KR20110070788A - 고체 촬상 장치, 그 제조 방법 및 촬상 장치 - Google Patents

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KR20110070788A
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Abstract

본 발명의 고체 촬상 장치는, 실리콘 기판과, 실리콘 기판상에 배치되고, 상기 실리콘 기판에 격자정합되고, 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 포함한다.

Description

고체 촬상 장치, 그 제조 방법 및 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND IMAGING APPARATUS}
본 발명은 고체 촬상 장치, 그 제조 방법, 및 촬상 장치에 관한 것이다.
다화소화에 수반하여, 화소 사이즈를 작게 하는 개발이 진행되고 있다. 또한 한편으로는 고속 촬상하여 동화 특성을 좋게 하는 개발도 동시에 진행되고 있다. 이와 같이 화소가 작아지거나, 고속으로 촬상하거나 하면, 하나의 화소에 입사하는 광자수가 감소하여 감도가 저하된다.
또한 감시용 카메라용에서는 어두운 장소에서 촬영할 수 있는 카메라가 요망되고 있다. 즉 고감도 센서를 필요로 하고 있다.
또한, 통상의 베이어(Bayer) 배열의 이미지 센서라면, 색마다 화소가 나누어져 있기 때문에, 디모자이크 처리(주위의 화소의 색으로부터, 그 화소의 색을 만들어 내는 연산 처리)가 필요하게 된다. 이 때문에 위색(color artifacts)이 나오는 단점이 있다.
이와 같은 상황에서, 광흡수 계수가 높은 광전변환층으로서 CuInGaSe2막을 이미지 센서에 응용하고, 고감도화를 달성하고 있다는 보고가 있다(예를 들면, 일본국 특개 2007-123720호 공보, 및 2008년 춘계 응용물리학회 학술강연회 예강집 29p-ZC-12(2008년) 참조).
그러나, 이 광전변환층은 기본적으로 전극상에서 결정 성장하고 있기 때문에 다결정으로 되어 있다. 그 때문에, 결정 결함에 의한 암전류(dark current)의 발생이 현저해진다. 또한, 이 상태에서는 분광이 되지 않는다.
한편, 디모자이크 처리가 없고, 위색이 없는 방법으로서, 파장에 의한 실리콘의 흡수 계수의 차이를 이용하여 분광하는 방법이 제안되어 있다(예를 들면,미국특허 제5,965,875호 참조).
이 방법은 혼색(color mixing) 정도가 높고 색재현성이 불량하다. 즉, 파장에 의한 흡수 계수의 차이를 이용한 미국 특허 제5,965,875호에 기재된 기구에서는 이론상 검지할 수 있는 광량은 저하되지 않는다. 그러나, 청색광을 검지하는 층에서는 적색광이나 녹색광이 통과할 때에 어느 정도의 적색광이나 녹색광이 흡수되기 때문에, 그들의 광이 청색광으로서 검지되게 된다. 이 때문에, 청색의 신호가 본래 없는 경우에도, 녹색이나 적색의 신호가 들어감으로써 청색에도 신호가 들어가고, 위신호(aliasing)가 생기게 된다. 따라서, 충분한 색재현성을 얻는 것이 곤란하다.
위신호가 생기는 것을 피하기 위해서는 3원색 전체를 사용하는 계산에 의한 신호 처리를 행하여 보정할 필요가 있기 때문에, 그 계산에 필요한 회로가 별도로 필요해진다. 이 때문에, 그 회로분만큼 회로 구성이 복잡하면서 규모가 커지고, 또한 비용이 높아진다. 또한, 예를 들면 3원색 중 어느 1색이 포화되면, 그 포화된 광의 본래의 값을 알 수가 없기 때문에 계산에 이상이 생기고, 결과로서 본래의 색과는 다르게 신호를 처리하게 된다. 또한, 플러그를 사용한 신호 판독이기 때문에, 플러그 영역이 별도로 필요해지기 때문에, 포토 다이오드 영역이 줄어들어 화소의 미세화에는 맞지 않는다.
그런데, 도 46에 도시하는 바와 같이, 대부분의 반도체는 적외광에 대해 흡수 감도를 갖는다. 따라서 예를 들면 실리콘(Si) 반도체가 이용된 고체 촬상 장치(이미지 센서)에서는 통상, 감색(subtractive color) 필터의 한 예로서 적외선 컷트 필터를 센서 앞에 넣을 필요가 있다. 이와 같은 파장에 의한 흡수 계수의 차이를 이용한 구조가 갖는 문제를 해결하려고 하는 센서가 제안되어 있다. 이 센서는 감색 필터를 사용하지 않고 밴드갭을 이용함으로써, 광량 변환 효율 및 색의 분별이 좋고. 또한 하나의 센서로 3원색의 각각의 광을 검지할 수 있다는 것이다(예를 들면, 일본국 특개평1-151262호 공보, 일본국 특개평3-289523호 공보, 일본국 특개평6-209107호 공보 참조). 상기 문헌들에 개시되어 있는 이미지 센서는 밴드갭을 깊이 방향으로 변화시킨 구조를 갖는 것으로 되어 있다.
일본국 특개평1-151262호 공보에 기재된 발명에서는 유리 기판상에 밴드갭(Eg)이 다른 재료를 순차적으로 반도체층의 깊이 방향으로 적층시킴으로써 색분별(color separation) 시킨다. 그러나, 예를 들면, 청(B), 녹(G), 적(R)의 색분별에서는 Eg(B)>Eg(G)>Eg(R)가 되도록 적층하는 것이 진술되어 있는데 지나지 않고, 구체적인 재료에 관한 기재는 없다.
이에 대해, 일본국 특개평3-289523호 공보에는 SiC 재료를 이용한 색분별에 대해 기재되어 있고, 또한 일본국 특개평6-209107호 공보에는 AlGaInAs나 AlGaAs 재료에 관한 기재가 있다.
그러나, 일본국 특개평3-289523호 공보 및 일본국 특개평6-209107호 공보에서는 다른 재료의 헤테로 접합에서의 결정성(crystallinity)에 관한 기재가 없다.
다른 결정 구조의 재료를 접합시킨 경우에는 격자정수의 차이에 의해 미스피트 전위(misfit dislocation)가 발생하여 결정성이 악화된다. 그 결과, 밴드갭 중에 형성된 결함 준위에 트랩 된 전자가 토출됨으로써 암(dark)전류의 발생을 초래하게 된다.
이것을 개량하는 방법으로서, 실리콘(Si) 기판상의 밴드갭 제어에 의한 분광이 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개2006-245088호 공보 참조). 이 경우에, 격자정합계가 아닌(lattice-mismatched) SiCGe계 혼정(mixed crystal)이나 Si/SiC의 초격자(superstructure)를 Si 기판상에 제작한다. 실리콘(Si)의 흡수 계수가 낮기 때문에 분광을 위해서는 두꺼운 막이 필요하다. 그러므로, 결정 결함이 들어가기 쉬워지기 때문에, 암전류가 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 또한, 갈륨비소(GaAs) 기판을 사용한 것도 제안되어 있지만, GaAs 기판은 비용이 높고, 일반적인 이미지 센서로서 친화성이 실리콘(Si) 기판보다 뒤떨어진다.
또한, 감도를 높게 하는 시도로서, 애벌런쉬 증배(avalanche multiplication)에 의한 신호 증폭을 하나 들 수 있다. 예를 들면 높은 전압을 인가하여 광전자를 증배하는 시도가 있다(예를 들면, IEEE Transactions Electron Devices Vol. 44, No. 10 October 1997(1997년) 참조). 여기서는 광전자를 증배하기 위해 40V라는 높은 전압을 인가하기 때문에, 크로스토크(crosstalk) 등의 문제로 화소의 미세화가 곤란해진다. 이 센서의 화소 사이즈는 11.5㎛×13.5㎛이다.
또한, 다른 애벌런쉬 증배형 이미지 센서(예를 들면, IEEE J. Solid-State Circuits, 40, 1847, (2005년) 참조)에서는 증배를 위해 25.5V의 전압의 인가가 필요하고, 또한 크로스토크를 피하기 위해, 폭이 넓은 가드 링(guard-ring)층 등을 필요로 하고, 화소 사이즈를 58㎛×58㎛ 만큼 크게 할 필요가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 문제점은 다화소화 만큼 화소 크기를 작게 하고, 고속 촬상을 달성하고, 암소에서 촬상할 수 있고, 하나의 화소에 입사하는 광자수의 감소에 기인한 감도 저하를 방지하는 것이다.
본 발명은 결정성이 좋고 광흡수 계수가 높은 광전변환층을 갖음으로써, 암전류의 발생을 억제하고, 감도를 높인 고체 촬상 장치를 가능하게 한다.
본 발명의 고체 촬상 장치는 실리콘 기판상에 격자정합된 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌(CuAlGaInSSe)계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌(CuAlGaInZnSSe)계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계(chalcopyrite-based) 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치에서는 실리콘 기판상에 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정 또는 CuAlGaInZnSSe계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 갖는다. 이 때문에, 암전류의 발생이 억제되고, 감도가 높아진다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은 실리콘 기판상에 격자정합된 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌(CuAlGaInSSe)계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌(CuAlGaInZnSSe)계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 형성하는 공정을 갖는다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법에서는 실리콘 기판상에 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정 또는 CuAlGaInZnSSe계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층이 형성된다. 이 때문에, 암전류의 발생이 억제되고, 감도가 높아진다.
본 발명의 촬상 장치는 입사광을 집광하는 집광 광학부와, 상기 집광 광학부에서 집광한 광을 수광하여 광전변환하는 고체 촬상 장치와, 광전변환된 신호를 처리하는 신호 처리부를 가지며, 상기 고체 촬상 장치는 실리콘 기판상에 격자정합된 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌(CuAlGaInSSe)계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌(CuAlGaInZnSSe)계 혼정의 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 갖는다.
본 발명의 촬상 장치에서는 고체 촬상 장치가, 실리콘 기판상에 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정 또는 CuAlGaInZnSSe계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 갖는다. 이 때문에, 암전류의 발생이 억제되기 때문에 백점에 의한 화질의 열화가 억제되고, 또한 고체 촬상 장치의 감도가 높아지기 때문에, 고감도의 촬상이 가능해진다.
본 발명의 고체 촬상 장치는 암전류의 발생이 억제되고, 감도가 높아지기 때문에, 화질에 우수한 고감도의 화상을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 고체 촬상 장치의 제조 방법은 암전류의 발생이 억제되고, 감도가 높아지기 때문에, 화질에 우수한 고감도의 화상을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 촬상 장치는 화질의 열화가 억제되고, 감도가 높은 촬상을 할 수 있기 때문에, 어두운 촬상 환경이라도, 예를 들면 야간 촬영 등이라도, 고화질의 촬영이 가능해진다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 1예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 2는 캘코파이라이트계 혼정을 도시한 모식적 구조도.
도 3은 캘코파이라이트계 재료의 밴드갭과 격자정수의 관계도.
도 4는 캘코파이라이트계 재료의 밴드갭과 격자정수의 관계도.
도 5는 캘코파이라이트계 재료의 광전변환층의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 6은 초격자를 이용한 캘코파이라이트계 재료의 광전변환층의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 7은 밴드갭으로부터 예측되는 흡수 계수(α)와 파장과의 관계도.
도 8은 분광감도 특성을 측정한 본 발명의 고체 촬상 장치의 한 예의 개략 구성 단면도.
도 9는 본 발명의 고체 촬상 장치의 한 예의 분광감도 특성도.
도 10은 분광감도 특성을 측정한 종래의 고체 촬상 장치의 한 예의 개략 구성 단면도.
도 11은 종래의 고체 촬상 장치의 한 예의 분광감도 특성도.
도 12는 본 발명의 제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 2예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 13은 판독 회로의 한 예를 도시한 회로도.
도 14는 제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 밴드 다이어그램.
도 15는 R신호를 판독할 때의 밴드 다이어그램.
도 16은 G신호를 판독할 때의 밴드 다이어그램.
도 17은 B신호를 판독할 때의 밴드 다이어그램.
도 18은 제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치에서의 판독용 전극을 이용한 변형례를 도시한 개략 구성 단면도.
도 19는 본 발명의 제 3 실시의 형태에서의 고체 촬상 장치의 제로 바이어스시의 밴드 다이어그램.
도 20은 본 발명의 제 3 실시의 형태에서의 고체 촬상 장치의 역바이어스시의 밴드 다이어그램.
도 21은 본 발명의 제 3 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 3예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 22는 판독 회로의 한 예를 도시한 회로도.
도 23은 본 발명의 제 3 실시의 형태에서의 고체 촬상 장치의 밴드 다이어그램.
도 24는 본 발명의 제 4 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 4예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 25는 본 발명의 제 4 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 밴드 다이어그램.
도 26은 본 발명의 제 5 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 5예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 27은 제 5 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 분광감도 특성도.
도 28은 본 발명의 제 6 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 한 예의 밴드갭과 격자정수의 관계도.
도 29는 본 발명의 제 6의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 6예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 30은 본 발명의 제 7 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 7예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 31은 판독 회로의 한 예를 도시한 회로도.
도 32는 고체 촬상 장치의 제 7예의 변형례 1을 도시한 개략 구성 단면도.
도 33은 고체 촬상 장치의 제 7예의 변형례 2를 도시한 개략 구성 단면도.
도 34는 고체 촬상 장치가 적용되는 CMOS 이미지 센서를 도시한 회로 블록도.
도 35는 고체 촬상 장치가 적용되는 CCD를 도시한 블록도.
도 36은 본 발명의 제 12 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 5예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 37은 제 12 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 밴드갭과 격자정수의 관계도.
도 38은 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 39는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 40은 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 41은 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 42는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성의 한 예를 도시한 개략 구성 단면도.
도 43은 MOCVD 장치의 한 예를 도시한 블록도.
도 44는 MBE 장치의 한 예를 도시한 개략 구성도.
도 45는 본 발명의 촬상 장치에 관한 한 실시의 형태를 도시한 블록도.
도 46은 반도체의 광흡수 스펙트럼도.
<1. 제 1의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 1예]
본 발명의 제 1 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 1예를 도 1의 개략 구성 단면도에 의거하여 설명한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘 영역으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌(이하, CuAlGaInSSe라고 기재한다)계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 상기 캘코파이라이트계 화합물 반도체로서는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌(이하, CuAlGaInZnSSe라고 기재한다)계 혼정을 이용할 수도 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)상에는 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 인듐주석옥사이드(ITO), 산화 아연, 인듐아연옥사이드 등의 투명 전극 재료로 형성되어 있다. 고체 촬상 장치(이미지 센서)(1)는 상기한 바와 같은 기본 구성을 갖는다.
상기 캘코파이라이트계의 깊이 방향으로 RGB의 분광을 하는 상기 광전변환층(13)은 상기 실리콘 기판(11)상에 격자정합하도록 형성되어 있다.
광흡수 계수가 높은 캘코파이라이트계 재료의 혼정으로 Si(100) 기판에 격자정합하여 에피택셜 성장시킴으로써, 결정성이 양호하게 되고, 결과로서 암전류가 낮은 고감도의 고체 촬상 장치(1)가 제공된다.
캘코파이라이트 구조를 도 2에 도시한다. 도 2에서는 한 예로서, 캘코파이라이트 재료의 하나인 CuInSe2의 예를 나타낸다.
도 2에 도시하는 바와 같이, CuInSe2은 실리콘(Si)과 같게 다이아몬드 구조가 기본형으로 되어 있다. 따라서, 실리콘 원자의 일부가 구리(Cu)나 인듐(In)이나 갈륨(Ga) 등등으로 치환됨으로써, 캘코파이라이트 구조를 형성하여 있다. 따라서 실리콘 기판상에의 에피택셜 성장은 기본적으로 가능해진다. 에피택셜 성장법으로는 예를 들면, 분자선 에피택시법(MBE : Molecular Beam Epitaxy), 유기 금속 기상 성장 법(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 액상 에피택시법(LPE:Liquid Phase Epitaxy) 등이 있다. 즉, 에피택셜 성장하는 방법이라면 기본적으로 어떠한 성막 방법이라도 좋다.
캘코파이라이트계 재료의 밴드갭과 격자정수(lattice constant)를 도 3에 도시한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 실리콘(Si)의 격자정수(a)는 a=5.431(도면중, 1점 쇄선으로 도시한다)이다. 이 격자정수치에 격자정합시켜서 형성하는 것이 가능한 혼정으로서, CuAlGaInSSe계 혼정이 있고, CuAlGaInSSe계 혼정으로 하면 실리콘(100) 기판상에 에피택셜 성장이 가능해진다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 격자정수 a=5.431(도면 , 1점 쇄선으로 도시)의 조건으로, 조성을 바꾸어서 밴드갭을 제어하는 것이 가능해지기 때문에, RGB분광시키는 막을 성장시키는 것도 가능해진다. 이하, R은 적색, G는 녹색, B는 청색으로 하여 설명한다. 예를 들면, R분광용 광전변환 재료로서 CuGa0.52In0.48S2를 이용한다. G분광용 광전변환 재료로서 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2를 이용한다. 또한 B분광용 광전변환 재료로서, CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72를 이용한다. 이 경우, 각각의 밴드갭이 2.00eV, 2.20eV, 2.51eV가 된다. 이 때 도 5에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)상에 R분광용 광전변환 재료, G분광용 광전변환 재료, B분광용 광전변환 재료의 순으로 적층함으로써, 깊이 방향으로 분광하는 것이 가능해진다.
이와 같이 깊이 방향의 분광이 가능한 밴드갭 영역으로서는 RGB의 광자 에너지를 고려한다면 이하와 같이 된다. 즉, 도 1에 도시한 상기 광전변환층(13)은 적색광을 분광하는 제 1 광전변환 서브층(21)과, 녹색광을 분광하는 제 2 광전변환 서브층(22)과, 청색광을 분광하는 제 3 광전변환 서브층(23)으로 형성되어 있다. 상기 제 1 광전변환 서브층(21)은 밴드갭이 2.00eV±0.1eV(파장 590㎚ 내지 650㎚)의 범위에 있으면 좋다. 상기 제 2 광전변환 서브층(22)은 밴드갭이 2.20eV±0.15eV(파장 530㎚ 내지 605㎚)의 범위에 있으면 좋다. 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 밴드갭이 2.51eV±0.2eV(파장 460㎚ 내지 535㎚))의 범위에 있으면 좋다.
이 때의 조성으로서는 상기 제 1 광전변환 서브층(21)은 CuAlxGayInzS2이고, 또한 0≤x≤0.12, 0.38≤y≤0.52, 0.48≤z≤0.50이면서 x+y+z=1이다. 상기 제 2 광전변환 서브층(22)은 CuAlxGayInzS2이고, 또한 0.06≤x≤0.41, 0.01≤y≤0.45, 0.49≤z≤0.58이면서 x+y+z=1이다. 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 CuAlxGaySuSev이고, 또한 0.31≤x≤0.52, 0.48≤y≤0.69, 1.33≤u≤1.38, 0.62≤v≤0.67, 또한 x+y+u+v=3(또는 x+y=1 및 u+v=2)이다. 도 1에서는 각각의 한 예를 나타내고 있다.
[고체 촬상 장치의 변형례(초격자의 적용)]
그런데, 에피택셜 성장 장치의 제약이나 에피택셜 성장 조건에 따라서는 캘코파이라이트계의 RGB용 광전변환층의 각 층의 일부, 또는 모든층이 고용(solid solution) 상태에서 결정 성장할 수가 없는 경우가 있다.
그 경우에는 도 6에 도시하는 바와 같이, 임계 막두께 이내의 초격자를 이용하여 성장시키는 것도 가능하다. 예를 들면 CuGaXIn1-XS2의 성장에서는 실리콘 기판(11)상에, 성장 가능한 CuGaS2층(32)과 CuInS2층(31)을 임계 막두께 이내로 교대로 성장시킨다.
이 때, 각 층의 두께를 제어함으로써, 전체의 조성비가 희망하는 조성비가 되도록 설계할 수 있고, 의사적인 혼정을 형성할 수 있다. 여기서, 초격자의 각층을 임계 막두께(hc) 이내에 설정하는 이유는 임계 막두께(hc)를 초과하여 성막하면, 미스피트 전위의 결함이 들어가서 결정성을 손상시키기 때문에, 이것을 피하기 위해서다. 임계 막두께의 정의로서는 도면 중의 Matthews와 Blakeslee의 식으로 규정된다.
또한, 와이드 밴드갭 재료를 광전변환층으로서 이용한 경우, 열에 의한 캐리어의 발생이 억제됨으로써, 열 잡음이 작아지고, 결과로서 양호한 화상을 제공할 수 있다.
그런데, 결정 성장 방법이지만, 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료로 덮고, 일부 실리콘 기판이 노출하고 있는 곳에, 선택적으로 상기 광전변환층(13)을 성장시켜도 좋다. 또한 그 후, 산화 실리콘이나 질화 실리콘 등의 재료 표면에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 모든면에 광전변환층(13)을 성장시켜도 좋다.
이 때, RGB분광도 양호하고, 또한 혼색이 작아진다. 이들 재료의 밴드갭으로부터 예측되는 흡수 계수(α)의 파장 의존성을 도 7에 도시한다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 밴드갭보다 저에너지측의 광자 에너지에서는 흡수 계수(α)가 가파르게 작아지고 있음을 알 수 있다.
[특성 비교]
다음에, 본 발명의 고체 촬상 장치의 한 예의 분광감도 특성을 나타낸다. 그 분광감도 특성은 한 예로서, 도 8에 도시하는 깊이 방향으로 분광하는 구성의 것을 이용하였다. 즉, 상기 광전변환층(13)의 제 1 광전변환 서브층(21)에서는 두께가 0.8㎛의 CuGa0.52In0.48S2막을 이용하였다. 또한 제 2 광전변환 서브층(22)에서는 두께가 0.7㎛의 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막을 이용하였다. 또한 제 3 광전변환 서브층(23)에서는 두께가 0.3㎛의 CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72를 이용하였다.
상기 구성의 광전변환층(13)의 분광감도 특성은 도 9에 도시하는 바와 같이, R광, G광, B광의 각 색의 분리가 좋고, 혼색이 작은 것을 알 수 있다.
한편, 전술한 미국 특허 제5,965,875호에 기재된 깊이 방향으로 분광하는 구성에서는 예를 들면, 도 10에 도시하는 바와 같이, R분광용 광전변환층(121)은 Si층이 2.6㎛의 두께로 형성되어 있다. G분광용 광전변환층(122)은 Si층이 1.7㎛의 두께로 형성되어 있다. B분광용 광전변환층(123)은 Si층이 0.6㎛의 두께로 형성되어 있다. 즉, 광전변환층(113)의 막 두께는 4.9㎛로 되어 있다.
이 광전변환층(113)의 분광감도 특성은 도 11에 도시하는 바와 같이, R광, G광, B광의 각 색의 분리가 나쁘고, 혼색이 큰 분광감도 특성으로 되어 있다.
상기 고체 촬상 장치(1)라면, 온 칩 컬러 필터(OCCF)를 이용하지 않아도 색분리가 양호한 분광이 행할 수 있는데다가, 온 칩 컬러 필터(OCCF)와 같이 광을 컷트하지 않기 때문에, 광의 이용 효율이 높고, 감도도 높은 것이 된다.
또한 1화소로 RGB의 3색의 정보를 얻을 수 있기 때문에, 디모자이크 처리가 불필요하게 되고, 위색의 발생이 원리적으로 없고, 고해상도가 된다.
또한 동시에 로우패스 필터가 불필요하게 되어, 비용적인 메리트도 있다.
또한 실리콘(Si) 기판에 격자정합하고 있기 때문에, 두껍게 결정 성장시켜도 결정 결함이 들어가지 않는다. 따라서 암전류가 작다.
그런데, 전술한 일본국 특개2006-245088호 공보의 발명은 SiCGe계 혼정이나 Si/SiC의 초격자를 실리콘(Si) 기판상에 제작하는 것이다. 이 구성에서는 실리콘(Si)의 흡수 계수가 낮기 때문에, 분광하는데는 두껍게 형성할 필요가 있고, 그 때문에, 결정 결함이 들어가기 쉽다. 또한 GaAs 기판상의 결정 성장에도 언급하고 있지만, GaAs의 경우, Ga 원소가 자원으로서 적고, 기판 비용이 높다. 또한, 기판에 독성이 있기 때문에 환경에 악영향을 미친다.
<2. 제 2의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 2예]
다음에, 본 발명의 제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 2예를 도 12의 개략 구성 단면도, 도 13의 신호 판독의 회로도, 도 14의 제로 바이어스 상태에서의 밴드 다이어그램에 의해 설명한다. 여기서는 신호 판독과 애벌런쉬 증배의 저전압 구동을 동시에 일으키는 구조에 관해 설명한다.
도 12 및 도 13에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 p형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상에, i-CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 차례로 적층, 형성되어 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)상에는 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 인듐주석옥사이드(ITO), 산화 아연, 인듐아연옥사이드 등의 투명 전극 재료로 형성되어 있다.
단, 상기 광전변환층(13)은 전체로 p-i-n 구조로 되어 있다.
또한, 상기 제 1 전극층(12)에는 판독용 전극(15)이 형성되고, 또한 상기 실리콘 기판(11)에는 게이트 MOS(41)를 통하여 화살표 방향으로 판독하는 판독 회로(51)가 형성되어 있다. 게이트 MOS(41)는 게이트 절연막상에 게이트 전극이 형성된 구조이고, 이하에 기재한 게이트 MOS도 같은 구조이다.
상기 판독 회로(51)는 광전변환부(13)에 접속된 플로팅 디퓨전부(FD)에 리셋 트랜지스터(M1)의 확산층, 증폭 트랜지스터(M2)의 게이트 전극이 접속되어 있다. 또한 증폭 트랜지스터(M2)의 확산층을 공통으로 하는 선택 트랜지스터(M3)가 접속되어 있다. 이 선택 트랜지스터(M3)의 확산층에는 출력 라인이 접속되어 있다.
고체 촬상 장치(이미지 센서)(2)는 상기한 바와 같은 구성을 갖는다.
다음에, 도 14의 밴드 다이어그램에 도시하는 바와 같이, 상기 광전변환층(13)이 p-i-n 구조로 되어 있기 때문에, 내부 전계에 의해 밴드가 경사하고 있다. 이 경사 때문에, 광조사로 생성된 전자-정공쌍이, 전자와 정공으로 공간적으로 분리되게 된다.
또한, 각각 각 3층의 계면 부근의 와이드 갭측에 연속적인 조성 제어에 의한 스파이크형상의 장벽이 BB≥BG≥BR>kT(=26meV)의 조건으로 형성됨으로써, 광전자가 가두어져서 RGB 각각으로 축적이 가능해진다(광전자 축적). 여기서, k는 볼쯔만 정수이고, kT는 실온의 열에너지에 대응하다.
또한, 가령 상기 장벽이 없다면, 밴드갭이 높은 층부터 낮은 층으로 캐리어가 자연적으로 이동하기 때문에, RGB 각각의 축적은 불가능하게 된다.
이와 같은 고체 촬상 장치(2)에서는 도 15에 도시하는 바와 같이, 역바이어스(VR)를 인가함으로써, 우선 R신호만 판독할 수 있다. G신호나 B신호에 관해서는 스파이크형상의 장벽에 의해, 갇히여 있다.
이 때, 제 1 전극층(12)의 n형 실리콘층과 제 1 광전변환 서브층(21)의 i-CuGa0.52In0.48S2 막 사이에는 전도대의 에너지 단차(discontinuity)가 원래 있다. 이 때문에, 낮은 전압 인가라도, 충돌에 의해 격자에 큰 운동 에너지를 줌으로써, 이온화에 의한 새로운 전자-정공쌍을 생성하고, 애벌런쉬 증배가 생기다.
또한, 신호 판독에는 일단, 제 1 전극층(12)의 n형 실리콘층에 전하를 축적한 상태로 한 다음, 게이트 MOS(41)를 이용하여, 판독 회로(51)측에서 신호를 판독한다. 또한, 도 16, 도 17에 도시하는 바와 같이, VG, VB의 순으로 전압을 순차적으로 인가함으로써, G신호와 B신호를 판독하는 것이 가능해지다(단지 VB>VG>VR). 이 경우도 제 1 전극층(12)의 n형 실리콘층과 제 1 광전변환 서브층(21)의 i-CuGa0.52In0.48S2막 사이의 전도대의 에너지 단차뿐만 아니라, 각 캘코파이라이트계 재료의 전도대의 에너지 단차의 효과로도, 애벌런쉬 증배가 마찬가지로 생긴다.
이와 같은 판독 방법에서는 상기 미국특허 제5,965,875호와 같은 플러그 구조가 불필요하기 때문에, 포토 다이오드 면적을 크게 취할 수 있다. 그 결과, 감도가 향상할 뿐만 아니라, 프로세스가 간편하게 되기 때문에, 비용이 낮게 억제된다.
그런데, 상술한 바와 같이 신호의 판독에 게이트 MOS를 사용한 판독 방법을 기술하였지만, 도 18에 도시하는 바와 같이, 직접, 제 1 전극층(12)의 n형 실리콘층에 판독용 전극(15)을 형성하고, 판독하여도 좋다.
이상과 같이, 상기 고체 촬상 장치(2)와 같이, 조성을 바꾸어서 밴드갭을 제어함으로써, RGB 깊이 방향의 분광과, 광전자 축적과, 3단계 전압 인가에 의한 신호 판독과, 애벌런쉬 증배의 저전압화가 동시에 가능해진다.
<3. 제 3의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 3예]
상기에서는 깊이 방향으로 분광하는 구조와, 애벌런쉬 증배를 동시에 일으키는 구조에 관해 기술하였다. 다음에, 본 발명의 제 3 실시의 형태로서, 단순하게 애벌런쉬 증배만의 구조도 가능하기 때문에, 그 한 예를 도 19의 제로 바이어스시의 밴드 다이어그램 및 도 20의 역바이어스시의 밴드 다이어그램에 의해 설명한다.
도 19 및 도 20에 도시하는 바와 같이, 밴드갭을 연속적으로, 또는 단계적으로 변화시킴으로써, 큰 단차를 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 도 14 내지 도 17에 도시한 경우에 비하여, 전도대의 에너지 단차가 더욱 커지기 때문에, 낮은 구동 전압으로, 보다 큰 애벌런쉬 증배가 가능하게 된다. 이 경우, 표면측에 온 칩 컬러 필터(OCCF) 등의 컬러 필터를 붙여서, 색분리를 행하여도 좋다.
또한, 신호의 판독 방법으로서는 상기 설명한 바와 같이 깊이 방향으로 전압을 인가하는 것만이 아니다. 예를 들면, 광전변환부를 p-i-n 구조 또는 pn 구조로 하여, 전압을 인가함으로써 신호를 판독하는 것이 가능하다. 이 한 예를 도 21 및 도 22에 의해 설명한다.
도 21에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 p형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상부터, CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다. 또한 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22) 및 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 각각 중앙부가 i층으로 형성되고, 그 일방측이 p층, 타방측이 n층으로 형성되어 있다. 따라서, p-i-n 구조로 되어 있다.
또는 도시는 하고 있지 않지만, 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22) 및 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 각각의 일방측이 p층, 타방측이 n층으로 형성되어 있다. 따라서, pn 구조로 되어 있다.
또한, 상기 광전변환층(13)의 제 2 광전변환 서브층(22)의 p층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 p층상에는 p형 전극(제 2 전극층)층(14p)이 형성되어 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)의 제 2 광전변환 서브층(22)의 n층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 n층상에는 n형 전극(제 2 전극층)층(14n)가 형성되어 있다. 상기 p형 전극층(14p)은 필요없는 경우도 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)에는 게이트 MOS(41)를 통하여 화살표 방향으로 판독하는 판독 회로(51)가 형성되어 있다.
도 22에 도시하는 바와 같이, 상기 판독 회로(51)는 광전변환부(13)에 접속된 플로팅 디퓨전부(FD)에 리셋 트랜지스터(M1)의 확산층, 증폭 트랜지스터(M2)의 게이트 전극이 접속되어 있다. 또한 증폭 트랜지스터(M2)의 확산층을 공통으로 하는 선택 트랜지스터(M3)가 접속되어 있다. 이 선택 트랜지스터(M3)의 확산층에는 출력 라인이 접속되어 있다.
고체 촬상 장치(이미지 센서)(3)는 상기한 바와 같은 구성을 갖는다.
상기한 바와 같이, 광전변환부(13)를 p-i-n 구조 또는 pn 구조로 하여도, 전압을 인가함으로써 신호를 판독하는 것이 가능하다. 또한, 반드시 역바이어스를 인가하지 않아도 신호를 판독하는 것은 가능해진다.
상기 도 21에 도시한 고체 촬상 장치(3)에서는 도 23에 도시한 밴드 다이어그램이 되어 있다. 즉, 제 2 광전변환 서브층(22)/제 3 광전변환 서브층(23)의 계면 부근의 와이드 갭측에 조성 제어에 의한 장벽이 B>kT(=26meV)의 조건으로 형성됨으로써, B의 광전자가 가두어져서 B의 광전자의 축적이 가능해진다. 마찬가지로, 제 1 광전변환 서브층(21)/제 2 광전변환 서브층(22)의 계면 부근의 각각의 와이드 갭측에 조성 제어에 의한 장벽이 B>kT(=26meV)의 조건으로 형성됨으로써, G의 광전자가 가두어져서 G의 광전자의 축적이 가능해진다. R에 관해서는 n형 실리콘층의 제 1 전극층(12)측으로 전자가 이동하고, 그것을 게이트 MOS(41)에서 판독하고 있다.
<4. 제 4의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 4예]
또한, 상기 고체 촬상 장치(3)를 이하와 같은 구성으로 하는 것도 가능하다. 그 구성을, 본 발명의 제 4 실시의 형태로서, 이하에 설명한다.
도 24에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 p형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 상기 실리콘 기판(11)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상부터, CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다. 또한 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22) 및 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 각각의 중앙부가 i층으로 형성되고, 그 일방측이 p층, 타방측이 n층으로 형성되어 있다. 따라서, p-i-n 구조로 되어 있다.
또한, 도시는 하고 있지 않지만, 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22) 및 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 각각의 일방측이 p층, 타방측이 n층으로 형성되어 있다. 따라서, pn 구조로 되어 있다.
또한, 상기 광전변환층(13)의 제 1 광전변환 서브층(21)의 p층상 및 제 2 광전변환 서브층(22)의 p층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 p층상에는 각각, p형 전극(제 2 전극층)층(14p)이 형성되어 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)의 제 1 광전변환 서브층(21)의 n층상 및 제 2 광전변환 서브층(22)의 n층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 n층상에는 각각, n형 전극(제 2 전극층)층(14n)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극층(14p)은 필요없는 경우도 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)에는 상기 제 1 광전변환 서브층(21)의 예를 들면 일방측에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 제 1 광전변환 서브층(21)상에 형성된 n형 전극층(14n)가 상기 제 1 전극층(12)상에 형성된 전극(17)에 예를 들면 배선(18)으로 접속되어 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)에는 상기 제 1 전극층(12)에 인접하여 게이트 MOS(41)가 형성되고, 이 게이트 MOS(41)를 통하여, 상기 도 22의 회로도에서 설명한 바와 같은 판독 회로가 형성되어 있다.
고체 촬상 장치(이미지 센서)(4)는 상기한 바와 같은 구성을 갖는다.
상기 고체 촬상 장치(4)의 밴드 다이어그램을 도 25에 의해 설명한다. 도 25에 도시하는 바와 같이, 제 2 광전변환 서브층(22)/제 3 광전변환 서브층(23)의 계면 부근의 와이드 갭측에 조성 제어에 의한 장벽이 B>kT(=26meV)의 조건으로 형성됨으로써, B의 광전자가 가두어져서 B의 광전자의 축적이 가능해진다. 마찬가지로, 제 1 광전변환 서브층(21)/제 2 광전변환 서브층(22)의 계면 부근의 각각의 와이드 갭측에 조성 제어에 의한 장벽이 B>kT(=26meV)의 조건으로 형성됨으로써, G의 광전자가 가두어져서 G의 광전자의 축적이 가능해진다. 또한, 마찬가지로, 제 1 광전변환 서브층(21)/실리콘 기판(11)의 계면 부근의 각각의 와이드 갭측에 조성 제어에 의한 장벽이 B>kT(=26meV)의 조건으로 형성된다. 또한, 제 1 광전변환 서브층(21)의 위에 n전극층(14n)이 마련되어 있음으로써, 제 1 광전변환 서브층(21)중에서 축적된 전자를 직접 판독하여도 좋다.
또는 RGB 전부를 일단 실리콘 기판(11)중에 제각기 축적하고, 그것을 게이트 MOS(41)로 판독하여도 좋다. 여기서는 p형 전극층(14p)은 정공을 취출하는 것이지만, 직접 그라운드에 붙임으로써 차지 업을 피할 수 있다. 또한 p형 농도를 높게 설정함으로써, 실리콘 기판(11)측으로 정공을 놓아주는 것도 가능해진다. 이 경우, p형 전극층(14p)은 반드시는 필요 없다. 이 구조의 경우, R의 판독을 제외하고, 에너지 단차가 없기 때문에, 반드시 저전압 구동에서 애벌런쉬 증배가 일어나는 것으로 한정하지 않지만, 신호의 판독을 상술한 바와 같이 순차적이 아니라, 동시에 행할 수 있는 이점이 있다.
<5. 제 5의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 5예]
상기 설명에서는 깊이 방향으로 분광용의 제 1 광전변환 서브층 내지 제 3 광전변환 서브층을 적층시켰지만, 반드시 적층할 필요는 없다. 다음에, 제 1 광전변환 서브층 내지 제 3 광전변환 서브층을 적층시키지 않는 한 예를 본 발명의 제 5의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 5예로서, 도 26의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
도 26에 도시하는 바와 같이, 횡방향으로 R분광용의 제 1 광전변환 서브층(21), G분광용의 제 2 광전변환 서브층(22), B분광용의 제 3 광전변환 서브층(23)을 나열하여도 배치하여도 좋다.
이하, 구체적으로 설명한다. 실리콘 기판(11)은 p형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에는 RGB의 각 색을 분광하는 광전변환층이 형성되는 위치에 대응하여 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘층으로 이루어진다.
R분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 1 광전변환 서브층(21)이 형성되어 있다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 CuGa0.52In0.48S2막으로 형성되어 있다.
또한 G분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 2 광전변환 서브층(22)이 형성되어 있다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막으로 형성되어 있다.
또한 B분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 3 광전변환 서브층(23)이 형성되어 있다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 형성되어 있다.
상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22), 상기 제 3 광전변환 서브층(23)의 두께는 예를 들면 각각 0.8㎛, 0.7㎛, 0.7㎛이다.
상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22), 상기 제 3 광전변환 서브층(23)상에는 각각 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 상기 제 1 실시의 형태로 설명한 것과 같은 투명 전극으로 형성되어 있다.
따라서 실리콘 기판(11)에, 제 1 전극층(12), 제 1 광전변환 서브층(21), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 1 광전변환부(24)가 형성된다. 마찬가지로, 제 1 전극층(12), 제 2 광전변환 서브층(22), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 2 광전변환부(25)가 형성된다. 마찬가지로, 제 1 전극층(12), 제 3 광전변환 서브층(23), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 3 광전변환부(26)가 형성된다. 따라서 실리콘 기판(11)에는 횡방향으로, 제 1 내지 제 3 광전변환부(24 내지 26)가 배치된다.
상기 구성의 고체 촬상 장치(5)에서는 캘코파이라이트계 재료를 p형으로 하여, 반드시는 역바이어스를 인가하는 일 없이, 광전자가 실리콘 기판(11)(실리콘)측에 에너지차로 자연적으로 이동한다. 그 광전자를 실리콘 기판(11)에 형성한 게이트 MOS(41)로 신호를 판독하여도 좋다. 이 게이트 MOS(41)는 각 제 1 전극층(12)에 인접하여 실리콘 기판(12)에 형성되어 있다. 이와 같은 구조라면, RGB신호의 판독을 동시에 행하는 것이 가능해진다.
또한 베이어 배열(Bayer pattern)과 마찬가지로, G의 화소수를 늘려서, G해상도를 높게 하여도 좋다. 이 구조의 경우의 분광감도 특성을 도 27에 도시한다.
도 27에 도시하는 바와 같이, 단파장측이 컷트되지 않기 때문에, 예를 들면, 디모자이크 처리 후에, 다음과 같은 색 연산 처리를 행하면 좋다.
R=r-g, G=g-b, B=b
여기서, r, g, b는 로우(raw) 데이터이다.
상기 설명한 캘코파이라이트계 재료는 CuAlGaInSSe계의 혼정이다.
<6. 제 6의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 6예]
다음에, 본 발명의 제 6의 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 6예로서, 캘코파이라이트계 재료에, 예를 들면, CuGaInZnSSe계의 혼정을 이용한 경우를 설명한다. 이와 같은 CuGaInZnSSe계 혼정이라면, 상기 설명한 바와 같은 밴드갭 제어가 가능하고, 상기 각 고체 촬상 장치와 같은 효과를 인출할 수 있다.
CuGaInZnSSe계의 밴드갭과 격자정수의 관계를 도 28에 도시한다.
도 28에 도시하는 바와 같이, CuGaInZnSSe계 혼정은 실리콘(100) 기판(11)의 위에 격자정합시키면서 결정 성장이 가능한 것을 알 수 있다.
이와 같은 특징을 갖는 구성으로서는 예를 들면 도 29에 도시한 단면 구조로 함으로써, RGB분광이 가능해진다.
그 한 예로서, 도 29에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘 영역으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInZnSSe계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 상기 광전변환층(13)상에는 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 인듐주석옥사이드(ITO), 산화 아연, 인듐아연옥사이드 등의 투명 전극 재료로 형성되어 있다. 고체 촬상 장치(이미지 센서)(6)는 상기한 바와 같은 기본 구성을 갖는다.
상기 캘코파이라이트계의 깊이 방향으로 RGB의 분광을 하는 상기 광전변환층(13)은 상기 실리콘 기판(11)상에 격자정합하도록 형성되어 있다.
광흡수 계수가 높은 캘코파이라이트계 재료의 혼정으로 Si(100) 기판에 격자정합하여 에피택셜 성장시킴으로써, 결정성이 양호하게 되고, 결과로서 암전류가 낮은 고감도의 고체 촬상 장치(이미지 센서)(6)가 제공된다.
상기 광전변환층(13)은 하층부터 R분광용 광전변환 재료로 이루어지는 제 1 광전변환 서브층(21), G분광용 광전변환 재료로 이루어지는 제 2 광전변환 서브층(22), B분광용 광전변환 재료로 이루어지는 제 3 광전변환 서브층(23)의 순으로 적층되어 있다.
예를 들면, R분광용 광전변환 재료로서 CuGa0.52In0.48S2를 이용한다. G분광용 광전변환 재료로서 CuGaIn1.39Se0.6를 이용한다. 또한 B분광용 광전변환 재료로서, CuGa0.74Zn0.26S1.49Se0.51를 이용한다. 이와 같이, 실리콘 기판(11)상에 R분광용 광전변환 재료, G분광용 광전변환 재료, B분광용 광전변환 재료의 순으로 적층함으로써, 깊이 방향으로 분광하는 것이 가능해진다.
이와 같이 깊이 방향의 분광이 가능한 밴드갭 영역으로서는 RGB의 광자 에너지를 고려한다면 이하와 같이 된다. 즉, 상기 제 1 광전변환 서브층(21)은 밴드갭이 2.00eV±0.1eV(파장 590㎚ 내지 650㎚)의 범위에 있으면 좋다. 상기 제 2 광전변환 서브층(22)은 밴드갭이 2.20eV±0.15eV(파장 530㎚ 내지 605㎚)의 범위에 있으면 좋다. 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 밴드갭이 2.51eV±0.2eV(파장 460㎚ 내지 535㎚)의 범위에 있으면 좋다.
이 때의 조성 범위는 상기 제 1 광전변환 서브층(21)은 CuGayInzSuSev이고, 또한 0.52≤y≤0.76, 0.24≤z≤0.48, 1.70≤u≤2.00, 0≤u≤0.30, 또한 y+z+u+v=3이다. 또는 y+z=1 및 u+v=2이다.
상기 제 2 광전변환 서브층(22)은 CuGayInzZnwSuSev이고, 또한 0.64≤y≤0.88, 0≤z≤0.36, 0≤w≤0.12, 0.15≤u≤1.44, 0.56≤v≤1.85이면서 y+z+w+u+v=3이다. 또는 y+z+w=1 및 u+v=2이다.
상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 CuGayZnwSuSev이고, 또한 0.74≤y≤0.91, 0.09≤w≤0.26, 1.42≤u≤1.49, 0.51≤v≤0.58이면서 y+w+u+v=3이다.
상술한 CuAlGaInSSe계의 조성에, 새롭게, 이들 조성의 것으로 일부 치환하여도 좋고, 전부 치환하여도 좋다. 도 29에서는 각각의 한 예를 도시하고 있다.
<7. 제 7의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 7예]
다음에, 본 발명의 제 7 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제 7예를 도 30의 개략 구성 단면도 및 도 31의 회로도에 의해 설명한다. 도 30에서는 한 예로서, 트랜지스터나 배선 등이 형성된 표면측과는 반대의 이면측부터 광이 입사하는 이면 조사형 센서에 관해 도시한다. 이 이면 조사형 센서에 대해서도, 트랜지스터나 배선 등이 형성된 표면측부터 광이 입사한 표면 조사형 센서와 같은 효과를 얻을 수 있다.
도 30에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 p형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에는 제 1 전극층(12)이 실리콘 기판(11)의 이면측 부근까지 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 n형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상에, i-CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다.
따라서 상기 광전변환층(13)은 전체로 p-i-n 구조로 되어 있다.
상기 광전변환층(13)에는 상기 설명한 조성 범위의 것을 이용할 수 있고, 또한 상기 설명한 CuGaInZnSSe계 혼정을 이용할 수도 있다.
상기 광전변환층(13)상에는 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 인듐주석옥사이드(ITO), 산화 아연, 인듐아연옥사이드 등의 투명 전극 재료로 형성되어 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)의 표면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 하면측)에는 상기 제 1 전극층(12)이 판독용 전극(15)이 형성되고, 또한 상기 실리콘 기판(11)의 표면측에는 게이트 MOS(41)를 통하여 화살표 방향으로 판독하는 판독 회로(51)가 형성되어 있다.
도 31에 도시하는 바와 같이, 상기 판독 회로(51)는 광전변환부(13)에 접속된 플로팅 디퓨전부(FD)에 리셋 트랜지스터(M1)의 확산층, 증폭 트랜지스터(M2)의 게이트 전극이 접속되어 있다. 또한 증폭 트랜지스터(M2)의 확산층을 공통으로 하는 선택 트랜지스터(M3)가 접속되어 있다. 이 선택 트랜지스터(M3)의 확산층에는 출력 라인이 접속되어 있다.
고체 촬상 장치(이미지 센서)(7)는 상기한 바와 같은 구성을 갖는다.
상기 고체 촬상 장치(7)에서는 RGB의 깊이 방향에서의 분광과, 광전자 축적과, 3단계 전압 인가에 의한 신호 판독과, 애벌런쉬 증배의 저전압화가 동시에 가능해진다.
또한, 실리콘 기판(11)의 표면측에 판독용 전극(15), 게이트 MOS(41) 등의 전극, 트랜지스터, 배선 등이 형성된다. 그리고 실리콘 기판(11)의 이면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 윗면측)에 광전변환층(13)이 형성됨으로써, 인접하는 광전변환층(13)과의 간격을 설치하는 이외, 실리콘 기판(11)의 전면에 광전변환층(13)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 광의 개구가 넓게 되기 때문에 광의 입사량이 증대하여서, 비약적으로 감도를 향상시킬 수 있다.
[고체 촬상 장치의 제 7예의 변형례 1]
또한 도 32에 도시하는 바와 같이, 상기 도 30에 도시한 고체 촬상 장치(7)에서, 광전변환층(13)을 실리콘 기판(11)측부터, n-CuAlS1.2Se0.8 또는 i-CuAlS1.2Se0.8로부터 p-CuGa0.52In0.48S2로 조성 변화시킨 것을 이용하여도 좋다. 이 고체 촬상 장치(이미지 센서)(8)에서는 낮은 구동 전압으로, 보다 큰 애벌런쉬 증배가 가능하게 된다.
[고체 촬상 장치의 제 7예의 변형례 2]
또한, 고체 촬상 장치(이미지 센서)를 도 33에 의해 설명한다. 도 33에 도시하는 바와 같이, 상기 도 26에 도시한 고체 촬상 장치(5)에 있어서, 실리콘 기판(11)의 표면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 하면측)에 판독용 전극(15), 게이트 MOS(41) 등의 전극, 트랜지스터, 배선 등이 형성된 것이다. 즉, 상기 도 30에 도시한 고체 촬상 장치(7)에 있어서, 광전변환층(13)을 각 색의 1층만의 분광용 광전변환층을 형성한 것이다. 따라서 실리콘 기판(11)의 이면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 윗면측)에, R분광용 광전변환층의 제 1 광전변환 서브층(21), G분광용 광전변환층의 제 2 광전변환 서브층(22), B분광용 광전변환층의 제 3 광전변환 서브층(23)을 적층하지 않고, 1층마다 형성된 것이다.
상기 고체 촬상 장치(9)에서는 횡방향으로 RGB의 광전변환층을 나열한 구조로 되어 있다. 또한, 광전자의 판독 회로(도시 생략), 판독용 전극(15), 게이트 MOS(41), 배선(도시 생략) 등은 상기 실리콘 기판(11)의 표면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 하면측)에 존재하게 된다.
상기 구성에서는 인접하는 광전변환층(13)과의 간격을 마련하는 이외, 실리콘 기판(11)의 전면에 광전변환층(13)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 광의 개구가 넓게 되기 때문에 광의 입사량이 증대하여서, 적으로 감도를 향상시킬 수 있다.
<8. 제 8의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 1예]
본 발명의 제 8 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 1예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 상기 도 12에 도시한 고체 촬상 장치(2)는 도 34에 도시한 CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드에 적용할 수 있다. 또한, 상기 고체 촬상 장치(2)의 밴드 다이어그램은 상기 도 14에 도시하는 바와 같다.
상기 고체 촬상 장치(2)는 예를 들면, 실리콘 기판(11)에 통상의 CMOS 프로세스 공정으로 형성할 수 있다. 이하, 상세를 상기 도 12를 참조하여 설명한다.
상기 실리콘 기판(11)에서는 (100)실리콘 기판을 이용한다. 우선, 상기 실리콘 기판(11)에 주변의 트랜지스터나 전극 등의 회로(도시 생략)를 제작한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)에, 제 1 전극층(12)을 형성한다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면, 이온 주입에 의해, n형 실리콘층으로 형성한다. 이 이온 주입에서는 레지스트 마스크를 이용하여, 이온 주입 영역을 확정하고 있다. 이 레지스트 마스크는 이온 주입 후에 제거된다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)의 제 1 전극층(12)상에, R분광용 광전변환층인 제 1 광전변환 서브층(21)을 형성한다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, i-CuGa0.52In0.48S2 혼정의 결정 성장을 행하여 형성하였다. 단, 여기서 장벽을 BR>kT=26meV의 조건으로 실리콘 기판(11)과의 계면측에 넣는다. 예를 들면, 최초에 i-CuAl0.06Ga0.45In0.49S2의 조성으로 성장시킨 후에, Al과 In의 조성을 서서히 작게 하는 동시에 Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuGa0.52In0.48S2의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BR)는 50meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높다. 또한, 장벽의 두께를 100㎚로 하였다. R분광용의 광전변환층은 총계 0.8㎛로 하였다.
다음에, G분광용 광전변환층인 제 2 광전변환 서브층(22)을 상기 제 1 광전변환 서브층(21)상에 형성한다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.7㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)의 조성은 i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2로 하였다.
장벽은 제 1 광전변환 서브층(21)과의 계면측에 적층한다. 최초에 i-CuAl0.33Ga0.11In0.56S2로 한 후에, Al과 In의 조성을 서서히 감소시키는 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 84meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, 상기 BR보다 높다.
또한 B분광용 광전변환층인 제 3 광전변환 서브층(23)을 상기 제 2 광전변환 서브층(22)상에 형성한다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.3㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)의 조성은 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 하였다.
장벽은 제 2 광전변환 서브층(22)과의 계면측에 적층한다. 최초에 p-CuAl0.42Ga0.58S1.36Se0.64로 한 후에, Al과 S의 조성을 서서히 감소시키는 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 100meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, BG, BR보다 높다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98 내지 0.99로 하여 결정 성장함으로써 가능해진다.
단, 상술한 결정 성장에 관해, 조건에 따라서는 고용체의 성장이 곤란한 경우가 있다. 이 경우, 초격자에 의한 의사적인 혼정을 성장시켜도 좋다. 예를 들면, R분광용 광전변환층이라면, i-CuInS2의 조성과 i-CuGaS2의 조성을 교대로 임계 막두께 이내의 박막으로 적층시키고, 전체의 조성이 i-CuGa0.52In0.48S2가 되도록 적층시킨다.
예를 들면, X선 회절법 등을 이용하여 i-CuInS2층과 i-CuGaS2층을 교대로 적층시켜서, Si(100)로 격자정합시키는 성장 조건을 미리 구하고 나서, 합계 조성이 희망하는 조성이 되도록 적층시킬 수 있다.
또한 상기 결정 성장에서는 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막으로 덮고, 일부 실리콘 기판(11)이 노출하여 있는 곳에, 선택적으로 상기한 광전변환층을 성장시켰다.
또한 그 후, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막상에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 전면에 광전변환층을 성장시켰다.
또한, 제 2 전극층(14)으로서, 투명 전극 재료인 인듐주석옥사이드(ITO)를 스퍼터 증착법으로 적층하여 형성한다. 이 ITO의 위에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다. 또한, 바람직하게는 전기적으로 신호가 섞이지 않도록, 예를 들면 레지스트 마스크를 형성하여 반응성 이온 에칭(RIE) 가공 등에 의해, 화소마다 분리한다. 이 때, 투명 전극뿐만 아니라 광전변환층도 분리한다. 또한, 집광 효율을 올리기 위해, 화소마다 온 칩 렌즈(OCL)를 형성하여도 좋다.
이상과 같은 프로세스로 제작된 고체 촬상 장치(이미지 센서)(2)에서는 전압을 VR, VG, VB로 순차적으로, 역바이어스로 인가함으로써, 애벌런쉬 증배가 생김과 함께, RGB가 증폭된 각 신호를 얻을 수 있다. 단, VR>VG>VB이다. 이와 같은 방법으로 얻어진 화상은 통상의 온 칩 컬러 필터(OCCF)의 디바이스 수준의 색재현성을 나타내는데다가, 감도가 높다.
<9. 제 9의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 2예]
본 발명의 제 9 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 2예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 상기 도 21에 도시한 고체 촬상 장치(3)는 상기 도 34에 도시한 CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드에 적용할 수 있다. 또한, 상기 고체 촬상 장치(3)의 밴드 다이어그램은 상기 도 23에 도시하는 바와 같다.
상기 고체 촬상 장치(3)는 예를 들면, 실리콘 기판(11)에 통상의 CMOS 프로세스 공정으로 형성할 수 있다. 이하, 상세를 상기 도 21을 참조하여 설명한다.
상기 실리콘 기판(11)에서는 (100)실리콘 기판을 이용한다. 우선, 상기 실리콘 기판(11)에 주위의 트랜지스터나 전극 등의 회로를 제작한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)에, 제 1 전극층(12)을 형성한다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면, 이온 주입에 의해, n형 실리콘층으로 형성한다. 이 이온 주입에서는 레지스트 마스크를 이용하여, 이온 주입 영역을 확정하고 있다. 이 레지스트 마스크는 이온 주입 후에 제거된다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)의 제 1 전극층(12)상에, R분광용 광전변환층인 제 1 광전변환 서브층(21)을 형성한다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, i-CuGa0.52In0.48S2 혼정의 결정 성장을 행하여 형성하였다. 그 두께는 예를 들면 0.8㎛로 하였다.
다음에, G분광용 광전변환층인 제 2 광전변환 서브층(22)을 상기 제 1 광전변환 서브층(21)상에 형성한다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.7㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)의 조성은 i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2로 하였다.
장벽은 제 1 광전변환 서브층(21)과의 계면측에 적층한다. 최초에 i-CuAl0.33Ga0.11In0.56S2를 50㎚의 두께로 성장한 후에, i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2를 성장함으로써 형성할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 84meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, 상기 BR보다 높다.
또한 B분광용 광전변환층인 제 3 광전변환 서브층(23)을 상기 제 2 광전변환 서브층(22)상에 형성한다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.3㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)의 조성은 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 하였다.
장벽은 제 2 광전변환 서브층(22)과의 계면측에 적층한다. 최초에 p-CuAl0.42Ga0.58S1.36Se0.64를 50㎚의 두께로 성장한 후에, i-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 조성을 성장함으로써, 장벽이 맞들어진다. 이 장벽의 에너지(BG)는 100meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, BG, BR보다 높다.
다음에, 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 제 2 광전변환 서브층(22), 제 3 광전변환 서브층(23)의 도전성을 횡방향으로 바꾸기 위해서는 리소그래피 기술을 이용하여 마스크를 형성하고, 선택적으로 도펀트를 이온 주입한다. p형 영역의 형성은 p형 도펀트로서 13족 원소를 이용하여 이온 주입함으로써 가능해진다. 예를 들면, 갈륨(Ga)을 이온 주입한다. 또한, n형 영역의 형성은 n형 도펀트로서 12족 원소를 이용함으로써 가능해진다. 예를 들면 아연(Zn)을 이온 주입한다. 이온 주입한 후에 어닐함으로써 도펀트가 활성화되고, p-i-n 구조를 제작할 수 있다.
또한 상기 결정 성장에서는 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막으로 덮고, 일부 실리콘 기판(11)이 노출하여 있는 곳에, 선택적으로 상기한 광전변환층을 성장시켰다.
또한 그 후, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막상에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 전면에 광전변환층을 성장시켰다.
또한, 제 2 전극층(14)으로서, 투명 전극 재료인 인듐주석옥사이드(ITO)를 스퍼터 증착법으로 적층하여 형성한다. 이 ITO의 위에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다. 여기서, p 농도를 높게 설정하면, 실리콘 기판(11)측으로 정공을 이동할 수 있기 때문에, 반드시는 이 제 2 전극층(14)은 필요 없다. 또한, 바람직하게는 전기적으로 신호가 섞이지 않도록, 예를 들면 레지스트 마스크를 형성하여 반응성 이온 에칭(RIE) 가공 등에 의해, 화소마다 분리한다. 이 때, 투명 전극뿐만 아니라 광전변환층도 분리한다. 또한, 집광 효율을 올리기 위해, 화소마다 온 칩 렌즈(OCL)를 형성하여도 좋다.
이상과 같은 프로세스로 제작된 고체 촬상 장치(이미지 센서)(3)에서는 R분광용의 제 1 광전변환 서브층(21)에 관해서는 n형 실리콘층의 제 1 전극층(12)측으로 전자가 이동하고, 그것을 게이트 MOS(41)에서 판독하고 있다. 또한 G분광용의 제 2 광전변환 서브층(22), B분광용의 제 3 광전변환 서브층(23)층과 마찬가지로, 제 1 광전변환 서브층(21)/실리콘 기판(11) 계면에 장벽을 마련하고, 또한 제 1 광전변환 서브층(21)상에 n전극을 마련함으로써, 막 내에서 축적된 전자를 직접 판독하여도 좋다. 이와 같은 방법으로 얻어진 화상은 통상의 온 칩 컬러 필터(OCCF)의 디바이스 수준의 색재현성을 나타내는데다가, 감도가 높다.
<10. 제 10의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 3예]
본 발명의 제 10 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 3예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 상기 도 12에 도시한 고체 촬상 장치(2)는 도 35에 도시한 CCD의 포토 다이오드에 적용할 수 있다. 또한, 상기 고체 촬상 장치(2)의 밴드 다이어그램은 상기 도 14에 도시하는 바와 같다.
상기 고체 촬상 장치(2)는 예를 들면, 실리콘 기판(11)에 통상의 CCD 프로세스 공정으로 형성할 수 있다. 이하, 상세를 상기 도 12를 참조하여 설명한다.
상기 실리콘 기판(11)에서는 (100)실리콘 기판을 이용한다. 우선, 상기 실리콘 기판(11)에 주변의 트랜스퍼 게이트나 수직 레지스터 등의 회로를 제작한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)에, 제 1 전극층(12)을 형성한다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면, 이온 주입에 의해, n형 실리콘층으로 형성한다. 이 이온 주입에서는 레지스트 마스크를 이용하여, 이온 주입 영역을 확정하고 있다. 이 레지스트 마스크는 이온 주입 후에 제거된다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)의 제 1 전극층(12)상에, R분광용 광전변환층인 제 1 광전변환 서브층(21)을 형성한다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, i-CuGa0.52In0.48S2 혼정의 결정 성장을 행하여 형성하였다. 단, 여기서 장벽을 BR>kT=26meV의 조건으로 실리콘 기판(11)과의 계면측에 넣는다. 예를 들면, 최초에 i-CuAl0.06Ga0.45In0.49S2의 조성으로 성장시킨 후에, Al과 In의 조성을 서서히 작게 하는 동시에 Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuGa0.52In0.48S2의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BR)는 50meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높다. 또한, 장벽의 두께를 100㎚로 하였다. R분광용의 광전변환층은 총계 0.8㎛로 하였다.
다음에, G분광용 광전변환층인 제 2 광전변환 서브층(22)을 상기 제 1 광전변환 서브층(21)상에 형성한다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.7㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)의 조성은 i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2로 하였다.
장벽은 제 1 광전변환 서브층(21)과의 계면측에 적층한다. 최초에 i-CuAl0.33Ga0.11In0.56S2로 한 후에, Al과 In의 조성을 서서히 감소시킨다. 그와 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 84meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, 상기 BR보다 높다.
또한 B분광용 광전변환층인 제 3 광전변환 서브층(23)을 상기 제 2 광전변환 서브층(22)상에 형성한다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.3㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)의 조성은 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 하였다.
장벽은 제 2 광전변환 서브층(22)과의 계면측에 적층한다. 최초에 p-CuAl0.42Ga0.58S1.36Se0.64로 한 후에, Al과 S의 조성을 서서히 감소시킨다. 그와 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 100meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, BG, BR보다 높다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98 내지 0.99로 하여 결정 성장함으로써 가능해진다.
단, 상술한 결정 성장에 관해, 조건에 따라서는 고용체의 성장이 곤란한 경우가 있다. 이 경우, 초격자에 의한 의사적인 혼정을 성장시켜도 좋다. 예를 들면, R분광용 광전변환층이라면, i-CuInS2의 조성과 i-CuGaS2의 조성을 교대로 임계 막두께 이내의 박막으로 적층시키고, 전체의 조성이 i-CuGa0.52In0.48S2가 되도록 적층시킨다. 예를 들면, X선 회절법 등을 이용하여 i-CuInS2층과 i-CuGaS2층을 교대로 적층시키고, Si(100)로 격자정합시키는 성장 조건을 미리 구하고 나서, 총합의 조성이 희망하는 조성이 되도록 적층시킬 수 있다.
상기 결정 성장에서는 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막으로 덮고, 일부 실리콘 기판(11)이 노출하여 있는 곳에, 선택적으로 상기한 광전변환층을 성장시켰다. 그 후, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막상에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 전면에 광전변환층을 성장시켰다.
뒤이어, 제 2 전극층(14)으로서, 투명 전극 재료인 인듐주석옥사이드(ITO)를 스퍼터 증착법으로 적층하여 형성한다. 이 ITO의 위에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다. 또한, 바람직하게는 전기적으로 신호가 섞이지 않도록, 예를 들면 레지스트 마스크를 형성하여 반응성 이온 에칭(RIE) 가공 등에 의해, 화소마다 분리한다. 이 때, 투명 전극뿐만 아니라 광전변환층도 분리한다. 또한, 집광 효율을 올리기 위해, 화소마다 온 칩 렌즈(OCL)를 형성하여도 좋다.
이상과 같은 프로세스로 제작된 고체 촬상 장치(이미지 센서)(2)에서는 전압을 VR, VG, VB로 순차적으로, 역바이어스로 인가함으로써, 애벌런쉬 증배가 생김과 함께, RGB가 증폭된 각 신호를 얻을 수 있다. 단, VR>VG>VB이다.
이와 같이 얻어진 신호를 트랜스퍼 게이트에서 수직 CCD에 전송하고, 또한 그 신호를 통상의 CCD와 마찬가지로 수평 CCD까지 전송하고, 그것을 출력함으로써, 신호를 판독할 수 있다. 이와 같은 방법으로 얻어진 화상은 통상의 온 칩 컬러 필터(OCCF)의 디바이스 수준의 색재현성을 나타내는데다가, 감도가 높다.
<11. 제 11의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 4예]
본 발명의 제 11 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 4예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 상기 도 26에 도시한 고체 촬상 장치(5)는 상기 도 34에 도시한 CMOS 이미지센서의 포토 다이오드에 적용할 수 있다. 이 고체 촬상 장치(5)는 RGB의 광전변환층이 제각기 분리한 구조가 된다.
상기 고체 촬상 장치(5)는 예를 들면, 실리콘 기판(11)에 통상의 CMOS 프로세스 공정으로 형성할 수 있다. 이하, 상세를 상기 도 26을 참조하여 설명한다.
상기 실리콘 기판(11)에서는 (100)실리콘 기판을 이용한다. 우선, 상기 실리콘 기판(11)에 주위의 트랜지스터나 전극 등의 회로를 제작한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)에, RGB의 각 색을 분광하는 광전변환층이 형성되는 위치에 대응하여 제 1 전극층(12)을 형성한다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 n형 불순물을 이온 주입함으로써, n형 실리콘층을 형성하여 이루어진다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)상에, 산화 실리콘(SiO2)의 산화막(도시 생략)을 형성하고, 또한, 리소그래피 기술과 RIE 가공 기술을 이용하여, R분광용 광전변환층이 형성되는 영역의 표면 이외를 피복한다. 뒤이어, 실리콘 기판(11)상에, 예를 들면 MBE법을 이용하여, R분광용 광전변환층인 제 1 광전변환 서브층(21)을 형성한다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 p-CuGa0.52In0.48S2 혼정을 결정 성장시켜서 형성한다. 이 경우, 선택적으로 R의 포토 다이오드 표면상에만 결정 성장하도록, 마이그레이션을 강화한 조건으로, 두께 0.8㎛ 정도 성장시킨다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98로 하여 결정 성장함으로써 가능해졌다.
그 후, 상기 산화막을 제거한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)상에, 산화 실리콘(SiO2)의 산화막(도시 생략)을 형성하고, 또한, 리소그래피 기술과 RIE 가공 기술을 이용하여, G분광용 광전변환층이 형성되는 영역의 표면 이외를 피복한다. 뒤이어, 실리콘 기판(11)상에, 예를 들면 MBE법을 이용하여, G분광용 광전변환층인 제 2 광전변환 서브층(22)을 형성한다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 p-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2 혼정을 결정 성장시켜서 형성한다.
이 경우, 선택적으로 G의 포토 다이오드 표면상에만 결정 성장하도록, 마이그레이션을 강화한 조건으로, 두께 0.7㎛ 정도 성장시킨다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98으로 하여 결정 성장함으로써 가능해졌다.
그 후, 상기 산화막을 제거한다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)상에, 산화 실리콘(SiO2)의 산화막(도시 생략)을 형성하고, 또한, 리소그래피 기술과 RIE 가공 기술을 이용하여, B분광용 광전변환층이 형성되는 영역의 표면 이외를 피복한다. 뒤이어, 실리콘 기판(11)상에, 예를 들면 MBE법을 이용하여, B분광용 광전변환층인 제 3 광전변환 서브층(23)을 형성한다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72 혼정을 결정 성장시켜서 형성한다.
이 경우, 선택적으로 B의 포토 다이오드 표면상에만 결정 성장하도록, 마이그레이션을 강화한 조건으로, 두께 0.7㎛ 정도 성장시킨다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98 내지 0.99로 하여 결정 성장함으로써 가능해졌다.
그 후, 상기 산화막을 제거한다.
단, 상술한 결정 성장에 관해, 조건에 따라서는 고용체의 성장이 곤란한 경우가 있다. 이 경우, 초격자에 의한 의사적인 혼정을 성장시켜도 좋다.
예를 들면, R분광용의 광전변환층이라면, p-CuInS2의 조성과 p-CuGaS2의 조성을 교대로 임계 막두께 이내의 박막으로 적층시키고, 전체의 조성이 p-CuGa0.52In0.48S2가 되도록 적층시킨다. 예를 들면, X선 회절법 등을 이용하여 p-CuInS2층과 p-CuGaS2층을 교대로 적층시키고, Si(100)로 격자정합시키는 성장 조건을 미리 구하고 나서, 총합의 조성이 희망하는 조성이 되도록 적층시킬 수 있다.
다음에, 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22), 상기 제 3 광전변환 서브층(23)상에, 각각 제 2 전극층(14)을 형성한다. 이 제 2 전극층(14)은 상기 설명한 바와 같은 투명 전극으로 형성된다. 이 제 2 전극층(14)상에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다.
또한, 바람직하게는 전기적으로 신호가 섞이지 않도록, RIE 가공 등에 의해, 화소마다 분리한다. 이 때, 제 2 전극층(14)뿐만 아니라 광전변환층도 분리한다. 또한 집광 효율을 올리기 위해, 화소마다 온 칩 렌즈(OCL)를 형성하여도 좋다.
이상과 같은 프로세스로 제작된 이미지 센서에 관해, 역바이어스를 인가함으로써 각 RGB의 신호(r, g, b)(→ RAW 데이터)를 얻는다. 또한, 디모자이크 처리 후에, 다음과 같은 색 연산 처리를 행하면 좋다.
R=r-g, G=g-b, B=b
여기서, r, g, b는 RAW 데이터이다.
이와 같은 방법으로 얻어진 화상은 통상의 온 칩 컬러 필터(OCCF)의 디바이스 수준의 색재현성을 나타내는데다가, 감도가 높다.
<12. 제 12의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 5예]
본 발명의 제 12 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 5예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 도 36에 도시한 고체 촬상 장치(10)은 상기 도 34에 도시한 CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드에 적용할 수 있다. 이 고체 촬상 장치(10)에서는 도 37에 도시하는 바와 같이, 격자정합계이며, 또한 밴드갭을 최대한으로 변화할 수 있는 범위로 조성을 바꾸고 있다. 이와 같이 함으로써, 낮은 구동 전압으로 애벌런쉬 증배를 최대한으로 인출하는 것이 가능해지기 때문에, 현저한 고감도화를 얻을 수 있다.
상기 실리콘 기판(11)에서는 (100)실리콘 기판을 이용한다. 우선, 상기 실리콘 기판(11)에 주변의 트랜지스터나 전극 등의 회로를 제작한다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)에, RGB의 각 색을 분광하는 광전변환층이 형성되는 위치에 대응하여 제 1 전극층(12)을 형성한다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 n형 불순물을 이온 주입함으로써, n형 실리콘층을 형성하여 이루어진다.
다음에, 상기 실리콘 기판(11)상에, 광전변환층(13)을 형성한다. 예를 들면, MBE법을 이용하여, 최초에 n-CuAlS1.2Se0.8 또는 i-CuAlS1.2Se0.8의 결정을 성장시킨다. 뒤이어, Al과 Se의 조성을 서서히 감소시키는 동시에 Ga와 In의 조성을 서서히 증가시켜서, p-CuGa0.52In0.48S2의 조성으로 한다. 총 두께로서 2㎛ 정도 있으면 좋다.
단, 도중에 n형 또는 i형으로부터 p형으로 변화시킨다. n형 도전성으로 하기 위해서는 12족 원소를 도핑하면 좋다. 예를 들면, 결정 성장할 때, 동시에 아연(Zn)을 미량 첨가함으로써 가능해진다.
한편, i형인 경우는 특별히 도핑하지 않는다.
또한 p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98 내지 0.99로 하여 결정 성장함으로써 가능해진다.
또한 이상의 성장에서는 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료로 덮고, 일부 Si 기판이 노출하여 있는 곳에, 선택적으로 상기한 광전변환층을 성장시킨다. 또한 그 후, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료상에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 전면에 광전변환층을 성장시킨다.
또한, 제 2 전극층(14)으로서, 투명 전극 재료인 인듐주석옥사이드(ITO)를 스퍼터 증착법으로 적층하여 형성한다. 이 ITO의 위에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다. 또한 색분리를 하기 위해 온 칩 컬러 필터(OCCF)를 화소마다 붙여도 좋다. 또한, 집광성을 좋게 하기 위해 온 칩 렌즈(OCL)를 붙여도 좋다.
이상과 같은 밴드갭이 큰 변화가 있기 때문에, 상기 도 19, 도 20에 도시하는 바와 같이 역바이어스를 인가한 때에 작은 구동 전압으로 큰 에너지 단차를 얻을 수 있기 때문에, 애벌런쉬 증배가 크게 일어나고, 높은 감도를 얻을 수 있다.
<13. 제 13의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 6예]
본 발명의 제 13 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 방법의 제 6예를 이하에 설명한다.
예를 들면, 상기 도 30에 도시한 고체 촬상 장치(7)는 상기 도 34에 도시한 CMOS 이미지 센서의 포토 다이오드에 적용할 수 있다.
상기 고체 촬상 장치(7)는 예를 들면, 실리콘 기판(11)에 통상의 CMOS 프로세스 공정으로 형성할 수 있다. 이하, 상세를 상기 도 30을 참조하여 설명한다.
상기 SOI 기판의 실리콘층(상기 도 30의 실리콘 기판(11)에 상당)에, CMOS 프로세스에 의해, 주변의 트랜지스터나 전극 등의 회로를 제작한다. 또한, 주변의 트랜지스터나 전극 등의 회로를 피복하는 산화 실리콘막(도시 생략)을 형성한다.
다음에, SOI 기판의 실리콘층을 다른 유리 기판의 위에 전사하여 붙인다. 이 때, 회로측이 유리 기판측에 붙고, 실리콘(100)층의 이면측이 표면에 나타나게 된다.
또한, 상기 실리콘층에는 제 1 전극층(12)을 형성하여 둔다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면, 이온 주입에 의해, n형 실리콘층으로 형성한다. 이 이온 주입에서는 레지스트 마스크를 이용하여, 이온 주입 영역을 확정하고 있다. 이 레지스트 마스크는 이온 주입 후에 제거된다.
다음에, 상기 실리콘층의 제 1 전극층(12)상에, R분광용 광전변환층인 제 1 광전변환 서브층(21)을 형성한다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, i-CuGa0.52In0.48S2 혼정의 결정 성장을 행하여 형성하였다.
단, 여기서 장벽을 BR>kT=26meV의 조건으로 실리콘 기판(11)과의 계면측에 넣는다. 예를 들면, 최초에 i-CuAl0.06Ga0.45In0.49S2의 조성으로 성장시킨 후에, Al과 In의 조성을 서서히 작게 하는 동시에 Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuGa0.52In0.48S2의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BR)는 50meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높다. 또한, 장벽의 두께를 100㎚로 하였다. R분광용의 광전변환층은 총계 0.8㎛로 하였다.
다음에, G분광용 광전변환층인 제 2 광전변환 서브층(22)을 상기 제 1 광전변환 서브층(21)상에 형성한다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.7㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)의 조성은 i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2로 하였다.
장벽은 제 1 광전변환 서브층(21)과의 계면측에 적층한다. 최초에 i-CuAl0.33Ga0.11In0.56S2로 한 후에, Al과 In의 조성을 서서히 감소시키는 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2의 조성으로 함으로써, 스파이크의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 84meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, 상기 BR보다 높다.
또한 B분광용 광전변환층인 제 3 광전변환 서브층(23)을 상기 제 2 광전변환 서브층(22)상에 형성한다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 MBE법을 이용하여, 예를 들면 0.3㎛의 두께로 형성하였다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)의 조성은 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 하였다.
장벽은 제 2 광전변환 서브층(22)과의 계면측에 적층한다. 최초에 p-CuAl0.42Ga0.58S1.36Se0.64로 한 후에, Al과 S의 조성을 서서히 감소시키는 동시에, Ga의 조성을 서서히 증가시켜서, p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 조성으로 함으로써, 스파이크형상의 장벽을 적층할 수 있다. 이 장벽의 에너지(BG)는 100meV 이하가 되기 때문에 실온의 열에너지보다 충분히 높고, BG, BR보다 높다. 또한, p형 도전성으로 하는데는 Cu/13족원소 비를 1 이하로 함으로써 할 수 있다. 예를 들면, 이 비를 0.98 내지 0.99로 하여 결정 성장함으로써 가능해진다.
단, 상술한 결정 성장에 관해, 조건에 따라서는 고용체의 성장이 곤란한 경우가 있다. 이 경우, 초격자에 의한 의사적인 혼정을 성장시켜도 좋다.
예를 들면, R분광용 광전변환층이라면, i-CuInS2의 조성과 i-CuGaS2의 조성을 교대로 임계 막두께 이내의 박막으로 적층시키고, 전체의 조성이 i-CuGa0.52In0.48S2가 되도록 적층시킨다.
예를 들면, X선 회절법 등을 이용하여 i-CuInS2층과 i-CuGaS2층을 교대로 적층시키고, Si(100)로 격자정합시키는 성장 조건을 미리 구하고 나서, 총합의 조성이 희망하는 조성이 되도록 적층시킬 수 있다.
상기 결정 성장에서는 트랜지스터나 판독 회로나 배선 등의 부분을 미리, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막으로 덮고, 일부 실리콘 기판(11)이 노출하여 있는 곳에, 선택적으로 상기한 광전변환층을 성장시켰다.
또한 그 후, 산화 실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 재료막상에서 래터럴 방향으로 성장시켜서, 거의 전면에 광전변환층을 성장시켰다.
또한, 제 2 전극층(14)으로서, 투명 전극 재료인 인듐주석옥사이드(ITO)를 스퍼터 증착법으로 적층하여 형성한다. 이 ITO의 위에 금속의 배선을 시행함으로써, 그라운드에 접지하고, 정공 축적에 의한 차지를 막는다. 또한, 바람직하게는 전기적으로 신호가 섞이지 않도록, 예를 들면 레지스트 마스크를 형성하여 반응성 이온 에칭(RIE) 가공 등에 의해, 화소마다 분리한다. 이 때, 투명 전극뿐만 아니라 광전변환층도 분리한다. 또한, 집광 효율을 올리기 위해, 화소마다 온 칩 렌즈(OCL)를 형성하여도 좋다.
이상과 같은 프로세스로 제작된 고체 촬상 장치(이미지 센서)(7)에서는 전압을 VR, VG, VB로 순차적으로, 역바이어스로 인가함으로써, 애벌런쉬 증배가 생김과 함께, RGB가 증폭된 각 신호를 얻을 수 있다. 단, VR>VG>VB이다. 이와 같은 방법으로 얻어진 화상은 통상의 온 칩 컬러 필터(OCCF)의 디바이스 수준의 색재현성을 나타내는데다가, 감도가 높다.
<14. 제 14의 실시의 형태>
[고체 촬상 장치의 구성의 제 10예]
상기 설명한 모든 고체 촬상 장치에서는 신호로서 전자를 판독하는 구조로서 설명을 행하였다.
실제로는 신호로서 정공을 판독하는 구조로 할 수도 있다. 그 한 예를 이하에 설명한다.
상기 도 12에 대응하는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성을 도 38의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
도 38에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 n형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 p형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상부터, i-CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), i-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)상에는 중간층(16)의 황하 카드늄(CdS)층을 통하여 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 산화 아연 등의 n형의 투명 전극 재료로 형성되어 있다. 중간층(16)으로서 황하 카드늄층을 넣는 것은 전자의 투명 전극측으로 이동하기 위한 포텐셜 장벽을 내림으로써, 구동 전압을 내리기 위해서다.
또한, 상기 광전변환층의 캘코파이라이트층을 i층으로 하였지만, 라이트 도프의 p형층이라도 좋다.
상기 고체 촬상 장치(71)에서는 제 1, 제 2, 제 3 광전변환 서브층(21, 22, 23)의 각 계면 부근의 와이드 갭측에 연속적인 조성 제어에 의한 스파이크형상의 장벽을, 가전자대측에 BB≥BG≥BR>kT(=26meV)의 조건으로 형성한다. 이에 의해, 정공이 가두어저서 RGB 각각으로 정공의 축적이 가능해진다. 여기서, k는 볼쯔만 정수이고, kT는 실온의 열에너지에 대응한다. 이 경우, 판독의 인가 전압의 정부의 관계가, 전자 판독 구조의 경우에 비하여, 역전한다. 즉, VR, VG, VB의 순으로 부의 전압을 순차적으로 인가함으로써, R신호와 G신호와 B신호를 판독하는 것이 가능해진다(단 VB<VG<VR≤-kT).
다음에, 상기 도 21에 대응하는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성을 도 39의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
도 39에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 n형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 p형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상부터, CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다. 또한 상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22) 및 상기 제 3 광전변환 서브층(23)은 각각의 중앙부가 i층으로 형성되고, 그 일방측이 p층, 타방측이 n층으로 형성되어 있다. 따라서, p-i-n 구조로 되어 있다.
또한, 상기 광전변환층(13)의 제 2 광전변환 서브층(22)의 p층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 p층상에는 p형 전극(제 2 전극층)층(14p)이 형성되어 있다. 또한, 상기 광전변환층(13)의 제 2 광전변환 서브층(22)의 n층상 및 제 3 광전변환 서브층(23)의 n층상에는 n형 전극(제 2 전극층)층(14n)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극층(14p)은 필요없는 경우도 있다. 또한, 상기 실리콘 기판(11)에는 게이트 MOS(41)를 통하여 판독 회로(도시 생략)가 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 고체 촬상 장치(7)2는 구성되어 있다.
다음에, 상기 도 26에 도시한 고체 촬상 장치에 대응하는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구를 도 40의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
도 40에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 n형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에는 RGB의 각 색을 분광하는 광전변환층이 형성되는 위치에 대응하여 제 1 전극층(12)이 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 p형 실리콘층으로 이루어진다.
R분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 1 광전변환 서브층(21)이 형성되어 있다. 이 제 1 광전변환 서브층(21)은 예를 들면 p-CuGa0.52In0.48S2막으로 형성되어 있다.
또한 G분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 2 광전변환 서브층(22)이 형성되어 있다. 이 제 2 광전변환 서브층(22)은 예를 들면 p-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막으로 형성되어 있다.
또한 B분광하는 위치의 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 제 3 광전변환 서브층(23)이 형성되어 있다. 이 제 3 광전변환 서브층(23)은 예를 들면 p-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72로 형성되어 있다.
상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22), 상기 제 3 광전변환 서브층(23)의 두께는 각각 0.8㎛, 0.7㎛, 0.7㎛이다.
상기 제 1 광전변환 서브층(21), 상기 제 2 광전변환 서브층(22), 상기 제 3 광전변환 서브층(23)상에는 각각 중간층(16)의 황하 카드늄(CdS)층을 통하여 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 산화 아연 등의 n형의 투명 전극 재료로 형성되어 있다.
따라서 실리콘 기판(11)에, 제 1 전극층(12), 제 1 광전변환 서브층(21), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 1 광전변환부(24)가 형성된다. 마찬가지로, 제 1 전극층(12), 제 2 광전변환 서브층(22), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 2 광전변환부(25)가 형성된다. 마찬가지로, 제 1 전극층(12), 제 3 광전변환 서브층(23), 제 2 전극층(14)을 적층하여 이루어지는 제 3 광전변환부(26)가 형성된다. 따라서 실리콘 기판(11)에는 횡방향으로, 제 1 내지 제 3 광전변환부(24 내지 26)가 배치된다. 상기한 바와 같이, 고체 촬상 장치(7)3은 구성되어 있다.
다음에, 상기 도 30에 도시한 고체 촬상 장치에 대응하는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성을 도 41의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
도 41에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(11)은 n형 실리콘 기판으로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판(11)에는 제 1 전극층(12)이 실리콘 기판(11)의 이면측 부근까지 형성되어 있다. 이 제 1 전극층(12)은 예를 들면 상기 실리콘 기판(11)에 형성된 p형 실리콘층으로 이루어진다. 또한 상기 제 1 전극층(12)상에는 격자정합된 CuAlGaInSSe계 혼정으로 이루어지는 광전변환층(13)이 형성되어 있다. 이 광전변환층(13)은 제 1 전극층(12)상에, p-CuGa0.52In0.48S2막의 제 1 광전변환 서브층(21), i-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2막의 제 2 광전변환 서브층(22), n-CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72의 제 3 광전변환 서브층(23)이 적층되어 형성되어 있다.
따라서 상기 광전변환층(13)은 전체로 p-i-n 구조로 되어 있다.
상기 광전변환층(13)에는 상기 설명한 조성 범위의 것을 이용할 수 있고, 또한 상기 설명한 CuGaInZnSSe계 혼정을 이용할 수도 있다.
상기 광전변환층(13)상에는 중간층(16)의 황하 카드늄(CdS)층을 통하여 투광성을 갖는 제 2 전극층(14)이 형성되어 있다. 이 제 2 전극층(14)은 예를 들면 산화 아연 등의 n형의 투명 전극 재료로 형성되어 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(11)의 표면측(도면에서는 실리콘 기판(11)의 하면측)에는 상기 제 1 전극층(12)이 판독용 전극(15)이 형성되고, 또한 상기 실리콘 기판(11)의 표면측에는 게이트 MOS(41)를 통하여 판독 회로(도시 생략)가 형성되어 있다.
상기한 바와 같이, 고체 촬상 장치(74)는 구성되어 있다.
다음에, 상기 도 32에 도시한 고체 촬상 장치에 대응하는 정공 판독의 고체 촬상 장치의 구성을 도 42의 개략 구성 단면도에 의해 설명한다.
또한, 도 42에 도시하는 바와 같이, 상기 도 32에 도시한 고체 촬상 장치(8)에서, 광전변환층(13)을 실리콘 기판(11)측부터, p-CuAlS1.2Se0.8 또는 i-CuAlS1.2Se0.8로부터 i-CuGa0.52In0.48S2로 조성 변화시킨 것을 이용하여도 좋다. 이 구성의 고체 촬상 장치(75)에서는 낮은 구동 전압으로, 보다 큰 애벌런쉬 증배가 가능하게 된다.
정공 판독의 고체 촬상 장치에서는 전자 판독의 고체 촬상 장치에 대해, 전부 판독의 인가 전압의 정부는 역전한다.
다음에, 상기 광전변환층(13)의 형성 방법의 구체적인 제조 방법이나 각 원료에 관해 설명한다.
MOCVD 성장 방법에 의한 제조 방법에서는 예를 들면 도 43에 도시되는 바와 같은 MOCVD 장치(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용하여, 결정 성장을 행한다.
원료 가스로는 이하의 유기 금속을 이용한다. 구리의 유기 금속으로는 한 예로서 아세틸아세톤구리(Cu(C5H7O2)2)를 이용한다. 갈륨(Ga)의 유기 금속으로는 한 예로서 트리메틸갈륨(Ga(CH3)3)을 이용한다. 알루미늄(Al)의 유기 금속의 하나인 트리메틸알루미늄(Al(CH3)3)을 이용한다. 인듐(In)의 유기 금속으로는 한 예로서 트리메틸인듐(In(CH3)3)을 이용한다. 셀렌(Se)의 유기 금속으로는 한 예로서 디메틸셀렌(Se(CH3)2)을 이용한다. 유황(S)의 유기 금속으로는 한 예로서 디메틸술피드(S(CH3)2)를 이용한다. 아연(Zn)의 유기 금속으로는 한 예로서 디메틸징크(Zn(CH3)2)를 이용한다.
여기서, 반드시는 이들의 원료로 규정할 필요는 없고, 유기 금속이라면, 마찬가지로 MOCVD 성장의 원료로서 사용할 수 있다.
예를 들면, 트리에틸갈륨(Ga(C2H5)3), 트리에틸알루미늄(Al(C2H5)3), 트리에틸인듐(In(C2H5)3), 디에틸셀렌(Se(C2H5)2), 디에틸술피드(S(C2H5)2) 및 디에틸징크(Zn(C2H5)2)라도 좋다.
또한, 반드시 유기 금속이 아니라도, 가스계라도 좋다. 예를 들면, Se 원료로서 셀렌화 수소(H2Se)나, S 원료로서 황하 수소(H2S)를 사용하여도 좋다.
도 43에 도시하는 바와 같은 MOCVD 장치에 있어서, 유기 금속 원료를 수소로 버블링함으로써 포화 증기압 상태로 하여, 각 원료 분자가 반응관까지 수송되게 된다. 여기서, 매스 플로우 컨트롤러(MFC)로 각 원료에 흘리는 수소 유량을 제어함으로써, 원료의 단위시간당에 수송되는 몰량이 결정되고, 또한 실리콘 기판상에서 유기 금속 원료가 열분해되어 결정에 받아들여짐으로써, 결정 성장이 생긴다. 그 때, 수송 몰량비와 결정의 조성비에 상관성이 있는 것을 이용하여, 조성비를 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 실리콘 기판은 카본제의 서셉터의 위에 있고, 서셉터는 고주파 가열 장치(RF 코일)로 가열되고, 기판 온도를 제어할 수 있도록 열전대와 그 온도 제어 기구가 붙어 있다. 일반적인 기판 온도로서는 열분해가 가능해지는 400℃ 내지 1000℃까지의 범위가 되지만, 기판 온도를 내리기 위해, 예를 들면, 수은 램프 등으로 기판 표면을 광조사하여, 원료의 열분해를 어시스트하여도 좋다.
또한, 아세틸아세톤구리(Cu(C5H7O2)2)나 트리메틸인듐(In(CH3)3) 등의 원료는 실온에서 고체 상태이다. 이와 같은 경우에는 원료를 가열하여 액상 상태로 하는 또는 고상 상태라도 단지 고온으로 하여 증기압을 높게 하는 상태에서 사용하여도 좋다.
다음에, MBE 성장 방법에 의한 제법에 관해 설명한다.
MBE 성장 방법에서는 예를 들면 도 44에 도시되는 바와 같은 MBE 장치(Molecular Beam Epitaxy)를 이용하여, 결정 성장을 행한다.
구리의 단체 원료와, 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In), 셀렌(Se) 및 유황(S)의 각 단체 원료를 각 크누센(knudsen) 셀에 넣고, 이들을 적절한 온도로 가열함으로써 각 분자선을 기판상에 조사시킴으로써 결정 성장시킨다. 이 때, 유황(S)과 같은 증기압이 특히 높은 원료의 경우, 분자선량의 안정성이 부족한 것이 있다. 이 경우, 밸브드 크래킹 셀 이용하여, 분자선량을 안정화시켜도 좋다. 또한 가스 소스(MBE)와 같이, 일부의 원료를 가스 소스로 하여도 좋다. 예를 들면, Se 원료로서 셀렌화 수소(H2Se)나, 유황(S) 원료로서 황하 수소(H2S)를 이용하여도 좋다.
<15. 제 15의 실시의 형태>
[촬상 장치의 구성의 한 예]
다음에, 본 발명의 촬상 장치에 관한 한 실시의 형태를 도 45의 블록도에 의해 설명한다. 이 촬상 장치는 본 발명의 고체 촬상 장치를 이용한 것이다.
도 45에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치(200)는 촬상부(201)에 고체 촬상 장치(도시 생략)를 구비하고 있다. 이 촬상부(201)의 집광측에는 상을 결상시키는 집광 광학부(202)가 구비되고, 또한, 촬상부(201)에는 그것을 구동하는 구동 회로, 고체 촬상 장치에서 광전변환된 신호를 화상으로 처리하는 신호 처리 회로 등을 갖는 신호 처리부(203)가 접속되어 있다. 또한 상기 신호 처리부(203)에 의해 처리된 화상 신호는 화상 기억부(도시 생략)에 의해 기억시킬 수 있다. 이와 같은 촬상 장치(200)에 있어서, 상기 고체 촬상 장치로는 상기 각 실시의 형태에서 설명한 고체 촬상 장치(1 내지 10, 71 내지 75)를 이용할 수 있다.
본 발명의 촬상 장치(200)에서는 본원 발명의 고체 촬상 장치(1 내지 10, 71 내지 75)를 이용하기 때문에, 암전류의 발생이 억제되어서 백점에 의한 화질의 열화가 억제되고, 또한 고체 촬상 장치의 감도가 높아저서, 고감도의 촬상이 가능해진다. 따라서, 화질의 열화가 억제되고, 감도가 높은 촬상이 만들어지기 때문에, 어두운 촬상 환경이라도, 예를 들면 야간 촬영 등에라도, 고화질의 촬영이 가능해진다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 촬상 장치(200)는 상기 구성으로 한정되는 것이 아니라, 고체 촬상 장치를 이용한 촬상 장치라면 어떤 구성의 것에도 적용할 수 있다.
상기 고체 촬상 장치(1 내지 10, 71 내지 75)는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와, 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능력을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
또한, 상기 촬상 장치(200)는 예를 들면, 카메라나 촬상 기능을 갖는 휴대 기기인 것을 말한다. 또한 「촬상」은 통상의 카메라 촬영시에 있어서의 상을 찍는 것만이 아니고, 광의의 의미로서, 지문 검출 등도 포함하는 것이다.
또한, 상기한 실시 형태에서는 복수의 화소 사이에 공극을 마련함으로써, 화소 사이를 분리하는 경우에 관해 예시하고 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 화소 사이에 포텐셜 장벽이 존재하도록 화합물 반도체층에 대해 도핑한 화소 분리부를 화소의 사이에 마련하여도 좋다. 그 밖에, 화소 사이에 포텐셜 장벽이 존재하도록 화합물 반도체층의 조성을 조정하여 형성한 화소 분리 영역을, 화소의 사이에 마련하여도 좋다. 이에 의해, 암전류나, 화소 사이의 혼색 등의 이상의 발생을, 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기한 실시 형태에서는 제 1 도전형(예를 들면, p형)의 실리콘 기판(11)에, 제 2 도전형(예를 들면, n형)의 전극층(12)을 형성하는 경우에 관해 예시하였지만(도 1 등을 참조), 이것으로 한정되지 않는다. 제 2 도전형(예를 들면, n형)의 실리콘 기판(11)에, 제 1 도전형(예를 들면, p형)의 웰을 형성하고, 그웰에 제 2 도전형(예를 들면, n형)의 전극층(12)을 형성하도록 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 실시 형태에서는 컬러 필터를 설치하지 않는 경우에 관해 나타냈지만, 이것으로 한정되지 않는다. 컬러 필터를 투과한 광을, 각 색용의 광전변환층이 수광 하도록에 구성하여도 좋다.
또한, 상기한 실리콘 기판(11)으로서 오프 기판을 이용하여도 좋다. 이 경우에는 오프 기판상에, 에피택셜 성장으로 형성한 화합물 반도체에 대해, 안티페이즈 도메인을 저감 가능하다.

Claims (17)

  1. 실리콘 기판과,
    실리콘 기판상에 배치되고, 상기 실리콘 기판에 격자정합되고, 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광전변환층은 임계 막두께 이내의 초격자층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광전변환층은,
    밴드갭이 2.00eV±0.1eV의 적색광을 분광하는 제 1 광전변환 서브층과,
    밴드갭이 2.20eV±0.15eV의 녹색광을 분광하는 제 2 광전변환 서브층과,
    밴드갭이 2.51eV±0.2eV의 청색광을 분광하는 제 3 광전변환 서브층을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 실리콘 기판측부터, 상기 제 1 광전변환 서브층, 상기 제 2 광전변환 서브층, 상기 제 3 광전변환 서브층이 순서대로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 광전변환 서브층과 상기 제 2 광전변환 서브층 사이의 계면, 및 상기 제 2 광전변환 서브층과 상기 제 3 광전변환 서브층의 계면의 와이드 갭측에 캐리어의 장벽이 형성되고,
    상기 실리콘 기판과 상기 제 1 광전변환 서브층과의 계면의 와이드 갭측에 캐리어의 장벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광전변환층은 단계적 또는 서서히 변하는 밴드갭 및 에너지 단차를 갖고,
    역바이어스의 전압 구동으로 애벌런쉬 증배가 생기는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    적색의 R신호를 판독하는 역바이어스 전압을 VR,
    녹색의 G신호를 판독하는 역바이어스 전압을 VG,
    청색의 B신호를 판독하는 역바이어스 전압을 VB로 하고,
    또한 VB>VG>VR이고,
    VR, VG, VB의 순으로 상기 광전변환층에 역바이어스 전압을 인가하여, R신호, G신호, B신호가 차례로 판독되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광전변환층이 포텐셜의 단차를 가지며,
    상기 제 1 광전변환 서브층, 상기 제 2 광전변환 서브층 및 상기 제 3 광전변환 서브층에 의해 깊이 방향에서 RGB분광되고,
    상기 캐리어의 장벽에 의해 광전자가 축적되고,
    상기 VR, VG, VB의 순으로 3단계로 역바이어스 전압을 인가하여, R신호, G신호, B신호가 차례로 판독되고,
    포텐셜 단차에 의해 애벌런쉬 증배가 생기는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    지지 기판과,
    상기 지지 기판상에 형성된 배선부와,
    상기 배선부상에 형성되고, 입사광을 광전변환하여 전기신호를 얻는 광전변환부를 구비한 화소부와,
    상기 화소부의 주변에 형성된 주변 회로부를 갖는 실리콘층을 가지며,
    상기 광전변환부는 상기 실리콘층의 광입사측의 최상위 표면에 형성되고, 상기 실리콘 기판에 형성된 제 1 전극층과, 상기 광전변환층과, 상기 광전변환층상에 형성된 제 2 전극층을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 수평 방향에 PIN 구조 또는 PN 구조를 가지며,
    또한 상기 제 2 광전변환 서브층과 상기 제 3 광전변환 서브층의 계면 부근의 와이드 갭측, 상기 제 1 광전변환 서브층과 상기 제 2 광전변환 서브층의 계면 부근의 와이드 갭측, 또는 상기 제 1 광전변환 서브층과 상기 실리콘 기판의 계면 부근의 와이드 갭측에 조성을 제어하여 이루어지는 26meV보다도 큰 에너지를 갖는 장벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    광전변환층을 갖는 제 1 광전 변환부와,
    광전변환층을 갖는 제 2 광전 변화부와,
    광전변환층을 갖는 제 3 광전 변화부를 포함하고,
    상기 제 1 광전 변환부 내지 제 3 광전 변환부는 상기 실리콘 기판의 면방향으로 배치되고,
    상기 제 1 광전변환부의 상기 광전변환층은 적색광을 분광하는 제 1 광전변환 서브층이고,
    상기 제 2 광전변환부의 상기 광전변환층은 녹색광을 분광하는 제 2 광전변환 서브층이고,
    상기 제 3 광전변환부의 상기 광전변환층은 청색광을 분광하는 제 3 광전변환 서브층인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  12. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 광전변환 서브층은 CuAlxGayInzS2이고, 또한 0≤x≤0.12, 0.38≤y≤0.52, 0.48≤z≤0.50이면서 x+y+z=1이고,
    상기 제 2 광전변환 서브층은 CuAlxGayInzS2이고, 또한 0.06≤x≤0.41, 0.01≤y≤0.45, 0.49≤z≤0.58이면서 x+y+z=1이고,
    상기 제 3 광전변환 서브층은 CuAlxGaySuSev이고, 또한 0.31≤x≤0.52, 0.48≤y≤0.69, 1.33≤u≤1.38, 0.62≤v≤0.67, 또한 x+y+u+v=3, 또는 x+y=1 및 u+v=2인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1 광전변환 서브층은 CuGa0.52In0.48S2이고,
    상기 제 2 광전변환 서브층은 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2이고,
    상기 제 3 광전변환 서브층은 CuAl0.36Ga0.64S1.28Se0.72인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  14. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 광전변환 서브층은 CuGayInzSuSev이고, 또한 0.52≤y≤0.76, 0.24≤z≤0.48, 1.70≤u≤2.00, 0≤v≤0.30, 또한 y+z+u+v=3, 또는 y+z=1 및 u+v=2이고,
    상기 제 2 광전변환 서브층은 CuGayInzZnwSuSev이고, 또한 0.64≤y≤0.88, 0≤z≤0.36, 0≤w≤0.12, 0.15≤u≤1.44, 0.56≤v≤1.85이면서 y+z+w+u+v=2이고,
    상기 제 3 광전변환 서브층은 CuGayZnwSuSev이고, 또한 0.74≤y≤0.91, 0.09≤w≤0.26, 1.42≤u≤1.49, 0.51≤v≤0.58이면서 y+w+u+v=3인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  15. 실리콘 기판상에, 상기 실리콘 기판에 격자정합 되는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌계 혼정으로 이루어지는 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 면방향으로 배열하도록, 광전변환층을 포함하는 제 1 광전변환부, 광전변환층을 포함하는 제 2 광전변환부, 및 광전변환층을 포함하는 제 3 광전변환부를 형성하는 공정을 갖고,
    상기 제 1 광전변환부의 상기 광전변환층은 적색광을 분광하는 제 1 광전변환 서브층으로 형성되고,
    상기 제 2 광전변환부의 상기 광전변환층은 녹색광을 분광하는 제 2 광전변환 서브층으로 형성되고,
    상기 제 3 광전변환부의 상기 광전변환층은 청색광을 분광하는 제 3 광전변환 서브층으로 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  17. 촬상 장치에 있어서,
    입사광을 집광하는 집광 광학부와,
    상기 집광 광학부에서 집광한 광을 수광하여 광전변환하는 고체 촬상 장치와,
    광전변환된 신호를 처리하는 신호 처리부를 가지며,
    상기 고체 촬상 장치는,
    실리콘 기판상에서, 상기 실리콘 기판에 격자정합되는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-유황-셀렌계 혼정 또는 구리-알루미늄-갈륨-인듐-아연-유황-셀렌계 혼정의 캘코파이라이트계 화합물 반도체로 이루어지는 광전변환층을 갖는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
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