JP2021158128A - 固体撮像装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＳＰＡＤフォトダイオードにおいて、遠距離、近距離に関わらず、被写体を正確に捉える。【解決手段】本開示に係る固体撮像装置は、光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を備え、複数の前記画素の感度が異なるように構成される。この構成により、ＳＰＡＤフォトダイオードにおいて、遠距離、近距離に関わらず、被写体を正確に捉えることが可能となる。【選択図】図１

Description

本開示は、固体撮像装置及び電子機器に関する。
従来、下記の特許文献１には、第１のピクセルの受光面積と第２のピクセルの受光面積を異なるようにした光電変換素子が記載されている。
特開２０１７−１１７８３４号公報
近時においては、画素毎に画定された光電変換領域に設けられた第１半導体層と第２半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される、いわゆるＳＰＡＤフォトダイオードが知られている。
このＳＰＡＤフォトダイオードでは、高輝度の被写体を撮像する場合など、入射する光量が多い場合は、光量が少ない場合に比べて、光量に対する受光信号の関係に変化が生じる。このような場合、被写体を正確に測距できなくなる問題が生じる。
より具体的には、ＳＰＡＤフォトダイオードにおける測距レンジ拡大において、遠距離までカバーするためには、高感度のＳＰＡＤフォトダイオードを準備する必要がある。しかし、高感度のＳＰＡＤフォトダイオードにおいて、入射する光量が多い場合は、光量が少ない場合に比べて光量に対する受光信号の関係に変化が生じるため、太陽光等の高照度の光に対して測距できない状況が発生する。
上記特許文献１に記載された技術では、画素を異なるサイズとすることで画素毎に感度を変えている。このような手法では、画素のセルサイズの変更という比較的大掛かりな構造の変更が必要であるため、設計変更に煩雑な手間がかかるとともに、製造コストの増大を招来する問題がある。
そこで、ＳＰＡＤフォトダイオードにおいて、遠距離、近距離に関わらず、被写体を正確に捉えることが望まれていた。
本開示によれば、光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を備え、複数の前記画素の感度が異なるように構成された、固体撮像装置が提供される。
また、本開示によれば、光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を有し、複数の前記画素の前記光電変換領域の感度が異なるように構成された、固体撮像装置を備える、電子機器が提供される。
以上説明したように本開示によれば、ＳＰＡＤフォトダイオードにおいて、遠距離、近距離に関わらず、被写体を正確に捉えることが可能となる。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の一実施形態に係る固体撮像素子（ＳＰＡＤフォトダイオード）を示す平面図である。 固体撮像素子の１画素の構成を示す概略断面図である。 図１と同様に固体撮像素子を示す平面図であって、数種類のサイズの集光レンズを備えた例を示す図である。 集光レンズを備えていない画素を設けた例を示す平面図である。 １の画素に複数の集光レンズを設けた例を示す平面図である。 画素毎に遮光膜の幅を変えることで、画素毎に感度調整を行う例を示す模式図である。 画素毎に遮光膜の幅を変えることで、画素毎に感度調整を行う例を示す模式図である。 ３つの画素の遮光膜の構成を示す概略断面図である。 固体撮像素子を示す平面図であって、４つの画素のうちの３画素に複数種類の異なる遮光幅の遮光膜を設けた例を示す図である。 遮光膜の開口の形状のバリエーションを示す平面図である。 光電変換部と集光レンズの間に設けられる透過膜の膜厚を異ならせる例を示す模式図である。 図１１に示す構成に対し、光電変換部の詳細な構成を示した概略断面図である。 本技術を適用した電子機器としての、カメラ装置の構成例を示すブロック図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本実施形態に係る固体撮像素子の構成例
１．１．固体撮像素子の基本的構成例
１．２．画素毎に集光レンズの大きさを異ならせる例
１．３．画素毎に遮光膜の幅を異ならせる例
１．４．光電変換部と集光レンズ間の透過膜の膜厚を異ならせる例
２．本実施形態に係る固体撮像素子の適用例
１．本実施形態に係る固体撮像素子の構成例
１．１．固体撮像素子の基本的構成例
電子増倍をすることにより１光子レベルの読み出し感度を持ったフォトダイオードを実現するＳＰＡＤ(Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ)の技術がある。ＳＰＡＤでは、増倍を起こすために±数１０Ｖ程度の高電圧が用いられる。ＳＰＡＤは、画素毎に設けられた高電界のＰＮ接合領域で光電変換により発生したキャリアを増倍させることで、１個のフォトンを画素毎に検出することが可能なデバイスである。
図１は本開示の一実施形態に係る固体撮像素子（ＳＰＡＤフォトダイオード；固体撮像装置）１０００を示す平面図である。図１では、固体撮像素子１０００が備える４つの画素を示している。また、図２は、固体撮像素子１０００の１画素の構成を示す概略断面図である。本実施形態では、下層セルサイズは同じであるが上層の集光部分のレンズサイズや形状、遮光幅を変えることにより、下層レイアウトを変更することなく、上層レイアウトの変更だけで感度を制御する。
図１及び図２示すように、固体撮像素子１０００の各画素は、素子分離部１００によって区画され、各画素に光電変換部２００が構成されている。素子分離部１００は、一例として、絶縁膜または金属膜から構成される。図２に示すように、素子分離部１００によって区画された各画素には、素子分離部１００の縁から各画素の底部に延存するＰ型層１０２が設けられ、Ｐ型層１０２の内側にＮ型層１０４が設けられている。
また、光電変換部２００の光照射面側（図面上で上側）には高濃度のＮ型層１０６が設けられ、高濃度のＮ型層１０６の下層には高濃度のＰ型層１０８が設けられている。また、素子分離部１００に沿って形成されたＰ型層１０２の上部には、高濃度のＰ型層１１０が設けられている。一例として、上述した電子増倍を起こすため、Ｐ型層１０８とＮ型層１０４との間に高電圧が印加される。なお、不純物層の導電型は一例であり、ＰとＮを入れ替えて逆の導電型にしても良い。また、高電界になる増倍領域の作り方は他にも様々な方法が考えられる。更に、増倍領域を分離するための不純物注入領域を設けたり、画素分離部１５０としてＳＴＩ（Ｓａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）などを設けても良い。
１．２．画素毎に集光レンズの大きさを異ならせる例
光電変換部２００の上部には、光電変換部２００に光を集光させる集光レンズ３００が設けられている。図１に示すように、集光レンズ３００は、画素毎に異なるサイズで形成されている。
図１に示す例では、図面上で左上の画素と右下の画素の集光レンズ３００の大きさは、左下の画素と右上の画素の集光レンズ３００のよりも大きいサイズで構成されている。これにより、集光レンズ３００の大きさに応じて、光電変換を行う際の感度を画素毎に変更することができる。なお、図１に示す例では、左上の画素と右下の画素の集光レンズ３００の大きさは同一であり、左下の画素と右上の画素の集光レンズ３００の大きさは同一である。
図１に示す例では、集光レンズ３００の位置を画素の中心に配置しているが、撮像面の画素領域における画素の位置に応じて、集光レンズ３００の位置を画素の中心からずらすように配置しても良い。例えば、画素領域の右上に位置する画素では、画素の中心に対して左下に集光レンズ３００を配置する。これにより、撮像面における画素の位置に応じて、集光レンズ３００の位置を最適に配置できる。
図３は、図１と同様に固体撮像素子１０００を示す平面図であって、数種類のサイズの集光レンズ３００を備えた例を示す図である。また、図４は、集光レンズ３００を備えていない画素を設けた例を示す平面図である。また、図５は、１の画素に複数の集光レンズ３００を設けた例を示す平面図である。図３〜図５の例においても、集光レンズ３００の大きさに応じて、光電変換を行う際の感度を画素毎に変更することができる。
図４に示すように、集光レンズ３００を備えていない画素を設けることで、集光レンズ３００を設けた画素に対して、より広い感度差を実現できる。また、図５に示すように、１の画素に複数の集光レンズ３００を設けることで、集光効率を高めることができる。また、複数の集光レンズ３００の個数を調整することで、感度を容易に調整することが可能となる。以上のように、図３〜図５に示す例においても、画素毎に感度調整を行うことができる。
１．３．画素毎に遮光膜の幅を異ならせる例
図６及び図７は、画素毎に遮光膜の幅を変えることで、画素毎に感度調整を行う例を示す模式図である。図６は、図１と同様に固体撮像素子１０００を示す平面図であって、固体撮像素子１０００が備える４つの画素を示している。
図６において、光電変換部２００を含む各画素の基本的な構成は、図１及び図２と同様である。図６では、一部の画素に遮光膜４００が設けられている。図７は、遮光膜４００が設けられた画素の構成を示す概略断面図である。遮光膜４００は、光電変換部２００に入射する光の一部を遮光する機能を有する。このように、一部の画素に遮光膜４００を設けることで、画素毎に感度調整を行うことが可能である。なお、図７において、遮光膜４００の上に集光レンズ３００が設けられていても良い。
図８は、３つの画素の遮光膜４００の構成を示す概略断面図である。図８に示すように、各画素の光電変換部２００に対応して集光レンズ３００がそれぞれ設けられている。また、各画素の光電変換部２００の上には、遮光膜４００が設けられている。各画素は同じセルサイズであるが、遮光膜４００によって遮られた領域の幅が異なる。これにより、画素毎に感度調整を行うことができる。
同様に、図９は、固体撮像素子１０００を示す平面図であって、４つの画素のうちの３画素に複数種類の異なる遮光幅の遮光膜４００を設けた例を示す図である。これにより、画素毎に感度調整を行うことができる。
図１０は、遮光膜４００の開口の形状のバリエーションを示す平面図である。図１０では、図面上で右上と左下の画素の遮光膜４００の開口の形状を十字形状としている。また、右下の画素の遮光膜４００の開口の形状を円形としている。遮光膜４００の開口の形状は、矩形、多角形、円形等、様々な形状とすることができる。
１．４．光電変換部と集光レンズ間の透過膜の膜厚を異ならせる例
図１１は、光電変換部２００と集光レンズ３００の間に設けられる透過膜５００の膜厚を異ならせる例を示す模式図である。光電変換部２００の光照射面に照射される光は、透過膜５００を透過して光電変換部２００に入射する。透過膜５００は、絶縁膜から構成される。また、透過膜５００を金属膜から構成しても良い。
図１１は、３つの画素の透過膜５００の構成を示す概略断面図である。図１１に示すように、各画素の光電変換部２００に対応して集光レンズ３００がそれぞれ設けられている。各画素において、透過膜５００は、集光レンズ３００と光電変換部２００との間に設けられている。
図１１に示すように、中央の画素の透過膜５００の膜厚は、その両側の画素の透過膜５００よりも薄く形成されている。図１２は、図１１に示す構成に対し、各画素の光電変換部２００の詳細な構成を示した概略断面図である。光電変換部２００の詳細な構成は、図２に示したものと同様である。なお、図１２において、集光レンズ３００の図示は省略している。このように、画素毎に透過膜５００の膜厚を異ならせることで、画素毎に感度調整を行うことができる。
２．本実施形態に係る固体撮像素子の適用例
図１３は、本技術を適用した電子機器としての、カメラ装置２０００の構成例を示すブロック図である。図２０に示すカメラ装置２０００は、レンズ群などからなる光学部２１００、上述した固体撮像装置（撮像デバイス）１０００、およびカメラ信号処理装置であるＤＳＰ回路２２００を備える。また、カメラ装置２０００は、フレームメモリ２３００、表示部（表示装置）２４００、記録部２５００、操作部２６００、および電源部２７００も備える。ＤＳＰ回路２２００、フレームメモリ２３００、表示部２４００、記録部２５００、操作部２６００および電源部２７００は、バスライン２８００を介して相互に接続されている。
光学部２１００は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置１０００の撮像面上に結像する。固体撮像装置１０００は、光学部２１００によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
表示部２４００は、例えば、液晶パネルや有機ＥＬ(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像装置１０００で撮像された動画または静止画を表示する。ＤＳＰ回路２２００は、固体撮像装置１０００から出力された画素信号を受け取り、表示部２４００に表示させるための処理を行う。記録部２５００は、固体撮像装置１０００で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
操作部２６００は、ユーザによる操作の下に、固体撮像装置１０００が有する様々な機能について操作指令を発する。電源部２７００は、ＤＳＰ回路２２００、フレームメモリ２３００、表示部２４００、記録部２５００および操作部２６００の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
以上説明したように本実施形態によれば、固体撮像装置１０００の上層のレイアウトを変更するのみで、異なる感度を有する画素を実現することができ、広いダイナミックレンジの固体撮像素子１０００を実現することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１） 光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、
前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、
前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を備え、
複数の前記画素の前記光電変換領域の感度が異なるように構成された、固体撮像装置。
（２） 前記画素毎に光照射面に設けられた集光レンズを備え、
画素毎に異なる大きさの前記集光レンズが設けられた、前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３） 前記集光レンズを備えていない前記画素を有する、前記（２）に記載の固体撮像装置。
（４） １画素に複数の前記集光レンズが設けられた、前記（２）に記載の固体撮像装置。
（５） 前記画素毎に前記光電変換領域の光照射面に到達する光を遮光する遮光部を備え、
前記画素毎に前記遮光部の遮光幅が異なる、前記（１）に記載の固体撮像装置。
（６） 前記遮光部の開口の形状は、多角形又は円形である、前記（５）に記載の固体撮像装置。
（７） 前記画素毎に前記光電変換領域の光照射面に設けられ、光照射面に到達する光を透過する透過膜を備え、
前記画素毎に厚さの異なる前記透過膜が設けられた、前記（１）に記載の固体撮像装置。
（８） 光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を有し、複数の前記画素の前記光電変換領域の感度が異なるように構成された、固体撮像装置を備える、電子機器。
３００ 集光レンズ
４００ 遮光膜
５００ 透過膜
１０００ 固体撮像素子

Claims (8)

  1. 光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、
    前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、
    前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を備え、
    複数の前記画素の前記光電変換領域の感度が異なるように構成された、固体撮像装置。
  2. 前記画素毎に光照射面に設けられた集光レンズを備え、
    画素毎に異なる大きさの前記集光レンズが設けられた、請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記集光レンズを備えていない前記画素を有する、請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. １画素に複数の前記集光レンズが設けられた、請求項２に記載の固体撮像装置。
  5. 前記画素毎に前記光電変換領域の光照射面に到達する光を遮光する遮光部を備え、
    前記画素毎に前記遮光部の遮光幅が異なる、請求項１に記載の固体撮像装置。
  6. 前記遮光部の開口の形状は、多角形又は円形である、請求項５に記載の固体撮像装置。
  7. 前記画素毎に前記光電変換領域の光照射面に設けられ、光照射面に到達する光を透過する透過膜を備え、
    前記画素毎に厚さの異なる前記透過膜が設けられた、請求項１に記載の固体撮像装置。
  8. 光電変換領域を画素毎に画定する画素分離部と、前記光電変換領域に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層との間に電子増倍のための電圧が印加される第２半導体層と、を有し、複数の前記画素の前記光電変換領域の感度が異なるように構成された、固体撮像装置を備える、電子機器。
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