JP2007067075A - カラー撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができ、しかも、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度及び色分解特性を得ることができるカラー撮像素子を提供すること。
【解決手段】 カラー撮像素子５０は、受光層１０と、受光層２０と、受光層３０と、透明性基板４０とを有し、受光層１０は、画素電極１１ａを含む信号読出回路１１と、受光した光の強度に応じた電荷を発生する光電変換部１２と、所定の電圧が印加される透明電極１３とを備え、受光層２０は、画素電極２１ａを含む信号読出回路２１と、受光した光の強度に応じた電荷を発生する光電変換部２２と、所定の電圧が印加される透明電極２３とを備え、受光層３０は、半導体基板３１と、光を受光する受光部３２と、電荷を転送する電荷転送電極３３と、電荷転送電極３３を遮光する遮光膜３４とを備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、被写体を撮像するカラー撮像素子に関する。

従来、例えばテレビ放送に使用されるテレビカメラのカラー撮像素子には、シリコンやアモルファスセレン等の無機材料が光電変換膜材料として用いられている。これらの無機材料を光電変換膜として用いたカラー撮像素子においては、入射光を赤、緑、青の３原色に分解する分光プリズムと、この分光プリズムの後段に配置された３枚の光電変換膜とからなる３板式が主流である。

しかしながら、従来の３板式のカラー撮像素子は、前述のように構成されているので、大きくて重くなるという問題があり、カラー撮像素子の小型軽量化を実現するためには、分光プリズムを必要としない、受光部が１枚で構成される単板式が望まれていた。

カラー撮像素子の小型軽量化を実現する手法として、光電変換膜の平面内に色画素として赤、緑、青の色フィルタをベイヤー配列したものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。このカラー撮像素子は、単板でカラー画像が得られるので小型軽量化が可能であるが、赤、緑、青のいずれか１色のみで１画素を形成しているため、３板式のカラー撮像素子と比べて解像度が低く、加えて所望の色以外の入射光は色フィルタに吸収されてしまうため、光の利用効率が低いという課題があった。

ベイヤー構造が有する解像度が低いという課題は、光の進行方向に沿って３層のフォトダイオードを積層した光電変換部を形成することで改善を図ることができる（例えば、特許文献１参照。）。これは、シリコン基板内部への光の進入深さが波長毎に異なることを利用したものである。すなわち、受光面から最も浅い位置にあるフォトダイオードで青色を、中間の位置にあるフォトダイオードで緑色を、最も深い位置にあるフォトダイオードで赤色をそれぞれ検知するようになっている。

しかしながら、前述の構成では、青色検知用のフォトダイオードにおいても緑色及び赤色が一定の割合で吸収されるため、３板式のカラー撮像素子と比べて色分解特性が劣化するという課題があった。さらに、前述の構成では、信号読み出し部が受光面と同一平面上に形成されるため、受光面に対する受光部の比率（以下「開口率」という。）を１００％に近づけることが困難となって、光の利用効率も十分得られないという課題があった。

以上の課題を解決すべく、より解像度が高く、色分解特性も高い単板式の撮像素子がいくつか提案されている。

１つは、波長選択機能を有する光電変換膜を積層した構成のものであり、具体的には、光の３原色のうち青色のみに光感度を有する光電変換膜と、緑色のみに光感度を有する光電変換膜と、赤色のみに光感度を有する光電変換膜とが順次積層された単板式の多層型カラー撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。例えば、有機材料は特定の波長域の光のみを吸収するといった特徴を有するものが多いので、有機材料で光電変換膜を形成し、赤、緑、青の３原色の光それぞれが吸収されるよう光電変換膜を積層することにより、単板式のカラー撮像素子が構築される。

さらに具体的には、特許文献２及び３に示された従来のカラー撮像素子は、画素からの電気信号を読み出す信号読出回路を構成する薄膜トランジスタと、有機材料による光電変換膜とを交互に積み重ねていく構成を有し、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度、色分解特性及び光の利用効率が得られるようになっている。この構成において、薄膜トランジスタを構成する基板、絶縁膜、半導体層及び電極を、有機材料に代表される低温作製が可能な光透過性材料を用いることにより、薄膜トランジスタの作製時に発生する熱を抑えることで有機材料による光電変換膜に与えるダメージを軽減している。

また、積層構造における各層を光が入射する側から上層、中間層、下層としたとき、上層に緑色に感度を有する有機膜を用い、中間層及び下層にシリコンを用いたフォトダイオードを積層した構成も提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

木内 雄二著「イメージセンサの基礎と応用」日刊工業新聞社、１９９１年発行、Ｐ１４５ 米国特許番号５９６５８７５号公報 特開２００２−２１７４７４号公報 特開２００５−０５１１１５号公報 特開２００３−３３２５５１号公報

しかしながら、特許文献２〜４に示された従来のカラー撮像素子には、次のような課題があった。

まず、特許文献２及び３に示された従来のカラー撮像素子は、前述のように、薄膜トランジスタの作製時に発生する熱を抑えることで有機材料による光電変換膜に与えるダメージを軽減する構成となっている。しかしながら、有機材料の機械的強度は、無機材料のそれに比べて弱いことから、薄膜トランジスタ又は有機膜を順次積層すると、下層側に位置する有機膜の光電変換特性が不安定になるという課題があった。

また、特許文献４に示された従来のカラー撮像素子は、人間の眼の感度特性を示す比視感度曲線において極大値となる緑色を１００％受光し、青色及び赤色に関しては前述の特許文献１に記載された方式を用いて、より高い解像度を得ようとするものであるが、フォトダイオードの積層方式を採用しているので、青色検知用のフォトダイオードにおいても赤色が一定の割合で吸収され、３板式のカラー撮像素子と同等の色分解特性が得られないという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができ、しかも、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度及び色分解特性を得ることができるカラー撮像素子を提供することを目的とする。

本発明のカラー撮像素子は、被写体側に位置する第１の面及びこの第１の面と対向する第２の面を含む透明性基板と、第１の波長域の光を受光する第１の受光層と、第２の波長域の光を受光する第２の受光層と、第３の波長域の光を受光する第３の受光層とを有し、前記第１の受光層は、前記透明性基板の前記第１の面上に設けられ、前記第２の受光層は、前記透明性基板の前記第２の面上に設けられ、前記第３の受光層は、前記被写体からの光のうち前記第１及び前記第２の受光層を透過した光を受光する構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、第１、第２及び第３の受光層が、順次積層されることを回避することができるので、受光層が順次積層される従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができ、しかも、光の進行方向に沿って第１、第２及び第３の受光層が順次形成されるので、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度及び色分解特性を得ることができる。

また、本発明のカラー撮像素子は、前記第１の受光層は、前記第１の波長域の光を電気信号に変換する第１の光電変換部を備え、前記第２の受光層は、前記第２の波長域の光を電気信号に変換する第２の光電変換部を備え、前記第１及び前記第２の光電変換部は、それぞれ、有機材料を含む構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、有機材料で構成された第１及び第２の受光層を積層しないで形成することができるので、有機材料の受光層が積層される従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができる。

さらに、本発明のカラー撮像素子は、前記第３の受光層は、前記第３の波長域の光を電気信号に変換する光電変換部を備え、前記光電変換部は、結晶シリコン、アモルファスシリコン及び化合物半導体材料のうちのいずれかを含む構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、従来の製造技術を用いて第３の受光層を形成することができるので、新たな設備投資や技術開発費用等を必要とせず、製造コストの低減化を図ることができる。

さらに、本発明のカラー撮像素子は、前記第２の受光層と前記第３の受光層との間に層間レンズを備えた構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、第１及び第２の受光層の開口率よりも、第３の受光層の開口率が小さい場合でも、層間レンズによって、第３の受光層が受ける光量を第１及び第２の受光層が受ける光量と揃えることができ、光の利用効率を向上させることができる。

さらに、本発明のカラー撮像素子は、前記第１、前記第２及び前記第３の波長域の光は、光の３原色を構成するのが望ましい。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、第１、第２及び第３の受光層が、光の３原色の光を組み合わせて被写体の光を受光するので、被写体の色に忠実な信号を得ることができる。

さらに、本発明のカラー撮像素子は、前記第２の波長域の光の帯域幅は、前記第１の波長域の光の帯域幅よりも広い構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、第２の受光層の材料を選択する際に、第１の波長域と異なる波長域の光を吸収する材料のみに限定されないので、第２の受光層の材料の選択を容易化することができる。

さらに、本発明のカラー撮像素子は、前記第３の波長域の光の帯域幅は、前記第１及び前記第２の波長域の光の帯域幅よりも広い構成を有している。

この構成により、本発明のカラー撮像素子は、第３の受光層の材料を選択する際に、第１及び第２の波長域と異なる波長域の光を吸収する材料のみに限定されないので、第３の受光層の材料の選択を容易化することができる。

本発明は、従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができ、しかも、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度及び色分解特性を得ることができるという効果を有するカラー撮像素子を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子の構成について説明する。

最初に、本実施の形態に係るカラー撮像素子の基本的構成について、図１〜４を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係るカラー撮像素子の基本的構成を示す概念的断面図である。また、図２〜４は、光吸収特性及び分光感度特性の組み合わせ例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０は、被写体からの光のうち、第１の波長域の光を受光する受光層１０と、第２の波長域の光を受光する受光層２０と、第３の波長域の光を受光する受光層３０と、透明性基板４０とを有し、透明性基板４０は、被写体側に位置し受光層１０が形成される第１の面４０ａと、第１の面４０ａと対向し受光層２０が形成される第２の面４０ｂとを備えている。ここで、受光層１０、２０及び３０は、それぞれ、本発明の第１、第２及び第３の受光層を構成している。

なお、以下の記載において、第１、第２及び第３の波長域の光が、光の３原色を構成するものとして説明する。

受光層１０は、被写体からの光のうち、光の３原色の１つを構成する第１の波長域の光を吸収して光電変換し、光の３原色を構成する第２及び第３の波長域の光を透過させるようになっている。

例えば受光層１０が青色の光を受光する構成の場合、受光層１０は青色の光を吸収して光電変換し、緑色及び赤色の光を透過させるようになっている。また、例えば受光層１０が緑色の光を受光する構成の場合、受光層１０は緑色の光を吸収して光電変換し、青色及び赤色の光を透過させるようになっている。さらに、例えば受光層１０が赤色の光を受光する構成の場合、受光層１０は赤色の光を吸収して光電変換し、青色及び緑色の光を透過させるようになっている。

受光層２０は、被写体からの光のうち、光の３原色の１つを構成する第２の波長域の光を吸収して光電変換し、光の３原色を構成する第３の波長域の光を透過させるようになっている。

例えば受光層１０が青色の光を受光し、受光層２０が緑色の光を受光する構成の場合、受光層２０は緑色の光を吸収して光電変換し、赤色の光を透過させるようになっている。また、例えば受光層１０が青色の光を受光し、受光層２０が赤色の光を受光する構成の場合、受光層２０は赤色の光を吸収して光電変換し、緑色の光を透過させるようになっている。ここで、光の３原色の第１の波長域の光は受光層１０によって既に吸収され、受光層２０には届かないので、受光層２０は第２の波長域の光に加えて第１の波長域の光を吸収するものであっても特に構わない。

受光層３０は、被写体からの光のうち、光の３原色の１つを構成する第３の波長域の光を吸収して光電変換するようになっている。ここで、光の３原色の第１及び第２の波長域の光は、それぞれ、受光層１０及び２０によって既に吸収され、受光層３０には届かないので、受光層３０は光の３原色の全ての光を吸収するものであっても特に構わない。

透明性基板４０は、例えばガラス、プラスチック等のような透明性を有する絶縁材料により構成され、受光層１０を透過した光を受光層２０に入射させるようになっている。

次に、受光層１０、２０及び３０による光吸収特性及び分光感度特性の組み合わせについて３つの例を挙げ、図２〜４を用いて説明する。

第１の例は、図２に示すように、青色及び緑色の光をそれぞれ吸収する受光層１０及び２０と、光の３原色の全ての光を吸収することができる受光層３０との組み合わせである。青色及び緑色の光は、それぞれ、受光層１０及び２０によって吸収され、受光層３０には届かないので、受光層３０は、光の３原色の全ての光を吸収することができるもので構成したものである。

この場合、受光層３０によって吸収される光の帯域幅は、受光層１０及び２０によって吸収される光の帯域幅よりも広い。この構成により、受光層３０の材料を選択する際に、受光層１０及び２０によって吸収されない赤色の光を吸収する材料のみに限定されないので、受光層３０の材料の選択を容易化することができる。

第２の例は、図３に示すように、青色の光を吸収する受光層１０と、青色及び緑色の光を吸収する受光層２０と、光の３原色の全ての光を吸収することができる受光層３０との組み合わせである。青色の光は受光層１０によって吸収され、受光層２０には届かないので、受光層２０は青色及び緑色の光を吸収することができるもので構成したものである。

この場合、受光層２０によって吸収される光の帯域幅は、受光層１０によって吸収される光の帯域幅よりも広い。この構成により、受光層２０の材料を選択する際に、受光層１０によって吸収される青色の光以外の光を吸収する材料のみに限定されないので、受光層２０の材料の選択を容易化することができる。

同様に、青色及び緑色の光は、それぞれ、受光層１０及び２０によって吸収され、受光層３０には届かないので、受光層３０は光の３原色の全ての光を吸収することができるもので構成したものである。

この場合、受光層３０によって吸収される光の帯域幅は、受光層１０及び２０によって吸収される光の帯域幅よりも広い。この構成により、受光層３０の材料を選択する際に、受光層１０及び２０によって吸収されない赤色の光を吸収する材料のみに限定されないので、受光層３０の材料の選択を容易化することができる。

第３の例は、図４に示すように、緑色の光を吸収する受光層１０と、赤色の光を吸収する受光層２０と、光の３原色の全ての光を吸収することができる受光層３０との組み合わせである。緑色及び赤色の光は受光層１０及び２０によって吸収され、受光層３０には届かないので、受光層３０は光の３原色の全ての光を吸収することができるもので構成したものである。

この場合、受光層３０によって吸収される光の帯域幅は、受光層１０及び２０によって吸収される光の帯域幅よりも広い。この構成により、受光層３０の材料を選択する際に、受光層１０及び２０によって吸収されない青色の光を吸収する材料のみに限定されないので、受光層３０の材料の選択を容易化することができる。

なお、本発明は、図２〜４に示された光吸収特性及び分光感度特性の組み合わせに限定されるものではなく、構造原理上、光の３原色の全ての組み合わせについて実施可能である。例えば受光層１０、２０及び３０がそれぞれ受光する光の３原色の光の組み合わせを（受光層１０が受光する光、受光層２０が受光する光、受光層３０が受光する光）として表すと、（青、緑、赤）、（青、赤、緑）、（緑、青、赤）、（緑、赤、青）、（赤、青、緑）、（赤、緑、青）の６通りの組み合わせがある。

次に、受光層１０及び２０の構成について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０の受光層１０及び２０の構成を示す概念的断面図である。

受光層１０は、透明性基板４０の第１の面４０ａ上に形成された信号読出回路１１と、信号読出回路１１上に形成された光電変換部１２と、光電変換部１２上に形成された透明電極１３とを備えている。ここで、光電変換部１２は、本発明の第１の光電変換部を構成している。

受光層２０は、透明性基板４０の第２の面４０ｂ上に形成された信号読出回路２１と、信号読出回路２１上に形成された光電変換部２２と、光電変換部２２上に形成された透明電極２３とを備えている。ここで、光電変換部２２は、本発明の第２の光電変換部を構成している。

光電変換部１２及び２２は、所定の波長域の光を吸収して入射光の強度に応じた電荷を発生するようになっており、有機材料で構成されるのが好ましい。

具体的には、青色の光を吸収して光電変換する有機材料としては、例えばポルフィリン誘導体、緑色の光を吸収して光電変換する有機材料としては、例えばペリレン誘導体、赤色の光を吸収して光電変換する有機材料としては、例えばフタロシアニン誘導体が挙げられる。

なお、光電変換部１２及び２２を構成する有機材料は、前述のものに限定されるものではない。例えば、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチリルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェン及びこれらの誘導体等を単独で、又はこれらに代表される有機材料を２種類以上混合若しくは積層することで、光電変換部１２及び２２を形成することも可能である。

さらには、受光層１０及び２０における暗電流（光未照射時に観測される電流）の低減や受光層１０及び２０の量子効率向上のために、電子輸送材料、正孔輸送材料、電子ブロッキング材料、正孔ブロッキング材料等と混合又は積層することも可能である。

次に、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０の詳細な構成について、図６を用いて説明する。図６は、前述した受光層１０、２０及び３０の詳細な構成例を示す図であり、１画素分の概念的断面図である。

第１に、受光層１０の詳細な構成について説明する。図６に示すように、受光層１０は、透明性基板４０の第１の面４０ａ上に形成され、画素電極１１ａを含む信号読出回路１１と、受光した光の強度に応じた電荷を発生する光電変換部１２と、所定の電圧が印加される透明電極１３とを備えている。

信号読出回路１１は、図示を省略したが、例えばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）を画素毎に備えた回路基板によって構成され、外部から供給される制御信号に基づいて、Ｘ−Ｙアドレス方式によりＴＦＴをスイッチング動作させて画素を走査し、光電変換部１２が発生した所望の画素における電荷を画素電極１１ａから読み出すようになっている。

なお、信号読出回路１１の構成は、Ｘ−Ｙアドレス方式で動作するＴＦＴを備えたものに限定されるものではなく、例えば各画素から電荷を取り出して蓄積して転送する電荷転送方式を用いた構成としてもよい。ただし、電荷転送方式よりもＴＦＴを用いたＸ−Ｙアドレス方式による構成の方が、画素電極の面積を大きくすることができるので、開口率を大きくすることができて好ましい。

光電変換部１２は、透明電極１３と画素電極１１ａとの間に印加された電圧によって、入射光を光電変換し、光の強度に応じた電荷を発生するようになっている。

画素電極１１ａ及び透明電極１３は、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）のような無機透明電極や、ＰＥＤＴ／ＰＳＳ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｃｅ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ ｓｕｌｐｈｏｎａｔｅ）のような有機導電膜等によって構成されている。

第２に、受光層２０の詳細な構成について説明する。受光層２０は、受光層１０と同様な構成となっており、透明性基板４０の第２の面４０ｂ上に形成され、画素電極２１ａを含む信号読出回路２１と、受光した光の強度に応じた電荷を発生する光電変換部２２と、所定の電圧が印加される透明電極２３とを備えている。

ここで、信号読出回路２１、画素電極２１ａ、光電変換部２２及び透明電極２３の構成は、それぞれ、前述の信号読出回路１１、画素電極１１ａ、光電変換部１２及び透明電極１３の構成と同様であるので説明を省略する。

第３に、受光層３０の詳細な構成について説明する。受光層３０は、可視全域にわたる光を受光する構成としてもよいので、受光層３０の材料としては、結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体材料等の無機材料を用いることができる。また、受光層３０が受光した光信号を読み出す信号読出回路としては、通常のカラー撮像素子として一般に用いられているＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化物半導体）等の固体撮像素子が好適である。

本実施の形態に係る受光層３０は、図６に示すように、ＣＣＤを備えた固体撮像素子で構成されている。すなわち、受光層３０は、半導体基板３１と、光を受光する受光部３２と、受光部３２で発生した電荷を転送する電荷転送電極３３と、電荷転送電極３３を遮光する遮光膜３４とを備えている。ここで、遮光膜３４は、電荷転送電極３３が例えばポリシリコンのような感光性の材料で構成されるので、電荷転送電極３３への光の進入を遮断するために設けられている。なお、受光部３２は、本発明の光電変換部を構成している。

次に、本実施の形態のカラー撮像素子５０の動作について、図６を用いて説明する。なお、受光層１０が青色、受光層２０が赤色、受光層３０が緑色の光を受光する構成の場合の動作について説明する。

まず、被写体からの光は、受光層１０に入射される。この入射光は、透明電極１３を透過して光電変換部１２に到達する。次いで、光電変換部１２によって、入射光のうち青色の光が吸収され、この光の強度に応じた正負の電荷、すなわち電子−正孔対が発生される。透明電極１３と画素電極１１ａとの間には所定の電圧が印加されており、光電変換部１２に生じる電界によって、電子が画素電極１１ａ側に移動し、これらの電子は画素電極１１ａに蓄積される。画素電極１１ａに蓄積された電子は、図示を省略したが、画素内に設けられたＴＦＴがオンにされたとき、青色の光の信号電荷として所定の信号処理回路に出力される。

次いで、受光層１０の光電変換部１２によって吸収されなかった光、すなわち青色の波長域以外の光は、画素電極１１ａ及び透明性基板４０を透過して受光層２０に入射される。そして、画素電極２１ａを透過して光電変換部２２に到達する。次いで、光電変換部２２によって、入射光のうち赤色の光が吸収され、この光の強度に応じた正負の電荷、すなわち電子−正孔対が発生される。透明電極２３と画素電極２１ａとの間には所定の電圧が印加されており、光電変換部２２に生じる電界によって、電子が画素電極２１ａ側に移動し、これらの電子は画素電極２１ａに蓄積される。画素電極２１ａに蓄積された電子は、図示を省略したが、画素内に設けられたＴＦＴがオンにされたとき、赤色の光の信号電荷として所定の信号処理回路に出力される。

引き続き、受光層２０の光電変換部２２によって吸収されなかった光、すなわち緑色の光は、透明電極２３を透過して受光層３０に入射される。入射された光は、受光部３２に入射され、光電変換されて発生した電荷が蓄積される。蓄積された電荷は、電荷の転送を制御する転送スイッチ（図示省略）によって電荷転送電極３３に転送され、緑色の光の信号として順次読み出される。

（実施例１）
次に、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０の具体的な実施例を以下説明する。

ここで、カラー撮像素子５０の受光層１０が青色、受光層２０が赤色、受光層３０が緑色の光を受光する構成とし、以下に述べる工程でカラー撮像素子５０を作製した。

まず、透明性基板４０として石英ガラス基板を用意し、石英ガラス基板の第１及び第２の面に、それぞれ、半導体層としてアモルファスシリコンを有し、画素電極１１ａ及び２１ａとしてＩＴＯを用いたＴＦＴ基板を作製した。

すなわち、石英ガラス基板の第１の面に形成されたＴＦＴ基板は、画素毎にＴＦＴ及び画素電極１１ａを有し、石英ガラス基板の第２の面に形成されたＴＦＴ基板は、画素毎にＴＦＴ及び画素電極２１ａを有する。そして、石英ガラス基板の第１及び第２の面に形成されたＴＦＴ基板の開口率は、それぞれ、８１％とした。

次いで、石英ガラス基板の第１の面に形成されたＴＦＴ基板の面上に、電子輸送層としてトリス−８−ヒドロキシキノレートアルミニウム錯体（Ａｌｑ３）を約５０ｎｍ、青色の光を吸収するコバルトポルフィリンを約１２０ｎｍ、正孔輸送層としてトリフェニレンアミン誘導体（ＴＰＤ）を約３０ｎｍ、真空蒸着法により順次成膜した。さらに、ＴＰＤの面上に、画素電極１１ａと対向する透明電極１３としてＩＴＯを対向スパッタ法により約１０ｎｍの厚さで作製し、受光層１０を得た。

引き続き、石英ガラス基板の第２の面に形成されたＴＦＴ基板の面上に、電子輸送層としてＡｌｑ３を約５０ｎｍ、赤色の光を吸収する亜鉛フタロシアニンを約１５０ｎｍ、正孔輸送層としてＴＰＤを約５０ｎｍ、真空蒸着法により順次成膜した。さらに、ＴＰＤの面上に、画素電極２１ａと対向する透明電極２３としてＩＴＯを対向スパッタ法により約１０ｎｍの厚さで作製し、受光層２０を得た。

続いて、受光層３０として、従来の作製手法に基づいて、シリコン基板上にＣＭＯＳイメージセンサを作製し、このＣＭＯＳイメージセンサ上に、受光層１０及び２０が形成された石英ガラス基板をセットした。この際、受光層２０の透明電極２３とＣＭＯＳイメージセンサとの間に１μｍ程度の間隔を設け、互いに接触しないようにした。

受光層１０では、光照射によって発生した電子を画素電極１１ａ側に移動させるために、透明電極１３に−１５Ｖの電圧を印加した。同様に、受光層２０では、透明電極２３に−２０Ｖの電圧を印加した。

前述の工程で作製したカラー撮像素子５０の受光層１０、２０及び３０における光電流の波長依存性のグラフを図７に示す。なお、図７に関する以下の説明において、青色領域とは、波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の光をいう。また、緑色領域とは、波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の光をいう。また、赤色領域とは、波長が６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の光をいう。

図７から明らかなように、受光層１０においては、青色領域の光照射時に光電流が流れる一方、緑色領域及び赤色領域では光電流はほとんど流れない。同様に、受光層２０においては、赤色領域の光照射時に光電流が流れる一方、青色領域及び緑色領域では光電流はほとんど流れない。また、受光層３０においては、緑色領域の光照射時に光電流が流れる一方、青色領域及び赤色領域では光電流はほとんど流れない。

したがって、図７に示された光電流の波長依存性のグラフによって、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０が、受光層１０、２０及び３０により光の３原色を分離して信号を出力できるものであることが確認できた。

以上のように、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０によれば、有機材料で形成された受光層１０及び２０をそれぞれ透明性基板４０の第１の面４０ａ及び第２の面４０ｂ上に設け、受光層２０から所定の間隔をおいて受光層３０を設ける構成、すなわち受光層１０、２０及び３０が順次積層されることを回避する構成としたので、受光層が順次積層される従来のものよりも受光部の光電変換特性を安定化させることができ、しかも、光の進行方向に沿って受光層１０、２０及び３０が順次形成されているので、３板式のカラー撮像素子と同等の解像度及び色分解特性を得ることができる。

また、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０によれば、光の進行方向に沿って光の３原色の光を画素毎に吸収する構成としたので、光の３原色のいずれか１色のみの光で１画素を形成するベイヤー構造を有する従来のものよりも、光の利用効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係るカラー撮像素子５０によれば、通常のカラー撮像素子として一般に用いられているＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を受光層３０として用いることができるので、新たな設備投資や技術開発費用等を必要とせず、製造コストの低減化を図ることができる。

なお、前述の実施の形態において、３つの受光層１０、２０及び３０が光の３原色の光を受光する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、受光層１０、２０及び３０が、光の３原色の補色の光を受光する構成、４つ以上の光を受光する構成等としても前述と同様の効果が得られる。

また、前述の実施の形態において、ＣＣＤを備えた固体撮像素子で受光層３０を構成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば有機材料による構成としてもよい。

（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態に係るカラー撮像素子の構成について説明する。

図８に示すように、本実施の形態に係るカラー撮像素子７０は、本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０（図６参照）に透明コーティング層６１及び層間レンズ６２を追加した構成であるので、その他の構成については、カラー撮像素子５０と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８において、本実施の形態に係るカラー撮像素子７０は、受光層２０と受光層３０との間に、透明コーティング層６１と、層間レンズ６２とを備えている。

透明コーティング層６１は、例えばボロンリンガラスのような透明性を有する材料で構成されている。層間レンズ６２は、例えばシリコン窒化膜、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂等で構成されている。

次に、本実施の形態のカラー撮像素子７０の動作について、図８を用いて説明する。なお、受光層１０が青色、受光層２０が赤色、受光層３０が緑色の光を受光する構成の場合の動作について説明するが、受光層１０及び２０の動作説明は、本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０と同様なので省略する。

受光層２０の光電変換部２２によって吸収されなかった光、すなわち緑色の光は、透明電極２３を透過して層間レンズ６２に入射される。入射された光は、図８に示すように、層間レンズ６２によって集光された後、透明コーティング層６１を透過して受光部３２に入射され、光電変換されて発生した電荷が蓄積される。蓄積された電荷は、電荷の転送を制御する転送スイッチ（図示省略）によって電荷転送電極３３に転送され、緑色の光の信号として順次読み出される。

（実施例２）
次に、本実施の形態に係るカラー撮像素子７０の具体的な実施例を以下説明する。

ここで、カラー撮像素子７０の受光層１０が青色、受光層２０が赤色、受光層３０が緑色の光を受光する構成とし、以下に述べる工程でカラー撮像素子７０を作製した。

まず、透明性基板４０として石英ガラス基板を用意し、石英ガラス基板の第１及び第２の面に、半導体層としてアモルファスシリコンを有し、画素電極１１ａ及び２１ａとしてＩＴＯを用いたＴＦＴ基板を作製した。

すなわち、石英ガラス基板の第１の面に形成されたＴＦＴ基板は、画素毎にＴＦＴ及び画素電極１１ａを有し、石英ガラス基板の第２の面に形成されたＴＦＴ基板は、画素毎にＴＦＴ及び画素電極２１ａを有する。そして、石英ガラス基板の第１及び第２の面に形成されたＴＦＴ基板の開口率は、それぞれ、８１％とした。

次いで、石英ガラス基板の第１の面に形成されたＴＦＴ基板の面上に、電子輸送層としてＡｌｑ３を約５０ｎｍ、青色の光を吸収するコバルトポルフィリンを約１２０ｎｍ、正孔輸送層としてＴＰＤを約３０ｎｍ、真空蒸着法により順次成膜した。さらに、ＴＰＤの面上に、画素電極１１ａと対向する透明電極１３としてＩＴＯを対向スパッタ法により約１０ｎｍの厚さで作製し、受光層１０を得た。

引き続き、石英ガラス基板の第２の面に形成されたＴＦＴ基板の面上に、電子輸送層としてＡｌｑ３を約５０ｎｍ、赤色の光を吸収する亜鉛フタロシアニンを約１５０ｎｍ、正孔輸送層としてＴＰＤを約５０ｎｍ、真空蒸着法により順次成膜した。さらに、ＴＰＤの面上に、画素電極２１ａと対向する透明電極１３としてＩＴＯを対向スパッタ法により約１０ｎｍの厚さで作製し、受光層２０を得た。

次いで、受光層３０として、従来の作製手法に基づいて、シリコン基板上にインターライントランスファ型ＣＣＤイメージセンサを作製した。このＣＣＤイメージセンサの開口率は３５％であった。

続いて、ＣＣＤイメージセンサ上に、ボロンリンガラスからなる透明コーティング層６１を例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法により形成し、約９００℃でリフロー処理した。次いで、透明コーティング層６１上に、ポリスチレン樹脂層を形成し、エッチング処理及び加熱処理を行うことにより層間レンズ６２を画素毎に形成した。

さらに、層間レンズ６２上に、受光層１０及び２０が形成された石英ガラス基板をセットすることにより、カラー撮像素子７０が得られた。この際、受光層２０の透明電極２３と層間レンズ６２の最上部との間に１μｍ程度の間隔を設け、互いに接触しないようにした。

一方、実施例１で述べた工程を用いてＣＣＤイメージセンサ上に受光層１０及び２０を設けたもの、すなわち層間レンズ６２を含まないカラー撮像素子を作製し、層間レンズ６２の有効性を確認した。

その結果、カラー撮像素子７０における受光層３０としてのＣＣＤイメージセンサの感度は、層間レンズ６２を含まないカラー撮像素子のものに対して約２倍となり、層間レンズ６２を備える有効性が確認できた。

以上のように、本実施の形態のカラー撮像素子７０によれば、有機材料で形成された受光層１０及び２０をそれぞれ透明性基板４０の第１の面４０ａ及び第２の面４０ｂ上に設け、受光層２０から所定の間隔をおいて受光層３０を設ける構成とし、さらに、受光層２０と受光層３０との間に層間レンズ６２を設ける構成としたので、受光層１０及び２０の開口率よりも、受光層３０の開口率が小さい場合でも、層間レンズ６２によって、受光層３０が受ける光量を受光層１０及び２０が受ける光量と揃えることができ、３板式のカラー撮像素子と同等に光の利用効率を向上させることができる。

なお、前述の実施の形態において、受光層２０と受光層３０との間に１層の層間レンズ６２を設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、受光層３０の画素の微細化に応じて複数層の層間レンズを受光層２０と受光層３０との間に設ける構成とすれば、さらに集光効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０の基本的構成を示す概念的断面図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０において、光吸収特性及び分光感度特性の第１の組み合わせ例を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０において、光吸収特性及び分光感度特性の第２の組み合わせ例を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０において、光吸収特性及び分光感度特性の第３の組み合わせ例を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０の受光層１０及び２０の構成例を示す概念的断面図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０の１画素分の詳細な構成例を示す概念的断面図 本発明の第１の実施の形態に係るカラー撮像素子５０の受光層１０、２０及び３０における光電流の波長依存性を示すグラフ 本発明の第２の実施の形態に係るカラー撮像素子７０の１画素分の詳細な構成例を示す概念的断面図

符号の説明

１０ 受光層（第１の受光層）
１１、２１ 信号読出回路
１１ａ、２１ａ 画素電極
１２ 光電変換部（第１の光電変換部）
１３、２３ 透明電極
２０ 受光層（第２の受光層）
２２ 光電変換部（第２の光電変換部）
３０ 受光層（第３の受光層）
３１ 半導体基板
３２ 受光部（光電変換部）
３３ 電荷転送電極
３４ 遮光膜
４０ 透明性基板
４０ａ 透明性基板の第１の面
４０ｂ 透明性基板の第２の面
５０、７０ カラー撮像素子
６１ 透明コーティング層
６２ 層間レンズ

Claims (7)

1. 被写体側に位置する第１の面及びこの第１の面と対向する第２の面を含む透明性基板と、第１の波長域の光を受光する第１の受光層と、第２の波長域の光を受光する第２の受光層と、第３の波長域の光を受光する第３の受光層とを有し、
   前記第１の受光層は、前記透明性基板の前記第１の面上に設けられ、前記第２の受光層は、前記透明性基板の前記第２の面上に設けられ、前記第３の受光層は、前記被写体からの光のうち前記第１及び前記第２の受光層を透過した光を受光することを特徴とするカラー撮像素子。
2. 前記第１の受光層は、前記第１の波長域の光を電気信号に変換する第１の光電変換部を備え、前記第２の受光層は、前記第２の波長域の光を電気信号に変換する第２の光電変換部を備え、前記第１及び前記第２の光電変換部は、それぞれ、有機材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のカラー撮像素子。
3. 前記第３の受光層は、前記第３の波長域の光を電気信号に変換する光電変換部を備え、前記光電変換部は、結晶シリコン、アモルファスシリコン及び化合物半導体材料のうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のカラー撮像素子。
4. 前記第２の受光層と前記第３の受光層との間に層間レンズを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
5. 前記第１、前記第２及び前記第３の波長域の光は、光の３原色を構成することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
6. 前記第２の波長域の光の帯域幅は、前記第１の波長域の光の帯域幅よりも広いことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のカラー撮像素子。
7. 前記第３の波長域の光の帯域幅は、前記第１及び前記第２の波長域の光の帯域幅よりも広いことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のカラー撮像素子。

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