JP4073831B2 - 入射光の測定方法及びそれを用いた分光機構を有するセンサー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサーに係り、特に、半導体装置に入る光の波長とその強度を検出する入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有するセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単板式ビデオカメラに用いられているイメージセンサーは、カラー画像を得るために赤、緑、青のフィルタを各光検出素子（例えば、フォトダイオード）の上に取り付けるようにしている。
【０００３】
また、三板式のビデオカメラにおいては、光学プリズムを用いて、入射光を赤、緑、青の３つの光に分け、それぞれの光を３つのイメージセンサーで検知するようにしていた。
【０００４】
また、入射する光が、いかなる波長であるか、かつ、それらの波長の強度を知るためには、現在はグレーティングなどを用いて分光を行い、それぞれの光の強度分布をパワーメータなどで測定を行っていた。
【０００５】
また、１つのフォトダイオードにより、赤、緑、青のカラー情報を取得する試みがある（下記特許文献１参照）。この提案は、シリコン基板に、０．２μｍ、０．６μｍ、２μｍの深さを持つ３つの拡散層を、重ねるように配置して、それぞれの接合から得られる電流を検知するものであった。
【０００６】
【特許文献１】
ＵＳＰ Ｎｏ．５，９６５，８７５号公報（第４欄−第５欄 図６）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した単板式のビデオカメラでは、カラー画像を得るためには３つの光検出素子が必要であるため、解像度が三分の一に低下する。また、このカラーフィルタによる光の吸収で感度の低下が起こっていた。
【０００８】
また、三板式のビデオカメラでは、光学プリズムの存在により、カメラ自体が大きくなる。
【０００９】
さらに、光の分光装置では、グレーティングなどを用いていたため装置の構成が大きくなる。
【００１０】
上記特許文献１に示されるトリプル井戸構造を有する能動画素イメージングアレイによるカラー分離手法では、青色を検知する一番手前の接合でも、赤色を検知してしまうことになり、赤、緑、青のカラー情報の分解能は低い。さらに、どの波長がどのような強度で存在するか知ることができないといった問題があった。
【００１１】
また、上記特許文献１の手法では、捕獲する電子の深さ（位置）を変化させることができない。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、簡単な半導体構造を用いた入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有するセンサーを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕入射光の測定方法において、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、その下部に絶縁膜（４）を介して入射光により発生した電子を捕獲する第１の拡散層（２）と、この第１の拡散層（２）の一端側に形成され、この第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、この第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）とを設け、前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、この入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される前記入射光の光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の入射光の測定方法において、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させることを特徴とする。
【００１５】
〔３〕分光センサーにおいて、半導体基板（１）と、この半導体基板（１）に形成される第１の拡散層（２）と、この第１の拡散層（２）の一端側に形成され、この第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、この第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ前記第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）と、前記第１の拡散層（２）上に絶縁膜（４）を介して形成される、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、該入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される前記入射光の光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定する手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕記載の分光センサーにおいて、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させる手段を具備することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーにおいて、前記第１の拡散層（２）がｐ型拡散層、前記第２の拡散層（３）がｎ+ 拡散層、前記半導体基板（１）がｎ型半導体基板を含むことを特徴とする。
【００１８】
〔６〕上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーにおいて、前記ゲート電圧が印加される電極膜（７）が、不純物が添加された多結晶シリコン膜であることを特徴とする。
【００１９】
〔７〕カラーフィルタなしカラーイメージセンサーであって、上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーを用いて、１次元、または２次元に配置した分光センサーアレイを設け、この分光センサーアレイを一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信号を読み出し、前記電子を捕獲する深さを変化させて、そのときの信号を計測し、それらの信号から赤、緑、青の各波長の強度を計算し、カラー画像信号を出力することを特徴とする。
【００２０】
〔８〕上記〔７〕記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記カラー画像信号の出力部に雑音除去回路を設けることを特徴とする。
【００２１】
〔９〕上記〔７〕記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記電子を捕獲する深さを１８０分の１秒ごとに変化させることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
まず、入射光の波長情報を得るための基本原理について説明する。
【００２４】
半導体装置に照射された光は、半導体中に侵入して、吸収されながら減衰していく。この減衰していく度合いは、入射光の波長によって異なる。
【００２５】
そこで、本発明では、光により発生する電子を収集可能な深さ（位置）を変化させて、それらの電流を測定できれば、以下の方法で、入射する光の波長情報が分かることに着目した（勿論、電子と同時にできる正孔を蓄えてもよい）。例えば、２つの波長（λ１とλ２）の光が、強度Ａ1 とＡ2 で同時に入射したとする。表面から電子の捕獲位置Ｗ1 の距離までに発生した電子による電流を測定したら、電流Ｉ1 であった。
【００２６】
次に、電子の捕獲位置Ｗ2 の距離までに発生した電子による電流を測定したら、電流Ｉ2 であったとする。このことは以下の式で表すことができる〔補足説明１参照〕。
【００２７】
【数１】
【００２８】
ここで、各パラメータは次の通りである。
【００２９】
Ａ1 、Ａ2 ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ2 〕
Ｓ：センサー面積〔ｃｍ2 〕
Ｗ1 、Ｗ2 ：電子の捕獲位置〔ｃｍ〕
α1 、α2 ：それぞれの波長の吸収係数〔ｃｍ-1〕
Ｉ1 ：電子の捕獲位置をＷ1 としたときの電流の実測値〔Ａ〕
Ｉ2 ：電子の捕獲位置をＷ2 としたときの電流の実測値〔Ａ〕
振動数ν1 ＝ｃ／λ1
振動数ν2 ＝ｃ／λ2
ここで、ｃは光速、Ｓは受光部の面積、ｈνは光のエネルギー、ｑは電子ボルトであり、入射光強度Ａ1 、Ａ2 以外は全て既知の値であるから、この２式から連立方程式を解くことにより、入射光強度Ａ1 、Ａ2 を求めることができる。
【００３０】
例えば、
【００３１】
【数２】
【００３２】
と書ける。
【００３３】
各パラメータは次の通りである。
【００３４】
【数３】
【００３５】
例えば、入射光を３つの波長に分離する場合は、式（１）に電子を捕獲する位置Ｗ3 の場合の電流Ｉ3 が増える。その後は、２波長の場合と同様に計算を行うことで、入ってきた光を３波長に分離できる。
【００３６】
同様に１００の波長で入ってくる入射光を分光する場合は、電子を捕獲する位置を１００回変化させて測定すればよい。
〔補足説明１〕
単色光が入射している場合においては、半導体内の深さ（位置）Ｗまでに発生する電流を計算によって求めることができる。半導体に光が入射すると光強度は指数関数的に減衰する。よって、ある深さｘにおける光強度Φは、
【００３７】
【数４】
【００３８】
ここで、Φ0 ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ2 〕
α：吸収係数〔ｃｍ-1〕
これより、深さＷまでに吸収される割合を求めると、
【００３９】
【数５】
【００４０】
となる。
【００４１】
これらより、深さＷまでに発生する電流は次式で決まる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
ここで、Ｓ：受光部の面積〔ｃｍ2 〕
ｈν：光のエネルギー〔Ｊ〕
ｑ：電子ボルト〔Ｊ〕
これらの式をそれぞれの波長に分けて表したのが式（１）である。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４５】
図１は本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサーの一部断面を示す斜視図である。
【００４６】
この図において、１はｎ型シリコン基板（ｎ型基板）、２はｎ型シリコン基板１中に形成されるｐ型拡散層〔ｐ型ウェル（ｐ型ｗｅｌｌ）〕、３はｐ型拡散層２の部位に形成されるｎ+ 拡散層、４はｐ型拡散層２上に形成されるシリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜、５はｎ+ 拡散層３に接続されるとともに、基準電圧が印加されるＡｌ電極、６はｐ型拡散層２に接続されるとともに接地される電極、７はシリコン酸化膜４の上部に形成され、不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、８はその多結晶シリコン膜７に接続されるゲート電極であり、多結晶シリコン膜７はシリコン酸化膜４を介して光を透過できる電極として機能する。
【００４７】
そこで、電子を捕獲するｐ型拡散層２の表面からの深さ（位置）を変化させるためには、例えば、ｎ型シリコン基板１にｐ型拡散層２を設け、その上部に配置したシリコン酸化膜４を介して光を透過できる電極としての不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）７が配置された構造にする。光を透過できる不純物が添加された多結晶シリコン膜７のすぐ横には、捕獲した電子を外部に取り出すためｎ+ 拡散層３が配置されている。ｐ型拡散層２、ｎ型シリコン基板１には、それらの電位を一定にするために配線を取り出すためのコンタクトが設けられている。
【００４８】
図２〜図８は図１に示す分光センサーの特性図であり、図２はＶｇが−１Ｖの場合、図３はＶｇが０Ｖの場合、図４はＶｇが１Ｖの場合、図５はＶｇが２Ｖの場合、図６はＶｇが３Ｖの場合、図７はＶｇが４Ｖの場合、図８はＶｇが５Ｖの場合をそれぞれ示している。なお、ここでＶｇはゲート電圧（ゲート電極８の電位）を示している。各図において、Ｚ座標軸の０．０がｐ型拡散層の表面を、実線は電子を捕獲するｐ型拡散層の表面からの深さ（捕獲位置）Ｗを、Ｂはｐ−ウエル部分、Ｃは基板とのｐｎ接合部分（図２において代表して示しているが、図３〜図８においても同様である）を示している。
【００４９】
例えば、それぞれの不純物の濃度としては、ｐ型拡散層２が２×１０15ｃｍ-3（接合深さ５μｍ）、ｎ型シリコン基板１が１．５×１０14ｃｍ-3、シリコン酸化膜４の膜厚が６５ｎｍのとき、ゲート電極８の電位を−１Ｖから５Ｖ（図２〜図８）まで変化させる（ｎ型シリコン基板１には５Ｖの印加電圧を付与）と、ｐ型拡散層２の表面からの電子の捕獲される深さＷは、０μｍから２．３μｍまで変化する。
【００５０】
なお、ここでは、シリコン基板１には５Ｖを印加した場合のシミュレーション結果を示しているが、その基板への印加電圧は５Ｖに固定されるものではなく可変にすることができる。
【００５１】
図９は本発明の実施例を示す基板への印加電圧が５ＶでＶｇが０Ｖの場合（図３に対応）のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図であり、図１０は本発明の実施例を示す基板への印加電圧が１０ＶでＶｇが０Ｖの場合のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。これらの図において、Ｚ座標軸の０．０はｐ型拡散層の表面、１０．０はｐ型拡散層の底面（シリコン基板面）を示している。図９と図１０を対比すると、基板電圧の変化によって基板とｐｎ接合部分Ｃ、ｐ−ウェル部分Ｂ、ｐ−ウェルの表面から電子の捕獲深さＷも若干の影響を受ける（主に、基板とｐｎ接合部分Ｃの下がり具合が大きくなる）が、大きな差は生じないので、本発明においては、基板電圧を一定にしてＶｇを変化させることによって、拡散層の表面からの電子の捕獲される深さＷを変化させることによって分光センサーの機能を発揮させることができる。
【００５２】
また、この構造を実際に製作したもの（写真）を図１１、図１２に示す。図１１はその単体の分光センサーの平面図を示し、図１２はその分光センサー（４×４）の全体の平面図を示している。
【００５３】
本発明により実際に作製した素子において、実際に波長が分かっている２種類の発光ダイオード（青、赤）を用いて測定した結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
この表１からも分かるように、実際に入射した光とその強度の絶対値はずれたが、信号の比は変わらなかった。光の反射を考慮すると正確に検出できる。
【００５６】
〔測定方法の例〕
３種類の入射光が入射されるような場合は、
（１）入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される不純物が添加された多結晶シリコン膜７に、例えば、ゲート電圧を１Ｖ印加して、そのときに流れる電流を読み取る。
【００５７】
（２）次に、前記多結晶シリコン膜７にゲート電圧を２Ｖ印加して、そのときに流れる電流を読み取る。
【００５８】
（３）次に、前記多結晶シリコン膜７にゲート電圧を５Ｖ印加して、そのときに流れる電流値を読み取る。
【００５９】
（４）それらの電流値に基づいて、上記した式により、入射光の各波長の強度を計算する。
【００６０】
上記したように、本発明の分光センサーによれば、従来までは、光の波長を分解するのにグレーティングなどの機械的な装置が必要であったが、本発明では、拡散層中の電子を捕獲する深さ（位置）を、複数回（例えば、１００回）変化させて測定することで、入射してくる光の波長を１００の分解能でプロットできる。これから光を波長に分けることが可能になり、グレーティングなどが必要ではなくなる。
【００６１】
本発明は、さらに、次のような応用が考えられる。
【００６２】
〔実施例１〕カラーフィルタなしカラーイメージセンサー
図１３は本発明の応用例を示すカラーフィルタなしカラーイメージセンサーシステムの構成図である。
【００６３】
この図において、１１は分光センサーアレイと、１２は垂直選択器（Ｖ．Ｓｃａｎｎｅｒ）、１３は雑音除去回路〔カラム（Ｃｏｌｕｍｎ）ＣＤＳ〕、１４は水平選択器（Ｈ．Ｓｃａｎｎｅｒ）、Ｖｓｉｇ１は光信号出力１、Ｖｓｉｇ２は光信号出力２、Ｖｓｉｇ３は光信号出力３、ＶbN，ＶbPは低電流駆動用バイアスである。
【００６４】
このように、本発明の分光センサーを、１次元、または２次元に配置し、それらの分光センサーアレイ１１を一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信号を読み出す。それぞれの切り替え時のノイズを抑えるために、前記信号の出力部に雑音除去回路１３も組み込む。例えば、１８０分の１秒ごとに、電子を捕獲する深さ（位置）を変化させて、そのときの信号を計測する。それらの信号から赤、緑、青の各波長の強度を計算し、カラー画像信号を出力する。
【００６５】
〔実施例２〕蛍光センサー
一般にバイオ反応は蛍光反応を利用している。蛍光は一般に短波長の光（励起光）を照射することで、蛍光を起こさせて観察している。一般のイメージセンサーでは蛍光が励起光に隠れてしまうため、励起光を通さず蛍光のみを通すバンドパスフィルタを用いている。そのために装置が大型になってしまう。
【００６６】
本発明の分光センサーを用いれば、励起光を除いて蛍光のみを、バンドパスフィルタなしで計測することができる。
【００６７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６９】
（Ａ）入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、簡単な半導体構造を用いた、入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサーを提供する。
【００７０】
（Ｂ）分光センサーの応用として、カラーフィルタなしカラーイメージセンサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサーの一部断面を示す斜視図である。
【図２】 Ｖｇが−１Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図３】 Ｖｇが０Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図４】 Ｖｇが１Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図５】 Ｖｇが２Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図６】 Ｖｇが３Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図７】 Ｖｇが４Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図８】 Ｖｇが５Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図９】 本発明の実施例を示す基板への印加電圧が５ＶでＶｇが０Ｖの場合（図３に対応）のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。
【図１０】 本発明の実施例を示す基板への印加電圧が１０ＶでＶｇが０Ｖの場合のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。
【図１１】 本発明の単体の分光センサーの平面図である。
【図１２】 本発明の分光センサー（４×４）の全体の平面図である。
【図１３】 本発明の応用例を示すカラーフィルタなしカラーイメージセンサーシステムの構成図である。
【符号の説明】
１ ｎ型シリコン基板（ｎ型基板）
２ ｐ型拡散層（ｐ型ウェル：ｐ−ウェル）
３ ｎ+ 拡散層
４ シリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜
５ Ａｌ電極
６ 接地される電極
７ 不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）
８ ゲート電極
１１ 分光センサーアレイ
１２ 垂直選択器（Ｖ．Ｓｃａｎｎｅｒ）
１３ 雑音除去回路〔カラム（Ｃｏｌｕｍｎ）ＣＤＳ〕
１４ 水平選択器（Ｈ．Ｓｃａｎｎｅｒ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサーに係り、特に、半導体装置に入る光の波長とその強度を検出する入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有するセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単板式ビデオカメラに用いられているイメージセンサーは、カラー画像を得るために赤、緑、青のフィルタを各光検出素子（例えば、フォトダイオード）の上に取り付けるようにしている。
【０００３】
また、三板式のビデオカメラにおいては、光学プリズムを用いて、入射光を赤、緑、青の３つの光に分け、それぞれの光を３つのイメージセンサーで検知するようにしていた。
【０００４】
また、入射する光が、いかなる波長であるか、かつ、それらの波長の強度を知るためには、現在はグレーティングなどを用いて分光を行い、それぞれの光の強度分布をパワーメータなどで測定を行っていた。
【０００５】
また、１つのフォトダイオードにより、赤、緑、青のカラー情報を取得する試みがある（下記特許文献１参照）。この提案は、シリコン基板に、０．２μｍ、０．６μｍ、２μｍの深さを持つ３つの拡散層を、重ねるように配置して、それぞれの接合から得られる電流を検知するものであった。
【０００６】
【特許文献１】
ＵＳＰ Ｎｏ．５，９６５，８７５号公報（第４欄−第５欄 図６）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した単板式のビデオカメラでは、カラー画像を得るためには３つの光検出素子が必要であるため、解像度が三分の一に低下する。また、このカラーフィルタによる光の吸収で感度の低下が起こっていた。
【０００８】
また、三板式のビデオカメラでは、光学プリズムの存在により、カメラ自体が大きくなる。
【０００９】
さらに、光の分光装置では、グレーティングなどを用いていたため装置の構成が大きくなる。
【００１０】
上記特許文献１に示されるトリプル井戸構造を有する能動画素イメージングアレイによるカラー分離手法では、青色を検知する一番手前の接合でも、赤色を検知してしまうことになり、赤、緑、青のカラー情報の分解能は低い。さらに、どの波長がどのような強度で存在するか知ることができないといった問題があった。
【００１１】
また、上記特許文献１の手法では、捕獲する電子の深さ（位置）を変化させることができない。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、簡単な半導体構造を用いた入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有するセンサーを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕入射光の測定方法において、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、その下部に絶縁膜（４）を介して入射光により発生した電子を捕獲する第１の拡散層（２）と、この第１の拡散層（２）の一端側に形成され、この第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、この第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）とを設け、前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、この入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される前記入射光の光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の入射光の測定方法において、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させることを特徴とする。
【００１５】
〔３〕分光センサーにおいて、半導体基板（１）と、この半導体基板（１）に形成される第１の拡散層（２）と、この第１の拡散層（２）の一端側に形成され、この第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、この第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ前記第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）と、前記第１の拡散層（２）上に絶縁膜（４）を介して形成される、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、該入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される前記入射光の光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定する手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕記載の分光センサーにおいて、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させる手段を具備することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーにおいて、前記第１の拡散層（２）がｐ型拡散層、前記第２の拡散層（３）がｎ+ 拡散層、前記半導体基板（１）がｎ型半導体基板を含むことを特徴とする。
【００１８】
〔６〕上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーにおいて、前記ゲート電圧が印加される電極膜（７）が、不純物が添加された多結晶シリコン膜であることを特徴とする。
【００１９】
〔７〕カラーフィルタなしカラーイメージセンサーであって、上記〔３〕又は〔４〕記載の分光センサーを用いて、１次元、または２次元に配置した分光センサーアレイを設け、この分光センサーアレイを一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信号を読み出し、前記電子を捕獲する深さを変化させて、そのときの信号を計測し、それらの信号から赤、緑、青の各波長の強度を計算し、カラー画像信号を出力することを特徴とする。
【００２０】
〔８〕上記〔７〕記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記カラー画像信号の出力部に雑音除去回路を設けることを特徴とする。
【００２１】
〔９〕上記〔７〕記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記電子を捕獲する深さを１８０分の１秒ごとに変化させることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
まず、入射光の波長情報を得るための基本原理について説明する。
【００２４】
半導体装置に照射された光は、半導体中に侵入して、吸収されながら減衰していく。この減衰していく度合いは、入射光の波長によって異なる。
【００２５】
そこで、本発明では、光により発生する電子を収集可能な深さ（位置）を変化させて、それらの電流を測定できれば、以下の方法で、入射する光の波長情報が分かることに着目した（勿論、電子と同時にできる正孔を蓄えてもよい）。例えば、２つの波長（λ１とλ２）の光が、強度Ａ1 とＡ2 で同時に入射したとする。表面から電子の捕獲位置Ｗ1 の距離までに発生した電子による電流を測定したら、電流Ｉ1 であった。
【００２６】
次に、電子の捕獲位置Ｗ2 の距離までに発生した電子による電流を測定したら、電流Ｉ2 であったとする。このことは以下の式で表すことができる〔補足説明１参照〕。
【００２７】
【数１】
ここで、各パラメータは次の通りである。
【００２９】
Ａ1 、Ａ2 ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ2 〕
Ｓ：センサー面積〔ｃｍ2 〕
Ｗ1 、Ｗ2 ：電子の捕獲位置〔ｃｍ〕
α1 、α2 ：それぞれの波長の吸収係数〔ｃｍ-1〕
Ｉ1 ：電子の捕獲位置をＷ1 としたときの電流の実測値〔Ａ〕
Ｉ2 ：電子の捕獲位置をＷ2 としたときの電流の実測値〔Ａ〕
振動数ν1 ＝ｃ／λ1
振動数ν2 ＝ｃ／λ2
ここで、ｃは光速、Ｓは受光部の面積、ｈνは光のエネルギー、ｑは電子ボルトであり、入射光強度Ａ1 、Ａ2 以外は全て既知の値であるから、この２式から連立方程式を解くことにより、入射光強度Ａ1 、Ａ2 を求めることができる。
【００３０】
例えば、
【００３１】
【数２】
と書ける。
【００３３】
各パラメータは次の通りである。
【００３４】
【数３】
例えば、入射光を３つの波長に分離する場合は、式（１）に電子を捕獲する位置Ｗ3 の場合の電流Ｉ3 が増える。その後は、２波長の場合と同様に計算を行うことで、入ってきた光を３波長に分離できる。
【００３６】
同様に１００の波長で入ってくる入射光を分光する場合は、電子を捕獲する位置を１００回変化させて測定すればよい。
〔補足説明１〕
単色光が入射している場合においては、半導体内の深さ（位置）Ｗまでに発生する電流を計算によって求めることができる。半導体に光が入射すると光強度は指数関数的に減衰する。よって、ある深さｘにおける光強度Φは、
【００３７】
【数４】
ここで、Φ0 ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ2 〕
α：吸収係数〔ｃｍ-1〕
これより、深さＷまでに吸収される割合を求めると、
【００３９】
【数５】
となる。
【００４１】
これらより、深さＷまでに発生する電流は次式で決まる。
【００４２】
【数６】
ここで、Ｓ：受光部の面積〔ｃｍ2 〕
ｈν：光のエネルギー〔Ｊ〕
ｑ：電子ボルト〔Ｊ〕
これらの式をそれぞれの波長に分けて表したのが式（１）である。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００４５】
図１は本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサーの一部断面を示す斜視図である。
【００４６】
この図において、１はｎ型シリコン基板（ｎ型基板）、２はｎ型シリコン基板１中に形成されるｐ型拡散層〔ｐ型ウェル（ｐ型ｗｅｌｌ）〕、３はｐ型拡散層２の部位に形成されるｎ+ 拡散層、４はｐ型拡散層２上に形成されるシリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜、５はｎ+ 拡散層３に接続されるとともに、基準電圧が印加されるＡｌ電極、６はｐ型拡散層２に接続されるとともに接地される電極、７はシリコン酸化膜４の上部に形成され、不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、８はその多結晶シリコン膜７に接続されるゲート電極であり、多結晶シリコン膜７はシリコン酸化膜４を介して光を透過できる電極として機能する。
【００４７】
そこで、電子を捕獲するｐ型拡散層２の表面からの深さ（位置）を変化させるためには、例えば、ｎ型シリコン基板１にｐ型拡散層２を設け、その上部に配置したシリコン酸化膜４を介して光を透過できる電極としての不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）７が配置された構造にする。光を透過できる不純物が添加された多結晶シリコン膜７のすぐ横には、捕獲した電子を外部に取り出すためｎ+ 拡散層３が配置されている。ｐ型拡散層２、ｎ型シリコン基板１には、それらの電位を一定にするために配線を取り出すためのコンタクトが設けられている。
【００４８】
図２〜図８は図１に示す分光センサーの特性図であり、図２はＶｇが−１Ｖの場合、図３はＶｇが０Ｖの場合、図４はＶｇが１Ｖの場合、図５はＶｇが２Ｖの場合、図６はＶｇが３Ｖの場合、図７はＶｇが４Ｖの場合、図８はＶｇが５Ｖの場合をそれぞれ示している。なお、ここでＶｇはゲート電圧（ゲート電極８の電位）を示している。各図において、Ｚ座標軸の０．０がｐ型拡散層の表面を、実線は電子を捕獲するｐ型拡散層の表面からの深さ（捕獲位置）Ｗを、Ｂはｐ−ウエル部分、Ｃは基板とのｐｎ接合部分（図２において代表して示しているが、図３〜図８においても同様である）を示している。
【００４９】
例えば、それぞれの不純物の濃度としては、ｐ型拡散層２が２×１０15ｃｍ-3（接合深さ５μｍ）、ｎ型シリコン基板１が１．５×１０14ｃｍ-3、シリコン酸化膜４の膜厚が６５ｎｍのとき、ゲート電極８の電位を−１Ｖから５Ｖ（図２〜図８）まで変化させる（ｎ型シリコン基板１には５Ｖの印加電圧を付与）と、ｐ型拡散層２の表面からの電子の捕獲される深さＷは、０μｍから２．３μｍまで変化する。
【００５０】
なお、ここでは、シリコン基板１には５Ｖを印加した場合のシミュレーション結果を示しているが、その基板への印加電圧は５Ｖに固定されるものではなく可変にすることができる。
【００５１】
図９は本発明の実施例を示す基板への印加電圧が５ＶでＶｇが０Ｖの場合（図３に対応）のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図であり、図１０は本発明の実施例を示す基板への印加電圧が１０ＶでＶｇが０Ｖの場合のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。これらの図において、Ｚ座標軸の０．０はｐ型拡散層の表面、１０．０はｐ型拡散層の底面（シリコン基板面）を示している。図９と図１０を対比すると、基板電圧の変化によって基板とｐｎ接合部分Ｃ、ｐ−ウェル部分Ｂ、ｐ−ウェルの表面から電子の捕獲深さＷも若干の影響を受ける（主に、基板とｐｎ接合部分Ｃの下がり具合が大きくなる）が、大きな差は生じないので、本発明においては、基板電圧を一定にしてＶｇを変化させることによって、拡散層の表面からの電子の捕獲される深さＷを変化させることによって分光センサーの機能を発揮させることができる。
【００５２】
また、この構造を実際に製作したもの（写真）を図１１、図１２に示す。図１１はその単体の分光センサーの平面図を示し、図１２はその分光センサー（４×４）の全体の平面図を示している。
【００５３】
本発明により実際に作製した素子において、実際に波長が分かっている２種類の発光ダイオード（青、赤）を用いて測定した結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
この表１からも分かるように、実際に入射した光とその強度の絶対値はずれたが、信号の比は変わらなかった。光の反射を考慮すると正確に検出できる。
【００５６】
〔測定方法の例〕
３種類の入射光が入射されるような場合は、
（１）入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される不純物が添加された多結晶シリコン膜７に、例えば、ゲート電圧を１Ｖ印加して、そのときに流れる電流を読み取る。
【００５７】
（２）次に、前記多結晶シリコン膜７にゲート電圧を２Ｖ印加して、そのときに流れる電流を読み取る。
【００５８】
（３）次に、前記多結晶シリコン膜７にゲート電圧を５Ｖ印加して、そのときに流れる電流値を読み取る。
【００５９】
（４）それらの電流値に基づいて、上記した式により、入射光の各波長の強度を計算する。
【００６０】
上記したように、本発明の分光センサーによれば、従来までは、光の波長を分解するのにグレーティングなどの機械的な装置が必要であったが、本発明では、拡散層中の電子を捕獲する深さ（位置）を、複数回（例えば、１００回）変化させて測定することで、入射してくる光の波長を１００の分解能でプロットできる。これから光を波長に分けることが可能になり、グレーティングなどが必要ではなくなる。
【００６１】
本発明は、さらに、次のような応用が考えられる。
【００６２】
〔実施例１〕カラーフィルタなしカラーイメージセンサー
図１３は本発明の応用例を示すカラーフィルタなしカラーイメージセンサーシステムの構成図である。
【００６３】
この図において、１１は分光センサーアレイと、１２は垂直選択器（Ｖ．Ｓｃａｎｎｅｒ）、１３は雑音除去回路〔カラム（Ｃｏｌｕｍｎ）ＣＤＳ〕、１４は水平選択器（Ｈ．Ｓｃａｎｎｅｒ）、Ｖｓｉｇ１は光信号出力１、Ｖｓｉｇ２は光信号出力２、Ｖｓｉｇ３は光信号出力３、ＶbN，ＶbPは低電流駆動用バイアスである。
【００６４】
このように、本発明の分光センサーを、１次元、または２次元に配置し、それらの分光センサーアレイ１１を一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信号を読み出す。それぞれの切り替え時のノイズを抑えるために、前記信号の出力部に雑音除去回路１３も組み込む。例えば、１８０分の１秒ごとに、電子を捕獲する深さ（位置）を変化させて、そのときの信号を計測する。それらの信号から赤、緑、青の各波長の強度を計算し、カラー画像信号を出力する。
【００６５】
〔実施例２〕蛍光センサー
一般にバイオ反応は蛍光反応を利用している。蛍光は一般に短波長の光（励起光）を照射することで、蛍光を起こさせて観察している。一般のイメージセンサーでは蛍光が励起光に隠れてしまうため、励起光を通さず蛍光のみを通すバンドパスフィルタを用いている。そのために装置が大型になってしまう。
【００６６】
本発明の分光センサーを用いれば、励起光を除いて蛍光のみを、バンドパスフィルタなしで計測することができる。
【００６７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６９】
（Ａ）入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、簡単な半導体構造を用いた、入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサーを提供する。
【００７０】
（Ｂ）分光センサーの応用として、カラーフィルタなしカラーイメージセンサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサーの一部断面を示す斜視図である。
【図２】 Ｖｇが−１Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図３】 Ｖｇが０Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図４】 Ｖｇが１Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図５】 Ｖｇが２Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図６】 Ｖｇが３Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図７】 Ｖｇが４Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図８】 Ｖｇが５Ｖの場合の分光センサーの特性図である。
【図９】 本発明の実施例を示す基板への印加電圧が５ＶでＶｇが０Ｖの場合（図３に対応）のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。
【図１０】 本発明の実施例を示す基板への印加電圧が１０ＶでＶｇが０Ｖの場合のｐ型拡散層の深さを１０μｍ（Ｚ座標フルスケール）とした場合の分光センサーの特性図である。
【図１１】 本発明の単体の分光センサーの平面図である。
【図１２】 本発明の分光センサー（４×４）の全体の平面図である。
【図１３】 本発明の応用例を示すカラーフィルタなしカラーイメージセンサーシステムの構成図である。
【符号の説明】
１ ｎ型シリコン基板（ｎ型基板）
２ ｐ型拡散層（ｐ型ウェル：ｐ−ウェル）
３ ｎ+ 拡散層
４ シリコン酸化（ＳｉＯ2 ）膜
５ Ａｌ電極
６ 接地される電極
７ 不純物が添加された多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）
８ ゲート電極
１１ 分光センサーアレイ
１２ 垂直選択器（Ｖ．Ｓｃａｎｎｅｒ）
１３ 雑音除去回路〔カラム（Ｃｏｌｕｍｎ）ＣＤＳ〕
１４ 水平選択器（Ｈ．Ｓｃａｎｎｅｒ）
Claims (9)
- 入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、その下部に絶縁膜（４）を介して入射光により発生した電子を捕獲する第１の拡散層（２）と、該第１の拡散層（２）の一端側に形成され、該第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、該第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）とを設け、前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、該入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定することを特徴とする入射光の測定方法。
- 請求項１記載の入射光の測定方法において、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させることを特徴とする入射光の測定方法。
- （ａ）半導体基板（１）と、
（ｂ）該半導体基板（１）に形成される第１の拡散層（２）と、
（ｃ）該第１の拡散層（２）の一端側に形成され、該第１の拡散層（２）内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層（３）と、
（ｄ）該第２の拡散層（３）に接続され、かつ前記捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極（５）と、
（ｅ）前記第１の拡散層（２）に形成される第２の拡散層（３）とは対向する他端側に接続され、かつ前記第１の拡散層（２）の電位を確立する第２の電極（６）と、
（ｆ）前記第１の拡散層（２）上に絶縁膜（４）を介して形成される、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜（７）と、
（ｇ）前記第１の拡散層（２）に入射光が入ると、該入射光の強度は指数関数的に減衰することに基づいて、前記第１の拡散層（２）の表面からのある深さｘにおける前記入射光の光強度（φ）を求め、これにより前記第１の拡散層（２）の全体の深さに対する前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに吸収される前記入射光の光強度（φ）の割合を求め、これらより前記第１の拡散層（２）の表面からの電子の捕獲される深さＷまでに発生する電流（Ｉ）を測定することにより、入射光の強度を測定する手段とを具備することを特徴とする分光センサー。 - 請求項３記載の分光センサーにおいて、前記入射光の種類に応じて前記ゲート電圧を変化させる手段を具備することを特徴とする分光センサー。
- 請求項３又は４記載の分光センサーにおいて、前記第１の拡散層（２）がｐ型拡散層、前記第２の拡散層（３）がｎ+ 拡散層、前記半導体基板（１）がｎ型半導体基板を含むことを特徴とする分光センサー。
- 請求項３又は４記載の分光センサーにおいて、前記ゲート電圧が印加される電極膜（７）が、不純物が添加された多結晶シリコン膜であることを特徴とする分光センサー。
- 請求項３又は４記載の分光センサーを用いて、１次元、または２次元に配置した分光センサーアレイを設け、該分光センサーアレイを一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信号を読み出し、前記電子を捕獲する深さを変化させて、そのときの信号を計測し、それらの信号から赤、緑、青の各波長の強度を計算し、カラー画像信号を出力することを特徴とするカラーフィルタなしカラーイメージセンサー。
- 請求項７記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記カラー画像信号の出力部に雑音除去回路を設けることを特徴とするカラーフィルタなしカラーイメージセンサー。
- 請求項７記載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサーにおいて、前記電子を捕獲する深さを１８０分の１秒ごとに変化させることを特徴とするカラーフィルタなしカラーイメージセンサー。
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