JP7199039B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
質および半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質のうちの一方と、を含む。
1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、
各画素は、前記複数の画素間で電気的に接続された電極と、前記画素ごとに区画された電荷捕集部と、前記電極と前記電荷捕集部との間に位置し、前記複数の画素間でつながっている光電変換層と、を備え、前記光電変換層は、半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質および前記半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質のうちの一方と、を含む、撮像装置。この構成によれば、カーボンナノチューブを光電変換材料として備えた撮像装置が実得する。また、半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ物質、または、半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ物質を含むことにより、画素間での検出電荷の混合を抑制し、高精細な画像を取得し得る撮像装置、または、微小な画素サイズの撮像装置が実現し得る。
前記光電変換層は、前記第1の物質を含み、前記電荷捕集部は、負電荷を捕集する項目1に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層は、前記第2の物質を含み、前記電荷捕集部は、正電荷を捕集する項目1に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層を支持する半導体基板を更に備え、前記各画素は前記半導体基板に設け
られており、前記電荷捕集部と電気的に接続された電荷検出用トランジスタをさらに含む、項目1から3のいずれかに記載の撮像装置。この構成によれば、積層型の撮像装置を実現し得る。
前記光電変換層において、前記半導体型カーボンナノチューブと、前記第1の物質および前記第2の物質のうちの一方とは互いに分散している項目1から4のいずれかに記載の撮像装置。この構成によれば、より確実に画素間の電荷の混合が抑制される。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域である項目4に記載の撮像装置。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板上に位置する電極である、項目4に記載の撮像装置。
前記第1の物質は、フラーレン骨格を有する分子である項目2に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目3に記載の撮像装置。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも低くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目2に記載の撮像装置。
1次元または2次元に配列された複数の画素を備えた撮像装置であって、各画素は、前記複数の画素間で電気的に接続された電極、前記画素ごとに区画された電荷捕集部、および半導体型カーボンナノチューブと、前記半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質および前記半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質のうちの一方とを含み、前記電極および前記電荷捕集部に挟まれた光電変換層を含み、前記半導体型カーボンナノチューブの少なくとも一部は前記電荷捕集部と電気的に接続されている、撮像装置。この構成によれば、キャリア移動度の高い半導体型カーボンナノチューブを含み、半導体型カーボンナノチューブ中を移動する電荷を画素電極で捕集する。このため、高速動作、高フレームレートで撮影が可能な撮像装置を実現することができる。
前記光電変換層は、前記第1の物質を含み、前記電荷捕集部は、正電荷を捕集する項目11に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層は、前記第2の物質を含み、前記電荷捕集部は、負電荷を捕集する項目
11に記載の撮像装置。この構成によれば、負電荷を信号電荷として検出することができる。
前記光電変換層を支持する半導体基板を更に備え、前記各画素は前記半導体基板に設けられており、前記電荷捕集部と電気的に接続された電荷検出用トランジスタをさらに含む、項目11から13のいずれか記載の撮像装置。この構成によれば、積層型の撮像装置を実現し得る。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板に形成された不純物拡散領域である項目14に記載の撮像装置。
前記電荷捕集部は、前記半導体基板上に位置する電極である、項目14に記載の撮像装置。
前記第1の物質は、フラーレン骨格を有する分子である項目12に記載の撮像装置。この構成によれば、正電荷を信号電荷として検出することができる。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも低くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目12に記載の撮像装置。
前記電極と電気的に接続され、前記電荷捕集部の電位が前記電極の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を生成する電圧供給回路をさらに含む項目13に記載の撮像装置。
[1.撮像装置の全体構成]
図1を参照しながら、本開示の撮像装置の構成の概略を説明する。図1は、本開示の実施形態による撮像装置の回路構成の一例を示す。図1に示す撮像装置100は、複数の単位画素セル20と、周辺回路とを有する。周辺回路は、単位画素セル20の各々に所定の電圧を供給する電圧供給回路10を含む。
および列が延びる方向を意味する。つまり、図1の紙面における鉛直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。図1では、2×2のマトリクス状に配置された4つの単位画素セル20が示されている。図1に示す単位画素セル20の個数はあくまでも説明のための例示であり、単位画素セル20の個数は4つに限定されない。単位画素セル20が1次元に配置される場合、撮像装置100はラインセンサである。
素電極32の電位をリセットする。
ドレインのうち、電荷蓄積ノード41と接続されていない側(ドレイン)に接続されている。したがって、反転増幅器59は、アドレストランジスタ44とリセットトランジスタ46とが導通状態にあるときに、アドレストランジスタ44の出力を負端子に受ける。一方、反転増幅器59の正側の入力端子には、不図示の電源からリセットにおける基準電圧が印加される。反転増幅器59は、増幅トランジスタ42のゲート電圧が所定のフィードバック電圧となるようにフィードバック動作を行う。フィードバック電圧とは、反転増幅器59の出力電圧を意味する。反転増幅器59の出力電圧は、例えば0Vまたは0V近傍の正電圧である。反転増幅器59を「フィードバックアンプ」と呼んでもよい。
図2は、本開示の実施形態による撮像装置100中の単位画素セル20のデバイス構造の断面を模式的に示している。図2に例示する構成において、単位画素セル20は、光電変換部30を支持する半導体基板62(例えばシリコン基板)を含む。図示するように、光電変換部30は、半導体基板62の上方に配置される。この例では、半導体基板62上に層間絶縁層63A、63Bおよび63Cが積層されており、層間絶縁層63C上に、画素電極32、光電変換層39および対向電極38の積層体が配置されている。画素電極32は画素ごとに区画されており、隣接する2つの単位画素セル20間において画素電極32が空間的に分離して形成されることにより、隣接する2つの画素電極32は、電気的に分離されている。また、光電変換層39および対向電極38は、複数の単位画素セル20に跨るように形成されている。対向電極38は、たとえば、ITOまたはZnO等の金属酸化物、数層グラフェン、金属ナノワイヤーなどによって形成される。
コンタクトプラグ65A、増幅トランジスタ42のゲート電極42eに接続されたコンタクトプラグ65B、および、コンタクトプラグ65Aとコンタクトプラグ65Bとを接続する配線66Aが形成されている。これにより、リセットトランジスタ46のn型不純物領域62d(例えばドレイン)が増幅トランジスタ42のゲート電極42eと電気的に接続されている。図2に例示する構成では、層間絶縁層63A内に、プラグ67Aおよび配線68Aがさらに形成されている。また、層間絶縁層63B内にプラグ67Bおよび配線68Bが形成され、層間絶縁層63C内にプラグ67Cが形成されることにより、配線66Aと画素電極32とが電気的に接続されている。コンタクトプラグ65A、コンタクトプラグ65B、配線66A、プラグ67A、配線68A、プラグ67B、配線68B、および、プラグ67Cは、典型的には金属から構成される。
次に光電変換部30の光電変換層39を詳細に説明する。図3Aは、単位画素セル20における光電変換部30の断面を模式的に示している。各単位画素セル20において、光電変換部30は、対向電極38と、画素電極32と、光電変換層39とを含む。光電変換層39は、対向電極38と画素電極32とに挟まれている。
きは区別されない。
属型カーボンナノチューブの割合は少ない方が望ましい。金属型カーボンナノチューブを含まないことがより望ましい。金属型カーボンナノチューブ中では、生成した正孔-電子対が速やかに消失するからである。
の共鳴波長を持つ。また、カイラリティ(7,2)の半導体型カーボンナノチューブは、
820nm程度の共鳴波長を持つ。波長780nmにおいて、還元型ヘモグロビンは酸化型ヘモグロビンよりも高い吸収を示し、波長820nmにおいて酸化型ヘモグロビンは還元型ヘモグロビンよりも高い吸収を示す。したがって、これらのカイラリティを有する半導体型カーボンナノチューブを光電変換層に用いることによって、血中酸素濃度を画像化することが可能な撮像装置が実現し得る。
共鳴波長を持つ。これは太陽光欠落波長域に近いが、あまり太陽光の減衰がみられない波長である。したがって、これらのカイラリティを有する半導体型カーボンナノチューブを光電変換層に用いることによって、太陽光欠落波長域近傍で太陽光による画像を撮影することが可能な撮像装置が実現し得る。
の共鳴は、約1.4μmの赤外域以外に、約750nmの可視域にも存在する。したがって、これらのカイラリティを有する半導体型カーボンナノチューブを光電変換層に用い、光学フィルターなどと組み合わせることによって、マルチスペクトル撮影を行うことが可能な撮像装置が実現する。
導体型カーボンナノチューブ105から引き抜く。本実施形態においては、電荷分離材料106は、信号電荷として検出しない方を、半導体型カーボンナノチューブ105から引き抜く。
の電位が対向電極38の電位よりも高くなるように決定されたバイアス電圧を対向電極38に供給する。また、その場合、電荷分離材料106として、半導体型カーボンナノチューブ105よりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ物質を用いることができる。
た方が望ましい。たとえば、バトクプロイン(BCP)を正孔ブロック層103に用いることができる。
層39は、更に、n型半導体またはp型半導体を含んでいてもよい。
図7を参照しながら光電変換層39における入射光の検出を説明する。図7は、光電変換層39内の半導体型カーボンナノチューブ105および電荷分離材料106と、画素電極32および対向電極38との位置関係を示す模式図である。図7において、着目する半導体型カーボンナノチューブ105および電荷分離材料106のみ、実線で示している。以下の例では電子を信号電荷として用いている。また、電荷分離材料106は、半導体型カーボンナノチューブ105よりも小さいイオン化ポテンシャルを持つ物質である。また、図7においては、画素電極32の電位が対向電極38の電位よりも高くなるように、バイアス電圧を対向電極38に供給している。そのため、矢印502で示す方向に電場が生じている。
子間距離に差があっても電場に平行な方向により近い方向にある分子がホッピング先に選ばれる確率が高まる。そのため、電荷分離材料106の分子間距離の分布に極端な偏りがなく、光電変換層39内で3次元に分布していれば、矢印503で示すように、正電荷hは、巨視的には電場の方向に移動し、対向電極38に捕集される。分子間距離の分布に極端な偏りがある場合としては、例えば、電荷分離材料106の分子がある平面状にのみ配列されている場合である。
が可能である。また、カーボンナノチューブは化学的に安定性が高く、特性が劣化しにくい。そのため、広い温度範囲で使用が可能であり、耐久性及び信頼性の高い撮像装置が実現し得る。さらに、カイラリティの違いにより波長感度特性の異なるカーボンナノチューブが存在する。そのため、波長感度特性の設計がしやすい。また、マルチ波長で画像を撮影することが可能な撮像装置を実現し得る。
像装置において、検出した電荷による信号にノイズが生じやすい。これに対し、カーボン
ナノチューブは安定でリジッドな構造を有する。そのため、遷移準位に揺らぎが生じにくく、高いS/N比で検出した電荷による信号を得ることができる。
撮像装置100は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に、半導体基板62としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって撮像装置100を製造することができる。
くなる。特に上述の文献(3)に記載された方法によれば、直径がほぼ同じであり、かつ、カイラリティが異なる半導体型カーボンナノチューブを選別することが可能である。したがって、マルチスペクトル撮像などを所定の2以上の波長範囲で画像を取得する撮像装置を実現するためには、文献(3)等の方法によるカイラリティの選別された半導体型カーボンナノチューブを用いることが望ましい。
第2の実施形態では、カーボンナノチューブにおいて発生する正孔―電荷対から、信号電荷として用いる方を電荷分離材料が引き抜く点が、第1の実施形態と異なる。まず、発明者の知見を説明する。
ーボンナノチューブを光電変換材料として光電変換素子に用いた場合、光電変換層内において、光電変換層に平行(厚さ方向に垂直な方向)に配置されるカーボンナノチューブの成分の方が厚さ方向に配置される成分よりも長くなる。
0の少なくとも一部は、複数の単位画素セル20にまたがって位置している。
電変換層39の厚さ方向における電荷分離材料106の密度は、対向電極38側において低く、画素電極32側で高くてもよい。このような分布は、電荷分離材料106が画素電極32で捕集する電荷を半導体型カーボンナノチューブから引き抜くため、逆の密度分布よりも望ましい。光電変換層39の厚さは、例えば、数十nm以上数百nm以下である。また、光電変換層39は、更に、n型半導体やp型半導体を含んでいてもよい。
に跨って形成されているため、どの位置において正電荷hが捕集されてもよい。
セスを用いて製造することができる。特に、半導体基板62としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって撮像装置を製造することができる。
20 単位画素セル
22 蓄積制御線
23 電源線
24 垂直信号線
25 アドレス信号線
26 リセット信号線
27 フィードバック線
30 光電変換部
32 画素電極
38 対向電極
39 光電変換層
40 信号検出回路
41 電荷蓄積ノード
42 増幅トランジスタ
42g、44g、46g ゲート絶縁層
42e、44e、46e ゲート電極
44 アドレストランジスタ
46 リセットトランジスタ
52 垂直走査回路
54 水平信号読出し回路
56 カラム信号処理回路
58 負荷回路
59 反転増幅器
61 基板
62 半導体基板
62a~62e 不純物領域
62s 素子分離領域
63A~63C 層間絶縁層
65A、65B コンタクトプラグ
66A、68A、68B 配線
67A~67C プラグ
72 保護層
74 マイクロレンズ
100 撮像装置
101 電子ブロック層
103 正孔ブロック層
105 半導体型カーボンナノチューブ
106 電荷分離材料
110 伝導帯
111 価電子帯
113 真空準位
150 半導体型カーボンナノチューブ
196 電荷分離材料
501、511、512 位置
Claims (8)
- 複数の画素を備えた撮像装置であって、
各画素は、
電極と、
電荷捕集部と、
前記電極と前記電荷捕集部との間に位置する光電変換層と、
光学フィルターと、
を備え、
前記電極は、前記複数の画素間で電気的に接続されており、
前記光電変換層は、前記複数の画素間で繋がっており、
前記光電変換層は、2以上の異なるカイラリティを有する複数の半導体型カーボンナノチューブを含み、
前記複数の半導体型カーボンナノチューブは、光電変換によって正孔-電子対を生成し、
前記正孔-電子対のうち、前記電荷捕集部により捕集された電荷を画像信号に変換することによりマルチスペクトル撮像を行う、
撮像装置。 - 前記光電変換層は、前記複数の半導体型カーボンナノチューブと、前記複数の半導体型カーボンナノチューブよりも大きな電子親和力を持つ第1の物質、または前記複数の半導体型カーボンナノチューブよりも小さなイオン化ポテンシャルを持つ第2の物質を含む、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記複数の画素は、1次元または2次元に配列される、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記複数の半導体型カーボンナノチューブの少なくとも1つは、太陽光欠落波長域に共鳴波長を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 前記複数の半導体型カーボンナノチューブは、近赤外領域に共鳴波長を有する半導体型カーボンナノチューブと、可視領域に共鳴波長を有する半導体型カーボンナノチューブとを含み、
前記画像信号が示す画像には、近赤外画像および可視画像が含まれる、請求項1から3のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記複数の半導体型カーボンナノチューブは、近赤外領域に第1の共鳴波長を有する半導体型カーボンナノチューブと、近赤外領域に前記第1の共鳴波長とは異なる第2の共鳴波長を有する半導体型カーボンナノチューブとを含み、
前記画像信号が示す画像には、複数の近赤外画像が含まれる、請求項1から3のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記電荷捕集部は、画素電極である、請求項1から6のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 前記複数の半導体型カーボンナノチューブの少なくとも1つは、前記複数の画素のうちの2つ以上の画素にまたがって配置される、請求項1から7のいずれか一項に記載の撮像装置。
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