JPS61204967A - 固体カラ−撮像デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、固体カラー撮像デバイスに係り、特に薄膜ト
ランジスタからなる複数の感光層（光電変換層）を積層
して、多色フィルターを不要とした固体カラー撮像デノ
；イスに関する。

（従来技術とその問題点） 従来高画質を得るためのカラービデオカメラには所謂グ
イクロイックミラを用いて入射光の三原色分解を行い夫
々三つの撮像装置でＲ，Ｇ、Ｂ信号を得るものがあるが
三色分解光学系が大型であるため装置の小型軽量化は困
難であった。

従って、小型化が強く望まれる家庭用カラービデオカメ
ラでは、従来小型のＭＯＳ型もしくはＣＣＤ屋の単板式
固体撮像素子を用い、その上に多色マイクロカラーフィ
ルターを積層させて三色忙分解した後その固体撮像素子
によって光電変換を行いカラー画像信号を得ていた。し
かしながらＲ，Ｇ、Ｂ。

のモザイク状色フィルターを用いるため、一画素のため
撮像デバイスの解像力を高めるのに限界があった。また
このカラーフィルタを用いる方式では、入射光が例えば
赤のフィルタを通過すると緑と青の光は吸収されてしま
うため光を電気信号に変換する効率が悪いものであった
。

こねを改善するために第９図に示すような固体カラー撮
像デバイス（特開昭５８１０３１６５号公報）が提案さ
れでいる。第９図によれば、ＭＯＳ型走査回路基板］、
の上にＲ，Ｇ、Ｂ、三１色の夫々に感応する感光層２，
３．４が設けられ、基板上に配列されたＲ、Ｇ、Ｂ、夫
々用夫々用型Ｏ８回路によって各色のカラー信号が得ら
れるものである。しかしながらこの方式では光の変換効
率の観点では改善されているが、Ｒ，Ｇ、Ｂ、用の変換
回路が基板１の同一平面上に配列されているため、前述
従来例で述べたと同様に一画累のカラー信号を得るため
に３区画■ω■の走査スイッチを必要どし、そのため解
像力を高めるのに限界があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、かかる従来技術の欠点を解消せんとするもの
であって、入射光の変換効率を低減することなく画像の
解像力を高め得る固体カラー撮像デバイスを提供するも
のである。

（問題点を解決するための手段） 入射光をそねぞれ異なる特性で選択吸収する充電変換層
を３段に積層するとともに１各段ごとに走査回路を配設
したことを特徴とする。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の実施例につき詳説する。第
１図に於て、１ｏは例えばガラス等の透光性材料からな
る基板であり、その上に高分子絶縁材料例えば５ｔＯ２
，Ｓｉ、ｔＪ４．ポリイミド、　ＰＳＧ等からなる絶縁
層１１を蒸着もしくはコーティングし、その上にゲート
電極１２とし″ＣポＩＪ　Ｓｉ　、金属等を蒸着し、フ
ォトエツチング加工によって所定部分のみをゲート電極
として残し他は除去する。その上にゲート酸化膜１３（
Ｓ寥０２もしくは５ｉ３Ｎ４）を約１μｍ厚さ蒸着する
。その上に非晶質シリコン層１４ヲ約０．２μｍＭ着し
　フォトエツチング法によって不必所な部分を除去し、
次Ｋｎ、＋形非晶質シリコン膜１５を約０．２μｍ程度
蒸着１−フォトエツチングによって不必要な部分を除去
する。この層１５はルチャンネル薄膜トランジスタのソ
ース及びドレイン電極と非晶質シリコン層１４とのオー
ミックコンタクトをとるためのものである。次に下部透
明電極Ｍ１６として］：ＴＯ（インジウム・錫オキサイ
ド）等が蒸着さねフォトエツチングによって不必要部分
が除去される。尚、１７はドレイン電極に配設された読
出し電極である。１８Ｒは透明電極層１６の上に蒸着さ
れる光！変換層で赤色光を選択吸収するものである。次
いで画素間の、クロストークを防止するための絶縁物質
１９が隣接する光電変換層】、８Ｒの間に充填される。

画素間のクロストークが問題にならない場合にはこの絶
縁物質１９を設けることなく（但し、ＴＰＴと光電変換
層間を薄い絶縁膜で絶縁しておくことは必要）光導電層
を連続した膜と構成することができろ。この絶縁物質と
してはｉ−）　’　０２　＋　ｉ）　ｔａ　Ｎ４１ポリ
イミ白光硬化性樹脂その他公知の絶縁材料が用いられ得
る。この絶縁物質１９ｓ−ｙ−イＶ　ｍ、、Ｉｄｋｐ　
ｙｋ　孕１ト−ｉｏＤ　　ｓ）　！、、−＋ｚ　ｒ、＞
　　Ｌ−☆ｆ１馴口ｏ　Ｍ腎ａ＝ＱへＪ、？配設される
。絶縁物質どしては光不透過材料、光反射材料で例えば
屈折率の高い白色顔料（例えばＴｉＯ２，ＺｙｉＯ、Ｚ
ｒＬＳ　、　ＰｂＯ等）が好ましい。

以上述べた絶縁層１１から上部透明電極層２０マでの製
造プロセスが繰返されることによって緑色光および青色
光を選択吸収する光電変換層１８Ｇおよび１８Ｂが形成
される。最上層の透ｆＩＡ電極２ｏの上には光シールド
層２１として光反射率の低い金属（例えばＯｒやＭＯ）
又は黒色有機物（カーボンブラックをフォトレジスト等
のポリマー中に分散された導電性黒色有機物や、Ｐす、
Ｂｌａｃｋ　ｌなどの黒色有機顔料なポリマー中に分散
させたもの）などを配設する。

以上述べた構成の固体カラー撮像デバイスに像光線が入
射すると光導電変換部１８Ｂ、　１８Ｇ、　１８Ｒで夫
々のフォトキャリアが発生し、上部と下部の透明電極１
６　、２０間で構成されるコンデンサの電荷を放電させ
る。この場合上部透部電極２０は接地されるのが望まし
い。それは各層のゲートのＯＮ　ＯＦＦ切換時の客情桔
介Ｖよ乙宙（ｉ変動か防山ナストｈである。次にゲート
電極１２に正の電圧を印加し、トルイン１５からソース
忙充電する。このときの充電電流が光信号として読出電
極１７から読み出される。このゲートは垂直シフトレジ
スタのＯＮ動作で開かれ、次Ｋ　ＯＦＦ動作で閉じた後
水平シフトレジスタのＯＮ動作で夫々の画素のカラー信
号が読み出される。このような読出方法は公知であり例
えば特開昭５５−３９４０４号公報に開示されている。

ビレイン、ソース、ゲート電極の平面配置は第２図に示
すようにゲート電極ルな両サイドから挾むようにソース
、ト０レインが配設される。

光電変換層１８Ｂ　、　１８Ｇ　、　１８Ｈの光吸収ス
イクトル特性は夫々第３Ａ図〜第３Ｃ図忙示すごとく構
成されているので、第１図の最上光電変換層１８Ｂでは
青色光のみが吸収され緑色及び赤色光は透過する。

次の光電変換層１８Ｇでは緑色光のみが吸収され赤色光
は透過し、透過した赤色光は最下層の充電変換層１８Ｈ
に達する。

光電変換層１８Ｂの材質としては（ｄ、ｓ　、　ＺｎＣ
ｄ５　。

ＺｒＬＳｇＴｇよりなるグループから選択可能であり、
緑色光用の光電変換層としては非晶質Ｓｓ、Ｃｄ５ｇ又
はＧａＡｔＰが適用可能であり、赤色光用の光電変換層
としては非晶質シリコン、ＺｒＬＣＬＬＴｇ％ＣｄＴａ
。

Ｇ臥ｓＰ、　ｅａＡ８Ｉｓ　よりなるグループから選択
可能である。

また、上記光電変換層１８Ｂ　、　１８Ｇ　、　１８Ｒ
として　有機半導体膜と無機半導体膜のＰｎ接合または
ｒＬＰ接合を用いることも出来る。

即ち、例えば、 青色光用の光電変換層としてはメロシアニン色素１とＺ
ｎＯ，緑色光用の光電変換層としてはメロシアニン色素
２とＺｎＯ，赤色光用の光電変換層としてはメロシアニ
ン色素３とＺｎＯを用いることが出来る。なお、前記メ
ロシアニン色素１．２．３　の各構造式を下記に示す。

ここでＺｉＯは第４図にその吸収スはクトルを図示した
とおり、可視光領域（４００〜７００ｎｍ）に吸収をも
たないので、単にｐｎ接合の４層としての役割をするた
めに用いらｔでいる。なお、この５層は第１図に於て１
層ソース１５と電気的にコンタクトをとられている。

また、前記各色素と無機半導体は個々、公知の蒸着法に
よる薄膜形成法とフォトエツチング法により形成される
。

第５図に前記メロシアニン色素１．２．３の各吸Ｃ噂吋
−ａ　Ａ　Ｌ　ｍ−も　暫ｅ　ｌ１９１　ｒｙ専畠　爲
在船Ｙγメ去荀０３色を積層したときの光感度を夫々図
示した。

イメージ光が入射した場合、光電流に寄与するのはｐｎ
接合近傍での光吸収によって発生した電子および正孔で
あり、かつか層のＺｆ＆Ｏは可視光領域に吸収を持たな
いため、光電変換層１８Ｂ、１８Ｇ、１８Ｈの光電流ス
はクトルは第５図のようになる。

即ち、第５図に図示した光吸収スはクトルを有した青色
層、緑色層、赤色層を三層重ねると、緑色層には青色層
で透過された光が入射するため青色光がカットされ、赤
色層には青色と緑色光がカットされた光が入射するため
である。

なお、光電変換層１８Ｂ　、１８Ｇ　、１８Ｒとしては
、例えば前記青色光用および緑色光用には前記有機半導
体膜と無機半導体膜との接合からなる光電変換層ヲ用イ
、赤色光用ニハ前述のａ−Ｓｉ　：　Ｈ、ＺｒＬＣｄＴ
ａ。

ＣｄＴｇ　、　ＧａＡ、ｒＰ　、　ＧａＡＪＩＢ等の材
質から選択シテ構成することも出来、このように各層を
適宜何れかの方法により形成して組み合わせてもよい。

以上述べた実施例においては、３つの光電変換ｒ怠１／
　」ｈ　Ｊ＋　辺ナト　ヱ、＄ｍみ「ワ層を表ト穢〉プ
ｊ−トスナを磨１−ａ−田１、ナ。

し　　　　。

場合π、ついて説明−さ−れだか、各層ともに同−材料
をＩＧ用１−、フ４：がらその層厚を変化させることで
所期の［］的な達成することも可能である。以下その実
施例に・７）い゛Ｃ説明する。非晶質シリコンはＲ，Ｃ
，Ｂ。

σ−）−′ｔぺての光を吸収ζる菅性を有するが、その
膜１７に′対応（、て吸収率が変化する。すなわち膜厚
が約４０ＯＮ以下であＪｌば波長約４５０ｎｍの光（青
）Ｋ対し、てば６×１ｏｃｆｒＬ　　の吸収係数を有し
て約９１チ吸収１２、波侵約５５Ｑｎ、ｍの光（緑）に
対しては吸収係数ｔｘ１ｏ”〜ター材、め約、。ｏｏ久
。膜厚上積ユとてよって緑を約８６チ吸収すて）。また
波長約０５０７１ｍの光（赤）Ｋ対しては吸収係数１．
５　Ｘ　１０’−一１であるため約２μ扉の膜厚とする
ことによって赤色な約９５チ吸収することが可能である
。従って非晶質シリコン層を最上層から順に約４０ＯＡ
、約２００ＯＡおよび約２μｍの膜厚とすること和よっ
て第１図の実施例と同様にカラー画像信号を得ることが
可能である。この場合光電変換層は光導電型でもよいし
、光起電力型（ｐｒＬ接合型）であっても良い。ただし
、最上層には光導電型を用いた方が良好な性能の得られ
る場合がある。その理由は、Ｐ−ｎ　　接合のｐ側で青
色光が吸収されて青感度が低下するためである。Ｐ側に
α−８ｉＣ：ＨやＰ″′非晶質シリコンを使うならば光
起電力型でも高感度のものが得られろ。

以上述べたようにＢ、Ｇ、Ｈの吸収係数がＢ＞＞Ｇ：＞
Ｒとならず、もし、Ｂ＞Ｇ＞Ｒとなるような場合には最
上光電変換層ＩＪＢでＢＡＧ（＝シアン）を、次の光電
変換層１８ＧでＣＡＲ（−イエロ）を、最下層１８Ｒで
Ｒを吸収する構成とすることが可能である。

また、第１図で示す実施例は３積層タイプであるが、こ
れを２積層とすることも可能で最上の光電変換層で８又
はＢＡＧを、その下の光電変換層でＣＡＲ又はＲを吸収
する構成として所期の目的を達成することが可能である
。この場合は、カラー撮像に必要な３色の色信号が取出
せないため、上層又は下層に２色のマイクロカラーフィ
ルターを挿入することが必要となる。この場合の光電変
換層は各層とも材質の異なる方式（第１図の実施例）で
もよく又は、光電変換層の膜厚を変化させる方式でも、
あるいはまたその両方式の組合せであってもよい。

以］二述べた本発明に係る固体カラー撮像デバイスはム
ービカメラ用にもスチールカメラ用にも適用０］能であ
るが、非晶質シリコン薄膜トランジスタの応答速度が１
　ｏＫＨｍ程であるため、通常は移動物体をその被写体
どするムー　ビカメラの場合にはレンズポンスの遅わが
問題となる場合があるが、スチールカメラ用ではそのよ
うな問題は生じないので有利である。

第１図の実施例では単・〜の基板ＪＯが使用されｊ２・
−が、第７図に模式的に示されるように第１基板１ｏＯ
の上に設けら第１だ２つの光電変換層１．０１．１０２
と１、第２基板１１０のトに設（・“ｙられたキーの光
電変換層１１］　とへ・別々Ｉｃ製造（〜た後矢印で示
′すように重ねて貼合す、【製造ｒるごとも可能である
。

また、第１基板の上に単一　光電変換層り・・、第２透
明基板十に４も即−・光電変換層を設け、とれを別とも
できる。この場合、第１図の撮像装置の製造順序と同じ
ように、ＴＦＴを先に形成した後に光電変換層を形成す
るならば、ＴＰＴとしてはｐｏ：Ｌｙ＋ｓｊ。

ＴＦＴ　＋ＳＯ３（５ｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈ
ｉｒｅ　）　ＴＦＴを用いることができる。ｐｏｌｙ　
ｓｉを形成する時は６００〜７００℃の加熱が必要であ
り、ＳＯ８のエピタキシャル層を形成する時は１ツ００
℃以上の加熱が必要であるが、光電変換層を形成した後
では光電変換層がその加熱で変質を受ける場合がある為
である。

特にこの二積層型撮像装置は三板式に用いた場合にメリ
ットがある。即ち、馳光用として通常の単板式を用い、
親肴ご用としてこの本発明の撮像装置を用いると、三板
式で三板弐圧相当する画像が得られる。この場合は、禾
のフィルターを間にかませてはり合わせておき、上層で
清、色光を、下層でＡ？−を光電変換する。

最下層の充電変換層１８Ｒで赤色光をすべて吸収［るこ
とか出来ず基板１０で反射して隣接画素にクロスト−・
り信号として侵入する光を防止するためＶｊｔ　街１ｎ
　（竿　１　　ｌヅ　）　　ｌ−Ｑ　１ｉｌｐ　ｐ４　
ｌ　ｌ　’−／７）Ｆ−Ｑ　Ｉｆ　ＦＦ　Ｎ　Ｆｊ；　
ｄ−層として光反射率の低い金属（例えばＯｒ　＋　Ｍ
ｏ　）又は黒色有機物（カーボンブラックをフォトレジ
スト等のポリマー中に分散させた導電性黒色有機物等）
をコーティングすることが有効である。また、基板には
光透過率を増大するコーティングを施して、光が各光電
変換層を透過するときの各層間での屈折率の違い忙起因
する不必要な反射を防止することも有効である。

第１図に示す実施例におい℃は下部透明電極１６を形成
する前にドレイン・ソースを形成する場合を例示したが
、その順序を逆とすることも差支えない。

第８図は本発明の別実施例を示すもので、第１図の実施
例に比べ最上層である光電変換層１８Ｂのみが相違する
。すなわち、最上層１８Ｂはその膜厚が薄く構成されて
いるので、横方向の中ヤリャ移動によるクロストークも
少ないため絶縁層によって区画されない連続層で構成さ
れている。このような構成によれば入射光に対して受光
面積を大きくとぶ、ことが出来それ和よって撮像感度を
増大せしめることが可能となる。

（発明の効果） 本発明によれば、従来例のごとく一画素を構成するＲ、
Ｇ、Ｂ、用走査回路を同一平面内に配設して解像力の改
善を阻害することなく、Ｒ，Ｇ、Ｂ、用走査回路を垂直
方向に積層する構成であるため、従来の集積精度をもっ
てしても従来例のものより、およそ３倍の解像力増大が
実現できるものであり、しかも高価なモザイク状色フィ
ルターを使用する必要のない固体カラー撮像デバイスが
得られる。

また、３つの光電変換層は、夫々Ｒ，Ｇ、Ｂ、０３つの
光に対してのみ最適設計を考慮すればよく、従来の単板
式のよ５＆Ｃ１つの光電変換層でＲ，（、、Ｂ。

三色に対する最適感度を満たさねばならないという制約
がない。従って高感度最適役作が容易となる効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す固体カラー撮像デ、１
イスの断面図、第２図は第１図の実施例における一部分
を示す平面図、第３Ａ図ないし第３Ｃ図は第１図の実施
例における３つの光電変換層夫夫の光吸収特性を示すグ
ラフ、第４図はＺａＯの光吸収特性を示すグラフ、第５
図は各メロシアニン色素の光吸収層性を示すグラフ、第
６図は第５図の３色を積層したときの光感度を示すグラ
フ、第７図は本発明の別実施例の製法を説明するための
模式図、第８図は本発明の別実施例を示す断面図、及び
第９図は従来例として示す固体カラー撮像デバイスの断
面図である。 １．１０，１００．１１０・・・基板、　２．３．４・
・・感光層、１１・・・絶縁層、ｎ・・・ゲート電極、
１３品ゲート酸化膜、１４・・・非晶質シリコン層、１
５・・・ソース・ドレイン、１６・・・下部透明電極、
１７・・・読出電極、１８Ｒ，１８Ｇ　、１８Ｂ・・・
光電変換層、１９・・・絶縁層、代理人　弁理士（８１
０７）佐々木清隆（はか３名） 橿− に郭 第　　４　　図 、′Ｌル−く一μ） 第　　５　　図 第　　６　　図 、１翫（ｎ−） 第　　７　　図 第　　８ｒｊＡ ：ｊＡ９図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数画素を走査するための走査回路を設けた半導
   体層に光電変換層及び透明電極層が配設されてなる固体
   カラー撮像デバイスにおいて、前記半導体層に前記光電
   変換層及び透明電極層の配設されてなる単位層が複数個
   積層され、かつ前記光電変換層の光吸収波長が夫々異な
   ることを特徴とする固体カラー撮像デバイス。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記光電変換層
   が光導電型半導体から構成されることを特徴とする固体
   カラー撮像デバイス。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、前記光電変換層
   が光起電力型半導体から構成されることを特徴とする固
   体カラー撮像デバイス。
4. （４）特許請求の範囲第１項において、前記複数個の光
   電変換層の各層厚が異ることを特徴とする固体カラー撮
   像デバイス。