JP2008227092A - 光電変換素子、撮像素子、撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の波長域の光の各々に応じた信号を別々に取り出すことが可能な光電変換素子を提供する。
【解決手段】一対の電極１０９，１１１と、電極１０９，１１１に挟まれた光電変換膜１１０とを有し、電極１０９，１１１間にバイアス電圧を印加して光電変換膜１１０で発生した電荷を取り出す光電変換素子Ａであって、下部電極１０９を光電変換膜１１０で発生した電荷を取り出すための電荷捕集用電極とし、光電変換膜１１０が、それぞれ吸収スペクトルの異なる２種類の光電変換膜１１０ａ，１１０ｂを積層した構造であり、光電変換膜１１０ｂで発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要なバイアス電圧が、光電変換膜１１０ａで発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要なバイアス電圧よりも大きくなるように、光電変換膜１１０ａ，１１０ｂの材料及び厚みが決められている。
【選択図】図２

Description

本発明は、互いに対向する一対の電極と、前記一対の電極に挟まれた光電変換膜とを有し、前記一対の電極間にバイアス電圧を印加して前記光電変換膜で発生した電荷を取り出す光電変換素子に関する。

撮像素子に用いる光電変換素子には、例えばシリコンフォトダイオードや一対の電極間に光電変換膜を挟んだもの（例えば、特許文献１参照）等、様々なものが知られている。これら光電変換素子を多数配列してなる撮像素子を想定した場合、各光電変換素子の露光時間や光電変換効率を制御することで、各光電変換素子の感度を撮影毎に変更することは可能であるが、各光電変換素子で検出できる波長域を変更することはできない。１つの光電変換素子で複数種類の波長域の光に応じた信号を別々に取り出すことができれば、今までにない新規な撮像素子を実現することができ、撮像素子の新たな使い道を提案可能となる。各光電変換素子で検出できる波長域を変更するために、撮像素子の前面に検出波長を変更するためのフィルタを出し入れすることも考えられるが、この場合は装置構成が大きくなってしまい、現実的ではない。

特開２００７−１３１２３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の波長域の光の各々に応じた信号を別々に取り出すことが可能な光電変換素子を提供することを目的とする。

本発明の光電変換素子は、互いに対向する一対の電極と、前記一対の電極に挟まれた光電変換膜とを有し、前記一対の電極間にバイアス電圧を印加して前記光電変換膜で発生した電荷を取り出す光電変換素子であって、前記一対の電極の一方を、前記光電変換膜で発生した電荷を取り出すための電荷捕集用電極とし、前記光電変換膜が、それぞれ吸収スペクトルの異なる複数種類の光電変換膜を積層した構造であり、前記複数種類の光電変換膜のうち前記電荷捕集用電極に隣接する光電変換膜を除くいずれかの光電変換膜に注目したとき、前記注目した光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧が、前記注目した光電変換膜よりも前記電荷捕集用電極側にある光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧よりも大きい。

本発明の光電変換素子は、前記複数種類の光電変換膜が第１の光電変換膜と第２の光電変換膜の２種類であり、前記第１の光電変換膜が前記電荷捕集用電極に隣接し、前記第１の光電変換膜と前記第２の光電変換膜の積層膜の吸収スペクトルが人間の暗所視での分光感度特性と近似するように、前記第１の光電変換膜の吸収スペクトルと前記第２の光電変換膜の吸収スペクトルがそれぞれ決められており、前記第１の光電変換膜が、人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルを有する。

本発明の光電変換素子は、前記複数種類の光電変換膜が第１の光電変換膜と第２の光電変換膜の２種類であり、前記第１の光電変換膜が前記電荷捕集用電極に隣接し、前記第１の光電変換膜が、人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルを有し、前記第２の光電変換膜が、可視域及び赤外域の範囲内において赤外域に吸収スペクトルの吸収ピーク波長を持つ。

本発明の光電変換素子は、前記複数種類の光電変換膜が、それぞれ有機半導体を含んで構成される。

本発明の撮像素子は、被写体を撮像して撮像信号を出力する撮像素子であって、基板上方の同一平面上に配列された複数の前記光電変換素子と、前記基板に形成され、前記複数の光電変換素子の各々で発生して前記電荷捕集用電極に移動した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部を備える。

本発明の撮像装置は、前記撮像素子を駆動する撮像素子駆動手段とを備え、前記撮像素子駆動手段が、前記バイアス電圧を、各光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧のいずれかに撮影モードに応じて切り替える。

本発明によれば、複数の波長域の光の各々に応じた信号を別々に取り出すことが可能な光電変換素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態である撮像素子の１画素部の概略構成を示す図である。本実施形態の撮像素子は、図１に示したような構成の画素部を、同一平面上に複数配列した構成となっている。
図１に示す撮像素子の１画素部は、基板となるシリコン基板１０１上方にゲート絶縁膜１０５、絶縁膜１０６、及び遮光膜１０７を介して形成された光電変換素子Ａを備える。

光電変換素子Ａは、遮光膜１０７上に形成された下部電極１０９と、下部電極１０９上方に形成された下部電極１０９に対向する上部電極１１１と、下部電極１０９と上部電極１１１の間に設けられた光電変換膜１１０とを含む構成となっている。

上部電極１１１には、その上方から入射光が入射される。上部電極１１１は、光電変換膜１１０に入射光を入射させる必要があるため、入射光に対して透明な導電性材料で構成される。上部電極１１１の材料としては、可視光及び赤外光に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（TCO;Transparent Conducting Oxide）を好ましく用いることができる。Ａｕなどの金属薄膜も用いることができるが、透過率を９０%以上得ようとすると抵抗値が極端に増大するため、ＴＣＯの方が好ましい。ＴＣＯとして、特に、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２等を好ましく用いることができる。尚、上部電極１１１は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。

下部電極１０９は、画素部毎に分割された薄膜であり、透明又は不透明の導電性材料で構成される。下部電極１０９の材料としてアルミニウムや銀等を好ましく用いることができる。

光電変換膜１１０は、有機光電変換材料を含んで構成される。有機光電変換材料として知られている材料としては、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、フタロシアニン誘導体、キナクリドン誘導体、ポルフィリン誘導体、フラーレン、ポリメチン化合物が挙げられる。これらの中から、入射光のうちの特定波長域の光を吸収して、吸収した光に応じた電荷を発生するものから１種もしくは複数種を選択して用いることができる。光電変換膜１１０は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。光電変換膜１１０の構成については後述する。

上部電極１１１と下部電極１０９の間に所定のバイアス電圧を印加することで、光電変換膜１１０で発生した電荷（正孔、電子）のうちの一方を上部電極１１１に移動させ、他方を下部電極１０９に移動させることができる。本実施形態では、上部電極１１１に配線が接続され、この配線を介してバイアス電圧が上部電極１１１に印加されるものとする。又、バイアス電圧は、光電変換膜１１０で発生した正孔が上部電極１１１に移動し、電子が下部電極１０９に移動するように極性が決められているものとする。

下部電極１０９下方の半導体基板１０１内には光電変換膜１１０で発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部１０２が形成されている。電荷蓄積部１０２上にはアルミニウム等の導電性材料からなるビアプラグ１０４が形成され、ビアプラグ１０４上に下部電極１０９が形成されており、このビアプラグ１０４によって下部電極１０９と電荷蓄積部１０２とが電気的に接続されている。

シリコン基板１０１上にはゲート絶縁膜１０５が形成され、この上に絶縁膜１０６が形成され、この上に、シリコン基板１０１に光が入射するのを防ぐ遮光膜１０７が形成されている。上部電極１１１上には光電変換素子Ａを保護する保護膜１１２が形成されている。

シリコン基板１０１内及びシリコン基板１０１表面には、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部１０３が形成されている。信号読み出し部１０３は、公知のＣＭＯＳ回路で構成され、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷をその量に応じた信号に変換して出力する。信号読み出し部１０３は、電荷蓄積部１０２に蓄積された電荷をＣＣＤによってアンプまで転送し、このアンプで電荷量に応じた信号を出力するような構成であっても良い。

有機半導体材料で構成した光電変換膜１１０は、そこに印加するバイアス電圧の大きさを変えることによって、下部電極１０９を基準位置としてどの位置までの範囲で発生した電荷を下部電極１０９まで移動させることができるのかを調整することが可能である。これは、有機半導体材料が、そのキャリア輸送性能が非常に低く、電荷捕集用電極から遠い位置で発生した電荷ほど、この電荷を強い力で電荷捕集用電極まで引っ張らないと、電荷が移動途中で再結合等により消滅してしまうからである。本実施形態では、このことを利用して、光電変換素子Ａの構成を図２に示したものとしている。

図２は、図１に示す光電変換素子Ａの詳細構成を示す断面模式図である。
図２に示すように、光電変換膜１１０は、下部電極１０９上方に形成された光電変換膜１１０ａと、光電変換膜１１０ａ上方に形成された光電変換膜１１０ｂとの２層構造となっている。光電変換膜１１０ａの吸収スペクトルと光電変換膜１１０ｂの吸収スペクトルは異なっている。又、光電変換膜１１０ａと光電変換膜１１０ｂは、それぞれ有機半導体材料を含んで構成されている。

光電変換膜１１０は、光電変換膜１１０ｂの一端（下部電極１０９側の端部）から他端（上部電極１１１側の端部）までの範囲で発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要な上部電極１１１及び下部電極１０９間に加えるべきバイアス電圧（以下、第１のバイアス電圧という）が、光電変換膜１１０ａの一端（下部電極１０９側の端部）から他端（上部電極１１１側の端部）までの範囲で発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要な上部電極１１１及び下部電極１０９間に加えるべきバイアス電圧（以下、第２のバイアス電圧という）よりも大きくなるように、光電変換膜１１０ａ及び光電変換膜１１０ｂの各々の材料や厚みが決められている。

上述したように、有機半導体材料は、そこに加えるバイアス電圧の大きさによって電荷取り出し範囲を制御することができるため、第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧の切り替えにより、光電変換膜１１０ａで発生した電荷のみを取り出すのか、光電変換膜１１０ａと光電変換膜１１０ｂの両方で発生した電荷を取り出すのかを切り替えることが可能となる。

光電変換膜１１０ａは、図３に示したような人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルを有する。ここで、人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルとは、一般的に、可視域と赤外域を併せた範囲（波長４００ｎｍ以上）における吸収ピークを波長５３０ｎｍ〜５８０ｎｍの範囲に持ち、波長５００ｎｍにおける吸収率が該吸収ピークの４０％以下であり、波長６５０ｎｍにおける吸収率が該吸収ピークの３０％以下であるような吸収スペクトルのことをいう。このような吸収スペクトルを有する光電変換膜１１０ａは、材料として例えば、キナクリドンを用いることで実現可能である。

光電変換膜１１０全体の吸収スペクトルは、図３に示したような人間の暗所視での分光感度特性と近似しており、このような分光感度特性となるように、光電変換膜１１０ｂの吸収スペクトルが決められている。ここで、人間の暗所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルとは、一般的に、可視域と赤外域を併せた範囲における吸収ピークを波長４８０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲に持ち、波長４３０ｎｍにおける吸収率が該吸収ピークの４０％以下であり、波長６５０ｎｍにおける吸収率が該吸収ピークの２０％以下であるような吸収スペクトルのことをいう。光電変換膜１１０ｂの吸収スペクトルは、材料として例えば、3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA)を用いることで実現可能である。

図４は、光電変換膜１１０の吸収スペクトルの設計例を示した図である。
光電変換膜１１０ａの吸収スペクトルと光電変換膜１１０ｂの吸収スペクトルを図４のようにすることで、光電変換膜１１０の吸収スペクトルを人間の暗所視での分光感度特性に近似したものにすることができる。

以上のような構成の撮像素子の動作を説明する。
上部電極１１１と下部電極１０９間に第２のバイアス電圧が印加された状態で露光期間が開始されると、入射光が光電変換膜１１０で吸収され、ここで入射光量に応じた電荷が発生する。上部電極１１１と下部電極１０９間には第２のバイアス電圧が印加されているため、光電変換膜１１０で発生した電子のうち、光電変換膜１１０ａで発生した電子のみが下部電極１０９に移動し、ここからビアプラグ１０４を介して電荷蓄積部１０２に移動し、ここに蓄積される。露光期間終了後、電荷蓄積部１０２に蓄積された電子に応じた信号が撮像素子外部に出力され、この撮像素子を搭載する撮像装置の信号処理部によって、人間の明所視での分光感度に合った画像が得られる。

一方、上部電極１１１と下部電極１０９間に第１のバイアス電圧が印加された状態で露光期間が開始されると、入射光が光電変換膜１１０で吸収され、ここで入射光量に応じた電荷が発生する。上部電極１１１と下部電極１０９間には第１のバイアス電圧が印加されているため、光電変換膜１１０で発生した電子のうち、光電変換膜１１０ａで発生した電子と光電変換膜１１０ｂで発生した電子が下部電極１０９に移動し、ここからビアプラグ１０４を介して電荷蓄積部１０２に移動し、ここに蓄積される。露光期間終了後、電荷蓄積部１０２に蓄積された電子に応じた信号が撮像素子外部に出力され、この撮像素子を搭載する撮像装置の信号処理部によって、人間の暗所視での分光感度に合った画像が得られる。

このように、本実施形態の撮像素子によれば、上部電極１１１と下部電極１０９間に印加するバイアス電圧を第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧とで切り替えて撮像を行うことで、人間の明所視での分光感度に合った画像と、人間の暗所視での分光感度に合った画像とのいずれかを得ることができる。例えば、昼間の撮影時には第２のバイアス電圧を印加することで、人間が昼間に見ている被写体像と何ら遜色のないモノクロ画像を得ることができ、夜間の撮影時には第１のバイアス電圧を印加することで、人間が夜間に見ている被写体像と何ら遜色のないモノクロ画像を得ることができ、撮影シーンに応じた撮影が可能となる。

尚、光電変換膜１１０ｂを、可視域及び赤外域の範囲内において赤外域に吸収スペクトルの吸収ピーク波長を持つ図５に示したような吸収スペクトルにすることで、例えば、昼間の撮影時には第２のバイアス電圧を印加して、人間が昼間に見ている被写体像と何ら遜色のないモノクロ画像を得ることができ、夜間の撮影時には第１のバイアス電圧を印加して、人間が夜間に見ることのできない赤外反射光に応じた画像を得ることができ、モノクロ撮影と赤外撮影とを切り替え可能な撮像素子を実現することができる。可視域及び赤外域の範囲内において赤外域に吸収スペクトルの吸収ピーク波長を持つような吸収スペクトルを有する光電変換膜１１０ｂは、材料として例えば、Titanium oxide phthalocyanine (TiOPc)を用いることで実現可能である。

又、以上の説明では、光電変換膜１１０を、光電変換膜１１０ａと光電変換膜１１０ｂの２種類の光電変換膜の積層体として説明したが、光電変換膜１１０は、３種類以上の光電変換膜の積層体であっても良い。この場合、３種類以上の光電変換膜のうち下部電極１０９に隣接する光電変換膜を除くいずれかの光電変換膜に注目したとき、この注目した光電変換膜で発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要なバイアス電圧が、前記注目した光電変換膜よりも下部電極１０９側にある光電変換膜で発生した電荷を下部電極１０９に移動させるために最低限必要なバイアス電圧よりも大きくなるように、各光電変換膜の材用及び厚みを決定すれば良い。

次に、以上で説明した撮像素子を搭載した撮像装置の例であるデジタルカメラの構成例について説明する。
図６は、本実施形態の撮像素子を搭載したデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、撮影レンズ１と、撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、光学ローパスフィルタ４とを備える。撮像素子５は、図１に示したものである。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２及び受光部１３を制御し、レンズ駆動部８を制御して撮影レンズ１の位置をフォーカス位置に調整したりズーム調整を行ったりし、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。

又、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して撮像素子５を駆動し、撮影レンズ１を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。システム制御部１１は、受光部１３や事前撮影によって得られた情報に応じて決定した撮影モードや、ユーザから操作部１４を通して設定された撮影モードに応じて、撮像素子駆動部１０から撮像素子５に供給するバイアス電圧を、第１のバイアス電圧と第２のバイアス電圧とのいずれかに設定する指示を行う。

このデジタルカメラには、昼間の撮影時に適した昼間撮影モードと、夜間の撮影時に適した夜間撮影モード（撮像素子５の光電変換膜１１０ｂが図５に示したような吸収スペクトルを持つ場合には、赤外撮影を行うことが可能な赤外撮影モード）とが設定可能である。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備え、これらはシステム制御部１１によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って画像データを生成するデジタル信号処理部１７と、デジタル信号処理部１７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部１８と、測光データを積算しデジタル信号処理部１７が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備え、これらは、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。

このように構成されたデジタルカメラでは、昼間撮影モードが設定されると、システム制御部１１が撮像素子駆動部１０に指示を出し、この指示に応じて撮像素子駆動部１０が第２のバイアス電圧を撮像素子５に供給する。これにより、撮像素子５からは、光電変換膜１１０ａで発生した電子に応じた信号のみが出力される。そして、この信号に対して所定の信号処理が施され、人間が昼間に見ている被写体像と何ら遜色のないモノクロ画像データが記録媒体２１に記録される。

又、夜間撮影モード（赤外撮影モード）が設定されると、システム制御部１１が撮像素子駆動部１０に指示を出し、この指示に応じて撮像素子駆動部１０が第１のバイアス電圧を撮像素子５に供給する。これにより、撮像素子５からは、光電変換膜１１０全体で発生した電子に応じた信号が出力される。そして、この信号に対して所定の信号処理が施され、人間が夜間に見ている被写体像と何ら遜色のないモノクロ画像データ（又は赤外画像データ）が記録媒体２１に記録される。

５ 固体撮像素子
１０ 撮像素子駆動部
１０１ 光電変換素子
１０２ 垂直電荷転送路
１０６ 電荷蓄積パケット

本発明の実施形態である撮像素子の１画素部の概略構成を示す図 図１に示す光電変換素子の詳細構成を示す断面模式図 人間の暗所視での分光感度特性と人間の明所視での分光感度特性を示す図 図２に示す光電変換膜の吸収スペクトルの設計例を示した図 図２に示す光電変換膜の吸収スペクトルの設計例を示した図 本実施形態の撮像素子を搭載するデジタルカメラの概略構成を示す図

符号の説明

１０９ 下部電極
１１０，１１０ａ，１１０ｂ 光電変換膜
１１１ 上部電極

Claims (6)

1. 互いに対向する一対の電極と、前記一対の電極に挟まれた光電変換膜とを有し、前記一対の電極間にバイアス電圧を印加して前記光電変換膜で発生した電荷を取り出す光電変換素子であって、
   前記一対の電極の一方を、前記光電変換膜で発生した電荷を取り出すための電荷捕集用電極とし、
   前記光電変換膜が、それぞれ吸収スペクトルの異なる複数種類の光電変換膜を積層した構造であり、
   前記複数種類の光電変換膜のうち前記電荷捕集用電極に隣接する光電変換膜を除くいずれかの光電変換膜に注目したとき、前記注目した光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧が、前記注目した光電変換膜よりも前記電荷捕集用電極側にある光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧よりも大きい光電変換素子。
2. 請求項１記載の光電変換素子であって、
   前記複数種類の光電変換膜が第１の光電変換膜と第２の光電変換膜の２種類であり、
   前記第１の光電変換膜が前記電荷捕集用電極に隣接し、
   前記第１の光電変換膜と前記第２の光電変換膜の積層膜の吸収スペクトルが人間の暗所視での分光感度特性と近似するように、前記第１の光電変換膜の吸収スペクトルと前記第２の光電変換膜の吸収スペクトルがそれぞれ決められており、
   前記第１の光電変換膜が、人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルを有する光電変換素子。
3. 請求項１記載の光電変換素子であって、
   前記複数種類の光電変換膜が第１の光電変換膜と第２の光電変換膜の２種類であり、
   前記第１の光電変換膜が前記電荷捕集用電極に隣接し、
   前記第１の光電変換膜が、人間の明所視での分光感度特性に近似した吸収スペクトルを有し、
   前記第２の光電変換膜が、可視域及び赤外域の範囲内において赤外域に吸収スペクトルの吸収ピーク波長を持つ光電変換素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の光電変換素子であって、
   前記複数種類の光電変換膜が、それぞれ有機半導体を含んで構成される光電変換素子。
5. 被写体を撮像して撮像信号を出力する撮像素子であって、
   基板上方の同一平面上に配列された複数の光電変換素子を備え、
   前記複数の光電変換素子が、請求項１〜４のいずれか１項記載の光電変換素子であり、
   前記基板に形成され、前記複数の光電変換素子の各々で発生して前記電荷捕集用電極に移動した電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部を備える撮像素子。
6. 請求項５記載の撮像素子と、
   前記撮像素子を駆動する撮像素子駆動手段とを備え、
   前記撮像素子駆動手段が、前記バイアス電圧を、各光電変換膜で発生した電荷を前記電荷捕集用電極に移動させるために最低限必要な前記バイアス電圧のいずれかに撮影モードに応じて切り替える撮像装置。

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