JP2007064633A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造プロセスを複雑化させることなく、赤外光を撮像することが可能な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】この固体撮像装置は、可視光が入射されることにより撮像を行う固体撮像素子１と、固体撮像素子１の可視光の入射側に設けられ、赤外光の熱エネルギーに対応する応力を発生させ、発生した応力を用いて可視光を発生させることにより、赤外光を可視光に変換する機能を有する波長変換素子１２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に、波長変換素子を備えた固体撮像装置に関する。

従来、波長変換素子を備えた固体撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、赤外光を可視光に変換する機能を有する蛍光体を用いた波長変換素子と、可視光についての撮像を行う固体撮像素子とを備えた従来の一例による固体撮像装置が開示されている。そして、上記特許文献１に開示された従来の固体撮像装置では、波長変換素子の蛍光体に赤外光を照射して可視光を発光させることにより赤外光を可視光に変換するとともに、その変換した可視光を固体撮像素子で撮像することによって、赤外光の撮像を行うことが可能なように構成されている。

特開平１１−４４５７３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の固体撮像装置では、波長変換素子の蛍光体に赤外光を照射して可視光を発光させることにより、赤外光を可視光に波長変換している。このように蛍光体に赤外光を照射して可視光を発光させる場合には、一般的に、蛍光体に赤外光を照射するのに先立って、蛍光体に所定の光を照射することにより蛍光体中のキャリア（電子）を励起させておく必要があると考えられる。これにより、上記特許文献１に開示された従来の固体撮像装置では、固体撮像装置の作製時に波長変換素子の蛍光体に対して光励起処理を行う必要があるという問題点がある。また、蛍光体の発光には、所定の期間の寿命が存在するので、蛍光体の発光が寿命に達した際には、追加の光励起処理を行う必要があるという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、波長変換素子の光励起処理を行うことなく、赤外光を撮像することが可能な固体撮像装置を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体撮像装置は、可視光が入射されることにより撮像を行う固体撮像素子と、固体撮像素子の可視光の入射側に設けられ、赤外光の熱エネルギーに対応する応力を発生させるとともに、発生した応力を用いて可視光を発生させることにより、赤外光を可視光に変換する機能を有する波長変換素子とを備えている。

この一の局面による固体撮像装置では、上記のように、可視光が入射されることにより撮像を行う固体撮像素子の可視光の入射側に赤外光を可視光に変換する機能を有する波長変換素子を設けることによって、赤外光の撮像を行うことができる。また、波長変換素子を、赤外光の熱エネルギーに対応する応力を発生させるとともに、発生した応力を用いて可視光を発生させることにより、赤外光を可視光に変換する機能を有するように構成することによって、蛍光体を含む波長変換素子を用いる場合と異なり、波長変換素子の蛍光体に光励起処理を行う必要がない。上記のようにして、波長変換素子の光励起処理を行うことなく、赤外光を撮像することが可能な固体撮像装置を得ることができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、波長変換素子は、赤外光を吸収して熱エネルギーに変換する熱エネルギー変換膜と、熱エネルギー変換膜の表面上に設けられ、熱エネルギーが加えられることにより所定の方向に歪みを生じることによって、熱エネルギーに対応する応力を発生させる応力発生膜と、応力発生膜の表面上に設けられ、応力が加えられることにより応力に対応する可視光を発生させる応力発光体膜とを含む。このように構成すれば、熱エネルギー変換膜により赤外光に対応する熱エネルギーを得ることができるとともに、応力発生膜によりその得られた熱エネルギーに対応する応力を発生させることができ、かつ、応力発光体膜によりその発生した応力に対応する可視光を発生させることができるので、容易に、波長変換素子により赤外光を可視光に変換することができる。

この場合において、好ましくは、波長変換素子の光の入射側に設けられ、可視光を実質的に透過させないとともに、赤外光を実質的に透過させる機能を有する赤外光透過部をさらに備える。このように構成すれば、赤外光透過部により実質的に外部からの可視光を固体撮像素子に入射させることなく、赤外光のみを赤外光透過部を介して波長変換素子に入射させることができる。これにより、波長変換素子により赤外光から変換された可視光のみを固体撮像素子に入射させることができる。その結果、外部からの可視光の影響を受けることなく赤外光の撮像を行うことができるので、確実に赤外光を撮像することができる。

上記赤外光透過部を含む構成において、好ましくは、赤外光透過部の波長変換素子側には、波長変換素子の熱エネルギー変換膜に対応する領域に凹部が設けられており、熱エネルギー変換膜は、平面的に見て、凹部の内側の領域に凹部と接触しないように配置された変換部と、変換部の一部と対応する赤外光透過部の凹部の外側の所定領域とを接続するように設けられ、変換部を支持する支持部とを含む。このように変換部の一部のみに接続される支持部により、熱エネルギー変換膜と対応する赤外光透過部の凹部の外側の所定領域とを接続することによって、変換部の周縁部の全体が対応する赤外光透過部の凹部の外側の領域に接続されている場合に比べて、変換部と赤外光透過部の凹部の外側の領域とを接続する部分の幅を小さくすることができる。これにより、熱エネルギーが熱エネルギー変換膜から赤外光透過部へ拡散しにくくすることができる。このため、熱エネルギー変換膜に赤外光が入射されることにより、赤外光に対応する熱エネルギーが発生した際、熱エネルギー変換膜から赤外光透過部への熱エネルギーの拡散に起因する熱エネルギーの損失を低減することができる。

上記応力発生膜を含む構成において、好ましくは、応力発生膜は、強誘電体膜を含み、強誘電体膜には、所定の方向に歪みが生じるような所定の電圧が印加される。このように構成すれば、応力発生膜（強誘電体膜）に印加する所定の電圧により所定の方向への歪みを増大させることができるので、赤外光の撮像時に応力発生膜（強誘電体膜）において発生する応力を増大させることができる。これにより、波長変換素子により赤外光を可視光に変換するとともに増幅することができる。

上記応力発生膜（強誘電体膜）に所定の電圧を印加する構成において、好ましくは、波長変換素子は、熱エネルギー変換膜との間で応力発生膜を挟み込むように設けられ、応力発生膜に所定の電圧を印加するための電圧印加膜をさらに含む。このように構成すれば、電圧印加膜により、容易に、応力発生膜（強誘電体膜）に所定の方向に歪みが生じるような所定の電圧を印加することができる。

上記電圧印加膜を含む構成において、好ましくは、赤外光透過部の表面上に設けられ、熱エネルギー変換膜に第１電位を供給するための第１配線層と、赤外光透過部の表面上に設けられ、電圧印加膜に第２電位を供給するための第２配線層とをさらに備え、赤外光透過部は、熱エネルギー変換膜に対応する領域に形成された凹部を有しており、熱エネルギー変換膜は、平面的に見て、凹部の内側の領域に凹部と接触しないように配置された変換部と、変換部と第１配線層とを接続するように設けられ、変換部を支持する第１支持部を含み、電圧印加膜は、平面的に見て、凹部の内側の領域に凹部と接触しないように配置された電圧印加部と、電圧印加部と第２配線層とを接続するように設けられ、電圧印加部を支持する第２支持部を含む。このように構成すれば、熱エネルギー変換膜の変換部を支持する第１支持部を介して、第１配線層から変換部に第１電位を供給するとともに、電圧印加膜の電圧印加部を支持する第２支持部を介して、第２配線層から電圧印加部に第２電位を供給することによって、容易に、熱エネルギー変換膜と電圧印加膜との間に挟み込まれた応力発生膜に所定の電圧を印加することができる。また、熱エネルギー変換膜の変換部を支持する第１支持部を用いて、第１配線層から変換部に第１電位を供給することによって、変換部を支持する支持部とは別個に、第１配線層から変換部へ第１電位を供給するための接続部を形成する必要がないので、熱エネルギー変換膜の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。また、電圧印加膜の電圧印加部を支持する第２支持部を用いて、第２配線層から電圧印加部に第２電位を供給することによって、電圧印加部を支持する支持部とは別個に、第２配線層から電圧印加部へ第２電位を供給するための接続部を形成する必要がないので、電圧印加膜の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。

上記一の局面による固体撮像装置において、好ましくは、固体撮像素子の可視光の入射側に設けられ、可視光を実質的に透過させないとともに、赤外光を実質的に透過させる機能を有する赤外光透過部と、少なくとも可視光を実質的に透過させる機能を有する可視光透過部とをさらに備え、赤外光は、赤外光透過部を透過して波長変換素子により可視光に変換された後、固体撮像素子に入射され、可視光は、可視光透過部を透過して固体撮像素子に入射される。このように構成すれば、１つの固体撮像装置で、赤外光に加えて可視光も撮像することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図２は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための概略的な平面レイアウト図である。図３は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の波長変換部の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。図４は、図３に示した第１実施形態による波長変換部の１００−１００線に沿った断面図である。図５は、図３に示した第１実施形態による波長変換部の１５０−１５０線に沿った断面図である。まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。

この第１実施形態による固体撮像装置は、図１に示すように、固体撮像素子１と、波長変換部２とを備えている。固体撮像素子１は、可視光が入射されることにより撮像を行う機能を有している。また、固体撮像素子１は、ｎ型シリコン基板３を含んでいる。このｎ型シリコン基板３の主表面には、所定の深さを有するｐ型ウェル領域４が形成されている。また、ｎ型シリコン基板３のｐ型ウェル領域４の表面には、ｎ型不純物領域からなる複数の光電変換部５がそれぞれ所定の間隔を隔てて形成されている。この複数の光電変換部５は、図２に示すように、光電変換により生成される電子の転送方向に沿って延びるように形成されている。また、ｎ型シリコン基板３上には、図１に示すように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜６が形成されている。この絶縁膜６上には、光電変換部５で生成された電子を転送させるための約１００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜からなる複数の転送電極７が設けられている。また、複数の転送電極７は、それぞれ、図２に示すように、電子の転送方向に沿って所定の間隔を隔てて配置されているとともに、電子の転送方向に直交する方向（図２のＸ方向）に沿って延びるように形成されている。

また、転送電極７上の隣接する光電変換部５間の領域に対応する位置には、図１に示すように、ＡｌやＷなどの金属材料からなる接続部８が設けられている。この接続部８は、各転送電極７に対して所定の数ずつ設けられている。また、接続部８上には、約３００ｎｍの厚みを有するとともに、Ｓｉを含有するＡｌ合金からなる配線層９が電子の転送方向（図２参照）に沿って延びるように設けられている。この配線層９は、隣接する光電変換部５間の領域に対応する位置に配置されている。そして、配線層９と転送電極７とは、所定の数の接続部８により互いに接続されている。これにより、配線層９から接続部８を介して転送電極７に電圧が供給されるように構成されている。また、転送電極７、接続部８および配線層９を覆うように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１０が形成されている。固体撮像素子１は、上記した光電変換部５を含むｎ型シリコン基板３と、絶縁膜６と、転送電極７と、接続部８と、配線層９と、絶縁膜１０とによって構成されている。

また、波長変換部２は、シリコン基板１１と、波長変換素子１２とによって構成されている。なお、シリコン基板１１は、本発明の「赤外光透過部」の一例である。また、シリコン基板１１は、可視光９０を透過させないとともに、１０μｍ帯の波長を有する遠赤外光７０を透過させる機能を有している。また、シリコン基板１１は、約０．５μｍ〜約１０μｍの厚みを有する絶縁体からなるスペーサ１３を介して固体撮像素子１の絶縁膜１０の可視光８０の入射側の面に対向するように配置されている。なお、シリコン基板１１およびスペーサ１３間と、固体撮像素子１の絶縁膜１０およびスペーサ１３間とは、それぞれ、はんだ付けされている。また、スペーサ１３は、図２に示すように、固体撮像装置の外周に沿って設けられている。また、スペーサ１３に囲まれ、かつ、シリコン基板１１と固体撮像素子１の絶縁膜１０との間に挟まれた空間領域は、真空状態に保持されている。また、シリコン基板１１の固体撮像素子１側の表面には、複数の凹部１４が形成されている。この複数の凹部１４は、図２に示すように、マトリックス状に配置されているとともに、図１に示すように、固体撮像素子１の光電変換部５に対応する位置に形成されている。また、凹部１４と、上記したシリコン基板１１と固体撮像素子１の絶縁膜１０との間の真空状態の空間領域１４ａとは繋がっている。これにより、凹部１４内の空間も真空状態に保持されている。

また、波長変換素子１２は、遠赤外光７０を可視光８０に変換する機能を有している。この波長変換素子１２は、図１および図３に示すように、シリコン基板１１の各凹部１４および固体撮像素子１の光電変換部５に対応する空間領域１４ａ内の位置に配置されている。また、波長変換素子１２は、固体撮像素子１の可視光の入射側で、かつ、シリコン基板１１の固体撮像素子１側の表面上に設けられている。また、波長変換素子１２は、図４および図５に示すように、熱エネルギー変換膜１５と、応力発生膜１６と、応力発光体膜１７とによって構成されている。

熱エネルギー変換膜１５は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって構成されている。この熱エネルギー変換膜１５は、シリコン基板１１を透過した遠赤外光を吸収するとともに、熱エネルギーに変換する機能を有している。また、熱エネルギー変換膜１５は、弾性変形可能に設けられている。また、熱エネルギー変換膜１５は、平面的に見て、シリコン基板１１の凹部１４の内側の領域に凹部１４と接触しないように配置された変換部１５ａと、変換部１５ａの４つの角部とシリコン基板１１の凹部１４の外側の領域とを繋ぐように設けられた４つの支持部１５ｂとによって構成されている。また、図５に示すように、熱エネルギー変換膜１５の変換部１５ａと４つの支持部１５ｂとは一体的に形成されており、変換部１５ａは、４つの支持部１５ｂによって弾性変形可能に支持されている。また、熱エネルギー変換膜１５の支持部１５ｂは、熱エネルギー変換膜１５と応力発生膜１６と応力発光体膜１７とからなる波長変換素子１２の支持部としても機能する。

応力発生膜１６は、熱エネルギー変換膜１５の変換部１５ａの固体撮像素子１側の表面上に形成されている。また、応力発生膜１６は、約０．１μｍ〜約１０μｍの厚みを有するとともに、ＰＺＴからなる強誘電体セラミックス膜によって形成されている。また、応力発生膜１６は、熱エネルギー変換膜１５から熱エネルギーが加えられることにより、下方側に凸上に湾曲するように歪みを生じることによって、加えられた熱エネルギーに対応する応力を発生させるように構成されている。また、応力発光体膜１７は、応力発生膜１６の固体撮像素子１側の表面上に形成されている。この応力発光体膜１７は、約０．１μｍ〜約１０μｍの厚みを有するとともに、Ｍｎを含有するＺｎＳによって形成されている。このＭｎを含有するＺｎＳからなる応力発光体膜１７は、応力発生膜１６により発生された応力が加えられることにより、その加えられた応力に対応する強度の可視光を発生する機能を有する。

図６は、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の波長変換素子の動作を説明するための断面図である。次に、図１および図３〜図６を参照して、本発明の第１実施形態による固体撮像装置の遠赤外光を撮像する際の動作について説明する。この第１実施形態による固体撮像装置では、遠赤外光７０のみが波長変換部２（図１参照）のシリコン基板１１を透過するとともに、可視光９０はシリコン基板１１を透過しない。そして、シリコン基板１１を透過した遠赤外光７０は、波長変換素子１２の熱エネルギー変換膜１５（図４参照）の変換部１５ａに入射する。そして、熱エネルギー変換膜１５に吸収された遠赤外光７０は、熱エネルギーに変換される。この際、熱エネルギー変換膜１５は、幅の小さい４つの支持部１５ｂ（図３参照）を介してシリコン基板１１に接続されているとともに、周囲の空間領域は真空状態に保持されているので、熱エネルギー変換膜１５外への熱エネルギーの拡散が低減される。そして、熱エネルギー変換膜１５で生じた熱エネルギーは、応力発生膜１６（図４参照）に伝達される。これにより、応力発生膜１６は、図６に示すように、下方側（固体撮像素子１（図１参照）側）に凸状に湾曲するように歪みを生じるとともに、応力を発生させる。この際、応力発光体膜１７も、下方側（固体撮像素子１（図１参照）側）に凸状になるように湾曲する。そして、応力発光体膜１７は、応力発生膜１６から加えられる応力に対応する強度の可視光８０を発光する。そして、応力発光体膜１７から発光された可視光８０は、固体撮像素子１の絶縁膜１０、転送電極７および絶縁膜６を介して光電変換部５に入射される。これにより、光電変換部５により光電変換が行われることによって、撮像が行われる。上記のようにして、第１実施形態による固体撮像装置では、遠赤外光の撮像が行われる。

第１実施形態では、上記のように、可視光８０が入射されることにより撮像を行う固体撮像素子１の可視光８０の入射側に遠赤外光７０を可視光８０に変換する機能を有する波長変換素子１２を設けることによって、遠赤外光７０の撮像を行うことができる。また、波長変換素子１２を、遠赤外光７０を吸収して熱エネルギーに変換する熱エネルギー変換膜１５と、熱エネルギーが加えられることにより所定の方向に歪みを生じることによって、熱エネルギーに対応する応力を発生させる応力発生膜１６と、応力が加えられることによりその応力に対応する可視光８０を発生させる応力発光体膜１７とによって構成することにより、遠赤外光７０を可視光８０に変換する機能を有するように構成することによって、蛍光体を含む波長変換素子を用いる場合と異なり、波長変換素子の蛍光体に光励起処理を行う必要がない。上記のようにして、波長変換素子１２の光励起処理を行うことなく、遠赤外光を撮像することが可能な固体撮像装置を得ることができる。

また、第１実施形態では、波長変換素子１２の光の入射側に、可視光９０を透過させないとともに、遠赤外光７０を透過させる機能を有するシリコン基板１１を設けることによって、シリコン基板１１により外部からの可視光９０を固体撮像素子１に入射させることなく、遠赤外光７０のみをシリコン基板１１を介して波長変換素子１２に入射させることができる。これにより、波長変換素子１２により遠赤外光７０から変換された可視光８０のみを固体撮像素子１に入射させることができる。その結果、外部からの可視光９０の影響を受けることなく遠赤外光７０の撮像を行うことができるので、確実に遠赤外光７０を撮像することができる。

また、第１実施形態では、シリコン基板１１の波長変換素子１２に対応する領域に凹部１４を形成するとともに、波長変換素子１２の熱エネルギー変換膜１５を、平面的に見て、凹部１４の内側の領域に凹部１４と接触しないように配置された変換部１５ａと、変換部１５ａの４つの角部と対応するシリコン基板１１の凹部１４の外側の所定領域とをそれぞれ接続するように設けられ、変換部１５ａを支持する支持部１５ｂとにより構成することによって、変換部１５ａの一部（４つの角部）のみに接続される支持部１５ｂにより、熱エネルギー変換膜１５と対応するシリコン基板１１の凹部１４の外側の所定領域とを接続することができるので、変換部１５ａの周縁部の全体がシリコン基板１１の凹部１４の外側の領域と接続されている場合に比べて、変換部１５ａと凹部１４の外側の領域とを接続する部分の幅を小さくすることができる。これにより、熱エネルギーが熱エネルギー変換膜１５からシリコン基板１１へ拡散しにくくすることができる。このため、熱エネルギー変換膜１５に遠赤外光が入射されることにより、その遠赤外光に対応する熱エネルギーが発生した際、熱エネルギー変換膜１５からシリコン基板１１への熱エネルギーの拡散に起因する熱エネルギーの損失を低減することができる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の波長変換部の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。図８は、図７に示した第２実施形態による波長変換部の２００−２００線に沿った断面図である。図９は、図７に示した第２実施形態による波長変換部の２５０−２５０線に沿った断面図である。図１０は、図７に示した第２実施形態による波長変換部の３００−３００線に沿った断面図である。図１１は、図７に示した第２実施形態による波長変換部の３５０−３５０線に沿った断面図である。次に、図７〜図１１を参照して、本発明の第２実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。

この第２実施形態による固体撮像装置では、上記第１実施形態と異なり、波長変換素子２２により遠赤外光を可視光に変換する際、その強度を増幅することが可能なように構成されている。具体的には、図８および図９に示すように、波長変換素子２２では、熱エネルギー変換膜２５との間で応力発生膜１６を挟み込むように、応力発生膜１６の固体撮像素子１（図１参照）側の表面上に電圧印加膜２６が設けられている。この電圧印加膜２６は、応力発生膜１６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）を印加するために設けられている。また、電圧印加膜２６は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有する弾性変形可能なポリシリコン膜によって形成されている。また、電圧印加膜２６の固体撮像素子１（図１参照）側の表面上には、応力発光体膜１７が設けられている。

また、図７、図１０および図１１に示すように、シリコン基板１１の固体撮像素子１（図１参照）の電子の転送方向に沿って隣接する凹部１４間の領域に、固体撮像素子１（図１参照）の電子の転送方向に直交する方向（図７のＸ方向）に延びるように、接地された配線層３０および電圧Ｖ（約２０Ｖ）を供給する配線層３１が設けられている。なお、この配線層３０は、本発明の「第１配線層」の一例であり、配線層３１は、本発明の「第２配線層」の一例である。また、配線層３０および３１は、それぞれ、固体撮像素子１（図１参照）の電子の転送方向に沿って交互に配置されている。また、配線層３０は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって形成されている。また、配線層３０は、配線層３０に隣接して配置された波長変換素子２２の熱エネルギー変換膜２５と一体的に形成されている。すなわち、第２実施形態では、熱エネルギー変換膜２５は、変換部２５ａと、変換部２５ａを支持する２つの支持部２５ｂとによって構成されている。なお、この支持部２５ｂは、本発明の「第１支持部」の一例である。そして、熱エネルギー変換膜２５の２つの支持部２５ｂは、変換部２５ａと配線層３０との間を繋ぐように、変換部２５ａおよび配線層３０と一体的に形成されている。これにより、熱エネルギー変換膜２５の変換部２５ａには、配線層３０および支持部２５ｂを介して接地電位（ＧＮＤ）が供給される。

また、配線層３１は、図１１に示すように、シリコン基板１１の固体撮像素子１（図１参照）側の表面上に絶縁膜３２を介して形成されている。また、配線層３１は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって形成されている。また、配線層３１は、電圧印加膜２６と一体的に形成されている。すなわち、電圧印加膜２６は、応力発生膜１６に対応するように形成された電圧印加部２６ａと、電圧印加部２６ａを支持する２つの支持部２６ｂとによって構成されている。なお、この支持部２６ｂは、本発明の「第２支持部」の一例である。そして、電圧印加膜２６の２つの支持部２６ｂは、電圧印加部２６ａと配線層３１との間を繋ぐように、電圧印加部２６ａおよび配線層３１と一体的に形成されている。これにより、電圧印加膜２６の電圧印加部２６ａには、配線層３１および支持部２６ｂを介して電圧Ｖ（約２０Ｖ）が供給される。

そして、第２実施形態による固体撮像装置では、熱エネルギー変換膜２５に接地電位（ＧＮＤ）が供給されるとともに、電圧印加膜２６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）が供給されることにより、熱エネルギー変換膜２５および電圧印加膜２６間に挟まれた応力発生膜１６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）が印加される。これにより、応力発生膜１６の下方側へ凸状に湾曲する方向への歪みが増大されることによって、応力発生膜１６で発生する応力が増大される。このため、その応力が加えられる応力発光体膜１７では、発光する可視光の強度が増幅されるように構成されている。第２実施形態による固体撮像装置の上記以外の構造は、上記第１実施形態による固体撮像装置の構造と同様である。

第２実施形態では、上記のように、強誘電体セラミックス膜からなる応力発生膜１６に撮像時に生じる歪みが増大するような電圧Ｖ（約２０Ｖ）を印加することによって、遠赤外光の撮像時に応力発生膜１６において発生する応力を増大させることができる。これにより、その応力が加えられる応力発光体膜１７から発光される可視光の強度を増大させることができるので、波長変換素子２２により遠赤外光を可視光に変換するとともに増幅することができる。

また、第２実施形態では、熱エネルギー変換膜２５の変換部２５ａを支持する支持部２５ｂを用いて、配線層３０から変換部２５ａに接地電位（ＧＮＤ）を供給することによって、変換部２５ａを支持する支持部２５ｂとは別個に、配線層３０から変換部２５ａへ接地電位（ＧＮＤ）を供給するための接続部を形成する必要がないので、熱エネルギー変換膜２５の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。

また、第２実施形態では、電圧印加膜２６の電圧印加部２６ａを支持する支持部２６ｂを用いて、配線層３１から電圧印加部２６ａに電圧Ｖを供給することによって、電圧印加部２６ａを支持する支持部２６ｂとは別個に、配線層３１から電圧印加部２６ａへ電圧Ｖを供給するための接続部を形成する必要がないので、電圧印加膜２６の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。

第２実施形態による上記以外の効果は、上記第１実施形態による効果と同様である。

（第３実施形態）
図１２は、本発明の第３実施形態による固体撮像装置の全体構成を概略的に示した斜視図である。図１３は、図１２に示した第３実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図１４は、図１２に示した第３実施形態による固体撮像装置の赤外光透過部、可視光透過領域および波長変換素子の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。図１５は、図１４に示した第３実施形態による波長変換素子近傍の領域の４００−４００線に沿った断面図である。図１６は、図１４に示した第３実施形態による波長変換素子近傍の領域の４５０−４５０線に沿った断面図である。次に、図１２〜図１６を参照して、本発明の第３実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。

この第３実施形態による固体撮像装置では、上記第１実施形態と異なり、遠赤外光７０（図１３参照）に加えて、可視光９０についても撮像を行うことが可能なように構成されている。具体的には、図１２に示すように、ガラス基板４０が固体撮像素子１上に真空接合されることにより設置されている。このガラス基板４０には、図１２および図１４に示すように、可視光９０を透過させないとともに遠赤外光７０を透過させる赤外光透過部４１が、平面的に見て、マトリックス状に埋め込まれている。また、赤外光透過部４１は、結晶シリコンによって形成されている。また、ガラス基板４０の隣接する赤外光透過部４１間の領域には、可視光透過領域４０ａが設けられている。なお、この可視光透過領域４０ａは、本発明の「可視光透過部」の一例である。また、可視光透過領域４０ａでは、ガラス基板４０が赤外光７１を透過させないとともに、可視光９０を透過させる機能を有することにより、可視光９０のみが透過されるように構成されている。

また、赤外光透過部４１および可視光透過領域４０ａは、それぞれ、図１３に示すように、固体撮像素子１の光電変換部５に対応する位置に設けられている。また、赤外光透過部４１の固体撮像素子１側の表面には、凹部１４が形成されている。この凹部１４の固体撮像素子１側には、図１３、図１５および図１６に示すように、波長変換素子１２が設けられている。また、凹部１４内の空間と、対応する赤外光透過部４１と固体撮像素子１の絶縁膜１０との間の空間領域４４ａとは、繋がっており、共に、真空状態に保持されている。これにより、波長変換素子１２の周囲の空間は、真空状態に保持されている。

そして、第３実施形態では、赤外光透過部４１において、可視光９０が透過されないとともに、遠赤外光７０が透過されることにより、波長変換素子１２に遠赤外光７０のみが入射される。これにより、上記第１実施形態と同様にして、波長変換素子１２により遠赤外光７０が可視光８０に変換されるとともに、変換された可視光８０が固体撮像素子１の光電変換部５に入射されるように構成されている。このようにして、固体撮像装置の赤外光透過部４１に対応する領域において、遠赤外光７０についての撮像が行われるように構成されている。また、可視光透過領域４０ａにおいて、赤外光７１が透過されないとともに、可視光９０が透過されることにより、可視光透過領域４０ａに対応する固体撮像素子１の光電変換部５に可視光９０のみが入射されるように構成されている。このようにして、固体撮像装置の可視光透過領域４０ａに対応する領域において、可視光９０についての撮像が行われるように構成されている。第３実施形態による固体撮像装置の上記以外の構造は、上記第１実施形態による固体撮像装置の構造と同様である。

第３実施形態では、上記のように、固体撮像素子１の可視光の入射側に、可視光９０を透過させないとともに、遠赤外光７０を透過させる機能を有する赤外光透過部４１と、赤外光７１を透過させないとともに、可視光９０を透過させる機能を有する可視光透過領域４０ａとを設けることによって、固体撮像装置の赤外光透過部４１に対応する領域で遠赤外光７０を撮像することができるとともに、固体撮像装置の可視光透過領域４０ａに対応する領域で可視光９０を撮像することができるので、１つの固体撮像装置で、遠赤外光７０に加えて可視光９０も撮像することができる。

第３実施形態による上記以外の効果は、上記第１実施形態による効果と同様である。

（第４実施形態）
図１７は、本発明の第４実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。図１８は、図１７に示した第４実施形態による固体撮像装置の赤外光透過部、可視光透過領域および波長変換素子の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。図１９は、図１８に示した第４実施形態による波長変換素子近傍の領域の５００−５００線に沿った断面図である。図２０は、図１８に示した第４実施形態による波長変換素子近傍の領域の５５０−５５０線に沿った断面図である。次に、図１７〜図２０を参照して、本発明の第４実施形態による固体撮像装置の構造について説明する。

この第４実施形態による固体撮像装置では、上記第３実施形態による固体撮像装置と同様、遠赤外光７０に加えて、可視光９０についても撮像することが可能なように構成されている。ただし、この第４実施形態による固体撮像装置は、上記第３実施形態による固体撮像装置と異なり、波長変換素子５２により遠赤外光７０を可視光８０に変換する際、その強度を増幅することが可能なように構成されている。具体的には、第４実施形態では、図１７および図１８に示すように、固体撮像素子１の可視光９０の入射側に設けられたガラス基板５０に、複数の赤外光透過部５１が固体撮像素子１の電子の転送方向に沿って延びるように埋め込まれている。また、複数の赤外光透過部５１は、それぞれ、固体撮像素子１の電子の転送方向に直交する方向（図１７のＸ方向）に沿って所定の間隔を隔てて設けられている。また、ガラス基板５０の隣接する赤外光透過部５１間の領域には、可視光透過領域５０ａが設けられている。なお、この可視光透過領域５０ａは、本発明の「可視光透過部」の一例である。

また、赤外光透過部５１は、固体撮像素子１の電子の転送方向に直交する方向（図１７のＸ方向）に配置された光電変換部５の２つ置きに対応するように設けられている。また、隣接する赤外光透過部５１間の可視光透過領域５０ａは、赤外光透過部５１に対応する隣接する光電変換部５間の２つの光電変換部５に対応するように設けられている。また、赤外光透過部５１の固体撮像素子１側の表面には、複数の凹部１４が形成されている。この複数の凹部１４は、図１８に示すように、それぞれ、固体撮像素子１（図１７参照）の電子の転送方向に沿って所定の間隔を隔てて形成されている。また、凹部１４の固体撮像素子１側には、図１７、図１９および図２０に示すように、波長変換素子５２が設けられている。また、凹部１４内の空間と、対応する赤外光透過部５１と固体撮像素子１の絶縁膜１０との間の空間領域５４ａとは、繋がっており、共に、真空状態に保持されている。これにより、波長変換素子５２の周囲の空間は、真空状態に保持されている。

また、第４実施形態では、図１９および図２０に示すように、波長変換素子５２において、熱エネルギー変換膜５５との間で応力発生膜１６を挟み込むように、応力発生膜１６の固体撮像素子１（図１７参照）側の表面上に電圧印加膜５６が設けられている。この電圧印加膜５６は、応力発生膜１６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）を印加するために設けられている。また、電圧印加膜５６の固体撮像素子１（図１７参照）側の表面上には、応力発光体膜１７が設けられている。

また、赤外光透過部５１の凹部１４と、その凹部１４に隣接する一方の可視光透過領域５０ａとの間の領域の固体撮像素子１（図１７参照）側の表面上には、図１９に示すように、接地された配線層６０が設けられている。なお、この配線層６０は、本発明の「第１配線層」の一例である。また、赤外光透過部５１の凹部１４と、その凹部１４に隣接するもう一方の可視光透過領域５０ａとの間の領域の固体撮像素子１（図１７参照）側の表面上には、絶縁膜６２を介して電圧Ｖ（約２０Ｖ）を供給する配線層６１が設けられている。なお、この配線層６１は、本発明の「第２配線層」の一例である。また、これらの配線層６０および６１は、図１８に示すように、固体撮像素子１（図１７参照）の電子の転送方向に沿って延びるように設けられている。

また、配線層６０は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって形成されている。また、配線層６０は、配線層６０に隣接して配置された波長変換素子５２の熱エネルギー変換膜５５と一体的に形成されている。すなわち、第４実施形態では、熱エネルギー変換膜５５は、変換部５５ａと、変換部５５ａを支持する２つの支持部５５ｂとによって構成されている。なお、この支持部５５ｂは、本発明の「第１支持部」の一例である。そして、熱エネルギー変換膜５５の２つの支持部５５ｂは、変換部５５ａと配線層６０とを接続するように、変換部５５ａおよび配線層６０と一体的に形成されている。これにより、熱エネルギー変換膜５５の変換部５５ａには、配線層６０および支持部５５ｂを介して接地電位（ＧＮＤ）が供給される。

また、配線層６１は、約５０ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みを有するポリシリコン膜によって形成されている。また、配線層６１は、電圧印加膜５６と一体的に形成されている。すなわち、電圧印加膜５６は、応力発生膜１６に対応するように形成された電圧印加部５６ａと、電圧印加部５６ａを支持する２つの支持部５６ｂとによって構成されている。なお、この支持部５６ｂは、本発明の「第２支持部」の一例である。そして、電圧印加膜５６の２つの支持部５６ｂは、電圧印加部５６ａと配線層６１とを接続するように、電圧印加部５６ａおよび配線層６１と一体的に形成されている。これにより、電圧印加膜５６の電圧印加部５６ａには、配線層６１および支持部５６ｂを介して電圧Ｖ（約２０Ｖ）が供給される。

そして、第４実施形態による固体撮像装置では、熱エネルギー変換膜５５に接地電位（ＧＮＤ）が供給されるとともに、電圧印加膜５６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）が供給されることにより、熱エネルギー変換膜５５および電圧印加膜５６間に挟まれた応力発生膜１６に電圧Ｖ（約２０Ｖ）が印加される。これにより、応力発生膜１６の下方側へ凸状に湾曲する方向への歪みが増大されることによって、応力発生膜１６で発生する応力が増大される。このため、その応力が加えられる応力発光体膜１７では、発光する可視光８０の強度が増幅されるように構成されている。第４実施形態による固体撮像装置の上記以外の構造は、上記第３実施形態による固体撮像装置の構造と同様である。

第４実施形態では、上記のように、応力発生膜１６に撮像時に生じる歪みが増大するような電圧Ｖ（約２０Ｖ）を印加することによって、遠赤外光７０の撮像時に応力発生膜１６において発生する応力を増大させることができる。これにより、その応力が加えられる応力発光体膜１７から発光される可視光８０の強度を増大させることができるので、波長変換素子５２により遠赤外光７０を可視光８０に変換するとともに増幅することができる。

また、第４実施形態では、熱エネルギー変換膜５５の変換部５５ａを支持する支持部５５ｂを用いて、配線層６０から変換部５５ａに接地電位（ＧＮＤ）を供給することによって、変換部５５ａを支持する支持部５５ｂとは別個に、配線層６０から変換部５５ａへ接地電位（ＧＮＤ）を供給するための接続部を形成する必要がないので、熱エネルギー変換膜５５の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。

また、第４実施形態では、電圧印加膜５６の電圧印加部５６ａを支持する支持部５６ｂを用いて、配線層６１から電圧印加部５６ａに電圧Ｖを供給することによって、電圧印加部５６ａを支持する支持部５６ｂとは別個に、配線層６１から電圧印加部５６ａへ電圧Ｖを供給するための接続部を形成する必要がないので、電圧印加膜５６の平面レイアウトが複雑化するのを抑制することができる。

第４実施形態による上記以外の効果は、上記第３実施形態による効果と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１〜第４実施形態では、固体撮像装置を１０μｍ帯の波長を有する遠赤外光を撮像可能なように構成したが、本発明はこれに限らず、固体撮像装置を遠赤外光以外の波長の赤外光を撮像可能なように構成してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、波長変換素子の応力発生膜をＰＺＴによって形成したが、本発明はこれに限らず、応力発生膜をＰＺＴ以外の材料によって形成してもよい。たとえば、ＢａＴｉＯ_３などの強誘電体セラミックスを用いて応力発生膜を形成してもよい。

また、上記第１〜第４実施形態では、波長変換素子の応力発光体膜をＭｎを含有するＺｎＳによって形成したが、本発明はこれに限らず、応力発光体膜を上記以外の材料を用いて形成してもよい。

また、上記第１および第３実施形態では、光の入射側から順番に熱エネルギー変換膜、応力発生膜および応力発光体膜を積層することにより波長変換素子を形成するとともに、上記第２および第４実施形態では、光の入射側から順番に熱エネルギー変換膜、応力発生膜、電圧印加膜および応力発光体膜を積層することにより波長変換素子を形成したが、本発明はこれに限らず、上記以外の順番でそれぞれの膜を積層することにより波長変換素子を形成してもよい。

また、上記第２および第４実施形態では、直流電圧を印加したが、本発明はこれに限らず、交流電圧を印加してもよい。

また、上記第３および第４実施形態では、可視光透過領域をガラス基板のみによって構成したが、本発明はこれに限らず、可視光透過領域をガラス基板とカラーフィルタとによって形成してもよい。具体的には、図２１に示すように、固体撮像素子１の可視光透過領域６４に対応する領域上にＲＧＢのうちのいずれか１つのカラーフィルタ６３およびガラス基板４０を積層することによって可視光透過領域６４を構成してもよい。

本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための概略的な平面レイアウト図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の波長変換部の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。 図３に示した第１実施形態による波長変換部の１００−１００線に沿った断面図である。 図３に示した第１実施形態による波長変換部の１５０−１５０線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態による固体撮像装置の波長変換素子の動作を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による固体撮像装置の波長変換部の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。 図７に示した第２実施形態による波長変換部の２００−２００線に沿った断面図である。 図７に示した第２実施形態による波長変換部の２５０−２５０線に沿った断面図である。 図７に示した第２実施形態による波長変換部の３００−３００線に沿った断面図である。 図７に示した第２実施形態による波長変換部の３５０−３５０線に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態による固体撮像装置の全体構成を概略的に示した斜視図である。 図１２に示した第３実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。 図１２に示した第３実施形態による固体撮像装置の赤外光透過部、可視光透過領域および波長変換素子の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。 図１４に示した第３実施形態による波長変換素子近傍の領域の４００−４００線に沿った断面図である。 図１４に示した第３実施形態による波長変換素子近傍の領域の４５０−４５０線に沿った断面図である。 本発明の第４実施形態による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。 図１７に示した第４実施形態による固体撮像装置の赤外光透過部、可視光透過領域および波長変換素子の構造を説明するための拡大した平面レイアウト図である。 図１８に示した第４実施形態による波長変換素子近傍の領域の５００−５００線に沿った断面図である。 図１８に示した第４実施形態による波長変換素子近傍の領域の５５０−５５０線に沿った断面図である。 本発明の変形例による固体撮像装置の構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 固体撮像素子
１１ シリコン基板（赤外光透過部）
１２、２２、５２ 波長変換素子
１４ 凹部
１５、２５、５５ 熱エネルギー変換膜
１５ａ、２５ａ、５５ａ 変換部
１５ｂ 支持部
１６ 応力発生膜
１７ 応力発光体膜
２５ｂ、５５ｂ 支持部（第１支持部）
２６、５６ 電圧印加膜
２６ａ、５６ａ 電圧印加部
２６ｂ、５６ｂ 支持部（第２支持部）
３０、６０ 配線層（第１配線層）
３１、６１ 配線層（第２配線層）
４１、５１ 赤外光透過部

Claims (8)

1. 可視光が入射されることにより撮像を行う固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記可視光の入射側に設けられ、赤外光の熱エネルギーに対応する応力を発生させるとともに、前記発生した応力を用いて可視光を発生させることにより、前記赤外光を前記可視光に変換する機能を有する波長変換素子とを備えた、固体撮像装置。
2. 前記波長変換素子は、前記赤外光を吸収して前記熱エネルギーに変換する熱エネルギー変換膜と、前記熱エネルギー変換膜の表面上に設けられ、前記熱エネルギーが加えられることにより所定の方向に歪みを生じることによって、前記熱エネルギーに対応する応力を発生させる応力発生膜と、前記応力発生膜の表面上に設けられ、前記応力が加えられることにより前記応力に対応する前記可視光を発生させる応力発光体膜とを含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記波長変換素子の光の入射側に設けられ、前記可視光を実質的に透過させないとともに、前記赤外光を実質的に透過させる機能を有する赤外光透過部をさらに備える、請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記赤外光透過部の前記波長変換素子側には、前記波長変換素子の前記熱エネルギー変換膜に対応する領域に凹部が設けられ、
   前記熱エネルギー変換膜は、平面的に見て、前記凹部の内側の領域に前記凹部と接触しないように配置された変換部と、前記変換部の一部と対応する前記赤外光透過部の凹部の外側の所定領域とを接続するように設けられ、前記変換部を支持する支持部とを含む、請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記応力発生膜は、強誘電体膜を含み、
   前記強誘電体膜には、前記所定の方向に歪みが生じるような所定の電圧が印加される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記波長変換素子は、前記熱エネルギー変換膜との間で前記応力発生膜を挟み込むように設けられ、前記応力発生膜に前記所定の電圧を印加するための電圧印加膜をさらに含む、請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記赤外光透過部の表面上に設けられ、前記熱エネルギー変換膜に第１電位を供給するための第１配線層と、
   前記赤外光透過部の表面上に設けられ、前記電圧印加膜に第２電位を供給するための第２配線層とをさらに備え、
   前記赤外光透過部は、前記熱エネルギー変換膜に対応する領域に形成された凹部を有しており、
   前記熱エネルギー変換膜は、平面的に見て、前記凹部の内側の領域に前記凹部と接触しないように配置された変換部と、前記変換部と前記第１配線層とを接続するように設けられ、前記変換部を支持する第１支持部を含み、
   前記電圧印加膜は、平面的に見て、前記凹部の内側の領域に前記凹部と接触しないように配置された電圧印加部と、前記電圧印加部と前記第２配線層とを接続するように設けられ、前記電圧印加部を支持する第２支持部を含む、請求項６に記載の固体撮像装置。
8. 前記固体撮像素子の前記可視光の入射側に設けられ、前記可視光を実質的に透過させないとともに、前記赤外光を実質的に透過させる機能を有する赤外光透過部と、少なくとも前記可視光を実質的に透過させる機能を有する可視光透過部とをさらに備え、
   前記赤外光は、前記赤外光透過部を透過して前記波長変換素子により前記可視光に変換された後、前記固体撮像素子に入射され、
   前記可視光は、前記可視光透過部を透過して前記固体撮像素子に入射される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。

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