JP2009081298A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ撮像素子であって、製造が容易な撮像素子を提供する。
【解決手段】基板１上方に配設された複数の光電変換素子（画素電極３、光電変換層４、対向電極５）と、複数の光電変換素子上方に形成された発光波長域と吸収波長域の異なる発光層８を含む発光素子１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写体からの光を電荷に変換する光電変換機能と、前記被写体を照明する照明機能とを有する撮像素子に関する。

従来、受光素子と発光素子が混在した撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。この撮像装置では、発光素子から発光された光が被写体に入射し、ここで反射して受光素子で受光されることで、被写体の撮像を行うことを可能にしている。受光素子は、光電変換層とこれを挟む一対の電極から構成され、発光素子は、発光層とこれを挟む一対の電極から構成されており、光電変換層と発光層とは全く別の材料で構成されている。

特開２００７−１０４０８８号公報

特許文献１記載の撮像装置は、構成の異なる発光素子と受光素子を同一面上に多数形成する必要がある。このため、発光層の成膜及びパターニングと光電変換層の成膜及びパターニングとを別々に行う必要があり、その製造が容易ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ撮像素子であって、製造が容易な撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の撮像素子は、基板上方に配設された複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子上方に形成された発光波長域と吸収波長域の異なる発光層を含む発光素子とを備える。

本発明の撮像素子は、前記発光素子が、前記複数の光電変換素子と前記発光層との間に設けられた第一の透明電極と、前記第一の透明電極に前記発光層を介して対向して設けられた第二の透明電極とを含み、前記第一の透明電極と前記第二の透明電極が、それぞれ、少なくとも前記発光層の発光波長域の光を透過する電極である。

本発明の撮像素子は、前記光電変換素子が、前記基板上方に形成された第一の電極と、前記第一の電極上方に形成された少なくとも前記発光素子の発光波長域の光を透過可能な第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に形成された光電変換層とを含んで構成され、前記光電変換層の吸収波長域と、前記発光層の発光波長域とが重なりを有している。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層と前記発光層が有機材料からなる。

本発明の撮像素子は、前記光電変換層がキナクリドンであり、前記発光層がＡｌｑ３（tris（8-hydroxyquinoline）aluminum）である。

本発明の撮像素子は、前記第二の電極と前記光電変換層が、それぞれ前記複数の光電変換素子で共通の一枚構成である。

本発明の撮像素子は、前記第二の電極が、前記光電変換素子と前記発光層との間にある前記第一の透明電極と兼用されている。

本発明の撮像素子は、前記光電変換素子が前記基板上方に二次元状に配設されている。

本発明の撮像素子は、前記発光素子上方で前記複数の光電変換素子の一部と重なる位置に設けられ、前記一部の光電変換素子に被写体からの反射光が入射するのを防止する遮光機能と、前記発光層から発光された光のうち、前記光電変換素子側とは反対側に出射される光を吸収する吸収機能とを有する部材を備える。

本発明の撮像装置は、前記撮像素子と、前記被写体からの反射光に応じて前記一部以外の光電変換素子から得られた信号に含まれる、前記発光層から前記光電変換素子側に出射された光に応じた信号を、前記一部の光電変換素子から得られる信号を用いて除去する信号処理を行う信号処理手段を備える。

本発明によれば、受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ撮像素子であって、製造が容易な撮像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。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図である。
図１に示す撮像素子１００は、ガラス基板や半導体基板等の基板１と、基板１上に形成された絶縁層２と、絶縁層２上に一次元状又は二次元状に配設された複数の画素電極３と、画素電極３上に形成された光電変換層４と、光電変換層４上に形成された対向電極５と、対向電極５上に形成された絶縁層６と、絶縁層６上に形成された透明電極７、透明電極７上に形成された発光層８、及び発光層８上に形成された透明電極９からなる発光素子１６と、透明電極９上に形成された保護層１０と、トランジスタからなるスイッチ１１と、電流計１２とを備える。電流計１２と対向電極５との間には電源１３が接続され、透明電極７と透明電極９の間には電源１４が接続されている。電源１３，１４は、撮像素子１００を搭載する撮像装置であるスキャナ内に設けられる。

撮像素子１００は、保護層１０を原稿１５に密着させて用いられるものであり、発光層８からの光を原稿１５に当て、原稿１５から反射した光を光電変換層４で検出することで、原稿１５の内容を撮像する構成となっている。

保護層１０は、発光層８から発せられた光を透過可能な材料で構成されている。

発光層８は、自らが発光した光による原稿１５からの反射光を自身の下方に透過させて光電変換層４に入射させるために、発光波長域と吸収波長域の異なる発光材料によって構成されている。発光材料としては、発光波長域と吸収波長域の異なるものであれば無機、有機のいずれも用いることができる。例えば、有機材料であるＡｌｑ３は、図２に示すように、自らが発光した光のほとんどを透過させることができるため、発光層８の材料として好ましく用いることができる。

透明電極９は、発光層８から発せられた光を原稿１５に入射させる必要があるため、少なくとも発光層８の発光波長域の光を透過する材料で構成されている。透明電極９の材料としては、例えばＩＴＯがあげられる。

透明電極７は、発光層８から発せられた光の原稿１５からの反射光を光電変換層４に入射させる必要があるため、少なくとも発光層８の発光波長域の光を透過する材料で構成されている。透明電極７の材料としては、例えばＩＴＯがあげられる。

電源１４は、透明電極７及び透明電極９に電荷（正孔及び電子）を注入するためのバイアス電圧を、透明電極７及び透明電極９に印加するものである。透明電極７と透明電極９とで挟まれる発光層８にバイアス電圧を印加した場合、陰極（透明電極９）からの発光層８への正孔の注入が促進され、陽極（透明電極７）からの発光層８への電子の注入が促進され、注入された電子と正孔が再結合領域（発光層８）で再結合することで、発光が行われる。

絶縁層６は、発光層８から発せられた光を少なくとも透過可能な材料で構成されている。

対向電極５は、発光層８から発せられた光の原稿１５からの反射光を光電変換層４に入射させる必要があるため、少なくとも発光層８の発光波長域の光を透過する材料で構成されている。対向電極５の材料としては、例えばＩＴＯがあげられる。

光電変換層４は、発光層８が発光した光による原稿１５からの反射光を吸収する必要があるため、その吸収波長域が発光層８の発光波長域と重なりを有している有機又は無機の光電変換材料で構成されている。例えば、発光層８としてＡｌｑ３を採用した場合には、図３に示すようにＡｌｑ３の発光波長域とほぼ同じ吸収波長域を持つ有機材料であるキナクリドンを用いることが好ましい。

画素電極３は、光電変換層４の画素電極３と対向電極５とで挟まれる領域で発生した電荷を捕集するための電極である。画素電極３にはスイッチ１１を介して電流計１２が接続されており、画素電極３に捕集された電荷に応じた信号（信号電流）は、スイッチ１１がオンされることにより、電流計１２によって検出される。対向電極５には、電源１３が接続されており、電源１３からバイアス電圧が供給されることで、光電変換層４で発生した電荷を画素電極３まで移動させることができる。

対向電極５のうちの画素電極３と重なる部分と、光電変換層４のうちの該画素電極３と重なる部分と、該画素電極３とにより、１つの光電変換素子が構成されている。このように、撮像素子１００は、基板１上方に一次元状又は二次元状に配設された複数の光電変換素子を備え、この複数の光電変換素子の上方に発光素子１６が設けられた構成となっている。

次に、以上のように構成された撮像素子１００を搭載するスキャナの動作について説明する。
撮像素子１００の保護層１０を原稿１５に密着させた状態でスキャン開始指示がなされると、電源１３と電源１４からバイアス電圧の供給が開始されて、発光層８から一定期間、光が発せられる。発光層８から発せられた光のうち、光電変換層４とは反対側に向かう光（図１中の光（１））は、透明電極９と保護層１０を透過して原稿１５に入射し、ここで反射した反射光が保護層１０、透明電極９、発光層８、透明電極７、絶縁層６、対向電極５をこの順に透過して、光電変換層４に入射する。一方、発光層８から発せられた光のうち、光電変換層４側に向かう光（図１中の光（２））も、透明電極７、絶縁層６、対向電極５をこの順に透過して、光電変換層４に入射する。

光電変換層４では、入射した光に応じて電荷が発生し、この電荷が画素電極３で捕集される。発光層８の発光期間が終了すると、スイッチ１１が順次オンされ、各光電変換素子の画素電極３で捕集された電荷に応じた信号が電流計１２で順次検出され、撮像信号として外部に出力される。次に、撮像素子１００から出力された撮像信号に所定の信号処理が施されて画像データが生成され、この画像データがスキャナに設けた表示装置に表示されたり、スキャナ内部の記録媒体に記録されたり、スキャナに接続されたコンピュータ等に転送されたりして、スキャンが終了する。

このように、本実施形態の撮像素子１００によれば、被写体と密着させてスキャニングを行うことが可能であるため、撮像レンズ等の光学系を用いることなく、光電変換素子の数に応じた解像度の画像情報の読み取りが可能となる。光学系が不要となるため、一般的なスキャナに比べて薄型化が可能となり、例えば、分厚い書籍のスキャンしにくい中央部分も、この書籍にしおりを挟む感覚で撮像素子１００を挟みこむことで容易にスキャンすることができる。尚、光電変換層４と被写体との距離は、画素電極３の配列ピッチの１／２〜２倍程度としておけば、光学系を設けることなく、良好なスキャン結果を得ることができる。

又、本実施形態の撮像素子１００によれば、光電変換素子と同じ位置から光が被写体に発せられるため、光電変換素子の位置と発光素子の位置が異なる従来の素子に比べて、撮影精度を向上させることができる。

又、本実施形態の撮像素子１００によれば、基板１上方に複数の光電変換素子を形成し、この上方に発光素子を形成するといった単純なプロセスで製造することができる。このため、基板上方に光電変換素子と発光素子とを横方向に並べて形成する従来の構成に比べて、製造を容易に行うことができる。

又、本実施形態の撮像素子１００によれば、各構成要素を可撓性の材料で構成することも可能なため、撮影対象となる部位を限定することがなく、様々な部位のスキャンが可能となる。

尚、図１の構成例では、光電変換層４及び対向電極５を、それぞれ複数の光電変換素子で共通化した一枚構成としているが、これらは光電変換素子毎に分割した構成であっても良い。図１のように共通化した構成にした場合、画素電極３以外はフォトリソグラフィ法を用いたパターニングを行う必要がなくなるため、発光層８や光電変換層４に有機材料を用いた場合でも、その製造が容易となる。

又、以上の説明では、画素電極３に電流計１２を接続して、この電流計１２により信号を検出するものとしたが、基板１をシリコン基板とし、このシリコン基板内に、画素電極３で捕集された電荷に応じた信号を読み出すための電荷蓄積部、ＣＣＤやＣＭＯＳ回路等の読出し部を設けておき、この読出し部で信号を外部に出力するようにしても良い。

又、以上の説明では、基板１上方に複数の光電変換素子を配設する例を示したが、基板１を例えばｎ型シリコン基板とし、このｎ型シリコン基板上にｐウェル層を形成し、このｐウェル層内に複数のフォトダイオードを形成し、ｐウェル層上に絶縁層を介して発光素子１６を形成した構成とすることもできる。この構成の場合には、撮像素子１００の厚みを更に薄くすることができると共に、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサの製造技術をそのまま利用することができる。

図１に示したように、被写体の撮像時、光電変換層４には、被写体からの反射光に加えて、発光層８で発光した光（２）が入射してしまう。このため、撮像素子１００から得られる信号には、光（２）に応じた信号がバックグラウンド信号として一律に含まれてしまう。このバックグラウンド信号は、ＤＣ信号であるため、コンデンサを介することで容易に除去することができる。以下、バックグラウンド信号を除去する機能を持つスキャナの構成例について説明する。

まず、撮像素子１００には、発光素子１６上方で、複数の光電変換素子の一部（例えば端部にある１ライン分の光電変換素子）と重なる位置に設けられ、該一部の光電変換素子に被写体からの反射光が入射するのを防止する遮光機能と、発光層８から発光された光のうち、光電変換素子側とは反対側に出射される光（１）を吸収する吸収機能とを備えた部材（例えばタングステン等）を設けておく。例えば、図４に示すように、保護層１０のうち該一部の光電変換素子と重なる部分２０だけを黒い材料で構成しておく。

このようにしておくことで、該一部の光電変換素子には、発光層８から発光された光のうち光電変換素子側に出射される光（２）のみが入射することになるため、該一部の光電変換素子から得られる信号を取得することで、バックグラウンド信号を取得することが可能となる。

図５は、本実施形態のスキャナに搭載されるバックグラウンド信号の除去回路であるクランプ回路の一例を示す図である。
図５に示すクランプ回路３０は、コンデンサ３１と、オペアンプ３２と、トランジスタ３３とを備える。

コンデンサ３１の一端には撮像素子１００からの撮像信号が入力され、他端にはオペアンプ３２の入力が接続されている。

トランジスタ３３は、ソースが接地され、ドレインがオペアンプ３２の入力に接続されている。トランジスタ３３のゲートにはクランプパルスが印加されるようになっており、このクランプパルスによりトランジスタ３３のオンオフが制御される。

次に、クランプ回路３０の動作を説明する。
図６は、クランプ回路３０の動作を説明するための図である。図６（ａ）は、撮像素子１００から出力されてくる撮像信号を示した図である。図６（ｂ）は、クランプパルスの波形を示した図である。図６（ｃ）は、クランプ回路３０の出力信号を示した図である。

図６（ａ）に示すように、撮像素子１００からは、上記部材と重なる光電変換素子からの信号（以下、ＯＢ信号という）がＯＢ期間の間に出力され、その後、上記部材と重ならない光電変換素子からの信号（以下、有効信号という）が順次出力されてくる。図６（ｂ）に示すように、クランプパルスはＯＢ期間においてハイレベルとなり、これにより、クランプ動作が行われて、有効信号がＯＢ信号を基準とした信号に変換される。そして、クランプ回路３０のオペアンプ３２からは、図６（ｃ）に示したようなバックグラウンド信号の除去された信号が出力される。

以上のように、撮像素子１００の発光素子１６の上に遮光機能と吸収機能を有する部材を設けておき、この部材と重なる光電変換素子から得られた信号を基準として有効信号を扱うことで、バックグラウンド信号を除去することができ、正確な撮影を行うことができる。

尚、吸収機能と遮光機能を有する部材の他に、遮光機能のみを有する白色板等を発光素子１６上に設けておき、この白色板と重なる位置にある光電変換素子からの信号を用いて発光素子８や光電変換層４の特性劣化を検出することも可能である。

（第二実施形態）
図７は、本発明の第二実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図である。図７において図１と同様の構成には同一符号を付してある。
図７に示す撮像素子２００は、図１に示す撮像素子１００の対向電極５を、透明電極７と兼用することで、透明電極７と絶縁層６を省略した構成になっている。このような構成にすることで、電源１３，１４からの配線の数や、撮像素子１００の厚みや、光電変換層４に入射する光の損失といったものを抑えることができる。

（第三実施形態）
図８は、本発明の第三実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図である。図８において図７と同様の構成には同一符号を付してある。
図８に示す撮像素子３００は、図７に示す撮像素子２００の画素電極３と光電変換層４の間に電子ブロッキング層１６を設け、光電変換層４と対向電極５との間に正孔ブロッキング層１７を設け、対向電極５と発光層８の間に電子輸送層１８を設け、発光層８と透明電極９との間に正孔輸送層１９を設けた構成となっている。

このような構成により、対向電極５から光電変換層４への正孔の注入と、画素電極３から光電変換層４への電子の注入を抑えることができ、暗電流を低減することができる。又、対向電極５から発光層８への電子の移動が促進され、透明電極９から発光層８への正孔の移動が促進されるため、発光層８での発光強度を上げることができる。

本発明の第一実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図 Ａｌｑ_３の発光・吸収特性を示した図 キナクリドンの吸収特性を示した図 吸収部材の配置例を示した図 本実施形態の撮像装置に搭載されるバックグラウンド信号の除去回路であるクランプ回路の一例を示す図 図５に示すクランプ回路の動作を説明するための図 本発明の第二実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図 本発明の第三実施形態である撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図

符号の説明

１ 基板
３ 画素電極
４ 光電変換層
５ 対向電極
７，９ 透明電極
８ 発光層
１０ 保護層
１６ 発光素子
２０ 吸収部材
１００ 撮像素子

Claims (10)

1. 基板上方に配設された複数の光電変換素子と、
   前記複数の光電変換素子上方に形成された発光波長域と吸収波長域の異なる発光層を含む発光素子とを備える撮像素子。
2. 請求項１記載の撮像素子であって、
   前記発光素子が、前記複数の光電変換素子と前記発光層との間に設けられた第一の透明電極と、前記第一の透明電極に前記発光層を介して対向して設けられた第二の透明電極とを含み、
   前記第一の透明電極と前記第二の透明電極が、それぞれ、少なくとも前記発光層の発光波長域の光を透過する電極である撮像素子。
3. 請求項１又は２記載の撮像素子であって、
   前記光電変換素子が、前記基板上方に形成された第一の電極と、前記第一の電極上方に形成された少なくとも前記発光素子の発光波長域の光を透過可能な第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に形成された光電変換層とを含んで構成され、
   前記光電変換層の吸収波長域と、前記発光層の発光波長域とが重なりを有している撮像素子。
4. 請求項３記載の撮像素子であって、
   前記光電変換層と前記発光層が有機材料からなる撮像素子。
5. 請求項４記載の撮像素子であって、
   前記光電変換層がキナクリドンであり、
   前記発光層がＡｌｑ３（tris（8-hydroxyquinoline）aluminum）である撮像素子。
6. 請求項３〜５のいずれか１項記載の撮像素子であって、
   前記第二の電極と前記光電変換層が、それぞれ前記複数の光電変換素子で共通の一枚構成である撮像素子。
7. 請求項６記載の撮像素子であって、
   前記第二の電極が、前記光電変換素子と前記発光層との間にある前記第一の透明電極と兼用されている撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の撮像素子であって、
   前記光電変換素子が前記基板上方に二次元状に配設されている撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の撮像素子であって、
   前記発光素子上方で前記複数の光電変換素子の一部と重なる位置に設けられ、前記一部の光電変換素子に被写体からの反射光が入射するのを防止する遮光機能と、前記発光層から発光された光のうち、前記光電変換素子側とは反対側に出射される光を吸収する吸収機能とを有する部材を備える撮像素子。
10. 請求項９記載の撮像素子と、
    前記被写体からの反射光に応じて前記一部以外の光電変換素子から得られた信号に含まれる、前記発光層から前記光電変換素子側に出射された光に応じた信号を、前記一部の光電変換素子から得られる信号を用いて除去する信号処理を行う信号処理手段を備える撮像装置。

Images