JP4719106B2

JP4719106B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4719106B2
Application number: JP2006235326A
Authority: JP
Inventors: 史郎佐藤; 淳久我; 紀一河村; 直樹清水; 賢一青島; 賢司町田; 信彦船橋; 泰敬宮本
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: JP2008060906A

Description

本発明は、磁化方向の変化を用いて画素選択を行う撮像装置に関する。

従来の典型的な固体撮像素子としては、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサがある。ＣＣＤイメージセンサでは、画素領域がシリコンのｐ型ウエル表面層に形成される。

動作のプロセスは、概ね以下のようになる。まず、１）光の吸収により、電子・正孔対が形成され、次に、２）電子が正孔から分離され、分離された電子が蓄積され（フォトダイオード領域で行われる）、さらに、３）フォトダイオードに蓄積された信号電荷がトランスファーゲートによりフォトダイオードから垂直ＣＣＤへ転送され、最後に、４）信号電荷パケットが垂直ＣＣＤにより出力端へ転送され、出力端で電圧に変換される、というプロセスとなる。このようなプロセスを経て、画像が得られることになる。

各画素は、チャンネルストップ領域により孤立されているが、通常はシリコン／シリコン酸化膜界面での暗電流を抑制するため、フォトダイオード領域表面にｐ^＋埋め込み層が設けられている。

また、ＣＭＯＳイメージセンサでは、垂直ＣＣＤの代わりにＭＯＳスイッチを用いる点、各画素毎に出力アンプが搭載される点などが異なっているが、基本的な構造はＣＣＤイメージセンサと同様である。また、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサのいずれもＳｉ結晶表面層に作製されるので、それらの性能はＳｉ自身の物性（例えば非特許文献１参照）、用いられる結晶の品質（例えば非特許文献２参照）、プロセス技術（例えば非特許文献３参照）、あるいはデバイス構造（例えば非特許文献４参照）に左右される。
A.J.P.Theuwissen: "Solid-State Imaging with Charge-Coupled Devices",Academic Publishers, London,p141(1995) L.Jastrzebski,R.Soydan, G.W.Cullen, W.N.Henry, and S.Vecrumba: J.Electrochem.Soc.134,p212(1987) L.Jastrzebski,R.Soydan, H.Elabd, W.N.Henry, and E.Savoye: J.Electrochem.Soc. 137,p242(1990) C.C.Wang, I.L.Fujimori, and C.G.Sodini: Proc. IEEE Workshop onCharge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, Karuizawa, p.76(1999)

しかし、従来のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサでは、フォトダイオード（光電変換部）と、信号電荷の蓄積、信号電荷の転送、画素の走査などに係る回路が同一の基板に混在している問題があった。このため、例えば以下に説明するような様々な技術的な制約や、または問題点が生じていた。以下にＣＣＤイメージセンサの場合を例にとり、説明する。

例えば、通常のＣＣＤイメージセンサでは、光電変換部が形成された基板上に電荷転送路などの回路が形成されるため、開口率が５０％以下となってしまう。これを改善するために、例えば、読み出し回路上に非晶質シリコン光電変換膜を積層する構造や、または、画素毎にマクロレンズを設け、実効的な開口率を増大させる構造が提案されていた。しかし、上記の構造とした場合にはＣＣＤの構造が複雑化するため、イメージセンサの微細化（高精細化）が困難となるとともに、製造コストが増大してしまう問題がある。

また、ＣＣＤイメージセンサにおいては、画素面積が小さくなれば明るさ（感度）も大きく低下する。従って、ＣＣＤイメージセンサにおいては微細化と感度はトレードオフの関係にあり、微細化（高精細化）を考慮すると感度が犠牲になってしまう問題が避けられない。

また、通常のＣＣＤイメージセンサ−では、ＣＣＤの転送速度に限界があるので、そのままでは高速動作させることが困難である問題がある。シミュレーションによれば、典型的な３相ＣＣＤでは、信号電荷を１セル分（電極一つ分）転送するのに２．５ｎｓ要することが報告されている。しかし、実際にはＳｉの結晶欠陥や汚染などによる電子のトラップ準位、不均一な構造による電位のムラのため、さらに時間を要する場合も多く、また、その他の様々な基板上の問題で実際の転送効率が劣化する場合があった。

また、ＣＣＤイメージセンサを高速動作させるために、撮像領域を分割して高解像度・高速撮像を可能とするＣＣＤが開発されているが、信号電荷の理論的な転送速度には限界があるため、上記の分割を行ったとしても撮像速度を飛躍的に向上させることは実質的に困難となっていた。

さらに、光電変換部と、信号電荷の蓄積、信号電荷の転送、画素の走査などに係る回路が同一の基板表面上に混在するために、リーク電流やノイズの問題が避けられず、残像、スミアなどの発生頻度が増大してしまう問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題を解決した、新規で有用な撮像装置を提供することを目的としている。

本発明の具体的な課題は、高感度、高精細であるとともに高速度の撮像が可能であり、さらに残像、スミアなどの影響が抑制されて高画質である撮像装置を提供することである。

本発明は、上記の課題を、入射光を光電変換する光電変換部と、該光電変換部に入射する入射光の領域を選択する画素選択部と、該画素選択部により選択された前記領域における入射光を集光して前記光電変換部に入射させる集光レンズとを有する撮像装置であって、前記画素選択部は、前記入射光が入射され、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子と、前記磁化方向の反転による前記入射光の偏光方向の変化を検出するための偏光手段とを用いて、画素選択を行い、前記スピン注入型磁化反転素子は、電圧の印加によって、前記入射光の領域毎に磁化方向が変化する磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層と、前記磁化方向可変層と前記磁化方向固定層を分離する分離層と、前記磁化方向可変層における前記入射光の領域毎に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、該電圧印加手段は、前記磁化方向可変層における前記入射光の領域毎に順次電圧を印加し、光電変換される領域を順次選択することを特徴とする撮像装置により、解決する。

本発明によれば、高感度、高精細であるとともに高速度の撮像が可能であり、さらに残像、スミアなどの影響が抑制されて高画質である撮像装置を提供することが可能になる。

また、前記入射光の偏光方向の変化は、格子状に形成された、前記スピン注入のための電極に対応して行われると、光変調器の高精細化が容易となる。

また、前記スピン注入型磁化反転素子は、前記入射光を反射する層を含むと、反射型の撮像装置を構成することが可能になる。

また、前記電圧の印加によって偏光方向が変更された複数の領域の入射光に対応して、前記光電変換部を複数有すると、撮像装置がさらに高感度となる。

また、前記電圧の印加によって偏光方向が変更された複数の領域の入射光を、複数の前記光電変換部にそれぞれ入射させるための光学部品を有していても良い。

また、前記光学部品は、前記入射光を反射するとともに前記入射光を反射する角度が可変となるように構成しても良い。

また、前記反射部は、前記入射光を反射する角度が可変となるように構成されていてもよい。

また、前記光学部品は、ダイクロックミラーを含んでいてもよい。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、従来の撮像装置（イメージセンサ）と、本発明に係る撮像装置の動作を模式的に示した図である。図１（Ａ）に示すように、従来のＣＣＤなどの撮像装置では、Ｓｉなどの半導体基板の表面層に複数の画素毎にそれぞれ形成されたフォトダイオードによって光電変換と信号電荷の蓄積が行われる構造になっていた。蓄積された信号電荷は、画素の走査に従って、当該半導体基板上に形成された信号電荷転送路によって撮像面の端まで転送され、順次映像信号に変換される。

一方、図１（Ｂ）に示す本発明に係る撮像装置では、画素選択デバイス（画素選択部）と、光電変換部以降とが分離されていることが特徴である。まず、入射光は、画素選択部に入射し、画素選択部によって光電変換される領域が順次選択される（画素選択が行われる）。選択された入射光（画素）は、順次光電変換部によって光電変換が行われ、さらに、蓄積された信号電荷は順次映像信号に変換される。すなわち、上記の画素選択部は、２次元の入力画像（入射光）を、個々の画素に対応する光信号の時系列に変換する機能を有する。

上記のように、本発明に係る撮像装置では、画素選択部と光電変換部が分離されているため、従来問題となっていた撮像装置の様々な問題を解決することが可能である。例えば、光電変換部と画素選択部を同一基板に形成する上での様々な制約が実質的に無くなるため、光電変換部（光電変換素子）を高感度、高性能の素子で構成することが可能となる。

一方、本発明の撮像装置に係る画素選択部は、光電変換部と分離されたために微細化が容易であり、そのために撮像装置の高精細化が容易となっている。また、当該画素選択部は、後述するように構造が単純であり、微細化が容易である特徴を有している。

このため、従来は高感度化と微細化がトレードオフの関係にあったが、本発明に係る撮像装置ではこの問題が解決され、感度を犠牲にすることなく微細化（高精細化）が可能な構造となっている。

また、本発明に係る撮像装置は、従来のＣＣＤ、ＣＭＯＳなどのイメージセンサと比較して、撮像速度が飛躍的に高速度である特徴を有している。

当該撮像装置の画像選択部は、材料中の磁化（スピン）による光の偏光方向のファラデー回転効果あるいはカー回転効果を利用する。例えば、同一の方向に一様に磁化された材料中を光が進行すると、その磁化方向を形成するのに必要な電流の方向に沿ってその偏光軸が回転（ファラデー回転）する。ここで、当該材料の一部領域のみ磁化の方向を変化（反転）させると、その領域を通過する光の偏光軸は他の領域の偏光軸の回転方向と異なる方向（逆方向）に回転する。画素選択部はこの原理を利用する。

例えば、上記の原理を利用して画素選択を行うためには、スピン注入（電圧の印加）によって、少なくとも一部の磁化方向が反転する構造を有するスピン注入型磁化反転素子を用いればよい。

上記のスピン注入型磁化反転素子は、例えば多層構造を有するように構成され、当該多層構造のうちの少なくとも一部の層の磁化方向が、スピン注入によって反転するように構成されている。スピン注入型磁化反転素子の構成の一例としては、電圧の印加（スピン注入）によって磁化方向が変化する磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層、当該磁化方向可変層と当該磁化方向固定層を分離する分離層、および該磁化方向可変層の所定の領域に電圧を印加する電圧印加手段とを有するように構成される。

上記の構成において、前記磁化方向可変層への電圧の印加による磁化方向の変化（反転）によって、入射光の偏光方向を変化（逆方向に回転）させ、撮像される入射光の領域を選択することができる。

このため、本発明による撮像装置は、信号電荷を順次転送する必要がある従来のＣＣＤなどに比べて動作速度が格段に向上する。このため、従来の撮像装置に比べて高速度の撮像が可能な構造になっている。

次に、上記の撮像装置の構成の例について、図面を用いて説明する。

図２は、スピン注入型磁化反転素子１０を用いて、撮像装置の画素選択を行う原理を模式的に示した図である。図１を参照するに、本図に示すスピン注入型磁化反転素子１０は、電圧の印加によって磁化方向（スピン方向）が反転する磁化方向可変層１３と、磁化方向が固定された磁化方向固定層１１が、非磁性層（分離層）１２を挟んで積層された構造を有している。

また、上記のスピン注入型磁化反転素子１０においては、入射光が撮像される領域（画素）を選択するために、前記磁化方向可変層１３の所定の領域に電圧を印加する電圧印加手段２０が設置されている。

前記電圧印加手段２０は、例えば、前記磁化方向可変層１３を挟んで対向する、電極１４（電極Ｘ）と、電極１５（電極Ｙ）を含み、該電極１４と該電極１５は互いに直交する方向に延伸している。また、前記電極１４と前記電極１５は、平面視した場合に格子状（アレイ）になるように構成されている。この場合、前記電極１４は、前記磁化方向固定層１１の前記非磁性層１２に面する側の反対側に、前記電極１５は、前記磁化方向可変層１３の前記非磁性層１２に面する側の反対側にそれぞれ設置される。

上記のスピン注入型磁化反転素子１０において、撮像される領域の選択（画素選択）は以下のようにして行うことができる。まず、初期状態では、前記磁化方向可変層１３の磁化方向（スピン方向）は、（＋）方向（図１において、左方向）を向いており、前記磁化方向固定層１３の磁化方向は（―）方向（図１において、右方向）を向いている。

上記の場合、所定の偏光方向（偏光軸１７）を有する入射光１６が入射すると、前記電極１４，１５に電圧が印加されていない状態では、前記磁化方向固定層１１、および前記磁化方向可変層１３の磁化方向に従ってその偏光方向がファラデー回転（偏光軸１８，角度θ_１）する。

ここで、前記電極１４、１５に電圧を印加して画素を選択すると、選択された前記磁化方向可変層１３の所定の領域の磁化方向のみが（−）方向に反転する。この場合、選択される領域は、電圧が印加される電極１４，１５の交点近傍となる。この選択された領域に入射光１６が入射した場合、前記磁化方向可変層１３の磁化方向の変化（反転）に伴って、電圧が印加されていない領域とは逆向きに偏光方向が回転（偏光軸１９，角度θ_２）する。この偏光方向の変化を、公知の偏光手段（例えば偏光板など）を用いて検出することにより画素選択（撮像される領域の選択）を行うことができる。

この場合、前記電極１４、１５による電圧の印加は、前記磁化方向可変層１３、前記非磁性層（分離層）１２、および前記磁化方向固定層１１に対して行われるが、実質的には当該磁化方向可変層１３の電圧印加による磁化方向の変化により、入射光の変調が行われる。

また、上記の構造において、前記非磁性層（分離層）１２を、絶縁材料により構成することも可能である。このような構造をトンネル磁気抵抗効果素子（TMR:Tunneling Magnetoresistiv）と呼ぶ場合もある。

上記の撮像装置（画素選択部）においては、磁化方向の反転による光の偏光方向の回転を利用しているため、従来の撮像装置に比べて動作速度が速く、動作速度は１０〜５０ｎｍ／ｓｅｃ程度となる。

また、局所的な磁化反転は、電極１４，１５の交点領域内で起こるので、その磁化反転領域（画素選択領域）の大きさは、実質的に電極の大きさに依存することになる。すなわち、現状の半導体の微細加工技術を用いて上記の構造（電極）を形成すれば、少なくともサブミクロン以下のサイズでの高精細な撮像を行うことが可能になる。

次に、上記の図１に示すスピン注入型磁化反転素子１０の製造方法の一例について、図３Ａ〜図３Ｅ、および図４Ａ〜図４Ｂに基づき、手順を追って説明する。なお、以下の図では、図２と上下が逆になっている（以下の図では前記電極１４が下側になる）。

まず、図３Ａに示す工程において、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、あるいはガラスなどよりなる基板１０ａ上に、画素選択駆動用の電極１４を形成する。前記電極１４は、例えばＴａやＣｒなどの金属材料をスパッタ法などで堆積し、リソグラフィー法などで所望のサイズに加工することで形成することができる。また、前記基板１０ａにＳｉやＭｇＯを用いる場合には、前記電極１４をエピタキシャル成長させてもよい。

次に、図３Ｂに示す工程において、磁化方向固定層１１を形成する。当該磁化方向固定層１１に用いる材料は、スピン分極率の高い材料であることが好ましい。たとえば、当該磁化方向固定層１１を構成する材料としては、金属系ハーフメタルとして、Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4Ａｌ、ＣｏＦｅＢ、ＭｉＭｎＳｂなどが大きなスピン偏極率を有する材料として考えられる。また、酸化物系ハーフメタルとしては、Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3Ｍｎ_O3、Ｓｒ₂Ｆｅ(Ｗ_0.4Ｍｏ_0.6)Ｏ₆、Ｓｒ₂ＦｅＲｅＯ₆、ＣｒＯ₂、ＦＥ₃Ｏ₄などを用いることも可能である。

また、前記磁化方向固定層１１を、上記の組成の異なる層の積層構造にしてもよく、また、前記磁化方向固定層１１の磁化方向を固定するために、スピン固着層を追加して積層構造としてもよい。本工程においては、上記の層を厚さ数〜数十ｎｍで前記電極１４上に堆積する。堆積方法としては分子線エピタクシー法（ＭＢＥ法）やスパッタ法などがある。

次に、図３Ｃに示す工程において、例えばＣｕよりなる非磁性層（分離層）１２を堆積する。後述するように、撮像装置を反射型で用いる場合には、磁化方向可変層に進入した入射光を反射させる必要があるため、入射光（たとえばＲＧＢ光）に対する反射率の大きい材料を用いるのが望ましい。また、前記非磁性層１２は、例えばＭＢＥ法やスパッタ法などで堆積する。また、この非磁性層１２の厚さは偏極スピン電子がトンネルできる厚さ（２〜３ｎｍ）とされることが好ましい。

次に、図３Ｄに示す工程において、図３Ｂまたは図３Ｃの工程と同様にして、前記非磁性層１２上に磁化方向可変層１３を堆積する。

前記磁化方向可変層１３に用いる材料としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｙなどを用いることが可能である。また、Ａｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの絶縁体中にＣｏ等の微粒子を分散させたグラニュラー薄膜構造としてもよい。前記磁化方向可変層１３の厚さは、数ｎｍ以下程度とし、例えばＭＢＥ法やスパッタ法などにより堆積することができる。

次に、図３Ｅに示す工程において、前記磁化方向可変層１３上に、図３Ａの工程と同様の方法により電極１５を形成する。前記電極１５は、前記磁化方向可変層１３に効率よく光を侵入させるため、入射光に対して透明な材料を用いることが望ましい。たとえば、Ｓｎ₂Ｏ₃あるいはＩＴＯなどの材料を用いることが可能である。

また、前記電極１４と前記電極１５は、平面視した場合に互いに直交となる方向に延伸した構造（格子状）となっている。図４Ａは、図３Ａに示した工程の平面図であり、図４ＡのＡ−Ａ‘断面が図３Ａに対応する。また、図４Ｂは、図３Ｅに示した工程の平面図であり、図４ＢのＢ−Ｂ’断面が図３Ｅに対応している。

また、上記の構造において、個々の素子（選択領域）の電気的あるいは磁気的な分離は、例えば以下の方法により行うことが可能である。第１の方法（構造）としては、前記磁化方向可変層１３を、リソグラフィーなどによるメサエッチングで画素加工する方法がある。この場合、前記磁化方向可変層１３に、素子分離のための格子状の溝が形成されることになる。また、第２の方法としては、前記磁化方向可変層１３に、例えば窒素などのイオンを局所的に注入することにより、部分的に絶縁化する方法がある。

また、このような磁気的または電気的な分離構造が形成された場合であっても、従来のＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサに比べて微細な構造を形成することが可能であり、高精細な撮像を行う構造を構成する上では殆ど問題になることはない。

また、図５は、実施例２による撮像装置１０Ａの構成を示した図であり、スピン注入型磁化反転素子１０を用いて反射型の撮像装置を構成した例を示す図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。また、特に説明しない部分は、実施例１で説明したスピン注入型磁化反転素子１０と同様とする。

図５を参照するに、本実施例による撮像装置１０Ａでは、先に説明したスピン注入型磁化反転素子１０の非磁性層１２に相当する非磁性層１２Ａが、前記入射光１６を反射するよう構成されていることが特徴である。このため、前記磁化方向可変層１３を透過した入射光は、前記非磁性層１２によって反射されて再び当該磁化方向可変層１３を透過する。このため、本実施例による撮像装置１０Ａでは、画素が選択された入射光の偏光方向が回転する角度が大きくなって、選択される画素の検出が容易となる効果を奏する。

また、実施例１に記載したような透過型のスピン注入型磁化反転素子（撮像装置）では、前記磁化方向固定層１１、前記非磁性層１２、および前記磁化方向可変層１３が入射光を透過するよう構成されることが好ましいが、一方で本実施例の場合、少なくとも当該磁化方向可変層１３が入射光を透過するように構成されればよい。また、本実施例の場合にはさらに前記電極１５が入射光を透過する材料よりなると、入射光の利用効率が良好となり、好ましい。

すなわち、上記の構成においては、磁化方向可変層に入射光を導入させる側に形成された電極と、磁化方向変化層によって変調された入射光あるいは反射光を外部に放出させる側に形成された電極とが、光透過性の材料により構成されることが好ましい。

上記の撮像装置１０Ａの基本動作は、先に図２（実施例１）説明した場合と基本的に同一である。但し、本実施例の場合、図２で図示を省略した偏光手段２２，２５、電圧制御手段２１、集光レンズ２６、および光電変換部２７を図示している。すなわち、前記入射光１６を予め偏光させるための偏光手段２２と、選択された画素を検出するための、反射光（出射光）を透過させる偏光手段２５が示されている。また、前記電圧制御手段２１は、前記電極１４，１５に接続されて、前記電圧印加手段２０を構成している。また、選択された入射光は、集光レンズ２６を介して前記光電変換部２７に入射し、光電変換される構造になっている。

本実施例による撮像装置１０Ａでは、前記偏光手段２２（偏光板２２）によって所定の方向に偏光した入射光１６が、前記磁化方向可変層１３に入射する。所定の偏光方向を有する入射光１６が入射すると、前記電極１４，１５に電圧が印加されていない状態では、前記磁化方向可変層１３の磁化方向に従ってその偏光方向がファラデー回転する。

ここで、前記電極１４、１５に電圧を印加して画素を選択すると、選択された前記磁化方向可変層１３の所定の領域（スピン方向反転領域）の磁化方向のみが反転する。

この選択された領域に入射光１６が入射した場合、前記磁化方向可変層１３の磁化方向の変化（反転）に伴って、電圧が印加されていない領域とは逆向きに偏光方向が回転する。ここで、偏光方向が異なる光が混在した反射光（１６Ａ＋１６Ｂ）に対して、前記偏光手段２５を用いて画素選択されていない素子（電圧が印加されていない領域）からの反射光１６Ａを除外する。この場合、前記偏光手段２５は、前記偏光手段２２と、偏光方向がクロスニコル配置となるような偏光手段（偏光板）２３を含む構造とする。すなわち、画素選択された出射光１６Ｂは、前記偏光手段２３を透過することができるので、入射光の画素選択を行うことができる。

また、前記偏光手段２５が、前記偏光手段２３とは別の偏光手段（偏光板）２４を含むように構成してもよい。例えば、偏光手段２４を偏光手段２３の近傍に配置して、その偏光軸を画素選択された領域の偏光軸の逆回転の角度に合わせておくと、この偏光軸の逆回転に対応した光を選択的に高いＳ／Ｎ比で検出することができる。また、前記電極１４，１５に印加される電圧は、前記電圧制御手段２１によって制御される。

上記の画像選択によって前記偏光手段２５を透過した反射光（偏光軸逆回転光）１６Ｂは、前記集光レンズ２６により集光されて前記光電変換部２７に導入される。

上記の構造においては、画素選択部と光電変換部とが分離されているため、前記光電変換部２７としては、超高感度、超高速な特性を有する素子を用いることができる。たとえば、アバランシェ増倍型フォトダイオードや光電子増倍管などを用いることが考えられる。

例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサの感度はシリコンのフォトダイオードの分光感度特性に支配されるが、上記の構成では、アバランシェフォトダイオードや光電子増倍管などの高感度光検出器を用いることができるので、分光感度特性を柔軟に可変できる。

また、ＣＣＤではシリコン表面層で信号電荷を転送するので消費電力も大きいが、上記の撮像装置では、ＣＣＤに比べて低消費電力性能が期待できる。さらに、ダイナミックレンジについては、上記の撮像装置では、ＣＣＤのように微細な画素内で信号電荷の蓄積を行っておらず、外部に設置された部分にこのような機能を持たせているため、スペースの制限が少なく、広ダイナミックレンジの受光が容易になる。

また、ＣＣＤイメージセンサでは、画素のフォトダイオードで生成した信号電荷を転送するために転送時間が必要であるのに対し、本実施例では、画素選択部に用いる素子の動作速度が非常に大きいことと、画素選択による光信号分配を光の状態のままで行うために、高速動作が可能である特徴がある。

またＣＣＤイメージセンサでは、フォトダイオードと電荷転送路とを同一基板に構成するので、高精細化に伴って開口率（感度）が低下するのに対し、本実施例による構造では、開口率をほぼ１００％にとったまま高精細化が可能である。

さらに、上記の構造では、光電変換部に対して、電荷転送路が分離されているため、リーク電流やノイズなどの影響が抑制され、残像やスミアなどの発生が抑制される効果を奏する。

また、例えば実施例２（図５）に記載した撮像装置をさらに高感度にするために、以下に示すように光電変換部を複数有するように構成してもよい。図６は、本発明の実施例３による撮像装置１０Ｂを示す図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。また、特に説明しない部分は実施例２と同様とする。

図６を参照するに、本実施例による撮像装置１０Ｂでは、反射ミラーよりなる光学部品２８Ａ，２８Ｂを配置して入射光（撮像）を領域分割し、さらに分割された入射光にそれぞれ対応するように光電変換部２７を複数設けている。

上記の構成とすることで、複数の光電変換部を並列駆動させることが可能になり、撮像装置をさらに高感度化することが可能となる。

また、撮像装置をカラー対応とするためには、例えば以下に示すように構成すればよい。図７は、本発明の実施例４による撮像装置１０Ｃを示す図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する。また、特に説明しない部分は実施例２と同様とする。

図７を参照するに、本実施例の場合、画素選択された反射光は、回転ミラーよりなる光学部品２９によって反射され、複数の光電変換部２７に順次入射する構成になっている。前記光学部品（回転ミラー）２９は、その反射角が可変となるように構成されており、反射光を順次、Ｒ用、Ｇ用、Ｂ用の偏光手段（偏光板）３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを介して、複数の光電変換部に入射させる構成になっている。

また、撮像装置をカラー対応とするためには、例えば以下に示すように構成してもよい。図８は、本発明の実施例５による撮像装置の一部を示す図である。ただし、本図では画像選択部の図示は省略している。

図８を参照するに、本実施例の場合、画像選択部からの反射光は、まず偏光板３１を透過した後、光学部品３２、３３、３４によって分光され、集光レンズ３５，３５，３６を介してそれぞれ光電変換部２７に入射するように構成されている。

例えば、光学部品３２は、ＲＧＢを含む反射光のうち、Ｒを選択的に光電変換部に入射させるためのダイクロックミラーであり、光学部品３３は、Ｇを選択的に光電変換部に入射させるためのダイクロックミラーであり、光学部品３４は、Ｒ，Ｇが分光された後のＢを光電変換部に入射させるための反射ミラーにより構成されている。

また、上記のような分光は、ダイクロックミラーに限定されず、例えばプリズムなどの光学部品を用いて行うことも可能である。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

撮像方法の基本原理を示す図である。スピン注入型磁化反転素子を用いた画素選択の原理を示す図である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その１）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その２）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その３）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その４）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その５）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その６）である。図２のスピン注入型磁化反転素子の製造方法を示す図（その７）である。実施例２による撮像装置を示す図である。実施例３による撮像装置を示す図である。実施例４による撮像装置を示す図である。実施例５による撮像装置を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ撮像装置
１１磁化方向固定層
１２，１２Ａ分離層
１３磁化方向可変層
１４，１５電極
１６入射光
１７，１８，１９偏光軸
２０電圧印加手段
２１電圧制御手段
２２，２３，２４，２５偏光手段
２６レンズ
２７光電変換部
２８Ａ，２８Ｂ反射ミラー
２９回転ミラー
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ偏光手段
３１偏光手段
３２，３３ダイクロックミラー
３４ミラー
３５，３６，３７レンズ

Claims

入射光を光電変換する光電変換部と、該光電変換部に入射する入射光の領域を選択する画素選択部と、該画素選択部により選択された前記領域における入射光を集光して前記光電変換部に入射させる集光レンズとを有する撮像装置であって、
前記画素選択部は、
前記入射光が入射され、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型磁化反転素子と、前記磁化方向の反転による前記入射光の偏光方向の変化を検出するための偏光手段とを用いて、画素選択を行い、
前記スピン注入型磁化反転素子は、
電圧の印加によって、前記入射光の領域毎に磁化方向が変化する磁化方向可変層と、
磁化方向が固定された磁化方向固定層と、
前記磁化方向可変層と前記磁化方向固定層を分離する分離層と、
前記磁化方向可変層における前記入射光の領域毎に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、
該電圧印加手段は、前記磁化方向可変層における前記入射光の領域毎に順次電圧を印加し、光電変換される領域を順次選択することを特徴とする撮像装置。
前記入射光の偏光方向の変化は、格子状に形成された、前記スピン注入のための電極に対応して行われることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記スピン注入型磁化反転素子は、前記入射光を反射する層を含むことを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
前記電圧の印加によって偏光方向が変更された複数の領域の入射光に対応して、前記光電変換部を複数有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の撮像装置。
前記電圧の印加によって偏光方向が変更された複数の領域の入射光を、複数の前記光電変換部にそれぞれ入射させるための光学部品を有することを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
前記光学部品は、前記入射光を反射するとともに前記入射光を反射する角度が可変となるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
前記光学部品は、ダイクロックミラーを含むことを特徴とする請求項５記載の撮像装置。