JPWO2020105360A1 - 光センサ及び光検出システム - Google Patents

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Abstract

本発明は狭帯域の撮像が可能な、ロバストかつ安価に製造可能な光センサ（１００）を提供することを課題とする。光センサ（１００）は、光電変換層（１０）と、前期光電変換層（１０）の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長（λＣ）以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタ（６０）とを備える。前記光電変換層（１０）は、前記ロングパスフィルタ（６０）の前記カットオン波長（λＣ）よりも長い第１波長（λ１）に第１ピーク（Ｐｋ１）を示す分光感度特性を有する。前記カットオン波長（λＣ）における前記光電変換層（１０）の分光感度は、前記第１波長（λ１）における前記光電変換層（１０）の分光感度の０％以上５０％以下である。

Description

本開示は、光センサ及び光検出システムに関する。
撮像装置の分野では、例えば、蛍光寿命測定、物質特定または距離計測といったセンシングへの応用において、波長を限定した撮像に対する要求がある。このような応用においては、ブロードな感度特性を有する撮像部の前面に、波長を制限する光学フィルタを組み合わせることによって所望の波長に基づく撮像を行うことが一般的である。例えば下記の特許文献１は、撮像素子の前面に狭帯域のバンドパスフィルタを配置することにより、蛍光に関する画像のコントラストを向上させた撮像装置を開示している。また、下記の特許文献２は、ＩｎＧａＡｓＰから形成された光吸収層の上方に、ＩｎＧａＡｓＰから形成され、１．３５μｍ以上の波長の光を透過させるフィルタ層を配置することにより、１．３５μｍ付近の光に選択的に感度を示すようにした受光素子を開示している。
特開２０１７−０５３８９０号公報 特開平０５―３４３７２８号公報
狭帯域の撮像が可能な、ロバストかつ安価に製造可能な光センサを提供する。
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態に係る光センサは、光電変換層と、前記光電変換層の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタとを備える。前記光電変換層は、前記ロングパスフィルタの前記カットオン波長よりも長い第１波長に第１ピークを示す分光感度特性を有する。前記カットオン波長における前記光電変換層の分光感度は、前記第１波長における前記光電変換層の分光感度の０％以上５０％以下である。
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路、方法またはコンピュータプログラムで実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路、方法およびコンピュータプログラムの任意の組み合わせによって実現されてもよい。
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
本開示のある実施形態によれば、狭帯域の撮像が可能であって安価に製造可能な光センサが提供される。
本開示の実施形態による光センサの画素のデバイス構造を示す模式的な断面図である。 図１に示す光センサの例示的な回路構成を模式的に示す図である。 図１に示す光センサの概略的な構成を示すブロック図である。 ロングパスフィルタの例示的な透過スペクトルと、光電変換層に含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線とをあわせて示す図である。 図１に示す光センサにおける分光感度特性を説明するための図である。 バルクの形態とされた材料に関するエネルギーバンドの例と、量子ドットの形態とされた材料に関するエネルギーバンドの例とをあわせて示す図である。 光電変換層に関する分光感度曲線の他の例を示す図である。 光電変換層に関する分光感度曲線のさらに他の例を示す図である。 光電変換層に関する分光感度曲線のさらに他の例を示す図である。 光電変換層に関する分光感度曲線のさらに他の例を示す図である。 粒径分布の異なる２種の量子ドットに関する吸収特性を１つのグラフに表した図である。 図１１に示す吸収特性を有する量子ドットを含有する光電変換層の分光感度曲線の例を示す図である。 本開示の実施形態による光センサの変形例の画素を示す模式的な断面図である。 ロングパスフィルタの例示的な透過スペクトル、ショートパスフィルタの例示的な透過スペクトル、および、光電変換層に含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線をあわせて示す図である。 画素Ｐｘ２における実効的な分光感度特性を説明するための図である。 画素Ｐｘ１における実効的な分光感度特性を説明するための図である。 本開示の実施形態による光センサをその一部に含むカメラシステムの例示的な構成を示す模式図である。 カメラシステムの他の例示的な構成を示す模式図である。 太陽光のスペクトルを示す図である。 図１９に示すスペクトルの一部を拡大して示す図である。 太陽光に関するスペクトルと、ロングパスフィルタに関する透過スペクトルの例とをあわせて示す図である。 従来の狭帯域撮像における、光学フィルタの例示的な透過スペクトル、撮像素子に関する分光感度曲線および実効的な感度特性のグラフをあわせて比較例として示す図である。
本開示の実施形態の説明に先立ち、本発明者らが見出した、従来の狭帯域撮像における課題を説明する。図２２は、従来の狭帯域撮像における、光学フィルタの例示的な透過スペクトル、撮像素子に関する分光感度曲線および実効的な感度特性のグラフをあわせて比較例として示す。
上述したように、特許文献１に記載の技術では、狭帯域の撮像を実現するために、撮像素子の前面にバンドパスフィルタを配置している。撮像素子としては、ＣＭＯＳイメージセンサが用いられ、その分光感度特性は、図２２の２段目に例示するように一般的にブロードである。ＣＭＯＳイメージセンサの前面にバンドパスフィルタを配置することにより、ＣＭＯＳイメージセンサに入射する光の波長がバンドパスフィルタによって図のλＳからλＥの範囲に制限される。その結果、撮像装置全体としては、図２２の３段目に示すように、概ねλＳからλＥの波長範囲の光に対して感度を示すようになる。
しかしながら、バンドパスフィルタは、一般に光学多層膜であり、不要な波長成分を干渉によって減衰させている。そのため、斜め光に対しては所期のバンドパス機能が実現できないことがある。これは、撮像領域の中央部と比較して周辺部の光量の低下という課題を生じさせる。また、このような特性は、広角レンズとの組み合わせにおいても不利である。複数枚の光学フィルタを重ねたり、プリズムを用いたりすることによりフィルタ特性を向上させることは可能ではあるが、前者の方法では所望の波長範囲まで透過率が低下してしまい、また、後者の方法によっては機器の小型化が難しい。
図２２の２段目は、ＩｎＧａＡｓに関する分光感度曲線の例である。図２２の２段目に示すように、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、Ｓｉなどの固体結晶は、一般に、広い波長範囲にわたって吸収を示す。このような固体結晶を利用したフォトダイオードでは、吸収を示す波長が温度によってシフトすることが知られている。これは、以下のように説明される。Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰなどの固体結晶では、アボガドロ数程度以上の原子が空間的な周期性を持って高秩序に配列している。そのため、固体結晶のエネルギー準位は、幅を持ったバンドを形成する。そのバンド構造は、電子格子相互作用および格子間隔が温度によって大きく変動することに起因して変調を受ける。その結果、吸収を示す波長が温度によってシフトすることになる。例えば、フォトダイオードの感度が立ち下がるカットオフ波長は、周囲の温度によってシフトし得る。このように、固体結晶を利用したフォトダイオードでは、吸収を示す波長に関して温度依存性を有するために、狭帯域撮像への応用において温度に対するロバスト性が十分でないことがある。
また、バンドパスフィルタの遮光率は、一般に１００％でない。そのため、ブロードな吸収を示す材料から形成されたフォトダイオードを用いた場合、フォトダイオードの材料が広い範囲にわたって比較的高い感度を示すために、フォトダイオードの前面にバンドパスフィルタを配置しても、図２２の３段目に示すように、λＳからλＥの所望の波長範囲の外側における実効的な感度を十分に低下させられないことがある。バンドパスフィルタの遮光率を向上させると、今度は、λＳからλＥの所望の波長範囲における感度まで低下してしまう。
特許文献２に記載の技術では、ＩｎＧａＡｓＰから形成された光吸収層の前面に、ロングパスフィルタとしてのフィルタ層を配置している。しかしながら、ロングパスフィルタにおいてもカットオン波長より短波長側の遮光率は、バンドパスフィルタと同様に、やはり１００％ではない。したがって、余分な波長成分に関する感度を十分に低下させることは困難である。
本開示の一態様の概要は、以下のとおりである。
［項目１］
本開示の項目１に係る光センサは、
光電変換層と、
光電変換層の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタとを備える。
光電変換層は、ロングパスフィルタのカットオン波長よりも長い第１波長に第１ピークを示す分光感度特性を有する。
カットオン波長における光電変換層の分光感度は、第１波長における光電変換層の分光感度の０％以上５０％以下である。
項目１の構成によれば、狭帯域のバンドパスフィルタを不要としながら、特定の波長に関する撮像が可能であり、したがって、狭帯域の撮像が可能な光センサを安価で提供し得る。
［項目２］
項目１に記載のセンサにおいて、カットオン波長における光電変換層の分光感度は、第１波長における光電変換層の分光感度の０％以上３０％以下であってもよい。
［項目３］
項目２に記載の光センサにおいて、カットオン波長における光電変換層の分光感度は、第１波長における光電変換層の分光感度の０％以上１０％以下であってもよい。
［項目４］
項目１から３のいずれか一項に記載の光センサにおいて、第１ピークの半値全幅は、２００ｎｍ以下であってもよい。
［項目５］
項目４に記載の光センサでは、光電変換層に関する分光感度曲線において、第１ピークの、第１波長における分光感度の１０％となる位置での幅は、２００ｎｍ以下であってもよい。
項目５の構成によれば、狭帯域の撮像により有利である。
［項目６］
項目１から５のいずれか一項に記載の光センサにおいて、
光電変換層は、第１ピークを含む複数のピークを示す分光感度特性を有し、
第１ピークは、複数のピークのうち最も長波長側に位置していてもよい。
［項目７］
項目６に記載の光センサにおいて、
複数のピークは、第２波長に位置する第２ピークを含み、
第２波長は、ロングパスフィルタのカットオン波長よりも短く、
第２ピークは、複数のピークのうち長波長側から２番目のピークであってもよい。
項目７の構成によれば、第２ピークに対応する第２波長に実効的に感度を示さない光センサを提供できる。
［項目８］
項目７に記載の光センサにおいて、第１波長とカットオン波長との差は、カットオン波長と第２波長との差よりも小さくてもよい。
項目８の構成によれば、目的とする狭帯域外の余計な感度を効果的に消すことができ、狭帯域の撮像に有利である。
［項目９］
項目１から８のいずれか一項に記載の光センサにおいて、光電変換層は、カーボンナノチューブを含有していてもよい。
項目９の構成によれば、状態密度が離散的となるために、これらを材料とする光電変換層の分光感度曲線のピークが急峻な形状となり、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。
［項目１０］
項目１から８のいずれか一項に記載の光センサにおいて、光電変換層は、量子ドットを含有していてもよい。
項目１０の構成によれば、状態密度が離散的となるために、これらを材料とする光電変換層の分光感度曲線のピークが急峻な形状となり、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。
［項目１１］
項目１から１０のいずれか一項に記載の光センサにおいて、第１波長は、１３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であってもよい。
項目１１の構成によれば、太陽光のスペクトルから欠落した波長に基づく撮像が可能であるので、太陽光などによるノイズの影響を低減することができる。
［項目１２］
項目１から１１のいずれか一項に記載の光センサにおいて、ロングパスフィルタは、吸収型の光学フィルタであってもよい。
項目１２の構成によれば、斜め光に対しても所期のフィルタ機能を発揮させることが可能であり、かつ、干渉型と比較して安価にロングパスフィルタを製造できる。
［項目１３］
本開示の項目１３に係る、光検出システムは、
被写体に光を照射する光源と、
被写体からの光を検出する光センサと、
を備える。
光センサは、
光電変換層と、
光電変換層の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタと
を含む。
光電変換層は、ロングパスフィルタのカットオン波長よりも長い第１波長に第１ピークを示す分光感度特性を有する。
カットオン波長における光電変換層の分光感度は、第１波長における光電変換層の分光感度の０％以上５０％以下である。
光源は、第１波長の光を出射する。
［項目１４］
項目１３に記載の光検出システムにおいて、第１ピークの半値全幅は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であってもよい。
［項目１５］
項目１３または１４に記載の光検出システムにおいて、光源が出射する光の発光ピークの半値全幅は、第１ピークの半値全幅よりも大きくてもよい。
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。
（光センサの実施形態）
図１は、本開示の実施形態による光センサの画素のデバイス構造を示す。図１は、本開示の実施形態による光センサ１００Ａの一部を取り出してその断面を模式的に示している。光センサ１００Ａは、概略的には、光電変換層１０を有する画素Ｐｘと、ロングパスフィルタ６０とを有する。
図１において光電変換層１０の上側に描かれたロングパスフィルタ６０は、光電変換層１０の前面に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を透過させる。光電変換層１０は、ロングパスフィルタ６０を透過した光を受ける。後に詳しく説明するように、光電変換層１０は、カーボンナノチューブあるいは量子ドットなどの、量子閉じ込めを発現する材料を含有する。これにより、光電変換層１０は、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長よりも長波長側に鋭い第１ピークを示す分光感度特性を有する。そのため、狭帯域のバンドパスフィルタを不要としながら、特定の波長、例えば、近赤外域の光に関する撮像が可能になる。本明細書では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。
（画素Ｐｘのデバイス構造）
以下、図１を参照しながら、画素Ｐｘのデバイス構造を説明する。図１に示すように、光センサ１００Ａは、複数の画素Ｐｘを含む。複数の画素Ｐｘは、例えば二次元に配置されることにより、撮像領域を形成する。ロングパスフィルタ６０は、複数の画素Ｐｘにわたって複数の画素Ｐｘの光の入射側に配置される。なお、本開示の実施形態による光センサにおける画素Ｐｘの数および配置は、図１に示す例に限定されず任意である。画素Ｐｘの配置が一次元であれば、光センサ１００Ａを例えばラインセンサとして利用できる。光センサが少なくとも１つの画素Ｐｘを有していれば、その光センサを光の検出に利用することができる。
図示するように、複数の画素Ｐｘの各々は、半導体基板３０の一部と、半導体基板３０に支持された光電変換部１０Ｌの一部とを含む。後述するように、半導体基板３０には、信号検出トランジスタ３２などを含む検出回路が形成される。光電変換部１０Ｌは、半導体基板３０上の検出回路を覆うように形成された絶縁層５０上に位置し、絶縁層５０中に配置された導電構造５２を介して、半導体基板３０上の検出回路に接続される。すなわち、光センサ１００Ａの画素Ｐｘは、いわゆる積層型の撮像装置の画素と同様のデバイス構造を有し得る。積層型の撮像装置に関する基本的な構造および動作の例は、例えば特開２０１７―１８８９１７号公報に説明されている。参考のために、特開２０１７―１８８９１７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
光電変換部１０Ｌは、画素電極１１、対向電極１２、および、これらの電極間に配置された光電変換層１０を含む。対向電極１２は、光電変換部１０Ｌにおいて半導体基板３０とは反対側、換言すれば、光が入射する側に位置する。この例では、各画素Ｐｘに対応して光電変換部１０Ｌの上方にマイクロレンズＭＬが配置されている。マイクロレンズＭＬと光電変換部１０Ｌの対向電極１２との間には、保護層が介在され得る。図１に例示するように、マイクロレンズＭＬと光電変換部１０Ｌの対向電極１２との間にカラーフィルタＣＦなどの光学部材を配置してもよい。
光電変換層１０は、入射する光を受けて正および負の電荷対、例えば正孔−電子対を発生させる。後述するように、光電変換層１０の材料としては、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長よりも長波長側にピークを有する分光感度特性を示す材料が選ばれる。光電変換層１０の材料の例は、後述する。
対向電極１２は、典型的には、透明な導電性材料から形成される透明電極である。対向電極１２の材料の例は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２などの透明導電性酸化物（Transparent Conducting Oxide（ＴＣＯ））である。なお、本明細書における「透明」は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
図１に模式的に示すように、対向電極１２は、電圧供給回路７０との接続を有する。光センサ１００Ａの動作時、電圧供給回路７０から対向電極１２に所定の電圧が印加されることにより、光電変換層１０中に生成された正および負の電荷のうちの一方を画素電極１１によって収集することができる。例えば、電圧供給回路７０から対向電極１２に１０Ｖ程度の電圧を印加することにより、光電変換層１０中に生成された正および負の電荷のうち、正の電荷を画素電極１１によって選択的に収集することができる。この例では対向電極１２が複数の画素Ｐｘにまたがって形成されており、そのため、複数の画素Ｐｘの対向電極１２に一括して所望の大きさの電圧を印加することが可能である。
画素電極１１は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、ＲｕまたはＰｔなどから形成される電極である。対向電極１２および光電変換層１０が典型的には複数の画素Ｐｘにまたがって連続的に形成されることに対し、画素電極１１は、画素Ｐｘごとに設けられる。隣接する他の画素Ｐｘの画素電極１１との間で空間的に分離されることにより、各画素Ｐｘの画素電極１１は、隣接する他の画素Ｐｘの画素電極１１から電気的に分離される。
画素電極１１によって収集された電荷は、銅などの金属から形成された導電構造５２を介して半導体基板３０上の検出回路に送られ、検出回路によって所定のタイミングで読み出される。図１に例示する構成において、半導体基板３０上に形成される検出回路は、信号検出トランジスタ３２、アドレストランジスタ３４およびリセットトランジスタ３６を含む。半導体基板３０は、その全体が半導体である基板に限定されず、光電変換部１０Ｌが配置される側の表面に半導体層が設けられた絶縁基板などであってもよい。ここでは、半導体基板３０としてＰ型シリコン基板を例示する。
半導体基板３０は、不純物領域３２ｓ、３２ｄ、３４ｓ、３６ｄおよび３６ｓと、画素Ｐｘ間の電気的な分離のための素子分離領域３１とを有する。隣接する２つの画素Ｐｘ間の距離すなわち画素ピッチは、例えば２μｍ程度であり得る。
不純物領域３２ｓ、３２ｄ、３４ｓ、３６ｄおよび３６ｓは、典型的には、半導体基板３０内に形成されたＮ型の拡散層である。不純物領域３２ｓおよび３２ｄは、それぞれ、信号検出トランジスタ３２の例えばソース領域およびドレイン領域として機能する。この例では、信号検出トランジスタ３２およびアドレストランジスタ３４は、不純物領域３２ｓを共有することによって互いに電気的に接続されている。不純物領域３２ｓは、アドレストランジスタ３４のドレイン領域としての機能も有する。不純物領域３４ｓは、アドレストランジスタ３４のソース領域として機能し、不図示の垂直信号線との接続を有する。
不純物領域３６ｓは、リセットトランジスタ３６の例えばソース領域として機能し、不純物領域３６ｄは、リセットトランジスタ３６の例えばドレイン領域として機能する。不純物領域３６ｓおよび不純物領域３６ｄのうち不純物領域３６ｄは、導電構造５２を介して画素電極１１に電気的に接続され、画素電極１１によって収集された電荷を一時的に保持する電荷蓄積領域としての機能も有する。図１に模式的に示すように、導電構造５２は、信号検出トランジスタ３２のゲート電極３２ｇにも接続される。
半導体基板３０上の絶縁層５０は、信号検出トランジスタ３２、アドレストランジスタ３４およびリセットトランジスタ３６を覆う。絶縁層５０は、典型的には、二酸化シリコンの層である。絶縁層５０中には、上述の導電構造５２をその一部に含む配線層が配置される。絶縁層５０は、複数の層間絶縁層を含み得る。絶縁層５０中の層数は、任意に設定可能である。
本開示の実施形態によれば、半導体基板の上方、典型的には、半導体基板を覆う絶縁層上に光電変換部を配置するので、従来のＣＭＯＳイメージセンサとは異なり、半導体基板を構成するシリコンなどの半導体とは異なる材料を光電変換層の材料として選択できる。そのため、光電変換部を支持する半導体基板の材料の持つ吸収特性に依らない、所望の波長域に関する撮像を実現できる。また、このような光電変換層は、蒸着あるいは塗布などの比較的簡易な方法により形成可能である。
（光センサ１００Ａの例示的な回路構成）
図２は、光センサ１００Ａの例示的な回路構成を模式的に示す。光センサ１００Ａは、上述の画素Ｐｘの例えば二次元配列をその一部に含む。図２では、図面が過度に複雑になることを避けるために、画素Ｐｘの二次元配列から４つの画素Ｐｘを取り出して示している。ここでは、４つの画素Ｐｘは、２行２列に配置されている。
各画素Ｐｘは、入射した光を受けて信号電荷を生成する光電変換部１０Ｌと、光電変換部１０Ｌに接続され、光電変換部１０Ｌによって生成された信号電荷を検出する検出回路３０Ｌとを有する。検出回路３０Ｌは、信号検出トランジスタ３２、アドレストランジスタ３４およびリセットトランジスタ３６を含む。信号検出トランジスタ３２、アドレストランジスタ３４およびリセットトランジスタ３６は、典型的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。ここでは、これらのアドレストランジスタとしてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを例示する。
図１を参照しながら説明したように、各画素Ｐｘの光電変換部１０Ｌには、電圧供給回路７０が接続されている。電圧供給回路７０は、光センサ１００Ａの動作時、光電変換部１０Ｌの例えば対向電極１２に所定の電圧を供給する。電圧供給回路７０は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。電圧供給回路７０は、光電変換部１０Ｌに対して２値以上の電圧を切り替えて供給可能な構成を有し得る。例えば電圧供給回路７０から光電変換部１０Ｌに供給する電圧を互いに異なる複数の電圧の間で切り替えることにより、光電変換部１０Ｌからの電荷蓄積領域への信号電荷の蓄積の開始および終了を制御することができる。
図２に示すように、光電変換部１０Ｌには、信号検出トランジスタ３２のゲートが接続されている。光電変換部１０Ｌによって生成された信号電荷は、信号検出トランジスタ３２のゲートと光電変換部１０Ｌとの間のフローティングディフュージョンノードＦＤに一時的に保持され、保持された電荷量に応じた電圧が、アドレストランジスタ３４を介して所定のタイミングで読み出される。信号電荷の典型例は、正孔であり、信号電荷として電子を利用することも可能である。
図示するように、各画素Ｐｘは、電源電圧ＶＤＤを供給する電源線４０との接続を有する。電源線４０には、信号検出トランジスタ３２のドレインが接続される。電源線４０に接続される電源は、ソースフォロア電源として機能する。信号検出トランジスタ３２のソースは、アドレストランジスタ３４を介して、画素Ｐｘのアレイの列ごとに設けられた複数の垂直信号線４２のうちの１つに接続される。アドレストランジスタ３４のドレインは、信号検出トランジスタ３２のソースに接続され、ソースは、垂直信号線４２に接続される。
アドレストランジスタ３４のゲートは、アドレス制御線４４に接続されている。アドレス制御線４４は、垂直走査回路３７と接続されており、垂直走査回路３７は、各行に配置されたアドレス制御線４４に所定の電圧を印加することにより、複数の画素Ｐｘを行単位で選択することができる。
垂直信号線４２は、画素Ｐｘのアレイからの画素信号を周辺回路へ伝達する主信号線である。垂直信号線４２には、カラム信号処理回路３８が接続される。これらのカラム信号処理回路３８には、水平信号読み出し回路３９が接続される。カラム信号処理回路３８は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ−デジタル変換などを行う。水平信号読み出し回路３９は、カラム信号処理回路３８から水平共通信号線４５に信号を順次読み出す。
図２に例示する構成において、各画素Ｐｘの検出回路３０Ｌは、リセットトランジスタ３６を有する。リセットトランジスタ３６は、各画素Ｐｘにリセット電圧Ｖｒを供給するリセット電圧線４６と、フローティングディフュージョンノードＦＤとの間に接続される。リセットトランジスタ３６のゲートは、リセット制御線４８に接続されており、この例では、リセット制御線４８は、垂直走査回路３７に接続されている。垂直走査回路３７は、各行に配置されたリセット制御線４８に所定の電圧を印加することにより、複数の画素Ｐｘを行単位でリセットすることが可能である。すなわち、垂直走査回路３７は、リセット制御線４８の電位の制御によってフローティングディフュージョンノードＦＤの電位をリセット電圧Ｖｒにリセットすることができる。
この例では、リセットトランジスタ３６にリセット電圧Ｖｒを供給するリセット電圧線４６が、リセット電圧供給回路７２に接続されている。リセット電圧供給回路７２は、動作時にリセット電圧線４６に所定のリセット電圧Ｖｒを供給可能な構成を有していればよく、上述の電圧供給回路７０と同様に、特定の電源回路に限定されない。電圧供給回路７０およびリセット電圧供給回路７２の各々は、単一の電圧供給回路の一部分であってもよいし、独立した別個の電圧供給回路であってもよい。電圧供給回路７０およびリセット電圧供給回路７２の一方または両方が、垂直走査回路３７の一部分であってもよい。あるいは、電圧供給回路７０からの電圧および／またはリセット電圧供給回路７２からのリセット電圧Ｖｒが、垂直走査回路３７を介して各画素Ｐｘに供給されてもよい。
なお、リセット電圧Ｖｒとして、検出回路３０Ｌの電源電圧ＶＤＤを用いることも可能である。この場合、図２において不図示の、各画素Ｐｘに電源電圧を供給する電圧供給回路と、リセット電圧供給回路７２とを共通化し得る。また、電源線４０と、リセット電圧線４６とを共通化できるので、画素Ｐｘのアレイにおける配線を単純化し得る。ただし、リセット電圧Ｖｒと、検出回路３０Ｌの電源電圧ＶＤＤとに互いに異なる電圧を用いることは、光センサ１００Ａのより柔軟な制御を可能にする。
図３は、光センサ１００Ａの構成を概略的に示すブロック図であり、図４は、ロングパスフィルタ６０の例示的な透過スペクトルと、光電変換層１０に含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線とをあわせて示す。
図４の上段は、ロングパスフィルタ６０の透過スペクトルの典型例を示している。図４から理解されるように、ロングパスフィルタ６０は、カットオン波長λｃ未満の波長を有する光を遮断する機能を有する。ここで、図４に示すカットオン波長λｃは、透過率の最大値であるピーク透過率に対して透過率が５０％となるような波長を指す。
他方、図４の下段は、光電変換層１０中の光電変換材料に関する分光感度曲線の一例を示している。本開示の実施形態において、光電変換層１０を構成する材料のうち、主に電荷対の生成に関わる光電変換材料は、図４に示すように、第１波長λ１に第１ピークＰｋ１を示す分光感度特性を有する。後述するように、光電変換層１０の分光感度曲線は、複数のピークを有し得る。分光感度曲線におけるピーク、すなわち感度のピークは、吸収スペクトルにおける極大値である吸収ピークと同義である。第１ピークＰｋ１は、分光感度曲線に現れるピークのうちの１つであり、図示するように、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃよりも長い第１波長λ１の位置に現れる感度のピークとして特定される。
第１ピークＰｋ１は、比較的鋭く、第１ピークＰｋ１の半値全幅ＦＷＨＭは、典型的には２００ｎｍ以下である。また、本開示の実施形態において、光電変換層１０の、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃにおける分光感度は、図４から理解されるように、第１波長λ１における分光感度の０％以上５０％以下の範囲にある。このような分光感度特性を示す材料の典型例は、カーボンナノチューブあるいは量子ドットなどの、量子閉じ込め効果を発現する材料である。
光電変換層１０の光電変換材料として量子閉じ込め効果を発現することのできる材料を用いた場合、光電変換層１０の分光感度は、ピークおよびその近傍を除き、第１波長λ１におけるピーク値の５０％程度以下の低い値をとる。理想的には、光電変換層１０は、分光感度曲線におけるピークおよびその近傍の波長を除いてほとんど感度を示さない。上述の第１ピークＰｋ１は、例えばカーボンナノチューブのＥ１１遷移に対応する吸収ピークである。光電変換層１０の光電変換材料として量子ドットを用いた場合も、量子ドットでは状態密度が離散的であるので、同様の分光感度特性が得られる。
光電変換層１０の光電変換材料として量子閉じ込め効果を発現することのできる材料を用いた場合、特に第１ピークＰｋ１の現れる第１波長λ１よりも長波長側において、５０％程度以下の比較的低い分光感度を得やすい。すなわち、光電変換層１０の光電変換材料として量子閉じ込め効果を発現することのできる材料を用いることにより、第１波長λ１よりも長波長側の光をカットするフィルタを不要とできるという利点が得られる。また、第１波長λ１よりも短波長側に注目すると、第２光学遷移または光電変換層中のアクセプタによる吸収の影響により、第１波長λ１よりも長波長側の領域ほどには分光感度が低下しないことがあり得るが、第１波長λ１よりも短波長側において、比較的に低い分光感度、すなわち第１ピークＰｋ１よりも低い分光感度の領域を生じさせることが可能になる。
なお、光電変換層１０の光電変換材料として量子ドットを用いた場合、光電変換層１０の分光感度のピーク値と、ピークおよびその近傍を除く領域における分光感度の値との間の比（感度比率）は、量子ドットの粒径のバラつき具合に応じて変化し得る。量子閉じ込め効果を発現することのできる材料の詳細は、後述する。
図５は、光センサ１００Ａにおける分光感度特性を示す。上述したように、光センサ１００Ａにおいて、光電変換層１０の前面にはロングパスフィルタ６０が位置している。そのため、光電変換層１０には、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃ未満の波長を有する光は実質的に入射せず、光電変換層１０は、光センサ１００Ａに入射した光のうちロングパスフィルタ６０を透過した成分を受ける。その結果、光センサ１００Ａにおける実効的な感度は、ロングパスフィルタ６０に関する透過スペクトルと光電変換層１０に関する吸収スペクトルとを合成したものとなる。すなわち、光センサ１００Ａは、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃ未満の波長を有する光に対して実効的に感度を示さない。
また、第１波長λ１よりも長波長側に注目すると、光電変換層１０が分光感度曲線におけるピークおよびその近傍の波長を除いて高い感度を示さないことから、第１波長λ１よりも長いある波長λｄを超えるような波長の光に対しても、光センサ１００Ａは、実効的に感度を示さない。ここで、波長λｄは、光電変換層１０に含まれる主要な光電変換材料の分光感度特性によって決まる波長である。
すなわち、光センサ１００Ａは、図５に示すように、第１波長λ１を含むある特定の波長域λｃからλｄに選択的に感度を持つ。このように、本開示の実施形態によれば、信号電荷として利用される電荷の生成に関わる主要な光電変換材料自体が急峻な吸収ピークを有することにより、バンドパスフィルタよりも簡易な構成のロングパスフィルタとの組み合わせによって狭帯域の撮像を実現できる。したがって、狭帯域の撮像が可能な光センサを安価で提供することが可能である。
ロングパスフィルタ６０としては、吸収型または干渉型の公知の光学フィルタを用い得る。特に、吸収型の光学フィルタをロングパスフィルタ６０に適用することにより、斜め光に対しても所期のフィルタ機能を発揮させることが可能である。また、干渉型と比較して、製造コストの面でも吸収型は有利である。なお、本明細書における「フィルタ」は、特定の波長域の光を遮断あるいは透過させる要素を意味し、撮像領域の前面に配置されるカバーガラス、レンズなどのように副次的に多少の波長選択性を示すような部材は、本明細書における「フィルタ」に含まれない。
なお、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃは、図４に示すように、光電変換層１０の材料に関する分光感度曲線における立ち上がりから第１ピークＰｋ１におけるピーク値に至る右肩上がりの部分に重なっていてもかまわない。この場合、光電変換層１０の材料に関する分光感度曲線における立ち上がりのカーブに、ロングパスフィルタ６０の透過スペクトルにおけるステップが重なるので、カットオン波長λｃよりも短波長側の実効的な感度を十分に低下させ得る。このように、カットオン波長λｃの設計にはある程度のマージンが許容される。
以上に説明したように、本開示の実施形態では、光センサが実効的に感度を示す波長範囲の下限である波長λｃをロングパスフィルタのフィルタリングによって規定し、他方、波長範囲の上限である波長λｄを、光電変換材料自体が持つ、急峻に立ち下がるカットオフ特性を利用して規定している。本開示の実施形態では、光電変換に関わる要素が固体結晶ではなく、カーボンナノチューブ、量子ドットなどの量子閉じ込め効果を持つ材料から形成されるので、温度変化による波長λｄの変化が小さい。したがって、狭帯域撮像において狙いとする波長範囲の温度依存性を低減できる。つまり、周囲の温度の変化およびカメラシステム自身の温度変化に対してロバストな光センサを提供することができる。また、波長λｃよりも短波長側に注目すると、光電変換材料自体の吸収特性により感度が抑えられているので、ロングパスフィルタによる遮光性とあわせて実効的な感度を低く抑えることができ、第１波長λ１を含む所望の波長範囲の光に関して精度良く撮像を実行可能である。
（光電変換層１０の材料の典型例）
次に、光電変換層１０の材料の典型例を詳細に説明する。光電変換層１０を構成する光電変換材料としては、カーボンナノチューブ、あるいは、量子閉じ込め効果を持つ量子ナノ構造を有する材料を用いることができる。
カーボンナノチューブは、グラフェンを丸めたような構造を有し、直径がナノメートル領域の、継ぎ目のない概ね円筒状である。円筒が１つの構造を特に単層カーボンナノチューブと呼び、複数の円筒が入れ子になった構造を多層カーボンナノチューブと呼ぶ。単層カーボンナノチューブの電子的特性および光学的特性の多くは、カイラル指数によって指定されるカイラリティによって決まり、単層カーボンナノチューブは、カイラリティに応じて金属的な性質または半導体的な性質を示す。
単層カーボンナノチューブ中の電子のエネルギーは、チューブが円筒状であることによる周期性に起因してチューブ軸方向の波数のみによって指定される。すなわち、単層カーボンナノチューブの電子状態は、一次元的である。単層カーボンナノチューブのバンド構造は、状態密度の発散するエネルギー準位であるサブバンドが離散的に発現する点で特徴的である。状態密度におけるこのような特異点は、Ｖａｎ Ｈｏｖｅ特異点と呼ばれる。
単層カーボンナノチューブの吸収スペクトルは、このサブバンド間のエネルギーに相当する波長において急峻なピークを示す。光学遷移の選択則において許容される、最低エネルギーの光学遷移を第１光学遷移と呼び、その次に高いエネルギーの光学遷移を第２光学遷移と呼ぶ。カーボンナノチューブにおいては、フェルミ準位から数えて１番目のサブバンド間の光学遷移が第１光学遷移であり、２番目のサブバンド間の光学遷移が第２光学遷移である。
このように、単層カーボンナノチューブは、カイラリティと呼ばれる自由度を持ち、下記の表１に示すように、カイラリティに応じた異なる波長に共鳴吸収を示す。例えば（９，８）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、８００ナノメートル前後および１．４１マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。（７，６）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、６５０ナノメートル前後および１．１３マイクロメートル前後の波長に共鳴吸収を示す。したがって、例えば、検出を行おうとする光の波長に応じたカイラリティを有する単層カーボンナノチューブを用いて光電変換層１０を形成することにより、特定の波長に特異的に高い感度を有する画素を実現可能である。なお、表１に示す各波長の値は、あくまでも一例であり、実測値と５０ナノメートル程度の誤差が生じることもあり得る。
Figure 2020105360
光電変換層１０を構成する光電変換材料として、量子閉じ込め効果を持つ量子ナノ構造を適用することも可能である。量子ナノ構造とは、一次元的、二次元的または三次元的に量子サイズ効果を発現する構造を指す。量子ナノ構造の材料としては、Ｓｉ、ＧｅなどのV族半導体、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅなどのIV-VI族半導体、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどのIII-V族半導体、あるいは、ＨｇＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＴｅなどの３元混晶体を例示することができる。
一次元的な量子閉じ込め効果を示す量子ナノ構造の例は、数十ナノメートル以下程度の直径および数百ナノメートル以上の長さを有するナノロッドもしくはナノワイヤ、または、カーボンナノチューブである。ナノロッドおよびナノワイヤの直径は、使用する材料によって異なり、例えば、ＰｂＳであれば１８ナノメートル程度、ＩｎＡｓであれば２９ナノメートル程度、ＩｎＳｂであれば６１ナノメートル程度である。ナノロッドおよびナノワイヤの長さは、使用する材料のボーア半径と比較して大きな値とされる。
二次元的な量子閉じ込め効果を示す量子ナノ構造の例は、量子井戸を有する結晶または超格子である。量子井戸を有する結晶の層の厚さおよび超格子の層の厚さは、使用する材料のボーア半径以下の値となるようにされる。三次元的な量子閉じ込め効果を示す量子ナノ構造の例は、量子ドットである。量子ドットは、２から１０ナノメートル程度の直径を有するナノクリスタルであり、数十個程度の原子で構成される。量子ドットの表面には、分散剤、配位子による修飾などが付与され得る。量子ドットは、ＡＰｂＸ３の化学式で示される、ペロブスカイト構造を有する量子ドットであってもよい。ここで、ＡＰｂＸ３の化学式中、Ａは、セシウム、メチルアンモニウムおよびホルムアミジニウムからなる群から選択される１つであり、Ｘは、塩素、臭素またはヨウ素である。
粒子の粒径が励起子のボーア半径程度以下になると、励起子、電子が三次元的に空間に閉じ込められ、その状態密度は、バルクのときと異なり離散化される。また、粒径が小さくなるとこの量子閉じ込め効果が増大し、図６に模式的に示すように、ギャップが拡大する。したがって、同一の材料であっても量子ドットの形態とすることにより、バルク時のエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを実現することができ、かつ、その粒径によってギャップの大きさを調整することが可能である。
カーボンナノチューブとは異なり、量子ドットでは、第１光学遷移に基づく吸収ピークの幅は、その材料およびその粒径によって大きく変化し得る。したがって、光電変換層１０を構成する光電変換材料として例えば量子ドットを選択した場合には、その材料および粒径を調整することによって、光電変換層１０において特異的に吸収を示す波長を調整することが可能である。
なお、光電変換層１０は、第１ピークＰｋ１以外にも吸収のピークを有し得る。すなわち、光電変換層１０は、第１ピークＰｋ１を含む複数のピークを示す分光感度特性を有し得る。
図７は、光電変換層１０に関する分光感度曲線の他の例を示す。この例では、分光感度曲線は、第１波長λ１に位置する第１ピークＰｋ１に加えて、第２波長λ２に第２ピークＰｋ２を有する。第２ピークＰｋ２は、分光感度曲線に現れた複数の吸収ピークのうちの１つである。第２波長λ２は、例えば、第２光学遷移に対応する波長であり、この場合、第１ピークＰｋ１は、光電変換層１０の材料の第１光学遷移に対応し、複数のピークのうち最も長波長側に位置する。換言すれば、第２ピークＰｋ２は、複数のピークのうち長波長側から２番目の吸収ピークである。
図７に模式的に示すように、本開示の実施形態では、この第２ピークＰｋ２がカットオン波長λｃ未満の範囲に位置するように光電変換層１０の材料およびロングパスフィルタ６０の光学特性が決定される。そのため、光センサ１００Ａは、第２ピークＰｋ２に対応する第２波長λ２に実効的に感度を示さない。このように、光電変換層１０の材料が複数の吸収ピークを有する場合であっても、それらのピークの位置をカットオン波長λｃ未満とすることにより、それらの複数の吸収ピークに対応する波長における感度を実効的に消すことができ、光センサの感度として表れないようにすることができる。すなわち、第１ピークＰｋ１に対応する第１波長λ１に特異的に感度を持つ光センサを実現できる。
カーボンナノチューブおよび量子ドットでは状態密度が離散的となるために、これらを材料とする光電変換層の分光感度曲線のピークは急峻な形状となり、また、２つのピークの間には明瞭な谷が現れる。隣接する２つのピークは、ある光学遷移（例えばＥ２２遷移）におけるエネルギーギャップの大きさに対応する波長と、これとは異なる光学遷移（例えばＥ１１遷移）におけるエネルギーギャップの大きさに相当する波長との差に相当する波長分離れている。そのため、ピーク間の、相対的に低感度の谷の部分にロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃを位置させることにより、第１ピークＰｋ１以外の吸収ピークに起因する感度を実質的に消すことができる。また、光電変換層１０が、隣接する２つのピーク間にほとんど感度を示さないので、カットオン波長λｃとして選択できる波長の幅が広く、ロングパスフィルタ６０に適用可能な光学フィルタの選択の自由度が比較的高い。特に、光電変換層１０を構成する材料の分光感度曲線が第１ピークＰｋ１と第２ピークＰｋ２とを有する場合、第１波長λ１とカットオン波長λｃとの差Ｄ１が、カットオン波長λｃと第２波長λ２との差Ｄ２よりも小さいと、目的とする狭帯域外の余計な感度を消しやすく、有利である。なお、図７に示す例では、第２ピークＰｋ２と比較して第１ピークＰｋ１の方が高い。しかしながら、第２波長λ２がカットオン波長λｃ未満であれば、図８に示すように、第１ピークＰｋ１よりも第２ピークＰｋ２の方が高くてもかまわないことは容易に理解される。
光電変換層に関する分光感度曲線のピーク間の谷の領域にロングパスフィルタのカットオン波長λｃを位置させることにより、周囲の温度変化によってカットオン波長λｃが変動しても、光電変換層の、カットオン波長λｃ近傍の分光感度が相対的に低いために、温度変化が画像に与える影響を抑えることができる。すなわち、周囲の温度変化に対してロバストな光センサを提供することができる。
このように、カーボンナノチューブ、量子ドットといった材料は、特定の波長に特異的な吸収ピークを示す特性を有する。したがって、このような材料を光電変換材料として形成された光電変換層は、埋め込みフォトダイオードなどの、半導体結晶に形成されたデバイスが示すようなブロードな吸収特性とは異なり、急峻な吸収ピークを有する分光感度特性を示す。したがって、狭帯域の撮像に有利である。
また、固体としてみたとき、カーボンナノチューブ、量子ドットなどの、量子閉じ込め効果を持つ光電変換材料の巨視的な周期性は、結晶と比較して低く、したがって、温度による吸収波長のシフトは、結晶性固体に比べて緩やかである。事実、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓといった材料では、絶対零度と室温近傍との間でバンドギャップに５０ｍｅＶ程度の変化が観測されることに対して、カーボンナノチューブおよび量子ドットにおけるエネルギーギャップの変化量は、１５ｍｅＶ程度以下に過ぎない。そのため、このような材料から光電変換層１０を形成することにより、温度変化に伴う吸収波長のシフトが光センサの分光感度特性に与える影響を抑制できる。
図９は、光電変換層１０に関する分光感度曲線のさらに他の例を示す。図９に示す例では、光電変換層１０は、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃよりも短い波長域において、ある程度の感度、例えば、第１波長λ１における分光感度の５０％よりも高い感度を示す。光電変換層がこのような分光感度特性を示す場合であっても、光センサに入射する光のうちカットオン波長λｃよりも短い波長を有する成分がロングパスフィルタ６０によって十分に減衰されるので、カットオン波長λｃ未満の波長域における光センサの実効的な感度をほぼ０とすることができる。
図１０は、光電変換層１０に関する分光感度曲線のさらに他の例を示す。第１光学遷移よりも高いエネルギーの光学遷移に対応する共鳴は、図１０に示すように、分光感度曲線において短波長側のブロードなピークとして現れ得る。なお、波長をさらに短くしていくと、光電変換層の材料自体が吸収を示さなくなるために感度が急峻に低下する。
図１０に示す例においても、分光感度曲線は、第２ピークＰｋ２の立ち下がりから第１ピークＰｋ１の立ち上がりまでの間の領域に谷を持つ。したがって、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃをこの谷の領域に設定することにより、第１ピークＰｋ１以外のピークに起因する感度を実効的に消すことができる。この谷の領域は、第２ピークＰｋ２と第１ピークＰｋ１との間の比較的広い範囲にわたるので、カットオン波長λｃを比較的広い範囲から選択することができる。
ここで、材料が共通でありながら、粒径分布の異なる２種の量子ドットが光電変換層中に混在した場合の、分光感度特性への影響を簡単に説明する。上述したように、光電変換材料として量子ドットを選択した場合、その粒径によって、光電変換層において特異的に吸収を示す波長が異なる。例えば、光電変換層の製造過程において、平均粒径の異なる量子ドットが不可避的に混入するなどして、図１１に示す曲線Ｓ１で表される吸収特性を示す量子ドットと、図１１に示す曲線Ｓ２で表される吸収特性を示す量子ドットとが光電変換層に混在する状況を想定する。
図１２は、図１１に示す吸収特性を有する量子ドットを含有する光電変換層の分光感度曲線の例を示す。粒径分布の異なる２種の量子ドットが光電変換層中に混在した場合、１種の量子ドットから光電変換層を形成したときと比較して、図１２に模式的に示すように、第１ピークＰｋ１および第２ピークＰｋ２がややブロードになり得る。ただし、このような場合においても分光感度曲線において第２ピークＰｋ２と第１ピークＰｋ１との間に谷の領域が現れることに変わりはなく、カットオン波長λｃをこの谷の領域内とすることにより、第１ピークＰｋ１に起因する感度を選択的に抽出することが可能である点に変わりはない。
これまでに説明した例と同様に、第１ピークＰｋ１の半値全幅ＦＷＨＭは、例えば、２００ｎｍ以下である。光電変換層１０に関する分光感度曲線において、第１波長λ１における極大値をＥＴとしたとき、分光感度がＥＴの１０％となる位置での第１ピークＰｋ１の幅Ｗ１が２００ｎｍ以下であると、狭帯域の撮像により有利である。狭帯域の撮像を有利に実行する観点からは、図４を参照しながら説明したように、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃにおける分光感度は、第１波長λ１における分光感度の例えば０％以上５０％以下の範囲である。ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃにおける分光感度は、第１波長λ１における分光感度の０％以上３０％以下であってもよく、第１波長λ１における分光感度の０％以上１０％以下であってもよい。
図１３は、本開示の実施形態による光センサの変形例を示す。図１３に例示する光センサ１００Ｂは、２以上の画素を含む。ここでは、これらの画素のうち、互いに隣接して配置された第１の画素Ｐｘ１および第２の画素Ｐｘ２を取り出して示している。
図１に示す例と比較して、光センサ１００Ｂの光電変換部は、光電変換層１０に代えて光電変換層１０Ｂを有する。後述するように、光電変換層１０Ｂは、信号電荷として利用される電荷の生成に関わる主要な光電変換材料として、二種以上の光電変換材料、例えば、カイラリティの相違する二種のカーボンナノチューブあるいは相違する材料から形成された二種の量子ドットなどを含有する。
また、光センサ１００Ｂは、ロングパスフィルタ６０に加えて、ショートパスフィルタ６２をさらに有する。ただし、このショートパスフィルタ６２は、複数の画素の光電変換部のうちの一部の画素の光電変換部を覆う。この例では、画素Ｐｘ１の光電変換部がショートパスフィルタ６２によって覆われていることに対して、画素Ｐｘ２の光電変換部の直上にはショートパスフィルタ６２が位置していない。なお、図１３に例示する構成において、ショートパスフィルタ６２は、ロングパスフィルタ６０と、光電変換層１０Ｂとの間に位置している。しかしながら、ショートパスフィルタ６２の配置は、この例に限定されず、ロングパスフィルタ６０の前面にショートパスフィルタ６２が配置されてもかまわない。
図１３に示す例では、光電変換層１０Ｂの対向電極１２上に保護層１４が設けられており、保護層１４上にマイクロレンズＭＬが配置されている。マイクロレンズＭＬは、図１３に例示するように画素ごとに設けられてもよいし、複数の画素ごとに設けられてもよい。マイクロレンズＭＬが省略されることもあり得る。
図１４は、ロングパスフィルタ６０の例示的な透過スペクトル、ショートパスフィルタ６２の例示的な透過スペクトル、および、光電変換層１０Ｂに含まれる主要な光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線をあわせて示す。図１４の１段目は、ロングパスフィルタ６０の例示的な透過スペクトルを示し、２段目は、ショートパスフィルタ６２の例示的な透過スペクトルを示す。図示するように、ショートパスフィルタ６２は、あるカットオフ波長λｆ以下の波長を有する光を選択的に透過させる特性を有する。図１４に示すカットオフ波長λｆは、透過率の最大値であるピーク透過率に対して透過率が５０％となるような波長を指す。
図１４の３段目は、光電変換層１０Ｂに含まれる主要な光電変換材料のうち、第１の光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線Ｔ１と、第２の光電変換材料に関する例示的な分光感度曲線Ｔ２とを示す。第１および第２の光電変換材料は、例えばカイラリティの異なる二種のカーボンナノチューブの組、あるいは、異なる原料で形成された、量子ナノ構造を有する材料の組である。これまでに説明した例と同様に、ここでも量子閉じ込めを発現する材料を光電変換材料として用いているので、第１および第２の光電変換材料は、急峻な吸収ピークを有する分光感度特性を示している。
この例では、特に、第１の光電変換材料に関する分光感度曲線Ｔ１は、第１波長λ１に位置する第１ピークＰｋ１を有している。図示するように、第１波長λ１は、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃよりも長く、かつ、ショートパスフィルタ６２のカットオフ波長λｆよりも短い。また、第２の光電変換材料が示す吸収のピークは、λｃ以上λｆ以下の範囲外に位置する。ここでは、第２の光電変換材料は、ショートパスフィルタ６２のカットオフ波長λｆよりも長い第３波長λ３に位置する第３ピークＰｋ３を有している。
ここで、図１３に示す画素Ｐｘ２に注目すると、画素Ｐｘ２では、光電変換層１０Ｂの前面にロングパスフィルタ６０が位置しているので、画素Ｐｘ２の光電変換層１０Ｂには、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃ未満の波長を有する光は実質的に入射しない。また、図１４を参照しながら説明したように、光電変換層１０Ｂは、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃよりも長波長側に位置する第１ピークＰｋ１を有する第１の光電変換材料と、カットオン波長λｃよりも長波長側に位置する第３ピークＰｋ３を有する第２の光電変換材料とを含む。したがって、画素Ｐｘ２は、図１５に模式的に示すように、第１波長λ１および第３波長λ３に特異的に感度を有するような分光感度特性を示す。
他方、図１３に画素Ｐｘ１に注目すると、画素Ｐｘ１では、ロングパスフィルタ６０およびショートパスフィルタ６２の両方が光電変換層１０Ｂの前面に配置されている。そのため、画素Ｐｘ１の光電変換層１０Ｂには、ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃ未満の波長を有する光も、ショートパスフィルタ６２のカットオフ波長λｆを超える波長を有する光も実質的に入射しない。したがって、画素Ｐｘ１は、図１６に模式的に示すように、第１波長λ１に特異的に感度を有するような分光感度特性を示す。
このように、吸収ピークの位置が相違する、量子閉じ込めを発現する二種の材料を光電変換層に意図的に混在させ、一部の画素の光電変換層の前面にショートパスフィルタ６２を配置してもよい。この例のように、分光感度特性の異なる画素を撮像領域に混在させることにより、２つの帯域に関して一括して画像信号を得ることが可能になる。例えば第１波長λ１が可視域にあり、第３波長λ３が赤外域にある場合には、画素Ｐｘ２から可視光および赤外光に関する画像信号を得て、画素Ｐｘ１から可視光に関する画像信号を得ることができる。これらの画像信号の差分から、赤外光に関する画像信号を得てもよい。あるいは、第１波長λ１および第３波長λ３が赤外域にある場合、例えば９４０ｎｍの波長を有する光に関する画像信号と、１．４μｍの波長を有する光に関する画像信号とを同時性を確保した形で得るといったことも可能である。なお、ショートパスフィルタ６２の配置は、画素単位である必要はなく、複数の画素を単位として設けられてもよい。撮像領域全体の半分の領域をショートパスフィルタ６２が覆うようにしてもよい。
（カメラシステム）
図１７は、本開示の実施形態による光センサをその一部に含むカメラシステムの例示的な構成を模式的に示す。図１７に示すカメラシステム２００Ａは、レンズ光学系２１０と、撮像部１００Ｌと、レンズ光学系２１０および撮像部１００Ｌの間に位置するロングパスフィルタ６０と、システムコントローラ２３０と、信号処理回路２２０とを有する。撮像部１００Ｌは、例えば上述の光電変換部１０Ｌおよび検出回路３０Ｌを含む。すなわち、カメラシステム２００Ａは、光センサ１００Ａをその一部に含んでいる。光センサ１００Ａに代えて、図１３を参照しながら説明した光センサ１００Ｂを適用してもよい。
レンズ光学系２１０は、例えばオートフォーカス用レンズ、ズーム用レンズおよび絞りを含む。レンズ光学系２１０は、撮像部１００Ｌの撮像面に光を集光する。信号処理回路２２０は、撮像部１００Ｌからの出力信号を処理する。信号処理回路２２０は、例えば、ガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、オートホワイトバランスなどの処理を行う。カメラシステム２００Ａの用途によって、信号処理回路２２０は、距離計測演算、波長情報分離などの処理も実行する。信号処理回路２２０は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＩＳＰ（Image Signal Processor）、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などによって実現され得る。信号処理回路２２０が１以上のメモリを含んでいてもよい。
システムコントローラ２３０は、カメラシステム２００Ａ全体を制御する。システムコントローラ２３０は、例えばマイクロコントローラによって実現され得る。システムコントローラ２３０は、１以上のメモリを含み得る。
上述したように、本開示の実施形態による光センサは、狭帯域の撮像が可能である。したがって、本開示の実施形態によれば、狭帯域の撮像が可能、かつ、高精度で高いロバスト性を有するカメラシステム２００Ａを比較的安価に提供することが可能である。
図１８は、カメラシステムの他の例を示す。図１８に示すカメラシステム２００Ｂは、レンズ光学系２１０と、光センサ１００Ａと、システムコントローラ２３０と、信号処理回路２２０と、光源２４０とを有する。すなわち、カメラシステム２００Ｂは、図１７に示すカメラシステム２００Ａにさらに光源２４０を加えた構成を有するといえる。カメラシステム２００Ａと同様に、カメラシステム２００Ｂにおいて、光センサ１００Ａに代えて光センサ１００Ｂを適用してもよい。
図１８に例示する構成において、光源２４０は、被写体３００に向けて照明光Ｌ１を照射し、光センサ１００Ａは、被写体３００からの反射光Ｌ２に基づく撮像を実行する。光源２４０および光センサ１００Ａの撮像部１００Ｌは、システムコントローラ２３０からの指示により同期して動作させられる。
カメラシステム２００Ｂの光センサ１００Ａは、光電変換層１０とロングパスフィルタ６０を有することにより、特定の波長の光に関する画像を取得することができる。したがって、光源２４０から、上述の第１波長λ１を有する光を出射させて同期して光センサ１００Ａによって撮像を実行することにより、被写体３００からの反射光Ｌ２のうち第１波長λ１を有する光に関する明るい画像を得ることができる。
なお、図２２を参照しながら説明したように、固体結晶を用いたフォトダイオードでは、周囲の温度によって分光感度特性が変化し得る。同様に、照明光Ｌ１の波長も、周囲の温度の影響を受けてピーク波長がシフトすることがあり得る。このような波長シフトが生じると、実効的な感度が低下することがあり得る。例えば光源２４０の出力を増大させればこのような波長シフトに起因する実効的な感度の低下の影響を補償することは可能であるが、消費電力の面で不利である。
そこで、第１ピークＰｋ１の半値全幅を２００ｎｍから３００ｎｍ程度に広く確保しておいてもよい。本開示の典型的な実施形態では、光電変換部１０Ｌは、固体結晶から形成されたフォトダイオードではないので、分光感度の温度依存性が低い。したがって、光電変換層側が感度を示す波長域を、光源２４０の温度依存性を考慮して予め広い範囲で固定しておくことにより、光源側の発光スペクトルにおけるピークの温度変化によるシフトの影響を抑制して、例えば、太陽光のスペクトルから欠落した波長を効果的に利用することが可能になる。本開示の実施形態によるカメラシステムにおける光源側の発光ピークの半値全幅は、第１ピークＰｋ１の半値全幅よりも広くてもよい。
ここで、第１波長λ１として、太陽光から欠落している波長を選択することにより、外乱光による影響が抑制された撮像を実行することができる。この場合、光源２４０は、赤外光源であり得る。光源２４０として、赤外レーザを用いることも可能である。特に、アイセーフと呼ばれる、１．４マイクロメートル付近の波長域の光を出射する光源を光源２４０に有利に用い得る。
図１９は、太陽光のスペクトルを示し、図２０は、図１９に示すスペクトルの一部を拡大して示す。太陽光のスペクトルを地上で観測すると、大気および大気中にある水分による吸収により、図１９に模式的に示すように、スペクトル中の一部の波長に欠落が存在することがわかる。したがって、太陽光のスペクトルから欠落した波長を有する光を用いた撮像により、特に、カメラシステム２００Ｂの光源２４０のようにアクティブな光源から被写体に向けて光を照射しての撮像により、太陽光などの環境光によるノイズの影響が極力排除された撮像を実現できる。
太陽光による外乱の影響が小さい波長の例は、９４０ｎｍ付近である。図２０に示すように、太陽光のスペクトルにおいて９２０から９８０ｎｍ付近の放射量の値は、比較的に小さい。後述の１４００ｎｍ付近の方が太陽光からの影響を低減できるものの、９２０から９８０ｎｍ付近の波長の光は、大気による吸収も比較的に少なく、したがって、照明光Ｌ１として用いたときに減衰の影響が小さいという利点が得られる。また、受光側の撮像部の構成に対する制約が小さいことでも有利である。
ロングパスフィルタ６０のカットオン波長λｃによって決まる、光センサ１００Ａまたは光センサ１００Ｂが感度を示す波長の下限と、光電変換層の材料によって決まる、感度のカットオフ波長とを例えば上述の９２０から９８０ｎｍの範囲内とすることにより、太陽光などによるノイズの影響が低減された撮像を実行できる。なお、図２０中において網掛けを除いた領域で示す波長域は、カメラシステム２００Ｂを狭帯域撮像に適用したときに第１波長λ１として採用し得る波長範囲の一例である。光センサ１００または光センサ１００Ｂが感度を示す波長範囲は、例えば９４０ｎｍ付近を中心として図２０に示す波長帯よりも広くてもよく、あるいは、狭くてもよい。
光電変換層１０または光電変換層１０Ｂが特異な吸収ピークを示す第１波長λ１として１３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の波長範囲を選択してもよい。図２１は、太陽光に関するスペクトルと、ロングパスフィルタ６０に関する透過スペクトルの例とをあわせて示す。図２１に示すように、太陽光のスペクトルにおいて、１３５０ｎｍから１４００ｎｍ付近の波長域では、９４０ｎｍ付近の波長よりも大気中の吸収が大きくなるために放射量が特に小さいことがわかる。したがって、第１波長λ１として９４０ｎｍ付近の波長を採用することにより、環境光によるノイズがより低減された撮像を実行し得る。
ただし、１３５０ｎｍから１４００ｎｍ付近の波長域では、９４０ｎｍ付近の波長と比較して、大気中の吸収による照明光Ｌ１および反射光Ｌ２の減衰も大きくなり得る。必要に応じて、光センサ１００または光センサ１００Ｂが感度を示す波長範囲の下限を１３５０ｎｍよりも短波長側に拡大したり、光センサ１００または光センサ１００Ｂが感度を示す波長範囲の上限を１４００ｎｍよりも長波長側に拡大したりすることによって、環境光によるノイズを低減しながらも第１波長λ１の光の減衰が抑制された撮影を実現してもよい。
図２１の２段目は、ロングパスフィルタ６０に関する理想的な透過スペクトルを模式的に示している。図２１の２段目に示す理想的な例では、透過率がカットオン波長λｃにおいてステップ状に立ち上がっている。ただし、現実には、図２１の３段目および４段目に示すように、ロングパスフィルタにおける透過率のグラフは、透過率の値が０付近から平均透過率に変化するまでの間に有限の遷移範囲Ｔｒを有する。ロングパスフィルタ６０の透過スペクトルは、図２１の３段目に示すように、狭帯域撮像の狙いの波長域の下限よりも長波長側に遷移範囲Ｔｒが位置してもよい。ただし、太陽光のスペクトルから欠落した波長範囲をより有効に利用する観点からは、狭帯域撮像の狙いの波長域の下限よりも短波長側に遷移範囲Ｔｒが位置する方が有利である。
この場合、１３５０ｎｍよりも短波長側において光センサが感度を示し得ることになるが、太陽光スペクトルに注目すると、太陽光に関する放射量は、１３５０ｎｍ付近に向かって右肩下がりの変化を示す。そのため、図２１の４段目の例のように、１３５０ｎｍよりも短波長側にロングパスフィルタ６０の透過スペクトルの立ち上がりが位置したとしても、太陽光の放射量の右肩下がりの波長依存性と、ロングパスフィルタ６０の透過率の右肩上がりの波長依存性とが相殺することになる結果、１３５０ｎｍよりも短波長側における光センサの実効的な感度を低く抑えることができる。結果として、太陽光のスペクトルから欠落した波長範囲をより広く有効に利用することが可能である。
このように、狭帯域撮像における狙いの波長範囲を例えば１３００から１５００ｎｍの範囲内とすることによっても、太陽光などによるノイズの影響が低減された撮像を実現し得る。上記の波長は、あくまでも一例であり、第１波長λ１として、８５０ｎｍ、１９００ｎｍ、２７００ｎｍまたはより長い波長を採用してもよい。特に、例えば分光感度曲線における上述の第１ピークＰｋ１の半値全幅を２００ｎｍ以下としたり、第１ピークＰｋ１の、第１波長λ１における分光感度の１０％となる位置での幅を２００ｎｍ以下としたりすることにより、太陽光スペクトルから欠落した所望の波長を利用した狭帯域撮像を有利に実現し得る。
太陽光スペクトルから欠落した波長を利用した狭帯域撮像は、ＴｏＦ（Time of Flight）による測距、構造化照明測距などにも有利に適用できる。ここで、構造化照明測距とは、空間的に変調された既知のパターンの光を用いた三角測量原理に基づく測距方式であり、三次元形状計測などへの応用がある。構造化照明測距に適用される手法として例えば光切断法がある。光センサ１００Ａまたは光センサ１００Ｂと、光センサ１００Ａまたは光センサ１００Ｂに同期したアクティブな光源２４０とを利用した撮像は、光源２４０から出射され、被写体３００から反射された光に基づく測定を行うこのような撮像をも広く含む。
本開示の実施形態は、例えば、医療用カメラ、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラ、測距カメラ、顕微鏡カメラ、ドローンと呼ばれる無人航空機用カメラ、ロボット用カメラなどの種々のカメラおよびカメラシステムに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。
１０、１０Ｂ 光電変換層
１０Ｌ 光電変換部
１１ 画素電極
１２ 対向電極
３０ 半導体基板
３０Ｌ 検出回路
３２ 信号検出トランジスタ
３４ アドレストランジスタ
３６ リセットトランジスタ
３７ 垂直走査回路
４０ 電源線
４２ 垂直信号線
５０ 絶縁層
５２ 導電構造
６０ ロングパスフィルタ
６２ ショートパスフィルタ
７０ 電圧供給回路
７２ リセット電圧供給回路
１００、１００Ａ、１００Ｂ 光センサ
１００Ｌ 撮像部
２００Ａ、２００Ｂ カメラシステム
２２０ 信号処理回路
２３０ システムコントローラ
２４０ 光源
３００ 被写体
Ｐｘ、Ｐｘ１、Ｐｘ２ 画素

Claims (15)

  1. 光電変換層と、
    前記光電変換層の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタと、
    を備え、
    前記光電変換層は、前記ロングパスフィルタの前記カットオン波長よりも長い第１波長に第１ピークを示す分光感度特性を有し、
    前記カットオン波長における前記光電変換層の分光感度は、前記第１波長における前記光電変換層の分光感度の０％以上５０％以下である、光センサ。
  2. 前記カットオン波長における前記光電変換層の分光感度は、前記第１波長における前記光電変換層の分光感度の０％以上３０％以下である、
    請求項１に記載の光センサ。
  3. 前記カットオン波長における前記光電変換層の分光感度は、前記第１波長における前記光電変換層の分光感度の０％以上１０％以下である、
    請求項２に記載の光センサ。
  4. 前記第１ピークの半値全幅は、２００ｎｍ以下である、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の光センサ。
  5. 前記光電変換層に関する分光感度曲線において、前記第１ピークの、前記第１波長における分光感度の１０％となる位置での幅は、２００ｎｍ以下である、
    請求項４に記載の光センサ。
  6. 前記光電変換層は、前記第１ピークを含む複数のピークを示す分光感度特性を有し、
    前記第１ピークは、前記複数のピークのうち最も長波長側に位置する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の光センサ。
  7. 前記複数のピークは、第２波長に位置する第２ピークを含み、
    前記第２波長は、前記ロングパスフィルタの前記カットオン波長よりも短く、
    前記第２ピークは、前記複数のピークのうち長波長側から２番目のピークである、
    請求項６に記載の光センサ。
  8. 前記第１波長と前記カットオン波長との差は、前記カットオン波長と前記第２波長との差よりも小さい、
    請求項７に記載の光センサ。
  9. 前記光電変換層は、カーボンナノチューブを含有する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の光センサ。
  10. 前記光電変換層は、量子ドットを含有する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の光センサ。
  11. 前記第１波長は、１３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の光センサ。
  12. 前記ロングパスフィルタは、吸収型の光学フィルタである、
    請求項１から１１のいずれか一項に記載の光センサ。
  13. 被写体に光を照射する光源と、
    前記被写体からの光を検出する光センサと、
    を備え、
    前記光センサは、
    光電変換層と、
    前記光電変換層の上方に配置され、入射した光のうちカットオン波長以上の波長を有する成分を選択的に透過させるロングパスフィルタと
    を含み、
    前記光電変換層は、前記ロングパスフィルタの前記カットオン波長よりも長い第１波長に第１ピークを示す分光感度特性を有し、
    前記カットオン波長における前記光電変換層の分光感度は、前記第１波長における前記光電変換層の分光感度の０％以上５０％以下であり、
    前記光源は、前記第１波長の光を出射する、光検出システム。
  14. 前記第１ピークの半値全幅は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、
    請求項１３に記載の光検出システム。
  15. 前記光源が出射する光の発光ピークの半値全幅は、前記第１ピークの半値全幅よりも大きい、
    請求項１３または１４に記載の光検出システム。
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