WO2014109157A1

WO2014109157A1 - 撮像装置

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Publication number: WO2014109157A1
Application number: PCT/JP2013/083032
Authority: WO
Inventors: 梶山　康一; 水村　通伸; 正康金尾; 晋石川
Original assignee: V Technology Co Ltd
Current assignee: V Technology Co Ltd
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2015-07-08
Also published as: TW201431056A; JP2014135571A; KR20150104098A; US20150357361A1; CN104904198A

Abstract

　一つの撮像センサで可視光画像と近赤外以上の長波長域画像を取得するに際して、鮮明な近赤外以上の長波長域画像を得る。撮像装置の撮像センサ１は、一つの半導体基板１０に複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）が形成されている。複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の中の一群の光電変換部２Ａのそれぞれが近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す。複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の中には可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂを備えている。

Description

撮像装置

　本発明は、撮像センサを備えた撮像装置に関するものである。

　近赤外光及び可視光に感度を有する撮像素子を備えた撮像装置が知られている。下記特許文献１には、赤外光及び可視光に感度を有する固体撮像素子に近赤外光を透過するカラーフィルタが載せられ、その前方に配置される赤外線カットフィルタの位置を調整する位置調整手段を備えたものが記載されている。

　下記特許文献２には、赤及び緑の両方の光の波長を透過するカラーフィルタを配置した画素と、青及び緑の両方の光の波長を通過するカラーフィルタを配置した画素と、近赤外光及び緑の両方の光の波長を透過するカラーフィルタを配置した画素と、近赤外光のみの光の波長を透過するカラーフィルタを配置した画素とを配置した固体撮像素子が記載されている。

　下記特許文献３には、可視光域から赤外光域に感度を有する光電変換部を複数配列し、複数配列された光電変換部の中の第１のグループに赤透過フィルタ、第２のグループに緑透過フィルタ、第３のグループに青透過フィルタ、第４のグループに赤外光透過フィルタをそれぞれ配置した撮像センサが記載されている。

特開２０００－５９７９８号公報特開２００９－２５３４４７号公報特開２０１０－６２６０４号公報

　前述した従来技術は、複数の光電変換部を備えた撮像センサ（固体撮像素子）における各光電変換部がいずれも可視光域から近赤外光域の光に対する感度を備えており、この光電変換部における近赤外域での感度で近赤外光の画像を得ようとしている。そのため、長波長側の限界波長近くでの低い感度で近赤外画像を得ることになり、鮮明な近赤外画像を得ることができない問題があった。

　更に前述した従来技術はいずれもカラーフィルタや赤外線透過フィルタを介して光電変換部に光が入射されるものであるため、光電変換部の出力はカラーフィルタや赤外線透過フィルタの光透過特性（分光透過率特性）と光電変換部における感度特性（分光感度特性）とを掛け合わせた出力にならざるを得ず、長波長側における光電変換部の分光感度特性を存分に活用できない。これによっても鮮明な近赤外画像を得ることができない問題があった。

　また、特許文献１に記載された従来技術のようにフィルタ位置の調整によって可視光画像と近赤外画像の取得を切り換えるものでは、例えば、夜間で照明の当たっている被撮像体の画像と照明が当たっていない被撮像体の画像をリアルタイムで撮像する場合など、状況の変化にフィルタの調整が対応できず、所望の画像を得ることができない問題があった。

　本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、一つの撮像センサで可視光画像と近赤外以上の長波長域画像を取得するに際して、鮮明な近赤外以上の長波長域画像を得ることができること、フィルタやフィルタの調整を省き、照明等の状況が変化する夜間での画像をリアルタイムで撮像することができること、等が本発明の目的である。

　このような目的を達成するために、本発明による撮像装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

　複数の光電変換部を一つの半導体基板に形成した撮像センサを備え、前記複数の光電変換部の中の一群の光電変換部のそれぞれが近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示すことを特徴とする撮像装置。

　本発明の撮像装置によると、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部を一群の光電変換部として一つの半導体基板に形成している。これにより、フィルタを設けること無く長波長域の画像を高感度で撮像することができ、鮮明な近赤外以上の長波長域画像を得ることができる。

　また、フィルタの調整等を行わなくても、一群の光電変換部によってリアルタイムで近赤外以上の長波長域の画像を得ることができるので、照明等の状況が変化する夜間での画像をリアルタイムで撮像することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置における撮像センサの構成例を示した説明図である。図１（ａ）が平面構成を示し、図１（ｂ）が一つの光電変換部における断面構成を示している。本発明の実施形態における光電変換部の分光感度特性の一例を示した説明図である。本発明の実施形態における一群の光電変換部の形成工程の一例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る撮像装置における撮像センサの他の形態例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る撮像装置における撮像センサの他の形態例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る撮像装置における撮像センサの具体的な構成例を示した説明図（断面説明図）である。本発明の実施形態に係る撮像装置のシステム構成を示した説明図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る撮像装置における撮像センサの構成例を示した説明図である。図１（ａ）が平面構成を示し、図１（ｂ）が一つの光電変換部における断面構成を示している。本発明の実施形態に係る撮像装置の撮像センサ１は、一つの半導体基板１０に複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）が形成されている。図１に示した例では、縦・横に複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）が二次元アレイ状（ドットマトリクス状）に配列されており、一つの光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）が撮像センサ１によって撮像される画像の画素１Ｐに対応している。

　この撮像センサ１においては、複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の中の一群の光電変換部２Ａのそれぞれが近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す。図示の例における撮像センサ１は、複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の中に可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂを備えており、複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）のそれぞれに、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の受光信号を出力する回路部３が設けられている。図１に示した例では、互いに隣接配置される２つの画素の一方が近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す一群の光電変換部２Ａに属している。

　光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）は、半導体基板１０に形成されるｐｎ接合部１０ｐｎを備えている。半導体基板１０は例えば第１物質がドープされたｎ型Ｓｉ基板１０ｎであり、このｎ型Ｓｉ基板１０ｎに第２物質をドープすることでｐ型半導体層１０ｐを形成している。ｐｎ接合部１０ｐｎはｎ型Ｓｉ基板１０ｎとｐ型半導体層１０ｐの境界部に形成される。図示の例では、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の表面側には絶縁膜（透明絶縁膜）４で区画された電極（アノード）５が設けられ、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の背面側には接地された電極（カソード）６が設けられており、電極（アノード）５が回路部３に接続されている。図示の例では個々の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）はアイソレーションされていないが、これに限らず、個々の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）は絶縁層や溝空間などでアイソレーションしたものであってもよい。

　このような撮像センサ１を備えた撮像装置は、一つの半導体基板１０に異なる分光感度特性を有する光電変換部２Ａ，２Ｂが形成されている。図２は、光電変換部２Ａ，２Ｂの分光感度特性の一例を示した説明図である。分光感度特性は、横軸を波長［ｎｍ］とし縦軸を量子効率［％］としたグラフで表すことができ、図２（ａ）が光電変換部２Ｂの分光感度特性を示し、図２（ｂ）が光電変換部２Ａの分光感度特性を示している。

　図２（ａ）に示すように、光電変換部２Ｂは可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す。これに対して、図２（ｂ）に示すように、複数の光電変換部２の中の一群の光電変換部２Ａは、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す。図２（ｂ）に示した例では、可視光域にピークを持つと共に近赤外以上の長波長域にもピークを持つ分光感度特性を示しているが、図２（ｂ）に示す分光感度特性を持つ光電変換部２Ａの出力から図２（ａ）に示す分光感度特性を持つ光電変換部２Ｂの出力を差し引くと、図２（ｃ）に示すような近赤外以上の長波長域のみにピークを持つ分光感度特性の出力を得ることができる。よって、光電変換部２Ａ，２Ｂの出力を演算処理することで図２（ｃ）に示すような近赤外以上の長波長域のみにピークを持つ分光感度特性の光電変換部を備えたと同等の効果を得ることができる。

　このように一つの半導体基板１０に異なる分光感度特性を示す光電変換部２Ａ，２Ｂを形成するには、ｐｎ接合部１０ｐｎを形成するために半導体基板１０にドープされる第１物質及び第２物質のドープ条件を変えることで実現可能になる。

　図３は、前述した一群の光電変換部２Ａの形成工程の一例を示した説明図である。半導体基板１０における光電変換部２Ａを形成するには、先ず、半導体基板１０としてＳｉ（シリコン）基板を用い、Ｓｉ基板に１５族元素、例えば、Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン）から選択される第１物質をドープしてｎ型Ｓｉ基板１０ｎを形成し、このｎ型Ｓｉ基板１０ｎに第２物質をドープすることでｐ型半導体層１０ｐを形成する。

　シリコン（Ｓｉ）は、間接遷移型の半導体であって量子効率が低く、単にｐｎ接合部を形成しただけでは有用な受光感度は得られないが、Ｓｉ基板１０ｎにフォノンを援用したアニールを施して、ｐｎ接合部近傍にドレスト光子を発生させ、間接遷移型半導体であるＳｉをあたかも直接遷移型半導体であるかのように変化させることで、高効率・高出力なｐｎ接合型受光機能が得られる。

　より具体的には、１５族元素、例えば、Ａｓ（ヒ素），Ｐ（リン），Ｓｂ（アンチモン）から選択される第１物質をドープしたｎ型Ｓｉ基板１０ｎに１３族元素、例えば、Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）から選択される第２物質を高濃度ドープしてｐ型半導体層１０ｐを形成する。その後、ｐｎ接合部１０ｐｎを挟むように透明電極である第１の電極５Ａと第２の電極６Ａを形成して、第１の電極５Ａと第２の電極６Ａの間に順方向電圧Ｖａを印加してｐｎ接合部１０ｐｎに電流を流し、その電流によるジュール熱でｐ型半導体層１０ｐにアニール処理を施す。

　アニール処理で１３族元素、例えば、Ｂ（ボロン），Ａｌ（アルミニウム），Ｇａ（ガリウム）から選択される第２物質を拡散させる過程で、ｐｎ接合部１０ｐｎに特定波長λの光を照射する。アニール過程での光照射によってｐｎ接合部１０ｐｎ近傍にドレスト光子を発生させることができる。このようにドレスト光子が発生したｐｎ接合部１０ｐｎは、アニール過程で照射した光の波長λに量子効率のピークを有する分光感度特性を示す。この際、１３族元素の第２物質としてＢ（ボロン）を選択した場合のドープ条件の一例は、ドーズ密度：５×１０¹³／ｃｍ²、打ち込み時の加速エネルギー：７００ｋｅＶとする。

　そして、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａを得るためには、アニール過程で照射する光の波長λを近赤外以上の長波長域の光に特定する。また、可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂを得るためには、アニール過程で照射する光の波長λを可視光域の光に特定する。このように、アニール過程で照射する光の波長を異ならせることで、一つの半導体基板１０に分光感度特性の異なる光電変換部２Ａ，２Ｂを形成することができる。図示の例では個々の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）はアイソレーションされていないが、これに限らず、個々の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）は絶縁層や溝空間などでアイソレーションしたものであってもよい。

　図４は、本発明の実施形態における撮像センサの他の形態例を示した説明図である。なお、図４においては前述した回路部の図示を省略している。図４（ａ），（ｂ）に示した例は、複数の光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の集合が撮像センサ１によって撮像される画像の画素１Ｐに対応し、画素１Ｐ内の一つが近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す一群の光電変換部２Ａになる。

　図４（ａ）に示した例では、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａと可視光域にピークを持つ分光感度を示す光電変換部２Ｂが並列配置されており、２つの光電変換部２Ａ，２Ｂが一つの画素１Ｐを構成している。図４（ｂ）に示した例では、一つの画素１Ｐ内で、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａの受光面積を比較的広くし、可視光域にピークを持つ分光感度を示す光電変換部２Ｂの受光面積を比較的狭くしている。近赤外以上の長波長域の受光量を大きくしたい場合には図４（ｂ）に示すように光電変換部２Ａの受光面積を比較的広くすることが有効である。

　図５は、本発明の実施形態における撮像センサの他の形態例を示した説明図である。なお、図５においては前述した回路部の図示を省略している。図５に示した例は、画素１Ｐ毎に光電変換部２が配置されており、前述した一群の光電変換部２Ａが、近赤外域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａ１と中間赤外域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａ２を有する。すなわち、撮像センサ１は、可視光域（４００～７８０ｎｍ）に感度のピークを有する光電変換部２Ｂと近赤外域（７８０～２６００ｎｍ）に感度のピークを有する光電変換部２Ａ１と中間赤外域（２６００～３０００ｎｍ）に感度のピークを有する光電変換部２Ａ２が複数の画素１Ｐに混在している。

　図５に示した例によると、光電変換部２Ｂ，２Ａ１によって観察物の形状画像を得ることができ、同時に光電変換部２Ａ２によって観察物の温度分布画像を得ることができる。中間赤外域に感度のピークを有する光電変換部２Ａ２を得るためには、図３に示した形成工程において、アニール過程で照射する光の波長λを中間赤外域に特定する。

　図６は、本発明の実施形態における撮像センサの具体的な構成例を示した説明図（断面説明図）である。図６（ａ）に示した撮像センサ１（１－１）は、図１（ｂ）に示した構成例と同様に、カソードに接続されるｎ型Ｓｉ基板１０ｎ（半導体基板１０）にｐ型半導体層１０ｐを形成することでｐｎ接合部１０ｐｎを形成し、ｐ型半導体層１０ｐ上には絶縁膜４Ａで区画された電極（透明電極；アノード）５Ｂが設けられ、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）が構成されている。そして、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の表面側には、絶縁膜４Ａ上に遮光膜７が設けられ、遮光膜７及び電極５Ｂを覆うようにマイクロレンズ８が配備されている。

　図６（ｂ）に示した撮像センサ１（１－２）は、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）がアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を構成している。この光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）は、ｎ型Ｓｉ基板１０ｎ上にｐ型半導体層１０ｐを形成して光吸収層とし、基板上面のアノード領域を囲んでメサ溝２０を形成し、このメサ溝２０の内面にメサ保護用酸化膜２１を形成してアノード領域を分離している。そして、ｐ型半導体層１０ｐ表層にｐ型高濃度拡散層（ｐ＋層）１０ｐｐを形成してアノードとし、ｎ型Ｓｉ基板１０ｎをカソードとして、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）毎に単一のＡＰＤを形成している。

　図７は、本発明の実施形態に係る撮像装置のシステム構成を示した説明図である。図７（ａ）に示すように、撮像装置１００は、対物光学系３０、前述した撮像センサ１、ＡＤ変換部３１、信号処理部３２、出力画像形成部３３、画像表示部３４などによって構成されている。

　対物光学系３０は、観察対象物の形状又は温度の情報を含む光（可視光，近赤外線，中間赤外線を含む）を撮像センサ１における光電変換部２に結像させるための対物レンズなどを備えている。撮像センサ１は、前述したとおりであり、光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）を備えている。ＡＤ変換部３１は、撮像センサ１から出力されるアナログ信号をデジタル変換して信号処理部３２に出力する。信号処理部３２は、デジタル変換された撮像センサ１の出力に増幅，ノイズ除去，各種補正などの信号処理を施して画像信号を形成し、これを出力画像形成部３３に出力する。出力画像形成部３３は、信号処理された画像信号によって出力画像を形成する。画像表示部３４は形成された出力画像を表示するディスプレイなどを備える。

　図１又は図４に示した撮像センサ１を備えた撮像装置１００における出力画像形成部３３は、図７（ｂ）に示すように、可視光画像形成部３３Ａと近赤外画像形成部３３Ｂを備えている。可視光画像形成部３３Ａは、可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂから得られる画像信号によって可視光画像を形成する。近赤外画像形成部３３Ｂは、近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａから得られる画像信号によって近赤外画像を形成する。また、近赤外画像形成部３３Ｂは、可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂから得られる画像信号と近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａから得られる画像信号の差分を取ることで、近赤外域のみの画像を形成することが可能になる。

　図５に示した撮像センサ１を備えた撮像装置１００における出力画像形成部３３は、図７（ｃ）に示すように、可視光画像形成部３３Ａと近赤外画像形成部３３Ｂと温度分布画像形成部３３Ｃを備えている。可視光画像形成部３３Ａは、前述したように可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ｂから得られる画像信号によって可視光画像を形成する。近赤外画像形成部３３Ｂは、近赤外域（７８０～２６００ｎｍ）にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａ１から得られる画像信号によって近赤外画像を形成する。温度分布画像形成部３３Ｃは、中間赤外域（２６００～３０００ｎｍ）にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部２Ａ２から得られる画像信号によって温度分布画像を形成する。

　前述した撮像センサ１の駆動方式としては、既知の方式を採用することができ、例えば、ＣＣＤ方式或いはＣＭＯＳ方式を採用することができる。

　以上説明した本発明の実施形態に係る撮像装置は、撮像センサ１において、一つの半導体基板１０に二次元アレイ状に形成された光電変換部２（２Ａ，２Ｂ）の中に近赤外以上の長波長域にピーク感度を持つ光電変換部２Ａを分散配置させることで、撮像センサ１の分光感度特性を長波長側に向けて効果的に拡大している。これによって、一つの撮像センサ１で鮮明な近赤外以上の長波長域画像を得ることが可能になる。

　また、撮像センサ１は、一つの半導体基板１０に可視光域にピーク感度を持つ光電変換部２Ｂと近赤外以上の長波長側にピーク感度を持つ光電変換部２Ａを分散配置させることで、可視光域から近赤外以上の長波長域まで高感度なセンサを実現している。この際、光電変換部２Ａ，２Ｂの分光感度特性の違いを利用することで、フィルタやフィルタの調整が不要になって各画素（各光電変換部２）への入射光量が大きくなるので、シンプルな構造でありながら高光電変換効率且つ高感度なセンサを得ることができる。

　更には、一つの撮像センサ１で、可視光域の画像と近赤外以上の長波長域の画像を同時取得できるので、例えば、照明状態が変化する夜間時や天候状態が変化する悪天候時に移動する物体を観察する場合などにおいて、可視光画像と近赤外以上の長波長域画像をリアルタイムで切り換えながら表示することが可能になる。

　以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：撮像センサ，１００：撮像装置，
２，２Ａ，２Ｂ，２Ａ１，２Ａ２：光電変換部，
３：回路部，４，４Ａ：絶縁膜，５，５Ａ，６，６Ａ：電極，
７：遮光膜，８：マイクロレンズ，
１０：半導体基板，１０ｎ：ｎ型Ｓｉ基板，１０ｐ：ｐ型半導体層，
１０ｐｎ：ｐｎ接合部

Claims

　複数の光電変換部を一つの半導体基板に形成した撮像センサを備え、
　前記複数の光電変換部の中の一群の光電変換部のそれぞれが近赤外以上の長波長域にピークを持つ分光感度特性を示すことを特徴とする撮像装置。
　前記撮像センサは、前記複数の光電変換部の中に可視光域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部を備えることを特徴とする請求項１に記載された撮像装置。
　一つの前記光電変換部が前記撮像センサによって撮像される画像の画素に対応し、隣接配置される２つの前記画素の一方が前記一群の光電変換部になることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
　複数の前記光電変換部の集合が前記撮像センサによって撮像される画像の画素に対応し、当該画素内の一つの光電変換部が前記一群の光電変換部になることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
　前記一群の光電変換部が、近赤外域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部と中間赤外域にピークを持つ分光感度特性を示す光電変換部を有することを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の撮像装置。
　前記半導体基板は、第１物質をドープしたｎ型Ｓｉ基板であり、
　前記光電変換部は、前記半導体基板を共通の半導体層とするｐｎ接合部を有し、
　前記一群の光電変換部は、前記半導体基板に第２物質を高濃度ドープすることで形成されるｐ型半導体層を有し、前記第２物質を拡散させるアニール処理の過程で近赤外以上の長波長域の光が照射されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載された撮像装置。
　前記第１物質が１５族元素であり、前記第２物質が１３族元素であることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。