JP5974438B2 - 光電変換装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置およびこれを備えた電子機器に関する。

上記光電変換装置として、透明基板において、平面視で遮光性の領域で囲われた光電変換領域を備え、光電変換領域の下側および上側に透光性を備えた電極が配置されたイメージセンサーが知られている（特許文献１）。また、特許文献１には、光電変換領域を囲む遮光性の領域を電気的配線により構成してもよいことが開示されている。これによれば、透明基板上における複数の光電変換領域を電気的配線で光学的に分離して、光学的クロストークの発生を防止できるとしている。

また、入射する光を感知する複数の画素を備えた半導体基板と、該複数の画素のうち黒信号を決めるための暗画素を遮光する遮光膜と、を備えた固体撮像素子が知られている（特許文献２）。また、特許文献２には、上記遮光膜を一定の電位に固定して、遮光膜の帯電よる寄生容量の変化を抑制し、該寄生容量の変化が画素における光電子の蓄積や読み出しおよびノイズ等に影響を与えることを防止できるとしている。

特開２０１０−２５１４９６号公報 特開２０１０−２６７７３６号公報

上記特許文献１のイメージセンサーにおいて、上記特許文献２に記載の一定の電位に固定された遮光膜の構成を適用することが考えられる。ところが、上記特許文献１には、光電変換領域としてのフォトダイオードの出力を読み出すトランジスターを備えていることが記載されてはいるものの、遮光膜とトランジスターとの相対的な配置についての記載はない。つまり、遮光膜の帯電による寄生容量の変化を抑制することを考慮して、遮光膜とトランジスターとの好適な配置を検討する必要があるという課題がある。
特に、上記特許文献１のイメージセンサーを生体認証を行う生体認証装置に用いた場合には、人体と生体認証装置とが直接触れ合い、人体からの静電気が上記遮光膜を容易に帯電させることが考えられるので、該帯電の影響を確実に抑制する必要がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例の光電変換装置は、基板上において、透光性電極と、前記透光性電極と前記基板との間に配置された光反射性電極と、前記透光性電極と前記光反射性電極とに挟持された光電変換層とを有する光電変換素子と、前記光電変換素子に電気的に接続された少なくとも１つのトランジスターを具備する画素回路と、前記光電変換素子と前記少なくとも１つのトランジスターとは、前記基板上において異なる層に配置されており、前記光反射性電極と同層に配置され、前記少なくとも１つトランジスターの半導体層上に平面的に重なると共に固定電位に接続された遮光膜と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、固定電位に接続された遮光膜は、画素回路の少なくとも１つのトランジスターの半導体層上に平面的に重なって配置されているので、例えば遮光膜の帯電に起因する外的ノイズの発生によって画素回路の動作が不安定になることが低減される。加えて、光電変換素子と少なくとも１つのトランジスターとは、基板上において異なる層に配置されていると共に、遮光膜は光反射性電極と同層に配置されているので、光電変換素子を基板上において高密度に配置したとしても安定した動作を実現できる。つまり、外的ノイズの影響が低減され安定した動作が得られる高解像度の光電変換装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例の光電変換装置において、前記光反射性電極と前記遮光膜とが同じ材料で形成されていることが好ましい。
この構成によれば、光反射性電極を形成する工程において遮光膜を形成することができるので、生産性がよく高いコストパフォーマンスを有する光電変換装置を提供できる。

［適用例３］上記適用例の光電変換装置において、前記遮光膜は、前記少なくとも１つのトランジスターのゲート電極の少なくとも一部と平面的に重ならないように配置されていることが好ましい。
この構成によれば、遮光膜とゲート電極との間に生ずる寄生容量を低減することができる。ゆえに、寄生容量を低減することによって、外的ノイズの影響を受け難くすることができる。

［適用例４］上記適用例の光電変換装置において、前記画素回路は、前記光反射性電極に電気的に接続され、前記光電変換素子をリセットするための第１トランジスターと、前記光反射性電極に電気的に接続され、前記光電変換層に光が入射して前記光電変換素子に生じたリーク電流を増幅するための第２トランジスターと、前記第２トランジスターと読み出し配線とに電気的に接続され、前記第２トランジスターによって増幅された前記リーク電流を前記読み出し配線に選択的に流すための第３トランジスターとを備え、前記遮光膜は、前記第２トランジスターの半導体層上に平面的に重なると共に、前記第２トランジスターのゲート電極の少なくとも一部と平面的に重ならないように配置されていることが好ましい。

小型で高解像度の光電変換装置を実現するには光電変換素子をできる限り小さくして基板上に高密度に配置する方法が考えられる。光電変換素子を小さくすると、光電変換素子に入射した光によって生ずるリーク電流も小さくなる。つまりは、入射光に対する感度が低下し易くなる。
この構成によれば、遮光膜は光電変換素子のリーク電流を増幅する第２トランジスターの半導体層上に平面的に重なっているので、外的ノイズの影響を受け難い。また、遮光膜は第２トランジスターのゲート電極の少なくとも一部と平面的に重なっていないので、遮光膜と当該ゲート電極との間の寄生容量が低減され、上記リーク電流に比べて寄生容量が大きくなることに起因する光電変換装置の感度低下を抑制することができる。

［適用例５］上記適用例の光電変換装置において、前記遮光膜は、さらに、前記第１トランジスターの半導体層上および前記第３トランジスターの半導体層上に平面的に重なるように配置されているとしてもよい。
この構成によれば、遮光膜は、第２トランジスターの半導体層だけでなく、第１および第３トランジスターの半導体層上においても平面的に重なるように配置されているので、外的ノイズの影響をより受け難くし、より安定した動作が得られる光電変換装置を提供できる。

［適用例６］上記適用例の光電変換装置において、前記光電変換素子と前記画素回路とを有する複数の画素を有し、前記透光性電極は前記複数の画素に跨って配置され、且つ固定電位に接続されていることが好ましい。
この構成によれば、光電変換素子の光の入射側に位置する透光性電極が複数の画素に跨って配置され、且つ固定電位に接続されているので、透光性電極をシールド層として機能させ、例えば人体からの静電気による外的ノイズなどの動作に与える影響を低減することができる。

［適用例７］上記適用例の光電変換装置において、前記光電変換素子と前記画素回路とを有する複数の画素を有し、前記透光性電極は前記複数の画素ごとに独立して設けられ、且つ固定電位に接続されているとしてもよい。
この構成によれば、透光性電極を複数の画素に跨って配置する場合に比べて、透光性電極と画素回路の配線との間に生ずる寄生容量を小さくすることができ、外的ノイズの動作に与える影響をより少なくすることができる。

［適用例８］本適用例の電子機器は、上記適用例の光電変換装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、静電気などの外的ノイズの影響を受け難い光電変換装置を備えているので、安定した動作が得られる例えば生体認証機能を有する情報端末装置などの電子機器を提供することができる。

第１実施形態の光電変換装置の電気的な構成を示す等価回路図。 画素回路の構成を示す図。 （ａ）は画素における各構成の配置を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線で切った概略断面図。 （ａ）は第２実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った概略断面図。 （ａ）は第３実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線で切った概略断面図。 （ａ）は第４実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線で切った概略断面図。 （ａ）は撮像装置の構成を示す概略斜視図、（ｂ）は撮像装置の構造を示す概略断面図。 （ａ）は電子機器としての携帯型電話機を示す斜視図、（ｂ）は電子機器としてのパーソナルコンピューターを示す概略図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

なお、以下の形態において、例えば「基板上に」と記載された場合、基板の上に接するように配置される場合、または基板の上に他の構成物を介して配置される場合、または基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される場合を表すものとする。

（第１実施形態）
＜光電変換装置＞
本実施形態の光電変換装置について、図１〜図３を参照して説明する。図１は第１実施形態の光電変換装置の電気的な構成を示す等価回路図、図２は画素回路の構成を示す図、図３（ａ）は画素における各構成の配置を示す概略平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線で切った概略断面図である。

図１に示すように、本実施形態の光電変換装置４０は、複数の走査線４４が接続された走査線駆動回路４２と、複数のデータ線４５が接続されたデータ線駆動回路４３とを有している。複数の走査線４４および複数のデータ線４５は、画素領域Ｅにおいて互いに交差するように配置され、走査線４４とデータ線４５とに接続すると共に、走査線４４とデータ線４５の交点付近に対応して形成された画素５０を有している。すなわち、複数の画素５０は画素領域Ｅにおいてマトリックス状に配列されている。

図２に示すように、画素５０は、光電変換素子としてのフォトダイオード５１と、３つのトランジスター６１，６２，６３を具備する画素回路６０とを含むものである。
トランジスター６１は、本発明における第１トランジスターであって、ソース電極に駆動電圧が供給される配線（ＶＤＤ）４６が接続され、ドレイン電極にフォトダイオード５１の一方の電極が接続され、ゲート電極にフォトダイオード５１をリセットするための制御信号が供給される配線（ＧＲＳＴ）４７が接続されている。フォトダイオード５１の他方の電極はＧＮＤに接続されている。
トランジスター６２は、本発明における第２トランジスターであってソース電極に駆動電圧が供給される配線（ＶＤＤ）４６が接続され、ゲート電極にフォトダイオード５１の一方の電極が接続され、ドレイン電極にトランジスター６３のソース電極が接続されている。トランジスター６２は、受光によってフォトダイオード５１に流れるリーク電流ｉｐを増幅する機能を有する。
トランジスター６３は、本発明の第３トランジスターであって、ゲート電極に走査線４４が接続され、ドレイン電極にデータ線４５が接続されている。トランジスター６３は、走査線４４から供給される制御信号によってトランジスター６２により増幅された電流ｉｄを選択的に読み出し線としてのデータ線４５に流す機能を有する。

以下、画素回路６０の動作について簡単に説明する。配線（ＧＲＳＴ）４７によって制御信号がトランジスター６１のゲート電極に供給されると、トランジスター６１がＯＮ状態となる。これにより、ソース電極に接続された配線（ＶＤＤ）４６から、ソース電極、半導体層、ドレイン電極を経由してフォトダイオード５１の一方の電極に一定の電位を有する駆動電圧（ＶＤＤ）が供給される。そして、配線（ＧＲＳＴ）４７からトランジスター６１をＯＦＦ状態とする制御信号が供給され、フォトダイオード５１の一方の電極の電位がフロート（浮遊）状態となる。これにより、フォトダイオード５１がリセットされる。
次に、リセットされたフォトダイオード５１が受光すると、フォトダイオード５１の一方の電極から他方の電極（ＧＮＤ）に向けて、受光量に応じたリーク電流ｉｐが流れる。これによりトランジスター６２のゲート電極の電位が一定の電位（ＶＤＤ）から下降して、トランジスター６２がＯＮ状態となり、ソース電極とドレイン電極との間にリーク電流ｉｐが増幅された電流ｉｄが流れる。走査線４４から当該画素５０を選択する制御信号がトランジスター６３のゲート電極に供給されてトランジスター６３がＯＮ状態となると、トランジスター６２によって増幅された電流ｉｄがトランジスター６３を経由してデータ線４５に流れる。

つまり、光電変換装置４０は、画素５０ごとに入射した光をフォトダイオード５１が受光してリーク電流ｉｐに変換し、画素回路６０のトランジスター６３をＯＮ状態とすることにより、フォトダイオード５１に接続したトランジスター６２のゲート電極における電位の変化に応じた電流ｉｄまたは電圧を画素５０ごとに読み出すことができる構成となっている。なお、図２には図示していないが、画素５０ごとの上記電流ｉｄを蓄積可能な蓄積容量を各データ線４５に接続させてもよい。

次に、具体的な画素５０の構成について、図３（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、走査線４４と並列して配線（ＶＤＤ）４６と配線（ＧＲＳＴ）４７とが配置されている。これらの配線と交差するようにデータ線４５が配置されている。画素回路６０における３つのトランジスター６１，６２，６３は、互いに交差する走査線４４とデータ線４５との交差点付近に配置されている。

図３（ｂ）に示すように、例えば石英やガラスなどからなる基板４１上において、最下層にはトランジスター６２の例えばポリシリコン（多結晶シリコン）からなる半導体層６２ａが形成されている。半導体層６２ａを覆うように例えば酸化シリコンからなる絶縁膜６６ａが形成されている。絶縁膜６６ａ上にはゲート電極６２ｇが形成されている。つまり、絶縁膜６６ａの一部はゲート絶縁膜を構成するものである。図３（ｂ）では図示していないが、ゲート電極６２ｇと同層において、走査線４４、配線４６，４７が形成されている。これらの配線は、ゲート電極６２ｇと同じ材料を用いて形成することができ、例えば、Ａｌなど導電性を示す金属材料や不純物が高濃度でドープされ高い導電性を示すポリシリコンなどの半導体材料を挙げることができる。
ゲート電極６２ｇを覆って例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜６６ｂが形成されている。層間絶縁膜６６ｂ上には例えばＡｌなどの金属材料からなる中継層６４ａが形成され、層間絶縁膜６６ｂに形成されたコンタクトホールＣＮＴ１０を介してゲート電極６２ｇと電気的に接続されている。なお、図３（ｂ）では図示していないが、中継層６４ａと同層において同じ材料を用いて、他の中継層６４ｂ，６４ｃとデータ線４５とが形成されている。

中継層６４ａを覆って例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜６６ｃが形成されている。層間絶縁膜６６ｃ上には、フォトダイオード５１と、遮光膜６５Ａとが形成されている。より具体的には、まず、フォトダイオード５１の他方の電極である光反射性電極５４と、遮光膜６５Ａとが形成される。光反射性電極５４と遮光膜６５Ａとは、光反射性と遮光性とを兼ね備えた例えばＡｌやＡｇあるいはＨｆなどの金属材料やこれらの金属材料の合金を用いることができる。したがって、光反射性電極５４と遮光膜６５Ａとを同じ工程においてパターニングすることができる。光反射性電極５４は層間絶縁膜６６ｃに設けられたコンタクトホールＣＮＴ１１を介して中継層６４ａに電気的に接続されている。つまり、光反射性電極５４はコンタクトホールＣＮＴ１１、中継層６４ａ、コンタクトホールＣＮＴ１０を介してトランジスター６２のゲート電極６２ｇに電気的に接続されている。

光反射性電極５４に接するように光電変換層５３が形成されている。光電変換層５３は例えばＰＩＮ型の半導体層であって、光反射性電極５４上において順に積層されたＰ層、Ｉ層、Ｎ層からなる。Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層は例えばアモルファスシリコンにより形成され、Ｐ層にはホウ素（Ｂ）などの不純物がドープされ、Ｎ層にはリン（Ｐ）などの不純物がドープされている。

光反射性電極５４と遮光膜６５Ａとを覆うと共に、光電変換層５３を分離するように平坦化層６６ｄが形成されている。平坦化層６６ｄは例えば絶縁性の有機樹脂材料を用い、スピンコートなどの方法で形成することができる。そして、平坦化層６６ｄを覆うと共に光電変換層５３に接するように透光性電極５２が形成されている。透光性電極５２は例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透光性導電膜を用いて形成することができる。図３（ａ）では図示していないが、透光性電極５２は複数の画素５０に跨って形成され、共通の電極として機能している。また、図２において説明したように透光性電極５２はＧＮＤに接続されている。
つまり、本実施形態におけるフォトダイオード５１は、透光性電極５２と光反射性電極５４と、これらの電極に挟持された光電変換層５３とからなり、透光性電極５２側から入射した光を受光してリーク電流ｉｐに変換するものである。

図３（ａ）に示した他のトランジスター６１，６３の半導体層６１ａ，６３ａも、上記トランジスター６２の半導体層６２ａと同層において基板４１上に形成されている。具体的には、図３（ａ）に示すように、半導体層６１ａと半導体層６２ａはデータ線４５に沿って形成されている。半導体層６３ａは走査線４４に沿って形成されている。
半導体層６１ａの一方の端は平面視でＬ字状の中継層６４ａの一部と重なるように配置され、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ２によって中継層６４ａと電気的に接続されている。半導体層６１ａの他方の端は、配線４６の延在方向において配線４６が途切れた隙間部分に位置している。途切れた配線４６の端部に一部が重なるように平面視でＴ字状の中継層６４ｂが形成されている。中継層６４ｂは基板４１上において中継層６４ａと同層に形成されており、配線４６の上記端部と重なる位置に設けられたコンタクトホールＣＮＴ３とコンタクトホールＣＮＴ５とによって配線４６と電気的に接続されている。つまり、中継層６４ｂは途切れた配線４６同士を電気的に繋げている。半導体層６１ａの他方の端は中継層６４ｂの一部とも重なっており、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ１を介して中継層６４ｂと電気的に接続されている。

トランジスター６１において半導体層６１ａに接続されたコンタクトホールＣＮＴ１はソース電極６１ｓとして機能し、同じく半導体層６１ａに接続されたコンタクトホールＣＮＴ２はドレイン電極６１ｄとして機能している。半導体層６１ａと配線４７とが平面的に重なった部分はゲート電極６１ｇとして機能している。
同様にして、トランジスター６２の半導体層６２ａの一方の端は中継層６４ｂの一部と平面的に重なり、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ６（ソース電極６２ｓとして機能）を介して中継層６４ｂと電気的に接続されている。半導体層６２ａの他方の端は中継層６４ｃの一部と平面的に重なり、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ７（ドレイン電極６２ｄとして機能）を介して中継層６４ｃと電気的に接続されている。中継層６４ｃも中継層６４ａと同層において形成されている。
また、トランジスター６３の半導体層６３ａの一方の端は中継層６４ｃの一部と平面的に重なり、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ８（ソース電極６３ｓとして機能）を介して中継層６４ｃと電気的に接続されている。半導体層６３ａの他方の端はデータ線４５と平面的に重なり、重なった部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ９（ドレイン電極６３ｄとして機能）を介してデータ線４５と電気的に接続されている。半導体層６３ａに対して走査線４４から突出した突出部４４ａが平面的に重なった部分がゲート電極６３ｇとして機能している。

光反射性電極５４と同層に形成された遮光膜６５Ａは、３つのトランジスター６１，６２，６３の半導体層６１ａ，６２ａ，６３ａ上に平面的に重なるように配置されている。また、遮光膜６５Ａはトランジスター６２のゲート電極６２ｇのうち半導体層６２ａと重なる部分を除いた部分と重ならないように配置されている。言い換えれば、遮光膜６５Ａはゲート電極６２ｇの一部と重ならないように配置されている。また、遮光膜６５Ａは配線４７と中継層６４ｂとが重なる部分と重ならないように配置されている。言い換えれば、遮光膜６５Ａは配線４７や中継層６４ｂの一部と重ならないように配置されている。

遮光膜６５Ａは、中継層６４ｂと重なる部分に設けられたコンタクトホールＣＮＴ４を介して中継層６４ｂと電気的に接続されている。つまり、遮光膜６５Ａは、下層に設けられたコンタクトホールＣＮＴ４、中継層６４ｂ、コンタクトホールＣＮＴ３，ＣＮＴ５を介して配線４６と電気的に接続されている。配線４６は一定の電位を与えるものであるから、遮光膜６５Ａは固定電位（ＶＤＤ）に接続されていることになる。

このような画素５０の各構成を備えた第１実施形態の光電変換装置４０を、以降に説明する他の実施形態の光電変換装置と区別するため、以降、光電変換装置４０Ａと呼ぶ。

上記第１実施形態の効果は、以下の通りである。
（１）光電変換装置４０Ａは、基板４１上において光電変換素子としてのフォトダイオード５１と、３つのトランジスター６１，６２，６３を具備する画素回路６０とを含む画素５０を複数有している。基板４１上においてフォトダイオード５１の光反射性電極５４と同層に形成された遮光膜６５Ａは、３つのトランジスター６１，６２，６３の半導体層６１ａ，６２ａ，６３ａ上において平面的に重なるように配置され、固定電位（ＶＤＤ）に接続されている。したがって、例えば遮光膜６５Ａの帯電に起因する外的ノイズによって３つのトランジスター６１，６２，６３の動作が不安定になることを防止することができる。
また、基板４１上においてフォトダイオード５１と３つのトランジスター６１，６２，６３とは異なる層に形成されているので、光電変換素子としてのフォトダイオード５１を３つのトランジスター６１，６２，６３の配置に影響されず、高密度に配置することができる。
すなわち、外的ノイズに対して安定した動作が得られると共に、高解像度な複数の画素５０を有する光電変換装置４０Ａを提供することができる。
（２）遮光膜６５Ａは、光反射性電極５４と同層において同じ材料を用いて形成されているので、光反射性電極５４を形成する工程において同時に遮光膜６５Ａを形成することができる。つまり、遮光膜６５Ａを別途形成する場合に比べて、光電変換装置４０Ａの製造工程を簡略化し、生産性がよく高いコストパフォーマンスを有する光電変換装置４０Ａを実現することができる。
（３）遮光膜６５Ａはトランジスター６２のゲート電極６２ｇの一部と平面的に重ならないように配置されている。これにより、遮光膜６５Ａがゲート電極６２ｇの全てと平面的に重なる場合に比べて、遮光膜６５Ａとゲート電極６２ｇとの間に生ずる寄生容量が小さくなる。フォトダイオード５１を流れるリーク電流ｉｐに対して該寄生容量が大きくなると、トランジスター６２の動作が適正に行われなくなる。つまり画素５０の入射光に対する感度が低下するので、該寄生容量を小さくすることによって感度の低下を抑制することができる。とりわけ、基板４１上においてフォトダイオード５１を高解像度に配置する場合には、フォトダイオード５１の平面積を小さくする必要がある。フォトダイオード５１の平面積が小さくなるとリーク電流ｉｐも小さくなるので、該寄生容量を小さくすることで感度の低下を抑えることは効果的である。
また、遮光膜６５Ａは、中継層６４ｂや配線４７の一部と重ならないように配置されている。したがって、これら中継層６４ｂや配線４７との間に生ずる寄生容量が小さくなり、不要な充放電が行われないので、低消費電力化することができる。
（４）光電変換装置４０Ａの光の入射側に配置された透光性電極５２は、複数の画素５０に跨って配置されると共に、固定電位（ＧＮＤ）に接続されているので、静電気などの外的ノイズが画素回路６０に影響して動作が不安定になることを低減できる。すなわち、より安定した動作が得られる光電変換装置４０Ａを実現できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の光電変換装置について図４を参照して説明する。図４（ａ）は第２実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った概略断面図である。第２実施形態の光電変換装置は、第１実施形態の光電変換装置４０Ａに対してフォトダイオード５１の透光性電極の配置を異ならせたものである。したがって、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の光電変換装置４０Ｂは、第１実施形態の光電変換装置４０Ａと同じく画素ごとに、光電変換素子としてのフォトダイオード５１と、３つのトランジスター６１，６２，６３を具備する画素回路とを有している。

フォトダイオード５１の光反射性電極５４と同層に形成された遮光膜６５Ｂは、３つのトランジスター６１，６２，６３の半導体層６１ａ，６２ａ，６３ａ上に平面的に重なるように配置されている。また、遮光膜６５Ｂはトランジスター６２のゲート電極６２ｇの一部と重ならないように配置されている。また、遮光膜６５Ｂは配線４７や中継層６４ｂの一部と重ならないように配置されている。遮光膜６５Ｂは、固定電位としての駆動電圧（ＶＤＤ）が供給される配線４６にコンタクトホールＣＮＴ３，４，５と中継層６４ｂとを介して電気的に接続されている。

フォトダイオード５１の光の入射側に配置された透光性電極５２Ｂは、画素ごとに独立して形成されている。また、データ線４５と並行して延在する配線４８にコンタクトホールＣＮＴ１２を介して電気的に接続されている。配線４８は固定電位としてのＧＮＤに接続されている。透光性電極５２Ｂは平面的にフォトダイオード５１の光電変換層５３と重なると共に、配線４８と重なっている。その一方で、３つのトランジスター６１，６２，６３や走査線４４、データ線４５、配線４６，４７、中継層６４ａ，６４ｂ，６４ｃとは平面的に重なっていない。

以上に述べた第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）〜（３）に加えて以下の効果が得られる。
（５）光電変換装置４０Ｂの光の入射側に配置された透光性電極５２Ｂは、画素ごとに独立して配置され、固定電位（ＧＮＤ）に接続されているので、静電気などの外的ノイズが画素回路に影響して動作が不安定になることを低減できる。また、透光性電極５２Ｂは、３つのトランジスター６１，６２，６３や走査線４４、データ線４５、配線４６，４７、中継層６４ａ，６４ｂ，６４ｃと平面的に重ならないように配置されているので、これら画素回路の構成要素との間で寄生容量が生じない。したがって、該寄生容量に起因して外的ノイズに対する耐性が低下することがない。すなわち、より安定した動作が得られる光電変換装置４０Ｂを実現できる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の光電変換装置について図５を参照して説明する。図５（ａ）は第３実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ’線で切った概略断面図である。第３実施形態の光電変換装置は、第１実施形態の光電変換装置４０Ａに対して遮光膜の配置を異ならせたものである。したがって、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の光電変換装置４０Ｃは、第１実施形態の光電変換装置４０Ａと同じく画素ごとに、光電変換素子としてのフォトダイオード５１と、３つのトランジスター６１，６２，６３を具備する画素回路とを有している。

フォトダイオード５１の光反射性電極５４と同層に形成された遮光膜６５Ｃは、トランジスター６１のドレイン電極６１ｄ側を除く半導体層６１ａ上に平面的に重なっている。また、遮光膜６５Ｃはトランジスター６２の半導体層６２ａにおけるソース電極６２ｓ側とドレイン電極６２ｄ側とに平面的に重なると共に、ゲート電極６２ｇと平面的に重ならないように配置されている。また、遮光膜６５Ｃはトランジスター６３の半導体層６３ａ上に平面的に重なるように配置されている。つまり、遮光膜６５Ｃはフォトダイオード５１に電気的に接続されるトランジスター６２のゲート電極６２ｇとこれに繋がる中継層６４ａとに平面的に重ならないように配置されている。
遮光膜６５Ｃは、固定電位としての駆動電圧（ＶＤＤ）が供給される配線４６にコンタクトホールＣＮＴ３，４，５と中継層６４ｂとを介して電気的に接続されている。

以上に述べた第３実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）、（２）、（４）に加えて以下の効果が得られる。
（６）光電変換装置４０Ｃの遮光膜６５Ｃは、トランジスター６２のゲート電極６２ｇとこれに繋がる中継層６４ａとに平面的に重ならないように配置されている。これにより、遮光膜６５Ｃとゲート電極６２ｇおよび中継層６４ａとの間に生ずる寄生容量が生じない。したがって、該寄生容量に起因して画素の入射光に対する感度が低下することを防止することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態の光電変換装置について図６を参照して説明する。図６（ａ）は第４実施形態の光電変換装置の画素における各構成の配置を示す概略平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ’線で切った概略断面図である。第４実施形態の光電変換装置は、第１実施形態の光電変換装置４０Ａに対して遮光膜の配置を異ならせたものである。したがって、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態の光電変換装置４０Ｄは、第１実施形態の光電変換装置４０Ａと同じく画素ごとに、光電変換素子としてのフォトダイオード５１と、３つのトランジスター６１，６２，６３を具備する画素回路とを有している。

フォトダイオード５１の光反射性電極５４と同層に形成された遮光膜６５Ｄは、トランジスター６１のドレイン電極６１ｄ側を除く半導体層６１ａ上に平面的に重なっている。また、遮光膜６５Ｄはトランジスター６２の半導体層６２ａにおけるソース電極６２ｓ側とドレイン電極６２ｄ側とに平面的に重なると共に、ゲート電極６２ｇと平面的に重ならないように配置されている。また、遮光膜６５Ｄはトランジスター６３の半導体層６３ａ上に平面的に重なるように配置されている。
また、遮光膜６５Ｄは、平面的にフォトダイオード５１の光反射性電極５４と、フォトダイオード５１に電気的に接続されるトランジスター６２のゲート電極６２ｇとこれに繋がる中継層６４ａとに重ならないように配置されている。言い換えれば、各画素において、遮光膜６５Ｄは、平面的にフォトダイオード５１とこれに繋がるゲート電極６２ｇおよび中継層６４ａを除いた領域に重なるように配置されている。
遮光膜６５Ｄは、固定電位としての駆動電圧（ＶＤＤ）が供給される配線４６にコンタクトホールＣＮＴ３，４，５と中継層６４ｂとを介して電気的に接続されている。
なお、遮光膜６５Ｄは、図６（ａ）に示すように、画素ごとに独立して形成されることに限定されず、複数の画素に跨って形成されているとしてもよい。

以上に述べた第４実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）、（２）、（４）に加えて以下の効果が得られる。
（７）光電変換装置４０Ｄの遮光膜６５Ｄは、トランジスター６２のゲート電極６２ｇとこれに繋がる中継層６４ａとに平面的に重ならないように配置されている。これにより、遮光膜６５Ｄとゲート電極６２ｇおよび中継層６４ａとの間に生ずる寄生容量が生じない。したがって、該寄生容量に起因して画素の入射光に対する感度が低下することを防止することができる。
また、遮光膜６５Ｄは、画素において、平面的にフォトダイオード５１とこれに繋がるゲート電極６２ｇおよび中継層６４ａを除いた領域に重なるように配置されている。したがって、画素に入射した光のうちフォトダイオード５１以外に入射した光が、遮光膜６５Ｄによって遮光され、遮光膜６５Ｄよりも下層に形成された画素回路のトランジスター６１，６２，６３の半導体層６１ａ，６２ａ，６３ａに入射しない。つまり、固定電位（ＶＤＤ）に接続された遮光膜６５Ｄによって外的ノイズを遮蔽すると共に、入射光によって画素回路の動作が不安定になることを防止することができる。ゆえに、より安定した動作が得られる光電変換装置４０Ｄを提供できる。

以上、第１〜第４実施形態の光電変換装置について説明したが、これらの実施形態の特徴を選択的に組み合わせて光電変換装置を構成してもよい。例えば、第２実施形態の光電変換装置４０Ｂにおいて、第４実施形態の光電変換装置４０Ｄにおける遮光膜６５Ｄの構成を適用してもよい。

（第５実施形態）
次に、本発明の光電変換装置を適用した撮像装置と、この撮像装置を用いた電子機器について、図７および図８を参照して説明する。図７（ａ）は撮像装置の構成を示す概略斜視図、同図（ｂ）は撮像装置の構造を示す概略断面図、図８（ａ）は電子機器としての携帯型電話機を示す斜視図、同図（ｂ）は電子機器としてのパーソナルコンピューターを示す概略図である。

＜撮像装置＞
図７（ａ）に示すように、本実施形態の撮像装置１００は、光電変換素子を具備した画素を複数有する光電変換装置４０と、遮光基板３０と、該光電変換素子に向けて光を集光させる集光素子としての複数のマイクロレンズが配置されたレンズアレイ２０と、生体としての指を所定の方向に向けて配置するためのガイド基板１０とがこの順に積層されたものである。

ガイド基板１０は、例えば透明なアクリル樹脂などからなり、指を所定の方向に向けて配置するための凹部１１ａを有する一対のガイド部１１を有している。ガイド部１１の内部には、指を照明するための光源１２として例えば近赤外光を発するＬＥＤ素子や有機ＥＬ素子などが指の延在方向に沿って複数配置されている。
なお、ガイド基板１０の構成は、これに限定されず、指の配置位置を示す例えば枠などの識別マークをレンズアレイ２０の光の入射側の表面に設け、光源１２をレンズアレイ２０に実装あるいは内蔵してもよい。
以降、指の延在方向つまり一対のガイド部１１の延在方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交する方向をＸ方向、各基板の積層方向をＺ方向として各構成を説明する。指の主な静脈は指の延在方向に沿って存在していると考えられる。

図７（ｂ）に示すように、光電変換装置４０は、基板４１に所定の間隔を置いて配置された光電変換素子としてのフォトダイオード５１とフォトダイオード５１に接続された画素回路とを有する複数の画素５０を備えている。
画素５０は、特に、近赤外線に高い感度を持ったフォトダイオード５１を採用することで、指を介して受光される光源１２から発せられた近赤外光を効率よく検出できる。

レンズアレイ２０は、透明な基板本体２１と、基板本体２１に凸状のレンズ面が画素５０（フォトダイオード５１）に向くように形成された複数のマイクロレンズ２２を有している。

レンズアレイ２０と光電変換装置４０との間には、遮光基板３０が設けられている。遮光基板３０は、透明な２つの基板３１，３２の間に挟まれた遮光部３３を有している。
遮光部３３は、マイクロレンズ２２と画素５０（フォトダイオード５１）とを結ぶ光軸上に開口部３３ａを有している。
遮光部３３は、遮光性で表面が光を反射し難い、例えばＣｒなどの金属薄膜からなり、この金属薄膜を２つの基板３１，３２のいずれか一方に成膜してパターニングすることにより、平面視では円形の開口部３３ａが形成されている。遮光部３３を挟んで２つの基板３１，３２を貼り合わせて遮光基板３０が構成されている。

マイクロレンズ２２により集光された光が対応する開口部３３ａを通過する。マイクロレンズ２２により集光された光以外の光、例えば光源１２から発せられた光の散乱光や外光などの迷光が画素５０（フォトダイオード５１）に届かないように、開口部３３ａの大きさが決められている。マイクロレンズ２２により集光された光の束（以降、光束と呼ぶ）だけが開口部３３ａを通過するように、開口部３３ａの大きさが設定されている。つまり、遮光部３３における開口部３３ａは撮像装置１００における絞り（ピンホール）の役目を果たし、これによって、鮮明な静脈パターンを撮像することが可能となる。

なお、基板３２は、遮光部３３とフォトダイオード５１との間の距離を一定に保持すべく、その厚みが設定されている。具体的には、マイクロレンズ２２により集光された光束が開口部３３ａを通過した後に、フォトダイオード５１に万遍なく受光されることが好ましい。したがって、画素５０のフォトダイオード５１における受光面積と、マイクロレンズ２２の焦点距離とに基づいて基板３２の厚みが決まる。

本実施形態では、遮光部３３とフォトダイオード５１との間の距離をフォトダイオード５１ごとに一定に保つことを目的として基板３２が配置されているが、当該距離を調整して一定に保つ方法が他にあれば、基板３２を削除してもよい。

レンズアレイ２０は、光電変換装置４０と遮光基板３０とが貼り合わされた積層体に対して、マイクロレンズ２２の凸状のレンズ面（曲面）が画素５０（フォトダイオード５１）に向かうと共に、遮光基板３０にレンズ面が接するように対向配置され、ギャップ剤が混入されたシール材２４によって周囲が封着されている。これにより遮光基板３０と基板本体２１との間の距離が一定に保たれている。シール材２４は、例えば熱硬化型のエポキシ系接着剤や紫外線硬化型のアクリル系接着剤を用いることができる。

レンズアレイ２０上に配置された指に対して光源１２から光（近赤外光）が照射される。指の内部を走る静脈は近赤外光をよく吸収する。照明された被写体としての指から発した光はマイクロレンズ２２により集光されて画素５０（フォトダイオード５１）により受光される。

撮像装置１００における光電変換装置４０は、上記第１実施形態〜上記第４実施形態において説明した光電変換装置４０Ａ〜４０Ｄのいずれかが適用されており、人体（指）からの静電気などによる外的ノイズに対して高い耐性を有し、安定した撮像動作が実現されている。

＜電子機器＞
図８（ａ）に示すように、本実施形態の電子機器としての携帯型電話機１０００は、表示部１００１、操作ボタン１００２および生体認証装置１００３を備えている。生体認証装置１００３は、携帯型電話機１０００の本体に搭載された撮像装置１００に指を触れさせることによって取得された静脈パターンと予め登録された使用者（個人）の静脈パターンとを比較することにより、例えば、携帯型電話機１０００のロック状態を解除したり、金融決済の際の個人認証を確実に行うことができる。

図８（ｂ）に示すように、本実施形態の電子機器としてのノート型のパーソナルコンピューター１１００は、表示部１１０１、入力ボタン１１０２および生体認証装置１１０３を備えている。生体認証装置１１０３は、パーソナルコンピューター１１００の本体に組み込まれた撮像装置１００に指を触れさせることによって取得された静脈パターンと予め登録された使用者（個人）の静脈パターンとを比較することにより、例えば、パーソナルコンピューター１１００にログインしたり、金融決済の際の個人認証を確実に行うことができる。

上記携帯型電話機１０００および上記パーソナルコンピューター１１００は、室内、屋外を問わず静脈パターンを撮影できる撮像装置１００を有する生体認証装置１００３，１１０３を備えているため、あらゆる環境下で高精度に個人認証を行うことができる。それゆえに、不正な使用行為を防止することができる。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光電変換装置および該光電変換装置を適用する電子機器もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）上記実施形態における画素回路６０の構成は、これに限定されない。例えば、光電変換素子としてのフォトダイオード５１に接続される少なくとも１つのトランジスターを有していれば、リーク電流ｉｐを検出することができる。また、電流や電位を保持するための蓄積容量や電気抵抗などを備えていてもよい。

（変形例２）上記実施形態の光電変換装置における画素の各構成の平面的な配置および基板４１上の配置はこれに限定されない。例えば、フォトダイオード５１を画素の平面的な中心に配置してもよい。また、フォトダイオード５１における光電変換層５３の平面的な形状は四角形に限定されず例えば円形としてもよい。

（変形例３）上記実施形態の光電変換装置の遮光膜６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ，６５Ｄが接続される先は、一定の駆動電圧（ＶＤＤ）を供給する配線４６に限定されない。例えば、ＧＮＤやＶＳＳなどの固定電位が与えられる他の配線に接続させるとしてもよい。

（変形例４）撮像装置１００を有する生体認証装置が搭載される電子機器は、上記第５実施形態の携帯型電話機１０００やパーソナルコンピューター１１００に限定されない。例えば、ＰＤＡやＰＯＳなどの携帯型情報端末などに搭載することにより、高いセキュリティーを確保して、使用される用途を広げることができる。

４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…光電変換装置、４１…基板、４５…読み出し配線としてのデータ線、５０…画素、５１…光電変換素子としてのフォトダイオード、５２…透光性電極、５３…光電変換層、５４…光反射性電極、６０…画素回路、６１…第１トランジスターとしてのトランジスター、６２…第２トランジスターとしてのトランジスター、６２ｇ…ゲート電極、６３…第３トランジスターとしてのトランジスター、６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ，６５Ｄ…遮光膜、１００…撮像装置、１０００…電子機器としての携帯型電話機、１１００…電子機器としてのパーソナルコンピューター。

Claims (3)

1. 光反射性電極を有する光電変換素子と、
   固定電位に接続された遮光膜と、
   前記光反射性電極に電気的に接続され、前記光電変換素子をリセットするための第１トランジスターと、
   前記光反射性電極に電気的に接続され、光が入射して前記光電変換素子に生じたリーク電流を増幅するための第２トランジスターと、
   前記第２トランジスターと読み出し配線とに電気的に接続され、前記第２トランジスターによって増幅された前記リーク電流を前記読み出し配線に選択的に流すための第３トランジスターとを備え、
   前記遮光膜と前記第２トランジスターのゲート電極とは、異なる層に形成され、
   前記遮光膜は、前記第１トランジスターの半導体層上および前記第３トランジスターの半導体層上に平面的に重なるように配置され、前記第２トランジスターのゲート電極と平面的に重ならないように配置されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記遮光膜は光反射性の膜であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 請求項１乃至２のいずれか一項に記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする電子機器。

Images