JP5102692B2 - カラー撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、１００％に近い光利用効率を有するカラー撮像装置に関するものである。
現在、高解像度と高感度特性が要求される放送用のTVカメラでは、レンズを通してカメラに入射した光を色分解プリズムで青，緑，赤の３原色に分けた後、３枚の撮像素子で受光する３板カラー撮像方式が用いられている。しかしながら、色分解プリズムと３個の撮像素子を必要とするため、カメラサイズが大きくなり、撮像レンズを含めたカメラ全体の小型軽量化が困難であり、カメラの小型軽量化を実現するためには分光プリズムを用いず、１枚の撮像素子で受光する単板式の撮像装置が望まれている。
撮像素子の小型軽量化を実現する手法として、１枚の撮像素子の画素上に３色もしくは４色の微小なカラーフィルタをモザイク状に配置した単板式のカラー撮像方式があり、家庭用のビデオカメラやデジタルカメラでは単板式が主流になっている（非特許文献１参照）。代表的な色配列としては、赤、緑、青の色フィルターを用いたベイヤー配列が既知であり、プリズムが不要で撮像素子も１枚ですむことから小型化が可能である。しかし、３板方式と比較すると、赤、緑、青のいずれか１色のみで画素を形成しているため解像度が低く、加えて規定された色以外の色の入射光は色フィルターに吸収されてしまうため、光の利用効率が低い欠点がある。
ベイヤー配列などで問題となる低い解像度は、光の進行方向に３層のフォトダイオードを積層した光電変換部を形成することで改善することができる（米国特許5965875号参照）。この撮像素子は、シリコン基板の内部への光の進入深さが波長ごとに異なることを利用したものである。すなわち、撮像素子の光入射面から最も浅い位置にあるフォトダイオードで青色光を検出し、中間のフォトダイオードで緑色光を検出し、最も深い位置のフォトダイオードにより赤色光を検出する。しかしながら、この構成では、青色光検出用のフォトダイオードにおいて緑色光及び赤色光も一定の割合で吸収するため、色分解特性が不十分である。さらに、不可避的に信号読み出し回路が光入射面と同一平面に形成されるため、光入射面に対する受光部が占める比率（開口率）が低く、光の利用効率が低い欠点がある。
以上の課題を解決すべく、波長選択機能を有する光電変換膜を積層することにより、すなわち、色の３原色のうち青にのみ感度を有する光電変換膜、緑にのみ感度を有する光電変換膜、及び赤にのみ感度を有する光電変換膜を作製し、各光電変換膜を積層することで、光の利用効率が高く高解像度な単板式の多層型撮像装置を構築することが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。例えば、有機材料は特定の波長域の光のみを吸収する特有の機能を有するものが多く、青、緑、赤の３原色の波長域に特有の吸収特性を有するように分子設計を行うことにより、各材料より構成される光電変換膜を積層することで単板式の撮像素子が構成される。この方式を用いると、原理的に３板式と同等の色分解特性及び光の利用効率が得られる。この方式のカラー撮像装置は、信号読み出し回路である薄膜トランジスタ（TFT）と光電変換層である有機膜とを交互に積み重ねる構造である。一方、有機膜は耐熱性が低いため、薄膜トランジスタを構成する基板及び絶縁膜、半導体層、並びに画素電極として、有機材料に代表される低温作製が可能な光透過性材料を用いることにより、TFTの形成時に発生する熱を抑制し、有機光電変換膜へ与えるダメージを軽減している。
「木内雄二著 「イメージセンサの基礎と応用」145頁」 「特開２００２−２１７４７４号公報」
「特開２００５−５１１１５号公報」
「木内雄二著 「イメージセンサの基礎と応用」145頁」
現在のデジタルカメラ用の撮像素子では、解像度の向上を目的とした多画素化と、それに伴う画素微細化が急速に進み、画素ピッチとして２μｍ以下が主流となりつつある。そのため、積層型撮像素子に用いられるTFTの形成においてもサブミクロンの精度が要求される。更には、トランジスタ部の上側にも画素電極を形成して素子の開口率を向上させる必要があり、且つ、積層された撮像素子の下側の素子の開口率を低下させないためには、上側に位置するトランジスタ部に入射した光がトランジスタ部を透過しなければならない。しかしながら、有機光電変換膜は高温プロセスに弱く、有機光電変換膜の機能を損なうことなく、柔軟な有機光電変換膜上に高精細なTFT回路を形成することは極めて困難である。
一方、信号読み出し用のＣＭＯＳ回路を最下層部に集積し、積層された有機膜で発生した信号をビアプラグを介して読み出す方法も提案されている（例えば、特開２００５−２６９５２６号公報、特開２００６−５４４４８号公報参照）。この方式の撮像装置では、隣接する有機膜間に光透過性のトランジスタを形成する必要はない。しかしながら、２μｍ以下のピッチが要求される画素電極を形成する微細プロセスを耐熱性の低い有機膜上で行うことは極めて困難である。しかも、上側の有機膜で発生した電荷を最下層部に輸送するためには、直径がサブミクロン程度のアスペクト比の大きなビアプラグを下側の有機膜を貫通して形成しなければならず、解決すべき技術的課題が多いのが現状である。
本発明の目的は、光の利用効率が高く、高感度なカラー撮像装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、特有の波長選択性を有する有機光電変換膜に損傷を与えることなく製造されるカラー撮像装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、特有の波長選択性を有する有機光電変換膜に損傷を与えることなく製造されるカラー撮像装置を実現することにある。
本発明によるカラー撮像装置は、個別に作成され、画像光の進行方向であるＺ軸方向に沿って整列配置した第１、第２及び第３の光電変換装置と、これら３つの光電変換装置をＺ軸方向及びＺ軸方向と直交するＸ及びＹ方向に整列支持する支持フレームとを具え、
各光電変換装置は、有機光電変換膜を含み入射光に応じて電荷を発生する光電変換素子と、光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを有する複数の画素をそれぞれ有するカラー撮像装置であって、
入射光が入射する第１の光電変換装置の光電変換素子は、光の３原色の波長域のうちの第１の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第２及び第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第１の光電変換装置と隣接する第２の光電変換装置の光電変換素子は、第１の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第２の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第２の光電変換装置の後段に配置された第３の光電変換装置は、前記第１及び第２の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第３の波長域に光電変換特性のピーク感度を有し、
前記第１〜第３の光電変換装置は、それぞれ基板を有すると共に、各基板上に２次元アレイ状に形成した読出回路及び画素電極と、画素電極アレイ上に形成した有機光電変換膜と、有機光電変換膜上に形成した対向電極膜とをそれぞれ有し、
前記画素電極、光電変換膜及び対向電極膜により光電変換素子が形成され、
前記第１及び第２の光電変換装置の基板は、可視域の光に対して透明な透明基板で構成され、
前記画素電極及び対向電極は可視域の光に対して透明な導電性材料で構成されていることを特徴とする。
各光電変換装置は、有機光電変換膜を含み入射光に応じて電荷を発生する光電変換素子と、光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを有する複数の画素をそれぞれ有するカラー撮像装置であって、
入射光が入射する第１の光電変換装置の光電変換素子は、光の３原色の波長域のうちの第１の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第２及び第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第１の光電変換装置と隣接する第２の光電変換装置の光電変換素子は、第１の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第２の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第２の光電変換装置の後段に配置された第３の光電変換装置は、前記第１及び第２の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第３の波長域に光電変換特性のピーク感度を有し、
前記第１〜第３の光電変換装置は、それぞれ基板を有すると共に、各基板上に２次元アレイ状に形成した読出回路及び画素電極と、画素電極アレイ上に形成した有機光電変換膜と、有機光電変換膜上に形成した対向電極膜とをそれぞれ有し、
前記画素電極、光電変換膜及び対向電極膜により光電変換素子が形成され、
前記第１及び第２の光電変換装置の基板は、可視域の光に対して透明な透明基板で構成され、
前記画素電極及び対向電極は可視域の光に対して透明な導電性材料で構成されていることを特徴とする。
本発明では、入射光の進行方向に沿って、光の３原色の第１〜第３の波長域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）に光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する第１〜第３の光電変換装置を整列配置し、各光電変換装置において各波長域の光をそれぞれ光電変換しているので、入射光のほぼ全ての光を光電変換に利用することができる。この結果、光利用効率の高いカラー撮像装置が実現される。
さらに、本発明では、有機光電変換膜を含む光電変換素子及び光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路は透明基板上に形成され、有機光電変換膜上には読出回路が形成されないため、製造工程中に有機光電変換膜に損傷を与える不具合が解消される。
さらに、本発明では、有機光電変換膜を含む光電変換素子及び光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路は透明基板上に形成され、有機光電変換膜上には読出回路が形成されないため、製造工程中に有機光電変換膜に損傷を与える不具合が解消される。
本発明によるカラー撮像装置の好適実施例は、第１の光電変換装置の光電変換膜は、前記第１の波長域に光吸収のピーク特性を有すると共に前記第２及び第３の波長域の光に対して光透過性を有し、第２の光電変換装置の光電変換膜は、前記第２の波長域の光吸収のピーク特性を有すると共に第３の波長域の光に対して光透過性を有し、第３の光電変換装置の光電変換膜は、前記第３の波長域に光吸収のピーク特性を有することを特徴とする。本明細書において、「透明」とは、可視域の光に対して７０％以上の透過率、望ましくは８０％以上の透過率を有すること意味する。
本発明によるカラー撮像装置の別の好適実施例は、読出回路は可視域の光に対して透明な透明材料で構成され、前記画素電極は読出回路の上側まで延在することを特徴とする。本発明によるカラー撮像装置では、初めに基板上に読出回路が形成され、その後光電変換素子が形成されるので、光電変換素子を構成する画素電極、光電変換膜及び対向電極膜は読出回路（TFT回路）の上側を覆うように形成することが可能である。この結果、光電変換素子は、読出回路の上側にまで延在し、光電変換素子の開口率（撮像エリア全体の面積に対する画素電極の面積の割合）が格段に高くなる。
本発明では、入射光の進行方向に沿って、光の３原色の第１〜第３の波長域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）に光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する第１〜第３の光電変換装置を整列配置し、各光電変換装置において各波長域の光をそれぞれ光電変換しているので、入射光のほぼ全ての光を光電変換に利用することができる。この結果、光利用効率の高いカラー撮像装置が実現される。さらに、本発明では、有機光電変換膜を含む光電変換素子及び光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路は透明基板上に形成され、有機光電変換膜上には読出回路が形成されないため、製造工程中に有機光電変換膜に損傷を与える不具合が解消される。
図１は本発明によるカラー撮像装置の原理を説明するための原理図である。本発明では、光電変換素子として、特有の波長選択機能を有する有機光電変換膜を利用する。有機光電変換膜は、青、緑及び赤の３原色の波長域に光吸収特性及び光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有するように分子設計を行うことが可能である。そこで、本発明では、有機光電変換材料の特有の性質を利用して、Ｂ，Ｇ，Ｒの各波長域に光吸収特性及び光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する３種類の有機光電変換膜を利用する。
本発明によるカラー撮像装置は、画像光の入射方向にそって順次整列配置した第１〜第３の光電変換装置１００〜３００を具える。各光電変換装置は２次元アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素は、入射光に対応した電気信号を発生する光電変換素子と光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを含む。また、各光電変換装置１００〜３００の画素は、光軸（Ｚ軸）と直交するＸＹ方向に互いに整列（アライメント）する。
第１〜第３の光電変換装置の画素の光電変換膜は、光吸収特性及び光電変換特性のピーク感度が互いに相違し、画像光が直接入射する第１の光電変換装置の光電変換素子は、光の３原色（Ｂ，Ｇ，Ｒ）のうちの第１の波長域の光（例えば、青）に光電変換特性のピーク感度を有し、第２の光電変換装置２００の光電変換素子は第２の波長域の光（例えば、緑）に対してピーク感度を有し、最後段に位置する第３の光電変換装置３００の光電変換素子は第３の波長域の光（例えば、赤）にピーク感度を有する。また、第１〜第３の光電変換装置の光電変換素子の可視域における光透過特性も互いに相違し、第１の光電変換装置の光電変換素子は、第１の波長域（Ｂ）に光吸収特性のピーク感度を有し、第２及び第３の波長域（Ｇ，Ｒ）については高い光透過特性を有する。第２の光電変換装置の光電変換素子は、第２の波長域に光吸収特性のピーク感度を有し、少なくとも第３の波長域（Ｒ）については高い光透過特性を有する。第３の光電変換装置の光電変換素子は、第３の波長域（Ｒ）について光吸収特性のピーク感度を有する。このような光学特性を有する光電変換材料は、後述する有機光電変換材料をベースにして適切な分子設計を行うことにより生産することが可能である。
図１を参照するに、被写体からのＢ，Ｇ，Ｒの波長成分を含む画像光が第１の光電変換装置に入射する。第１の光電変換装置は、第１の波長域（Ｂ）の光だけを吸収して光電変換を行い、第２及び第３の波長域（Ｇ，Ｒ）の光は透過する。第１の光電変換装置１００は、第１の波長域の光（Ｂ）による画像信号を出力する。第２の光電変換装置２００には、第２及び第３の波長域の光が入射し、第２の波長域（Ｇ）の光だけを吸収し、残りの第３の波長域（Ｒ）の光は透過する。そして、第２の光電変換装置から第２の波長域の光（Ｇ）による画像信号が出力される。第３の光電変換装置３００には、第３の波長域（Ｒ）の光だけが入射し、第３の光電変換装置は、第３の波長域の光による画像信号を出力する。これら３つの画像信号は信号処理手段（図示せず）に供給されて、カラー画像信号が形成される。
本発明では、入射した全ての波長域の光を有効に利用しているので、ほぼ１００％に近い光利用効率が達成される。この結果、暗い被写体からの微弱な画像光が入射する場合であっても、鮮明な被写体像を撮像することが可能になり、高感度なカラー撮像装置が実現される。
さらに、各光電変換装置は、個別の基板上に光電変換素子及び読出回路がそれぞれ形成され、光電変換素子及び読出回路の２次元アレイが形成された３個の基板が最終工程において一体的に組み立てられるので、耐熱性の低い有機光電変換膜上において微細加工処理を行う必要がなく、従って、光電変換膜に損傷を与えることなく生産することが可能である。
さらに、各光電変換装置は、個別の基板上に光電変換素子及び読出回路がそれぞれ形成され、光電変換素子及び読出回路の２次元アレイが形成された３個の基板が最終工程において一体的に組み立てられるので、耐熱性の低い有機光電変換膜上において微細加工処理を行う必要がなく、従って、光電変換膜に損傷を与えることなく生産することが可能である。
図２〜図４は本発明によるカラー撮像装置の一例を示すものであり、図２は光入射面と直交する面で切って示す線図的断面図、図３は光電変換装置の線図的平面図、及び図４は光電変換装置の等価回路図である。尚、本例のよるカラー撮像装置を構成する３個の光電変換装置は、光電変換膜の材料が相違するだけで構造形態は同一である。そこで、図面を明瞭にするため、各種部材を示す符号は、第１及び第３の光電変換装置の構成部材に引き出し線を付して説明する。図２を参照するに、各光電変換装置は基板１０をそれぞれ有し、基板１０上に画素アレイを２次元アレイ状に形成する。各画素は、光電変換素子２０及び光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路３０を有する。尚、第１及び第２の光電変換装置１００及び２００の基板は、可視域に透明な透明基板で構成する。第３の光電変換装置の基板は透明基板でもよく、不透明基板を用いてもよい。
初めに読出回路について説明する。各画素の読出回路３０はTFTで構成され、TFTは、基板１０上に形成したゲート電極３１と、ゲート電極上に形成した透明絶縁膜３２と、その上に形成した透明半導体層３３と、半導体層上に形成したソース電極３４及びドレイン電極３５と、その上に形成したトランジスタ保護用の透明絶縁膜３６とを有する。これらTFTを構成する材料は、可視域に透明な透明材料で構成する。
光電変換素子２０は、基板１０上に延在する絶縁膜３６上に２次元アレイ状に形成した画素電極２１と、画素電極アレイ上に形成され、光入射面のほぼ全域にわたって延在する単一の光電変換膜２２と、光電変換膜上に形成され光電変換膜に電圧を印加するための対向電極膜２３とを有する。画素電極２１は、図３に示すように、光受光領域に延在するだけでなく、読出回路を構成するTFTを覆うようにTFTの上側まで延在する。また、画素電極は、TFTのソース電極３４と電気的に接続され、光電変換膜で発生した電荷が画素電極２１及びソース電極３４を介してドレイン電極３５に流れるように構成する。対向電極膜２３上に透明保護膜４０を形成する。
第１の光電変換装置１００の光電変換膜は、光の３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の画像成分光のうち、第１の波長域（Ｂ）の光だけを吸収して光電変換を行い、第２及び第３の波長域（Ｇ，Ｒ）の光を透過する材料で構成する。第２の光電変換装置２００の光電変換膜は、第２の波長域（Ｇ）の光だけを吸収して光電変換を行い、第３の波長域（Ｒ）の光は透過する材料で構成する。第３の光電変換装置３００の光電変換膜は、第３の波長域（Ｒ）の光に対して光電変換特性のピーク感度を有する材料で構成する。
透明基板の材料は、ガラスに代表される透明絶縁体がよく、TFT作製プロセスを低温で行う場合ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネートなどの合成樹脂材料を用いることもできる。基板の厚さは、厚すぎるとカラー撮像装置全体厚さが増し、レンズを通して集光される光の焦点が合わなくなることを防ぐため、１０μｍ〜０．５ｍｍ程度とする。TFTや光電変換素子を構成する透明電極の材料は、無機透明導電体で構成することが望ましく、一例としてインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＴＯ）などを挙げることができる。TFTを構成する透明絶縁膜は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの無機膜や、ポリイミドなどの有機膜を用いることができる。透明半導体膜は、当該半導体膜に入射した光を透過させることは勿論、可視域の光吸収により半導体のスイッチング応答が変化することを防ぐために、およそ３．０ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料を用いる必要がある。このような半導体材料としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）やアモルファス酸化物半導体（インジウム・ガリウム・酸化亜鉛：InGaZnO 4 ）などを挙げることができる。
光電変換素子を構成する光電変換材料として、有機系の材料を用いる。青のみに光電変換特性の感度を有する有機材料としてポルフィリン誘導体、緑にのみ感度を有する有機材料としてペリレン誘導体、赤のみに感度を有する有機材料としてはフタロシアニン誘導体が一例として挙げられるが、それ以外にも、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体を単独で、もしくは、これらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層することにより青、緑もしくは赤色光にのみ感度を有する光電変換膜を形成することが可能である。さらには、光電変換膜における暗電流（光未照射時において観測される電流）の低減や光電変換膜の量子効率向上のために、電子輸送材料、正孔輸送材料、電子ブロッキング材料、正孔ブロッキング材料などを上記有機材料中に混合ないし積層することで光電変換膜を形成することも可能である。
有機光電変換膜の膜厚は、５０ｎｍ〜１μｍの範囲が好適であるが、光吸収極大波長での吸収率として、９０％以上、すなわち、吸光度Ａ（Ａ＝−log(透過率)）にして１．０以上有することが望ましい。第１〜第３の光電変換装置で用いられる光電変換膜の吸光度の一例を図５に示す。尚、図５において、実線は緑の波長域に感度を有する光電変換膜の特性を示し、破線は赤にのみ感度を有する光電変換膜の特性を示し、一点鎖線は青にのみ感度を有する光電変換膜の特性を示す。また、有機光電変換膜の抵抗率は非常に高いため（１０１５Ω-ｃｍ程度）、光電変換膜を画素毎に区切る必要はない。
透明保護膜４０は、有機光電変換膜を空気中の水分子、酸素分子から保護するためのものであり、酸化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜、酸化窒素膜などの無機膜や、ポリパラキシリレン膜などの有機膜を用いることができる。
図３を参照するに、破線は画素電極２１を示し、実線はソース電極３４及びドレイン電極３５並びにドレイン電極を水平シフトレジスタに接続するための垂直信号線５１を示す。また、一点鎖線はゲート電極３１及びゲート電極を垂直シフトレジスタに接続するための行選択線５２を示す。本例では、光電変換素子を構成する画素電極２１は、TFT全体を覆うように形成されているので、読出回路上に入射した画像光も光電変換することができ、素子の開口率が一層高い撮像装置が実現される。
図４を参照しながら、光電変換素子に発生した電荷を読み出す動作について説明する。有機光電変換膜２２には、対向電極膜２３から所定の電圧が印加され、光電変換膜に所定の強度の電界が形成される。読出回路を構成するTFTのゲート電極は行選択線５１ａ〜５１ｎにそれぞれ接続され、ドレイン電極は垂直信号線５２ａ〜５２ｍに接続される。各行選択線５１ａ〜５１ｎは垂直シフトレジスタ５３に接続され、垂直信号線５２ａ〜５２ｍは水平シフトレジスタ５４に接続される。各光電変換装置に画像光が入射すると、各光電変換装置の光電変換膜が所定の波長域の光を吸収し、入射光の強度に対応した電荷が生成され、光電変換膜２２に発生した電荷は、画素電極２１に収集される。行選択線が選択されゲート電極がONになると、選択された画素に蓄積された電荷が垂直信号線に５２に読み出され、この電荷が水平シフトレジスタに順次出力される。このようにして、各光電変換素子に発生した電荷は１ライン毎に出力され、Ｂ，Ｇ，Ｒの画像信号が出力される。
本例では、信号読出し回路としてボトムゲート・トップコンタクト型のTFTを用いて説明したが、ボトムゲート・ボトムコンタクト型のTFTや、トップゲート型のTFT等の各種読出回路を用いることが可能である。
さらに、本例では、１画素１トランジスタ型のTFT回路により説明したが、言うまでもなく、画素内での電荷増幅を目的とした１画素３トランジスタ構造、１画素４トランジスタ構造の読出回路を適用することも可能である。
本発明によるカラー撮像装置は、読出回路を構成するTFT回路が基板上に形成され、有機光電変換膜上で微細加工が一切行われないため、光電変換膜にダメージを与えることはなく、比較的簡単な製造プロセスで生産することか可能である。
［TFTの作製］
透明基板として、厚さ１００μｍのガラス基板を用意し、ガラス基板上にITO薄膜をDCマグネトロンスパッタにより形成した。DCパワーは１００Ｗ、成長レートは毎分２５Åとした。その後、ウェットエッチングを施し、レジストパターンを除去してゲート電極３１及び行選択線５１を形成した。
透明基板として、厚さ１００μｍのガラス基板を用意し、ガラス基板上にITO薄膜をDCマグネトロンスパッタにより形成した。DCパワーは１００Ｗ、成長レートは毎分２５Åとした。その後、ウェットエッチングを施し、レジストパターンを除去してゲート電極３１及び行選択線５１を形成した。
続いて、ＳｉＮからなるゲート絶縁膜３２をプラズマＣＶＤ法により成膜し、ドライエッチングを施して不要部分を除去した後に、透明半導体層３３としてＺｎＯをDCマグネトロンスパッタ法により成膜し、ドライエッチングを施した。
引き続き、ＩＴＯ膜をDCマグネトロンスパッタ法により成膜し、ウェットエッチングにより透明ドレイン電極３５、ソース電極３４、及び垂直信号線５２を形成した。その後、ＳｉＮからなる透明絶縁膜３６をプラズマＣＶＤ法により成膜し、ソース電極３４と画素電極２１とを接続するための貫通孔をドライエッチングにより形成した。
さらに、ＩＴＯ膜をDCマグネトロンスパッタ法により成膜し、ウェットエッチングにより画素電極２１を形成した。当該ＩＴＯ膜を形成することにより、画素電極２１とソース電極３４とが貫通孔を介して接続される。
上述した手法により作製したTFT回路部分の透過率を図６に示す。可視域おいて８０％以上の透過率が得られ、良好な光透過特性が得られていることが確認された。また、スイッチング特性については、白色光照射／未照射による差異は観測されなかった。
［光電変換素子の作製］
上述した方法によりTFT回路及び電極膜が形成された基体を３個用意して第１〜第３の光電変換装置を作製した。真空蒸着法により、第１の基体上に、電子輸送層としてトリス−８ヒドロキシキノレートアルミニウム錯体（Alq3）を３０ｎｍの厚さに、青色に感度を有するコバルトポルフィリンを８０ｎｍの厚さに、バッファ層としてナフタレン誘導体（ＮＴＣＤＡ）を２００ｎｍの厚さに順次成膜した。その上に、透明対向電極膜としてＩＴＯ膜を対向スパッタ法により１５ｎｍの厚さに形成し、さらに保護層４０としてポリパラキシリレン膜を１．０μｍの厚さに堆積して第１の光電変換装置を完成した。
上述した方法によりTFT回路及び電極膜が形成された基体を３個用意して第１〜第３の光電変換装置を作製した。真空蒸着法により、第１の基体上に、電子輸送層としてトリス−８ヒドロキシキノレートアルミニウム錯体（Alq3）を３０ｎｍの厚さに、青色に感度を有するコバルトポルフィリンを８０ｎｍの厚さに、バッファ層としてナフタレン誘導体（ＮＴＣＤＡ）を２００ｎｍの厚さに順次成膜した。その上に、透明対向電極膜としてＩＴＯ膜を対向スパッタ法により１５ｎｍの厚さに形成し、さらに保護層４０としてポリパラキシリレン膜を１．０μｍの厚さに堆積して第１の光電変換装置を完成した。
同様に、真空蒸着法により、第２の基体上に、電子輸送層としてトリス−８ヒドロキシキノレートアルミニウム錯体（Alq3）を３０ｎｍの厚さに、緑色に感度を有するジメチルキナクリドンを１３０ｎｍの厚さに、バッファ層としてナフタレン誘導体（ＮＴＣＤＡ）を２００ｎｍの厚さに順次成膜した。その上に、透明対向電極膜としてＩＴＯ膜を対向スパッタ法により１０ｎｍの厚さに形成し、さらに保護層４０としてポリパラキシリレン膜を１．０μｍの厚さに堆積して第２の光電変換装置を完成した。
最後に、真空蒸着法により、第３の基体上に、電子輸送層としてトリス−８ヒドロキシキノレートアルミニウム錯体（Alq3）を３０ｎｍの厚さに、赤色に感度を有する亜鉛フタロシアニンを１２０ｎｍの厚さに、バッファ層としてナフタレン誘導体（ＮＴＣＤＡ）を２００ｎｍの厚さに順次成膜した。その上に、透明対向電極膜としてＩＴＯ膜を対向スパッタ法により１０ｎｍの厚さに形成し、さらに保護層４０としてポリパラキシリレン膜を１．０μｍの厚さに堆積して第３の光電変換装置を完成した。
作製した３個の光電変換装置を画像光の入射側から第１の光電変換装置、第２の光電変換装置及び第３の光電変換装置の順となるように整列配置した。各光電変換装置間には、２０μｍの離間距離を設け、光電変換装置が互いに接触しないように支持フレームに装着した。この際、３個の光電変換装置は、画像光の進行方向であるＺ軸方向に整列すると共にＺ軸方向と直交するＸ及びＹ方向に整列させた。
作製した３個の光電変換装置の光電流値の波長依存性を図７に示す。図７において、横軸は波長を示し、縦軸は光電流値（規格化値）を示す。また、実線は第１の光電変換装置（Ｂ）の測定データを示し、破線は第２の光電変換装置（Ｇ）の測定データを示し、一点鎖線は第３の光電変換装置（Ｒ）の測定データを示す。図７に示されるように、第１の光電変換装置では、青色領域の光照射時に電流が流れる一方、緑及び赤色領域の光照射時にはほとんど電流は流れない。また、第２の光電変換装置においては、緑色領域の光照射時に電流が流れる一方、青及び赤色領域の光照射時にはほとんど電流は流れない。さらに、第３の光電変換装置においては、赤色領域の光照射時に電流が流れる一方、緑及び青色領域の光照射時にはほとんど電流は流れない。このように、３個の撮像装置により光の３原色の成分をそれぞれ分離して出力されることが確認できた。
１０ 基板
２０ 光電変換素子
２１ 画素電極
２２ 光電変換膜
２３ 対向電極
３０ 読出回路
３１ ゲート電極
３２ 絶縁膜
３３ 半導体層
３４ ソース電極
３５ ドレイン電極
３６ 絶縁膜
４０ 透明保護膜
５１ 行選択線
５２ 垂直信号線
５３ 垂直シフトレジスタ
５４ 水平シフトレジスタ
１００ 第１の光電変換装置
２００ 第２の光電変換装置
３００ 第３の光電変換装置
２０ 光電変換素子
２１ 画素電極
２２ 光電変換膜
２３ 対向電極
３０ 読出回路
３１ ゲート電極
３２ 絶縁膜
３３ 半導体層
３４ ソース電極
３５ ドレイン電極
３６ 絶縁膜
４０ 透明保護膜
５１ 行選択線
５２ 垂直信号線
５３ 垂直シフトレジスタ
５４ 水平シフトレジスタ
１００ 第１の光電変換装置
２００ 第２の光電変換装置
３００ 第３の光電変換装置
Claims (4)
- 個別に作成され、画像光の進行方向であるＺ軸方向に沿って整列配置された第１、第２及び第３の光電変換装置と、これら３つの光電変換装置をＺ軸方向及びＺ軸方向と直交するＸ及びＹ方向に整列支持する支持フレームとを具え、
各光電変換装置は、有機光電変換膜を含み入射光に応じて電荷を発生する光電変換素子と、光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを有する複数の画素をそれぞれ有するカラー撮像装置であって、
入射光が入射する第１の光電変換装置の光電変換素子は、光の３原色の波長域のうちの第１の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第２及び第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第１の光電変換装置と隣接する第２の光電変換装置の光電変換素子は、第１の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第２の波長域に光電変換特性のピーク感度を有すると共に第３の波長域の光に対して光透過性を有し、
第２の光電変換装置の後段に配置された第３の光電変換装置は、前記第１及び第２の光電変換装置を透過した透過光を受光し、光の３原色の第３の波長域に光電変換特性のピーク感度を有し、
前記第１〜第３の光電変換装置は、それぞれ基板を有すると共に、各基板上に２次元アレイ状に形成した読出回路及び画素電極と、画素電極アレイ上に形成した有機光電変換膜と、有機光電変換膜上に形成した対向電極膜とをそれぞれ有し、
前記画素電極、光電変換膜及び対向電極膜により光電変換素子が形成され、
前記第１及び第２の光電変換装置の基板は、可視域の光に対して透明な透明基板で構成され、
前記画素電極及び対向電極は可視域の光に対して透明な導電性材料で構成されていることを特徴とするカラー撮像装置。 - 請求項１に記載のカラー撮像装置において、前記第１、第２及び第３の光電変換装置は、Ｚ軸方向にそって所定の間隔をもって整列配置されていることを特徴とするカラー撮像装置。
- 請求項１又は２に記載のカラー撮像装置において、前記第１の光電変換装置の光電変換膜は、前記第１の波長域に光吸収のピーク特性を有すると共に前記第２及び第３の波長域の光に対して光透過性を有し、第２の光電変換装置の光電変換膜は、前記第２の波長域の光吸収のピーク特性を有すると共に第３の波長域の光に対して光透過性を有し、第３の光電変換装置の光電変換膜は、前記第３の波長域に光吸収のピーク特性を有することを特徴とするカラー撮像装置。
- 請求項３に記載のカラー撮像装置において、前記読出回路は、可視域の光に対して透明な透明材料で構成され、前記画素電極は読出回路の上側まで延在することを特徴とするカラー撮像装置。
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