JP2015133483A - 固体撮像装置及び画像取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できる固体撮像装置を提供する。
【解決手段】第１電極１１、強誘電体層１２及び透明電極である第２電極１３が積層され、前記強誘電体層１２と前記第１電極１１又は前記第２電極１３との間にｐｎ接合が形成された複数の固体撮像素子１４を具備する固体撮像装置１０において、撮像対象の輝度情報を取得して該輝度情報に基づいて個々の固体撮像素子１４を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定する制御手段３３と、該判定に基づいて固体撮像素子１４に電圧を印加して、固体撮像素子１４を高感度モード又は低感度モードに設定する回路２５と、を具備し、高感度モード又は低感度モードに設定された固体撮像素子１４から、それぞれのモードに応じた光起電流Ｉ_ｈνを検出し、この検出の結果に基づいて画像を取得する。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体撮像装置及び画像取得方法に関する。

従来、キャリア種類が異なる半導体同士を接合した半導体層に光を照射することで、光電子の励起による光起電流が得られることが知られている（内部光電効果）。この効果を利用したものとして、半導体イメージセンサーである固体撮像素子がある。

固体撮像素子は、デジタルスキャナーやデジタルカメラ等に代表されるデジタル画像の入力装置に広く用いられているが、アナログ写真等に用いられる銀塩フィルムと比較して入射光に対する検出可能領域（ダイナミックレンジ）が狭く、ある光量すなわち露光時間に対して良好な画像を取得できる範囲が狭いことが知られている。そこで、異なる露光時間ごとに複数の画像情報を得る方法がある。この方法によれば、複数の画像情報の併合により画像が構成される。

また、複数の画像情報を併合せずとも画像を構成できる方法として、感度の異なる２種の画素を一組とし、各組内の画素の電荷信号を別々に読み出す方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。受光素子の幾何学的な形状の中心を行方向及び列方向にピッチを半分ずらした、いわゆるハニカム配置の固体撮像装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平０４−２９８１７５号公報 特開２０００−１２５２０９号公報

しかしながら、異なる露光時間ごとに複数の画像情報を得る方法では、撮像タイミングの異なる画像情報を併合することとなるため、構成される画像に位置ずれが生じる可能性があった。

また、特許文献１の方法では、光感度の異なる２種の画素を混合する分、それぞれの画素を総画素数の半分しか配置できなくなるため、十分な光量が確保されにくく、高感度に撮像することが困難であった。さらに、特許文献２の装置では、ハニカム配置を実現する壁部材等によって有効画素面積が低下するため、十分な光量が確保されにくく、やはり高感度に撮像することが困難であった。このような問題は、特許文献１の方法や特許文献２の装置だけではなく、内部光電効果を利用した固体撮像素子を具備する固体撮像装置やそれを用いた画像取得方法においても同様に存在する。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、画像の位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できる固体撮像装置及び画像取得方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極、強誘電体層及び透明電極である第２電極が積層され、前記強誘電体層と前記第１電極又は前記第２電極との間にｐｎ接合が形成された複数の固体撮像素子を具備する固体撮像装置であって、撮像対象の輝度情報を取得して該輝度情報に基づいて個々の前記固体撮像素子を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定する制御手段と、前記判定に基づいて前記固体撮像素子に電圧を印加して、前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定する回路と、を具備し、前記高感度モード又は前記低感度モードに設定された前記固体撮像素子から、それぞれのモードに応じた光起電流を検出し、前記検出の結果に基づいて画像を取得することを特徴とする固体撮像装置にある。
かかる態様では、固体撮像素子が強誘電体特性及びｐｎ接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層の誘起双極子の分極方向を変化させることでｐｎ接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。このため、撮像対象の輝度情報に基づいて強誘電体層の分極方向を変化させ、これにより感度を変化させてダイナミックレンジを拡大できる。よって、一回の露光で画像を構成できるようになるため、複数の画像情報を併合することによる画像の位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できるようになる。

ここで、前記制御手段は、前記輝度情報を所定の閾値と比較し、前記輝度情報が前記閾値を超える領域の前記固体撮像素子に対して前記低感度モードとなる電圧値又は分極方向を決定し、前記輝度情報が前記閾値以下の領域の前記固体撮像素子に対して前記高感度モードとなる電圧値又は分極方向を決定し、前記決定に基づいて、前記個々の固体撮像素子が高感度モード又は低感度モードになるように制御することが好ましい。これによれば、第２モード（高感度モード）で光量を確保でき、第１モード（低感度モード）で過剰な光量の取り込みを防止できるようになる。

また、前記高感度モードでは前記ｐｎ接合による空乏層が拡大し、前記低感度モードでは前記ｐｎ接合による空乏層が縮小するように、前記固体撮像素子の分極方向が制御されることが好ましい。これによれば、輝度情報に応じて、第２モードとしての高感度モード又は第１モードとしての低感度モードを選択できるようになる。

また、前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定する前に、前記複数の固体撮像素子のすべてが前記高感度モード又は前記低感度モードとなるように、前記複数の固体撮像素子の分極方向が予めリセットされていることが好ましい。これによれば、第１モード又は第２モードの何れか一方のみの分極方向を判定すれば足りるようになる。

また、前記強誘電体層がｐ型半導体であることが好ましい。これによれば、第２電極として例えばｎ型半導体である酸化インジウムスズを主成分とする透明電極（ＩＴＯ）を用い、上記の固体撮像装置を容易に提供できるようになる。

また、前記強誘電体層がビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むことが好ましい。これによれば、強誘電体層を、例えばビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含有するペロブスカイト構造の複合酸化物として構成することができる。よって、鉛を含まない非鉛材料を用いて環境への負荷を低減できる上記の固体撮像装置を提供できるようになる。

また、前記強誘電体層が、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）及びチタン（Ｔｉ）からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を低減させ、固体撮像装置の感度をより向上させることができる。

上記課題を解決する本発明の他の態様は、第１電極、強誘電体層及び透明電極である第２電極が積層され、前記強誘電体層と前記第１電極又は前記第２電極との間にｐｎ接合が形成された複数の固体撮像素子を具備する固体撮像装置を用いた画像取得方法であって、撮像対象の輝度情報を取得し、該輝度情報に基づいて個々の前記固体撮像素子を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定し、前記判定に基づいて、前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定し、前記高感度モード又は前記低感度モードに設定された前記固体撮像素子から、それぞれのモードに応じた光起電流を検出し、前記検出の結果に基づいて画像を取得することを特徴とする画像取得方法にある。
かかる態様では、固体撮像素子が強誘電体特性及びｐｎ接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層の誘起双極子の分極方向を変化させることでｐｎ接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。このため、撮像対象の輝度情報に基づいて強誘電体層の分極方向を変化させ、これにより感度を変化させてダイナミックレンジを拡大できる。よって、一回の露光で画像を構成できるようになるため、複数の画像情報を併合することによる位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できるようになる。

実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図。 実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示す図。 固体撮像素子の概略構成を示す図。 固体撮像素子の動作等を説明する図。 固体撮像素子の動作等を説明する図。 実施形態に係る固体撮像装置のブロック図。 実施形態に係る固体撮像装置による画像取得プロセスを説明する概念図。 実施形態に係る固体撮像装置による画像取得方法を説明するフロー図。 固体撮像素子の製造方法の一例を示す図。 変形例に係る固体撮像素子の概略構成を示す図。 電流密度（Ｊ）−電圧（Ｅ）の関係を示す図。 分極量（Ｐ）−電圧（Ｅ）の関係を示す図。 光の照射による光起電流を観測するための図。

（実施形態）
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示す図である。

図示するように、本実施形態の固体撮像装置１０は、第１電極１１、強誘電体層１２及び第２電極１３が積層された複数の固体撮像素子１４と、固体撮像素子１４からの電荷信号を転送する転送回路１５と、を具備して構成される。

固体撮像素子１４は、第２電極１３が透明電極であり、強誘電体層１２と第２電極１３との間でｐｎ接合１６が形成されたものである。これによれば、固体撮像素子１４が強誘電体特性及びｐｎ接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層１２の誘起双極子の分極（単に「強誘電体層の分極」と略記することがある。）の方向を変化させることで、そのｐｎ接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。

転送回路１５は、固体撮像素子１４に接続される垂直転送回路１７と、垂直転送回路１７にその転送端部で接続される水平転送回路１８と、からなる。水平転送回路１８は制御手段（図６に示す３３）に接続されており、固体撮像素子１４からの電荷信号が転送可能となっている。

上記の固体撮像素子１４及び垂直転送回路１７を含んで画素１９が構成されている。本実施形態では、複数の垂直転送回路１７のそれぞれに沿って画素１９が二次元的に配列されているが、一次元的に配列されても構わない。

本実施形態では、例えば図１に示すＣＣＤ型の構成を採用できる。これによれば、複数の画像情報を併合することによる画像の位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できる上、画素１９ａの大型化を回避しやすい固体撮像装置１０Ａを提供できる。

かかる構成では、水平転送回路１８に、固体撮像装置１０からの電荷信号を増幅する公知の増幅器２０を必要に応じて配置できる。本発明の要旨を変更しない範囲において、他の構成を追加し、又は省略しても構わない。

このような固体撮像装置１０Ａでは、画素１９ａ内の固体撮像素子１４において光が電荷信号に変換されて蓄積される。全ての固体撮像素子１４に蓄積された電荷信号が垂直転送回路１７に同時に転送され、この垂直転送回路１７を経由し、水平転送回路１８に転送される。その後、必要に応じて配置される増幅器２０によって電荷信号が増幅処理され、制御手段に送られる。

また、本実施形態では、例えば図２に示すＣＭＯＳ型の構成も採用できる。これによれば、複数の画像情報を併合することによる位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できる上、消費電力が低く高速化が容易な固体撮像装置１０Ｂを提供できる。

かかる構成では、固体撮像素子１４及び垂直転送回路１７の間に、増幅器２０や画素選択用スイッチング素子２１を必要に応じて配置できる。また、垂直転送回路１７及び水平転送回路１８の間に、所定の列回路２２や列選択用スイッチング素子２３を必要に応じて配置できる。本発明の要旨を変更しない範囲において、他の構成を追加し、又は省略しても構わない。

このような固体撮像装置１０Ｂでは、画素１９ｂ内の固体撮像素子１４において光が電荷信号に変換されて蓄積される。蓄積された電荷信号が、画素１９ｂ内に配置された増幅器２０によって増幅され、画素選択用スイッチング素子２１のＯＮによりライン毎（行毎）に垂直転送回路１７に転送される。そして、垂直転送回路１７毎に配置された列回路２２によりノイズが除去され、一時的に保管される。その後、保管された電荷信号が列選択用スイッチング素子２３のＯＮにより水平転送回路１８に転送され、制御手段（図６等に示す３３）に送られる。

このように本実施形態では、上記の固体撮像素子１４及び垂直転送回路１７からなる画素１９ａや、これに加えて増幅器２０や画素選択用スイッチング素子２１を含んだ画素１９ｂを構成する何れの態様にも適用でき、用途や使用態様に応じて多様な構成を実現できる。このため構成の自由度が高く、簡易構成も実現しやすくなっている。

次に、本実施形態の固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４の構成例について、図３を用いて詳述する。図示するように、本実施形態の固体撮像素子１４は、第１電極１１、強誘電体層１２及び第２電極１３がこの順で基板２４上に積層されたものである。
基板２４としては、例えばシリコン（Ｓｉ）基板やガラス基板を用いることができるが前記の例に制限されない。ここでは図示が省略されているものの、基板２４及び第１電極１１の間に絶縁層や密着層が設けられても構わない。第１電極１１、強誘電体層１２又は第２電極１３等が基板２４を兼ねるように構成される場合には基板２４を省略してもよい。

第１電極１１は導電性を有する材料であればよく、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料や導電性ポリマー等を用いて構成することができる。複数の金属層や金属酸化物層を積層して第１電極１１を構成してもよい。

第２電極１３は透明電極として構成されており、入射光が透過可能となっている。このような第２電極１３としては、強誘電体層１２の材料等に応じて変わってくるが、例えばスズを数％程度添加した酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ_３）を主成分とする透明電極（ＩＴＯ）を用いて構成することができる。この透明電極（ＩＴＯ）は、ｎ型半導体として機能することが知られている。

この第２電極１３は光学的に完全に透明である必要はなく、実質的に透明であればよい。例えば第２電極１３は、入射光が第２電極１３を透過してｐｎ接合１６に達する程度の透過率を有するものであればよい。第２電極１３は、膜厚が厚くなるとキャリア濃度が上昇するため導電性が向上する一方、ｐｎ接合１６に達するまでの光の透過距離が長くなるため透過率が低下しやすくなる。このため第２電極１３の膜厚は、用途や強度等を踏まえ、導電性や透過率等を考慮して適宜選択することが好ましい。

強誘電体層１２は、電圧（分極用電圧）を印加することで誘起双極子が自発的に分極する強誘電体特性を有するものである。ここでの分極用電圧は、強誘電体層１２の強誘電性に基づいて、その誘起双極子を所定方向に分極させることができる程度の電圧をいう。

強誘電体層１２は例えばｐ型半導体として構成することができる。これによれば、ｎ型半導体として機能する透明電極（ＩＴＯ）により構成された第２電極１３との間でｐｎ接合１６を形成できる。透明電極（ＩＴＯ）は取り扱い性や経済性に有利であるため、固体撮像装置１０の製造容易性を向上させる上で好ましい態様の一つである。この場合、効率的な光電変換の観点からは、第２電極１３側に＋（プラス）の電荷が誘起される方向に強誘電体層１２を分極させることができる。

尚、強誘電体層１２はｎ型半導体として構成することもでき、この場合、第２電極１３はｐ型半導体として構成されることとなる。このとき、効率的な光電変換の観点からは、第２電極１３側に−（マイナス）の電荷が誘起される方向に強誘電体層１２を分極させることができる。

また、強誘電体層１２は、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むように構成することができる。これによれば、Ｂｉ及びＦｅを含有するペロブスカイト構造の複合酸化物として強誘電体層１２を構成することができる。すなわち、強誘電体層１２は、代表的には鉄酸ビスマス系のペロブスカイト構造の複合酸化物として構成することができる。このような複合酸化物は、環境への負荷が懸念される鉛を含まないため、非鉛材料を用いて環境への負荷を低減できる固体撮像装置１０を実現できる。

かかるペロブスカイト構造の複合酸化物は、Ａサイトには酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトには酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。ＡサイトのＢｉ、ＢサイトのＦｅの一部を各種元素で置換したものを用いてもよい。

例えば、強誘電体層１２は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）及びチタン（Ｔｉ）からなる群から選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。これによれば、例えば非鉛材料を用いる態様においてリーク電流を低減させ、固体撮像装置１０の信頼性を向上させることができる。また、強誘電体層１２を構成する材料の自由度も増加させることができる。

具体的には、ＡサイトのＢｉを置換する元素としてはＬａが挙げられ、ＢサイトのＦｅを置換する元素としてはＭｎが挙げられる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、以下の組成式（１）で表される。

［式１］
（Ｂｉ_１-ｘ，Ｌａ_ｘ）（Ｆｅ_１-ｙ，Ｍｎ_ｙ）Ｏ_３ （１）
（式中、ｘ及びｙは、いずれも０より大きく１より小さい値をとる。）

また、ＢＬＦＭの強誘電体層１２のＢサイトのＦｅを、Ｔｉで置換するようにしてもよい。このような複合酸化物は、以下の組成式（２）で表される。

［式２］
（Ｂｉ_１-ｘ，Ｌａ_ｘ）（Ｆｅ_１-ｙ-ｚ，Ｍｎ_ｙ，Ｔｉ_ｚ）Ｏ_３ （２）
（式中、ｘ、ｙ及びｚは、いずれも０より大きく１より小さい値をとる。）

ただし、強誘電体層１２の組成は前記の例に制限されず、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。

強誘電体層１２のＡサイトのＢｉをサマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

すなわち、強誘電体層１２としては、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ_３）、鉄酸アルミニウム酸ビスマス（Ｂｉ（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３）、鉄酸マンガン酸ビスマス（Ｂｉ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３）、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３）、鉄酸コバルト酸ビスマス（Ｂｉ（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３）、鉄酸ビスマスセリウム（（Ｂｉ，Ｃｅ）ＦｅＯ_３）、鉄酸マンガン酸ビスマスセリウム（（Ｂｉ，Ｃｅ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３）、鉄酸ビスマスランタンセリウム（（Ｂｉ，Ｌａ，Ｃｅ）ＦｅＯ_３）、鉄酸マンガン酸ビスマスランタンセリウム（（Ｂｉ，Ｌａ，Ｃｅ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３）、鉄酸ビスマスサマリウム（（Ｂｉ，Ｓｍ）ＦｅＯ_３）、鉄酸クロム酸ビスマス（Ｂｉ（Ｃｒ，Ｆｅ）Ｏ_３）等を例示することができる。

このような固体撮像素子１４への分極用電圧の印加（分極処理）は、回路２５により行うことができる。回路２５は、例えば電圧印加手段２６と、電圧印加手段２６及び固体撮像素子１４の間に設けられる電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチング素子２７と、を具備して構成され、各部が制御手段（図６に示す３３）に接続されている。スイッチング素子２７は省略しても構わない。

電圧印加手段２６は、制御信号に応じて分極用電圧を生成する部分であり、公知の電源装置を用いることができる。電圧印加手段２６は、スイッチング素子２７を介して第１電極１１及び第２電極１３に電気的に接続可能となっており、例えば配線２８，２９によって固体撮像素子１４に接続固定することができる。これにより、構造安定性を向上させることができる。

一方、電圧印加手段２６は、本発明の要旨を変更しない範囲で固体撮像素子１４から分離可能であって、露光前の所定のタイミングでのみ固体撮像素子１４に電気的に接続する態様とされていてもよい。これによれば、修理やメンテナンス作業が容易となる。

次に、本実施形態の固体撮像素子１４に関する動作等について、図４〜図５を用いて説明する。図４〜図５は、固体撮像素子１４のｐｎ接合１６近傍を示す拡大図である。

図４に示すように、一般にｐ型半導体及びｎ型半導体を接合してｐｎ接合を形成した場合、ｐ型半導体を正としｎ型半導体を負とする内部電界によって、ｐ型半導体の正孔がｎ型半導体側に移動し、ｎ型半導体の電子がｐ型半導体側に移動する。その結果、ｐｎ接合近傍に、キャリア（正孔や電子）がほとんど存在しない所定幅Ａの空乏層３０が形成される。

空乏層３０は、固体撮像素子１４のｐｎ接合ダイオード特性に影響を与える部分であり、これが拡大すると静電容量が低下して、光の照度に対して直線性の高い電気出力が得られるようになる。つまり、固体撮像素子１４を高感度なものとすることができる。

ここで、図５（ａ）に示すように、強誘電体層１２に対して、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に−（マイナス）の電荷、ｎ型半導体である第２電極１３側に＋（プラス）の電荷が誘起される方向に分極処理を施すことができる。これによれば、ｐｎ接合１６近傍に下向き（第２電極１３側から強誘電体層１２側への向き）の電場がかかったような状態となり、拡大した空乏層３０が得られるようになる（図５（ａ）に示す幅Ｂ＞図４に示す
幅Ａ）。つまり、固体撮像素子１４の高感度モードが得られるようになる。

一方、図５（ｂ）に示すように、強誘電体層１２に対して、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に＋（プラス）、ｎ型半導体である第２電極１３側に−（マイナス）の電荷が誘起される方向に分極処理を施すこともできる。これによれば、ｐｎ接合１６近傍に上向き（強誘電体層１２側から第２電極１３側への向き）の電場がかかったような状態となり、縮小した空乏層３０が得られるようになる（図５（ｂ）に示す幅Ｃ＜図４に示す幅Ａ）。
つまり、固体撮像素子１４の低感度モードが得られるようになる。

このような固体撮像素子１４では、ｎ型半導体である第２電極１３を透過した光がｐｎ接合１６に達すると、光が強誘電体層１２や第２電極１３で吸収されてキャリアが生成される。生成されたキャリアは、強誘電体層１２や第２電極１３によって形成される内部電界によって電子や正孔が移動し、これにより光起電流Ｉ_ｈνが生じる。

光起電流Ｉ_ｈνを検出するには、例えば配線３１により、公知の電流検出装置３２と第１電極１１及び第２電極１３とを接続すればよい。電流検出装置３２は制御手段（図６に示す３３）に接続されており、検出される光起電流Ｉ_ｈνが画像処理に用いられるようになっている。

固体撮像素子１４の高感度モードと低感度モードとでは、ある光量すなわち露光時間に対して検出される光起電流Ｉ_ｈνの量が異なってくる。すなわち光起電流Ｉ_ｈνは、図５（ａ）の分極方向では幅Ｂに拡大された空乏層３０のため高感度で検出され、図５（ｂ）の分極方向では幅Ｃに縮小された空乏層３０のため低感度で検出される。

従って、強誘電体層１２の分極方向を調節することで、輝度情報が低い領域に対しては高感度モードによってより多くの光量を取り込み、情報の欠落（いわゆる黒つぶれ）なく画像情報を取得できる。また、輝度情報が高い領域に対しては低感度モードによって過剰な光量の取り込み（いわゆる白とび）を抑えることができる。従って、ダイナミックレンジを拡大できる。このような高感度モード及び低感度モードの選択、すなわち強誘電体層１２の分極方向の判定は、図６に示す制御手段３３において行うことができる。

図６は、本実施形態の固体撮像装置１０のブロック図である。また、図７（ａ）は、本実施形態の固体撮像装置１０による画像取得のプロセスを概念的に説明する模式図である。図７（ｂ）は、異なる露光時間ごとに複数の画像情報を得る従来の方法を説明するものである。尚、撮像対象として、静止している太陽及び山と、高速移動している車両と、を含む野外風景を例にとって説明する。

まず、図６に示すように、固体撮像装置１０は、制御手段３３と、固体撮像素子１４と、電流検出装置３２とを含む。また、固体撮像装置１０は、シャッター装置３６と、回路２５とを含む。制御手段３３は、公知のマイクロコンピューターを中心に構成されており、回路２５や電流検出装置３２に接続されている。

制御手段３３は、輝度情報を取得し、当該輝度情報に基づいて、領域毎に、固体撮像素子１４を低感度モードとするか高感度モードとするかを判定する。輝度情報は、例えば公知のシャッター装置３６を介して取得できる。シャッター装置３６は、通常は開放されており、撮像者による撮像ＯＮの指令（例えば、撮像者によるシャッターボタンＯＮの操作）を受けると所定時間閉じる、又は開閉するように作動する。制御手段３３は、シャッター装置３６が開放されているときに、撮像対象の輝度情報（図７（ａ）の（ａ２）を参照）を、固体撮像素子１４及び配線３１を介して取得することができる。

取得される輝度情報の例としては、例えば輝度値が挙げられるが、これに制限されず、輝度値に相関する値であればよい。各種検出値を用い、取得される輝度情報を補正してもよい。閾値を固定値とすれば演算負荷を抑えることができるが、撮像環境の変化に対応できるよう、各種検出値を用いて画像取得の度に閾値を決定してもよい。

輝度情報を取得するタイミングは、例えば撮像者による撮像ＯＮ信号を受信した時点とすることができる。撮像ＯＮ信号としては、例えば、撮像者によるシャッターボタンＯＮ信号を用いることができる。シャッターボタンが押されてから固体撮像装置１０が画像を取得するまでの処理期間よりも、シャッターボタンが押されてから分極用電圧の印加による分極反転に要する期間のほうが十分短いことが一般的であるため、撮像者によるシャッターボタンＯＮ信号を上記の撮像ＯＮ信号として用いることができる。その他、固体撮像装置１０がライブビュー機能を具備している場合には、そのライブビュー機能が発揮されていることを撮像ＯＮ信号として扱うこともできる。

制御手段３３は、このようにして取得した輝度情報を所定の閾値と比較し、領域毎に、固体撮像素子１４を第１モード（低感度モード）にするか、第２モード（高感度モード）にするかを判定する（図７（ａ）の（ａ３）を参照）。そして、前者の領域に位置する固定撮像装置を第１モード（低感度モード）の分極方向にし、後者の領域に位置する固体撮像素子１４を第２モード（高感度モード）の分極方向にすることを決定する。さらに、制御手段３３は、上記の決定に基づいて、回路２５に指示信号を出力する。回路２５は、当該指示信号に基づいて、固体撮像素子１４に必要な電圧（以下、「分極用電圧」という）を印加する。これによって、輝度情報が閾値を超える領域に位置する固体撮像素子１４を第１モード（低感度モード）に設定し、輝度情報が閾値以下となる領域に位置する固体撮像素子１４を第２モード（高感度モード）に設定することが可能となる。

分極用電圧を印加する際には、すべての固体撮像素子１４に対して高感度モード又は低感度モードの分極用電圧を付与しても良いが、例えば、後述するリセットが実施された後のように、固体撮像素子１４があらかじめ高感度モード又は低感度モードのどちらかの状態となっている場合には、高感度モードから低感度モード、あるいは、低感度モードから高感度モードに変更する固体撮像素子１４にのみ、分極用電圧を印加すれば足りる。このように、必要な固体撮像素子１４にのみ分極用電圧を印加することも、分極用電圧を印加することに含まれるものとする。

撮像対象の輝度情報が閾値以下の領域に位置する固体撮像素子１４は、より多くの光量を確保するため、高感度モードとなるように制御される。すなわち、図５（ａ）に示す幅Ｂのような拡大した空乏層３０となるように制御される。このような制御を実施するために、制御手段３３は、強誘電体層１２の分極方向が、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に−（マイナス）の電荷が誘起される方向（図５（ａ）に示す方向）となるように、回路２５に指示信号を出力する。

一方、撮像対象の輝度情報が閾値を超える領域に位置する固体撮像素子１４は、過剰な光量の取り込みを防ぐため、低感度モードとなるように制御される。すなわち、図５（ｂ）に示す幅Ｃのような縮小した空乏層３０となるように制御される。このような制御を実施するために、制御手段３３は、強誘電体層１２の分極方向が、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に＋（プラス）の電荷が誘起される方向（図５（ｂ）に示す方向）となるように、回路２５に指示信号を出力する。

このように、制御手段３３による判定結果に応じて回路２５に指示信号が出力され、回路２５によって固体撮像素子１４に分極用電圧が印加される。その結果、第２モード（高感度モード）の指示を受けた領域に位置する固体撮像素子１４では、ｐｎ接合１６による空乏層３０が拡大する。第１モード（低感度モード）の指示を受けた領域に位置する固体撮像素子１４では、ｐｎ接合１６による空乏層３０が縮小する。以下、制御手段３３が輝度情報を取得してから、固体撮像素子１４が領域毎に高感度モード又は低感度モードに設定されるまでの一連の制御を、「分極方向のモード制御」と言う。

上記の説明は、第２電極１３がｎ型半導体として構成される場合の例であり、第２電極１３がｐ型半導体として構成される場合には、前記の指示とは逆の指示信号が出力されることとなる。つまり、第２電極１３がｐ型半導体として構成される場合において、制御手段３３は、輝度情報が閾値を超える領域には低感度モードが好ましいと判定し、分極方向が図５（ｂ）に示す方向となるように指示信号を出力する。一方、輝度情報が閾値以下の領域には高感度モードが好ましいと判定し、分極方向が図５（ａ）に示す方向となるように指示信号を出力する。

輝度情報及び閾値が等しい場合の扱いについては、予め試験等により好ましい態様を定めておくことが可能であり、輝度情報より閾値が大きいほうに含める態様にしてもよく、輝度情報より閾値が小さいほうに含める態様にしてもよい。上記の説明では、輝度情報と閾値が等しい場合は、閾値が小さいほうに含めている。

ここで、分極方向のモード制御を実施する前に、すべての固体撮像素子１４について、分極方向が高感度モード又は低感度モードの少なくとも一方の方向となるように、予め分極処理を施す（以下、この処理を「リセット」と言う）ことが好ましい。これによれば、分極方向のモード制御において、制御手段３３による判定結果が、予め保持されている高感度モード又は低感度モードの分極方向と一致する固体撮像素子１４については、分極方向を変更する必要が無くなり、判定結果と予め保持されている分極方向とが異なる固体撮像素子１４についてのみ、分極方向を変更すれば足りるようになる。

すなわち、すべての固体撮像素子１４が高感度モードとなるようにリセットされている場合には、輝度情報に応じて低感度モードとする領域に位置する固体撮像素子１４にのみ、分極用電圧を印加すれば良い。

一方、すべての固体撮像素子１４が低感度モードとなるようにリセットされている場合には、輝度情報に応じて高感度モードとする領域に位置する固体撮像素子１４にのみ、分極用電圧を印加すれば良い。

リセットは、例えば、制御手段３３からリセット信号を出力し、回路２５を介して、固体撮像素子１４の分極方向が高感度モード又は低感度モードのいずれか一方となるようにすることによって実施できる。また、リセットは、分極方向のモード制御を実施する前であれば、どのようなタイミングで実施しても良い。例えば、撮像者が固体撮像装置１０の電源スイッチをＯＮにしたときに実施することができる。また、分極方向のモード制御を実施すべきタイミングで、リセットと分極方向のモード制御とを、この順番で、連続して実施するようにしても良い。

先の説明では、制御手段３３は、固体撮像素子１４の分極方向をどちらにすべきかを決定していたが、分極方向ではなく、個々の固体撮像素子１４に付与する電圧値を決定するようにしてもよい。

この場合、制御手段３３は、輝度情報を所定の閾値と比較し、輝度情報が閾値を超える領域の固体撮像素子１４に対しては、第１モード（低感度モード）となる電圧値を決定するように構成できる。また、輝度情報が閾値以下の領域の固体撮像素子１４に対しては、第２モード（高感度モード）となる電圧値を決定するように構成できる。そして、回路２５は、決定された電圧値に基づいて固体撮像素子１４に対し分極用電圧を印加する。先に説明した例では制御手段３３の判定結果が分極方向であり、ここに説明した例では判定結果が電圧値である点において異なっているが、制御手段３３が、輝度情報に基づいて、領域毎に、固体撮像素子１４を低感度モードとするか高感度モードとするかを判定し、これに基づいて固体撮像素子１４の分極方向を制御する点については、先に説明した例と同じである。

以上のようにして、分極方向のモード制御が行われた後は、固体撮像素子１４から、それぞれのモードに応じた光起電流Ｉ_ｈνが発生する。そして、この光起電流Ｉ_ｈνが電流検出装置３２によって検出される。制御手段３３は、この検出値を取得する。

制御手段３３に画像処理機能が付与されている場合は、輝度情報に応じた分極方向に応じて異なってくる光起電流Ｉ_ｈνの検出値に基づいて、制御手段３３が画像を処理することによって、画像（図７（ａ）の（ａ４）を参照）が取得できる。制御手段３３に画像処理機能が付与されていない場合は、制御手段３３とは別に設けた画像処理手段（図示省略）に光起電流Ｉ_ｈνの検出値を転送し、当該画像処理手段によって画像を処理することによって、画像が取得できる。

図７（ｂ）に示す従来の方法では、露光時間の異なる、すなわち撮像タイミングの異なる画像情報を併合することとなるため、特に図中の高速移動する車両については、異なるタイミングで撮像することによる画像情報のずれが大きなものとなる。このため、構成される画像に位置ずれが生じる可能性があった。

これに対し、図７（ａ）に示す本実施形態のプロセスでは、実際の野外風景に対して輝度情報が取得され、例えば山の頂上部分、太陽及び背景について輝度情報が閾値より高く、山のふもと部分、車体及び車輪について輝度情報が閾値以下であると判定される。

そして、輝度情報が閾値を超える領域には、過剰な光量の取り込みを防ぐため、幅Ｃのような縮小した空乏層３０が好ましい、すなわち低感度モードが好ましいとして、強誘電体層１２が、図５（ｂ）に示す分極方向に調節される。

また、輝度情報が閾値以下の領域には、より多くの光量を確保するため、幅Ｂのような拡大した空乏層３０が好ましい、すなわち高感度モードが好ましいとして、強誘電体層１２が、図５（ａ）に示すような分極方向に調節される。

このように、輝度が低い領域は高感度モードによってより多くの光量を取り込み、輝度が高い領域は低感度モードによって過剰な光量の取り込みを抑えることができ、これによりダイナミックレンジを拡大できる。輝度情報に応じた分極方向に応じて異なる光起電流Ｉ_ｈνの検出値が得られ、これに基づいて画像が構成される。

よって、一回の露光で画像を構成できるようになるため、複数の画像情報を併合することによる画像の位置ずれを防止でき、かつ高感度な画像を取得できるようになる。

次に、本実施形態の固体撮像装置１０による画像取得方法につき、図８を用いて説明する。図８は、実施形態の画像取得方法の一例を示すフローチャート図である。

ステップＳ１で、制御手段３３は、例えば撮像者による撮像ＯＮ信号を受信する。ステップＳ２で、制御手段３３は、撮像対象の輝度情報を、固体撮像素子１４及び配線３１を介して取得する。ステップＳ３で、ステップＳ２において取得された輝度情報と閾値と比較して、各固体撮像素子を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定する。ステップＳ３は、制御手段３３ではなく、外部のプロセッサーによって実施しても良い。外部のプロセッサーを利用する場合は、輝度情報を外部のプロセッサーに送り、このプロセッサーで判定した結果を、制御手段３３に入力するようにしても良い。ステップＳ２〜Ｓ３により、輝度情報を取得し該輝度情報に基づき強誘電体層１２のモードを判定する工程が実現される。

その後、ステップＳ４で、制御手段３３は、ステップＳ３において得られた判定に基づいて回路２５に指示信号を出力し、回路２５は、当該指示信号に基づいて、固体撮像素子１４に分極用電圧を印加する。このステップＳ４により、上記の判定に基づき強誘電体層１２に分極用電圧を印加する工程が実現される。

ステップＳ５で、制御手段３３は、分極方向のモード制御が行われた状態の固体撮像素子１４から、電流検出装置３２を介して、光起電流Ｉ_ｈνの検出値を取得する。ステップＳ６で、制御手段３３、又は制御手段３３とは別に設けた画像処理手段（図示省略）は、ステップＳ５において得られた光起電流Ｉ_ｈνに基づいて画像を構成する。

ステップＳ１において、ライブビュー機能が発揮されていることを撮像ＯＮ信号として扱う場合は、ステップＳ４とステップＳ５の間に、撮像者によるシャッターボタンＯＮ信号に基づいて、シャッター装置３６を介して固体撮像装置１０内に撮像対象を取り込む工程が追加される。すなわち、ステップＳ２で輝度情報を取得する際と、ステップＳ５で画像構成用の光起電流Ｉ_ｈνを取得する際の、２つのタイミングで、撮像対象を固体撮像装置１０内に取り込むことになる。一方、撮像者によるシャッターボタンＯＮ信号を撮像ＯＮ信号として扱う場合は、ステップＳ２で輝度情報を取得する際にのみ、撮像対象を固体撮像装置１０内に取り込めば良い。

固体撮像素子１４をリセットする工程を設ける場合には、例えばステップＳ１で撮像者による撮像ＯＮ信号を受信した直後に、制御手段３３から回路２５を介して固体撮像素子１４をリセットする工程を追加し、その後、ステップＳ２〜ステップＳ４の工程を実施すれば良い。又は、固体撮像素子１４をリセットする工程は、撮像者が固体撮像装置１０の電源スイッチをＯＮにしたことを検知して、ステップＳ１〜Ｓ６の処理を実施する前に、あらかじめ実施しておくようにしてもよい。

このような本実施形態の画像取得方法によれば、上記の固体撮像素子１４を具備した固体撮像装置１０を用いるため、撮像対象の輝度情報に基づいて強誘電体層の分極方向を変化させ、これにより感度を変化させてダイナミックレンジを拡大できる。

次に、本実施形態の固体撮像装置１０の製造方法の一例について、図９（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。図９（ａ）〜（ｄ）は、特に、固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４の製造例を示す断面図である。

図９（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板２４の表面に、絶縁層３４として機能する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を熱酸化等で形成し、この二酸化シリコン膜上に、酸化チタン等からなる密着層３５を、スパッタリング法や熱酸化等で形成する。そして、この密着層３５の上に、白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造等からなる第１電極１１を、スパッタリング法や蒸着法等により全面に形成する。尚、絶縁層３４や密着層３５は省略されても構わない。

次に、図９（ｂ）に示すように、形成した第１電極１１上に所定形状のレジスト（図示なし）をマスクとして、絶縁層３４、密着層３５及び第１電極１１を同時にパターニングする。

次いで、第１電極１１上に強誘電体層１２を積層する。強誘電体層１２の製造方法は特に限定されないが、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる強誘電体の膜を得るＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用い、製造することができる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法など、液相法でも固相法でも、強誘電体層１２を製造することが可能である。

具体的には、強誘電体層１２を形成するための前駆体溶液を、スピンコート法などを用いて第１電極１１上に塗布して前駆体膜を形成し（塗布工程）、この前駆体膜を所定温度（例えば１５０〜２００℃）に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した前駆体膜を所定温度（例えば、３５０〜４５０℃）に加熱して一定時間保持することにより脱脂して（脱脂工程）、その後に前駆体膜を所定温度（例えば６００〜８５０℃）に加熱し、例えば１〜１０分間保持することによって結晶化させる（焼成工程）。これにより、第１電極１１上に、例えばＢｉ及びＦｅを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる強誘電体層１２を形成する。

次いで、形成した強誘電体層１２上に、酸化インジウムスズ等からなる透明電極（ＩＴＯ）としての第２電極１３をスパッタリング法等で形成し、図９（ｃ）に示すように、必要に応じて強誘電体層１２及び第２電極１３を同時にパターニングする。そして、基板２４を所定の厚さに薄くしたり、不要部分をダイシング等によって切断したりして、図９（ｄ）に示すように、第１電極１１、強誘電体層１２及び第２電極１３が積層された固体撮像素子１４を形成する。必要に応じて、所定温度（例えば６００〜８５０℃）でアニールを行うこともできる。これにより、強誘電体層１２と第１電極１１や第２電極１３との良好な界面を形成でき、かつ、強誘電体層１２の結晶性を改善することができる。その後、製造された固体撮像素子１４や転送回路１５等を組み合わせてパッケージすれば、本実施形態の固体撮像装置１０を製造することができる。

（変形例）
先に説明した固体撮像素子１４は、強誘電体層１２と第２電極１３との間でｐｎ接合１６が形成されていたが、代わりに、強誘電体層と第１電極との間でｐｎ接合が形成される固体撮像素子を採用しても良い。図１０は、このような固体撮像素子４４の概略構成を示す図である。

図１０に示すように、本実施形態の固体撮像素子４４は、第１電極４１、強誘電体層４２及び第２電極４３が積層されてなり、第２電極４３が透明電極であって、強誘電体層４２と第１電極４１との間でｐｎ接合４６が形成されているものである。第１電極４１、強誘電体層４２及び第２電極４３はこの順で基板２４上に積層されている。基板２４の種類は制限されず、省略することも可能である。

第１電極４１は、例えば所定の第５族元素をドナーとして微量に添加し、ｎ型半導体としての機能を有するように構成することができる。これによれば、強誘電体層４２をｐ型半導体として構成し、第１電極４１と強誘電体層４２との間にｐｎ接合４６を形成できるようになる。

ただし、第１電極４１は、例えば所定の第３族元素をアクセプタとして微量に添加し、ｐ型半導体としての機能を有するように構成することも可能である。これによれば、強誘電体層４２をｎ型半導体として構成し、第１電極４１と強誘電体層４２との間にｐｎ接合４６を形成できるようになる。また本実施形態の第２電極４３は、先に説明した固体撮像素子１４の第２電極１３と同様に透明電極として構成することができるが、必ずしもｎ型半導体やｐ型半導体としての機能を具備する必要性はない。

ここで、強誘電体層４２は、強誘電体特性を有し、かつ透明性（光透過性）を有する材料を用いて構成されている。これによれば、第２電極４３を透過した光が強誘電体層４２をさらに透過して、強誘電体層４２と第１電極４１との間に形成されるｐｎ接合４６に達するようになる。

ここでの透明性（光透過性）を有する強誘電体材料としては、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ_３；ＢＮＴ）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ，Ｋ）ＴｉＯ_３；ＢＫＴ）が挙げられる。

強誘電体層４２がｐ型半導体として構成される場合、効率的な光電変換の観点からは、ｎ型半導体である第１電極４１側に−（マイナス）の電荷、ｐ型半導体である強誘電体層４２側に＋（プラス）の電荷が誘起される方向に分極処理を施すことができる。これにより高感度モードが実現される。

尚、強誘電体層４２がｎ型半導体として構成される場合、効率的な光電変換の観点からは、ｐ型半導体である第１電極４１側に＋（プラス）の電荷、ｐ型半導体である強誘電体層４２側に−（マイナス）の電荷が誘起される方向に分極処理を施すことができる。これにより低感度モードが実現される。

以上説明した固体撮像装置においても、強誘電体層４２と第１電極４１との間でｐｎ接合４６が形成されているため、固体撮像素子４４が、強誘電体特性及びｐｎ接合ダイオード特性を両立したものとなり、強誘電体層４２の分極方向を変化させることでｐｎ接合ダイオード特性を変化させることが可能となる。

従って、撮像対象の輝度情報に基づき強誘電体層４２の分極方向を判定することで、撮像対象の輝度に応じて感度を調節でき、ダイナミックレンジを拡大できる。よって、複数の画像情報を併合することによる位置ずれを防止でき、高感度な画像を取得できる固体撮像装置を提供できる。

（実施例１）
＜溶液調製＞
強誘電体層１２を形成するためのＢＬＦＭＴ前駆体溶液を下記の手順で調製した。まず、ビーカーにプロピオン酸を測り取り、それに酢酸ビスマス、酢酸ランタン、酢酸鉄、酢酸マンガン、及びテトライソプロポキシチタンをモル比８０：２０：９６：１：３で混合した。次に、ホットプレート上にて１４０℃で１時間加熱攪拌した後、プロピオン酸で０．３ｍｏｌ／Ｌに調節することでＢＬＦＭＴ前駆体溶液を調製した。

＜固体撮像装置作製＞
６ｉｎｃｈシリコン（Ｓｉ）基板２４の表面に、絶縁層３４としての二酸化シリコン膜を熱酸化により形成し、この二酸化シリコン膜上に、窒化アルミニウムチタン、イリジウム、酸化イリジウム及び白金を積層することで第１電極１１を形成した。

第１電極１１上に、上記のＢＬＦＭＴ前駆体溶液をスピンコート法にて１５００ｒｐｍで塗布した。次に、ホットプレート上で２分間１８０℃加熱した後に３分間３５０℃で加熱した。この塗布〜加熱工程を４回繰り返した後に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を使用し、窒素下、５分間６５０℃で加熱した。この一連の工程を２回繰り返すことで、強誘電体層１２を形成した。

強誘電体層１２上に、メタルスルーマスクを使用し、スパッタ法にて酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる第２電極１３を形成した。以上のように、固体撮像素子１４を作製した。作製した固体撮像素子１４を具備して、常法により実施例１の固体撮像装置１０を作製した。

（比較例１）
第２電極を白金とした以外は実施例１と同様の手法にて、比較例１の固体撮像装置を作製した。

＜ｐｎ接合ダイオード特性＞
実施例１及び比較例１の固体撮像装置に搭載される固体撮像素子について、ヒューレットパッカード社製「４１４０Ｂ」を用い、大気下（湿度４０〜５０％）にて外界光を遮蔽した状態で、電流密度Ｊ（μＡ／ｃｍ^２）と電圧Ｅ（Ｖ）との関係（Ｊ−Ｅ Ｃｕｒｖｅ）を求めた。

図１１にＪ−Ｅ Ｃｕｒｖｅを示す。点線で表される比較例１では、電流密度Ｊが電圧Ｅに正比例するオーミック接合の特性が観測されたのに対し、実線で表される実施例１では、一方向、例えば負の電圧方向においてのみ電流が流れやすいｐｎ接合に特有のダイオードに特徴的な特性が観測された。そして、図１１に示されるダイオード特性より、実施例１では、強誘電体層１２がｐ型半導体であり、第２電極４３すなわち透明電極（ＩＴＯ）がｎ型半導体であることが明らかとなった。

また、実施例１に搭載される固体撮像素子１４は、第２電極１３を除いて比較例１に搭載される固体撮像素子と同様に作製したことから、実施例１で観測されるｐｎ接合ダイオード特性は、ｎ型半導体である第２電極１３に起因していることが分かった。

＜Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐ測定＞
実施例１及び比較例１の固体撮像装置に搭載される固体撮像素子について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」を用い、φ＝５００μｍの電極パターンを使用し、室温で周波数
１ｋＨｚの三角波形を印加して、分極量Ｐ（μＣ／ｃｍ^２）と電圧Ｅ（Ｖ）の関係（Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐ）を求めた。

図１２にＰ−Ｅ ｌｏｏｐを示す。点線で表される比較例１及び実線で表される実施例１の両者とも、強誘電体に特徴的な履歴曲線（ヒステリシス）を示したことから、いずれも強誘電体であり、例えば分極用電圧を印加することで生じる分極を保持できることが明らかとなった。

ただし、点線で表される比較例１では左右対称なヒステリシスが観測されたのに対し、実線で表される実施例１では左右非対称なヒステリシスが観測された。これは、実施例１は、上記のようにｐｎ接合ダイオード特性を有するため、正電圧領域及び負電圧領域で電気的特性が異なるからである。この結果から、実施例１では、強誘電体層１２が強誘電体特性及びｐｎ接合ダイオード特性を両立していることが明らかとなった。

＜光電変換特性＞
実施例１に搭載される固体撮像素子１４について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」及びＫｅｉｔｈｌｅｙ社製６５１４型エレクトロメーターを使用し、そのｐｎ接合ダイオード特性、特に光電変換特性を評価した。具体的には、ＦＣＥ−１Ａを使用し、φ＝５００μｍの電極パターンに室温で周波数１ｋＨｚの＋２０Ｖ又は−２０Ｖのユニポーラ三角波形を印加することで強誘電体層１２の分極処理を行った。次に、ピコアンペアメーターを使用し、２ｍＶの電位（不可避な回路電位）下で蛍光灯の点灯及び消灯を繰り返しながら光起電流を測定した。

かかる測定は、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に−（マイナス）の電荷、ｎ型半導体側である第２電極１３側に＋（プラス）の電荷が誘起される下方向に該強誘電体層１２を分極させたときと、ｐ型半導体である強誘電体層１２側に＋（プラス）の電荷、ｎ型半導体側である第２電極１３側に−（マイナス）の電荷が誘起される上方向に該強誘電体層１２に分極させたときと、の両者について行った。

図１３に光電変換特性を示す。図示するように、実施例１では光起電流密度が観測された。これにより、照射された蛍光灯の光が、可視光領域で透明である第２電極１３を透過して空乏層３０に到達し、内部光電効果が発現したことが分かった。

また、一点鎖線で表されるように、強誘電体層１２を上方向に分極させたときに得られる光起電流は、−３０ｎＡ／ｃｍ^２であった。一方、実線で表されるように、強誘電体層１２を下方向に分極させたときに得られる光起電流は、−１３３ｎＡ／ｃｍ^２、すなわち一点鎖線で表される測定結果と比べ、その絶対値が約４．４倍と高い値を示した。

これにより、強誘電体層１２を下方向又は上方向に分極させることで、空乏層３０領域が拡大又は縮小し、検出される光起電流に差異が生じるため、この光起電流に基づいて分極方向を判定でき、高感度モード及び低感度モードを選択できることが分かった。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、その基本的構成は上述したものに限定されるものではない。

上記の実施形態では、上部電極としての第２電極１３，４３が透明性を有するｎ型半導体である構造（表面照射構造）である固体撮像装置１０を例にとり説明したが、光電変換機能の観点からはｐｎ接合に光が当たればよく、受光面について上下方向の制約はない。例えば、下部電極に透明性を有するｎ型半導体を用い、この下部電極が露出するように基板を形成して、研磨やエッチングをした構造（裏面照射構造）であってもよい。さらに、適宜図示を省略した各種配線等の接続態様についても実施形態の例に制限されない。

そして、本実施形態の固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４，４４の強誘電体層１２，４２は、種々の光学素子に好適に用いることができる。例えば強誘電体層１２，４２がｐ型半導体として構成される場合、この強誘電体層１２の分極方向によって、強誘電体層１２，４２との間でｐｎ接合１６，４６を形成する第２電極１３（ｎ型半導体），第１電極４１等のキャリア濃度を制御することができる。その結果、強誘電体層１２，４２の強誘電体特性に応じて光学特性を変化させることができるようになる。

好適に用いることができる光学素子としては、光スイッチ、波長変換器、光導波路、屈折率制御素子、電子シャッター機構、ハーフミラー、周波数制御フィルター（ローパスフィルター、ハイパスフィルター）、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、光干渉フィルター、光干渉計、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター及び光熱変換フィルター等が挙げられる。

また、本実施形態の固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４，４４は、強誘電体素子として好適に用いることもできる。好適に用いることができる強誘電体素子としては、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）及び固体撮像素子等が挙げられる。

また、本実施形態の固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４，４４は、良好な圧電特性を示すことから、圧電素子にも好適に用いることができる。好適に用いることができる圧電素子としては、液体噴射装置、超音波モーター、超音波発信器、超音波検出器、振動式ダスト除去装置、圧電トランス、加速度センサー、圧力センサー、圧電スピーカー、圧電ポンプ及び圧力電気変換機器が挙げられる。

さらに、本実施形態の固体撮像装置１０に搭載される固体撮像素子１４，４４は、良好な焦電特性を示すことから、焦電素子に好適に用いることができる。好適に用いることができる焦電素子としては、温度検出器、生体検出器、赤外線検出器、テラヘルツ検出器及び熱電気変換器等が挙げられる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 固体撮像装置、 １１，４１ 第１電極、 １２，４２ 強誘電体層、 １３，４３ 第２電極、 １４，４４ 固体撮像素子、 １５ 転送回路、 １６，４６ ｐｎ接合、 １７ 垂直転送回路、 １８ 水平転送回路、 １９ 画素、 ２０ 増幅器、 ２１ 画素選択用スイッチング素子、 ２２ 列回路、 ２３ 列選択用スイッチング素子、 ２４ 基板、 ２５ 回路、 ２６ 電圧印加手段、 ２７ スイッチング素子、 ２８，２９，３１ 配線、 ３０ 空乏層、 ３２ 電流検出装置、 ３３ 制御手段、 ３４ 絶縁層、 ３５ 密着層、 ３６ シャッター装置

Claims (8)

1. 第１電極、強誘電体層及び透明電極である第２電極が積層され、前記強誘電体層と前記第１電極又は前記第２電極との間にｐｎ接合が形成された複数の固体撮像素子を具備する固体撮像装置であって、
   撮像対象の輝度情報を取得して該輝度情報に基づいて個々の前記固体撮像素子を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定する制御手段と、
   前記判定に基づいて前記固体撮像素子に電圧を印加して、前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定する回路と、を具備し、
   前記高感度モード又は前記低感度モードに設定された前記固体撮像素子から、それぞれのモードに応じた光起電流を検出し、前記検出の結果に基づいて画像を取得する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記制御手段は、
   前記輝度情報を所定の閾値と比較し、
   前記輝度情報が前記閾値を超える領域の前記固体撮像素子に対して前記低感度モードとなる電圧値又は分極方向を決定し、
   前記輝度情報が前記閾値以下の領域の前記固体撮像素子に対して前記高感度モードとなる電圧値又は分極方向を決定し、
   前記決定に基づいて、前記個々の固体撮像素子が高感度モード又は低感度モードになるように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記高感度モードでは前記ｐｎ接合による空乏層が拡大し、前記低感度モードでは前記ｐｎ接合による空乏層が縮小するように、前記固体撮像素子の分極方向が制御される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定する前に、前記複数の固体撮像素子のすべてが前記高感度モード又は前記低感度モードとなるように、前記複数の固体撮像素子の分極方向が予めリセットされている
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の固体撮像装置。
5. 前記強誘電体層がｐ型半導体である
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記強誘電体層がビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含む
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の固体撮像装置。
7. 前記強誘電体層が、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）及びチタン（Ｔｉ）からなる群から選択される少なくとも一種を含む
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の固体撮像装置。
8. 第１電極、強誘電体層及び透明電極である第２電極が積層され、前記強誘電体層と前記第１電極又は前記第２電極との間にｐｎ接合が形成された複数の固体撮像素子を具備する固体撮像装置を用いた画像取得方法であって、
   撮像対象の輝度情報を取得し、
   該輝度情報に基づいて個々の前記固体撮像素子を高感度モードにするか低感度モードにするかを判定し、
   前記判定に基づいて、前記固体撮像素子を前記高感度モード又は前記低感度モードに設定し、
   前記高感度モード又は前記低感度モードに設定された前記固体撮像素子から、それぞれのモードに応じた光起電流を検出し、
   前記検出の結果に基づいて画像を取得する
   ことを特徴とする画像取得方法。