JP2010109196A - 固体撮像素子および電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性が劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をもなくす。
【解決手段】固体撮像素子１は、半導体層または半導体基板２上に交互に横方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる縦方向の一導電型注入領域としてのＰ型注入領域３および他導電型注入領域としてのＮ型注入領域４と、これらのＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４上に設けられた横方向の複数の電荷転送駆動用透明電極（透明電極５〜１０）と、複数の透明電極５〜１０上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための液晶手段としての液晶セルとを有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

従来の固体撮像素子として、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を電荷転送部により所定方向に電荷転送した後に増幅して撮像信号を得るＣＣＤ固体撮像素子と、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を増幅して撮像信号として信号読み出しを行うＣＭＯＳ固体撮像素子とがある。

このＣＣＤ固体撮像素子について特許文献１にその構成が開示されており、通常、固体撮像素子の垂直転送時は、垂直転送部上が遮光膜により遮光されている必要がある。

図１５は、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。

図１５において、従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、被写体からの画像光を光電変換して信号電荷を生成する受光部１０１上の遮光膜の開口部１０２と、この開口部１０２下の受光部１０１から読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための垂直転送部１０３と、この受光部１０１と垂直転送部１０３間のチャネル部１０４と、隣接画素との間を素子分離するための素子分離領域１０５とに分けることができる。

図１６は、図１５の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。
図１６に示すように、この従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、Ｎ型シリコン基板１１０上の第１のＰ型ウェル領域１１２内にＮ型の受光部１０１と、垂直転送部１０３を構成する垂直レジスタ１１３と、その外周側の素子分離領域１０５を構成するＰ型のチャネル・ストッパ領域１１４とが形成されている。また、受光部１０１の表面側にＰ型の正電荷蓄積領域１１５が形成され、垂直レジスタ１１３の直下には第２のＰ型ウェル領域１１６が形成されている。

垂直レジスタ１１３上にゲート絶縁膜１１７を介して多結晶シリコン層による転送電極１１８が選択的に形成され、この転送電極１１８上に層間絶縁膜１１９を介してＡｌ遮光膜１２０が形成され、このＡｌ遮光膜１２０を含む全面に例えばプラズマＳｉＮ膜による表面保護層１２１が形成されてＣＣＤ固体撮像素子１００が構成されている。なお、受光部１０１と垂直レジスタ１１３間のＰ型領域は読出しゲートであるチャネル部１０４を構成している。

Ａｌ遮光膜１２０は、受光部１０１上で選択的にエッチング除去されており、光Ｌは、このエッチング除去によって形成された受光部１０１上の開口部１０２を通して受光部１０１内に入射されるようになっている。このとき、受光部１０１の周縁上に、Ａｌ遮光膜１２０が一部が残った形となっている。
Ａｌ遮光膜１２０中、受光部１０１の周縁上におけるＡｌ遮光膜１２０の上部を傾斜状１２０ａに形成して構成している。

図１７は、特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す縦断面図である。

図１７に示すように、従来のＣＣＤ固体撮像素子２００は、半導体基板２０１の表面側に、被写体からの画像光を光電変換して信号電荷を生成する光電変換領域２０２と、光電変換領域２０２から読み出された信号電荷を電荷転送する電荷転送領域２０３と、電荷転送領域２０３上に絶縁膜を介して形成された電荷転送電極２０４と、電荷転送電極２０４上に絶縁膜を介して形成され、光電変換領域２０２上を開口した遮光膜２０５と、光電変換領域２０２上の絶縁膜および遮光膜２０５上に平坦化膜２０６を介して、上下の透明電極基板２０７ａ、２０７ｂ、およびその間の液晶材料２０７ｃからなる液晶セル２０７と、液晶セル２０７上に平坦化膜２０８を介して、各光電変換領域２０２にそれぞれ対応するように形成されたマイクロレンズ２０９とを有している。
特開平６−４５５６８号公報 特開平５−４８０６０号公報

上記従来の特許文献１の構成では、単位画素部１００の微細化に伴い、開口部１０２の開口率が低下して受光感度特性の劣化が問題になる。このため、開口部１０２の開口率を上げるべく、開口部１０２の開口を広げると、斜め光が開口部１０２から、遮光膜１２０で遮光されている電荷転送部１０３側に入って表示画面上で縦スジとなって現れてしまい、スミア特性が劣化する。

上記従来の特許文献２の構成では、光電変換領域２０２および電荷転送領域２０３上において、液晶セル２０７で入射光を透過または遮蔽させているものの、電荷転送領域２０３上に遮光膜２０５が設けられており、遮光膜２０５の形成プロセスがあって、かつ光電変換領域２０２から信号電荷を読み出し制御する必要がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性が劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をもなくすことができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体層または半導体基板に交互に一方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる該一方向に直交する他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域と、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極と、該複数の電荷転送駆動用透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための入射光透過／遮光制御手段とを有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における入射光透過／遮光制御手段は液晶手段である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光するように制御が為される。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶層は、ツイストネマテック（ＴＮ）液晶材料およびスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）液晶材料のいずれかである。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極がこの順に積層されている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶層はコレステック液晶材料である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段の液晶層がコレステック液晶材料の場合、該液晶手段は、赤色光を反射する第１液晶手段と、緑色光を反射する第２液晶手段と、青色光を反射する第３液晶手段とを積層して、入射光の透過時に色光を選択的に透過可能としている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段の液晶層がコレステック液晶材料の場合、前記液晶手段は、近赤外光までの全ての可視光波長範囲を透過または遮光可能とする。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体層または半導体基板がシリコン層またはシリコン基板である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記高電圧の前記電荷転送駆動用透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における電荷転送駆動用透明電極に印加する電荷転送駆動用電圧は高電圧と低電圧である。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する。

さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体のいずれかである。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

本発明においては、半導体層または半導体基板に交互に横方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる縦方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域と、一導電型注入領域および他導電型注入領域上に設けられた横方向の複数の電荷転送駆動用透明電極と、複数の電荷転送駆動用透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための液晶手段とを有している。

これによって、透明電極による半導体層または半導体基板へのポテンシャル電位の付与と、液晶層のスイッチイング特性とを用いることにより、従来の垂直転送部や遮光膜、および素子外周部の素子分離領域を設ける必要がなく、その結果、受光開口率を向上でき、構造上、スミア特性の劣化をなくすことが可能となる。また、従来の遮光膜の形成プロセスを必要とせず、製造工程を簡略化することが可能となる。さらに、信号電荷の電荷転送部への信号電荷の読み出しおよびその読み出し制御をもなくすことが可能となって制御が簡略化される。

以上により、本発明によれば、透明電極による半導体層または半導体基板へのポテンシャル電位の付与と、液晶層のスイッチイング特性とを用いるため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性が劣化をなくすことが出来きる。透明電極を用いるため、単層電極で2電圧値で転送が可能となり、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をもなくすことができる。さらに、電極の電圧制御によって、画素サイズを可変にできることから、暗時の撮影にも有効である。最後に光のスイッチイング特性がコレステリック液晶の場合には、RGBを個別に撮像できることから、合成技術により一画素でフルカラー表示が可能となり高画素化が図れる。本特許の構造上レンズが不要となる。

以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１、２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ｂ線縦断面図である。

図１および図２において、本実施形態１の固体撮像素子１は、半導体基板２（または半導体層）上に、各受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域３とＮ型注入領域４とが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４上に、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極５〜１０をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板１１、液晶制御用の下側の透明電極１２、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料からなる液晶層１３、液晶制御用の上側の透明電極１４、縦方向の偏光を通す偏光板１５をこの順に積層する。

これらの偏光板１１、透明電極１２、液晶層１３、透明電極１４および偏光板１５から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像素子１が構成されている。この液晶セルは露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。

即ち、本実施形態１の固体撮像素子１は、半導体層または半導体基板２上に交互に横方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる縦方向の一導電型注入領域としてのＰ型注入領域３および他導電型注入領域としてのＮ型注入領域４と、これらのＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４上に設けられた横方向の複数の電荷転送駆動用透明電極（透明電極５〜１０）と、複数の透明電極５〜１０上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための液晶手段としての液晶セルとを有している。

さらに、透明電極５〜１０に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ（電荷転送制御手段）が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極５〜１０に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極５〜１０の一または複数に交互に印加する所定のパターンにより、電荷転送駆動用の透明電極５〜１０下の縦方向のＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４の深いポテンシャル電位領域に画素毎（各受光部毎）の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極５〜１０の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極５〜１０下の縦方向のＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４の深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。

この場合、高電圧の透明電極５〜１０の印加位置を一または複数に印加することにより、入射光を受光する画素サイズが制御可能である。

上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板１５を通り、縦方向の偏光を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層１３のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極１２および１４に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板１１に至る。偏光板１５、１１の偏光方向が互いに角度が９０度だけ異なるため、液晶層１３のスイッチイングによって、固体撮像素子１の受光部への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。これによって、従来のように遮光層により遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。即ち、遮光層および垂直転送領域を別途設ける必要がない。

次に、偏光板１５を通った入射光は、透明電極１４から液晶層１３を経て透明電極１２、偏光板１１さらに透明電極１０を通過し、そのまま、固体撮像素子１の各受光部まで到達する。固体撮像素子１の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４を設けており、ここで、光電変換した電子は、ポテンシャルが低い方のＮ型注入領域４側に集まって蓄積される。なお、Ｎ型注入領域４はＰ型注入領域３によって分離されているが、これに限らず、同じＮ型注入領域４同士であっても、不純物の注入を１回で済ませて、ポテンシャル電位の山と谷を作れば同じＮ型注入領域４同士であっても、信号電荷が互いに混ざり合わないように、隣接する列部と分離可能である。この点は、次の実施形態２に記載している。

最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極５〜１０の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極５〜１０を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となる。

図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。ここで、透明電極５〜１０に印加する低電圧を「０Ｖ」、高電圧を「５Ｖ」としている。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｐ型注入領域３とＮ型注入領域４が縦方向に設けられており、最も上の行の電荷転送用の横方向の透明電極５に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２，３行目の電荷転送用の透明電極６，７に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６，７下のＮ型注入領域４に信号電荷が蓄積されて保持される。

次に、図３（ｂ）に示すように、最も上の行Ｒ１と２行目（行Ｒ２）の電荷転送用の透明電極５、６に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３行目（行Ｒ３）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から４、５行目（行Ｒ４および行Ｒ５）の電荷転送用の透明電極８，９に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。

その後、図３（ｃ）において、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極５に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（行Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３、４行目（行Ｒ３および行Ｒ４）の電荷転送用の透明電極７，８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。よって、透明電極７下のＮ型注入領域４に保持された信号電荷が、透明電極７、８下のＮ型注入領域４に保持されて垂直方向に一つ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。

各受光部に入射光が入射される露光状態では電荷転送部がなく、この電荷転送時には、その後の液晶層１３のスイッチイング特性により入射光が遮光状態になるため、従来のようなスミヤの発生はない。この場合、２画素を組み合わせて信号電荷を電荷転送しているが、暗い場合には、１画素でたくさんの信号電荷が欲しいので、３画素を組み合わせてパケットを大きくして（ポテンシャル電位の深い部分を広くして）信号電荷を電荷転送してもよく、この場合を図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示している。逆に、より明るければ、１画素の信号電荷を電荷転送するようにしてもよい。このように、２画素を組み合わせたり３画素を組み合わせたりして、透明電極５〜１０への駆動電圧の電圧パターンが可変なため、画素サイズを変更できる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が少ない場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）の１列のＮ型注入領域４が、ここでは２列のＮ型注入領域４になっている。

図４（ａ）に示すように、最も上の行の電荷転送用の横方向の透明電極５に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２〜４行目の電荷転送用の透明電極６〜８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６〜８下のＮ型注入領域４に信号電荷が蓄積されて保持される。その後、図４（ｂ）さらに図４（ｃ）のようにこの駆動電圧の印加位置が順次ずれることにより信号電荷が所定方向に電荷転送される。このように、入射光が暗い場合に、３画素を組み合わせて画素サイズを大きくして、透明電極５〜１０への駆動電圧を順次ずらすことにより電荷転送することができる。

また、図４（ａ）〜図４（ｃ）では、透明電極５〜１０の基準電圧数が「０Ｖ」および「５Ｖ」の２つの低電圧と高電圧であったが、これに限らず、透明電極５〜１０の基準電圧数が「０Ｖ」、「５Ｖ」および「７Ｖ」の３つの低電圧、中電圧および高電圧について図５（ａ）〜図５（ｃ）に示している。このように、透明電極５〜１０の基準電圧数をコントロールできることから、最適な電荷転送効率を実現できる。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、図１の固体撮像素子の透明電極の基準電圧数を増やした場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。ここでは、透明電極５〜１０に印加する低電圧を「０Ｖ」、第１高電圧を「５Ｖ」、第２高電圧を「７Ｖ」としている。

図５（ａ）に示すように、最も上の行の電荷転送用の横方向の透明電極５に駆動電圧「０Ｖ」が印加される場合に、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、１列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２行目の電荷転送用の透明電極６に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、１列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。さらに、上から３行目の電荷転送用の透明電極７には、駆動電圧「７Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「７Ｖ」で、１列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１２Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、透明電極６下のＮ型注入領域４よりも深い「１２Ｖ」の透明電極７下のＮ型注入領域４にポテンシャル電位が傾斜して電荷転送がスムーズになっており、最も深い「１２Ｖ」の透明電極７下のＮ型注入領域４に信号電荷が最も蓄積されて保持される。その後、図５（ｂ）さらに図５（ｃ）のようにこの駆動電圧の印加位置が順次ずれることにより信号電荷が所定方向に電荷転送される。このように、透明電極５〜１０の基準電圧数をコントロールして、透明電極５〜１０への駆動電圧を順次ずらすことにより電荷転送することができて、最適な電荷転送効率が実現される。

したがって、従来の構成では、ＰＤ部（受光部）、垂直転送部、画素分離領域が必要であったが、本実施形態１では、垂直転送部と画素分離領域が不必要となり、その結果、開口効率が向上して略１００パーセントとなり、受光感度特性を大幅に向上させることができる。この場合、ポテンシャル電位により画素分離領域を作っているが、ポテンシャル電位による画素分離領域においても、光電変換が為されてそれがポテンシャル電位の深い領域に集まって蓄積される。したがって、ポテンシャル電位により画素分離領域となる領域も含めて画素領域（受光領域）となるので、略１００パーセントの開口率となる。

また、液晶層１３のスイッチイング特性により、入射光をオン（通過）／オフ（遮断）できることから、従来発生していたスミアが発生しない。

さらに、透明電極５〜１０を用いることで、２層電極や３層電極ではなく、単層電極（１層ポリ電極）での電荷転送が可能となる。

さらに、本実施形態１の固体撮像素子１の画素部（受光部）に必要な不純物注入工程が単純なことから、不純物注入工程による白傷不良などの画素欠陥不良が大幅に低減し、高歩留まりを期待することができる。

さらに、従来のような受光部から垂直転送部への信号電荷の移動（読み出し動作）がポテンシャル電位の山と谷により自然に行なわれて、受光部から垂直転送部への信号電荷の移動（読み出し動作）が不必要であるため、電荷転送のために印加する透明電極５〜１０の基準電圧が最低２種類で済む。これによって、透明電極５〜１０への駆動電圧の低電圧化による低消費電力化を実現することができる。

さらに、透明電極５〜１０への駆動電圧の電圧パターンが可変なため、画素サイズを変更できる。

さらに、透明電極５〜１０の基準電圧数をコントロールできることから、最適な電荷転送効率を実現できる。

さらに、高画素化した場合に、従来のようにマイクロレンズにより集光率を高めていたが、本実施形態１の固体撮像素子１にはマイクロレンズのレンズレス化で撮像を行うことができる。

なお、本実施形態１では、液晶層１３および偏光板１５、１１を用いて入射光の通過と遮光を制御しているが、入射光が偏光板１５、１１を通過する際に光量が１／２になるという欠点を有している。したがって、液晶層１３に通常の光を通過させるかまたは遮断することができる液晶材料を用いて、液晶層１３にツイストネマチック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）の液晶材料を使わず、偏光板１５、１１を使わない場合には、受光部に入射させる光量を改善することができる。

なお、図４（ａ）、図４（ｂ）および図４（ｃ）において、図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）の１列のＮ型注入領域４が、図６の固体撮像素子２１では、２列のＮ型注入領域４になっている。この場合、２列のＮ型注入領域４の間は薄いＮ型拡散層になっているので、２列のＮ型注入領域４の間をポテンシャル電位的に分離することができる。

前述したように撮像対象が更に暗い場合に、２列のＮ型注入領域４と３行の透明電極下のＮ型注入領域４とを１画素部として組み合わせて画素サイズを大きくしたが、これに限らず、３列のＮ型注入領域４と４行の透明電極下のＮ型注入領域４とを１画素部の領域として組み合わせて画素サイズを更に大きくしてもよい。３列と４行の各Ｎ型注入領域４を１画素部の領域として１画素部の画素サイズを更に広げた場合を、図７に示している。

図７は、図６の固体撮像素子２１の電荷転送パターンの画素サイズを更に広げた場合を模式的に示す平面図である。なお、図４（ａ）の１列のＰ型注入領域および２列のＮ型注入領域４に代えて、１列のＰ型注入領域および３列のＮ型注入領域４（幅が広くなる）について説明する。これによって、１画素部の列の幅をより広く制御することができる。

図７に示すように、最も上の行の電荷転送用の横方向の透明電極５に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、３列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２〜５行目の電荷転送用の透明電極６〜９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、３列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。これによって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６〜９下のＮ型注入領域４に信号電荷が蓄積されて保持される。この駆動電圧の印加位置が順次ずれることにより信号電荷が所定方向に電荷転送される。このように、入射光が暗い場合に、３列のＮ型注入領域４と４行の各Ｎ型注入領域４を１画素部の領域として組み合わせて画素サイズを大きくして、透明電極５〜１０への駆動電圧を順次ずらすことにより電荷転送することができる。

なお、本実施形態１では、２列と３行や、３列と４行の各Ｎ型注入領域４を１画素部として組み合わせた場合について説明したが、これに限らず、図８（ａ）に示す１列と１行のＮ型注入領域４、図８（ｂ）に示す１列と２行のＮ型注入領域４半導体領域、図８（ｃ）に示す２列と２行の各Ｎ型注入領域４、図８（ｄ）に示す３列と３行の各Ｎ型注入領域４を１画素部として組み合わせてもよく、要は、ｎ（ｎは自然数）列とｍ（ｍは自然数）行の各半導体領域を１画素部として組み合わせてもよい。

即ち、縦方向のＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４を列方向に配置し、透明電極５〜１０を行方向に配置する場合に、ｎ（ｎは自然数）列とｍ（ｍは自然数）行の各半導体領域を１画素部として組み合わせてもよい。
（実施形態２）
本実施形態２では、液晶層の液晶材料としてコレステリック液晶材料を用いて偏光板を不要として光量減少を抑制した場合であって、上記実施形態１に対応した場合について説明する。

図９は、図２のＰ型注入領域およびＮ型注入領域上に、コレステリック液晶を用いた液晶装置を設けた場合における固体撮像素子の実施形態２の要部縦断面図である。

図９に示すように、本実施形態２の固体撮像素子３１は、半導体層または半導体基板２上に、各受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域３とＮ型注入領域４とが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４上に、電荷転送用の横方向の単層の透明電極５〜１０をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。さらに、その上に、透明フィルム３３、液晶制御用の下側の透明電極３４、液晶層３２、液晶制御用の上側の透明電極３４、透明フィルム３３をこの順に積層した液晶装置（液晶セル）を３原色のＲＧＢ用の３セットを重ねて配置する。

これらの下側の透明電極３４、液晶層３２および上側の透明電極３４から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが３原色のＲＧＢ用の３セットを積層しており、これらの各液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像素子３１が構成されている。この液晶セルは露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光するように機能する。

液晶層３２は、コレステリック液晶材料を用いている。コレステリック液晶材料は、液晶分子のらせんの軸が縦向きかまたは横向きで安定するので、駆動電圧を切っても半永久的に液晶分子の向きを維持できるメモリ性のあることから、書き換え時のみ電力を用いる超低消費電力を実現することができる。また、一度表示した表示画面は、駆動電圧をかけて表示画面を変更する以外は駆動電圧をかけないので、画面がちらついたりしない。しかも、コレステリック液晶材料を用いることにより、偏光板、反射板およびカラーフィルタなどを不要とすることから、紙のように薄くて軽く、しかも明るい液晶装置（液晶セル；デンシペーパ）を実現することができる。これによって、透過する光量を大幅に有効利用することができて、受光感度の大幅な向上を達成することができる。

また、液晶層３２にコレステリック液晶材料を用いる場合は、液晶手段は、赤色光（Ｒ）を反射する第１液晶手段としての液晶装置（液晶セル）と、緑色光（Ｇ）を反射する第２液晶手段としての液晶装置（液晶セル）と、青色光（Ｂ）を反射する第３液晶手段としての液晶装置（液晶セル）とを積層して、入射光の透過時に各色光（ＲＧＢのいずれか）を選択的に透過可能としている。

上記構成により、上から入射された入射光は、液晶層３２のスイッチイング特性により、上下の透明電極３４に印加される制御信号によりコントロールされて、固体撮像素子３１の受光部への入射光を透過させたり遮光したりする。これによって、従来のように遮光層により遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。即ち、遮光層および垂直転送領域を別途設ける必要がない。

液晶装置を通った入射光は、電荷転送用の透明電極５〜１０を通過し、そのまま、固体撮像素子３１の各受光部まで到達する。固体撮像素子３１の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域３およびＮ型注入領域４を設けており、ここで、光電変換した電子は、ポテンシャルが深い方のＮ型注入領域４側に集まって蓄積される。なお、Ｎ型注入領域４はＰ型注入領域３によって分離されているが、これに限らず、同じＮ型注入領域４同士であっても、不純物の注入を１回で済ませて、ポテンシャルの山と谷を作れば同じＮ型注入領域４同士であても、隣接する列と分離可能である。この点は次の実施形態４に記載している。

最後に、電荷転送方法ついては、横方向にそれぞれ配置された透明電極５〜１０の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、透明電極５〜１０を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となっている。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図９の固体撮像素子のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。

図１０（ａ）に示すように、時間ｔ１において、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ３）とＮ型注入領域４（Ｃ２,Ｃ４）が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極５（Ｒ１）に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ３）のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４（Ｃ２,Ｃ４）のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２，３行目（Ｒ２，Ｒ３）の電荷転送用の透明電極６，７に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ３）のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４（Ｃ２,Ｃ４）のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６，７下のＮ型注入領域４（Ｃ２,Ｃ４）に信号電荷が蓄積されて保持される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、時間ｔ２において、最も上の行Ｒ１と２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極５、６に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３行目（Ｒ３）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から４、５行目（Ｒ４およびＲ５）の電荷転送用の透明電極８，９に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。

その後、図１０（ｃ）に示すように、時間ｔ３において、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極５に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３、４行目（Ｒ３およびＲ４）の電荷転送用の透明電極７，８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。よって、透明電極７下のＮ型注入領域４に保持された信号電荷が、透明電極７、８下のＮ型注入領域４に保持されて垂直方向に一つ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）では、１列２行による最小領域でのＣＣＤ転送事例について説明したが、次に、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）では、１列３行による暗時撮像の場合のＣＣＤ転送事例について説明する。

図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、図９の固体撮像素子の別のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。

図１１（ａ）に示すように、時間ｔ１において、Ｐ型注入領域３とＮ型注入領域４が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極５に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）の電荷転送用の透明電極６〜８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６〜８下のＮ型注入領域４に信号電荷が蓄積されて保持される。

次に、図１１（ｂ）に示すように、時間ｔ２において、最も上の行Ｒ１と２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極５、６に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３、４行目（Ｒ３およびＲ４）の電荷転送用の透明電極７、８に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。さらに、上から５、６行目（Ｒ５およびＲ６）の電荷転送用の透明電極９，１０に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。

その後、図１１（ｃ）に示すように、時間ｔ３において、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極５に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３〜５行目（Ｒ３〜Ｒ５）の電荷転送用の透明電極７〜９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。よって、透明電極７、８下のＮ型注入領域４に保持された信号電荷が、透明電極７〜９下のＮ型注入領域４に保持されて垂直方向に一つ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。

なお、以上のいずれの事例の場合にも、コレステリック液晶の動作により、ＲＧＢ光を３回に分けて１回の撮像に３回の電荷転送を行ってもよい。また、上記実施形態１，２の場合に比べて、カラーフィツタと２枚の偏光板とが不要となる分だけ光量を大幅に有効利用することができて受光効率が大幅に向上する。

また、列の数の表現について、何列分の領域にＮ型不純物をドープするという意味であり、例えば３列分のマスクパターンがあるわけではなく、例えば３列分の領域に一度にＮ型不純物がドープされて上記のようなポテンシャル電位が発生するという意味である。

なお、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）および図１３（ａ）〜図１３（ｃ）において、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）および図１１（ａ）〜図１１（ｃ）の１列のＮ型注入領域４が、ここでは２列のＮ型注入領域４になっている。この場合、２列のＮ型注入領域４の間は、薄いＮ型拡散層になっていてもよい。この場合、Ｎ型注入領域４を形成するのに、隣接するＮ型注入領域４間が薄いＮ型拡散層になるようにＮ型不純物をイオン注入すればよい。これによって、２列または３列の隣接Ｎ型注入領域４の間をポテンシャル電位的に分離することができる。

図１２（ａ）〜図１２（ｃ）では、２列２行による広い領域でのＣＣＤ転送事例について説明する。

図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、図９の固体撮像素子の２列２行による広い領域でのＣＣＤ転送事例を示す平面図である。

図１２（ａ）に示すように、時間ｔ１において、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）と２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極５（Ｒ１）に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなている。このとき、上から２，３行目（Ｒ２，Ｒ３）の電荷転送用の透明電極６，７に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６，７下の２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）に信号電荷が蓄積されて保持される。

次に、図１２（ｂ）に示すように、時間ｔ２において、最も上の行Ｒ１と２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極５、６に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３行目（Ｒ３）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、上から３行目（Ｒ３）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から４、５行目（Ｒ４およびＲ５）の電荷転送用の透明電極８，９に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、上から４、５行目（Ｒ４およびＲ５）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。

その後、図１２（ｃ）に示すように、時間ｔ３において、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極５に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、上から２行目（Ｒ２）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３、４行目（Ｒ３およびＲ４）の電荷転送用の透明電極７，８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、上から３、４行目（Ｒ３およびＲ４）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなている。よって、透明電極７下の２列のＮ型注入領域４に保持された信号電荷が、透明電極７、８下の２列のＮ型注入領域４に保持されて垂直方向に一コマ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。

図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、図１２の固体撮像素子の２列２行から更に領域拡張した２列３行による広い領域でのＣＣＤ転送事例を示す平面図である。

図１３（ａ）に示すように、時間ｔ１において、Ｐ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）と２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極５（Ｒ１）に駆動電圧「０Ｖ」の場合に、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなている。このとき、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）の電荷転送用の透明電極６〜８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）のＰ型注入領域３（Ｃ１,Ｃ４）のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極６，７下の２列のＮ型注入領域４（Ｃ２,３、Ｃ５，６）に信号電荷が蓄積されて保持される。

次に、図１３（ｂ）に示すように、時間ｔ２において、最も上の行Ｒ１と２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極５、６に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１と２行目（Ｒ２）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３、４行目（Ｒ３、４）の電荷転送用の透明電極７、８に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、上から３、４行目（Ｒ３、４）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から５、６行目（Ｒ５およびＲ６）の電荷転送用の透明電極９，１０に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、上から５、６行目（Ｒ５およびＲ６）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。

その後、図１３（ｃ）に示すように、時間ｔ３において、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極５に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、上から２行目（Ｒ２）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３〜５行目（Ｒ３〜Ｒ５）の電荷転送用の透明電極７〜９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、上から３〜５行目（Ｒ３〜Ｒ５）のＰ型注入領域３のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域４のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなている。よって、透明電極７〜９下の２列のＮ型注入領域４に保持された信号電荷が、透明電極７〜９下の２列のＮ型注入領域４に保持されて垂直方向に一コマ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。

なお、以上のいずれの事例の場合にも、コレステリック液晶の動作により、ＲＧＢ光を３回に分けて１回の撮像に３回の電荷転送を行うことができる。また、上記実施形態１の場合に比べて、カラーフィルタと２枚の偏光板とが不要となる分だけ光量を大幅に有効利用することができて受光効率が大幅に向上する。

また、上記実施形態１、２で用いた液晶手段としての液晶装置（液晶セル）ではなく、入射光を単に透過させるかまたは遮光するかを選択的に制御可能な液晶装置（液晶セル）を用いてもよい。これによって、上記実施形態２のように液晶装置（液晶セル）が３セット必要であったものが１セットでよく、より薄く構成することができる。この場合にも、２枚の偏光板が不要となる分だけ光量を大幅に有効利用することができて受光効率が大幅に向上する。
（実施形態３）
図１４は、本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子のいずれかを含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図１４において、本実施形態２の電子情報機器９０は、上記実施形態１、２の固体撮像素子１、２１および３１のいずれかからの撮像信号を各種信号処理してカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力手段９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示手段９３と、通信手段９４と、プリンタなどの画像出力手段９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。

この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態３によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力装置９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

なお、上記実施形態１、２では、特に説明しなかったが、半導体層または半導体基板に交互に横方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる縦方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域と、一導電型注入領域および他導電型注入領域上に設けられた横方向の複数の電荷転送駆動用透明電極と、複数の電荷転送駆動用透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための液晶手段とを有していれば、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性が劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をもなくすことができる。

また、上記実施形態１では、特に説明しなかったが、白黒表示であるが、液晶セルに例えばベイヤー色配列などのカラーフィルタを用いれば、色補間のための演算処理を必要とするものの、カラー撮像が可能となる。

さらに、上記実施形態２では、透過または遮光を制御するための液晶制御電圧を制御することにより、赤色光を反射する第１液晶手段と、緑色光を反射する第２液晶手段と、青色光を反射する第３液晶手段とを積層して、入射光の透過時に各色光を順次選択的に透過させることができる。よって、通常４画素で一つの色を作るが、コレステリック液晶の場合は、１画素を３回分（ＲＧＢ）転送することで、画像を作成するため、高画素化が可能となる。

ここで、図１８（ａ）〜図１８（ｅ）を参照してコレステリック液晶による光のスイッチング動作について説明する。図１８（ｂ）のようにコレステリック液晶層（Ｂ）を電圧ローレベルにすることによりＢ色の透過光が得られる。また同様に、図１８（ｃ）のようにコレステリック液晶層（Ｇ）を電圧ローレベルにすることによりＧ色の透過光が得られる。さらに、図１８（ｄ）のようにコレステリック液晶層（Ｒ）を電圧ローレベルにすることによりＲ色の透過光が得られる。さらに、図１８（ｅ）のようにコレステリック液晶層（Ｂ）、（Ｇ）および（Ｒ）を全て電圧ローレベルにすることにより遮光状態となる。

さらに、上記実施形態２では、液晶セルの液晶層にコレステック液晶材料を用いているが、この場合に、液晶セルは、近赤外光までの全ての可視光波長範囲を透過または遮光可能とするように構成することもできる。本発明で用いる半導体層または半導体基板がシリコン層またはシリコン基板である場合に、このようにすべての光が液晶セルを透過すると、白黒表示であるが、近赤外まで可視光波長範囲を見ることができる固体撮像素子となるシリコンバンドギャップエネルギー（Ｂａｎｄ ＧａｐＥｎｅｒｇｙ）＝１．１ｅＶである。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜３を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜３に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜３の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、透明電極による半導体層または半導体基板へのポテンシャル電位の付与と、液晶層のスイッチイング特性とを用いるため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性が劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をもなくすことができる。

本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。 図１のＡ−Ｂ線縦断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が少ない場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の固体撮像素子の透明電極の基準電圧数を増やした場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例の他の事例を示す平面図である。 図６の固体撮像素子２１の電荷転送パターンの画素サイズを更に広げた場合を模式的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、図６の固体撮像素子の電荷転送パターンの別の事例をそれぞれ模式的に示す平面図である。 図２のＰ型注入領域およびＮ型注入領域上に、コレステリック液晶を用いた液晶装置を設けた場合における固体撮像素子の実施形態２の要部縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図９の固体撮像素子のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図９の固体撮像素子の別のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図９の固体撮像素子の２列２行による広い領域でのＣＣＤ転送事例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１２の固体撮像素子の２列２行から更に領域拡張した２列３行による広い領域でのＣＣＤ転送事例を示す平面図である。 本発明の実施形態３として、本発明の実施形態１、２の固体撮像素子のいずれかを含む固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。 図１５の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。 特許文献２に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、コレステリック液晶による光のスイッチング動作について説明するための液晶層の縦断面図である。

符号の説明

１、２１、３１ 固体撮像素子
２ 半導体基板
３ 縦方向のＰ型注入領域
４ 縦方向のＮ型注入領域
５〜１０ 単層の透明電極
１１、１５ 偏光板
１２ 下側の透明電極
１３、３２ 液晶層
１４ 上側の透明電極
３３ 透明フィルム
３４ 下側の透明電極
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示手段
９４ 通信手段
９５ 画像出力手段

Claims (18)

1. 半導体層または半導体基板に交互に一方向に配置され、被写体からの画像光を光電変換する光電変換部となる該一方向に直交する他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域と、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極と、該複数の電荷転送駆動用透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御するための入射光透過／遮光制御手段とを有している固体撮像素子。
2. 前記入射光透過／遮光制御手段は液晶手段である請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記液晶手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光するように制御が為される請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている請求項２または３に記載の固体撮像素子。
5. 前記液晶層は、ツイストネマテック（ＴＮ）液晶材料およびスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）液晶材料のいずれかである請求項４に記載の固体撮像素子。
6. 前記液晶手段は、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極がこの順に積層されている請求項２または３に記載の固体撮像素子。
7. 前記液晶層はコレステック液晶材料である請求項６に記載の固体撮像素子。
8. 前記液晶手段の液晶層がコレステック液晶材料の場合、該液晶手段は、赤色光を反射する第１液晶手段と、緑色光を反射する第２液晶手段と、青色光を反射する第３液晶手段とを積層して、入射光の透過時に各色光を選択的に透過可能としている請求項２に記載の固体撮像素子。
9. 前記液晶手段の液晶層がコレステック液晶材料の場合、前記液晶手段は、近赤外光までの全ての可視光波長範囲を透過または遮光可能とする請求項２に記載の固体撮像素子。
10. 前記半導体層または半導体基板がシリコン層またはシリコン基板である請求項１に記載の固体撮像素子。
11. 前記一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される請求項１に記載の固体撮像素子。
12. 前記一方向の複数の電荷転送駆動用透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する請求項１または１１に記載の固体撮像素子。
13. 前記高電圧の前記電荷転送駆動用透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされている請求項１１または１２に記載の固体撮像素子。
14. 前記高電圧の前記電荷転送駆動用透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている請求項１１または１２に記載の固体撮像素子。
15. 前記電荷転送駆動用透明電極に印加する電荷転送駆動用電圧は高電圧と低電圧である請求項１に記載の固体撮像素子。
16. 前記高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する請求項１５に記載の固体撮像素子。
17. 前記半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである請求項１に記載の固体撮像素子。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

Images