JP7468347B2 - 撮像素子、積層型撮像素子及び固体撮像装置 - Google Patents
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Description
第1の絶縁層上に形成された蓄積電極、
蓄積電極上に形成された第2の絶縁層、
蓄積電極及び第2の絶縁層を覆うように形成された半導体層、
半導体層に接するように形成され、蓄積電極から離れるように形成された捕集電極、
半導体層上に形成された光電変換層、及び、
光電変換層上に形成された上部電極、
を備えている。
第1電極、
第1電極と離間して配置された電荷蓄積用電極、
第1電極と接し、絶縁層を介して電荷蓄積用電極の上方に形成された光電変換部、並びに、
光電変換部上に形成された第2電極、
を備えており、
光電変換部は、第2電極側から、光電変換層、及び、InaGabSncOdから成る無機酸化物半導体材料層から構成されており、
0.30≦b/(a+b+c)≦0.50
及び、
b≧c
を満足する。
1.本開示の撮像素子、本開示の積層型撮像素子、本開示の第1の態様~第2の態様に係る固体撮像装置、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の撮像素子、本開示の積層型撮像素子、本開示の第2の態様に係る固体撮像装置)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1~実施例2の変形、本開示の第1の態様に係る固体撮像装置)
5.実施例4(実施例1~実施例3の変形、転送制御用電極を備えた撮像素子)
6.実施例5(実施例1~実施例4の変形、電荷排出電極を備えた撮像素子)
7.実施例6(実施例1~実施例5の変形、複数の電荷蓄積用電極セグメントを備えた撮像素子)
8.実施例7(実施例1~実施例6の変形、下部電荷移動制御電極を備えた撮像素子)
9.実施例8(実施例1~実施例6の変形、上部電荷移動制御電極を備えた撮像素子)
10.実施例9(第1構成~第2構成の固体撮像装置)
11.実施例10(実施例9の変形)
12.その他
本開示の撮像素子、本開示の積層型撮像素子を構成する本開示の撮像素子、本開示の第1の態様~第2の態様に係る固体撮像装置を構成する本開示の撮像素子(以下、これらの撮像素子を総称して、『本開示の撮像素子等』と呼ぶ場合がある)にあっては、bの値(Ga原子数比)が大きいほど、光学ギャップは増加する。可視帯域で透明であるためには、光学ギャップは2.8eVであることが要求される。このことから、bの値(Ga原子数比)は0.15以上であることが必要とされる。但し、場合によっては緑色よりも長波長のみを透過すればよい場合があり、この場合、必要とされる光学ギャップは2.5eV以上である。一方、例えば、フラーレンC60を含む光電変換層で生成した電荷(電子)を無機酸化物半導体材料層において円滑に受け取るためには、無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値E11の絶対値は、フラーレンの伝導帯の最大エネルギー値の絶対値4.5eVと同等かそれよりも大きいことが必要とされる。このことから、bの値(Ga原子数比)は0.5以下であることが好ましい。尚、広くは、無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値E11の絶対値は、光電変換層のLUMO値におけるエネルギー平均値の絶対値と同等かそれよりも大きいことが必要とされる。
0.30≦b/(a+b+c)≦0.50
好ましくは、
0.40≦b/(a+b+c)≦0.50
と規定したが、これに限定するものではない。無機酸化物半導体材料層の成膜過程において、場合によっては、水素や他の金属あるいは金属化合物等の他の不純物が混入することがあるが、微量(例えばモル分率で3%以下)であれば混入を妨げるものではない。
E12≧E11
を満足することが望ましい。尚、『最小エネルギー』とはエネルギーの値の絶対値が最小であることを意味し、『最大エネルギー』とはエネルギーの値の絶対値が最大であることを意味する。以下においても同様である。
E22≧E21
を満足することが望ましい。
E11≦-4.5eV
を満足することが望ましいが、これに限定するものではない。尚、この場合、光電変換層を構成する材料に含まれる電子輸送材料としてフラーレンを用いること好ましい。
Eb=hν=h(c/λ)=1239.8/λ[eV]
第2電極から光が入射し、
光電変換層と無機酸化物半導体材料層との界面における無機酸化物半導体材料層表面の表面粗さRaは1.5nm以下であり、無機酸化物半導体材料層表面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.5nm以下であることが好ましい。表面粗さRa,Rqは、JIS B0601:2013の規定に基づく。このような無機酸化物半導体材料層表面の平滑性は、無機酸化物半導体材料層における表面散乱反射を抑制し、光電変換における明電流特性の向上を図ることができる。電荷蓄積用電極表面の表面粗さRaは1.5nm以下であり、電荷蓄積用電極表面の二乗平均平方根粗さRqの値は2.5nm以下であることが好ましい。
酸素ガス分圧=(O2ガス圧力)/(ArガスとO2ガスの圧力合計)
を、0.005乃至0.10とすることが好ましい。更には、本開示の撮像素子等にあっては、無機酸化物半導体材料層における酸素の含有率が化学量論組成の酸素含有率よりも少ない形態とすることができる。ここで、酸素の含有率に基づいて無機酸化物半導体材料層のエネルギー準位を制御することができ、酸素の含有率が化学量論組成の酸素含有率よりも少なくなる程、即ち、酸素欠損が多くなる程、エネルギー準位を深くすることが可能となる。
第1電極21、
第1電極21と離間して配置された電荷蓄積用電極24、
第1電極21と接し、絶縁層82を介して電荷蓄積用電極24の上方に形成された光電変換部23、並びに、
光電変換部23上に形成された第2電極22、
を備えている。そして、光電変換部23は、第2電極側から、光電変換層23A、及び、InaGabSncOdから成る無機酸化物半導体材料層23Bから構成されており、
0.30≦b/(a+b+c)≦0.50 (1-A)
好ましくは、
0.40≦b/(a+b+c)≦0.50 (1-B)
及び、
b≧c (2-A)
好ましくは、
b≧1.2c (2-B)
を満足する。尚、式(1-A)及び式(2-A)を満足する領域を、図70にハッチング線で囲まれた領域として示す。
E12≧E11
といった関係がある。尚、光電変換層23Aを構成する材料に含まれる電子輸送材料としてフラーレンを用いている。また、無機酸化物半導体材料層23Bの価電子帯における最小エネルギー値のエネルギー平均値E21(eV)と、光電変換層23AのHOMO値におけるエネルギー平均値E22(eV)との間には、
E22≧E21
といった関係がある。更には、無機酸化物半導体材料層23Bの伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値E11は、
E11≦-4.5eV
を満足する。また、無機酸化物半導体材料層23Bを構成する材料の移動度は10cm2/V・s以上であるし、無機酸化物半導体材料層23Bのキャリア濃度は1×1016/cm3未満である。
a b c
実施例1A 0.20 0.47 0.33
実施例1B 0.33 0.33 0.33
実施例1C 0.60 0.30 0.10
比較例1A 0.45 0.24 0.31
比較例1B 0.00 0.67 0.33
光学ギャップ 酸素欠損発生状態 移動度
実施例1A 3.2eV 発生し難い 高い
実施例1B 3.0eV 発生し難い 高い
実施例1C 3.1eV 発生し難い 高い
比較例1A 2.9eV 発生し易い 高い
比較例1B 3.4eV 発生し易い 低い
電荷蓄積期間 電荷転送期間
第1電極 V11 V12
第2電極 V21 V22
電荷蓄積用電極 V31 V32
電荷移動制御電極 V41 V42
転送制御用電極 V51 V52
電荷排出電極 V61 V62
第1電極の頂面の縁部は絶縁層で覆われており、
開口部の底面には第1電極が露出しており、
第1電極の頂面と接する絶縁層の面を第1面、電荷蓄積用電極と対向する無機酸化物半導体材料層の部分と接する絶縁層の面を第2面としたとき、開口部の側面は、第1面から第2面に向かって広がる傾斜を有する形態とすることができ、更には、第1面から第2面に向かって広がる傾斜を有する開口部の側面は、電荷蓄積用電極側に位置する形態とすることができる。
第1電極、第2電極、電荷蓄積用電極及び下部電荷移動制御電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、下部電荷移動制御電極に電位V41が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、下部電荷移動制御電極に電位V42が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される形態とすることができる。但し、
V31≧V11、V31>V41、且つ、V12>V32>V42
である。下部電荷移動制御電極は、第1電極あるいは電荷蓄積用電極と同じレベルに形成されていてもよいし、異なるレベルに形成されていてもよい。
[A]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して、光電変換層の領域-Aの上に設けられている形態とすることができるし、あるいは又、
[B]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して設けられており、上部電荷移動制御電極の下方には、電荷蓄積用電極の一部が存在する形態を挙げることもできるし、あるいは又、
[C]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して設けられており、上部電荷移動制御電極の下方には、電荷蓄積用電極の一部が存在し、しかも、上部電荷移動制御電極の下方には、下部電荷移動制御電極が形成されている形態を挙げることもできる。上部電荷移動制御電極と第2電極との間の領域の下に位置する光電変換層の領域には、上部電荷移動制御電極と第2電極とのカップリングによって生成した電位が加わる場合がある。
第1電極、第2電極、電荷蓄積用電極及び上部電荷移動制御電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第2電極に電位V21が印加され、上部電荷移動制御電極に電位V41が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第2電極に電位V22が印加され、上部電荷移動制御電極に電位V42が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される形態とすることができる。但し、
V21≧V41、且つ、V22≧V42
である。上部電荷移動制御電極は、第2電極と同じレベルに形成されている。
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極及び電荷蓄積用電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される構成とすることができる。但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V31≧V11、且つ、V32<V12
である。
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、電荷蓄積用電極及び転送制御用電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、転送制御用電極に電位V51が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、転送制御用電極に電位V52が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を介して制御部に読み出される構成とすることができる。但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V31>V51、且つ、V32≦V52≦V12
である。
無機酸化物半導体材料層は、絶縁層に設けられた第2開口部内を延在し、電荷排出電極と接続されており、
電荷排出電極の頂面の縁部は絶縁層で覆われており、
第2開口部の底面には電荷排出電極が露出しており、
電荷排出電極の頂面と接する絶縁層の面を第3面、電荷蓄積用電極と対向する無機酸化物半導体材料層の部分と接する絶縁層の面を第2面としたとき、第2開口部の側面は、第3面から第2面に向かって広がる傾斜を有する形態とすることができる。
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、電荷蓄積用電極及び電荷排出電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、電荷排出電極に電位V61が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、電荷排出電極に電位V62が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を介して制御部に読み出される構成とすることができる。但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V61>V11、且つ、V62<V12
である。
第1電極の電位が第2電極の電位よりも高い場合、電荷転送期間において、第1電極に最も近い所に位置する電荷蓄積用電極セグメント(第1番目の光電変換部セグメント)に印加される電位は、第1電極に最も遠い所に位置する電荷蓄積用電極セグメント(第N番目の光電変換部セグメント)に印加される電位よりも高く、
第1電極の電位が第2電極の電位よりも低い場合、電荷転送期間において、第1電極に最も近い所に位置する電荷蓄積用電極セグメント(第1番目の光電変換部セグメント)に印加される電位は、第1電極に最も遠い所に位置する電荷蓄積用電極セグメント(第N番目の光電変換部セグメント)に印加される電位よりも低い形態とすることができる。
半導体基板には、制御部を構成する少なくとも浮遊拡散層及び増幅トランジスタが設けられており、
第1電極は、浮遊拡散層及び増幅トランジスタのゲート部に接続されている構成とすることができる。そして、この場合、更には、
半導体基板には、更に、制御部を構成するリセット・トランジスタ及び選択トランジスタが設けられており、
浮遊拡散層は、リセット・トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、
増幅トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、選択トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、選択トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は信号線に接続されている構成とすることができる。
4≦s1’/s1
を満足することが好ましい。
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
第1構成~第3構成の撮像素子にあっては、電荷蓄積用電極は、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第4構成~第5構成の撮像素子にあっては、電荷蓄積用電極は、相互に離間されて配置された、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置する。ここで、『光電変換層セグメント』とは、光電変換層と無機酸化物半導体材料層とが積層されて成るセグメントを指す。
第1構成~第6構成の撮像素子を、複数、有しており、
複数の撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子において第1電極が共有されている固体撮像装置とすることができる。このような構成の固体撮像装置を、便宜上、『第1構成の固体撮像装置』と呼ぶ。あるいは又、本開示の第1の態様~第2の態様に係る固体撮像装置の変形例として、
第1構成~第6構成の撮像素子、あるいは又、第1構成~第6構成の撮像素子を少なくとも1つ有する積層型撮像素子を、複数、有しており、
複数の撮像素子あるいは積層型撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子あるいは積層型撮像素子において第1電極が共有されている固体撮像装置とすることができる。このような構成の固体撮像装置を、便宜上、『第2構成の固体撮像装置』と呼ぶ。そして、このように撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子において第1電極を共有化すれば、撮像素子が複数配列された画素領域における構成、構造を簡素化、微細化することができる。
[A]第1タイプの青色光用光電変換部、第1タイプの緑色光用光電変換部及び第1タイプの赤色光用光電変換部が、垂直方向に積層され、
第1タイプの青色光用撮像素子、第1タイプの緑色光用撮像素子及び第1タイプの赤色光用撮像素子の制御部のそれぞれが、半導体基板に設けられた構成、構造
[B]第1タイプの青色光用光電変換部及び第1タイプの緑色光用光電変換部が、垂直方向に積層され、
これらの2層の第1タイプの光電変換部の下方に、第2タイプの赤色光用光電変換部が配置され、
第1タイプの青色光用撮像素子、第1タイプの緑色光用撮像素子及び第2タイプの赤色光用撮像素子の制御部のそれぞれが、半導体基板に設けられた構成、構造
[C]第1タイプの緑色光用光電変換部の下方に、第2タイプの青色光用光電変換部及び第2タイプの赤色光用光電変換部が配置され、
第1タイプの緑色光用撮像素子、第2タイプの青色光用撮像素子及び第2タイプの赤色光用撮像素子の制御部のそれぞれが、半導体基板に設けられた構成、構造
[D]第1タイプの青色光用光電変換部の下方に、第2タイプの緑色光用光電変換部及び第2タイプの赤色光用光電変換部が配置され、
第1タイプの青色光用撮像素子、第2タイプの緑色光用撮像素子及び第2タイプの赤色光用撮像素子の制御部のそれぞれが、半導体基板に設けられた構成、構造
を挙げることができる。これらの撮像素子の光電変換部の垂直方向における配置順は、光入射方向から青色光用光電変換部、緑色光用光電変換部、赤色光用光電変換部の順、あるいは、光入射方向から緑色光用光電変換部、青色光用光電変換部、赤色光用光電変換部の順であることが好ましい。これは、より短い波長の光がより入射表面側において効率良く吸収されるからである。赤色は3色の中では最も長い波長であるので、光入射面から見て赤色光用光電変換部を最下層に位置させることが好ましい。これらの撮像素子の積層構造によって、1つの画素が構成される。また、第1タイプの近赤外光用光電変換部(あるいは、赤外光用光電変換部)を備えていてもよい。ここで、第1タイプの赤外光用光電変換部の光電変換層は、例えば、有機系材料から構成され、第1タイプの撮像素子の積層構造の最下層であって、第2タイプの撮像素子よりも上に配置することが好ましい。あるいは又、第1タイプの光電変換部の下方に、第2タイプの近赤外光用光電変換部(あるいは、赤外光用光電変換部)を備えていてもよい。
(1)p型有機半導体から構成する。
(2)n型有機半導体から構成する。
(3)p型有機半導体層/n型有機半導体層の積層構造から構成する。p型有機半導体層/p型有機半導体とn型有機半導体との混合層(バルクヘテロ構造)/n型有機半導体層の積層構造から構成する。p型有機半導体層/p型有機半導体とn型有機半導体との混合層(バルクヘテロ構造)の積層構造から構成する。n型有機半導体層/p型有機半導体とn型有機半導体との混合層(バルクヘテロ構造)の積層構造から構成する。
(4)p型有機半導体とn型有機半導体の混合(バルクヘテロ構造)から構成する。
の4態様のいずれかとすることができる。但し、積層順は任意に入れ替えた構成とすることができる。
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷を蓄積しながら、第1電極における電荷を系外に排出し、その後、
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷を第1電極に転送し、転送完了後、順次、各撮像素子において第1電極に転送された電荷を読み出す、
各工程を繰り返す固体撮像装置の駆動方法とすることができる。
4≦s1’/s1
を満足することが好ましく、実施例1にあっては、限定するものではないが、例えば、
s1’/s1=8
とした。
PB ・・・・・電荷蓄積用電極24と対向した無機酸化物半導体材料層23Bの領域の点PBにおける電位
PC1 ・・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Aと対向した無機酸化物半導体材料層23Bの領域の点PC1における電位
PC2 ・・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Bと対向した無機酸化物半導体材料層23Bの領域の点PC2における電位
PC3 ・・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Cと対向した無機酸化物半導体材料層23Bの領域の点PC3における電位
PD ・・・・・転送制御用電極(電荷転送電極)25と対向した無機酸化物半導体材料層23Bの領域の点PDにおける電位
FD・・・・・第1浮遊拡散層FD1における電位
VOA・・・・・電荷蓄積用電極24における電位
VOA-A・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Aにおける電位
VOA-B・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Bにおける電位
VOA-C・・・・電荷蓄積用電極セグメント24Cにおける電位
VOT ・・・・・転送制御用電極(電荷転送電極)25における電位
RST・・・・リセット・トランジスタTR1rstのゲート部51における電位
VDD・・・・・電源の電位
VSL1 ・・・信号線(データ出力線)VSL1
TR1rst ・・リセット・トランジスタTR1rst
TR1amp ・・増幅トランジスタTR1amp
TR1sel ・・選択トランジスタTR1sel
V21≧V41、且つ、V22≧V42
である。
第1電極21、無機酸化物半導体材料層23B、光電変換層23A及び第2電極22が積層されて成る光電変換部を備えており、
光電変換部は、更に、第1電極21と離間して配置され、且つ、絶縁層82を介して無機酸化物半導体材料層23Bと対向して配置された電荷蓄積用電極24を備えた撮像素子を、複数、有しており、
複数の撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子において第1電極21が共有されている。
[ステップ-A]
コンパレータへのオートゼロ信号入力
[ステップ-B]
共有された1つの浮遊拡散層のリセット動作
[ステップ-C]
電荷蓄積用電極2421に対応した撮像素子におけるP相読み出し及び第1電極212への電荷の移動
[ステップ-D]
電荷蓄積用電極2421に対応した撮像素子におけるD相読み出し及び第1電極212への電荷の移動
[ステップ-E]
共有された1つの浮遊拡散層のリセット動作
[ステップ-F]
コンパレータへのオートゼロ信号入力
[ステップ-G]
電荷蓄積用電極2422に対応した撮像素子におけるP相読み出し及び第1電極212への電荷の移動
[ステップ-H]
電荷蓄積用電極2422に対応した撮像素子におけるD相読み出し及び第1電極212への電荷の移動
という流れで、電荷蓄積用電極2421及び電荷蓄積用電極2422に対応した2つの撮像素子からの信号を読み出す。相関2重サンプリング(CDS)処理に基づき、[ステップ-C]におけるP相読み出しと[ステップ-D]におけるD相読み出しとの差分が、電荷蓄積用電極2421に対応した撮像素子からの信号であり、[ステップ-G]におけるP相読み出しと[ステップ-H]におけるD相読み出しとの差分が、電荷蓄積用電極2422に対応した撮像素子からの信号である。
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層23B等に電荷を蓄積しながら、第1電極21における電荷を系外に排出し、その後、
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層23B等に蓄積された電荷を第1電極21に転送し、転送完了後、順次、各撮像素子において第1電極21に転送された電荷を読み出す、
各工程を繰り返す。
[A01]《撮像素子》
第1電極、
第1電極と離間して配置された電荷蓄積用電極、
第1電極と接し、絶縁層を介して電荷蓄積用電極の上方に形成された光電変換部、並びに、
光電変換部上に形成された第2電極、
を備えており、
光電変換部は、第2電極側から、光電変換層、及び、InaGabSncOdから成る無機酸化物半導体材料層から構成されており、
0.30≦b/(a+b+c)≦0.50
及び、
b≧c
を満足する撮像素子。
[A02]0.40≦b/(a+b+c)≦0.50
を満足する[A01]に記載の撮像素子。
[A03]b≧1.2c
を満足する[A01]又は[A02]に記載の撮像素子。
[A04]無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値をE11(eV)、光電変換層のLUMO値におけるエネルギー平均値をE12(eV)としたとき、
E12≧E11
を満足する[A01]乃至[A03]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A05]無機酸化物半導体材料層の価電子帯における最小エネルギー値のエネルギー平均値をE21(eV)、光電変換層のHOMO値におけるエネルギー平均値をE22(eV)としたとき、
E22≧E21
を満足する[A01]乃至[A04]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A06]無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値をE11としたとき、
E11≦-4.5eV
を満足する[A01]乃至[A05]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A07]光電変換層はn型有機半導体を含む[A01]乃至[A06]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A08]光電変換層は、フラーレン、フラーレン誘導体又はフラーレン誘導体を含む[A07]に記載の撮像素子。
[A09]光電変換層は電子輸送材料を含む[A01]乃至[A06]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A10]光電変換層において生成した電荷は、無機酸化物半導体材料層を介して第1電極へと移動する[A01]乃至[A09]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[A11]電荷は電子である[A10]に記載の撮像素子。
[B01]半導体基板を更に備えており、
光電変換部は、半導体基板の上方に配置されている[A01]乃至[A11]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B02]第1電極は、絶縁層に設けられた開口部内を延在し、無機酸化物半導体材料層と接続されている[A01]乃至[B01]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B03]無機酸化物半導体材料層は、絶縁層に設けられた開口部内を延在し、第1電極と接続されている[A01]乃至[B01]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B04]第1電極の頂面の縁部は絶縁層で覆われており、
開口部の底面には第1電極が露出しており、
第1電極の頂面と接する絶縁層の面を第1面、電荷蓄積用電極と対向する無機酸化物半導体材料層の部分と接する絶縁層の面を第2面としたとき、開口部の側面は、第1面から第2面に向かって広がる傾斜を有する[B03]に記載の撮像素子。
[B05]第1面から第2面に向かって広がる傾斜を有する開口部の側面は、電荷蓄積用電極側に位置する[B04]に記載の撮像素子。
[B06]《第1電極及び電荷蓄積用電極の電位の制御》
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極及び電荷蓄積用電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される[A01]乃至[B05]のいずれか1項に記載の撮像素子。
但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V31≧V11、且つ、V32<V12
である。
[B07]《下部電荷移動制御電極》
隣接する撮像素子の間に位置する光電変換層の領域に絶縁層を介して対向する領域には、電荷移動制御電極が形成されている[A01]乃至[B06]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B08]《第1電極、電荷蓄積用電極及び下部電荷移動制御電極の電位の制御》
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、第2電極、電荷蓄積用電極及び下部電荷移動制御電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、下部電荷移動制御電極に電位V41が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、下部電荷移動制御電極に電位V42が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される[B07]に記載の撮像素子。
但し、
V31≧V11、V31>V41、且つ、V12>V32>V42
である。
[B09]《下部電荷移動制御電極》
隣接する撮像素子の間に位置する光電変換層の領域の上には、第2電極が形成される代わりに、電荷移動制御電極が形成されている[A01]乃至[B06]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B10]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して、光電変換層の領域-Aの上に設けられている[B09]に記載の撮像素子。
[B11]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して設けられており、上部電荷移動制御電極の下方には、電荷蓄積用電極の一部が存在する[B09]に記載の撮像素子。
[B12]第2電極は撮像素子毎に設けられており、上部電荷移動制御電極は、第2電極の少なくとも一部を取り囲んで、第2電極と離間して設けられており、上部電荷移動制御電極の下方には、電荷蓄積用電極の一部が存在し、しかも、上部電荷移動制御電極の下方には、下部電荷移動制御電極が形成されている[B09]に記載の撮像素子。
[B13]《第1電極、電荷蓄積用電極及び下部電荷移動制御電極の電位の制御》
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、第2電極、電荷蓄積用電極及び上部電荷移動制御電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第2電極に電位V21が印加され、上部電荷移動制御電極に電位V41が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第2電極に電位V22が印加され、上部電荷移動制御電極に電位V42が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を経由して制御部に読み出される[B09]乃至[B12]のいずれか1項に記載の撮像素子。
但し、
V21≧V41、且つ、V22≧V42
である。
[B14]《転送制御用電極》
第1電極と電荷蓄積用電極との間に、第1電極及び電荷蓄積用電極と離間して配置され、且つ、絶縁層を介して無機酸化物半導体材料層と対向して配置された転送制御用電極を更に備えている[A01]乃至[B13]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B15]《第1電極、電荷蓄積用電極及び転送制御用電極の電位の制御》
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、電荷蓄積用電極及び転送制御用電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、転送制御用電極に電位V51が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、転送制御用電極に電位V52が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を介して制御部に読み出される[B14]に記載の撮像素子。
但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V31>V51、且つ、V32≦V52≦V12
である。
[B16]《電荷排出電極》
無機酸化物半導体材料層に接続され、第1電極及び電荷蓄積用電極と離間して配置された電荷排出電極を更に備えている[A01]乃至[B15]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B17]電荷排出電極は、第1電極及び電荷蓄積用電極を取り囲むように配置されている[B16]に記載の撮像素子。
[B18]無機酸化物半導体材料層は、絶縁層に設けられた第2開口部内を延在し、電荷排出電極と接続されており、
電荷排出電極の頂面の縁部は絶縁層で覆われており、
第2開口部の底面には電荷排出電極が露出しており、
電荷排出電極の頂面と接する絶縁層の面を第3面、電荷蓄積用電極と対向する無機酸化物半導体材料層の部分と接する絶縁層の面を第2面としたとき、第2開口部の側面は、第3面から第2面に向かって広がる傾斜を有する[B16]又は[B17]に記載の撮像素子。
[B19]《第1電極、電荷蓄積用電極及び電荷排出電極の電位の制御》
半導体基板に設けられ、駆動回路を有する制御部を更に備えており、
第1電極、電荷蓄積用電極及び電荷排出電極は、駆動回路に接続されており、
電荷蓄積期間において、駆動回路から、第1電極に電位V11が印加され、電荷蓄積用電極に電位V31が印加され、電荷排出電極に電位V61が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に電荷が蓄積され、
電荷転送期間において、駆動回路から、第1電極に電位V12が印加され、電荷蓄積用電極に電位V32が印加され、電荷排出電極に電位V62が印加され、無機酸化物半導体材料層(あるいは、無機酸化物半導体材料層及び光電変換層)に蓄積された電荷が第1電極を介して制御部に読み出される[B16]乃至[B18]のいずれか1項に記載の撮像素子。
但し、第1電極の電位は第2電極の電位よりも高く、
V61>V11、且つ、V62<V12
である。
[B20]《電荷蓄積用電極セグメント》
電荷蓄積用電極は、複数の電荷蓄積用電極セグメントから構成されている[A01]乃至[B19]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B21]第1電極の電位が第2電極の電位よりも高い場合、電荷転送期間において、第1電極に最も近い所に位置する電荷蓄積用電極セグメントに印加される電位は、第1電極に最も遠い所に位置する電荷蓄積用電極セグメントに印加される電位よりも高く、
第1電極の電位が第2電極の電位よりも低い場合、電荷転送期間において、第1電極に最も近い所に位置する電荷蓄積用電極セグメントに印加される電位は、第1電極に最も遠い所に位置する電荷蓄積用電極セグメントに印加される電位よりも低い[B20]に記載の撮像素子。
[B22]半導体基板には、制御部を構成する少なくとも浮遊拡散層及び増幅トランジスタが設けられており、
第1電極は、浮遊拡散層及び増幅トランジスタのゲート部に接続されている[A01]乃至[B21]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B23]半導体基板には、更に、制御部を構成するリセット・トランジスタ及び選択トランジスタが設けられており、
浮遊拡散層は、リセット・トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、
増幅トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、選択トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、選択トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は信号線に接続されている[B22]に記載の撮像素子。
[B24]電荷蓄積用電極の大きさは第1電極よりも大きい[A01]乃至[B23]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B25]第2電極側から光が入射し、第2電極よりの光入射側には遮光層が形成されている[A01]乃至[B24]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B26]第2電極側から光が入射し、第1電極には光が入射しない[A01]乃至[B24]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B27]第2電極よりの光入射側であって、第1電極の上方には遮光層が形成されている[B26]に記載の撮像素子。
[B28]電荷蓄積用電極及び第2電極の上方にはオンチップ・マイクロ・レンズが設けられており、
オンチップ・マイクロ・レンズに入射する光は、電荷蓄積用電極に集光される[B26]に記載の撮像素子。
[B29]《撮像素子:第1構成》
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
電荷蓄積用電極は、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置し、
第1番目の光電変換部セグメントから第N番目の光電変換部セグメントに亙り、絶縁層セグメントの厚さが、漸次、変化している[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B30]《撮像素子:第2構成》
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
電荷蓄積用電極は、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置し、
第1番目の光電変換部セグメントから第N番目の光電変換部セグメントに亙り、光電変換層セグメントの厚さが、漸次、変化している[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B31]《撮像素子:第3構成》
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
電荷蓄積用電極は、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置し、
隣接する光電変換部セグメントにおいて、絶縁層セグメントを構成する材料が異なる[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B32]《撮像素子:第4構成》
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
電荷蓄積用電極は、相互に離間されて配置された、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置し、
隣接する光電変換部セグメントにおいて、電荷蓄積用電極セグメントを構成する材料が異なる[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B33]《撮像素子:第5構成》
光電変換部は、N個(但し、N≧2)の光電変換部セグメントから構成されており、
無機酸化物半導体材料層及び光電変換層は、N個の光電変換層セグメントから構成されており、
絶縁層は、N個の絶縁層セグメントから構成されており、
電荷蓄積用電極は、相互に離間されて配置された、N個の電荷蓄積用電極セグメントから構成されており、
第n番目(但し、n=1,2,3・・・N)の光電変換部セグメントは、第n番目の電荷蓄積用電極セグメント、第n番目の絶縁層セグメント及び第n番目の光電変換層セグメントから構成されており、
nの値が大きい光電変換部セグメントほど、第1電極から離れて位置し、
第1番目の光電変換部セグメントから第N番目の光電変換部セグメントに亙り、電荷蓄積用電極セグメントの面積が、漸次、小さくなっている[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[B34]《撮像素子:第6構成》
電荷蓄積用電極と絶縁層と無機酸化物半導体材料層と光電変換層の積層方向をZ方向、第1電極から離れる方向をX方向としたとき、YZ仮想平面で電荷蓄積用電極と絶縁層と無機酸化物半導体材料層と光電変換層が積層された積層部分を切断したときの積層部分の断面積は、第1電極からの距離に依存して変化する[A01]乃至[B28]のいずれか1項に記載の撮像素子。
[C01]《積層型撮像素子》
[A01]乃至[B34]のいずれか1項に記載の撮像素子を少なくとも1つ有する積層型撮像素子。
[D01]《固体撮像装置:第1の態様》
[A01]乃至[B34]のいずれか1項に記載の撮像素子を、複数、備えた固体撮像装置。
[D02]《固体撮像装置:第2の態様》
[C01]に記載の積層型撮像素子を、複数、備えた固体撮像装置。
[E01]《固体撮像装置:第1構成》
第1電極、光電変換層及び第2電極が積層されて成る光電変換部を備えており、
光電変換部は、[A01]乃至[B34]のいずれか1項に記載の撮像素子を、複数、有しており、
複数の撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子において第1電極が共有されている固体撮像装置。
[E02]《固体撮像装置:第2構成》
[C01]に記載の積層型撮像素子を、複数、有しており、
複数の撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックを構成する複数の撮像素子において第1電極が共有されている固体撮像装置。
[E03]1つの撮像素子の上方に1つのオンチップ・マイクロ・レンズが配設されている[E01]又は[E02]に記載の固体撮像装置。
[E04]2つの撮像素子から撮像素子ブロックが構成されており、
撮像素子ブロックの上方に1つのオンチップ・マイクロ・レンズが配設されている[E01]又は[E02]に記載の固体撮像装置。
[E05]複数の撮像素子に対して1つの浮遊拡散層が設けられている[E01]乃至[E04]のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
[E06]第1電極は、各撮像素子の電荷蓄積用電極に隣接して配置されている[E01]乃至[E05]のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
[E07]第1電極が、複数の撮像素子の一部の電荷蓄積用電極に隣接して配置されており、複数の撮像素子の残りの電荷蓄積用電極とは隣接して配置されてはいない[E01]乃至[E06]のいずれか1項に記載の固体撮像装置。
[E08]撮像素子を構成する電荷蓄積用電極と撮像素子を構成する電荷蓄積用電極との間の距離は、第1電極に隣接した撮像素子における第1電極と電荷蓄積用電極との間の距離よりも長い[E07]に記載の固体撮像装置。
[F01]《固体撮像装置の駆動方法》
第1電極、光電変換層及び第2電極が積層されて成る光電変換部を備えており、
光電変換部は、更に、第1電極と離間して配置され、且つ、絶縁層を介して光電変換層と対向して配置された電荷蓄積用電極を備えており、
第2電極側から光が入射し、第1電極には光が入射しない構造を有する撮像素子を、複数、備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層に電荷を蓄積しながら、第1電極における電荷を系外に排出し、その後、
全ての撮像素子において、一斉に、無機酸化物半導体材料層に蓄積された電荷を第1電極に転送し、転送完了後、順次、各撮像素子において第1電極に転送された電荷を読み出す、
各工程を繰り返す固体撮像装置の駆動方法。
Claims (13)
- 第1電極、
第1電極と離間して配置された電荷蓄積用電極、
第1電極と接し、絶縁層を介して電荷蓄積用電極の上方に形成された光電変換部、並びに、
光電変換部上に形成された第2電極、
を備えており、
光電変換部は、第2電極側から、光電変換層、及び、InaGabSncOdから成る無機酸化物半導体材料層から構成されており、
0.40≦b/(a+b+c)≦0.50
及び、
b≧c
を満足する撮像素子。 - b≧1.2c
を満足する請求項1に記載の撮像素子。 - 無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値をE11、光電変換層のLUMO値におけるエネルギー平均値をE12としたとき、
E12≧E11
を満足する請求項1に記載の撮像素子。 - 無機酸化物半導体材料層の価電子帯における最小エネルギー値のエネルギー平均値をE21、光電変換層のHOMO値におけるエネルギー平均値をE22としたとき、
E22≧E21
を満足する請求項1に記載の撮像素子。 - 無機酸化物半導体材料層の伝導帯の最大エネルギー値におけるエネルギー平均値をE11としたとき、
E11≦-4.5eV
を満足する請求項1に記載の撮像素子。 - 光電変換層はn型有機半導体を含む請求項1に記載の撮像素子。
- 光電変換層は、フラーレン、フラーレン誘導体又はフラーレン誘導体を含む請求項6に記載の撮像素子。
- 光電変換層は電子輸送材料を含む請求項1に記載の撮像素子。
- 光電変換層において生成した電荷は、無機酸化物半導体材料層を介して第1電極へと移動する請求項1に記載の撮像素子。
- 電荷は電子である請求項9に記載の撮像素子。
- 請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の撮像素子を少なくとも1つ有する積層型撮像素子。
- 請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の撮像素子を、複数、備えた固体撮像装置。
- 請求項11に記載の積層型撮像素子を、複数、備えた固体撮像装置。
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