えることでバンドギャップを制御する第１例においては、これに限らず、たとえば、ＳｉとＳｉＣまたはＳｉＧｅＣ系層の界面に、所定の厚さ（たとえば厚み１０ｎｍ程度以下の薄膜）の超格子層を１層以上入れてもよい。

なお、この場合、超格子の薄膜は、Ｓｉと格子定数の異なるものであればよい。すなわち、ＳｉＧｅＣ系で組成比の異なる層を多層に積層してもよい。

こうすることで、追加した超格子層での歪みが緩和されたり、転位が横方向に抜けたりするようになり、このことによって結晶性を高くすることができる。

以上のように、バンドギャップを得る第１の方法においては、超格子層の結晶欠陥の発生を抑えることができる。これにより、超格子層でトラップされる電子の発生を抑制することができるので暗電流を抑えることができる。また、このことと同時に、結晶欠陥による光散乱を抑えることもできるので、結果として、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

＜バンドギャップを得る第２の方法；第１例＞
図４および図５は、バンドギャップを得る第２の方法の一例（第２の方法の第１例という）を説明する図である。ここで、図４は、ＳｉＧｅＣ中にＳｉの量子井戸を作製した場合の計算結果を示す図である。また、図５は、量子井戸の積層構造例を示す図である。

この第２の方法は、量子サイズ効果を用いることでバンドギャップを制御する点に特徴を有する。第２の方法において量子サイズ効果を用いるには、その１つの方法として、３元以上の混晶と量子井戸層の組合せた量子井戸型構造にする方法を採用するとよい。

たとえば、第２の方法の第１例では、図３に示したように、ＳｉＧｅＣ中にＳｉの量子井戸を形成することで、Ｓｉ／ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ基板の構造とした点に特徴を有している。なお、ここでのＳｉＧｅＣのＳｉとＧｅとＣの組成比は１：０．２：１としている。

図４においては、井戸であるＳｉ層の厚みＬを横軸にして、さらに図３に示すように伝導帯の下端から量子準位までのエネルギ増分ΔＥ_Cn（ただし基底準位をｎ＝１とする）と同様に、荷電子帯の上端から量子準位までのエネルギ増分ΔＥ_Vn（ただし基底準位ｎ＝１）を足したトータルなエネルギ増分ΔＥ₁ _totalを縦軸にプロットして示している。

この場合、計算は次式（２−１）に従う。なお、式（２−１）中のｍ^* は、キャリアの実効質量を表し、電子と重い正孔の実効質量ｍ_e ，ｍ_hhは、それぞれ式（２−２）、式（２−３）とした。式（２−２）および式（２−３）中のｍ₀ は自由電子の質量を表す。

この結果から、Ｓｉ層の厚みＬを４ｎｍ以下にすることで、エネルギ増分を大きくすることができることが判る。特にＳｉ層を厚み０．９５ｎｍの超格子構造にすることでＥｇ＝２．４〜２．５ｅＶとなり、青色検知に対応する。さらにＳｉ層の厚みを１．１０ｎｍの超格子構造にすることでＥｇ＝２．０〜２．１ｅＶとなり、緑色検知に対応する。

なお、超格子層を多層にして、量子井戸の積層構造を形成するようにしてもよい。たとえば、図５のように、Ｅｇ＝１．１ｅＶのＳｉ基板１１を赤色検知領域１２とし、このＳｉ基板１１の上に、ＳｉＧｅＣ層（図中のハッチングなし部）とＳｉ層（図中の斜線ハッチング部）を交互に繰り返して積層することで、厚み１．１０ｎｍの井戸層（Ｓｉ層）をＳｉＧｅＣ層の中に多層形成させる。この厚み１．１０ｎｍの井戸層（Ｓｉ層）を有するＥｇ＝２．０〜２．１ｅＶの領域を緑色検知領域１４とする。

さらに、緑色検知領域１４の上に、ＳｉＧｅＣ層（図中のハッチングなし部）とＳｉ層（図中の斜線ハッチング部）を交互に繰り返して積層することで、厚み０．９５ｎｍの井戸層（Ｓｉ層）をＳｉＧｅＣ層の中に多層形成させる。この厚み０．９５ｎｍの井戸層（Ｓｉ層）を有するＥｇ＝２．４〜２．５ｅＶの領域を青色検知領域１６とする。

このような構造にすることで、バンドギャップＥｇを深さ方向に変化させ、バンドギャップＥｇの異なる領域を作ることができ、これによって、効率良く色分離ができるようになる。

もちろん、バンドギャップを得る第２の方法の第１例においても、超格子層の結晶欠陥の発生を抑えることができる。これにより、超格子層でトラップされる電子の発生を抑制することができるので暗電流を抑えることができるし、これと同時に、結晶欠陥による光散乱を抑えることもできるので、結果として、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

＜信号の取出方法＞
図６および図７は、信号の取出方法を説明する図である。図６および図７では、ＣＯＭＳ構造への適用例で示している。なお、図６および図７では、１つのフォトダイオード群を示している。

図６に示す第１例のように、ＣＯＭＳ構造の固体撮像素子２０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色のそれぞれの光の吸収領域（信号電荷生成部；検知層２２，２４，２６；纏めてフォトダイオード群）に対応してＰＮ接合を配置した構造を持ち、半導体層に対して、縦方向にＰＮ接合が繰り返して存在している。

より具体的には、Ｐ型のＳｉ基板２１内において、それぞれのフォトダイオード群ごとに、深さ方向（図中のＺ方向）の各対応位置にｎ型の不純物をドープすることでそれぞれ独立したｎ型Ｓｉ領域２２Ｎを形成することで、赤色光を検出する赤色検知層（赤色検知領域）２２を設ける。

また、それぞれのフォトダイオード群ごとに対応するｎ型Ｓｉ領域２２Ｎにおいて、緑色光に対応する深さ方向（図中のＺ方向）の検出位置に、先ずｐ型の不純物をドープしてｐ型Ｓｉ領域２４Ｐを形成し、さらにそのｐ型Ｓｉ領域２４Ｐにおいて緑色光に対応する深さ方向（図中のＺ方向）の検出位置にｎ型Ｓｉ領域２４Ｎを形成して、緑色光を検出する緑色検知層（緑色検知領域）２４を設ける。

さらに、それぞれのフォトダイオード群ごとに対応するｎ型Ｓｉ領域２４Ｎにおいて、青色光に対応する深さ方向（図中のＺ方向）の検出位置に先ずｐ型の不純物をドープしてｐ型Ｓｉ領域２６Ｐを形成し、さらにそのｐ型Ｓｉ領域２６Ｐにおいて青色光に対応する深さ方向（図中のＺ方向）の検出位置にｎ型の不純物をドープしてｎ型Ｓｉ領域２６Ｎを形成することで、青色光を検出する青色検知層（青色検知領域）２６を設ける。

必要に応じて、暗電流を低減することで低ノイズ化を図るべく、ｎ型Ｓｉ領域２６Ｎの表面に、濃度の濃いｐ型の不純物をドープしてｐ型Ｓｉ領域２６Ｐ＋を形成する。つまり、Ｎ+ 型不純物領域からなるＮＰダイオードの表面側の電荷蓄積層上にさらに、Ｐ+型不純物領域からなる正孔蓄積層が積層された、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulated Diode)構造とする（たとえば特開平５−３３５５４８号公報、特開２００３−７８１２５号公報を参照）。

これにより、図示するように、ｎ型Ｓｉ領域２２Ｎ、ｐ型Ｓｉ領域２４Ｐ、ｎ型Ｓｉ領域２４Ｎ、ｐ型Ｓｉ領域２６Ｐ、およびｎ型Ｓｉ領域２６Ｎを、順次湾曲に積層させてバームクーヘン状の構造を持つようにしている。

このような構造を持つ固体撮像素子２０において、各フォトダイオード群（赤色検知層２２、緑色検知層２４、および青色検知層２６）は、それぞれの画素のＰ型層（ｐ型Ｓｉ領域）とそれに対応したＮ型層（ｎ型Ｓｉ領域）で形成される光電変換素子の層間に発生する電荷によって、所定色の光を検知する。

こうすることで、固体撮像素子２０においては、フォトダイオード（光電変換素子）をなす赤色検知層２２、緑色検知層２４、および青色検知層２６が、画素ごとに独立して設けられるようになる。各検知層２２，２４，２６は、半導体層の深さ方向に並ぶので、事実上、色別に画素を設ける必要がなく、１つの画素で、３色の検知に対応することができる。こうすることで、面方向にＲ，Ｇ，Ｂ各色の画素を並べる従来の構造に比べて、事実上、画素サイズを３倍にすることができる。単位面積当たりに入射する光量を多くすることができ、光−電気信号の変換効率を高くでき、高い感度特性が得られるようになる。

このような構造の固体撮像素子２０では、青、緑、赤色のそれぞれに対応したＮ型層（ｎ型Ｓｉ領域２２Ｎ，２４Ｎ，２６Ｎ；図中の斜線ハッチング部）に信号電荷が溜まる。そこで、この信号電荷を、電気信号に変換するべく、電荷−電圧信号変換部１０５で電気信号に変換するとともに増幅して読み出す。この電荷−電圧信号変換部１０５の構成は、公知のＣＭＯＳセンサにおけるフローティングディフュージョンを利用した画素内アンプなどと同様のものでよい。

たとえば、図６に示すように、電荷−電圧信号変換部１０５は、光を受光して電荷に変換する光電変換機能とともに、その電荷を蓄積する電荷蓄積機能の各機能を兼ね備えた電荷生成部（フォトダイオード群）１３２に対して、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ１３６、読出線選択用トランジスタ１４０、およびフローティングディフュージョン１３８の電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタ１４２を、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれについて備えている。つまり、転送ゲートは存在せず、色分離用の各検知層２２，２４，２６に対応する各光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒから直接電気的に電荷−電圧信号変換部１０５に接続される構成を採っている。

電荷−電圧信号変換部１０５は、電荷蓄積部の機能を備えた電荷注入部の一例であるフローティングディフュージョン１３８を有するＦＤＡ（Floating Diffusion Amp）構成の画素信号生成部を有するものとなっている。フローティングディフュージョン１３８は寄生容量を持った拡散層である。

リセットトランジスタ１３６は、リセット配線（ＲＳＴ）１５６を介して図示しないリセット駆動バッファにより駆動されるようになっている。読出線選択用トランジスタ１４０は、読出選択線（ＳＥＬ）１５２を介して図示しない選択駆動バッファにより駆動されるようになっている。各駆動バッファは、それぞれ独立に駆動可能になっている。

電荷−電圧信号変換部１０５におけるリセットトランジスタ１３６は、ソースがフローティングディフュージョン１３８や増幅用トランジスタ１４２のゲートに、ドレインが電源ＶＮにそれぞれ接続され、ゲート（リセットゲートＲＧ）にはリセットパルスＲＳＴがリセット駆動バッファから入力される。このリセットトランジスタ１３６は、フローティングディフュージョン１３８の電位をリセットする機能を持つ。

読出線選択用トランジスタ１４０は、一例として、ドレインが増幅用トランジスタ１４２のソースに、ソースが画素線１５１にそれぞれ接続され、ゲート（特に読出選択ゲートＳＥＬＶという）は読出選択線１５２に接続されている。なおこのような接続構成に限らず、読出線選択用トランジスタ１４０は、ドレインが電源ＶCC、ソースが増幅用トランジスタ１４２のドレインにそれぞれ接続され、ゲートが読出選択線１５２に接続されるようにしてもよい。

読出選択線１５２には、読出選択信号ＳＥＬ（Ｒｏｗ）が印加される。増幅用トランジスタ１４２は、ゲートがフローティングディフュージョン１３８に接続され、ドレインが電源ＶCCに、ソースは読出線選択用トランジスタ１４０のドレインを介して画素線１５１に接続され、さらに読出信号線１５３に接続されるようになっている。

このような構成の電荷−電圧信号変換部１０５では、フローティングディフュージョン１３８は増幅用トランジスタ１４２のゲートに接続されているので、増幅用トランジスタ１４２はフローティングディフュージョン１３８の電位（以下ＦＤ電位という）に対応した信号を電圧モードで、画素線１５１を介して読出信号線１５３に出力する。

リセットトランジスタ１３６は、フローティングディフュージョン１３８をリセットする。読出選択用トランジスタ（転送トランジスタ）を設ける場合は、電荷生成部１３２にて生成された信号電荷をフローティングディフュージョン１３８に転送する。

読出信号線１５３には多数の画素が接続されることになるが、画素を選択するのには、選択画素のみ読出線選択用トランジスタ１４０をオンする。すると選択画素のみが読出信号線１５３と接続され、読出信号線１５３には選択画素の信号が出力される。

ここで、図６に示す回路構成では、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれについて個別に電荷−電圧信号変換部１０５を設けている。このため、回路規模が大きくなるものの、同一画素位置のＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を独立かつ同時に取得することができる。

一方、図７（Ａ）に示す第２例の回路構成では、一群のＲ，Ｇ，Ｂについて１つの電荷−電圧信号変換部１０５を設けている。このため、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色信号を時分割で取得する必要がある。

このため、図６に示す第１例の回路構成との対比においては、電荷生成部（フォトダイオード群）１３２をなす各色用の光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒとフローティングディフュージョン１３８との間の接続構成が異なる。

具体的には、電荷生成部１３２と増幅用トランジスタ１４２のゲートとの間に、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ（転送トランジスタ）を設ける。この場合、読出選択用トランジスタは、転送配線（読出選択線ＴＸ）を介して転送駆動バッファにより駆動されるようにする。つまり、光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒのそれぞれに対して、色別に転送ゲート１３４Ｂ，１３４Ｇ，１３４Ｒを設けた構造である。各転送ゲート１３４Ｂ，１３４Ｇ，１３４Ｒは、図示しない制御部によって制御される。なお、図７（Ａ）では、読出線選択用トランジスタ１４０を割愛して示している。

このような構成例の構造においては、色分離用の各検知層２２，２４，２６に対応する各光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒはそれぞれに対応する転送ゲート１３４Ｂ，１３４Ｇ，１３４Ｒを通じて、増幅用トランジスタ１４０とリセットトランジスタ１３６などを有する電荷−電圧信号変換部１０５へ接続されて、リセット状態と信号読出し状態を示した図７（Ｂ）に示す各タイミングに応じて画素信号を垂直信号線１５３に出力する。それぞれの信号電荷を読み出す前にフローティングディフュージョン１３８をリセットさせることで、Ｒ→Ｇ→Ｂの順（順序を入れ替えてもよい）に、画素信号Ｒ，Ｇ，Ｂを独立に読み出すことができる。同一画素位置のＲ，Ｇ，Ｂの各色信号を同時に取得することはできないが、回路規模を小さくすることができる。

なお、各光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒから信号を取り出す回路例は、ここで示した方式に限らず、色分離された各光電変換素子１３２Ｂ，１３２Ｇ，１３２Ｒにて得られる信号電荷を読み出す各種の公知の回路方式を適宜適用することができる。

＜バンドギャップを得る第２の方法；第２例＞
図８〜図１１は、バンドギャップを得る第２の方法の一例（第２の方法の第２例という）を説明する図である。ここで、図８は図３に対応し量子井戸型構造を示す図であり、図９は図４に対応しＺｎＳＳｅ（ＳとＳｅの組成比はｘ：１−ｘ）中にＣｄＳｅの量子井戸を作製した場合の計算結果を示す図である。また、図１０は図５に対応するもので量子井戸の積層構造例を示す図であり、図１１はそれぞれの格子定数を示す図である。

この第２の方法の第２例では、量子サイズ効果を用いることでバンドギャップを制御して基板と完全に格子整合させる点に特徴を有する。量子サイズ効果を用いるには、その１つの方法として、量子井戸型構造を用いた方法を採用するとよい。

たとえば、第２の方法の第２例では、図８に示すように、ＺｎＳＳｅ中にＣｄＳｅの量子井戸を形成することで、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳＳｅ／ＧａＡｓ基板の構造とした点に特徴を有している。なお本例では、ＺｎＳＳｅ層のＳの組成ｘを０．０６、Ｓｅの組成“１−ｘ”を０．９４とする。

図９においては、井戸であるＣｄＳｅ層の厚みＬを横軸にして、さらに図８に示すように伝導帯の下端から量子準位までのエネルギ増分ΔＥ_Cn（ただし基底準位をｎ＝１とする）に対応するもので、荷電子帯の上端から量子準位までのエネルギ増分ΔＥ_Vn（ただし基底準位ｎ＝１）を足したトータルなエネルギ増分ΔＥ₁ _totalを縦軸にプロットして示している。ここで、ＣｄＳｅ層のバンドギャップは１．１５ｅＶである。

この場合、計算は次式（３−１）に従う。なお、式（３−１）中のｍ^* は、キャリアの実効質量を表し、電子と重い正孔の実効質量ｍ_e ，ｍ_hhは、ＣｄＳｅの場合、それぞれ式（３−２）、式（３−３）となる。式（３−２）および式（３−３）中のｍ₀ は自由電子の質量を表す。

この結果から、ＣｄＳｅ層の厚みＬを８ｎｍ以下にすることで、エネルギ増分を大きくすることができることが判る。特にＣｄＳｅ層を厚み２．３ｎｍを中心に±０．１ｎｍまでの範囲の厚みの超格子構造にすることで、Ｅｇ＝２．４〜２．５ｅＶとなり、青色検知に対応する。さらにＣｄＳｅ層の厚みを３．５ｎｍを中心に±０．３ｎｍまでの範囲の厚みの超格子構造にすることで、Ｅｇ＝２．０〜２．１ｅＶとなり、緑色検知に対応する。

また、ＣｄＳｅ層の厚みを、４．０ｎｍ以上の超格子構造にすることで、Ｅｇ≦２．０ｅＶとなり、赤色検知に対応する。

なお、この第２の方法の第２例においても、第２の方法の第１例と同様に、超格子層を多層にして、量子井戸の積層構造を形成するようにしてもよい。たとえば、図１０のように、ＧａＡｓ基板３１（図中の格子ハッチング部）の上に、ＺｎＳＳｅ層（図中のハッチングなし部）とＣｄＳｅ層（図中の斜線ハッチング部）を交互に繰り返して積層することで、厚み６．０ｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）をＺｎＳＳｅ層の中に多層形成させる。この厚み６．０ｎｍｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）を有するＥｇ≦２．０ｅＶの領域を赤色検知領域３２とする。

また、赤色検知領域３２の上に、ＺｎＳＳｅ層（図中のハッチングなし部）とＣｄＳｅ層（図中の斜線ハッチング部）を交互に繰り返して積層することで、厚み３．５ｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）をＺｎＳＳｅ層の中に多層形成させる。この厚み３．５ｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）を有するＥｇ＝２．０〜２．１ｅＶの領域を緑色検知領域３４とする。

さらに、緑色検知領域３４の上に、ＺｎＳＳｅ層（図中のハッチングなし部）とＣｄＳｅ層（図中の斜線ハッチング部）を交互に繰り返して積層することで、厚み２．３ｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）をＺｎＳＳｅ層の中に多層形成させる。この厚み２．３ｎｍの井戸層（ＣｄＳｅ層）を有するＥｇ＝２．４〜２．５ｅＶの領域を青色検知領域３６とする。

このような構造にすることで、バンドギャップＥｇを深さ方向に変化させ、バンドギャップＥｇの異なる領域を作ることができ、これによって、効率良く色分離ができるようになる。

ところで、それぞれの格子定数は図１１に示された通りであるが、この図１１から、ＺｎＳＳｅ層のＳの組成ｘを０．０６、Ｓｅの組成“１−ｘ”を０．９４とするなど、ＺｎＳＳｅ層のＳの組成ｘよりもＳｅの組成“１−ｘ”の方が遙かに大きく、Ｓの組成ｘが微小であるときに、ＧａＡｓ基板３１と格子整合することがベガード則から判る。このように、ＧａＡｓ基板３１と格子整合させることで、ミスフィット転位などの欠陥の発生が抑えられる。

さらに、ＣｄＳｅ層の格子定数（ａ＝６．０７Ａ）はＧａＡｓ基板３１の格子定数（ａ＝５．６５４Ａ）と大きく異なるが、本例ではＣｄＳｅ層を極めて薄い極薄層（薄い超格子層）にしており、こうすることで、ミスフィット転位などの欠陥の発生を抑えることができる。

以上のように、バンドギャップを得る第２の方法の第２例においても、超格子層の結晶欠陥の発生を抑えることができる。これにより、超格子層でトラップされる電子の発生を抑制することができるので暗電流を抑えることができる。また、このことと同時に、結晶欠陥による光散乱を抑えることもできるので、結果として、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

ところで、上述の説明では、ＣｄＳｅの井戸層について述べたが、ＺｎＣｄＳｅの井戸層としてもよい。この場合、Ｚｎの組成ｘとＣｄの組成“１−ｘ”の組成比によって量子効果を考慮に入れていないバルクのバンドギャップが変化するので、量子効果を考慮した最適な井戸層の厚みが変化する。

その量子効果を考慮に入れていないバルクのバンドギャップＥｇは、ベガード則が成り立つとしたとき、下記式（４）のように示すことができる。

したがって、３原色の分光としてＺｎＣｄＳｅの井戸層の組成“Ｚｎ：Ｃｄ＝１：１−ｘ”を一定にして井戸層の厚みを変化させてもよいし、または井戸層の厚みを変化させずにＺｎの組成ｘだけを変化させて所定のバンドギャップを得てもよいし、両者ともに変化させてもよい。

＜製法に関して＞
ところで、上述のような化合物系材料の結晶成長は、たとえば、ウエハ上に薄膜を形成するＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長法）あるいはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属気相成長法）や、イオン注入法や、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ；分子線エピタキシ）や、レーザアブレーションや、スパッタ法などの各種方法を用いることでも可能である。以下、バンドギャップを深さ方向に変化させた構造を持つイメージセンサを製造する手法について説明する。

＜イオン注入法＞
図１２は、イオン注入法の適用事例を説明する図である。ここでは、図６に示した固体撮像素子２０を製造する場合への適用事例で示す。イオン注入を利用する場合、そのイオン注入を繰り返し行なうことで固体撮像素子２０に示す構造を作製できる。

たとえばｐ基板上に各色に対応した結晶を成長させた後に（Ｓ１０）、ｎ型ドーパント種のイオンを高い加速エネルギで打ち込む（Ｓ１２）。さらに、それより低い加速エネルギでｐ型ドーパント種のイオンを打ち込み（Ｓ１４）、さらにそれより低い加速エネルギでｎ型ドーパント種のイオンを打ち込む（Ｓ１６）。さらに、Ｓ１４，Ｓ１６と同様の処理を行なう。このように、加速エネルギが順次低くなるように変化させることで、イオンの打ち込みの深さを変えることができ、結果的に、図６に示した固体撮像素子２０のような構造ができる。

＜熱拡散法＞
図１３は、熱拡散法の適用事例を説明する図である。ここでは、図６に示した固体撮像素子２０を製造する製造プロセス（特に不純物拡散プロセス）への適用事例で示す。熱拡散を利用する場合にも、イオン注入法と同様に、熱拡散を繰り返し行なうことで固体撮像素子２０に示す構造を作製できる。

不純物を熱拡散させてｎ型層やｐ型層を得る場合、拡散領域を同じマスクを用いて順次ｐ型とｎ型不純物を拡散させるプロセス工程を経ることで製造してもよい。このようなプロセス工程にすれば、プロセス上簡便であり、コストの低減を図ることができる。

たとえば、図１３に示すように、同じ酸化膜マスクを用いて、ｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとを順次熱拡散させることでも複数（多層）のフォトダイオード領域の形成が可能となる。したがってプロセス上簡便であり、コストの低減が図られる。

特に、図６に示した固体撮像素子２０のようなバームクーヘン状の層構造を持つ場合には、３原色の光電変換素子（フォトダイオード）用の各検知層２２，２４，２６の全てを形成するためのマスクを１つにして共通にすることができる。

＜ＣＶＤ法＞
図１４〜図１６は、ＣＶＤ法の適用事例を説明する図である。ここで、図１４は、ＣＶＤ法の処理手順を示すフローチャートであり、図１５は、製造される固体撮像素子の層構造を示す模式図であり、図１６は、固体撮像素子の層構造の最終形態を示す模式図である。なお、ここでは、Ｓｉ／ＳｉＧｅＣ系量子井戸を持つ図６に示したような固体撮像素子２０への適用事例で示す。

図１４に示すように、ｎ型のＳｉ基板上にＣＶＤ法を用いてＳｉＧｅＣ層（組成比１：０．２：１）の結晶を成長させる（Ｓ２０）。たとえば、先ず、Ｓｉ基板をＮＨ₄ ＯＨ，Ｈ ₂ Ｏ₂ ，Ｈ₂ Ｏ（１：１：５）混合液に１０分間浸すことで表面洗浄した後に（Ｓ２１）、ＨＦ（ＨＦ：Ｈ₂ Ｏ＝１：５０）処理を１０秒行なうことで自然酸化膜を除去する（Ｓ２２）。このような工程を経ることで、表面を清浄化することができ、その後の結晶成長の結晶性を向上させることができる。

次に、このＳｉ基板を用意して基板ホルダーに設置する（Ｓ２３）。さらに、圧力１×１０⁴ Ｐａで基板温度を１１５０℃でＨ₂ ガスを１リットル／ｍｉｎの条件でモノシランＳｉＨ₄ とＣ₃ Ｈ₈ とＧｅＨ₄ をそれぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎと５９μｍｏｌ／ｍｉｎと５μｍｏｌ／ｍｉｎの条件で同時供給することでＳｉＧｅＣ結晶をＳｉ基板に１０ｎｍの厚みで成長させる（Ｓ２４）。

その後に、ＳｉＨ₄ のみを供給することでＳｉ量子井戸層を１．１ｎｍほど成長させる（Ｓ２６）。

これを繰り返して、トータルの厚みが３μｍになるようにすることで、緑色検知量子井戸領域を作製する（Ｓ２８）。

さらに同様の手順により、ＳｉＧｅＣ層（組成比１：０．２：１）を１０ｎｍとＳｉ量子井戸層が０．９５ｎｍの厚みになるように繰り返してトータルな厚みが２μｍになるように青色検知量子井戸領域を作製する（Ｓ３４〜Ｓ３８）。

これにより、図１５に示すような量子井戸の積層構造を製造することができる。なお、図１５は、図５に示した量子井戸の積層構造を簡略して示したものである。

この後、たとえば熱拡散法を適用して、ｐ型とｎ型のドーパントであるボロンＰとリンＰを所定の深さで、交互に拡散させる（Ｓ４０）。また、必要に応じて、最後の最表面に、ボロンＢをドーピングして、ｐ型Ｓｉ領域２６Ｐ＋を形成することで、暗電流を低減化させる構造にするとよい（Ｓ４２）。

こうすることで、図１６に示すように、緑色検知層２４と青色検知層２６については、Ｓｉ／ＳｉＧｅＣ系の多層量子井戸構造中に、ｎ型Ｓｉ領域２４Ｎ，２６Ｎとｐ型Ｓｉ領域２４Ｐ，２６Ｐを形成することができる。なお、図６に示したものとの対比では、Ｓｉ基板２１をｐ型からｎ型に変更しているため、赤色検知層２２内に、ｐ型Ｓｉ領域２２Ｐを形成している。

なお、ここではＣＶＤ法を用いたが、たとえばレーザアブレーション法では、ターゲット材料にＳｉＧｅＣを用いて結晶成長させることも可能である。

＜ＭＢＥ法＞
図１７〜図１９は、ＭＢＥ法の適用事例を説明する図である。ここで、図１７は、ＭＢＥ法の処理手順を示すフローチャートであり、図１８は、製造される固体撮像素子の層構造を示す模式図であり、図１９は、固体撮像素子の層構造の最終形態を示す模式図である。なお、ここでは、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳＳｅ系量子井戸を持つ図６に示したような固体撮像素子２０への適用事例で示す。

図１７に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板３１上にＭＢＥ法を用いて、Ｚｎ_0.94Ｓ_0.06Ｓｅ層とＺｎ_0.1 Ｃｄ_0.9 Ｓｅ層をそれぞれ１０ｎｍと６．０ｎｍの厚みになるようにシャッタを用いて交互に成長させる（Ｓ５０Ｒ）。このときのバンドギャップＥｇは１．９９ｅＶに対応する。これを繰り返して、この量子井戸構造全体の厚みが３μｍになるようにすることで、赤色検知量子井戸領域（赤色検知領域３２）を作製する（Ｓ５２Ｒ）。

さらに同様の手順により、緑色検知量子井戸領域（緑色検知領域３４）と青色検知量子井戸領域（青色検知領域３６）とを順次作製する。たとえば、同じくＭＢＥ法を用いて、Ｚｎ_0.94Ｓ_0.06Ｓｅ層とＺｎ_0.1 Ｃｄ_0.9 Ｓｅ層をそれぞれ１０ｎｍと３．２ｎｍの厚みになるようにシャッタを用いて交互に成長させる（Ｓ５０Ｇ）。このときのバンドギャップＥｇは２．２１ｅＶに対応する。これを繰り返して、この量子井戸構造全体の厚みが２μｍになるようにすることで、緑色検知量子井戸領域を作製する（Ｓ５２Ｇ）。

また、同じくＭＢＥ法を用いて、Ｚｎ_0.94Ｓ_0.06Ｓｅ層とＺｎ_0.1 Ｃｄ_0.9 Ｓｅ層をそれぞれ１０ｎｍと２．４ｎｍの厚みになるようにシャッタを用いて交互に成長させる（Ｓ５０Ｂ）。このときのバンドギャップＥｇは２．４９ｅＶに対応する。これを繰り返して、この量子井戸構造全体の厚みが１．５μｍになるようにすることで、青色検知量子井戸領域を作製する（Ｓ５２Ｂ）。

これにより、図１８に示すような量子井戸の積層構造を製造することができる。なお、図１８は、図１０に示した量子井戸の積層構造を簡略して示したものである。

この後、たとえば熱拡散法を適用して、ｐ型とｎ型のドーパントであるリンＰと塩素ＣＬを所定の深さで、交互に拡散させる（Ｓ５４）。また、必要に応じて、最後の最表面に、リンＰをドーピングして、ｐ型Ｓｉ領域３６Ｐ＋を形成することで、暗電流を低減化させる構造にするとよい（Ｓ５６）。

こうすることで、図１９に示すように、赤色検知層２２と緑色検知層２４と青色検知層２６について、ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳＳｅ系の多層量子井戸構造中に、ｎ型Ｓｉ領域２２Ｎ，２４Ｎ，２６Ｎとｐ型Ｓｉ領域２２Ｐ，２４Ｐ，２６Ｐを形成することができる。なお、図１６に示したものとの対比では、図１６のＳｉ基板２１をｎ型のＧａＡｓ基板２１に変更した構造であり、結果的には、赤色検知層２２の下部に、ＧａＡｓ基板２１が設けられた構造となっている。

なお、ここではＭＢＥ法を用いたが、たとえばＭＯＣＶＤ法を用いても、同様な構造が作製可能である。

また、何れの製法においても、最後に、図６などに示した読出回路のように、ＣＭＯＳ構造を通常のプロセスで作製して固体撮像素子とする。

これらの固体撮像素子は、半導体層に対して深さ方向にＲ，Ｇ，Ｂの色分離用の層を持つ縦型構造のイメージセンサとなり、色フィルタなしで３原色の分離が可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、バンドギャップを制御することで色分別をする層を形成するようにした。また、特に、結晶性を考慮して素子構造を規定するようにした。このため、超格子層の結晶欠陥の発生を抑えることができるようになり、結晶欠陥に起因した様々な問題、たとえば、暗電流や光散乱を抑えることができるようになり、ノイズの少ない画像を得ることができるようになる。

もちろん、バンドギャップを制御することで色分別をする層を備えるイメージセンサとしたことによる効果を享受できる。たとえば、減色フィルタを使うことなく波長分離（色分離）が実現できる。この結果、各波長に対応した検知層を、半導体層の縦方向（深さ方向）に並べることができ、面方向に波長別（色別）の画素を並べる従来の構造に比べて、事実上、画素サイズを大きくすることができ、単位面積当たりに入射する光量を多くすることができるようになり、光−電気信号の変換効率を高くでき、高い感度特性が得られるようになる。

また、検知層を半導体層の縦方向（深さ方向）に並べることができるので、事実上、波長別に画素を設ける必要がなく、１つの画素で、複数の波長を分離して検知することができるようになる。この結果、高密度画素数のセンサを実現するのが容易になる。もちろん、色フィルタが不要であるために、低コストになる。

また、波長による吸収係数の違いを利用したセンサでは、たとえば青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるために混色が生じ色の識別能が低下するが、バンドギャップを利用した構造の場合には、この混色の問題を解消することができ十分な色再現性を得ることができる。これにより、信号処理で混色の補正を行なう必要がなく、その分の回路を省くことができ、低コストになる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

＜＜４色以上の分光＞＞
たとえば、上記実施形態では、可視光帯をＢ，Ｇ，Ｒの３原色の波長成分に分けることについて述べたが、実際には１画素内で半導体層の縦方向に形成されるフォトダイオード群に設ける色別の検知層（事実上の光電変換素子）をさらに分別することで、さらに細かく分光できるようになるから、４色以上の多色の検知が可能となる。この場合、従来の３原色方式の撮像ではできなかった正確な色の情報を検知できるようになる。すなわち、４色以上の多色に分けて検知することも可能であり、赤、緑、および青以外の分光色の成分を増やすほど、より正確な情報を得ることができるようになる。

３原色だけの撮像方式では色度図上で３原色のそれぞれの原点で構成される三角形より外側のところを検出することができない。これに対して、三角形の外側の色成分を検知する第４色（あるいはそれ以上）用の検知層を配してフォトダイオード群内において色を細かく分光することで、三角形の外側での正確な色を検知できることになる。したがってディスプレイ側でその信号を再生した場合、色再現もより正確に行なわれることになる。さらにディスプレイ側にも４色以上の多色表示システムを用いるとさらに正確でかつ色度図上の色再現範囲の広い映像が得られることになる。

たとえば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色を感知するため各検知層に加えて、第４色としてエメラルド（Ｅ）を感知するため検知層を配して、４色の分光を行なう構成とすることもできる。エメラルドは、波長的には青色と緑色との間に位置し、青色光と緑色光との間に分光されるので、フォトダイオード群内において、青色光を検知する検知層と緑色光を検知する検知層との間に、エメラルド光を検知する検知層を配置するようにすればよい。

この場合、カラー画素に色再現性を高めるために第４のカラー画素Ｅが加わったものであり、全体の動作は、上記説明と全く同様にすることができ、上記で述べたと同様の効果を享受することができる。この４色の場合、より正確な情報を得ることができ、このセンサを用いて検出したイメージ像を信号に変換して、さらにディスプレイ側でその信号を再生した場合、色再現も正確に行なわれる。さらにディスプレイ側にも４色以上の多色表示システムを用いると正確でかつ色再現範囲の広い映像が得られる。

色信号処理についての詳細な説明は割愛するが、４色分の検知層に対応して、４色で撮影された各色の画素信号から、人間の目に近いＲＧＢの３色を作り出すためのマトリックス演算を行なう画像処理プロセッサを設ける。赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）に加えてエメラルド（Ｅ）をも検知するようにすれば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色での検知よりも色再現の差を低減させることができ、たとえば青緑色や赤色の再現性を向上させることができる。

＜＜可視光帯以外の分光＞＞
さらに上述の技術は必ずしも可視光帯内での複数の波長成分への分光に限った技術ではない。構造を最適化すれば、減色フィルタを用いずに、赤外光や紫外光の分光や検知も可能となる。この場合、たとえば可視光とともに赤外光や紫外光も同時に検出してイメージ化できる。また、同時に検出する可視光については、分光せずにモノクロ画像を検知することに限らず、上述のようにして可視光帯内をたとえば３原色成分に分光することでカラー画像を検知することもできる。これによって眼で見ることができる可視光のイメージ像（モノクロ画像あるいはカラー画像）と対応して、眼で見ることのできない赤外光や紫外光の像情報を同時に取得することができる。これによって暗視カメラや光合成監視カメラなどの新しい情報システムのキーデバイスとして応用が広がる。

バンドギャップを制御することで色分別をする撮像装置（イメージセンサ）の概念を説明する図である。 バンドギャップを得る第１の方法の第１例を説明する図である。 混晶系の組成比を変える第１の方法の第２例を説明する量子井戸型構造を示す図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第１例を説明する、ＳｉＧｅＣ中にＳｉの量子井戸を作製した場合の計算結果を示す図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第１例を説明する、量子井戸の積層構造例を示す図である。 信号の取出方法（第１例）を説明する図である。 信号の取出方法（第２例）を説明する図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第２例を説明する量子井戸型構造を示す図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第２例を説明するＺｎＳＳｅ中にＣｄＳｅの量子井戸を作製した場合の計算結果を示す図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第２例を説明する量子井戸の積層構造例を示す図である。 バンドギャップを得る第２の方法の第２例を説明する格子定数を示す図である。 イオン注入法の適用事例を説明する図である。 熱拡散法の適用事例を説明する図である。 ＣＶＤ法の適用事例を説明する、処理手順を示すフローチャートである。 ＣＶＤ法の適用事例を説明する、製造される固体撮像素子の層構造を示す模式図である。 ＣＶＤ法の適用事例を説明する、固体撮像素子の層構造の最終形態を示す模式図である。 ＭＢＥ法の適用事例を説明する、処理手順を示すフローチャートである。 ＭＢＥ法の適用事例を説明する、製造される固体撮像素子の層構造を示す模式図である。 ＭＢＥ法の適用事例を説明する、固体撮像素子の層構造の最終形態を示す模式図である。 特許文献１に記載のセンサの仕組みを説明する図である。

符号の説明

１１，２１…Ｓｉ基板、１２，３２…赤色検知領域、１４，３４…緑色検知領域、１６，３６…青色検知領域、２０…固体撮像素子、２２…赤色検知層、２４…緑色検知層、６…青色検知層、３１…ＧａＡｓ基板、１０５…電荷−電圧信号変換部、１３２…電荷生成部、１３６…リセットトランジスタ、１３８…フローティングディフュージョン、１４０…読出線選択用トランジスタ、１４２…増幅用トランジスタ

Claims (5)

1. 所定の基板上にバンドギャップエネルギを利用した複数の検知領域を備え、各検知領域で電磁波を波長分離して検知することにより、前記電磁波の各波長に対応する単位信号を出力する物理量分布検知のための物理情報取得装置であって、
   前記検知領域は、格子整合系で、もしくは所定の元素を添加することで格子整合条件に適合するように構成されている
   ことを特徴とする物理情報取得装置。
2. 前記検知領域は、３元以上の混晶により、前記格子整合条件に適合するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理情報取得装置。
3. 前記検知領域は、量子井戸構造を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理情報取得装置。
4. 前記検知領域は、超格子構造を有している
   ことを特徴とする請求項３に記載の物理情報取得装置。
5. 前記検知領域は、前記基板と格子整合した構造を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理情報取得装置。
   

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