JP5757614B2 - Image sensor - Google Patents

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本発明は、pn接合部に生じる空乏領域に入光した光を光電変換する撮像素子に関する。   The present invention relates to an image sensor that photoelectrically converts light incident on a depletion region generated in a pn junction.

従来の撮像素子は、シリコン(Si)の半導体で形成されており、可視光線から近赤外線の波長範囲(約400nm〜1100nm程度)の光を検出することができる。しかし、撮像素子に形成されるpn接合部の空乏領域の深さと光の侵入長との関係から、入射光の波長が長くなると受光感度が低下してしまう問題がある。例えば、空乏領域が撮像素子の表面から数μmに形成される場合、近赤外線のシリコンへの侵入長が数十μmであるため、近赤外線の大部分を空乏領域で収集することができない。   A conventional image sensor is formed of a silicon (Si) semiconductor, and can detect light in a wavelength range from visible light to near infrared (about 400 nm to about 1100 nm). However, due to the relationship between the depth of the depletion region of the pn junction formed in the image sensor and the light penetration length, there is a problem that the light receiving sensitivity decreases as the wavelength of incident light increases. For example, when the depletion region is formed several μm from the surface of the image sensor, the penetration length of near infrared rays into silicon is several tens of μm, so that most of the near infrared rays cannot be collected in the depletion region.

上記問題に関連する技術として、特許文献1、2に示す技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、第1導電型の半導体基板とその表面側に局所的に形成された第2導電型半導体とのpn接合部に生じる空乏層領域を光電変換領域とするフォトダイオードと、半導体基板の表面側に形成されフォトダイオードとともにCMOSイメージセンサを構成する画素回路とを含む半導体撮像素子において、半導体基板に空洞を形成し、その空洞を介して半導体基板の裏面(または側面または表面側)から光をフォトダイオードの光電変換領域へ照射する構成とし、これによって、入射される近赤外線は、その信号吸収が最も大きいフォトダイオードのpn接合部を長い時間通過することができる。反射膜を設けることで、反射光が再度pn接合部を通過するので、さらに高感度となるものである。   As techniques related to the above problem, techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 are disclosed. The technique shown in Patent Document 1 includes a photodiode having a depletion layer region generated at a pn junction between a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type semiconductor locally formed on the surface side as a photoelectric conversion region; In a semiconductor imaging device including a pixel circuit that forms a CMOS image sensor together with a photodiode formed on the surface side of a semiconductor substrate, a cavity is formed in the semiconductor substrate, and the back surface (or side surface or surface of the semiconductor substrate is interposed through the cavity) In this configuration, light is irradiated onto the photoelectric conversion region of the photodiode from the side), whereby the incident near-infrared light can pass through the pn junction of the photodiode having the largest signal absorption for a long time. By providing the reflective film, the reflected light passes through the pn junction again, so that the sensitivity is further increased.

特許文献2に示す技術は、画素セルCelが、基板の第1基板面側に形成された第1導電型(n型)の第1ウェルと、第1ウェルより第2基板面側に形成された第2導電型(p型)の第2ウェルとを有し、第1ウェルは第1基板面側からの光を受光する受光部として機能し、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有し、第2ウェルは、第1ウェルの受光部における蓄積電荷を検出し、閾値変調機能を有するMOS型トランジスタが形成されており、第1ウェルの側壁にはそれらを囲むようにp型素子分離層が形成されているものである。   In the technique disclosed in Patent Document 2, a pixel cell Cel is formed on a first substrate surface side of a first conductivity type (n-type) formed on the first substrate surface side of the substrate, and on the second substrate surface side of the first well. And a second well of the second conductivity type (p-type), the first well functions as a light receiving portion that receives light from the first substrate surface side, and a photoelectric conversion function and charge storage function of the received light And the second well detects a charge accumulated in the light receiving portion of the first well, and a MOS transistor having a threshold modulation function is formed, and a p-type is formed on the side wall of the first well so as to surround them. An element isolation layer is formed.

特開2009−238985号公報JP 2009-238985 A 特開2009−152234号公報JP 2009-152234 A

しかしながら、特許文献1に示す技術は、空洞及び反射膜の形成が必要となり形成プロセスが複雑化してしまうと共に、反射膜を設けた場合であっても受光感度が十分なものではないという課題を有する。   However, the technique disclosed in Patent Document 1 requires the formation of a cavity and a reflective film, which complicates the formation process, and has a problem that the light receiving sensitivity is not sufficient even when a reflective film is provided. .

特許文献2に示す技術は、波長が長い光に対して基板を比較的厚く(6μm〜10μm程度)し、リフレクタによる反射を利用することで対応するものであるが、上記と同様に形成プロセスが複雑化してしまうと共に、受光感度が十分なものではないという課題を有する。   The technique shown in Patent Document 2 is to cope with light having a long wavelength by making the substrate relatively thick (about 6 μm to 10 μm) and using reflection by a reflector. In addition to being complicated, the light receiving sensitivity is not sufficient.

そこで、本発明は、波長が長い光に対しても受光感度を上げると共に、簡単なプロセス
で安価に形成することができる撮像素子を提供する。
Therefore, the present invention provides an imaging device that can increase the light receiving sensitivity even for light having a long wavelength and can be formed at low cost by a simple process.

本願に開示する撮像素子は、第1導電型半導体基板と第2導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、前記第2導電型半導体が、前記第1導電型半導体基板の内部に、当該第1導電型半導体基板の面方向、且つ前記光の入射方向に沿って長手方向に延在して複数配設されることを特徴とするものである。   An image sensor disclosed in the present application is an image sensor that photoelectrically converts light incident on a depletion region generated at a junction between a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type semiconductor, wherein the second conductivity type semiconductor is the first conductivity type. A plurality of conductive layers are arranged inside the one conductive type semiconductor substrate so as to extend in the longitudinal direction along the surface direction of the first conductive type semiconductor substrate and the incident direction of the light.

このように、本願に開示する撮像素子においては、複数の第2導電型(ここでは、仮にn型とする)半導体が、第1導電型(ここでは、仮にp型とする)半導体基板の内部に、当該第1導電型半導体基板の面方向、且つ光の入射方向に沿って長手方向に延在して配設されるため、入射された光はn型半導体の長手方向に対して侵入し、入射光が空乏領域に滞在する時間を長くすることで、受光感度を高くすることができるという効果を奏する。また、p型半導体基板にn型半導体を埋設するだけで形成することができるため、形成プロセスを単純化し効率よく作製することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, a plurality of second conductivity type (here, n-type) semiconductors are arranged inside the first conductivity type (here, p-type) semiconductor substrate. In addition, since the first conductive type semiconductor substrate is disposed so as to extend in the longitudinal direction along the surface direction of the first conductive type semiconductor substrate and the incident direction of light, the incident light enters the longitudinal direction of the n-type semiconductor. By increasing the time during which incident light stays in the depletion region, it is possible to increase the light receiving sensitivity. In addition, since the n-type semiconductor can be formed simply by burying it in the p-type semiconductor substrate, there is an effect that the formation process can be simplified and efficiently manufactured.

なお、上記撮像素子は、ラインセンサとして応用するものである。   The image sensor is applied as a line sensor.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体が、当該第2導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側の一端部と、前記第1導電型半導体基板における前記光が入射する側面部との距離が所定の距離以下で配設されることを特徴とするものである。   In the imaging device disclosed in the present application, the second conductive semiconductor is incident on one end of the second conductive semiconductor in a longitudinal direction of the light incident side and the light in the first conductive semiconductor substrate. It is characterized in that the distance from the side surface portion is set at a predetermined distance or less.

このように、本願に開示する撮像素子においては、第2導電型半導体の長手方向における光が入射する側の一端部と、第1導電型半導体基板における光が入光する側面部との距離を所定の距離以下までダイシング等を施すことにより、第1導電型半導体基板の側面部の厚さによる入射光の減衰を防止して受光感度を高めることができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the distance between the one end portion on the light incident side in the longitudinal direction of the second conductive type semiconductor and the side surface portion on which light enters the first conductive type semiconductor substrate is set. By performing dicing or the like to a predetermined distance or less, there is an effect that it is possible to prevent the attenuation of incident light due to the thickness of the side surface portion of the first conductivity type semiconductor substrate and to increase the light receiving sensitivity.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体が、前記第1導電型半導体基板の基板面との距離が所定の距離以下となるように配設され、前記第2導電型半導体が配設された前記第1導電型半導体基板を複数層に積層することを特徴とするものである。   In the imaging device disclosed in the present application, the second conductive semiconductor is disposed such that a distance from the substrate surface of the first conductive semiconductor substrate is a predetermined distance or less, and the second conductive semiconductor is disposed. The provided first conductive type semiconductor substrate is laminated in a plurality of layers.

このように、本願に開示する撮像素子においては、複数の第2導電型半導体が配設された第1導電型の半導体基板を複数層に積層することで、第2導電型半導体を1つの画素とする受光感度が高いイメージセンサとして応用することができると共に、第1導電型半導体基板を薄く削ることで積層構造にした場合であっても素子全体をコンパクトに形成することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the first conductive semiconductor substrate in which a plurality of second conductive semiconductors are disposed is stacked in a plurality of layers, whereby the second conductive semiconductor is formed into one pixel. In addition to being able to be applied as an image sensor with high light receiving sensitivity, the entire element can be compactly formed even when the first conductive semiconductor substrate is thinly cut to form a laminated structure. .

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に隣接し、少なくとも前記空乏領域から出力される電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、前記第1導電型半導体基板の上面に配設され、前記変換回路部に隣接し、当該変換回路部と電気的に接続するパッド部とを備え、前記変換回路部とパッド部との距離が、上位の階層から順次大きくなることを特徴とするものである。   The imaging device disclosed in the present application is a process of converting at least the electric charge output from the depletion region into an output signal adjacent to the other end on the opposite side to the light incident side in the second conductivity type semiconductor A conversion circuit section that performs the above-described operation, and a pad section that is disposed on the upper surface of the first conductive semiconductor substrate, is adjacent to the conversion circuit section, and is electrically connected to the conversion circuit section. The distance from the pad portion increases in order from the upper layer.

このように、本願に開示する撮像素子においては、電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、当該変換回路部に電気的に接続するパッド部とを備え、変換回路部とパッド部との距離が上位階層から順次大きくなることで、各層(1つの層がラインセンサを形成している)ごとに外部との電気的な接続が可能となり、各層の信号を抽出してイメージセンサとして活用することができるという効果を奏する。   As described above, the imaging device disclosed in the present application includes a conversion circuit unit that performs processing for converting charges into an output signal, and a pad unit that is electrically connected to the conversion circuit unit. As the distance between and increases gradually from the upper layer, each layer (one layer forms a line sensor) can be electrically connected to the outside, and the signal of each layer can be extracted and used as an image sensor There is an effect that it can be utilized.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側に有するレンズの位置を、前記第1導電型半導体基板、及び第2導電型半導体の厚さに基づいて変動させるレンズ変動部を備えることを特徴とするものである。   The imaging device disclosed in the present application is based on the thickness of the first conductive semiconductor substrate and the thickness of the second conductive semiconductor based on the position of the lens on the light incident side in the longitudinal direction of the second conductive semiconductor. It is characterized by comprising a lens fluctuation portion that fluctuates.

このように、本願に開示する撮像素子においては、レンズの位置を第1導電型半導体基板、及び第2導電型半導体の厚さに基づいて変動させることで、当該レンズの上下の位置を連続的にシフトさせ入射光の光軸を補正し、表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成することで、解像度を大幅に上げることができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the upper and lower positions of the lens are continuously changed by changing the position of the lens based on the thicknesses of the first conductive semiconductor substrate and the second conductive semiconductor. And the optical axis of the incident light is corrected, and the image of the entire display object is generated while partially receiving the light from the display object, so that the resolution can be greatly increased.

本願に開示する撮像素子は、前記入射する光が近赤外線であることを特徴とするものである。   The imaging device disclosed in the present application is characterized in that the incident light is near infrared rays.

このように、本願に開示する撮像素子においては、従来の撮像素子では受光感度が悪かった近赤外線を、高感度に受光することができるという効果を奏する。   As described above, the image sensor disclosed in the present application has an effect that it can receive near-infrared light, which has poor light reception sensitivity in the conventional image sensor, with high sensitivity.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体の長手方向の長さが、当該第2導電型半導体に対する前記近赤外線の侵入長以上であることを特徴とするものである。   The image pickup device disclosed in the present application is characterized in that a length in a longitudinal direction of the second conductive semiconductor is equal to or longer than a penetration length of the near infrared light into the second conductive semiconductor.

このように、本願に開示する撮像素子においては、第2導電型半導体の長手方向の長さが、当該第2導電型半導体に対する近赤外線の侵入長以上であるため、近赤外線の多くの吸収長をカバーして受光感度を格段に上げることができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, since the length in the longitudinal direction of the second conductivity type semiconductor is equal to or longer than the penetration length of the near infrared light with respect to the second conductivity type semiconductor, The light receiving sensitivity can be greatly increased by covering the above.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体が、当該第2導電型半導体の長手方向に複数配設されており、前記第2導電型半導体に対する前記入射する光の侵入長に対応する位置に、前記複数の各第2導電型半導体が配設されていることを特徴とするものである。   In the imaging device disclosed in the present application, a plurality of the second conductivity type semiconductors are arranged in the longitudinal direction of the second conductivity type semiconductor, and correspond to the penetration length of the incident light with respect to the second conductivity type semiconductor. The plurality of second conductivity type semiconductors are arranged at positions.

このように、本願に開示する撮像素子においては、第2導電型半導体が、入射する光の第2導電型半導体に対する侵入長に対応して複数配設されているため、特別なフィルタ等を設けることなく、簡単に侵入長に応じた波長領域の光を色情報として光電変換することができるという効果を奏する。つまり、カラーフィルタ等を用いずにカラーイメージセンサとしての撮像素子を得ることができる。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, since a plurality of second conductive semiconductors are arranged corresponding to the penetration length of incident light into the second conductive semiconductor, a special filter or the like is provided. Thus, there is an effect that light in a wavelength region corresponding to the penetration length can be easily photoelectrically converted as color information. That is, an image sensor as a color image sensor can be obtained without using a color filter or the like.

本願に開示する撮像素子は、前記複数配設された各第2導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されていることを特徴とするものである。   In the imaging device disclosed in the present application, the length in the longitudinal direction of each of the plurality of second conductivity type semiconductors arranged in order increases from one end on the light incident side to the other end on the opposite side. It is characterized by being arranged.

このように、本願に開示する撮像素子においては、各第2導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されているため、侵入長が長く減衰が多く発生する光ほど第2導電型半導体を長くして十分な量の光を吸収し、全体として様々な波長領域における光を均一に吸収することで、高感度の撮像素子を実現することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the length in the longitudinal direction of each second conductive type semiconductor is sequentially increased from one end on the light incident side to the other end on the opposite side. Because it is arranged, the longer the penetration length is, the more the attenuation occurs, the longer the second conductivity type semiconductor absorbs a sufficient amount of light, and uniformly absorbs light in various wavelength regions as a whole. Thus, there is an effect that a highly sensitive image sensor can be realized.

本願に開示する撮像素子は、4つの前記第2導電型半導体が配設されており、光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換することを特徴とするものである。   The image sensor disclosed in the present application includes four second conductive semiconductors, and photoelectrically converts blue light, green light, red light, and near infrared light in order from the light incident side. It is characterized by this.

このように、本願に開示する撮像素子においては、4つの第2導電型半導体が配設されており、光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換
するため、カラーフィルタを用いることなくカラーイメージセンサを実現することができるという効果を奏する。
As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the four second conductivity type semiconductors are arranged, and the blue light, the green light, the red light, and the near-infrared light are sequentially arranged from the light incident side. As a result, the color image sensor can be realized without using a color filter.

本願に開示する撮像素子は、前記複数配設された各第2導電型半導体の長手方向の長さが、当該第2導電型半導体に対する前記各入射光の侵入長以上であることを特徴とするものである。   The imaging device disclosed in the present application is characterized in that a length of each of the plurality of second conductive semiconductors arranged in a longitudinal direction is equal to or longer than a penetration length of each incident light into the second conductive semiconductor. Is.

このように、本願に開示する撮像素子においては、第2導電型の半導体の長さが、当該第2導電型半導体に対する各入射光(青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光等)の侵入長以上であるため、各入射光の吸収長をカバーして受光感度を格段に上げることができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the length of the second conductivity type semiconductor is such that each incident light (blue light, green light, red light, near infrared light, etc.) with respect to the second conductivity type semiconductor. ), The absorption length of each incident light can be covered and the light receiving sensitivity can be significantly increased.

本願に開示する撮像素子は、前記第2導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、前記第2導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えることを特徴とするものである。   The imaging device disclosed in the present application includes a reflective material that reflects the light transmitted through the second conductive semiconductor at the other end opposite to the light incident side in the second conductive semiconductor. It is characterized by.

このように、本願に開示する撮像素子においては、第2導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、第2導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えるため、反射材により第2導電型半導体を透過した光が反射され、より多くの光を吸収し、受光感度を高めることができるという効果を奏する。また、反射材を設けることで、第2導電型半導体を透過した光を再度吸収することが可能となるため、受光感度の低下を招くことなく第2導電型半導体の長さを短くして撮像素子を小型化することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the reflective material that reflects the light transmitted through the second conductive semiconductor to the other end on the side opposite to the light incident side of the second conductive semiconductor. Therefore, the light transmitted through the second conductivity type semiconductor is reflected by the reflecting material, so that more light is absorbed and the light receiving sensitivity can be increased. Further, by providing the reflecting material, it is possible to absorb the light transmitted through the second conductive type semiconductor again, so that the length of the second conductive type semiconductor is shortened without causing a decrease in the light receiving sensitivity. There exists an effect that an element can be reduced in size.

なお、第2導電型半導体が長手方向に複数配設されている場合には、光の入射方向から最も遠い位置に配設された第2導電型半導体の他端部にのみ反射材が設けられるものとする。   When a plurality of second conductivity type semiconductors are arranged in the longitudinal direction, the reflective material is provided only at the other end of the second conductivity type semiconductor arranged at the position farthest from the light incident direction. Shall.

本願に開示する撮像装置は、4つの前記第2導電型半導体が配設されており、当該4つの第2導電型半導体を光が入射する側から順番に第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体とし、前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体により形成される各空乏領域に入射された光を光電変換した信号の電荷量の割合に対応付いた波長を記憶する波長情報記憶手段と、前記4つの第2導電型半導体の空乏領域で検出された信号電荷を入力する信号入力手段と、前記信号入力手段が入力した信号電荷の信号電荷量に基づいて、次式により入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の信号電荷量を算出する信号成分演算手段と、   In the imaging device disclosed in the present application, the four second conductive semiconductors are arranged, and the first, second, and third semiconductors are sequentially arranged from the light incident side to the four second conductive semiconductors. A wavelength corresponding to a charge amount ratio of a signal obtained by photoelectrically converting light incident on each depletion region formed of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor, as the semiconductor and the fourth semiconductor. Wavelength information storage means for storing signal, signal input means for inputting signal charges detected in the depletion regions of the four second-conductivity-type semiconductors, and based on the signal charge amount of signal charges input by the signal input means A signal component calculation means for calculating the signal charge amount of the blue light, the green light, the red light, and the near infrared light in the incident light according to the following equation;

Figure 0005757614
(ただし、Bは入射光における青色光、Gは入射光における緑色光、Rは入射光における赤色光、IRは入射光における近赤外光の信号電荷量とし、Xは第1半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Yは第2半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Zは第3半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Wは第4半導体の空乏領域で検知された信号電荷量とし、aijは素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数する。)、前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量に基づいて、各信号電荷量の割合を算出し、当該算出さ
れた信号電荷量の割合に対応付けられた波長を前記波長情報記憶手段から読み出して、前記入射光の波長として決定する波長決定手段とを備えるものである。
Figure 0005757614
(B is the blue light in the incident light, G is the green light in the incident light, R is the red light in the incident light, IR is the signal charge amount of the near infrared light in the incident light, and X is the depletion region of the first semiconductor. , Y is the signal charge amount detected in the depletion region of the second semiconductor, Z is the signal charge amount detected in the depletion region of the third semiconductor, and W is detected in the depletion region of the fourth semiconductor. And a ij is a coefficient indicating the spectral characteristic of incident light determined for each element.) Based on the signal charge amount calculated by the signal component calculation means, the ratio of each signal charge amount is calculated. And a wavelength determining unit that reads out the wavelength associated with the calculated ratio of the signal charge amount from the wavelength information storage unit and determines the wavelength as the wavelength of the incident light.

このように、本願に開示する撮像装置においては、第1半導体ないし第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量から、撮像素子の分光特性を示す上記aijの行列に基づいて、入射する光の波長成分を算出することで、入射光の波長を正確に決定することができるという効果を奏する。 As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the incident light is input from the signal charge amount detected in the depletion region of the first semiconductor to the fourth semiconductor based on the matrix of a ij indicating the spectral characteristics of the imaging element. By calculating the wavelength component of light, there is an effect that the wavelength of incident light can be accurately determined.

本願に開示する撮像装置は、前記素子ごとに決まる入射光の分光特定を示す係数が、入射する光を白色光とした場合の前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとに演算された代表値であるものである。   In the imaging device disclosed in the present application, the coefficient indicating the spectral specification of incident light determined for each element is that of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor when the incident light is white light. Each signal charge amount detected in the depletion region is a representative value calculated for each of the wavelength regions divided into a plurality.

このように、本願に開示する撮像装置においては、白色光で検知された第1半導体ないし第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を用いて、複数に区分された波長領域ごとに各信号電荷量の代表値を演算し、その代表値を上記係数aijとするため、様々な波長が含まれる白色光により理想的な係数aijを得ることができ、入射光の波長成分を正確に算出することができるという効果を奏する。 As described above, in the imaging device disclosed in the present application, the signal charge amount detected in the depletion region of the first semiconductor to the fourth semiconductor detected with white light is used for each wavelength region divided into a plurality of regions. Since the representative value of the signal charge amount is calculated and the representative value is set to the coefficient a ij , an ideal coefficient a ij can be obtained from white light including various wavelengths, and the wavelength component of incident light can be accurately determined. There is an effect that it can be calculated.

本願に開示する撮像装置は、前記代表値が、前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値であるものである。   In the imaging device disclosed in the present application, the representative value is a plurality of divided wavelength regions for each signal charge amount detected in the depletion regions of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor. Or an average value calculated from the total value of the maximum charge amount and the minimum charge amount.

このように、本願に開示する撮像装置においては、前記代表値が、前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値とすることで、入射光の波長成分をより正確に算出することができるという効果を奏する。   Thus, in the imaging apparatus disclosed in the present application, the representative value is divided into a plurality of signal charge amounts detected in the depletion regions of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor. By calculating the average value calculated from the total value for each wavelength region or the average value calculated from the sum of the maximum charge amount and the minimum charge amount, the wavelength component of the incident light can be calculated more accurately. There is an effect that can be done.

本願に開示する撮像装置は、前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、前記入射する光の強度を演算する光強度演算手段を備えるものである。   The imaging device disclosed in the present application includes light intensity calculation means for calculating the intensity of the incident light based on the ratio of each signal charge amount to the total amount of signal charges in the signal charge amount calculated by the signal component calculation means. Is.

このように、本願に開示する撮像装置においては、信号電荷量算出手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、入射する光の強度を演算するため、入射光の波長が示す色だけではなく光の強度も演算することで、より高性能な撮像装置を実現することができるという効果を奏する。   Thus, in the imaging apparatus disclosed in the present application, in order to calculate the intensity of incident light based on the ratio of each signal charge amount in the signal charge amount calculated by the signal charge amount calculation unit and the total charge amount, By calculating not only the color indicated by the wavelength of the incident light but also the light intensity, there is an effect that a higher-performance imaging device can be realized.

第1の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。1 is an overall perspective view of an image sensor according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る撮像素子の加工断面図である。It is a processing sectional view of the image sensor concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る撮像素子の回路を示す図である。It is a figure which shows the circuit of the image pick-up element which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。It is a whole perspective view of the image sensor concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る撮像素子における各層の上面図である。It is a top view of each layer in the image sensor according to the second embodiment. 第2の実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the pad part in the image pick-up element which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。It is a figure which shows the process which adjusts the position of a lens in the image pick-up element which concerns on 3rd Embodiment. Bayer方式によるカラーフィルタを示す図である。It is a figure which shows the color filter by a Bayer system. カラー分離フォトダイオード方式によるカラー撮像の処理を示す図である。It is a figure which shows the process of the color imaging by a color separation photodiode system. 第4の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。It is a whole perspective view of the image sensor concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係る撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the image pick-up element which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る撮像素子において積層構造にした場合の断面図である。It is sectional drawing at the time of setting it as a laminated structure in the image pick-up element which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る撮像素子における各層の上面図である。It is an upper surface figure of each layer in an image sensor concerning a 4th embodiment. 第4の実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。It is a figure which shows the example of arrangement | positioning of the pad part in the image pick-up element which concerns on 4th Embodiment. 第4の実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。It is a figure which shows the process which adjusts the position of a lens in the image pick-up element which concerns on 4th Embodiment. 第5の実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。It is a whole perspective view of the image sensor concerning a 5th embodiment. 第6の実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the imaging device concerning a 6th embodiment. 第6の実施形態に係る撮像装置における撮像素子の断面図である。It is sectional drawing of the image pick-up element in the imaging device which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施形態に係る撮像素子において白色光を入射光とした場合の信号電荷量を示す図である。It is a figure which shows the signal charge amount when white light is made into incident light in the image sensor which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施形態に係る撮像素子において白色光が入射光である場合の波長成分の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the wavelength component in case the white light is incident light in the image pick-up element which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施形態に係る撮像素子の動作を示す第1のフローチャートである。It is a 1st flowchart which shows operation | movement of the image pick-up element which concerns on 6th Embodiment. 第6の実施形態に係る撮像素子の動作を示す第2のフローチャートである。It is a 2nd flowchart which shows operation | movement of the image pick-up element which concerns on 6th Embodiment.

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。従って、本実施形態の記載内容のみで本発明を解釈すべきではない。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。   Embodiments of the present invention will be described below. The present invention can be implemented in many different forms. Therefore, the present invention should not be construed based only on the description of the present embodiment. Also, the same reference numerals are given to the same elements throughout the present embodiment.

(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子について、図1ないし図3を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図2は、本実施形態に係る撮像素子の加工断面図、図3は、本実施形態に係る撮像素子の回路を示す図である。
(First embodiment of the present invention)
An image sensor according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. 1 is an overall perspective view of the image sensor according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the image sensor according to the present embodiment, and FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit of the image sensor according to the present embodiment. .

図1において、撮像素子1は、p型シリコン基板2と、p型シリコン基板2の上面内部であって、当該p型シリコン基板2の面方向に沿って平行に埋設された複数の棒状のn型シリコン半導体3とを備える。入射光は、図1に示すようにn型シリコン半導体3の長手方向、すなわちp型シリコン基板2の側面方向から照射され、p型シリコン基板2とn型シリコン半導体3とのpn接合部に生じる空乏領域(図示しない)で吸収され、吸収された入射光により電子正孔対が生成されて信号電荷に変換される。   In FIG. 1, an imaging device 1 includes a p-type silicon substrate 2 and a plurality of rod-like n embedded in the upper surface of the p-type silicon substrate 2 in parallel along the surface direction of the p-type silicon substrate 2. Type silicon semiconductor 3. As shown in FIG. 1, incident light is irradiated from the longitudinal direction of the n-type silicon semiconductor 3, that is, from the side surface direction of the p-type silicon substrate 2, and is generated at the pn junction between the p-type silicon substrate 2 and the n-type silicon semiconductor 3. Absorbed in a depletion region (not shown), electron-hole pairs are generated by the absorbed incident light and converted into signal charges.

n型シリコン半導体3の長さLは、少なくとも入射する光のシリコンに対する侵入長以上であることが望ましい。ここでは主に、波長が長く受光感度が良くない近赤外線を例に説明する。近赤外線の波長は約780nm〜1100nm程度であり、シリコンに対する平均侵入長は数十μmである。したがって、Lの値は数十μm〜数百μm程度にするのが望ましい。   The length L of the n-type silicon semiconductor 3 is preferably at least equal to or greater than the penetration length of incident light into silicon. Here, a description will be given mainly using near infrared rays having a long wavelength and poor light receiving sensitivity. The wavelength of near infrared rays is about 780 nm to 1100 nm, and the average penetration length with respect to silicon is several tens of μm. Therefore, it is desirable that the value of L is about several tens of μm to several hundreds of μm.

また、p型シリコン基板2の側面2aとn型シリコン半導体3の側面31との距離Wは、p型シリコン基板2の側面から照射された近赤外線が、このp型シリコン基板2の側面部のシリコンにより減衰してしまうことを防止するために、ダイシング等を施すことで極力短く加工する。図2に示すように、図2(A)の斜線部で示す領域により近赤外線が減
衰することを防止するために、図2(B)に示すように側面部のシリコンを切削する。
The distance W between the side surface 2a of the p-type silicon substrate 2 and the side surface 31 of the n-type silicon semiconductor 3 is such that near infrared rays irradiated from the side surface of the p-type silicon substrate 2 are In order to prevent it from being attenuated by silicon, it is processed as short as possible by applying dicing or the like. As shown in FIG. 2, in order to prevent near-infrared rays from being attenuated by the shaded area in FIG. 2A, the silicon on the side surface is cut as shown in FIG.

入射光をn型シリコン半導体3の長手方向から照射することで、少なくとも侵入長程度の長さLを有するn型シリコン半導体3とp型シリコン基板2との間に生じる、長手方向に延在する空乏領域を近赤外線が通過するため、近赤外線が吸収される機会が増え受光感度が高くなる。また、p型シリコン基板2の側面2aとn型シリコン半導体3の側面31との距離Wは、最小限の長さにまで切削されるため、入射する近赤外線の減衰を最小限に抑えられ、さらに受光感度が高くなる。   By irradiating incident light from the longitudinal direction of the n-type silicon semiconductor 3, it extends in the longitudinal direction generated between the n-type silicon semiconductor 3 having a length L at least about the penetration length and the p-type silicon substrate 2. Since the near infrared ray passes through the depletion region, the opportunity to absorb the near infrared ray is increased and the light receiving sensitivity is increased. Further, since the distance W between the side surface 2a of the p-type silicon substrate 2 and the side surface 31 of the n-type silicon semiconductor 3 is cut to a minimum length, attenuation of incident near-infrared rays can be minimized, Furthermore, the light receiving sensitivity is increased.

図1に示すように、p型シリコン基板2の下面部を、p型シリコン基板2の厚さTに対して、少なくとも空乏領域が形成される程度の厚さtにまで削り落とす加工を施すことで、撮像素子1を小型化し様々な装置に応用することが可能となる。   As shown in FIG. 1, the lower surface portion of the p-type silicon substrate 2 is subjected to a process of scraping off the thickness T of the p-type silicon substrate 2 to at least a thickness t at which a depletion region is formed. Thus, the image pickup device 1 can be reduced in size and applied to various devices.

次に、吸収した近赤外線の電荷信号への変換について説明する。図3(A)は、撮像素子1の上面図であり、n型シリコン半導体3における近赤外線が入射される側面31と反対側の側面32に隣接して設けられる変換回路部5と、当該変換回路部5に隣接しn型シリコン半導体3の上面に変換回路部5と電気的に接続するパッド6とを備える。図3(B)は、変換回路部5の回路図である。pn接合部でフォトダイオードが受光すると、光電変換に伴う信号キャリアが生成される。この信号キャリアがpn接合部のフォトダイオードの接合容積に蓄積されることで、フォトダイオードのカソード電位が変化する。AMIトランジスタが、このカソード電位変化を電流に変換し、I/V変換回路が電流を信号電圧に変換する。バイアス電圧PixVbは、フォトダイオードのリセット信号を与え、PixRstは、フォトダイオードをリセット電圧に初期化する論理信号である。変換された信号電圧は、パッド6を介して外部の装置へ出力される。   Next, the conversion of the absorbed near infrared ray into a charge signal will be described. FIG. 3A is a top view of the image sensor 1, and the conversion circuit unit 5 provided adjacent to the side surface 32 opposite to the side surface 31 on which the near infrared rays are incident in the n-type silicon semiconductor 3, and the conversion A pad 6 adjacent to the circuit unit 5 and electrically connected to the conversion circuit unit 5 is provided on the upper surface of the n-type silicon semiconductor 3. FIG. 3B is a circuit diagram of the conversion circuit unit 5. When the photodiode receives light at the pn junction, a signal carrier accompanying photoelectric conversion is generated. By accumulating the signal carrier in the junction volume of the photodiode at the pn junction, the cathode potential of the photodiode changes. The AMI transistor converts this cathode potential change into a current, and the I / V conversion circuit converts the current into a signal voltage. The bias voltage PixVb provides a photodiode reset signal, and PixRst is a logic signal that initializes the photodiode to the reset voltage. The converted signal voltage is output to an external device via the pad 6.

なお、p型シリコン基板2とn型シリコン半導体3のp型とn型は反転してもよい。また、本実施形態に係る撮像素子はラインセンサとして機能するものである。   Note that the p-type and n-type of the p-type silicon substrate 2 and the n-type silicon semiconductor 3 may be reversed. In addition, the image sensor according to the present embodiment functions as a line sensor.

(本発明の第2の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子について、図4ないし図6を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図5は、本実施形態に係る撮像素子における各層の上面図、図6は、本実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図である。
(Second embodiment of the present invention)
An image sensor according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an overall perspective view of the image sensor according to the present embodiment, FIG. 5 is a top view of each layer in the image sensor according to the present embodiment, and FIG. 6 is an example of the arrangement of pad portions in the image sensor according to the present embodiment. FIG.

本実施形態に係る撮像素子は、第1の実施形態に係る撮像素子を複数層に積層してイメージセンサとしたものである。なお、本実施形態において前記第1の実施形態と重複する説明は省略する。   The image sensor according to the present embodiment is an image sensor in which the image sensor according to the first embodiment is stacked in a plurality of layers. In addition, in this embodiment, the description which overlaps with the said 1st Embodiment is abbreviate | omitted.

図4に示すように、本実施形態に係る撮像素子1は、第1の実施形態に係るラインセンサとしての撮像素子1を複数層に積層し、側面部から光を受光する。複数に積層されることで、撮像素子1の側面に二次元のマトリックス状で画素を配置することができ、前記第1の実施形態に係るラインセンサをイメージセンサとして利用することができる。また、より多くの画素を配置して解像度を上げるために、図1に示すように、厚さTのp型シリコン基板2を残厚tになるまで加工する。このとき、積層された撮像素子1の解像度を上げるという観点から、残厚tができる限り小さくなるように薄く加工する。   As illustrated in FIG. 4, the image sensor 1 according to the present embodiment includes a plurality of layers of the image sensor 1 as a line sensor according to the first embodiment, and receives light from a side surface portion. By stacking a plurality of pixels, pixels can be arranged in a two-dimensional matrix on the side surface of the image sensor 1, and the line sensor according to the first embodiment can be used as an image sensor. In order to increase the resolution by arranging more pixels, as shown in FIG. 1, the p-type silicon substrate 2 having a thickness T is processed until the remaining thickness t is reached. At this time, from the viewpoint of increasing the resolution of the stacked image pickup devices 1, the thin film is processed so that the remaining thickness t is as small as possible.

図5は、撮像素子1の各層におけるn型シリコン半導体3、変換回路部5、及びパッド6の配置例を示している。図5(A)が最上層のラインセンサ、図5(B)が最上層から2番目のラインセンサ、図5(C)が最上層から3番目のラインセンサ、図5(D)が最上層からn番目のラインセンサを示している。図5に示すように、上層から下層になるに連れて、変換回路部5とパッド6との距離が順次大きくなっている。この各層を積層した
ものを図6に示す。
FIG. 5 shows an arrangement example of the n-type silicon semiconductor 3, the conversion circuit unit 5, and the pad 6 in each layer of the image sensor 1. 5A is the top line sensor, FIG. 5B is the second line sensor from the top layer, FIG. 5C is the third line sensor from the top layer, and FIG. 5D is the top layer. The nth line sensor is shown. As shown in FIG. 5, the distance between the conversion circuit unit 5 and the pad 6 increases sequentially from the upper layer to the lower layer. A stack of these layers is shown in FIG.

図6に示すように、変換回路部5とパッド6との距離を層ごとに異ならせることで、各ラインセンサごとの情報を、パッド6を介して取り出すことができる。このように、各層ごとに情報が取り出せることで、イメージセンサとして活用することができる。   As shown in FIG. 6, information for each line sensor can be taken out via the pad 6 by changing the distance between the conversion circuit unit 5 and the pad 6 for each layer. In this way, information can be extracted for each layer, and can be used as an image sensor.

なお、ここでは、下層になるに連れて、一の方向(図6においては左方向)にのみパッド6の配置を異ならせる構成としたが、撮像素子1を設置する位置や装置に応じて複数方向(例えば、光の照射方向以外の3方向)にパッド6の配置が異ならせるような構成としてもよい。   Here, the arrangement of the pads 6 is varied only in one direction (leftward in FIG. 6) as the lower layer is reached, but there are a plurality of arrangements depending on the position and device where the image sensor 1 is installed. The arrangement of the pads 6 may be different in the direction (for example, three directions other than the light irradiation direction).

(本発明の第3の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子について、図7を用いて説明する。図7は、本実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。
(Third embodiment of the present invention)
The image sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating processing for adjusting the position of the lens in the image sensor according to the present embodiment.

本実施形態に係る撮像素子は、レンズの上下位置を連続的にシフトさせることで入射光の光軸を補正し、レンズの表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成するものである。なお、本実施形態において上記第1、第2の実施形態と重複する説明は省略する。   The image pickup device according to the present embodiment corrects the optical axis of incident light by continuously shifting the vertical position of the lens, and partially receives light from the display target of the lens while displaying an image of the entire display target. Is to be generated. In addition, in this embodiment, the description which overlaps with the said 1st, 2nd embodiment is abbreviate | omitted.

図7において、撮像素子1における光が入射する方向にレンズ7が設けられており、このレンズ7が、レンズ変動部(図示しない)の制御により上下方向に連続的にシフトする動作を行う。レンズ7の位置を変動させることで入射する光の光軸を補正し、表示対象からの光を部分的に受光しながら全体のイメージを生成して、解像度を上げることができる。図7(A)は、p型シリコン基板2の厚さT程度の補正を行って解像度を上げる場合の図を示している。図7(B)は、撮像区域を複数の区分に分割しており(ここでは3つの区分に分割)、各区分ごとに撮像することで、最終的に解像度を大幅に上げることが可能となっている。   In FIG. 7, a lens 7 is provided in a direction in which light in the image sensor 1 is incident, and this lens 7 performs an operation of continuously shifting in the vertical direction under the control of a lens changing unit (not shown). By changing the position of the lens 7, the optical axis of the incident light is corrected, and the entire image is generated while partially receiving the light from the display target, thereby increasing the resolution. FIG. 7A shows a case where the resolution is increased by correcting the thickness T of the p-type silicon substrate 2 by about T. In FIG. 7B, the imaging area is divided into a plurality of sections (here, divided into three sections), and by finally capturing an image for each section, it becomes possible to greatly increase the resolution finally. ing.

なお、レンズ7及びレンズ変動部の機構は、一般的に利用されている手ブレ補正等の技術を用いることで容易に実現できる。   In addition, the mechanism of the lens 7 and the lens fluctuation | variation part can be easily implement | achieved by using techniques, such as camera shake correction generally utilized.

(本発明の第4の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子について、図8ないし図15を用いて説明する。図8は、Bayer方式によるカラーフィルタを示す図、図9は、カラー分離フォトダイオード方式によるカラー撮像の処理を示す図、図10は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図、図11は、本実施形態に係る撮像素子の断面図、図12は、本実施形態に係る撮像素子において積層構造にした場合の断面図、図13は、本実施形態に係る撮像素子における各層の上面図、図14は、本実施形態に係る撮像素子におけるパッド部の配置例を示す図、図15は、本実施形態に係る撮像素子においてレンズの位置を調整する処理を示す図である。
(Fourth embodiment of the present invention)
The image sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 8 is a diagram illustrating a color filter using the Bayer method, FIG. 9 is a diagram illustrating color imaging processing using a color separation photodiode method, FIG. 10 is an overall perspective view of the image sensor according to the present embodiment, and FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of the imaging device according to the present embodiment in a stacked structure, and FIG. 13 is a top view of each layer in the imaging device according to the present embodiment. FIG. 14 is a diagram illustrating an arrangement example of pad portions in the image sensor according to the present embodiment, and FIG. 15 is a diagram illustrating processing for adjusting the lens position in the image sensor according to the present embodiment.

カラーイメージセンサにおける分光技術として、図8に示すBayer方式が実現されている。このBayer方式は、特定の波長領域の光を通過するカラーフィルタを用いており、緑(G)のフィルタが市松、赤(R)及び青(B)のフィルタが線順次に画素上に配列されている。図8に示すように2つの緑、赤及び青の4画素で3原色の色データを生成してカラーイメージの撮影を実現している。   As a spectroscopic technique in the color image sensor, the Bayer method shown in FIG. 8 is realized. This Bayer method uses a color filter that transmits light in a specific wavelength region, and a green (G) filter is arranged on a pixel in a line-sequential manner with red (R) and blue (B) filters. ing. As shown in FIG. 8, color image shooting is realized by generating color data of three primary colors by two pixels of two green, red, and blue.

この方式を用いた場合、それぞれのカラーフィルタを有する画素は、そのカラー以外の光をカットすることとなり、吸収できる光量が低下してしまう。また、カラーフィルタの
作成は、通常の半導体(CMOS)の製造プロセスに含まれておらず、カラーフィルタを作成するための別工程が必要となってしまい、作業が煩雑で効率が悪くなってしまう。
When this method is used, each pixel having a color filter cuts light other than the color, and the amount of light that can be absorbed decreases. Also, the creation of the color filter is not included in the normal semiconductor (CMOS) manufacturing process, and a separate process for creating the color filter is required, which makes the work complicated and inefficient. .

図9に示すカラー分離フォトダイオード方式は、カラーイメージセンサにおける他の分光技術である。図9に示すように、p型シリコン基板上にn型、p型、n型シリコン層を交互に積層した画素を有し、シリコンに対する光の侵入長が波長により異なる特徴を利用してカラー撮影を実現している。侵入長が短い青色光は浅部のpn接合部で電子正孔対を生成し、侵入長が青色光よりも長い緑色光は中間部のpn接合部で電子正孔対を生成し、侵入長が緑色光よりも長い赤色光は深部のpn接合部で電子正孔対を生成する。   The color separation photodiode method shown in FIG. 9 is another spectroscopic technique in a color image sensor. As shown in FIG. 9, color imaging is performed using a feature that has pixels in which n-type, p-type, and n-type silicon layers are alternately stacked on a p-type silicon substrate, and the penetration depth of light into silicon varies depending on the wavelength. Is realized. Blue light with a short penetration depth generates electron-hole pairs at the shallow pn junction, and green light with a penetration depth longer than blue light generates electron-hole pairs at the middle pn junction. Red light, which is longer than green light, generates electron-hole pairs at the deep pn junction.

1画素中の各pn接合部で生成された電子正孔対から3原色の色データを生成するため、画素の利用効率は図8のBayer方式よりも優れている。また、カラーフィルタを用いないため、利用できる光量の損失を抑え受光感度の向上を期待することができる。しかしながら、緑色光、及び赤色光のシリコンに対する侵入長は数十μmに及ぶため、p型シリコン基板の表面から数十μmの深さの領域にn型シリコンの層を作製する必要があり、特別な製造工程の追加が必要となる。また、信号電極が各色で独立していないため、3色の信号を分離する処理が別途必要となる。   Since the primary color data is generated from the electron-hole pairs generated at each pn junction in one pixel, the pixel utilization efficiency is superior to the Bayer method of FIG. In addition, since no color filter is used, it is possible to expect an improvement in light receiving sensitivity by suppressing a loss of available light amount. However, since the penetration length of green light and red light into silicon reaches several tens of μm, it is necessary to form an n-type silicon layer in a region several tens of μm deep from the surface of the p-type silicon substrate. Additional manufacturing steps are required. Further, since the signal electrodes are not independent for each color, a separate process for separating the signals of the three colors is required.

撮像素子1は、n型シリコン半導体3が、長手方向に複数配設されており、入射する光の波長領域に応じた侵入長に対応して、複数のn型シリコン半導体3がp型シリコン基板2に埋設されているものである。つまり、波長領域に応じた色の光を光電変換することができるカラーラインセンサ、及びカラーイメージセンサを実現する。   In the imaging device 1, a plurality of n-type silicon semiconductors 3 are arranged in the longitudinal direction, and the plurality of n-type silicon semiconductors 3 are p-type silicon substrates corresponding to the penetration length corresponding to the wavelength region of incident light. 2 is embedded. That is, a color line sensor and a color image sensor that can photoelectrically convert light of a color corresponding to a wavelength region are realized.

図10は、本実施形態に係る撮像素子1の全体斜視図である。図1に示す撮像素子1と異なるのは、n型シリコン半導体3が4つ配設されていることである。図10において、n型シリコン半導体3aが青色光検知用のシリコン半導体、n型シリコン半導体3bが緑色光検知用のシリコン半導体、n型シリコン半導体3cが赤色光検知用のシリコン半導体、n型シリコン半導体3dが近赤外光検知用のシリコン半導体である。この順番は、シリコンに対する光の侵入長が青色光<緑色光<赤色光<近赤外光であることに基づいており、光の入射方向に沿って青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を検知するためのpn接合部が形成されている。これらのpn接合部は、それぞれが独立しているため、各色の信号を個々に取り出すことが可能となる。   FIG. 10 is an overall perspective view of the image sensor 1 according to the present embodiment. The difference from the image sensor 1 shown in FIG. 1 is that four n-type silicon semiconductors 3 are arranged. In FIG. 10, an n-type silicon semiconductor 3a is a silicon semiconductor for detecting blue light, an n-type silicon semiconductor 3b is a silicon semiconductor for detecting green light, an n-type silicon semiconductor 3c is a silicon semiconductor for detecting red light, and an n-type silicon semiconductor. 3d is a silicon semiconductor for detecting near infrared light. This order is based on the fact that the penetration depth of light into silicon is blue light <green light <red light <near infrared light, and blue light, green light, red light, and near light along the light incident direction. A pn junction for detecting infrared light is formed. Since these pn junctions are independent from each other, it is possible to individually extract signals of each color.

図11は、図10における撮像素子1の断面図であり、複数(4つ)配設された各n型シリコン半導体3は、光の入射方向(長手方向)に対して、入射光を分光できる最適な長さに設定されて形成される。入射する光の光量の99%が吸収されるシリコンへの侵入長を99%侵入長と定義すると、青色光(波長範囲が430nm〜490nm)の99%侵入長は0.3μm〜2.3μm、緑色光(波長範囲が490nm〜550nm)の99%侵入長は1.1μm〜5.0μm、赤色光(波長範囲が640nm〜780nm)の99%侵入長は6.2μm〜40μm、近赤色光(波長範囲が780nm〜)の99%侵入長は40μm〜である。したがって、例えば図11に示すように各n型シリコン半導体3a〜3dの長さと位置とを設定することで、入射光を正確で効率的に分光することができるようになる。   FIG. 11 is a cross-sectional view of the image sensor 1 in FIG. 10, and each of the n-type silicon semiconductors 3 arranged in a plurality (four) can split incident light with respect to the light incident direction (longitudinal direction). The optimal length is set and formed. If the penetration length into silicon in which 99% of the amount of incident light is absorbed is defined as 99% penetration length, the 99% penetration length of blue light (wavelength range is 430 nm to 490 nm) is 0.3 μm to 2.3 μm, 99% penetration length for green light (wavelength range 490 nm to 550 nm) is 1.1 μm to 5.0 μm, 99% penetration length for red light (wavelength range 640 nm to 780 nm) is 6.2 μm to 40 μm, near red light ( The 99% penetration length in the wavelength range from 780 nm is 40 μm. Therefore, for example, by setting the length and position of each of the n-type silicon semiconductors 3a to 3d as shown in FIG. 11, the incident light can be accurately and efficiently dispersed.

なお、このとき第1の実施形態における図2の場合と同様に、p型シリコン基板2の側面2aとn型シリコン半導体3aの側面31との距離Wは、入射光の減衰を最小限に抑えるために極力短く加工する。好ましくはW<0.8μmとする。また、ここではn型シリコン半導体3を4つ配設し、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光をそれぞれ検知することとしたが、例えば3つに分割して青色光、緑色光、及び赤色光をそれぞれ検知する等、n型シリコン半導体3の分割数、それぞれの配置や機能は適宜設計できるものである。
さらに、ここで図10、及び図11に示す撮像素子は、ラインセンサとして機能するものである。
At this time, similarly to the case of FIG. 2 in the first embodiment, the distance W between the side surface 2a of the p-type silicon substrate 2 and the side surface 31 of the n-type silicon semiconductor 3a minimizes attenuation of incident light. Therefore, process as short as possible. Preferably, W <0.8 μm. Here, four n-type silicon semiconductors 3 are arranged to detect blue light, green light, red light, and near-infrared light, respectively. The number of divisions of the n-type silicon semiconductor 3 and the arrangement and function of each can be designed as appropriate, such as detecting light and red light, respectively.
Furthermore, the image sensor shown in FIGS. 10 and 11 functions as a line sensor.

図10、及び図11に示すラインセンサとしての撮像素子1は、図12に示すように複数層に積層することで、第2の実施形態に係る撮像素子1と同様にイメージセンサを実現することができる。ここでも、p型シリコン基板2の厚さTを残厚tになるまで加工し、積層された撮像素子1の解像度を上げるという観点から、少なくともn型シリコン半導体3と空乏領域を残しつつ、残厚tをできる限り薄く加工する。   The image sensor 1 as a line sensor shown in FIG. 10 and FIG. 11 realizes an image sensor in the same manner as the image sensor 1 according to the second embodiment by stacking in a plurality of layers as shown in FIG. Can do. Again, from the viewpoint of processing the thickness T of the p-type silicon substrate 2 until the remaining thickness t is increased and increasing the resolution of the stacked image pickup device 1, at least the n-type silicon semiconductor 3 and the depletion region are left while remaining. The thickness t is processed as thin as possible.

ラインセンサを積層してイメージセンサを実現する場合、各ラインセンサへの電源、信号の供給、又はそれらを取り出す必要がある。図13は、図5と同様に撮像素子1の各層におけるn型シリコン半導体3(3a〜3d)、変換回路部5、及びパッド6の配置例を示している。図13(A)が最上層のラインセンサ、図13(B)が最上層から2番目のラインセンサ、図13(C)が最上層から3番目のラインセンサ、図13(D)が最上層からn番目のラインセンサを示している。図13に示すように、上層から下層になるに連れて、変換回路部5とパッド6との距離が順次大きくなっている。この各層を積層したものを図14に示す。   When line sensors are stacked to realize an image sensor, it is necessary to supply power to each line sensor, supply signals, or take them out. FIG. 13 shows an arrangement example of the n-type silicon semiconductors 3 (3a to 3d), the conversion circuit unit 5, and the pads 6 in each layer of the image sensor 1, as in FIG. 13A is the top layer sensor, FIG. 13B is the second line sensor from the top layer, FIG. 13C is the third line sensor from the top layer, and FIG. 13D is the top layer. The nth line sensor is shown. As shown in FIG. 13, the distance between the conversion circuit unit 5 and the pad 6 increases sequentially from the upper layer to the lower layer. A laminate of these layers is shown in FIG.

図14に示すように、変換回路部5とパッド6との距離を層ごとに異ならせることで、各ラインセンサごとの情報を色情報を含めて、パッド6を介して取り出すことができる。このように、各層ごとに情報が取り出せることで、イメージセンサとして活用することができると共に、ボンディングワイヤとパッド6との接続加工を容易にすることができる。   As shown in FIG. 14, by changing the distance between the conversion circuit unit 5 and the pad 6 for each layer, the information for each line sensor can be extracted through the pad 6 including the color information. Thus, by being able to take out information for each layer, it can be used as an image sensor, and the bonding process between the bonding wire and the pad 6 can be facilitated.

図15に、カラーイメージセンサとしての撮像素子1の解像度を改善する方法として、第3の実施形態に係る撮像素子と同様に、レンズの位置を調整する処理を示す。ここでも、第3の実施形態の場合と同様に、レンズ7の上下位置を連続的にシフトさせることで入射光の光軸を補正し、レンズ7の表示対象からの光を部分的に受光しながら表示対象全体のイメージを生成することで解像度を上げることができる。   FIG. 15 shows a process for adjusting the position of the lens, as with the image sensor according to the third embodiment, as a method for improving the resolution of the image sensor 1 as a color image sensor. Here again, as in the case of the third embodiment, the optical axis of the incident light is corrected by continuously shifting the vertical position of the lens 7 and the light from the display object of the lens 7 is partially received. However, the resolution can be increased by generating an image of the entire display target.

なお、レンズ7及びレンズ変動部の機構は、一般的に利用されている手ブレ補正等の技術を用いることで容易に実現できる。   In addition, the mechanism of the lens 7 and the lens fluctuation | variation part can be easily implement | achieved by using techniques, such as camera shake correction generally utilized.

このように、本実施形態に係る撮像素子は、特別なフィルタ等を設けることなく、簡単に波長領域に応じた色の光を光電変換することができ、カラーイメージセンサとして機能させることができる。また、n型シリコン半導体3の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように埋設されているため、侵入長が長く減衰が多く発生する光ほどn型シリコン半導体3を長くして十分な量の光を吸収し、全体として様々な波長領域における光を均一に吸収することで、高感度の撮像素子を実現することができる。   As described above, the image sensor according to the present embodiment can easily photoelectrically convert light of a color corresponding to the wavelength region without providing a special filter or the like, and can function as a color image sensor. Further, since the length in the longitudinal direction of the n-type silicon semiconductor 3 is embedded so as to increase sequentially from one end portion on the light incident side to the other end portion on the opposite side, the intrusion length is long and attenuated. As the amount of light generated increases, the n-type silicon semiconductor 3 is lengthened to absorb a sufficient amount of light, and the light in various wavelength regions as a whole is uniformly absorbed, thereby realizing a highly sensitive imaging device. .

(第5の実施形態)
本実施形態に係る撮像素子について、図16を用いて説明する。図16は、本実施形態に係る撮像素子の全体斜視図である。図16(A)は、n型シリコン半導体3の長手方向に一のn型シリコン半導体3を配設した場合であり、図16(B)は、n型シリコン半導体3の長手方向に4つのn型シリコン半導体3を配設した場合である。
(Fifth embodiment)
An image sensor according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 is an overall perspective view of the image sensor according to the present embodiment. FIG. 16A shows a case where one n-type silicon semiconductor 3 is arranged in the longitudinal direction of the n-type silicon semiconductor 3, and FIG. 16B shows four n in the longitudinal direction of the n-type silicon semiconductor 3. This is a case where the type silicon semiconductor 3 is disposed.

図16に示すように、n型シリコン半導体3における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に、n型シリコン半導体3を透過した光を反射させる反射材8を備えている。この反射材は、例えば、エッチング等の技術によりp型シリコン基板2に反射材を埋め込むための溝を形成し、そこにアルミニウム等の反射材8を埋設することで形成することがで
きる。
As shown in FIG. 16, a reflecting material 8 that reflects the light transmitted through the n-type silicon semiconductor 3 is provided at the other end of the n-type silicon semiconductor 3 opposite to the light incident side. This reflecting material can be formed, for example, by forming a groove for embedding the reflecting material in the p-type silicon substrate 2 by a technique such as etching and embedding the reflecting material 8 such as aluminum therein.

このように、反射材8を備えることで、n型シリコン半導体3を透過した光を反射材8により反射させて、より多くの光を吸収し、受光感度を高めることができる。また、反射材8を設けることで、n型シリコン半導体3を透過した光を再度吸収することが可能となるため、図16(A)に示すn型シリコン半導体3の長さを短くした場合であっても、受光感度の低下を招くことなく撮像素子を小型化することが可能となる。   Thus, by providing the reflecting material 8, the light transmitted through the n-type silicon semiconductor 3 is reflected by the reflecting material 8 to absorb more light, and the light receiving sensitivity can be increased. Further, by providing the reflecting material 8, it is possible to absorb the light transmitted through the n-type silicon semiconductor 3 again. Therefore, when the length of the n-type silicon semiconductor 3 shown in FIG. Even if it exists, it becomes possible to miniaturize an image pick-up element, without causing the fall of a light receiving sensitivity.

なお、図16(B)に示すように、n型シリコン半導体3が長手方向に複数配設されている場合には、光の入射方向から最も遠い位置に配設されたn型シリコン半導体3dの他端部にのみ反射材8が設けられる。   As shown in FIG. 16B, when a plurality of n-type silicon semiconductors 3 are arranged in the longitudinal direction, the n-type silicon semiconductor 3d arranged at the farthest position from the incident direction of light. The reflective material 8 is provided only at the other end.

以上の前記各実施形態により本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態に記載の範囲には限定されず、これら各実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。   Although the present invention has been described with the above embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the embodiments, and various modifications or improvements can be added to these embodiments. .

(第6の実施形態)
本実施形態に係る撮像装置について図17ないし図22を用いて説明する。図17は、本実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図、図18は、本実施形態に係る撮像装置における撮像素子の断面図、図19は、本実施形態に係る撮像素子において白色光を入射光とした場合の信号電荷量を示す図、図20は、本実施形態に係る撮像素子において白色光が入射光である場合の波長成分の特性を示す図、図21は、本実施形態に係る撮像素子の動作を示す第1のフローチャート、図22は、本実施形態に係る撮像素子の動作を示す第2のフローチャートである。
(Sixth embodiment)
An imaging apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a functional block diagram of the imaging device according to the present embodiment, FIG. 18 is a cross-sectional view of the imaging device in the imaging device according to the present embodiment, and FIG. 19 is incident white light in the imaging device according to the present embodiment. FIG. 20 is a diagram illustrating a signal charge amount when light is used, FIG. 20 is a diagram illustrating characteristics of a wavelength component when white light is incident light in the image sensor according to the present embodiment, and FIG. 21 is a diagram according to the present embodiment. A first flowchart showing the operation of the image sensor, and FIG. 22 is a second flowchart showing the operation of the image sensor according to the present embodiment.

図17において、撮像装置10は、撮像素子1と信号入力部11と係数算出部12と信号成分演算部13と波長情報記憶部14と波長決定部15と係数情報記憶部16とを備える。図18に示すように、撮像素子1は、図10に示す場合と同様に、複数(4つ)配設されたn型シリコン半導体3(3a〜3d)を有しており、ここでは、光の入射方向(長手方向)から順番に第1半導体(n型シリコン半導体3a)、第2半導体(n型シリコン半導体3b)、第3半導体(n型シリコン半導体3c)及び第4半導体(n型シリコン半導体3d)とする。第1半導体は青色光検出用であり、第2半導体は緑色光検出用であり、第3半導体は赤色光検出用であり、第4半導体は近赤外光検出用である。それぞれの第1半導体ないし第4半導体の長手方向の長さ及び配置は、図18に示す通りとする。   In FIG. 17, the imaging apparatus 10 includes an imaging device 1, a signal input unit 11, a coefficient calculation unit 12, a signal component calculation unit 13, a wavelength information storage unit 14, a wavelength determination unit 15, and a coefficient information storage unit 16. As shown in FIG. 18, the image pickup device 1 has a plurality (four) of n-type silicon semiconductors 3 (3a to 3d) arranged in the same manner as in the case shown in FIG. The first semiconductor (n-type silicon semiconductor 3a), second semiconductor (n-type silicon semiconductor 3b), third semiconductor (n-type silicon semiconductor 3c) and fourth semiconductor (n-type silicon) in order from the incident direction (longitudinal direction) of Semiconductor 3d). The first semiconductor is for detecting blue light, the second semiconductor is for detecting green light, the third semiconductor is for detecting red light, and the fourth semiconductor is for detecting near-infrared light. The lengths and arrangements of the first semiconductor to the fourth semiconductor in the longitudinal direction are as shown in FIG.

図17において、信号入力部11は、撮像素子1のパッド6から出力された信号を入力する。係数算出部12は、信号入力部11で入力された信号電荷量から、下記の式(1)における係数aijを算出し、係数情報記憶部16に記憶しておく。 In FIG. 17, the signal input unit 11 inputs a signal output from the pad 6 of the image sensor 1. The coefficient calculation unit 12 calculates a coefficient a ij in the following equation (1) from the signal charge amount input by the signal input unit 11 and stores it in the coefficient information storage unit 16.

Figure 0005757614
ここで、Bは入射光における青色光、Gは入射光における緑色光、Rは入射光における赤色光、IRは入射光における近赤外光の信号電荷量であり、Xは第1半導体で検知された信号電荷量、Yは第2半導体で検知された信号電荷量、Zは第3半導体で検知された信号電荷量、Wは第4半導体で検知された信号電荷量とし、aijは素子ごとに決まる入射光
の分光特性を示す係数である。
Figure 0005757614
Here, B is blue light in the incident light, G is green light in the incident light, R is red light in the incident light, IR is a signal charge amount of near infrared light in the incident light, and X is detected by the first semiconductor. Y is the signal charge amount detected by the second semiconductor, Y is the signal charge amount detected by the third semiconductor, W is the signal charge amount detected by the fourth semiconductor, and a ij is the element It is a coefficient indicating the spectral characteristics of incident light determined for each.

式(1)についてより詳細に説明する。上記のように、第1半導体ないし第4半導体の空乏領域で検出される信号電荷量をX、Y、Z、Wとし、入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の波長成分に対応する信号電荷量をB、G、R、IRとすると、次式の関係が成り立つ。   Formula (1) will be described in more detail. As described above, the signal charges detected in the depletion regions of the first semiconductor to the fourth semiconductor are X, Y, Z, and W, and the wavelengths of blue light, green light, red light, and near-infrared light in incident light. When the signal charge amounts corresponding to the components are B, G, R, and IR, the following relationship is established.

Figure 0005757614
つまり、入射光における波長成分は、式(2)に{aij-1を掛けた式(1)により求めることができる。
Figure 0005757614
That is, the wavelength component in the incident light can be obtained by Expression (1) obtained by multiplying Expression (2) by {a ij } −1 .

上記式(1)、(2)における係数aijの求め方について、図19を用いて説明する。図19は、撮像素子1に均一な白色光を入射光として照射させた場合に、第1半導体ないし第4半導体で形成されるPN接合領域で変換される入射光の波長成分に対応する信号電荷量(X、Y、Z、W)の特性を示している。なお、縦軸の信号電荷量は任意の単位であり、値については自由に設定できるものとする。 A method for obtaining the coefficient a ij in the equations (1) and (2) will be described with reference to FIG. FIG. 19 shows a signal charge corresponding to the wavelength component of incident light converted in the PN junction region formed of the first semiconductor to the fourth semiconductor when the imaging device 1 is irradiated with uniform white light as incident light. The characteristics of the quantities (X, Y, Z, W) are shown. The signal charge amount on the vertical axis is an arbitrary unit, and the value can be freely set.

図19に示すように、入射光が白色光であることから、各PN接合領域において様々な波長成分が検出されていることがわかる。このように検出された波長成分から、まず、横軸の波長を複数の領域に区分する。区分の方法は、任意に設定することができるが、ここでは、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の波長範囲に対応させて、図19に示すように、0〜465nm(第1波長領域とする)、465〜560nm(第2波長領域とする)、560〜760nm(第3波長領域とする)及び760nm〜(第4波長領域とする)の区分に分けている。また、各信号電荷量の曲線が交差している点の波長を境目にして区分を分けるようにしてもよい。図19の場合は、たまたま各曲線の交差している点の波長が各色の波長範囲に一致しているが、実際には必ずしも一致しない場合もある。   As shown in FIG. 19, since the incident light is white light, it can be seen that various wavelength components are detected in each PN junction region. From the wavelength components thus detected, first, the wavelength on the horizontal axis is divided into a plurality of regions. The classification method can be arbitrarily set, but here, it corresponds to the wavelength range of blue light, green light, red light, and near infrared light, as shown in FIG. 1 wavelength region), 465 to 560 nm (second wavelength region), 560 to 760 nm (third wavelength region), and 760 nm to (fourth wavelength region). Further, the division may be made with the wavelength at the point where the curves of the signal charge amounts intersect as a boundary. In the case of FIG. 19, the wavelengths of the points where the curves intersect each other coincide with the wavelength ranges of the respective colors, but there are cases where the wavelengths do not necessarily coincide.

このように区分した各波長領域ごとに、以下の演算を行ってaijを決定する。a11は、第1波長領域において第1半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a21は、第1波長領域において第2半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a31は、第1波長領域において第3半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a41は、第1波長領域において第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。 For each wavelength region thus divided , a ij is determined by performing the following calculation. a 11 is an average value obtained by summing up signal charges detected in the depletion region of the first semiconductor in the first wavelength region, and a 21 is detected in the depletion region of the second semiconductor in the first wavelength region. A 31 is an average value obtained by aggregating the signal charge amounts detected in the depletion region of the third semiconductor in the first wavelength region, and a 41 is The average value obtained by summing up the signal charge amounts detected in the depletion region of the fourth semiconductor in the first wavelength region is used.

同様に、a12は、第2波長領域において第1半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a22は、第2波長領域において第2半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a32は、第2波長領域において第3半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a42は、第2波長領域において第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。 Similarly, a 12 is an average value obtained by summing up signal charge amounts detected in the depletion region of the first semiconductor in the second wavelength region, and a 22 is a depletion region of the second semiconductor in the second wavelength region. A 32 is an average value obtained by aggregating the signal charge amounts detected in the depletion region of the third semiconductor in the second wavelength region, and a 32 42 is an average value obtained by summing up the signal charge amounts detected in the depletion region of the fourth semiconductor in the second wavelength region.

同様に、a13は、第3波長領域において第1半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a23は、第3波長領域において第2半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a33は、第3波長領域において第3半
導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a43は、第3波長領域において第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。
Similarly, a 13 is the average value obtained by aggregating the signal charge amount detected by the depletion region of the first semiconductor in the third wavelength region, a 23 is the depletion region of the second semiconductor in the third wavelength region A 33 is an average value obtained by aggregating the signal charge amounts detected in the depletion region of the third semiconductor in the third wavelength region, 43 is an average value obtained by summing up signal charge amounts detected in the depletion region of the fourth semiconductor in the third wavelength region.

同様に、a14は、第4波長領域において第1半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a24は、第4波長領域において第2半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a34は、第4波長領域において第3半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とし、a44は、第4波長領域において第4半導体の空乏領域で検出された信号電荷量を集計して求めた平均値とする。 Similarly, a 14 is the average value obtained by aggregating the signal charge amount detected by the depletion region of the first semiconductor in the fourth wavelength range, a 24 is the depletion region of the second semiconductor in the fourth wavelength region A 34 is an average value obtained by aggregating the signal charge amounts detected in the depletion region of the third semiconductor in the fourth wavelength region, and a 34 44 is an average value obtained by summing up signal charge amounts detected in the depletion region of the fourth semiconductor in the fourth wavelength region.

なお、上記に示したように、波長領域における信号電荷量の全体を集計した平均値を係数aijとして算出してもよいし、波長領域における最大値と最小値との平均値を係数aijとして算出してもよい。 As described above, an average value obtained by totaling the signal charge amounts in the wavelength region may be calculated as the coefficient a ij , or the average value of the maximum value and the minimum value in the wavelength region may be calculated as the coefficient a ij. May be calculated as

図17に戻って、信号成分演算部13は、係数算出部12が算出した係数aijを用いて入射光における波長の信号成分を演算する。図20にその演算結果を示す。図20に示す通り、式(1)の演算を行うことで、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光のそれぞれの波長成分が明確となり、正確な入射光の分光特性が求められる。ここでは、白色光を入射光としているため、様々な波長成分の理想的な値が求められており、これをテンプレートとして図17の波長情報記憶部14に記憶しておく。すなわち、青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の各波長成分に対応する波長が記憶される。 Returning to FIG. 17, the signal component calculation unit 13 calculates the signal component of the wavelength in the incident light using the coefficient a ij calculated by the coefficient calculation unit 12. FIG. 20 shows the calculation result. As shown in FIG. 20, by performing the calculation of Expression (1), the wavelength components of blue light, green light, red light, and near-infrared light are clarified, and accurate spectral characteristics of incident light are required. Here, since white light is used as incident light, ideal values of various wavelength components are obtained, and this is stored in the wavelength information storage unit 14 of FIG. 17 as a template. That is, the wavelength corresponding to each wavelength component of blue light, green light, red light, and near infrared light is stored.

波長決定部15は、未知の入射光が照射された場合に、信号入力部11が入射光の信号を入力し、信号成分演算部13が係数情報記憶部16に記憶されている係数aijを読み出して入射光における波長の信号成分を演算し、求められた入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光のそれぞれの波長に対応する信号電荷量の割合と、テンプレートとして波長情報記憶部14に記憶されている波長成分の情報とを比較して、対応する波長を入射光の波長として決定する。入射光の波長が決定されることで、入射光の色を特定することが可能となる。 In the wavelength determining unit 15, when unknown incident light is irradiated, the signal input unit 11 inputs the incident light signal, and the signal component calculation unit 13 uses the coefficient a ij stored in the coefficient information storage unit 16. Read out and calculate the signal component of the wavelength in the incident light, the ratio of the signal charge amount corresponding to each wavelength of blue light, green light, red light and near infrared light in the obtained incident light, and wavelength information as a template The wavelength component information stored in the storage unit 14 is compared, and the corresponding wavelength is determined as the wavelength of the incident light. By determining the wavelength of the incident light, the color of the incident light can be specified.

なお、上述したように、波長決定部15により入射光の波長を求めることができるが、入射光の強さは、この処理だけでは求めることができない。そこで、撮像装置1が光強度演算部を備える構成にしてもよい。光強度演算部は、信号入力部11が入力した全信号電荷量を用いることで、光の強度を求めることができる。   As described above, the wavelength determining unit 15 can determine the wavelength of the incident light, but the intensity of the incident light cannot be determined only by this processing. Therefore, the imaging apparatus 1 may be configured to include a light intensity calculation unit. The light intensity calculation unit can obtain the light intensity by using the total signal charge amount input by the signal input unit 11.

次に、本実施形態に係る撮像装置の動作について説明する。ここでの撮像装置の処理は大きく分けて2つに分けることができる。一方が素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数aijを決定して、白色光から波長成分の割合を示すテンプレートを生成する第1の処理であり、他方が係数aijを用いた演算結果とテンプレートの情報から入射光の波長を決定する第2の処理である。図21は、第1の処理を示すフローチャートであり、図22は、第2の処理を示すフローチャートである。 Next, the operation of the imaging apparatus according to the present embodiment will be described. The processing of the imaging apparatus here can be roughly divided into two. One is a first process for determining a coefficient a ij indicating the spectral characteristic of incident light determined for each element and generating a template indicating the ratio of wavelength components from white light, and the other is an operation using the coefficient a ij This is a second process for determining the wavelength of incident light from the result and template information. FIG. 21 is a flowchart showing the first process, and FIG. 22 is a flowchart showing the second process.

図21において、まず、信号入力部11が撮像素子1から出力された白色光の信号を入力する(S211)。係数算出部12が、図19に示すように複数に区分された波長領域ごとに信号電荷量の代表値(信号電荷量の平均値又は信号電荷量の最大値と最小値の平均値)を演算する(S212)。演算された代表値は、素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数aijとして係数情報記憶部16に記憶される(S213)。信号成分演算部13が、演算された係数aijを用いて、図20に示すように白色光の波長の信号成分を演算する(S214)。演算された白色光の波長の信号成分がテンプレートとして波長情報記
憶部14に記憶されて(S215)、第1の処理を終了する。
In FIG. 21, first, the signal input unit 11 inputs a white light signal output from the image sensor 1 (S211). The coefficient calculation unit 12 calculates the representative value of the signal charge amount (the average value of the signal charge amount or the average value of the maximum and minimum values of the signal charge amount) for each of the wavelength regions divided into a plurality as shown in FIG. (S212). The calculated representative value is stored in the coefficient information storage unit 16 as a coefficient a ij indicating the spectral characteristic of incident light determined for each element (S213). The signal component calculation unit 13 calculates the signal component of the wavelength of white light using the calculated coefficient a ij as shown in FIG. 20 (S214). The calculated signal component of the wavelength of white light is stored as a template in the wavelength information storage unit 14 (S215), and the first process is terminated.

図22において、まず、信号入力部11が撮像素子1から出力された入射光の信号を入力する(S221)。信号成分演算部13が係数情報記憶部16から係数aijを読み出し、式(1)を用いて入射光における波長の信号成分を演算する(S222)。波長決定部15が、演算された入射光における波長の信号成分の割合と、波長情報記憶部14に記憶されたテンプレート情報とを比較し(S223)、テンプレートに合致した波長の信号成分の割合に対応する波長を入射光の波長として決定し(S224)、第2の処理を終了する。 In FIG. 22, first, the signal input unit 11 inputs a signal of incident light output from the image sensor 1 (S221). The signal component calculation unit 13 reads the coefficient a ij from the coefficient information storage unit 16 and calculates the signal component of the wavelength in the incident light using the equation (1) (S222). The wavelength determination unit 15 compares the ratio of the signal component of the wavelength in the calculated incident light with the template information stored in the wavelength information storage unit 14 (S223), and determines the ratio of the signal component of the wavelength that matches the template. The corresponding wavelength is determined as the wavelength of the incident light (S224), and the second process is terminated.

以上が、本実施形態に係る撮像装置の動作の説明である。   The above is the description of the operation of the imaging apparatus according to the present embodiment.

1 撮像素子
2 p型シリコン半導体基板
3 n型シリコン半導体
3a 青色光検知用のシリコン半導体(n型シリコン半導体3)
3b 緑色光検知用のシリコン半導体(n型シリコン半導体3)
3c 赤色光検知用のシリコン半導体(n型シリコン半導体3)
3d 近赤外光検知用のシリコン半導体(n型シリコン半導体3)
5 変換回路部
6 パッド
7 レンズ
8 反射材
10 撮像装置
11 信号入力部
12 係数算出部
13 信号成分演算部
14 波長情報記憶部
15 波長決定部
16 係数情報記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image pick-up element 2 p-type silicon semiconductor substrate 3 n-type silicon semiconductor 3a Silicon semiconductor for blue light detection (n-type silicon semiconductor 3)
3b Green light detection silicon semiconductor (n-type silicon semiconductor 3)
3c Silicon semiconductor for detecting red light (n-type silicon semiconductor 3)
3d Silicon semiconductor for near-infrared light detection (n-type silicon semiconductor 3)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Conversion circuit part 6 Pad 7 Lens 8 Reflective material 10 Imaging device 11 Signal input part 12 Coefficient calculation part 13 Signal component calculation part 14 Wavelength information storage part 15 Wavelength determination part 16 Coefficient information storage part

Claims (14)

第1導電型半導体基板と第2導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第2導電型半導体が、前記第1導電型半導体基板の内部に、当該第1導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向長手方向として延在し、
前記第2導電型半導体が配設された前記第1導電型半導体基板を複数層に積層し、
前記第2導電型半導体における光が入射する側の一端部と反対側の他端部に隣接し、少なくとも前記空乏領域から出力される電荷を出力信号に変換する処理を行う変換回路部と、
前記第1導電型半導体基板の上面に配設され、前記変換回路部に隣接し、当該変換回路部と電気的に接続するパッド部とを備え、
前記変換回路部とパッド部との距離が、上位の階層から順次大きくなることを特徴とする撮像素子。
In an imaging device that photoelectrically converts light incident on a depletion region generated at a junction between a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type semiconductor,
The second conductivity type semiconductor, the inside of the first conductivity type semiconductor substrate, while being more disposed along the surface direction of the first conductivity type semiconductor substrate, extending the direction of incidence of the light as the longitudinal direction And
Laminating the first conductive semiconductor substrate on which the second conductive semiconductor is disposed in a plurality of layers;
A conversion circuit unit that performs processing for converting at least the electric charge output from the depletion region into an output signal adjacent to the other end of the second conductivity type semiconductor on the side opposite to the light incident side;
A pad portion disposed on an upper surface of the first conductivity type semiconductor substrate, adjacent to the conversion circuit portion, and electrically connected to the conversion circuit portion;
An image pickup device, wherein a distance between the conversion circuit portion and the pad portion is sequentially increased from an upper layer .
第1導電型半導体基板と第2導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第2導電型半導体が、前記第1導電型半導体基板の内部に、当該第1導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向を長手方向として延在し、
前記第2導電型半導体の長手方向における前記光が入射する側に有するレンズの位置を変動させるレンズ変動部を備え、
変動したレンズの位置に対応して撮像区域を複数に区分して分割し、分割された区分ごとに撮像を行うことを特徴とする撮像素子。
In an imaging device that photoelectrically converts light incident on a depletion region generated at a junction between a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type semiconductor,
A plurality of the second conductivity type semiconductors are disposed in the first conductivity type semiconductor substrate along the surface direction of the first conductivity type semiconductor substrate, and the light incident direction extends in the longitudinal direction. And
A lens varying unit that varies the position of the lens on the light incident side in the longitudinal direction of the second conductive type semiconductor;
An imaging device characterized in that an imaging area is divided into a plurality of sections corresponding to a changed lens position, and imaging is performed for each of the divided sections .
第1導電型半導体基板と第2導電型半導体との接合部に生じる空乏領域に入射した光を光電変換する撮像素子において、
前記第2導電型半導体が、前記第1導電型半導体基板の内部に、当該第1導電型半導体基板の面方向に沿って複数配設されると共に、前記光の入射方向を長手方向として延在し、
前記第2導電型半導体における光が入射する側の一端部とは反対側の他端部に、前記第2導電型半導体を透過した光を反射させる反射材を備えることを特徴とする撮像素子。
In an imaging device that photoelectrically converts light incident on a depletion region generated at a junction between a first conductivity type semiconductor substrate and a second conductivity type semiconductor,
A plurality of the second conductivity type semiconductors are disposed in the first conductivity type semiconductor substrate along the surface direction of the first conductivity type semiconductor substrate, and the light incident direction extends in the longitudinal direction. And
An imaging device comprising: a reflective material that reflects light transmitted through the second conductive type semiconductor at the other end of the second conductive type semiconductor opposite to one end on which light enters .
請求項1ないしのいずれかに記載の撮像素子において、
前記第1導電型半導体が、当該第1導電型半導体基板と前記第2導電型半導体とで形成される空乏領域における前記第1導電型半導体基板の前記光の入射方向の側面端部の位置で切削されていることを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
In the depletion region formed by the first conductive type semiconductor substrate and the second conductive type semiconductor, the first conductive type semiconductor is located at the position of the side edge in the light incident direction of the first conductive type semiconductor substrate. imaging element characterized that you have been cut.
請求項1ないし4のいずれかに記載の撮像素子において、
前記入射する光が近赤外線であることを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The image pickup device, wherein the incident light is near infrared rays .
請求項5に記載の撮像素子において、
前記第2導電型半導体の長手方向の長さが、当該第2導電型半導体に対する前記近赤外線の侵入長以上であることを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to claim 5 ,
An image pickup device , wherein a length of the second conductivity type semiconductor in a longitudinal direction is equal to or longer than a penetration length of the near infrared ray with respect to the second conductivity type semiconductor .
請求項1ないし4のいずれかに記載の撮像素子において、
前記第2導電型半導体が、当該第2導電型半導体の長手方向に複数配設されており、前記第2導電型半導体に対する前記入射する光の侵入長に対応する位置に、前記複数の各第2導電型半導体が配設されていることを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4 ,
A plurality of the second conductivity type semiconductors are arranged in the longitudinal direction of the second conductivity type semiconductor, and each of the plurality of second conductivity type semiconductors is located at a position corresponding to the penetration length of the incident light with respect to the second conductivity type semiconductor. An image pickup device comprising a two-conductivity type semiconductor .
請求項に記載の撮像素子において、
前記複数配設された各第2導電型半導体の長手方向における長さが、光が入射する側の一端部から反対側の他端部に向かって順次長くなるように配設されていることを特徴とする撮像素子。
The image pickup device according to claim 7 ,
The length of each of the plurality of second conductivity type semiconductors arranged in the longitudinal direction is arranged so as to increase sequentially from one end on the light incident side to the other end on the opposite side. An imaging device as a feature.
請求項8に記載の撮像素子において、
4つの前記第2導電型半導体が配設されており、
光が入射する側から順番に、青色光、緑色光、赤色光、及び近赤外光を光電変換することを特徴とする撮像素子。
The image sensor according to claim 8, wherein
Four second conductivity type semiconductors are disposed,
An image pickup device , wherein blue light, green light, red light, and near infrared light are photoelectrically converted in order from a light incident side .
請求項9に記載の撮像素子において、
前記複数配設された各第2導電型半導体の長手方向の長さが、当該第2導電型半導体に対する前記各入射光の侵入長以上であることを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to claim 9,
An image pickup device, wherein a plurality of second conductive semiconductors arranged in a longitudinal direction have a length equal to or greater than a penetration length of each incident light into the second conductive semiconductor .
請求項7ないし10のいずれかに記載の撮像素子を用いた撮像装置であって、
4つの前記第2導電型半導体が配設されており、当該4つの第2導電型半導体を光が入射する側から順番に第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体とし、
前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体により形成される各空乏領域に入射された光を光電変換した信号の電荷量の割合に対応付いた波長を記憶する波長情報記憶手段と、
前記4つの第2導電型半導体の空乏領域で検出された信号電荷を入力する信号入力手段と、
前記信号入力手段が入力した信号電荷の信号電荷量に基づいて、次式により入射光における青色光、緑色光、赤色光及び近赤外光の信号電荷量を算出する信号成分演算手段と、
Figure 0005757614
(ただし、Bは入射光における青色光、Gは入射光における緑色光、Rは入射光における赤色光、IRは入射光における近赤外光の信号電荷量とし、Xは第1半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Yは第2半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Zは第3半導体の空乏領域で検知された信号電荷量、Wは第4半導体の空乏領域で検知された信号電荷量とし、a ij は素子ごとに決まる入射光の分光特性を示す係数とする。)
前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量に基づいて、各信号電荷量の割合を算出し、当該算出された信号電荷量の割合に対応付けられた波長を前記波長情報記憶手段から読み出して、前記入射光の波長として決定する波長決定手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
An imaging apparatus using the imaging device according to any one of claims 7 to 10 ,
Four of the second conductivity type semiconductors are disposed, and the four second conductivity type semiconductors are sequentially designated as a first semiconductor, a second semiconductor, a third semiconductor, and a fourth semiconductor from the light incident side,
Wavelength information storage means for storing a wavelength corresponding to a charge amount ratio of a signal obtained by photoelectrically converting light incident on each depletion region formed by the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor. When,
Signal input means for inputting signal charges detected in the depletion regions of the four second-conductivity-type semiconductors;
Based on the signal charge amount of the signal charge input by the signal input means, signal component calculation means for calculating the signal charge amount of blue light, green light, red light and near infrared light in the incident light by the following equation:
Figure 0005757614
(B is the blue light in the incident light, G is the green light in the incident light, R is the red light in the incident light, IR is the signal charge amount of the near infrared light in the incident light, and X is the depletion region of the first semiconductor. , Y is the signal charge detected in the depletion region of the second semiconductor, Z is the signal charge detected in the depletion region of the third semiconductor, and W is detected in the depletion region of the fourth semiconductor (A ij is a coefficient indicating the spectral characteristic of incident light determined for each element.)
Based on the signal charge amount calculated by the signal component calculation means, the ratio of each signal charge amount is calculated, and the wavelength associated with the calculated signal charge amount ratio is read from the wavelength information storage means. An imaging apparatus comprising: wavelength determining means that determines the wavelength of the incident light.
請求項11に記載の撮像装置において、
前記素子ごとに決まる入射光の分光特定を示す係数が、入射する光を白色光とした場合の前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとに演算された代表値であることを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to claim 11 ,
Each signal detected in the depletion region of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor when the coefficient indicating the spectral specification of the incident light determined for each element is white light. An imaging apparatus, wherein the charge amount is a representative value calculated for each of wavelength regions divided into a plurality.
請求項12に記載の撮像装置において、
前記代表値が、前記第1半導体、第2半導体、第3半導体及び第4半導体の空乏領域で検出された各信号電荷量について、複数に区分された波長領域ごとの集計値から演算された平均値又は最大電荷量と最小電荷量との合計値から演算された平均値であることを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 12 ,
The representative value is an average calculated from a total value for each wavelength region divided into a plurality of signal charge amounts detected in the depletion regions of the first semiconductor, the second semiconductor, the third semiconductor, and the fourth semiconductor. An image pickup apparatus characterized by an average value calculated from a value or a total value of a maximum charge amount and a minimum charge amount .
請求項11ないし13のいずれかに記載の撮像装置において、
前記信号成分演算手段で算出された信号電荷量における各信号電荷量の割合及び全電荷量に基づいて、前記入射する光の強度を演算する光強度演算手段を備えることを特徴とする撮像装置。


The imaging device according to any one of claims 11 to 13,
An image pickup apparatus comprising: a light intensity calculation unit that calculates the intensity of the incident light based on a ratio of each signal charge amount to a total charge amount in the signal charge amount calculated by the signal component calculation unit .


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