JP2006269922A

JP2006269922A - 単板式カラー固体撮像素子

Info

Publication number: JP2006269922A
Application number: JP2005088466A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Suzuki; 信雄鈴木
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】半導体基板の深さ方向に複数のフォトダイオードを設け半導体の光吸収係数の波長依存性を利用してカラー信号を分離して検出する撮像素子で、フォトダイオード間の分光感度特性の分離を良好にする。
【解決手段】シリコン基板１０１の深さ方向にｎ型またはｐ型の半導体層１０３を挟んだ２つのｐｎ接合面１１３，１１４を設けシリコンの光吸収係数の波長依存性により入射光を青色と赤色に分離し青色光によって発生した電荷をｐｎ接合面１１３で検出し赤色光によって発生した電荷をｐｎ接合面１１４で検出する単板式カラー固体撮像素子で、入射光の入射によって半導体層１０３で発生する光電荷のうち少数キャリアが半導体層１０３内でｐｎ接合面１１３方向とｐｎ接合面１１４方向とに分流する境界面Ｙ_１の位置が、青色と赤色に分離する光の波長に対応するシリコン深さとなるような厚さに半導体層１０３を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は１画素で赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色の信号を検出する単板式カラー固体撮像素子に係り、特に、色再現性が良好で高感度，高解像度のカラー画像を撮像することができる単板式カラー固体撮像素子に関する。

従来のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに代表される単板式カラー固体撮像素子は、光電変換する画素（フォトダイオード）配列上にモザイク状にＲ，Ｇ，Ｂの各色フィルタを搭載している。そして、カラー固体撮像素子の各画素から出力される色フィルタに応じた色信号を信号処理することで、カラー画像を生成する様になっている。

しかし、色フィルタがモザイク状に配置されたカラー固体撮像素子は、原色の色フィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｂの３色）の場合，入射光の２／３が各色フィルタで吸収されるため、光利用効率が悪く、感度が低いという欠点を持っている。また、各画素で１色の色信号しか得られないため解像度も悪く、特に、偽色が目立つという欠点もある。

そこで、斯かる欠点を克服するために、例えば、特許文献１，２に記載されている様に、３層の光電変換膜を積層した撮像素子が研究，開発されている。この撮像素子は、例えば、光入射面から順に、青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の夫々の光に対して信号電荷（電子，正孔）を発生する光電変換膜を３層積層した画素構造を備え、しかも各画素毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出す信号読出回路を備えている。この撮像素子の場合、入射光を殆ど光電変換するため、可視光の利用効率は１００％に近く、しかも１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られる構造になっているため、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像が得られるという利点がある。

また、特許文献３に記載された撮像素子は、シリコン基板内に光信号を検出する３層のウェル（フォトダイオード）を設け、シリコン基板の深さの違いにより、分光感度が異なる信号を取り出す様にしている。つまり、表面のｐｎ接合部からは青色（Ｂ）にピークを持つ信号を取り出し、中間のｐｎ接合部からは緑色（Ｇ）にピークを持つ信号を取り出し、深部のｐｎ接合部からは赤色（Ｒ）にピークを持つ信号を取り出す様にしている。この撮像素子も、特許文献１，２に記載の撮像素子と同様に、高感度で、高解像度（偽色が目立たない）の良好な画像を撮像することができる。

しかし、特許文献１，２の撮像素子は、３層の光電変換膜を基板上に積層しなければならず、また、各光電変換膜毎かつ画素毎に区分けして設けた画素電極膜と基板上に設けた信号読出回路とを接続する縦配線の形成が難しく、製造工程が複雑でコストが嵩み、また、製造歩留まりが低いという問題を抱えている。

一方、特許文献３の撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色信号の分光感度特性の分離が十分でないため色再現性が悪く、かつ、真のＲ，Ｇ，Ｂ信号を得るために出力信号の加減算を行う必要があり、この加減算処理によってＳ／Ｎが劣化してしまうという問題がある。

そこで、特許文献１，２及び特許文献３の各問題を解決する撮像素子として、特許文献４に記載の撮像素子が提案されている。この撮像素子は、特許文献１，２の撮像素子と特許文献３の撮像素子のハイブリッド型となっている。即ち、シリコン基板の上層に緑色（Ｇ）光に感度を持つ光電変換膜を１層だけ積層し、シリコン基板内に２つのｐｎ接合（フォトダイオード）を設けて、浅部のｐｎ接合部で青色（Ｂ）光の信号を、深部のｐｎ接合部で赤色（Ｒ）光の信号を取り出す構造になっている。

この撮像素子は、光電変換膜が１層のため製造工程が簡単となり、製造コストの上昇が抑制されると共に、製造歩留まりの低下も殆どなくなるという利点を有する。また、光電変換膜で緑色（Ｇ）光が吸収されシリコン基板内には青色（Ｂ）光と赤色（Ｒ）光のみが入射する構成のため、シリコン基板内のＢ光用のｐｎ接合部とＲ光用のｐｎ接合部の分光感度特性の分離が改善されて色再現性が良くなり、かつ、Ｓ／Ｎも良い画像を撮像することが可能となる。

特表２００２―５０２１２０号公報特開２００２―８３９４６号公報特表２００２―５１３１４５号公報特開２００３−３３２５５１号公報

しかしながら、特許文献４のハイブリッド型の撮像素子は、特許文献３の撮像素子も同様であるが、シリコン基板側に設ける複数のｐｎ接合部における分光感度特性の分離が悪く、カラー画像の色再現性が良くないという問題がある。これを図６で説明する。シリコン基板１０には、上層の図示しない光電変換膜で緑色光が吸収された光（赤色光と青色光の混合光）が入射する。このシリコン基板１０には、表面から順に、ｐ型層１１と、ｎ型層１２と、ｐ型層１３とが積層状態で設けられており、ｐ型層１１とｎ型層１２との界面すなわちｐｎ接合面が第１のフォトダイオード２１を構成し、ｎ型層１２とｐ型層１３との界面（ｐｎ接合面）が第２のフォトダイオード２２を構成している。

特許文献４では、青色光を感知する第１のフォトダイオード（ｐｎ接合面）２１の最適な深さＸ_１を０．１５μｍとし、赤色光を感知する第２のフォトダイオード（ｐｎ接合面）２２の最適な深さＸ_２を１．５μｍとしている。これら最適な深さ０．１５μｍ，１．５μｍは、夫々、シリコンが青色光，赤色光の大部分を吸収するシリコンの厚さに対応している。これにより、特許文献４では、青色光によって発生した光電荷はフォトダイオード２１に蓄積され、赤色光によって発生した光電荷はフォトダイオード２２に蓄積されるとしている。

しかし、これは、夫々の半導体層１１，１２，１３で光発生した多数キャリアの信号電荷に対しては正しいが、少数キャリアの信号電荷の拡散効果を無視している。また同様に、少数キャリアの電界ドリフト効果も無視している。例えば、半導体層１２のうち半導体層１１に近い側の領域１２ａで光発生した少数キャリアの信号電荷はフォトダイオード２１に流入するが、この信号電荷は、本来は、主として赤色光によって発生した信号電荷である。このため、フォトダイオード２１が検出する信号は青色光と赤色光とが混ざった信号であり、この図６の構成では青色の信号電荷と赤色の信号電荷の分離が良好でなく、これらの信号電荷に基づいてカラー画像を再現したとき、その色再現性が良くないという問題がある。

また、次の様な問題もある。赤色光を感知するフォトダイオード２２の感度を上げるために、ｐｎ接合面２２の位置Ｘ_２を更に深くすると、上記の部分領域１２ａが更に深さ方向に広がり、ますます青色光と赤色光の分離度が低下してしまう。更に、フォトダイオード２２が検出する信号電荷に寄与する小数キャリアの光発生領城は、半導体層１２から上記の領域１２ａを除いた領域１２ｂであり、Ｘ_２を深くするとこの領域１２ｂが増大して赤色光の光吸収量が増え、赤色光に対する感度は上昇する傾向がある。しかし、領域１２ｂは、シリコン基板表面から遠く離れるため、Ｘ_２がある深さ以上になると、実質的な赤色光の光吸収量は低下してしまい、赤色光の感度を効果的に上げることはできない。

本発明の目的は、シリコン基板に積層構造で設ける複数のフォトダイオードの色分離性能を向上させ色再現性の優れたカラー画像を撮像できる単板式カラー固体撮像素子を提供することにある。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、シリコン基板の深さ方向にｎ型またはｐ型の半導体層を挟んだ２つのｐｎ接合面を設けシリコンの光吸収係数の波長依存性により入射光を２色に分離し一方の色の光によって発生した電荷を一方の前記ｐｎ接合面で検出し他方の色の光によって発生した電荷を他方の前記ｐｎ接合面で検出する単板式カラー固体撮像素子において、前記入射光の入射によって前記半導体層で発生する光電荷のうち少数キャリアが該半導体層内で前記一方のｐｎ接合面方向と前記他方のｐｎ接合面方向とに分流する境界面の位置が、前記２色に分離する光の波長に対応するシリコン深さとなるような厚さに前記半導体層を製造したことを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記境界面の位置を、前記半導体層の厚さ方向中点位置として製造したことを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記境界面の位置を、前記半導体層内の電位分布の極大値または極小値の位置として該半導体層を製造したことを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記シリコン基板の上層に緑色光を吸収する光電変換膜を積層して前記入射光を青色光と赤色光の混合光にし、該シリコン基板の浅部に形成された前記一方のｐｎ接合面で青色光を検出すると共に該シリコン基板の深部に形成された前記他方のｐｎ接合面で赤色光を検出するとき、前記境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．３μｍ〜０．９μｍの間の深さとなるように該半導体層を製造したことを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記半導体層より深部に設けられ該半導体層と反対導電型の半導体層内で該反対導電型半導体層の少数キャリアが前記深部のｐｎ接合面方向と前記シリコン基板の裏側方向とに分流する境界面の位置を、前記シリコン基板の表面から少なくとも２μｍとなるような厚さに前記反対導電型半導体層を製造したことを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記光電変換膜が有機半導体で形成されていることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、シリコン基板の表面部にｎ型またはｐ型の第１半導体層を設け、該第１半導体層の下に該第１半導体層と反対導電型の第２半導体層を設け、該第２半導体層の下に該第２半導体層と反対導電型の第３半導体層を設け、該第３半導体層の下に該第３半導体層と反対導電型の第４半導体層を設け、入射光中の短波長光に応じて発生する光電荷を前記第１，第２の半導体層の接合面で構成される第１のフォトダイオードで検出し、入射光中の中間波長光に応じて発生する光電荷を前記第２，第３の半導体層の接合面で構成される第２のフォトダイオードで検出し、入射光中の長波長光に応じて発生する光電荷を前記第３，第４の半導体層の接合面で構成される第３のフォトダイオードで検出する単板式カラー固体撮像素子において、前記第２の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第１のフォトダイオードの方向と前記第２のフォトダイオードの方向に分流する第１の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．２μｍ〜０．５μｍの範囲の間に設定し、前記第３の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第２のフォトダイオードの方向と前記第３のフォトダイオードの方向とに分流する第２の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．７μｍ〜１．５μｍの範囲の間に設定し、前記第４の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第３のフォトダイオードの方向と前記シリコン基板の裏側方向とに分流する第３の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から少なくとも２μｍの位置に設定することを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記シリコン基板の表面部にＭＯＳトランジスタ回路または電荷転送路で構成される信号読出回路が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、半導体層内で少数キャリアがシリコン基板の表面方向と裏面方向とに分流する境界面の位置を、シリコンの光吸収係数の波長依存性によって決まる色分離の位置に設定したので、検出されるカラー信号の色分離性能が向上し、色再現性の優れたカラー画像を撮像することが可能となる。また、１画素で３色のカラー信号を検出できるため、高解像度，高感度のカラー画像を得ることが可能となる。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。図１に示す単位セルが、二次元的に縦横に配列形成されることで、１つの撮像素子が構成される。

本実施形態の単板式カラー固体撮像素子１００はハイブリッド型で成り、シリコン基板１０１内に２つのフォトダイオード１１３，１１４を形成して青色（Ｂ）光の入射光量と赤色（Ｒ）光の入射光量を各フォトダイオードで検出し、シリコン基板１０１の上層に積層した光電変換膜１０７で緑色（Ｇ）光の入射光量を検出する構成をとっている。

先ず、上層の緑色（Ｇ）光検出部分の構成について述べる。シリコン基板１０１の表面をシリコン酸化膜等の透明な絶縁膜１０５で覆い、また、この絶縁膜１０５内に図示しない光遮蔽膜を埋設する。この光遮蔽膜には、シリコン基板１０１内に設ける後述の２つのフォトダイオード１１３，１１４の受光面にＢ光とＲ光を入射させる開口を持っている。

絶縁膜１０５上には光遮蔽膜の開口（図示せず）を覆う様に透明の画素電極膜１０６が積層され、この画素電極膜１０６が、シリコン基板１０１表面部に形成された図示しない信号電荷蓄積部に縦配線によって接続され、この信号電荷蓄積部に緑色信号検出部１１０が接続される。画素電極膜１０６は、ＩＴＯ等の様な金属化合物や非常に薄い金属膜で形成され、隣接する画素の画素電極膜とは分離されている。

画素電極膜１０６の上には光電変換膜１０７が積層され、光電変換膜１０７の上には透明な共通電極膜１０８が積層され、更にその上には保護膜として機能する透明絶縁膜１０９が積層される。

共通電極膜１０８は画素電極膜１０６と同様にＩＴＯ等で形成され、隣接する画素の共通電極膜と共通の一枚構成で積層されるが、共通電極膜を画素毎に分離してもよい。画素電極膜１０６と共通電極膜１０８との間にバイアス電位を印加することで、光電変換膜１０７内で発生した電荷を画素電極膜１０６から緑色用の図示しない信号電荷蓄積部に速やかに移動させることができる。

光電変換膜１０７は、単層膜構造でも多層膜構造でも良く、その材料は、主に緑色（Ｇ）に感度がある無機材料（シリコンや化合物半導体、それらのナノ粒子等）、有機半導体、有機色素を含む有機材料または無機材料等で形成される。

次に、シリコン基板１０１に設ける２つのフォトダイオード構造について述べる。シリコン基板１０１の表面部の深い部分にｐ型半導体層１０４が形成され、その上にｎ型半導体層１０３が形成され、その上にｐ型半導体層１０２が形成される。

青色光の入射光量に応じた光電荷を発生する第１のフォトダイオード１１３は、上記のｐ型半導体層１０２とｎ型半導体層１０３とのｐｎ接合によって構成され、赤色光の入射光量に応じた光電荷を発生する第２のフォトダイオード１１４は、上記のｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０３とのｐｎ接合によって構成される。ｐ型半導体層１０２には、青色信号検出部１１１が接続され、ｎ型半導体層１０３には、赤色信号検出部１１２が接続される。

尚、図１に図示は省略しているが、シリコン基板１０１の表面部には、各色の信号検出部１１０，１１１，１１２を構成するスイッチ用，増幅器用のＭＯＳトランジスタ回路等の信号読出回路が形成されている。あるいは、電荷転送路で構成される信号読出回路が形成されている。

斯かる構成の単板式カラー固体撮像素子に被写体からの光が入射すると、先ず、入射光は光電変換膜１０７を通過する。入射光中の緑色（Ｇ）光の入射光量に応じた光電荷が光電変換膜１０７内で発生し、この光電荷が信号検出部１１０によって検出される。

シリコン基板１０１に入射した光のうち、波長の短い青色光によって発生した光電荷は、主としてシリコン基板１０１の浅部に形成された第１のフォトダイオード１１３に蓄積され、波長の長い赤色光によって発生した光電荷は、シリコン基板１０１の深部の第２のフォトダイオード１１４に蓄積される。第１のフォトダイオード１１３に蓄積された信号電荷は青色信号検出部１１１によって検出され、第２のフォトダイオード１１４に蓄積された信号電荷は赤色信号検出部１１２に検出される。

ここで、本実施形態のカラー固体撮像素子では、第１のフォトダイオード１１３に蓄積される信号電荷が青色光の入射光量に応じ、第２のフォトダイオード１１４に蓄積される信号電荷が赤色光の入射光量に応じるように、各半導体層１０２，１０３，１０４の形成深さを次の様に設計している。

図２は、シリコン基板１０１の深さ方向に対する電位分布を示す図である。カラー固体撮像素子を動作させる場合、フォトダイオード１１３，１１４は逆バイアス状態になっており、空乏層が発生している。そのため、半導体層１０２と半導体層１０３との間には電位勾配１２０が発生し、半導体層１０３と半導体層１０４との間には電位勾配１２１が生じる。

半導体層１０４と基板１０１との界面部分に生じる電位勾配１２２は、不純物密度の違いにより発生するバンドの曲がりに対応する電位勾配である。図２は、ｐ型シリコン基板１０１の不純物密度が、ｐ型半導体層１０４の不純物密度より小さい場合を示している。また、説明を簡単にするため、シリコン基板１０１内や各半導体層１０２，１０３，１０４内の不純物密度は均一としている。

フォトダイオード１１３，１１４は、逆バイアス状態であり、空乏層が発生している。しかし、それ以外の部分では電気的な中性が保たれているため、電位分布は平坦である。

本実施形態では、半導体層１０３の電位平坦部分の中点が、青色光に対する光吸収の最適のシリコン厚みＹ_１とほぼ一致する様に半導体層１０３の厚さが設計されている。また、半導体層１０４の電位平坦部分の中点が、赤色光に対する光吸収の最適のシリコン厚みＹ_２とほぼ一致する様に半導体層１０４の厚さが設定されている。尚、図３に、特許文献３に紹介されているシリコンの光吸収係数の波長依存性を示すグラフを示す。

半導体層１０３で光発生した正孔の一部は、フォトダイオード１１３に移動し、蓄積される。また、他の一部は、フォトダイオード１１４に移動し、蓄積される。電位平坦部分では拡散が支配的であり、丁度その中点を境に、中点よりフォトダイオード１１３側で発生した正孔１２３は図示の左手方向、即ちフォトダイオード１１３方向に移動する。中点よりフォトダイオード１１４側で発生した正孔１２４は、図示の右手方向、即ちフォトダイオード１１４方向に移動する。つまり、深さＹ_１が正孔の分流の境界面となる。

ところで、深さＹ_１は、青色光に対する光吸収の最適のシリコン厚さであり、この深さＹ_１までに光発生した信号電荷は全てフォトダイオード１１３に蓄積される。従って、従来例に比較して、大幅に青色と赤色の色分離が向上する。

深さＹ_１は、０．３ミクロン〜０．９ミクロンの間が最適である．本実施形態では、従来例の様に、ｐｎ接合面の位置を最適な深さにするのではなく、少数キャリア（ｎ型半導体層１０３であるから、少数キャリアは正孔）の分流の境界面を最適な深さにするため、色分離が改善する。

同様に、半導体層１０４では、深さＹ_２が電子の分流の境界面となる。赤の感度の向上、さらに、近赤外光の感度向上を図るには、光発生した信号電荷がシリコン基板１０１側に流出するのを防ぐ必要がある。このため、深さＹ_２は２ミクロン以上が最適である。本実施形態では、従来例の様にｐｎ接合面の位置を最適深さとするのではなく、少数キャリア（ｐ型半導体層１０４であるから、少数キャリアは電子）の分流の境界面を最適な深さにするため、赤感度が向上する。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の説明図である。本実施形態も第１の実施形態と同様に緑色光をシリコン基板２０１の上層に積層した光電変換膜２０７で検出し、青色光と赤色光とはシリコン基板２０１に設けた２つのフォトダイオード２０５，２０６で検出する構成を採用したハイブリッド型となっている。

ｐ型シリコン基板２０１には、表面側から、ｐ型半導体層２０２、ｎ型半導体層２０３、ｐ型半導体層２０４を形成し、これにより、半導体層２０２，２０３間のｐｎ接合面が青色光検出用のフォトダイオード２０５となり、半導体層２０３，２０４間のｐｎ接合面が赤色光検出用のフォトダイオード２０６となる。

第１の実施形態では、半導体層１０２，１０３，１０４の不純物密度を均一としたが、実際には、イオン注入法等による不純物導入及びその後の熱工程により、半導体層の不純物密度は均一にならない場合がある。また、フォトダイオードの逆バイアスが非常に大きくて電気的な中性領域が無い場合もある。

本実施形態は、このような不純物密度が不均一な半導体層２０２，２０３，２０４を用いた例を示し、図４の下段に、その電位分布を示している。即ち、本実施形態では、電位勾配は平坦な部分が無くなる。しかし、斯かる半導体層２０２，２０３，２０４を用いても、第１の実施形態と同様に、各半導体層２０２，２０３，２０４の厚さを決定し製造することができる。

本実施形態では、電位勾配に平坦な部分が無いため、電位の極大点または極小点が、小数キャリアの分流境界面となる。従って、本実施形態では、半導体層２０３の電位極小点Ａを、青色光に対する光吸収の最適なシリコン厚さＹ_１に一致させ、且つ、半導体層２０４の電位極大点Ｂを、赤色光に対する光吸収の最適なシリコン厚さＹ_２に一致させる。これにより、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、青色と赤色の色分離が良くなり、また、赤の感度が高いカラー画像を撮像することが可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。上述した第１，第２の実施形態は、光電変換膜を１層用いたハイブリッド型カラー固体撮像素子のシリコン基板に設ける２つのフォトダイオードの製造深さを規定したが、本実施形態では、特許文献３に記載されている様なカラー固体撮像素子、即ち、シリコン基板内に３層のフォトダイオードを形成し、夫々の製造深さを規定することで、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の色分離性を向上させている。

本実施形態のカラー固体撮像素子３００のシリコン基板３０１には、表面から順に、ｐ型半導体層３０２、ｎ型半導体層３０３、ｐ型半導体層３０４、ｎ型半導体層３０５を形成する。これにより、半導体層３０２，３０３間のｐｎ接合面が青色光を検出するフォトダイオード３０６となり、その信号電荷が青色信号検出部３１０によって検出される。半導体層３０３，３０４間のｐｎ接合面が緑色光を検出するフォトダイオード３０７となり、その信号電荷が緑色信号検出部３１１によって検出され、半導体層３０４，３０５間のｐｎ接合面が赤色光を検出するフォトダイオード３０８となり、その信号電荷が赤色信号検出部３１２によって検出される。

本実施形態では、シリコン基板３０１の光吸収係数の波長依存性を利用してＲ光，Ｇ光，Ｂ光の３色を分離するため、Ｂ光とＲ光の２色を分離する第１，第２の実施形態とは異なる。しかし、考え方は第１，第２の実施形態と同じであり、各半導体層３０３，３０４，３０５内の少数キャリアの分流境界面３０３ａ，３０４ａ，３０５ａの表面からの位置が、色分離を行うシリコン厚さ（深さ）となるように設定している。

即ち、本実施形態では、最適なシリコンの厚みは、青色光に対しておよそ０．２ミクロン〜０．５ミクロン、緑色光に対して０．７ミクロン〜１．５ミクロン、赤色光に対して２ミクロン以上としている。これにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の色分離性が向上し、しかも、赤の感度が高いカラー画像を撮像することが可能となる。

尚、以上述べた各実施形態で用いた半導体層やシリコン基板の導電型は、実施形態のものに限るものではなく、反対導電型でも良い。

本発明に係る単板式カラー固体撮像素子は、シリコン基板に設ける複数のフォトダイオードの色分離性が向上し、色再現性の優れた高感度，高解像度のカラー画像を撮像できるため、従来のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサの代わりに用いると有用である。

本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド型単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。図１に示すハイブリッド型単板式カラー固体撮像素子の動作説明図である。シリコンの光吸収係数の波長依存性を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係るハイブリッド型単板式カラー固体撮像素子の動作説明図である。本発明の第３の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の単位セルの断面模式図である。従来の単板式カラー固体撮像素子の動作説明図である。

符号の説明

１００，３００単板式カラー固体撮像素子
１０１，３０１シリコン基板
１０２，１０４，２０２，２０４，３０２，３０４ｐ型半導体層
１０３，２０３，３０３，３０５ｎ型半導体層
１０７，２０７光電変換膜
１１３，２０５，３０６青色光検出用のフォトダイオード
３０７緑色光検出用のフォトダイオード
１１４，２０６，３０８赤色光検出用のフォトダイオード
３０３ａ，３０４ａ，３０５ａ，Ｙ_１，Ｙ_２少数キャリア分流境界面の位置

Claims

シリコン基板の深さ方向にｎ型またはｐ型の半導体層を挟んだ２つのｐｎ接合面を設けシリコンの光吸収係数の波長依存性により入射光を２色に分離し一方の色の光によって発生した電荷を一方の前記ｐｎ接合面で検出し他方の色の光によって発生した電荷を他方の前記ｐｎ接合面で検出する単板式カラー固体撮像素子において、前記入射光の入射によって前記半導体層で発生する光電荷のうち少数キャリアが該半導体層内で前記一方のｐｎ接合面方向と前記他方のｐｎ接合面方向とに分流する境界面の位置が、前記２色に分離する光の波長に対応するシリコン深さとなるような厚さに前記半導体層を製造したことを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
前記境界面の位置を、前記半導体層の厚さ方向中点位置として製造したことを特徴とする請求項１に記載の単板式カラー固体撮像素子。
前記境界面の位置を、前記半導体層内の電位分布の極大値または極小値の位置として該半導体層を製造したことを特徴とする請求項１に記載の単板式カラー固体撮像素子。
前記シリコン基板の上層に緑色光を吸収する光電変換膜を積層して前記入射光を青色光と赤色光の混合光にし、該シリコン基板の浅部に形成された前記一方のｐｎ接合面で青色光を検出すると共に該シリコン基板の深部に形成された前記他方のｐｎ接合面で赤色光を検出するとき、前記境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．３μｍ〜０．９μｍの間の深さとなるように該半導体層を製造したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子。
前記半導体層より深部に設けられ該半導体層と反対導電型の半導体層内で該反対導電型半導体層の小数キャリアが前記深部のｐｎ接合面方向と前記シリコン基板の裏側方向とに分流する境界面の位置を、前記シリコン基板の表面から少なくとも２μｍとなるような厚さに前記反対導電型半導体層を製造したことを特徴とする請求項４に記載の単板式カラー固体撮像素子。
前記光電変換膜が有機半導体で形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の単板式カラー固体撮像素子。
シリコン基板の表面部にｎ型またはｐ型の第１半導体層を設け、該第１半導体層の下に該第１半導体層と反対導電型の第２半導体層を設け、該第２半導体層の下に該第２半導体層と反対導電型の第３半導体層を設け、該第３半導体層の下に該第３半導体層と反対導電型の第４半導体層を設け、入射光中の短波長光に応じて発生する光電荷を前記第１，第２の半導体層の接合面で構成される第１のフォトダイオードで検出し、入射光中の中間波長光に応じて発生する光電荷を前記第２，第３の半導体層の接合面で構成される第２のフォトダイオードで検出し、入射光中の長波長光に応じて発生する光電荷を前記第３，第４の半導体層の接合面で構成される第３のフォトダイオードで検出する単板式カラー固体撮像素子において、前記第２の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第１のフォトダイオードの方向と前記第２のフォトダイオードの方向に分流する第１の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．２μｍ〜０．５μｍの範囲の間に設定し、前記第３の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第２のフォトダイオードの方向と前記第３のフォトダイオードの方向とに分流する第２の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から０．７μｍ〜１．５μｍの範囲の間に設定し、前記第４の半導体層内で発生する光電荷のうちの少数キャリアが前記第３のフォトダイオードの方向と前記シリコン基板の裏側方向とに分流する第３の境界面の位置を前記シリコン基板の表面から少なくとも２μｍの位置に設定することを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
前記シリコン基板の表面部にＭＯＳトランジスタ回路または電荷転送路で構成される信号読出回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子。