WO2016111010A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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公成 田宮
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device.
  • a plurality of techniques relating to solid-state imaging devices that receive visible light and near-infrared light have been disclosed.
  • a normal image obtained by visible light hereinafter referred to as “visible light image”
  • an image including information such as a distance to a subject obtained by near-infrared light hereinafter, referred to as “visible light image”.
  • Patent Document 1 discloses a normal pixel that receives visible light (hereinafter referred to as “visible light detection pixel”) and a near-infrared light pixel that receives near-infrared light (hereinafter referred to as “near-infrared light”).
  • visible light detection pixel receives visible light
  • near-infrared light receives near-infrared light
  • a solid-state imaging device is disclosed in which each of the “photodetection pixels” is arranged on the same plane in the pixel region.
  • red (R) that is treated as one set in a general solid-state imaging device that does not receive near-infrared light, vertically and horizontally
  • a set of four visible light detection pixels of green (G), blue (B), and green (G) and a near-infrared light pixel are arranged in a staggered manner at positions that do not overlap in the pixel region.
  • Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 disclose a solid-state imaging device in which each of a visible light detection pixel and a near-infrared light detection pixel is formed by changing the position in the depth direction in the same silicon substrate. It is disclosed. More specifically, a depletion layer at a deep position where ions are implanted with high energy and a depletion layer near the surface where ions are implanted with normal energy (shallow position) are formed on the same silicon substrate. . Visible light is detected by a visible light detection pixel in which a depletion layer is formed at a shallow position, and near infrared light is detected by a near infrared light pixel in which a depletion layer is formed at a deep position.
  • the color filters (color filters) to be attached corresponding to the respective visible light detection pixels are formed of visible light and near infrared light. It has the property of transmitting both. This is because when the pixel region of the solid-state imaging device is viewed from the light receiving surface, visible light detection pixels and near infrared light detection pixels are formed at the same position. It is for detecting each of.
  • Patent Document 1 the techniques disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 2 to which the technology of Non-Patent Document 1 is applied detect visible light and near-infrared light with one solid-state imaging device.
  • visible light and near-infrared light can be separated with high accuracy and each light cannot be detected due to the following problems. .
  • the near-infrared light detection pixel has sensitivity to a wide range of light from visible light to near infrared light. For this reason, the near-infrared light detection pixel detects not only near-infrared light but also visible light, that is, the charge of visible light is mixed with the charge of near-infrared light, and only near-infrared light is detected. It cannot be detected. Further, in the arrangement of the pixels of the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1, no visible light detection pixel exists at the position where the near-infrared light detection pixel is disposed. Therefore, the solid-state imaging device disclosed in Patent Document 1 is used. In the process of generating a visible light image with the mounted imaging system, the position where the near-infrared light detection pixel is arranged is treated as a defective pixel.
  • the solid-state imaging devices disclosed in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 are configured to separately detect visible light and near infrared light depending on the difference in depth direction.
  • a potential barrier that functions to separate visible light and near infrared light cannot be disposed between the pixel and the near infrared light detection pixel, as in the technique disclosed in Non-Patent Document 1, for example.
  • charge leakage due to near-infrared light occurs in the visible light detection pixel.
  • leakage of charges due to visible light also occurs in the near infrared light detection pixels.
  • the solid-state imaging device disclosed in each of Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 2 to which the technology of Non-Patent Document 1 is applied is, for example, specific imaging such as sufficiently bright illumination. If not used under conditions, visible light and near-infrared light cannot be separated and detected with high accuracy.
  • the present invention has been made based on the above-described problems, and has an object to provide a solid-state imaging device capable of separating visible light and near-infrared light with high accuracy and detecting each light. Yes.
  • the solid-state imaging device includes a first semiconductor substrate in which a first photoelectric conversion layer that photoelectrically converts incident light in the first wavelength band is formed in a two-dimensional matrix, A second photoelectric conversion layer that photoelectrically converts incident light is disposed between a second semiconductor substrate formed in a two-dimensional matrix, and the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate. And a conductive layer having conductivity corresponding to the second photoelectric conversion layer, and disposed between the second semiconductor substrate and the conductive layer, and having insulation corresponding to the second photoelectric conversion layer.
  • An insulating film, and light transmitted through the first photoelectric conversion layer, the conductive layer, and the insulating film is incident on the second semiconductor substrate, and a predetermined voltage is applied to the conductive layer, When the predetermined voltage is applied to the conductive layer, the second photoelectric conversion is performed.
  • the wavelength of light in the second wavelength band that is photoelectrically converted by the layer is greater than the wavelength of light in the wavelength band that is photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer when the predetermined voltage is not applied to the conductive layer. long.
  • the solid-state imaging device in the solid-state imaging device according to the first aspect, light from a predetermined first wavelength to a predetermined second wavelength longer than the first wavelength is emitted.
  • the first imaging device is disposed between the first semiconductor substrate and the conductive layer and has a wavelength equal to or smaller than a predetermined third wavelength.
  • a second optical filter that shields light; and the third wavelength may be not less than the first wavelength and not more than the second wavelength.
  • the lower limit wavelength that the second optical filter shields is the lower limit wavelength that the second photoelectric conversion layer performs photoelectric conversion.
  • the following wavelengths may be used.
  • the second optical filter may shield light having at least a red wavelength.
  • the first photoelectric conversion layer and the second photoelectric conversion layer are: It is a PN junction type photoelectric conversion unit, and the thickness of the first N-type semiconductor layer forming the first photoelectric conversion layer is the same as that of the second N-type semiconductor layer forming the second photoelectric conversion layer. It may be thinner than the thickness.
  • the concentration of impurities when forming the first N-type semiconductor layer is the same as that of the second N-type semiconductor layer.
  • the concentration of the impurity may be the same as the concentration of the impurity when forming the second N-type semiconductor layer or higher than the concentration of the impurity when forming the second N-type semiconductor layer.
  • the first photoelectric conversion layer transmits light having a red wavelength.
  • Any one of the first color filter, the second color filter that transmits light of the green wavelength, or the third color filter that transmits light of the blue wavelength is in the first wavelength band.
  • the first color filter, the second color filter, and the third color filter are disposed on a light incident side, and each of the first color filter, the third color filter, and the second wavelength band may transmit at least the second wavelength band. Good.
  • the solid-state imaging device in the solid-state imaging device according to any one of the first aspect to the eighth aspect, is disposed between the first semiconductor substrate and the conductive layer. You may further provide the anti-reflective film which prevents reflection of the light which permeate
  • the gate voltage control unit that controls the predetermined voltage applied to the conductive layer. , May be further provided.
  • the gate voltage control unit is provided for each conductive layer corresponding to the second photoelectric conversion layer, or for each of the plurality of conductive layers.
  • the predetermined voltage having a different voltage value may be applied.
  • the second photoelectric conversion is performed when near infrared light is irradiated. Based on the first electrical signal photoelectrically converted by the layer and the second electrical signal photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer when the near-infrared light is not irradiated, the near-infrared light And an arithmetic processing unit that generates an electrical signal including only.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment includes a normal image obtained by visible light (hereinafter referred to as “visible light image”) and an image obtained by near infrared light (hereinafter, “near infrared light image”). It is a solid-state imaging device which can acquire. This near-infrared light image includes information on the distance to the subject.
  • the solid-state imaging device 10 is configured by stacking a plurality of semiconductor substrates.
  • FIG. 1 shows a solid-state imaging device 10 having a configuration in which a first semiconductor substrate 11 and a second semiconductor substrate 12 are stacked (bonded).
  • a circuit for realizing the function of the solid-state imaging device 10 is formed on each of the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12.
  • a circuit for realizing the function of the solid-state imaging device 10 a pixel in which a plurality of pixels including photoelectric conversion units such as photodiodes that convert incident light (light rays) into electric signals is arranged in a two-dimensional matrix.
  • the circuit for realizing the function of the solid-state imaging device 10 includes a signal processing circuit that performs signal processing on the pixel signal processed by the column processing circuit.
  • FIG. 1 shows a vertical structure when a part of the pixel array portion formed in the solid-state imaging device 10 is viewed from the side.
  • the solid-state imaging device 10 only visible light is emitted from a normal pixel (hereinafter referred to as “visible light detection pixel”) formed on the first semiconductor substrate 11 disposed on the upper surface when viewed from the light incident side. Detect and photoelectrically convert.
  • a near-infrared light pixel hereinafter, “near-infrared light detection pixel” formed on the second semiconductor substrate 12 disposed on the lower surface when viewed from the light incident side. In this case, only near-infrared light is detected and subjected to photoelectric conversion.
  • a photoelectric conversion unit (photodiode) of a visible light detection pixel is formed by a PN junction between a first semiconductor substrate 11 that is a P-type semiconductor and an N-type semiconductor 110 that is formed on the first semiconductor substrate 11.
  • a plurality of photoelectric conversion units of the visible light detection pixels are formed in a two-dimensional matrix in the pixel array unit of the solid-state imaging device 10.
  • FIG. 1 shows a state in which three N-type semiconductors 110 are formed in the first semiconductor substrate 11, that is, three visible light detection pixels are formed in the first semiconductor substrate 11.
  • the structure of the first semiconductor substrate 11 is the same as that of a general solid-state imaging device. Accordingly, the first semiconductor substrate 11 is bonded to the second semiconductor substrate 12 so that the surface on which light is incident is a silicon layer, so-called backside illumination (BSI) type solid-state imaging. It is good also as an apparatus.
  • BSI backside illumination
  • a P-type semiconductor 120 is formed on the second semiconductor substrate 12 that is an N-type semiconductor, and an N-type semiconductor 121 is formed in the region of the P-type semiconductor 120, thereby forming an NPN semiconductor.
  • a plurality of NPN semiconductor structures are formed in a two-dimensional matrix corresponding to one or a plurality of photoelectric conversion portions of the visible light detection pixels formed in the first semiconductor substrate 11.
  • FIG. 1 shows three N-type semiconductors 110 formed in the first semiconductor substrate 11, that is, one NPN semiconductor for three visible light detection pixels formed in the first semiconductor substrate 11. The state where the structure is formed is shown.
  • the following condition is satisfied when the N-type semiconductor 121 is formed in the second semiconductor substrate 12.
  • the thickness W2 of the N-type semiconductor 121 formed in the second semiconductor substrate 12 is larger than the thickness W1 of the N-type semiconductor 110 formed in the first semiconductor substrate 11 (W2> W1).
  • the impurity concentration X2 when forming the N-type semiconductor 121 is the same as the impurity concentration X1 when forming the N-type semiconductor 110, or is lower than the impurity concentration X1 when forming the N-type semiconductor 110 ( X2 ⁇ X1).
  • the N-type semiconductor 110 formed on the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are formed by forming N-type semiconductors on the respective semiconductor substrates so as to satisfy these conditions.
  • the position of the depletion layer of the N-type semiconductor 121 is formed deeper than the position of the depletion layer of the N-type semiconductor 110.
  • a silicon oxide film 131 that is an insulating film and a polysilicon gate electrode 132 that is a conductive layer are formed on the surface of the second semiconductor substrate 12 where the N-type semiconductor 121 is formed.
  • each of the silicon oxide film 131 and the polysilicon gate electrode 132 formed in the solid-state imaging device 10 is an oxide film and a metal electrode having characteristics of transmitting near-infrared light without blocking.
  • a silicon oxide film 131 as an insulating film and a polysilicon gate electrode 132 as a conductive layer are formed on the second semiconductor substrate 12 as an oxide film and a metal electrode.
  • the formed configuration is shown.
  • the insulating film and the conductive layer formed in the solid-state imaging device 10 are not limited to the silicon oxide film 131 and the polysilicon gate electrode 132. That is, as with the silicon oxide film 131 and the polysilicon gate electrode 132, any other material can be used as long as the insulating film and the conductive layer can realize the characteristics and function of transmitting near-infrared light without blocking.
  • a combination of the formed insulating film (oxide film) and conductive layer (metal electrode) may be formed in the solid-state imaging device 10.
  • the polysilicon gate electrode 132 and the N-type semiconductor 121 constitute a photogate photoelectric conversion unit (photodiode) 101, and a P-type junction between the P-type semiconductor 120 and the N-type semiconductor 121 is used.
  • a PN junction type photoelectric conversion unit (photodiode) 102 is formed.
  • the PN junction type photoelectric conversion unit 102 is a photoelectric conversion unit (photodiode) of a near-infrared light detection pixel.
  • FIG. 1 each of a photogate photoelectric conversion unit 101 and a PN junction photoelectric conversion unit 102 (a photoelectric conversion unit of a near-infrared light detection pixel) configured in the second semiconductor substrate 12 is illustrated. , Schematically shown by the symbol of a diode.
  • the gate voltage VG is applied to the polysilicon gate electrode 132.
  • the position of the depletion layer 103 of the photoelectric conversion unit 102 becomes deeper in the second semiconductor substrate 12 than when the gate voltage VG is not applied.
  • the near-infrared light wavelength detected by the photoelectric conversion unit 102 is nearer to be detected when the gate voltage VG is applied than the near-infrared light wavelength detected when the gate voltage VG is not applied.
  • the wavelength of infrared light is longer.
  • FIG. 1 schematically shows a state where the depletion layer 103 of the photoelectric conversion unit 102 is at a deep position indicated by a broken line by the gate voltage VG applied to the polysilicon gate electrode 132.
  • the depth of the depletion layer 103 of the photoelectric conversion unit 102 can be controlled by controlling the voltage value of the gate voltage VG. That is, by controlling the voltage value of the gate voltage VG, the wavelength of near infrared light detected by the photoelectric conversion unit 102 can be controlled.
  • the first photoelectric conversion layer (photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel) that photoelectrically converts incident light in the first wavelength band (visible light) is in a two-dimensional matrix.
  • the formed first semiconductor substrate (first semiconductor substrate 11) and the second photoelectric conversion layer (photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel) for photoelectrically converting incident light are a two-dimensional matrix.
  • the second semiconductor substrate formed in a shape, and the photoelectric conversion unit of the near-infrared light detection pixel disposed between the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 102, a conductive layer (polysilicon gate electrode 132) having conductivity corresponding to 102, and is disposed between the second semiconductor substrate 12 and the polysilicon gate electrode 132, and is provided in the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • Corresponding insulating film (silicon oxide 131) and the light transmitted through the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, the polysilicon gate electrode 132, and the silicon oxide film 131 is incident on the second semiconductor substrate 12, and the polysilicon gate electrode 132 has a predetermined value.
  • the wavelength of near-infrared light is longer than the wavelength of light in the wavelength band in which the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel performs photoelectric conversion when the gate voltage VG is not applied to the polysilicon gate electrode 132.
  • An imaging device solid-state imaging device 10.
  • the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel are PN junction type photoelectric conversion units (photodiodes), and are capable of detecting visible light.
  • the thickness of the first N-type semiconductor layer (N-type semiconductor 110) that forms the photoelectric conversion unit of the pixel is the same as that of the second N-type semiconductor layer (N-type semiconductor layer) that forms the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • a solid-state imaging device 10 is formed that is thinner than the thickness of the semiconductor 121).
  • the concentration of impurities when forming the N-type semiconductor 110 is the same as the concentration of impurities when forming the N-type semiconductor 121, or when forming the N-type semiconductor 121.
  • a solid-state imaging device 10 having a concentration higher than the impurity concentration is configured.
  • the visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel formed on the first semiconductor substrate 11, and the near-infrared light formed on the second semiconductor substrate 12.
  • Near-infrared light is detected by the photoelectric conversion unit 102 of the detection pixel.
  • the photoelectric conversion unit 101 illustrated in FIG. 1 functions as a pixel that detects (absorbs) a small amount of visible light transmitted through the first semiconductor substrate 11. That is, the photoelectric conversion unit 101 transmits the first semiconductor substrate 11 together with the near infrared light without being detected (absorbed) by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and is detected by the photoelectric conversion unit 102.
  • the solid-state imaging device 10 separates visible light and near infrared light with high accuracy, detects visible light with the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and detects the photoelectric of the near infrared light detection pixel. Only near infrared light can be detected by the converter 102.
  • the electrical signal (pixel signal) obtained by photoelectrically converting the visible light detected by the photoelectric conversion unit 101 and slightly transmitted through the first semiconductor substrate 11 may be discarded.
  • One N-type semiconductor 121 that is, one near-infrared light detection pixel is formed for four visible light detection pixels adjacent to each other in the vertical and horizontal directions, which are handled as one set in the apparatus. The configuration of the case was shown. However, the near infrared light detection pixel may be formed corresponding to each visible light detection pixel, that is, one near infrared light detection pixel may be formed for one visible light detection pixel. .
  • a pixel signal detected and photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 101 corresponding to each near-infrared light detection pixel is not discarded, and a part of the visible light pixel signal photoelectrically converted by the corresponding visible light detection pixel You may make it the structure used as.
  • the solid-state imaging device 10 a color filter (color filter) corresponding to the wavelength (color) of visible light detected by each visible light detection pixel can be attached. Thereby, the solid-state imaging device 10 can acquire a color visible light image and a near-infrared image.
  • the configuration of the solid-state imaging device 10 illustrated in FIG. 1 is a configuration for acquiring a monochrome visible light image and a near-infrared image, but a color visible-light image and a near-infrared image with a similar configuration. You can also get
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 20 according to the second embodiment has a configuration in which a color filter 111 is attached to the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 also shows a part of the pixel array portion formed in the solid-state imaging device 20 as a vertical structure when viewed from the side.
  • the solid-state imaging device 20 of the second embodiment is also a solid-state imaging device that can acquire a visible light image and a near-infrared light image, like the solid-state imaging device 10 of the first embodiment.
  • each of the visible light detection pixel photoelectric conversion portions (the N-type semiconductor 110 formed in the first semiconductor substrate 11) formed on the first semiconductor substrate 11 is positioned at each position.
  • a color filter 111 that transmits visible light having a wavelength (color) detected by each visible light detection pixel is attached. For this reason, the solid-state imaging device 20 can acquire a color visible light image and a near-infrared image.
  • the color filter 111 attached to the position of each visible light detection pixel of the solid-state imaging device 20 has a characteristic of transmitting both visible light and near infrared light having a corresponding wavelength (color).
  • FIG. 2 shows a color filter 111G that transmits both visible light and near infrared light having a wavelength corresponding to green (G), and visible light and near infrared light having a wavelength corresponding to blue (B).
  • G green
  • B visible light and near infrared light having a wavelength corresponding to blue
  • the first photoelectric conversion layer (photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel) includes a first color filter (color filter 111R) that transmits light having a red (R) wavelength, and green. Any one color filter of the second color filter (color filter 111G) that transmits light of the wavelength (G) or the third color filter (color filter 111B) that transmits light of the wavelength of blue (B) (Color filter 111) is disposed on the side on which light (visible light) in the first wavelength band is incident, and each of color filter 111R, color filter 111G, and color filter 111B further includes at least a second wavelength band.
  • the solid-state imaging device (solid-state imaging device 20) which transmits the light (near-infrared light) is comprised.
  • the solid-state imaging device 20 only the green (G) visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel to which the color filter 111G formed on the first semiconductor substrate 11 is attached. Only visible light of blue (B) is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel to which the filter 111B is attached, and red (R) visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel to which the color filter 111R is attached. Only detect.
  • the visible light detection pixel photoelectric conversion unit 102 formed on the second semiconductor substrate 12 has the color filter 111 ⁇ / b> G, the color filter 111 ⁇ / b> B, and the color filter 111 ⁇ / b> R attached thereto. Near infrared light transmitted through the light detection pixel is detected.
  • the photoelectric conversion unit 101 transmits green (G) and blue that have been transmitted together with near-infrared light without being detected (absorbed) by the photoelectric conversion unit of each visible light detection pixel. It functions as a pixel that detects (absorbs) and suppresses slight visible light of (B) and red (R).
  • the solid-state imaging device 20 separates visible light and near-infrared light of each wavelength (color) with high accuracy, and the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel has each wavelength (color). Visible light can be detected, and only near infrared light can be detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel.
  • FIG. 3 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 30 of the third embodiment is also configured by stacking a plurality of semiconductor substrates.
  • solid-state imaging is performed in a solid-state imaging device 30 having a configuration in which a first semiconductor substrate 11 and a second semiconductor substrate 12 are stacked (bonded).
  • a vertical structure is shown when a part of the pixel array section formed in the device 30 is viewed from the side.
  • the configuration of the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 constituting the solid-state imaging device 30 includes the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor in the solid-state imaging device 10 of the first embodiment.
  • the same components as those of the substrate 12 are included. Therefore, in the following description, only the difference between the solid-state imaging device 30 and the solid-state imaging device 10 of the first embodiment will be described, and the same configuration as the solid-state imaging device 10 of the first embodiment is the same. A detailed description is omitted by adding symbols.
  • the solid-state imaging device 30 of the third embodiment is also a solid-state imaging device that can acquire a visible light image and a near-infrared light image, like the solid-state imaging device 10 of the first embodiment.
  • the silicon oxide film 133 is formed between the first semiconductor substrate 11 and the polysilicon gate electrode 132 formed on the second semiconductor substrate 12.
  • This silicon oxide film 133 is an antireflection film that prevents reflection of light at the interface with the first semiconductor substrate 11 on the side from which visible light and near infrared light that have passed through the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel are emitted. Function as. Thereby, all visible light and near infrared light transmitted through the first semiconductor substrate 11 are incident on the second semiconductor substrate 12.
  • the silicon oxide film 131 also serves as an antireflection film for preventing reflection of light at the interface between the second semiconductor substrate 12 on the side where visible light and near infrared light transmitted through the first semiconductor substrate 11 are incident. It is functioning. That is, the solid-state imaging device 30 reflects light between the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 by the multilayer structure of the silicon oxide film 131, the polysilicon gate electrode 132, and the silicon oxide film 133. It is preventing.
  • the first photoelectric conversion layer (visible light detection pixel) is disposed between the first semiconductor substrate (first semiconductor substrate 11) and the conductive layer (polysilicon gate electrode 132).
  • the solid-state imaging device (solid-state imaging device 30) further includes an antireflection film (silicon oxide film 133) that prevents reflection of light transmitted through the photoelectric conversion unit).
  • the visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel formed on the first semiconductor substrate 11, Only the near-infrared light is detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel formed on the second semiconductor substrate 12.
  • the solid-state imaging device 30 by forming the silicon oxide film 133, the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor layer 11 have a multilayer structure of the silicon oxide film 131, the polysilicon gate electrode 132, and the silicon oxide film 133.
  • An antireflection film is formed between the semiconductor substrate 12 and the semiconductor substrate 12.
  • the solid-state imaging device 30 transmits more visible light and near-infrared light to the second semiconductor substrate 12 than the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, and detects near-infrared light. More near infrared light can be detected by the photoelectric conversion unit 102 of the pixel.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 40 according to the fourth embodiment is configured to vary the voltage value of the gate voltage VG applied to the polysilicon gate electrode 132 in the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 also shows a vertical structure when a part of the pixel array portion formed in the solid-state imaging device 40 is viewed from the side.
  • the solid-state imaging device 40 of the fourth embodiment is also a solid-state imaging device that can acquire a visible light image and a near-infrared light image, like the solid-state imaging device 10 of the first embodiment.
  • the gate voltage control unit 140 that changes the voltage value of the gate voltage VG applied to the polysilicon gate electrode 132 formed at the position where the N-type semiconductor 121 is formed in the second semiconductor substrate 12 is provided. I have.
  • the length is controlled to the depth of the depletion layer 103 of the photoelectric conversion unit 102, that is, the wavelength of near infrared light detected by the photoelectric conversion unit 102. be able to.
  • the depth of the depletion layer 103 of the photoelectric conversion unit 102 schematically represented by a broken line in FIG. The depth can be controlled in accordance with the wavelength of near infrared light desired to be detected by the converter 102.
  • the position of the depletion layer 103 is moved to a position deeper than the current value, so that the photoelectric conversion unit 102 has a longer wavelength. It can be controlled to detect infrared light. Conversely, by reducing the voltage value of the gate voltage VG from the current voltage value, the position of the depletion layer 103 is moved to a position shallower than the current value, and the photoelectric conversion unit 102 has near-infrared light having a shorter wavelength. It can also be controlled to detect.
  • the method for changing the voltage value of the gate voltage VG output from the gate voltage control unit 140 is not particularly specified.
  • the gate voltage control unit 140 is provided in the second semiconductor substrate 12 (may be in the first semiconductor substrate 11), and the gate voltage control unit 140 is connected to the control unit outside the solid-state imaging device 40.
  • the gate voltage VG having a voltage value set according to the control may be generated, that is, the voltage value of the gate voltage VG may be changed (controlled) according to control from an external control unit.
  • the gate voltage VG having a voltage value generated outside the solid-state imaging device 40 may be directly input.
  • the solid-state imaging device 40 similarly to the solid-state imaging device 10 of the first embodiment, the visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel formed on the first semiconductor substrate 11, Only the near-infrared light is detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel formed on the second semiconductor substrate 12.
  • the gate voltage control unit 140 changes the voltage value of the gate voltage VG applied to the polysilicon gate electrode 132. Thereby, the solid-state imaging device 40 can acquire a near-infrared light image obtained by detecting near-infrared light having a desired wavelength.
  • the voltage value of the gate voltage VG applied to the polysilicon gate electrode 132 is set to the same value in all near infrared light detection pixels, that is, the photoelectric values of all near infrared light detection pixels.
  • the converter 102 is configured to detect near infrared light having the same wavelength.
  • the gate voltage VG having a different voltage value may be applied to each near-infrared light pixel or a predetermined set of near-infrared light detection pixels. That is, the gate voltage VG having a different voltage value may be applied to each polysilicon gate electrode 132 or a predetermined set of polysilicon gate electrodes 132.
  • near-infrared light having a different wavelength can be detected for each near-infrared light pixel or for each set of predetermined near-infrared light detection pixels.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic structure of a modification of the solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 also shows a schematic structure of a modification of the solid-state imaging device 40 of the fourth embodiment as a vertical structure when a part of the pixel array unit is viewed from the side.
  • the solid-state imaging device 40 according to the modification of the fourth embodiment illustrated in FIG. 5 is referred to as a “solid-state imaging device 41”.
  • a gate voltage VG having a different voltage value is applied to each near-infrared light detection pixel corresponding to a set of visible light detection pixels including four visible light detection pixels adjacent in the vertical and horizontal directions).
  • the near-infrared light detection pixel corresponding to one set of visible light detection pixels is referred to as “near-infrared light detection pixel a”, and the near-infrared light corresponding to the other set of visible light detection pixels.
  • the detection pixel is shown as “near infrared light detection pixel b”.
  • the gate voltage VGa is applied to the polysilicon gate electrode 132a corresponding to the near infrared light detection pixel a
  • the gate voltage VGb is applied to the polysilicon gate electrode 132b corresponding to the near infrared light detection pixel b. is doing.
  • the voltage value of the gate voltage VGa is lower than the voltage value of the gate voltage VGb, that is, VGa ⁇ VGb.
  • the position of the depletion layer 103b is deeper than the position of the depletion layer 103a.
  • the photoelectric conversion unit 102b of the near infrared light detection pixel b detects near infrared light having a longer wavelength than the photoelectric conversion unit 102a of the near infrared light detection pixel a. Accordingly, the solid-state imaging device 41 has a near-infrared light image having a wavelength detected by the photoelectric conversion unit 102a of the near-infrared light detection pixel a and a wavelength detected by the photoelectric conversion unit 102b of the near-infrared light detection pixel b. Two near infrared light images with a near infrared light image can be acquired.
  • the solid-state imaging device further includes a gate voltage control unit (gate voltage control unit 140) that controls a predetermined voltage (gate voltage VG) applied to the conductive layer (polysilicon gate electrode 132).
  • gate voltage control unit 140 controls a predetermined voltage (gate voltage VG) applied to the conductive layer (polysilicon gate electrode 132).
  • the gate voltage control unit 140 is provided for each of the polysilicon gate electrodes 132 corresponding to the second photoelectric conversion layer (the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel), or a plurality of the gate voltage control units 140.
  • a solid-state imaging device 40 that applies gate voltages VG having different voltage values is configured for each polysilicon gate electrode 132.
  • the visible light detection pixel that detects visible light by forming the N-type semiconductor 110 on the first semiconductor substrate 11.
  • a near-infrared light detection pixel that detects near-infrared light by forming an NPN semiconductor structure, a silicon oxide film 131, and a polysilicon gate electrode 132 on the second semiconductor substrate 12
  • the photoelectric conversion unit 102 is configured.
  • the photogate photoelectric conversion unit 101 includes the polysilicon gate electrode 132 and the N-type semiconductor 121 formed on the second semiconductor substrate 12. Configure.
  • the solid-state imaging devices according to the first to fourth embodiments of the present invention slight visible light transmitted through the first semiconductor substrate 11 is detected and suppressed by the photoelectric conversion unit 101.
  • visible light and near infrared light are separated with high accuracy, and visible light is detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel. Only the near infrared light can be detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel.
  • both a visible light image and a near-infrared light image are obtained simultaneously, and each image is used. Can be executed.
  • An imaging system (imaging application) equipped with a solid-state imaging device detects near-infrared light of a specific wavelength, such as near-infrared light of 850 nm or 940 nm irradiated by near-infrared light illumination (for example, LED illumination).
  • near-infrared light illumination for example, LED illumination.
  • a solid-state imaging device mounted in such an imaging system (imaging application) preferably has a configuration for detecting near-infrared light having a desired wavelength.
  • FIG. 6 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 50 according to the fifth embodiment is a solid-state imaging device that detects visible light and near-infrared light having a specific wavelength by including the optical filter 150 in the solid-state imaging device 10 according to the first embodiment. is there.
  • FIG. 6 also shows a part of the pixel array portion formed in the solid-state imaging device 50 as a vertical structure when viewed from the side.
  • the optical filter 150 has a characteristic of shielding (absorbing or reflecting) only light having a predetermined wavelength out of light (light rays) incident on the solid-state imaging device 50. More specifically, the optical filter 150 is configured to detect near-infrared light detection pixels from near-infrared light having a predetermined wavelength that is equal to or greater than an upper limit wavelength that can be detected by the visible light detection pixels included in the solid-state imaging device 50. Is a characteristic that blocks light up to visible light having a predetermined wavelength equal to or less than the lower limit wavelength that can be detected.
  • the light transmission characteristic of the optical filter 150 is such that near-infrared light having a predetermined wavelength longer than the upper limit wavelength that can be detected by the visible light detection pixel provided in the solid-state imaging device 50 and near-infrared light. This is a characteristic that transmits both visible light having a predetermined wavelength shorter than the lower limit wavelength that can be detected by the light detection pixel.
  • the upper limit wavelength of visible light and the lower limit wavelength of near infrared light transmitted by the optical filter 150 are the spectral sensitivity of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel formed in the solid-state imaging device 50 and the near infrared. This is determined in accordance with the spectral sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the light detection pixel.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the transmission characteristics of the optical filter 150 provided in the solid-state imaging device 50 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150, the spectral sensitivity characteristic B1 of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and the photoelectric conversion unit of the near-infrared light detection pixel with the wavelength of light as the horizontal axis.
  • An example of the spectral sensitivity characteristic C1 of 102 is shown by a graph.
  • the vertical axis represents the transmittance and sensitivity with respect to the wavelength of light shown on the horizontal axis, but in FIG. 7, each graph is shown separately for ease of explanation. Therefore, each graph does not represent the absolute height of transmittance or sensitivity.
  • the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel are the spectral sensitivity characteristic B1 and the spectral sensitivity characteristic C1 shown in FIG.
  • the transmission characteristic of 150 light is set to the transmission characteristic A1.
  • the optical filter 150 is transmitted.
  • the lower limit wavelength of the infrared light is set to a wavelength equal to or higher than the wavelength f_high at which the sensitivity of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel becomes zero. That is, the rising position of the graph in the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 7 is set to a position longer than the wavelength f_high.
  • the sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel becomes zero from the wavelength f_low (for example, 700 nm), and the sensitivity is zero at a wavelength shorter than the wavelength f_low, visible light transmitted through the optical filter 150 is transmitted.
  • the optical filter 150 makes zero the transmittance in a wavelength range in which both the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel have sensitivity to light. . That is, light in the range from at least a wavelength longer than the wavelength f_low to a wavelength shorter than the wavelength f_high is shielded as in the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG.
  • This transmission characteristic A1 can be realized by making the optical filter 150 a so-called notch type (band illuminate type) optical filter.
  • the solid-state imaging device 50 by setting the light transmission characteristic of the optical filter 150 to the transmission characteristic A1, in the solid-state imaging device 50, light (near infrared light) having a wavelength of f_low or more by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel is detected. Detection and detection of light (visible light) having a wavelength less than or equal to wavelength f_high by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel are not performed, and visible light and near-infrared light are separated with higher accuracy. , Each light can be detected.
  • the fifth embodiment from a predetermined first wavelength (wavelength f_low (for example, 700 nm)) to a predetermined second wavelength (wavelength f_high (for example, 800 nm)) longer than the wavelength f_low.
  • a first optical filter optical filter 150 that shields light is further provided, and the first semiconductor substrate (first semiconductor substrate 11) includes the optical filter 150 and the second semiconductor substrate (second semiconductor substrate 12).
  • the upper limit wavelength of the first wavelength band (the upper limit wavelength of visible light to be transmitted) is shorter than the wavelength f_low, and the lower limit wavelength of the second wavelength band (transmits)
  • the lower limit wavelength of near infrared light is a solid-state imaging device (solid-state imaging device 50) having a wavelength longer than the wavelength f_high.
  • the solid-state imaging device 50 it is determined based on the spectral sensitivity characteristic B1 of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the spectral sensitivity characteristic C1 of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • An optical filter 150 having a transmission characteristic is provided.
  • the solid-state imaging device 50 separates visible light and near infrared light with high accuracy, detects visible light with the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and detects the photoelectric of the near infrared light detection pixel.
  • the conversion unit 102 can detect only near-infrared light having a specific wavelength.
  • the solid-state imaging device 50 including the optical filter 150 having the transmission characteristic A1 illustrated in FIG. 7 visible light having a wavelength of f_low (for example, 700 nm) or less and near wavelengths having a wavelength of f_high (for example, 800 nm) or more. It is possible to detect light of each wavelength by separating it into infrared light with higher accuracy.
  • the imaging system (imaging application) equipped with the solid-state imaging device 50 has a function of detecting near-infrared light having a specific wavelength such as 850 nm and 940 nm irradiated by near-infrared light illumination (for example, LED illumination). Can be realized.
  • the upper limit wavelength of visible light and the lower limit wavelength of near infrared light transmitted through the optical filter 150 are the spectral sensitivities of the photoelectric conversion units of the visible light detection pixels formed in the solid-state imaging device 50 as described above.
  • the spectral sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel it is necessary to meet the specifications of the imaging system (imaging application) in which the solid-state imaging device 50 is mounted.
  • specifications in the imaging system (imaging application) a wavelength range of an image to be acquired (captured), a wavelength of light irradiated by an illumination device (for example, LED illumination) provided in the imaging system (imaging application), and the like There is.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the transmission characteristics of the optical filter 150 provided in the solid-state imaging device 50 according to the fifth embodiment of the present invention and the imaging system.
  • FIG. 8 is a graph showing the characteristics of the optical filter 150 shown in FIG. 7 together with the wavelength specifications in the imaging system described below.
  • an imaging system equipped with the solid-state imaging device 50 includes near-infrared light illumination (for example, LED illumination), and near-infrared light (pulsed light) irradiated to the space to be imaged is reflected by the subject and returned.
  • a system that obtains information on the distance between the imaging system and the subject by the principle of time-of-flight (TOF: Time of Flight) method or triangulation method, or near infrared light illumination
  • TOF Time of Flight
  • the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. Check if it meets the requirements.
  • the lower limit wavelength f_high of near infrared light transmitted through the optical filter 150 is shorter than the wavelength f_light of near infrared light irradiated by the near infrared light illumination.
  • the solid-state imaging device 50 acquires a normal visible light image by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and a near-infrared light image including distance information by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel ( Range image) can be acquired. Therefore, the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 8 is suitable for an imaging system such as a system that acquires information about the distance to the subject or a surveillance camera.
  • the imaging system equipped with the solid-state imaging device 50 is a medical system that simultaneously images the contrast of the blood vessel, subcutaneous, brain, and the like and the surface of the living body, or security that simultaneously images the vein and the fingerprint.
  • Such an imaging system also includes near-infrared light illumination.
  • the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 8 is Check if it is compatible with the imaging system.
  • the lower limit wavelength f_high of near infrared light transmitted through the optical filter 150 is shorter than the wavelength f_light of near infrared light irradiated by the near infrared light illumination.
  • the solid-state imaging device 50 acquires a visible light image of the surface of the living body by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and acquires a near infrared light image of a blood vessel or the like by the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel. Can be acquired.
  • the wavelength of the near infrared light detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel is the polysilicon gate electrode as in the solid-state imaging device 40 of the fourth embodiment shown in FIGS. 4 and 5. It can be changed by changing the voltage value of the gate voltage VG applied to 132. Therefore, the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 8 is suitable for an imaging system such as a medical system or a security system for imaging a blood vessel or the like.
  • an imaging system equipped with the solid-state imaging device 50 administers a fluorescent agent such as ICG (Indocyanine Green) to the human body to diagnose cancer and the like and emits fluorescence by excitation with near infrared light
  • a fluorescent agent such as ICG (Indocyanine Green)
  • ICG Indocyanine Green
  • Such an imaging system also includes near-infrared light illumination, but the solid-state imaging device 50 has near-infrared light irradiated by the near-infrared light illumination, that is, near-infrared light for excitation (excitation). It is desired to detect only near-infrared light of a specific protein that emits fluorescence without detecting (light).
  • the wavelength f_ext of the excitation light irradiated by the near-infrared light illumination provided in the imaging system to excite the fluorescence emission is 770 nm, and the wavelength at which the specific protein emits fluorescence is 810 nm (the following In the description, if “wavelength f_light” is assumed), it is confirmed whether or not the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 8 (FIG. 7) is suitable for the imaging system.
  • the wavelength f_ext of the excitation light irradiated in the imaging system is a wavelength between the upper limit wavelength f_low of visible light transmitted through the optical filter 150 and the lower limit wavelength f_high of near infrared light transmitted through the optical filter 150.
  • the optical filter 150 blocks light in a range from a wavelength longer than the wavelength f_low to a wavelength shorter than the wavelength f_high, and thus blocks the excitation light emitted by the imaging system. Further, the lower limit wavelength f_high of the near-infrared light transmitted through the optical filter 150 is shorter than the wavelength f_light of the near-infrared light emitted by fluorescence of a specific protein. For this reason, the solid-state imaging device 50 can acquire a near-infrared light image including only near-infrared light that does not include excitation light and emits fluorescence, in the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel. Therefore, the transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 8 is suitable for an imaging system such as a medical system that diagnoses using a fluorescent agent that is excited by near-infrared light and emits fluorescence.
  • the solid-state imaging device 50 is mounted on various imaging systems (imaging applications) in order to separate visible light and near-infrared light with high accuracy, and an imaging system (imaging application) including the solid-state imaging device 50 is mounted. ) Various functions can be realized.
  • the optical filter 150 is added to the solid-state imaging device 10 of the first embodiment in the manufacturing process of the solid-state imaging device 50.
  • a method of applying can be considered.
  • the method for realizing the configuration of the solid-state imaging device 50 is not limited to this method.
  • the configuration of the solid-state imaging device 50 may be realized by inserting the optical filter 150 between the device 50 and the device 50.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic structure of a solid-state imaging device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 60 of the sixth embodiment is also configured by stacking a plurality of semiconductor substrates.
  • solid-state imaging is performed in the solid-state imaging device 60 having a configuration in which the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are stacked (bonded).
  • the vertical structure is shown when a part of the pixel array portion formed in the device 60 is viewed from the side.
  • the configuration of the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 constituting the solid-state imaging device 60 includes the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor in the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment.
  • the same components as those of the substrate 12 are included. Therefore, in the following description, only the difference in the solid-state imaging device 60 from the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment will be described, and the same configuration as that of the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment is the same. A detailed description is omitted by adding symbols.
  • the solid-state imaging device 60 of the sixth embodiment is also a solid-state imaging device that can acquire a visible light image and a near-infrared light image, similarly to the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment.
  • the solid-state imaging device 60 includes an optical filter 150 as in the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment. Further, in the solid-state imaging device 60, the optical filter 160 is formed between the first semiconductor substrate 11 and the polysilicon gate electrode 132 formed on the second semiconductor substrate 12.
  • the optical filter 160 has a characteristic of shielding (absorbing or reflecting) visible light having a predetermined wavelength or less transmitted through the first semiconductor substrate 11 together with near-infrared light.
  • the optical filter 160 is provided as a function for more reliably suppressing visible light incident on the second semiconductor substrate 12.
  • the optical filter 160 is more effective when the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel is sensitive to a wavelength shorter than the upper limit wavelength of visible light transmitted through the optical filter 150. It functions, and only the near infrared light can be detected more accurately by the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the transmission characteristics of the optical filters (the optical filter 150 and the optical filter 160) included in the solid-state imaging device 60 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150, the spectral sensitivity characteristic B1 of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel, and the photoelectric conversion unit of the near-infrared light detection pixel with the wavelength of light as the horizontal axis.
  • FIG. 10 also shows an example of the light transmission characteristic E2 at the position of the visible light detection pixel, the light characteristic F2 transmitted through the first semiconductor substrate 11, and the light characteristic G2 transmitted through the optical filter 160.
  • the graph is also shown.
  • the vertical axis represents the transmittance and the sensitivity with respect to the wavelength of light indicated on the horizontal axis, but also in FIG. 10, the characteristics of the fifth embodiment shown in FIG. Since each graph is shown separately like the graph, it does not represent the absolute height of transmittance or sensitivity.
  • the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150 shown in FIG. 10 and the spectral sensitivity characteristic B1 of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel are the same as the respective characteristics shown in FIG. Description is omitted.
  • the wavelength f_high (for example, 800 nm), which is the lower limit wavelength of near-infrared light transmitted through the optical filter 150, like the characteristic F2 of light transmitted through the first semiconductor substrate 11 shown in FIG.
  • visible light having a wavelength equal to or shorter than the wavelength f_low (for example, 700 nm) that is the upper limit wavelength of visible light transmitted through the optical filter 150 is incident on the second semiconductor substrate 12.
  • the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel is the spectral sensitivity characteristic C2 illustrated in FIG. 10, the photoelectric conversion unit 102 of the near infrared light detection pixel is There is a possibility of detecting visible light that is not shielded. That is, when the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel is sensitive to light having a wavelength equal to or lower than the wavelength f_low that is the upper limit wavelength of visible light transmitted through the optical filter 150, There is a possibility that visible light having a wavelength of f_low or less (see the range surrounded by a circle in FIG. 10) leaks into the near-infrared light detected by the conversion unit 102.
  • the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel detects visible light having a wavelength equal to or shorter than the wavelength f_low, the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel detects only the near-infrared light. It does not mean that
  • the light transmission characteristic of the optical filter 160 is changed to the transmission characteristic D2. More specifically, the lower limit wavelength of near infrared light transmitted through the optical filter 160 is set to be longer than the wavelength f_low that is the upper limit wavelength of visible light transmitted through the optical filter 150. The lower limit wavelength of near infrared light transmitted through the optical filter 160 is shorter than the wavelength f_high which is the lower limit wavelength of near infrared light transmitted through the optical filter 150. That is, the transmittance of visible light having a wavelength of f_low or less is made zero by the optical filter 160, and the visible light incident on the second semiconductor substrate 12 is shielded by the optical filter 150 and the optical filter 160.
  • the optical filter 150 and the optical filter 160 allow the near-infrared light transmitted through the optical filter 150 to pass through the second semiconductor substrate 12 as in the characteristic G2 of the light transmitted through the optical filter 160 shown in FIG. Only near infrared light having a wavelength equal to or higher than the lower limit wavelength f_high is incident.
  • the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel formed on the second semiconductor substrate 12 of the solid-state imaging device 60 has the wavelength Detection of light having a wavelength shorter than f_high (visible light) is not performed.
  • f_high visible light
  • the solid-state imaging device 60 similarly to the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment, visible light and near-infrared light are separated with high accuracy, and photoelectric conversion of visible light detection pixels is performed. Visible light can be detected by the unit, and only near-infrared light having a specific wavelength can be detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the solid-state imaging device 60 includes an optical filter 160 having a transmission characteristic determined based on the spectral sensitivity characteristic C2 of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the solid-state imaging device 60 With such a configuration, in the solid-state imaging device 60, the slight visible light transmitted through the first semiconductor substrate 11 is suppressed before entering the second semiconductor substrate 12, and the slight visible light generated by the photoelectric conversion unit 101 is suppressed. The repression of will be made more certain. Thereby, in the solid-state imaging device 60, visible light and near-infrared light are separated with higher accuracy, and only the near-infrared light having a specific wavelength is detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel. be able to.
  • the solid-state imaging device 60 including the optical filter 150 having the transmission characteristic A1 and the optical filter 160 having the transmission characteristic D2 illustrated in FIG. 10, visible light having a wavelength of f_low (for example, 700 nm) or less and the wavelength f_high Detection of each light with near infrared light having a wavelength of (for example, 800 nm) or more can be performed with higher accuracy than the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment.
  • an imaging system such as a monitoring camera, for example, 850 nm or 940 nm irradiated with near-infrared light illumination (for example, LED illumination) often used in the monitoring camera or the like.
  • the near-infrared light can be separated and detected with high accuracy, and a higher-definition near-infrared light image can be obtained.
  • the wavelength of near-infrared light emitted by fluorescence and the near-infrared light illumination of the near-infrared imaged in the medical system can be separated and detected with high accuracy, and a higher-definition near-infrared light image can be obtained.
  • the optical filter 160 is formed in, for example, a manufacturing process for forming the second semiconductor substrate 12, that is, a semiconductor manufacturing process, as shown in FIG.
  • the transmission characteristic in the range of transmitting near-infrared light is shown in a mountain shape.
  • the method of forming the optical filter 160 is not limited to the method of forming in the semiconductor manufacturing process.
  • an optical filter having the same characteristics as the optical filter 160 is manufactured separately from the semiconductor manufacturing process, and this optical filter is bonded in the process of laminating the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12.
  • the optical filter 160 may be used.
  • the light transmission characteristic D2 of the optical filter 160 is considered to be a transmission characteristic in which the transmittance at a wavelength that transmits near-infrared light rises steeply in the same manner as the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150.
  • the optical filter 160 is formed in the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment in which the solid-state imaging device 10 of the first embodiment is provided with the optical filter 150 .
  • the optical filter 160 is formed of silicon oxide between the first semiconductor substrate 11 and the polysilicon gate electrode 132 formed on the second semiconductor substrate 12 as in the solid-state imaging device 30 of the third embodiment.
  • the film 133 can also be formed on a solid-state imaging device on which an antireflection film is formed.
  • the optical filter 160 is formed between the silicon oxide film 133 and the polysilicon gate electrode 132 formed on the second semiconductor substrate 12.
  • the optical filter 160 has zero transmittance for light having a wavelength longer than the wavelength f_low, that is, a high-pass optical filter.
  • the transmission characteristic of the optical filter 160 is such that visible light having a wavelength equal to or lower than the upper limit wavelength of visible light transmitted through the optical filter 150 may be detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel. Any transmission characteristic that can shield light may be used. Therefore, in the optical filter 160, there is no particular limitation on the transmission characteristics for light having a wavelength shorter than the lower limit wavelength of sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the light passes through the optical filter 160 and is incident on the second semiconductor substrate 12. However, this does not affect the detection of near-infrared light in the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the optical filter 160 can detect visible light having a predetermined wavelength that is equal to or less than the lower limit wavelength of the sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • Any transmission characteristic can be used as long as it can block near-infrared light having a wavelength at any position within a range from a wavelength longer than the wavelength f_low to a wavelength shorter than the wavelength f_high.
  • the optical filter 160 may be a so-called notch type (band illuminate type) optical filter similar to the optical filter 150.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating another transmission characteristic of the optical filter 160 provided in the solid-state imaging device 60 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150 and the visible light detection pixel, with the light wavelength as the horizontal axis, similarly to the respective characteristics with respect to the light wavelength in the solid-state imaging device 60 shown in FIG.
  • the graph shows an example of the spectral sensitivity characteristic B1 of the photoelectric conversion unit, the spectral sensitivity characteristic C2 of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel, and the light transmission characteristic D3 of the optical filter 160, respectively.
  • the light transmission characteristic E ⁇ b> 2 at the position of the visible light detection pixel is transmitted through the first semiconductor substrate 11.
  • An example of the characteristic F2 of the incoming light and the characteristic G2 of the light transmitted through the optical filter 160 are also shown in the graph.
  • the vertical axis represents the transmittance and sensitivity with respect to the wavelength of light shown on the horizontal axis, but does not represent the absolute height of the transmittance and sensitivity.
  • the visible light that is highly likely to be transmitted through the first semiconductor substrate 11 is considered to be visible light corresponding to red (R), which is a wavelength close to near-infrared light.
  • red red
  • FIG. 11 shows an organic or inorganic optical filter (notch type) for visible light detection pixels corresponding to blue (B) that transmits both visible light and near infrared light having a wavelength corresponding to blue (B).
  • a graph of the light transmission characteristic D3 of the optical filter 160 when the optical filter 160 is an optical filter 160 is shown.
  • the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel is the spectral sensitivity characteristic C3 shown in FIG. 11, that is, the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel has a wavelength f_low_filter.
  • the transmittance of light from the optical filter 160 becomes zero from a wavelength equal to or lower than the wavelength f_low_filter with which the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel has sensitivity, like the transmission characteristic D3 shown in FIG.
  • the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel formed on the second semiconductor substrate 12 does not detect light (visible light) having a wavelength shorter than the wavelength f_high.
  • the optical filter 160 formed on the second semiconductor substrate 12 in the solid-state imaging device 60 is an organic or inorganic optical filter (notch type optical filter) for visible light detection pixels corresponding to blue (B).
  • notch type optical filter for visible light detection pixels corresponding to blue (B).
  • the light transmission characteristic of the optical filter 160 is the transmission characteristic of an organic or inorganic optical filter (notch type optical filter) for visible light detection pixels corresponding to blue (B) will be described. did.
  • the optical filter 160 has a wavelength longer than the wavelength f_low to the wavelength f_high from visible light having a wavelength equal to or lower than the lower limit wavelength of sensitivity of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • any transmission characteristic may be used as long as it can block near-infrared light having a wavelength at any position within a short wavelength range.
  • the optical filter 160 may be configured with an organic or inorganic optical filter (notch type optical filter) for visible light detection pixels corresponding to green (G). That is, the optical filter 160 only needs to have a transmission characteristic capable of shielding at least visible light corresponding to red (R), which has a wavelength close to near infrared light.
  • notch type optical filter organic or inorganic optical filter
  • the sixth embodiment it is disposed between the first semiconductor substrate (first semiconductor substrate 11) and the conductive layer (polysilicon gate electrode 132), and has a wavelength equal to or smaller than a predetermined third wavelength.
  • a second optical filter optical filter 160 that shields light, and the third wavelength is equal to or longer than the first wavelength (wavelength longer than wavelength f_low) and shorter than the second wavelength (wavelength f_high).
  • the following solid-state imaging device solid-state imaging device 60 is configured.
  • the lower limit wavelength that the optical filter 160 shields is the lower limit wavelength (wavelength) that the second photoelectric conversion layer (the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel) performs photoelectric conversion.
  • the solid-state imaging device 60 having a wavelength equal to or smaller than (f_low_filter) is configured.
  • the optical filter 160 includes the solid-state imaging device 60 that shields light (visible light) having a wavelength of at least red (R).
  • the spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the spectrum of the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel are provided.
  • both a visible light image and a near-infrared light image are obtained at the same time, and the respective images are used. Can be executed.
  • FIG. 12 is a diagram showing a schematic structure of a solid-state imaging device according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the solid-state imaging device 70 according to the seventh embodiment includes visible light and near-infrared light in the solid-state imaging device 50 according to the fifth embodiment based on electric signals (pixel signals) photoelectrically converted by the respective photoelectric conversion units. It is the structure which performs the process for detecting light.
  • FIG. 12 also shows a vertical structure when a part of the pixel array portion formed in the solid-state imaging device 40 is viewed from the side.
  • the solid-state imaging device 70 of the seventh embodiment is also a solid-state imaging device that can acquire a visible light image and a near-infrared light image, like the solid-state imaging device 50 of the fifth embodiment.
  • the solid-state imaging device 70 includes a difference calculation unit 170 that performs processing on the pixel signals photoelectrically converted by the respective photoelectric conversion units in the second semiconductor substrate 12.
  • the difference calculation unit 170 performs a calculation of correcting the pixel signal obtained by photoelectric conversion by the near-infrared light detection pixel photoelectric conversion unit 102 formed on the second semiconductor substrate 12 detecting near-infrared light. More specifically, a pixel signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel when the near-infrared light is irradiated (hereinafter referred to as “near-infrared light irradiation pixel signal”), Based on the pixel signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel when the near-infrared light is not irradiated (hereinafter referred to as “near-infrared light non-irradiated pixel signal”), An operation for excluding visible light detected as external light is performed. Thereby, the difference calculation unit 170 can generate a pixel signal including only near-infrared light detected by the photoelectric conversion unit 102
  • pixel signals near-infrared light irradiation pixel signals and near-infrared light
  • an imaging system equipped with the solid-state imaging device 70 needs to include near-infrared light illumination (for example, LED illumination) for irradiating near-infrared light.
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating processing in the imaging system including the solid-state imaging device 70 according to the seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the light transmission characteristic A1 of the optical filter 150 and the light wavelength component included in the pixel signal at each processing stage, with the light wavelength as the horizontal axis. .
  • the vertical axis represents the transmittance with respect to the wavelength of light shown on the horizontal axis and the amount of the component of the wavelength included in the pixel signal. Since these graphs are separately shown, each graph does not represent the absolute height of the transmittance or the absolute amount of the wavelength component. In the following description, the respective graphs shown in FIG. 13 are referred to as appropriate.
  • the imaging system performs imaging in a state in which near-infrared light illumination is irradiated with near-infrared light (a state in which near-infrared light irradiation is on).
  • the difference calculation unit 170 acquires a near-infrared light irradiation pixel signal including a wavelength in the range of the graph S1 illustrated in FIG. 13 from the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the near-infrared light irradiation pixel signal S1 has transmitted the near-infrared light component and visible light detected as near-infrared light, that is, the first semiconductor substrate 11 (photoelectric conversion unit 102).
  • the component of visible light (which has leaked into the near-infrared light detected by) is included.
  • the imaging system performs imaging in a state where the near-infrared light illumination stops the irradiation of the near-infrared light (the state where the irradiation of the near-infrared light is off).
  • the difference calculation unit 170 receives the pixel signal from the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel and the wavelength within the range of the graph S2 illustrated in FIG. 13 from the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel. And a near-infrared light non-irradiated pixel signal.
  • This near-infrared light non-irradiated pixel signal S2 includes a visible light component (in FIG.
  • This visible light component is a component detected as near-infrared light even though the near-infrared light irradiation is off, and has been transmitted through the first semiconductor substrate 11 (photoelectric It is a component of visible light that has leaked into near-infrared light detected by the converter 102.
  • the difference calculation unit 170 calculates the difference between the near-infrared light irradiation pixel signal S1 and the near-infrared light non-irradiation pixel signal S2. Thereby, the difference calculation unit 170 includes the wavelength in the range of the graph S3 illustrated in FIG. 13, that is, includes only the near-infrared light component detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel.
  • the pixel signal S3 is generated.
  • the image signal including only the visible light component is a pixel signal from the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel obtained by photographing performed with the near-infrared light irradiation turned off.
  • a process for obtaining a pixel signal that includes only a near-infrared light component based only on the pixel signal acquired from the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel is performed.
  • the same idea may be applied to the pixel signal acquired from the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel.
  • the pixel signal from the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel obtained with the near-infrared light irradiation turned on, and the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel obtained with the near-infrared light irradiation turned off The pixel signal including only the near-infrared light component detected by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel may be generated by calculating the difference from the pixel signal from Further, the pixel signal S3 including only the near-infrared light component detected by the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel is used as the pixel signal including only the near-infrared light component generated here. To the pixel signal of the component of near infrared light including the pixel signal detected (absorbed) by the photoelectric conversion unit of the visible light detection pixel.
  • the solid-state imaging device 70 visible light and near-infrared light having a specific wavelength are separated by performing processing on the pixel signals photoelectrically converted by the respective photoelectric conversion units. It is possible to obtain a pixel signal in which the light is detected.
  • the first electrical signal (near-field) photoelectrically converted by the second photoelectric conversion layer (the photoelectric conversion unit 102 of the near-infrared light detection pixel) is irradiated.
  • solid-state imaging device 70 further including an arithmetic processing unit (difference calculating unit 170) that generates an electrical signal (pixel signal) containing only near-infrared light is configured. .
  • the solid-state imaging device 70 includes the difference calculation unit 170 that performs a calculation for correcting the pixel signal. With such a configuration, the solid-state imaging device 70 performs arithmetic processing on the pixel signals photoelectrically converted by the respective photoelectric conversion units. Thereby, in the solid-state imaging device 70, it is possible to separate visible light and near-infrared light having a specific wavelength by a method other than an optical configuration and obtain a pixel signal in which each light is detected.
  • a pixel signal that detects near-infrared light having a wavelength of f_high (for example, 800 nm) or more.
  • f_high for example, 800 nm
  • a function of detecting near-infrared light having a specific wavelength such as 850 nm or 940 nm irradiated by near-infrared light illumination (for example, LED illumination) is provided.
  • LED illumination for example, LED illumination
  • the difference calculation unit 170 may be provided in the first semiconductor substrate 11 that constitutes the solid-state imaging device 70.
  • the difference calculation unit 170 may be provided in the first semiconductor substrate 11 that constitutes the solid-state imaging device 70.
  • one of the processing units provided in the imaging system (imaging application) in which the solid-state imaging device 70 is mounted is a function of the difference calculation unit 170. You may make it the structure which implement
  • the solid-state imaging device has a configuration in which a plurality of semiconductor substrates are stacked, and is arranged on the upper surface when viewed from the side on which light (light rays) is incident.
  • a normal pixel for detecting visible light is formed on the semiconductor substrate, and a near-infrared light pixel for detecting near-infrared light is formed on the second semiconductor substrate disposed on the lower surface.
  • an NPN semiconductor structure, an insulating film, and a conductive layer are formed on the second semiconductor substrate.
  • a photogate photoelectric conversion unit (photodiode) is configured by the conductive layer and the N-type semiconductor on the light incident side in the NPN semiconductor structure, A PN junction type photoelectric conversion unit (photodiode) is formed by a PN junction between the P-type semiconductor and the second semiconductor substrate which is an N-type semiconductor.
  • the photogate photoelectric conversion unit functions as a pixel that detects and suppresses a slight amount of visible light transmitted through the first semiconductor substrate.
  • the unit functions as a pixel for near infrared light.
  • each embodiment of the present invention visible light and near-infrared light are separated with high accuracy, visible light is detected by a normal pixel, and a pixel for near-infrared light, that is, a PN junction type Only near infrared light can be detected by photoelectric conversion. Thereby, in each embodiment of the present invention, it is possible to simultaneously acquire both a normal image obtained by visible light and an image obtained by near-infrared light.
  • various functions using a normal image obtained by visible light and an image obtained by near-infrared light are realized. can do.
  • the spectral sensitivity characteristic of the photoelectric conversion unit of a normal pixel and the PN junction type of a pixel for near-infrared light are provided on the surface on which light (light rays) enters the solid-state imaging device.
  • an optical filter having a transmission characteristic determined based on a spectral sensitivity characteristic of a PN junction photoelectric conversion of a pixel for near-infrared light, the first semiconductor substrate, a conductive layer, Form between.
  • the slight visible light transmitted through the first semiconductor substrate is more reliably suppressed together with the photogate photoelectric conversion unit.
  • visible light and near-infrared light are separated with higher accuracy, and a normal image obtained by visible light and an image obtained by near-infrared light of a specific wavelength And both images can be acquired simultaneously.
  • each embodiment is not an exclusive configuration, and may have the configuration shown in each embodiment at the same time. That is, a plurality of the respective constituent elements shown in the first to seventh embodiments may be provided at the same time.
  • the silicon oxide film 133 shown in the third embodiment, the gate voltage control unit 140 shown in the fourth embodiment, and the fifth embodiment show.
  • the solid optical filter 150, the optical filter 160 shown in the sixth embodiment, and the difference calculation unit 170 shown in the seventh embodiment are provided with any one configuration, a plurality of configurations, or all at the same time.
  • An imaging device may be formed. This constitutes a solid-state imaging device that acquires each image obtained by separating visible light and near-infrared light with higher accuracy, and various functions desired in an imaging system (imaging application) equipped with this solid-state imaging device. Can be realized.
  • the configuration of the solid-state imaging device in which the two semiconductor substrates of the first semiconductor substrate 11 and the second semiconductor substrate 12 are stacked has been described.
  • the number of substrates stacked in the solid-state imaging device is not limited to two, and a configuration in which a larger number of substrates are stacked may be used.
  • visible light and near-infrared light can be separated with high accuracy and each light can be detected.

Landscapes

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Abstract

　入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、第１の半導体基板と第２の半導体基板との間に配置され、第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、第２の半導体基板と導電層との間に配置され、第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、を備え、第１の光電変換層、導電層、および絶縁膜を透過した光が第２の半導体基板に入射し、導電層には所定の電圧が印加され、所定の電圧が導電層に印加されている場合に第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、所定の電圧が導電層に印加されていない場合に第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い。

Description

固体撮像装置
　本発明は、固体撮像装置に関する。
　従来から、可視光と近赤外光とを受光する固体撮像装置に関する複数の技術が開示されている。このような固体撮像装置では、可視光によって得られる通常の画像（以下、「可視光画像」という）と、近赤外光によって得られる被写体までの距離などの情報が含まれた画像（以下、「近赤外光画像」という）とを１つの固体撮像装置で取得することができる。
　例えば、特許文献１には、可視光を受光する通常の画素（以下、「可視光検出画素」という）と、近赤外光を受光する近赤外光用の画素（以下、「近赤外光検出画素」という）とのそれぞれを、画素領域内の同一平面上に配置した固体撮像装置が開示されている。より具体的には、特許文献１に開示された固体撮像装置では、近赤外光を受光しない一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の４つの可視光検出画素の組と、近赤外光用画素とのそれぞれを、画素領域内で重複しない位置に千鳥状に配置している。このとき、特許文献１に開示された固体撮像装置には、例えば、非特許文献１に開示されたような技術が適用されているものと考えられる。より具体的には、千鳥状に配置された可視光検出画素の組のそれぞれに、近赤外光による電荷の影響を受けない、つまり、近赤外光による電荷が漏れ込まないようにするためのポテンシャルバリアが配置されていると考えられる。
　また、例えば、特許文献２および非特許文献２には、可視光検出画素と近赤外光検出画素とのそれぞれを、同じシリコン基板内で深さ方向の位置を変えて形成した固体撮像装置が開示されている。より具体的には、高いエネルギーでイオン注入した深い位置の空乏層と、通常のエネルギーでイオン注入した表面に近い位置（浅い位置）の空乏層とのそれぞれを、同じシリコン基板に形成している。そして、浅い位置に空乏層が形成された可視光検出画素で可視光を検出し、深い位置に空乏層が形成された近赤外光用画素で近赤外光を検出している。このため、特許文献２および非特許文献２に開示された固体撮像装置では、可視光検出画素のそれぞれに対応して貼付されるカラーフィルタ（色フィルタ）が、可視光と近赤外光との両方を透過する特性を持っている。これは、固体撮像装置の画素領域を受光面から見ると、同じ位置に可視光検出画素と近赤外光検出画素とが形成されており、深さ方向の違いによって可視光と近赤外光とのそれぞれを検出するためである。
日本国特開２０１０－０８１６０９号公報 米国特許第７８７２２３４号明細書
"Ａ　１．５Ｍｐｉｘｅｌ　ＲＧＢＺ　ＣＭＯＳ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　Ｃｏｌｏｒ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｃａｐｔｕｒｅ"，Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ（ＩＳＳＣＣ），Ｓｅｓｓｉｏｎ　２２／Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒｅ／２２．７，２０１２　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｆｅｂ．　２０１２ "ＩＲ／Ｃｏｌｏｒ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ＶＩＰＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ（ＩＩＳＷ），２００７
　しかしながら、非特許文献１の技術を適用した特許文献１、特許文献２、および非特許文献２のそれぞれで開示された技術は、１つの固体撮像装置で可視光と近赤外光とを検出することができる技術であるが、それぞれの技術を適用した固体撮像装置では、以下のような問題から、可視光と近赤外光とを高い精度で分離し、それぞれの光を検出することができない。
　特許文献１に開示された、非特許文献１の技術を適用した構成の固体撮像装置では、近赤外光検出画素にも可視光が入射する。そして、近赤外光検出画素は、可視光から近赤外光までの広い範囲の光に対する感度を持っている。このため、近赤外光検出画素は、近赤外光のみではなく可視光も検出してしまい、つまり、可視光による電荷が近赤外光の電荷に混ざってしまい、近赤外光のみを検出することができない。また、特許文献１に開示された固体撮像装置の画素の配置では、近赤外光検出画素が配置された位置に可視光検出画素が存在しないため、特許文献１に開示された固体撮像装置を搭載した撮像システムで可視光画像を生成する処理においては、近赤外光検出画素が配置された位置が欠陥画素としての扱いになってしまう。
　また、特許文献２および非特許文献２に開示された固体撮像装置では、深さ方向の違いによって可視光と近赤外光とのそれぞれを分けて検出するという構成であるため、可視光検出画素と近赤外光検出画素との間に、例えば、非特許文献１に開示された技術のような、可視光と近赤外光とを分離する働きをするポテンシャルバリアを配置することができない。このため、可視光検出画素に近赤外光による電荷の漏れ込みが発生してしまう。また、逆に、近赤外光検出画素に可視光による電荷（特に、赤色（Ｒ）の可視光による電荷）の漏れ込みも発生してしまう。
　このようなことから、非特許文献１の技術を適用した特許文献１、特許文献２、および非特許文献２のそれぞれに開示された固体撮像装置は、例えば、十分に明るい照明など、特定の撮影条件の下で使用しなければ、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して検出することができない。
　本発明は、上記の課題に基づいてなされたものであり、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる固体撮像装置を提供することを目的としている。
　本発明の第１の態様の固体撮像装置は、入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、前記第２の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、を備え、前記第１の光電変換層、前記導電層、および前記絶縁膜を透過した光が前記第２の半導体基板に入射し、前記導電層には所定の電圧が印加され、前記所定の電圧が前記導電層に印加されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、前記所定の電圧が前記導電層に印加されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い。
　本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様の固体撮像装置において、予め定めた第１の波長から、前記第１の波長よりも長い予め定めた第２の波長までの光を遮光する第１の光学フィルタ、をさらに備え、前記第１の半導体基板は、前記第１の光学フィルタと前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第１の波長帯域の上限の波長は、前記第１の波長よりも短い波長であり、前記第２の波長帯域の下限の波長は、前記第２の波長よりも長い波長であってもよい。
　本発明の第３の態様によれば、上記第２の態様の固体撮像装置において、前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ、をさらに備え、前記第３の波長は、前記第１の波長以上で前記第２の波長以下であってもよい。
　本発明の第４の態様によれば、上記第３の態様の固体撮像装置において、前記第２の光学フィルタが遮光する下限の波長は、前記第２の光電変換層が光電変換する下限の波長以下の波長であってもよい。
　本発明の第５の態様によれば、上記第４の態様の固体撮像装置において、前記第２の光学フィルタは、少なくとも赤色の波長の光を遮光してもよい。
　本発明の第６の態様によれば、上記第１の態様から上記第５の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層は、ＰＮ接合型の光電変換部であり、前記第１の光電変換層を形成する第１のＮ型半導体層の厚さは、前記第２の光電変換層を形成する第２のＮ型半導体層の厚さよりも薄くてもよい。
　本発明の第７の態様によれば、上記第６の態様の固体撮像装置において、前記第１のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度は、前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度と同じ、または前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度よりも濃い濃くてもよい。
　本発明の第８の態様によれば、上記第１の態様から上記第７の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の光電変換層は、赤色の波長の光を透過する第１の色フィルタ、緑色の波長の光を透過する第２の色フィルタ、または青色の波長の光を透過する第３の色フィルタのいずれか１つの色フィルタが、前記第１の波長帯域の光が入射する側に配置され、前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ、および前記第３の色フィルタのそれぞれは、さらに、少なくとも前記第２の波長帯域の光を透過してもよい。
　本発明の第９の態様によれば、上記第１の態様から上記第８の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第１の光電変換層を透過した光の反射を防止する反射防止膜、をさらに備えてもよい。
　本発明の第１０の態様によれば、上記第１の態様から上記第９の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、前記導電層に印加する前記所定の電圧を制御するゲート電圧制御部、をさらに備えてもよい。
　本発明の第１１の態様によれば、上記第１０の態様の固体撮像装置において、ゲート電圧制御部は、前記第２の光電変換層に対応する導電層毎、または複数の前記導電層毎に、異なる電圧値の前記所定の電圧を印加してもよい。
　本発明の第１２の態様によれば、上記第１の態様から上記第１１の態様のいずれか一態様の固体撮像装置において、近赤外光が照射されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第１の電気信号と、前記近赤外光が照射されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第２の電気信号とに基づいて、前記近赤外光のみが含まれている電気信号を生成する演算処理部、をさらに備えてもよい。
　上記各態様によれば、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる固体撮像装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第４の実施形態の固体撮像装置における変形例の概略構造を示した図である。 本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第５の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性を説明する図である。 本発明の第５の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性と撮像システムとの関係を説明する図である。 本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第６の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの透過特性を説明する図である。 本発明の第６の実施形態の固体撮像装置に備えた光学フィルタの別の透過特性を説明する図である。 本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。 本発明の第７の実施形態の固体撮像装置を備えた撮像システムにおける処理を模式的に示した図である。
（第１の実施形態）
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第１の実施形態の固体撮像装置１０は、可視光によって得られる通常の画像（以下、「可視光画像」という）と、近赤外光によって得られる画像（以下、「近赤外光画像」という）とを取得することができる固体撮像装置である。この近赤外光画像には、被写体までの距離の情報が含まれている。
　固体撮像装置１０は、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図１には、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置１０を示している。
　なお、固体撮像装置１０には、固体撮像装置１０の機能を実現するための回路が、第１の半導体基板１１および第２の半導体基板１２のそれぞれの半導体基板上に形成されている。固体撮像装置１０の機能を実現するための回路としては、入射してきた光（光線）を電気信号に変換するフォトダイオードなどの光電変換部を含む画素が二次元のマトリクス状に複数配置された画素アレイ部、光電変換部によって光電変換された電気信号（以下、「画素信号」という）を処理する列処理回路、画素アレイ部内の画素を駆動するための駆動回路などがある。また、固体撮像装置１０の機能を実現するための回路には、列処理回路によって処理された画素信号を信号処理する信号処理回路などもある。
　図１には、固体撮像装置１０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。固体撮像装置１０では、光線が入射される側から見て上面に配置された第１の半導体基板１１に形成された通常の画素（以下、「可視光検出画素」という）で、可視光のみを検出して光電変換する。また、固体撮像装置１０では、光線が入射される側から見て下面に配置された第２の半導体基板１２に形成された近赤外光用の画素（以下、「近赤外光検出画素」という）で、近赤外光のみを検出して光電変換する。
　固体撮像装置１０では、Ｐ型半導体である第１の半導体基板１１と、第１の半導体基板１１に形成したＮ型半導体１１０とのＰＮ接合で、可視光検出画素の光電変換部（フォトダイオード）を構成する。この可視光検出画素の光電変換部は、固体撮像装置１０の画素アレイ部に、二次元のマトリクス状に複数形成される。図１には、第１の半導体基板１１内に３つのＮ型半導体１１０が形成された、すなわち、第１の半導体基板１１に３つの可視光検出画素が形成された状態を示している。
　なお、第１の半導体基板１１の構造は、一般的な固体撮像装置の構造と同様である。従って、第１の半導体基板１１を、光線が入射してくる側の面がシリコン層となるように第２の半導体基板１２と接合する、いわゆる、裏面照射（ＢａｃｋＳｉｄｅ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ：ＢＳＩ）型の固体撮像装置としてもよい。
　また、固体撮像装置１０では、Ｎ型半導体である第２の半導体基板１２にＰ型半導体１２０を形成し、さらに、Ｐ型半導体１２０の領域内に、Ｎ型半導体１２１を形成することによってＮＰＮ半導体の構造を形成する。このＮＰＮ半導体の構造は、第１の半導体基板１１内に形成された可視光検出画素の光電変換部の１つ、または複数に対応して、二次元のマトリクス状に複数形成する。図１には、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、すなわち、第１の半導体基板１１内に形成された３つの可視光検出画素に対して１つのＮＰＮ半導体の構造が形成された状態を示している。
　なお、固体撮像装置１０では、第２の半導体基板１２内にＮ型半導体１２１を形成する際に、以下の条件を満たすようにする。
　（条件１）
　第２の半導体基板１２内に形成するＮ型半導体１２１の厚さＷ２は、第１の半導体基板１１内に形成するＮ型半導体１１０の厚さＷ１よりも厚く（Ｗ２＞Ｗ１）形成する。
　（条件２）
　Ｎ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度Ｘ２は、Ｎ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度Ｘ１と同じ、またはＮ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度Ｘ１よりも薄い濃度（Ｘ２≦Ｘ１）にする。
　これらの条件を満たすようにそれぞれの半導体基板にＮ型半導体を形成することによって、固体撮像装置１０では、第１の半導体基板１１に形成されたＮ型半導体１１０と第２の半導体基板１２に形成したＮ型半導体１２１を比較した場合、Ｎ型半導体１２１の空乏層の位置が、Ｎ型半導体１１０の空乏層の位置よりも深い位置に形成される。
　また、固体撮像装置１０では、第２の半導体基板１２においてＮ型半導体１２１が形成された位置の表面に、絶縁膜であるシリコン酸化膜１３１と、導電層であるポリシリコンゲート電極１３２とを形成する。なお、固体撮像装置１０において形成するシリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２のそれぞれは共に、近赤外光を遮光することなく透過する特性を持った酸化膜および金属電極である。
　なお、図１に示した固体撮像装置１０の構成では、第２の半導体基板１２に、絶縁膜であるシリコン酸化膜１３１と導電層であるポリシリコンゲート電極１３２とを、酸化膜および金属電極として形成した構成を示した。しかし、固体撮像装置１０に形成する絶縁膜および導電層は、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２に限定されるものではない。つまり、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコンゲート電極１３２と同様に近赤外光を遮光することなく透過する特性と機能とを実現することができる絶縁膜と導電層とであれば、他の材料によって形成した絶縁膜（酸化膜）と導電層（金属電極）との組み合わせを固体撮像装置１０に形成してもよい。
　第２の半導体基板１２では、ポリシリコンゲート電極１３２とＮ型半導体１２１とによってフォトゲート型の光電変換部（フォトダイオード）１０１を構成し、Ｐ型半導体１２０とＮ型半導体１２１とのＰＮ接合で、ＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）１０２を構成する。固体撮像装置１０では、ＰＮ接合型の光電変換部１０２が、近赤外光検出画素の光電変換部（フォトダイオード）となる。図１には、第２の半導体基板１２内に構成されたフォトゲート型の光電変換部１０１と、ＰＮ接合型の光電変換部１０２（近赤外光検出画素の光電変換部）とのそれぞれを、ダイオードの記号で模式的に示している。
　また、固体撮像装置１０では、ポリシリコンゲート電極１３２にゲート電圧ＶＧを印加する。このゲート電圧ＶＧを印加することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の位置が、ゲート電圧ＶＧを印加していないときに比べて第２の半導体基板１２内の深い位置となる。これにより、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長は、ゲート電圧ＶＧを印加していないときに検出する近赤外光の波長よりも、ゲート電圧ＶＧを印加したときに検出する近赤外光の波長の方が、より長い波長となる。図１には、ポリシリコンゲート電極１３２に印加したゲート電圧ＶＧによって、光電変換部１０２の空乏層１０３が、破線で示した深い位置となっている状態を模式的に表している。
　なお、このゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の深さを制御することができる。つまり、ゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長を制御することができる。
　第１の実施形態によれば、入射された第１の波長帯域の光（可視光）を光電変換する第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と、入射された光を光電変換する第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板（第２の半導体基板１２）と、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間に配置され、近赤外光検出画素の光電変換部１０２に対応した導電性を有する導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）と、第２の半導体基板１２とポリシリコンゲート電極１３２との間に配置され、近赤外光検出画素の光電変換部１０２に対応した絶縁性を有する絶縁膜（シリコン酸化膜１３１）と、を備え、可視光検出画素の光電変換部、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３１を透過した光が第２の半導体基板１２に入射し、ポリシリコンゲート電極１３２には所定の電圧（ゲート電圧ＶＧ）が印加され、ゲート電圧ＶＧがポリシリコンゲート電極１３２に印加されている場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換する第２の波長帯域の光（近赤外光）の波長は、ゲート電圧ＶＧがポリシリコンゲート電極１３２に印加されていない場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い固体撮像装置（固体撮像装置１０）が構成される。
　また、第１の実施形態によれば、可視光検出画素の光電変換部および近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、ＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）であり、可視光検出画素の光電変換部を形成する第１のＮ型半導体層（Ｎ型半導体１１０）の厚さは、近赤外光検出画素の光電変換部１０２を形成する第２のＮ型半導体層（Ｎ型半導体１２１）の厚さよりも薄い固体撮像装置１０が構成される。
　また、第１の実施形態によれば、Ｎ型半導体１１０を形成する際の不純物の濃度は、Ｎ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度と同じ、またはＮ型半導体１２１を形成する際の不純物の濃度よりも濃い固体撮像装置１０が構成される。
　このような構成によって固体撮像装置１０では、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光を検出する。ここで、図１に示した光電変換部１０１は、第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出（吸収）する画素として機能する。つまり、光電変換部１０１は、可視光検出画素の光電変換部によって検出されずに（吸収されずに）近赤外光と共に第１の半導体基板１１を透過し、光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまう可能性がある可視光を吸収して抑圧する構成（画素）として機能している。このような構成によって固体撮像装置１０では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。
　なお、光電変換部１０１が検出した、第１の半導体基板１１をわずかに透過してきた可視光を光電変換した電気信号（画素信号）は破棄してもよい。
　また、図１に示した固体撮像装置１０においては、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、つまり、３つの可視光検出画素（実際には、一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した４つの可視光検出画素であることが望ましい）に対して１つのＮ型半導体１２１、つまり、１つの近赤外光検出画素を形成した場合の構成を示した。しかし、近赤外光検出画素は、それぞれの可視光検出画素に対応して形成、つまり、１つの可視光検出画素に対して１つの近赤外光検出画素を形成する構成であってもよい。この場合、それぞれの近赤外光検出画素に対応する光電変換部１０１が検出して光電変換した画素信号を破棄せず、対応する可視光検出画素が光電変換した可視光の画素信号の一部として用いる構成にしてもよい。
　なお、固体撮像装置１０においては、可視光検出画素のそれぞれが検出する可視光の波長（色）に応じたカラーフィルタ（色フィルタ）を貼付することができる。これにより、固体撮像装置１０は、カラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することができる。言い換えれば、図１に示した固体撮像装置１０の構成は、モノクロの可視光画像と近赤外画像とを取得する構成であるが、同様の構成でカラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することもできる。
（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第２の実施形態の固体撮像装置２０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０にカラーフィルタ１１１が貼付された構成である。図２も、固体撮像装置２０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置２０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　第２の実施形態の固体撮像装置２０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置２０には、第１の半導体基板１１に形成されたそれぞれの可視光検出画素の光電変換部（第１の半導体基板１１内に形成するＮ型半導体１１０）の位置に、それぞれの可視光検出画素が検出する波長（色）の可視光を透過するカラーフィルタ１１１が貼付されている。このため、固体撮像装置２０では、カラーの可視光画像と近赤外画像とを取得することができる。
　固体撮像装置２０のそれぞれの可視光検出画素の位置に貼付されたカラーフィルタ１１１は、対応する波長（色）の可視光と近赤外光との両方を透過する特性を持っている。図２には、緑色（Ｇ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｇと、青色（Ｂ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｂと、赤色（Ｒ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過するカラーフィルタ１１１Ｒとのそれぞれのカラーフィルタ１１１が対応する可視光検出画素の位置に貼付されている場合を示している。
　第２の実施形態によれば、第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）は、赤色（Ｒ）の波長の光を透過する第１の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｒ）、緑色（Ｇ）の波長の光を透過する第２の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｇ）、または青色（Ｂ）の波長の光を透過する第３の色フィルタ（カラーフィルタ１１１Ｂ）のいずれか１つの色フィルタ（カラーフィルタ１１１）が、第１の波長帯域の光（可視光）が入射する側に配置され、カラーフィルタ１１１Ｒ、カラーフィルタ１１１Ｇ、およびカラーフィルタ１１１Ｂのそれぞれは、さらに、少なくとも第２の波長帯域の光（近赤外光）を透過する固体撮像装置（固体撮像装置２０）が構成される。
　このような構成によって固体撮像装置２０では、第１の半導体基板１１に形成されたカラーフィルタ１１１Ｇが貼付された可視光検出画素の光電変換部で緑色（Ｇ）の可視光のみを検出し、カラーフィルタ１１１Ｂが貼付された可視光検出画素の光電変換部で青色（Ｂ）の可視光のみを検出し、カラーフィルタ１１１Ｒが貼付された可視光検出画素の光電変換部で赤色（Ｒ）の可視光のみを検出する。また、固体撮像装置２０では、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、カラーフィルタ１１１Ｇ、カラーフィルタ１１１Ｂ、およびカラーフィルタ１１１Ｒが貼付されたそれぞれの可視光検出画素を透過してきた近赤外光を検出する。そして、固体撮像装置２０でも、光電変換部１０１は、それぞれの可視光検出画素の光電変換部によって検出されずに（吸収されずに）近赤外光と共に透過してきた、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）および赤色（Ｒ）のわずかな可視光を検出（吸収）して抑圧する画素として機能する。このような構成によって固体撮像装置２０では、それぞれの波長（色）の可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部でそれぞれの波長（色）の可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。
（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置について説明する。図３は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第３の実施形態の固体撮像装置３０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図３には、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置３０において、固体撮像装置３０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。
　なお、固体撮像装置３０を構成する第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との構成には、第１の実施形態の固体撮像装置１０における第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２の構成と同様の構成要素を含んでいる。従って、以下の説明においては、固体撮像装置３０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　第３の実施形態の固体撮像装置３０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置３０では、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に、シリコン酸化膜１３３を形成している。このシリコン酸化膜１３３は、可視光検出画素の光電変換部を透過した可視光と近赤外光とが出射する側の第１の半導体基板１１との界面における光の反射を防止する反射防止膜として機能する。これにより、第１の半導体基板１１を透過した可視光と近赤外光との全てが第２の半導体基板１２に入射される。なお、シリコン酸化膜１３１も、第１の半導体基板１１を透過した可視光と近赤外光とが入射する側の第２の半導体基板１２との界面における光の反射を防止する反射防止膜として機能している。つまり、固体撮像装置３０では、シリコン酸化膜１３１、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３３の多層構造によって、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間における光の反射を防止している。
　第３の実施形態によれば、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）との間に配置され、第１の光電変換層（可視光検出画素の光電変換部）を透過した光の反射を防止する反射防止膜（シリコン酸化膜１３３）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置３０）が構成される。
　このような構成によって固体撮像装置３０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出する。このとき、固体撮像装置３０では、シリコン酸化膜１３３を形成することにより、シリコン酸化膜１３１、ポリシリコンゲート電極１３２、およびシリコン酸化膜１３３の多層構造で、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間に反射防止膜を構成する。このような構成によって固体撮像装置３０では、可視光と近赤外光とを、第１の実施形態の固体撮像装置１０よりも多く第２の半導体基板１２に透過して、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光をより多く検出することができる。
（第４の実施形態）
　次に、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置について説明する。図４は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第４の実施形態の固体撮像装置４０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０において、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を可変にする構成である。図４も、固体撮像装置４０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置４０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　第４の実施形態の固体撮像装置４０も、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置４０では、第２の半導体基板１２においてＮ型半導体１２１が形成された位置に形成したポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更するゲート電圧制御部１４０を備えている。
　上述したように、ゲート電圧ＶＧの電圧値を制御することによって、光電変換部１０２の空乏層１０３の深さ、つまり、光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長に長さを制御することができる。固体撮像装置４０では、ゲート電圧制御部１４０が出力するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更することによって、図４に破線で模式的に表した光電変換部１０２の空乏層１０３の深さを、光電変換部１０２で検出したい近赤外光の波長に応じた深さに制御することができる。より具体的には、ゲート電圧ＶＧの電圧値を現在の電圧値よりも高くすることによって、空乏層１０３の位置を現在よりも深い位置に移動させ、光電変換部１０２が、より波長の長い近赤外光を検出するように制御することができる。逆に、ゲート電圧ＶＧの電圧値を現在の電圧値よりも低くすることによって、空乏層１０３の位置を現在よりも浅い位置に移動させ、光電変換部１０２が、より波長の短い近赤外光を検出するように制御することもできる。
　なお、本発明においては、ゲート電圧制御部１４０が出力するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更する方法に関しては、特に規定しない。例えば、第２の半導体基板１２内（第１の半導体基板１１内であってもよい）にゲート電圧制御部１４０を備え、このゲート電圧制御部１４０が、固体撮像装置４０の外部の制御部からの制御に応じて設定された電圧値のゲート電圧ＶＧを生成する、つまり、外部の制御部からの制御に応じてゲート電圧ＶＧの電圧値を変更（制御）する構成であってもよい。また、例えば、固体撮像装置４０の外部で生成した電圧値のゲート電圧ＶＧを直接入力する構成であってもよい。
　このような構成によって固体撮像装置４０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様に、第１の半導体基板１１に形成された可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出する。このとき、固体撮像装置４０では、ゲート電圧制御部１４０によってポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更する。これにより、固体撮像装置４０は、所望の波長の近赤外光を検出した近赤外光画像を取得することができる。
　なお、固体撮像装置４０では、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を、全ての近赤外光検出画素で同じ値にする、つまり、全ての近赤外光検出画素の光電変換部１０２で同じ波長の近赤外光を検出する構成にする。しかし、それぞれの近赤外光画素毎、あるいは予め定めた近赤外光検出画素の組毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成にしてもよい。つまり、それぞれのポリシリコンゲート電極１３２毎、あるいは予め定めたポリシリコンゲート電極１３２の組毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成にしてもよい。これにより、固体撮像装置４０では、それぞれの近赤外光画素毎、あるいは予め定めた近赤外光検出画素の組毎に、異なる波長の近赤外光を検出することができる。
　ここで、それぞれの近赤外光画素毎に異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成の一例について説明する。図５は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置における変形例の概略構造を示した図である。図５も、第４の実施形態の固体撮像装置４０における変形例の概略構造を、画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、図５に示した第４の実施形態の変形例の固体撮像装置４０を、「固体撮像装置４１」という。
　図５には、第１の半導体基板１１内に形成された３つのＮ型半導体１１０、つまり、３つの可視光検出画素（実際には、一般的な固体撮像装置において１つの組として扱われる、縦と横に隣接した４つの可視光検出画素であることが望ましい）が含まれる可視光検出画素の組に対応するそれぞれの近赤外光検出画素に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する構成の一例を示している。なお、図５では、一方の可視光検出画素の組に対応する近赤外光検出画素を「近赤外光検出画素ａ」とし、他方の可視光検出画素の組に対応する近赤外光検出画素を「近赤外光検出画素ｂ」として示している。そして、図５では、それぞれの近赤外光画素に対応する構成の符号に、対応する近赤外光検出画素を区別するための符号「ａ」、または符号「ｂ」を付加して示している。
　固体撮像装置４１では、近赤外光検出画素ａに対応するポリシリコンゲート電極１３２ａにゲート電圧ＶＧａを印加し、近赤外光検出画素ｂに対応するポリシリコンゲート電極１３２ｂにゲート電圧ＶＧｂを印加している。ここで、ゲート電圧ＶＧａの電圧値が、ゲート電圧ＶＧｂの電圧値よりも低い、つまり、ＶＧａ＜ＶＧｂである場合を考える。この場合、図５示したように、空乏層１０３ｂの位置は、空乏層１０３ａの位置よりも深い位置になる。従って、近赤外光検出画素ｂの光電変換部１０２ｂは、近赤外光検出画素ａの光電変換部１０２ａよりも波長の長い近赤外光を検出することになる。これにより、固体撮像装置４１は、近赤外光検出画素ａの光電変換部１０２ａが検出した波長の近赤外光画像と、近赤外光検出画素ｂの光電変換部１０２ｂが検出した波長の近赤外光画像との２つの近赤外光画像を取得することができる。
　第４の実施形態によれば、導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）に印加する所定の電圧（ゲート電圧ＶＧ）を制御するゲート電圧制御部（ゲート電圧制御部１４０）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置４０）が構成される。
　また、第４の実施形態によれば、ゲート電圧制御部１４０は、第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）に対応するポリシリコンゲート電極１３２毎、または複数のポリシリコンゲート電極１３２毎に、異なる電圧値のゲート電圧ＶＧを印加する固体撮像装置４０が構成される。
　上記に述べたように、本発明の第１～第４の実施形態の固体撮像装置では、第１の半導体基板１１にＮ型半導体１１０を形成することによって、可視光を検出する可視光検出画素の光電変換部を構成し、第２の半導体基板１２にＮＰＮ半導体の構造、シリコン酸化膜１３１、およびポリシリコンゲート電極１３２を形成することによって、近赤外光を検出する近赤外光検出画素の光電変換部１０２を構成する。また、本発明の第１～第４の実施形態の固体撮像装置では、ポリシリコンゲート電極１３２と第２の半導体基板１２に形成されたＮ型半導体１２１とによって、フォトゲート型の光電変換部１０１を構成する。そして、本発明の第１～第４の実施形態の固体撮像装置では、光電変換部１０１で第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出して抑圧する。これにより、本発明の第１～第４の実施形態の固体撮像装置では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる。そして、本発明の第１～第４の実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光画像と近赤外光画像との両方を同時に得て、それぞれの画像を利用した処理を実行することができる。
　なお、固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍの近赤外光など、特定の波長の近赤外光を検出する場合がある。このような撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載する固体撮像装置では、所望の波長の近赤外光を検出する構成を備えていることが望ましい。
（第５の実施形態）
　次に、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置について説明する。図６は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第５の実施形態の固体撮像装置５０は、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を備えることによって、可視光と特定の波長の近赤外光とを検出する固体撮像装置である。図６も、固体撮像装置５０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置５０において第１の実施形態の固体撮像装置１０と異なる点のみを説明し、第１の実施形態の固体撮像装置１０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　光学フィルタ１５０は、固体撮像装置５０に入射する光（光線）の内、予め定めた波長の光のみを遮光（吸収や反射）する特性を持っている。より具体的には、光学フィルタ１５０は、固体撮像装置５０に備えた可視光検出画素が検出することができる上限の波長以上の予め定めた波長の近赤外光から、近赤外光検出画素が検出することができる下限の波長以下の予め定めた波長の可視光までの光を遮光する特性である。言い換えれば、光学フィルタ１５０における光の透過特性は、固体撮像装置５０に備えた可視光検出画素が検出することができる上限の波長よりも長い予め定めた波長の近赤外光と、近赤外光検出画素が検出することができる下限の波長よりも短い予め定めた波長の可視光との両方の光を透過する特性である。なお、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長と近赤外光の下限の波長とは、固体撮像装置５０に形成された可視光検出画素の光電変換部の分光感度と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度とに合わせて決定する。
　ここで、光学フィルタ１５０の透過特性と、可視光検出画素および近赤外光検出画素の分光感度との関係について説明する。図７は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置５０に備えた光学フィルタ１５０の透過特性を説明する図である。図７には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ１との一例をそれぞれグラフで示している。なお、図７において縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、図７では、説明を容易にするためにそれぞれのグラフを分離して示しているため、それぞれのグラフは、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
　可視光検出画素の光電変換部の分光感度および近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図７に示した分光感度特性Ｂ１および分光感度特性Ｃ１である場合、光学フィルタ１５０の光の透過特性を、透過特性Ａ１のようにする。
　より具体的には、可視光検出画素の光電変換部の感度が波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）からゼロになり、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも長い波長では感度がゼロである場合、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長を、可視光検出画素の光電変換部の感度がゼロになる波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の波長にする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１におけるグラフの立ち上がりの位置を、波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の位置にする。
　また、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の感度が波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）からゼロになり、波長ｆ＿ｌｏｗよりも短い波長では感度がゼロであり場合、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長を、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の感度がゼロになる波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長にする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１におけるグラフの立ち下がりの位置を、波長ｆ＿ｌｏｗ以下の位置にする。
　言い換えれば、光学フィルタ１５０は、少なくとも、可視光検出画素の光電変換部および近赤外光検出画素の光電変換部１０２の両方が光に対する感度を持っている波長の範囲の透過率をゼロにする。つまり、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１のように、少なくとも波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長～波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲の光を遮光する。
　なお、この透過特性Ａ１は、光学フィルタ１５０を、いわゆる、ノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタとすることによって実現することができる。
　このように、光学フィルタ１５０の光の透過特性を透過特性Ａ１とすることによって、固体撮像装置５０では、可視光検出画素の光電変換部による波長ｆ＿ｌｏｗ以上の波長の光（近赤外光）の検出と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２による波長ｆ＿ｈｉｇｈ以下の波長の光（可視光）の検出とが行われなくなり、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
　第５の実施形態によれば、予め定めた第１の波長（波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ））から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い予め定めた第２の波長（波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ））までの光を遮光する第１の光学フィルタ（光学フィルタ１５０）、をさらに備え、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）は、光学フィルタ１５０と第２の半導体基板（第２の半導体基板１２）との間に配置され、第１の波長帯域の上限の波長（透過する可視光の上限の波長）は、波長ｆ＿ｌｏｗよりも短い波長であり、第２の波長帯域の下限の波長（透過する近赤外光の下限の波長）は、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも長い波長である固体撮像装置（固体撮像装置５０）が構成される。
　上記に述べたように、固体撮像装置５０では、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ１とに基づいて決定された透過特性の光学フィルタ１５０を備える。このような構成によって固体撮像装置５０では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。
　例えば、図７に示した透過特性Ａ１の光学フィルタ１５０を備えた固体撮像装置５０では、波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光と、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光とに、より高い精度で分離して、それぞれの波長の光を検出することができる。これにより、固体撮像装置５０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍなど、特定の波長の近赤外光を検出する機能を実現することができる。
　なお、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長と近赤外光の下限の波長とは、上述したように、固体撮像装置５０に形成された可視光検出画素の光電変換部の分光感度と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度とに合わせて決定するが、固体撮像装置５０を搭載する撮像システム（撮像アプリケーション）における仕様にも適合する必要がある。ここで、撮像システム（撮像アプリケーション）における仕様としては、取得（撮影）する画像の波長の範囲や、撮像システム（撮像アプリケーション）に備えた照明装置（例えば、ＬＥＤ照明）が照射する光の波長などがある。
　ここで、図７に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１、つまり、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長および近赤外光の下限の波長と、固体撮像装置５０を搭載する撮像システム（撮像アプリケーション）における波長の仕様との関係について、いくつかの例を説明する。図８は、本発明の第５の実施形態の固体撮像装置５０に備えた光学フィルタ１５０の透過特性と撮像システムとの関係を説明する図である。図８には、図７に示した光学フィルタ１５０における特性のグラフに、以下で説明する撮像システムにおける波長の仕様を合わせて示したグラフである。なお、以下の説明においては、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長が波長ｆ＿ｌｏｗ＝７００ｎｍであり、下限の波長が波長ｆ＿ｈｉｇｈ＝８００ｎｍであるとして説明する。また、撮像システムが取得する可視光画像における波長の範囲、すなわち、可視光に対する視感度が４００ｎｍ～７００ｎｍであるとして説明する。
　まず、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）を備え、撮影対象の空間に照射した近赤外光（パルス光）が被写体で反射して戻ってくる時間を計測する、いわゆる、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式、もしくは三角測量法などの原理によって撮像システムと被写体との距離の情報を取得するシステム、あるいは近赤外光照明を備えた監視カメラである場合について考える。この場合、固体撮像装置５０は、可視光画像の波長の範囲の他に、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔを検出することが望まれる。例えば、撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔが８５０ｎｍであるとした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。また、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗは、撮像システムにおける可視光の視感度の上限の波長（＝７００ｎｍ）と一致している。このため、固体撮像装置５０は、可視光検出画素の光電変換部で通常の可視光画像を取得し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で距離の情報を含む近赤外光画像（距離画像）を取得することができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、被写体との距離の情報を取得するシステムや監視カメラなどの撮像システムに適合する。
　続いて、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、血管、皮下、脳などの状態の造影と、生体の表面とを同時に撮影する医療用のシステム、あるいは、静脈と指紋とを同時に撮影する保安システムである場合について考える。このような撮像システムも、近赤外光照明を備えている。この場合、固体撮像装置５０は、可視光画像の波長の範囲の他に、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔを検出することが望まれる。例えば、撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔが９４０ｎｍまたは１０００ｎｍであるとした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、近赤外光照明が照射する近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。また、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗは、撮像システムにおける可視光の視感度の上限の波長（＝７００ｎｍ）と一致している。このため、固体撮像装置５０は、可視光検出画素の光電変換部で生体の表面の可視光画像を取得し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で血管などの近赤外光画像を取得することができる。なお、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出する近赤外光の波長は、図４および図５に示した第４の実施形態の固体撮像装置４０と同様に、ポリシリコンゲート電極１３２に印加するゲート電圧ＶＧの電圧値を変更することによって変えることができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、血管などを造影する医療用のシステムや保安システムなどの撮像システムに適合する。
　続いて、固体撮像装置５０を搭載する撮像システムが、癌などを診断するためにＩＣＧ（インドシアニングリーン）などの蛍光薬剤を人体に投与し、近赤外光による励起によって蛍光発光した特定のタンパク質を造影する医療用のシステムである場合について考える。このような撮像システムも、近赤外光照明を備えているが、固体撮像装置５０には、近赤外光照明が照射する近赤外光、つまり、励起させるための近赤外光（励起光）は検出せず、蛍光発光した特定のタンパク質の近赤外光のみを検出することが望まれる。このとき、例えば、蛍光発光を励起させるために撮像システムに備えた近赤外光照明が照射する励起光の波長ｆ＿ｅｘｔが７７０ｎｍであり、特定のタンパク質が蛍光発光した波長が８１０ｎｍである（以下の説明においては、仮に、「波長ｆ＿ｌｉｇｈｔ」とする）とした場合に、図８（図７）に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１が撮像システムに適合するか否かを確認する。撮像システムにおいて照射する励起光の波長ｆ＿ｅｘｔは、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長ｆ＿ｌｏｗと、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈとの間の波長である。つまり、光学フィルタ１５０は、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長～波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲の光を遮光するため、撮像システムが照射する励起光を遮光する。また、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長ｆ＿ｈｉｇｈは、特定のタンパク質が蛍光発光した近赤外光の波長ｆ＿ｌｉｇｈｔよりも短い波長である。このため、固体撮像装置５０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、励起光を含まず、蛍光発光した近赤外光のみを含む近赤外光画像を取得することができる。従って、図８に示した光学フィルタ１５０の透過特性Ａ１は、近赤外光で励起して蛍光発光させる蛍光薬剤を使用して診断する医療用のシステムなどの撮像システムに適合する。
　このように、固体撮像装置５０は、可視光と近赤外光とを高い精度で分離するため、様々な撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載され、固体撮像装置５０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）において様々な機能を実現することができる。
　なお、固体撮像装置５０の構成を実現する方法、つまり、光学フィルタ１５０を備えるための方法としては、固体撮像装置５０の製造工程において、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を貼付する方法が考えられる。しかし、固体撮像装置５０の構成を実現する方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、撮像システムの撮像部に第１の実施形態の固体撮像装置１０を組み付ける際に、つまり、撮像部の組み立て工程において、固体撮像装置１０に光（光線）を集光する光学レンズと固体撮像装置５０との間に光学フィルタ１５０を挿入することによって、固体撮像装置５０の構成を実現してもよい。
（第６の実施形態）
　次に、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置について説明する。図９は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第６の実施形態の固体撮像装置６０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、複数の半導体基板を積層することによって構成される。図９には、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが積層（接合）された構成の固体撮像装置６０において、固体撮像装置６０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造を示している。
　なお、固体撮像装置６０を構成する第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との構成には、第５の実施形態の固体撮像装置５０における第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２の構成と同様の構成要素を含んでいる。従って、以下の説明においては、固体撮像装置６０において第５の実施形態の固体撮像装置５０と異なる点のみを説明し、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　第６の実施形態の固体撮像装置６０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。そして、固体撮像装置６０では、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、光学フィルタ１５０を備えている。さらに、固体撮像装置６０では、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に、光学フィルタ１６０を形成している。この光学フィルタ１６０は、近赤外光と共に第１の半導体基板１１を透過してきた、予め定めた波長以下の可視光を遮光（吸収や反射）する特性を持っている。
　なお、固体撮像装置６０でも、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、第２の半導体基板１２に形成された光電変換部１０１で第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光を検出（吸収）する機能を有しているが、光学フィルタ１６０は、第２の半導体基板１２に入射する可視光をより確実に抑圧するための機能として備えている。この光学フィルタ１６０は、例えば、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長よりも短い波長に対しても感度がある場合に、より有効に機能し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で、より精度よく近赤外光のみを検出することができる。
　ここで、固体撮像装置６０内のそれぞれの位置での光と、光学フィルタ１５０および光学フィルタ１６０の透過特性と、可視光検出画素および近赤外光検出画素の分光感度との関係について説明する。図１０は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置６０に備えた光学フィルタ（光学フィルタ１５０および光学フィルタ１６０）の透過特性を説明する図である。図１０には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２と、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２との一例をそれぞれグラフで示している。また、図１０には、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の一例も併せてグラフで示している。なお、図１０においても縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、図１０においても、図７に示した第５の実施形態における特性のグラフと同様にそれぞれのグラフを分離して示しているため、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
　なお、図１０に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１とは、図７に示したそれぞれの特性と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　第１の半導体基板１１における可視光検出画素の位置における光の透過特性が、図１０に示した透過特性Ｅ２である場合を考える。この場合、図１０に示した第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２のように、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光の他に、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光が、第２の半導体基板１２に入射される。
　仮に、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図１０に示した分光感度特性Ｃ２である場合、近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、光学フィルタ１５０によって遮光していない可視光を検出してしまう可能性がある。すなわち、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の光に対しても感度を持っている場合には、光電変換部１０２で検出する近赤外光に、波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の可視光（図１０において丸で囲んで示した範囲を参照）が漏れ込んでしまう可能性がある。そして、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が波長ｆ＿ｌｏｗ以下の波長の可視光を検出してしまうと、近赤外光検出画素の光電変換部１０２は、近赤外光のみを検出していることにはならない。
　そこで、固体撮像装置６０では、光学フィルタ１６０の光の透過特性を、透過特性Ｄ２のようにする。より具体的には、光学フィルタ１６０が透過する近赤外光の下限の波長を、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長である波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長にする。なお、光学フィルタ１６０が透過する近赤外光の下限の波長は、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長である。つまり、光学フィルタ１６０によって波長ｆ＿ｌｏｗ以下の可視光の透過率をゼロにし、光学フィルタ１５０と光学フィルタ１６０とによって第２の半導体基板１２に入射する可視光を遮光する。
　この光学フィルタ１５０と光学フィルタ１６０とによって、第２の半導体基板１２には、図１０に示した光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２のように、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈ以上の波長の近赤外光のみが入射されるようになる。
　このように、光学フィルタ１６０の光の透過特性を透過特性Ｄ２とすることによって、固体撮像装置６０の第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２では、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の光（可視光）の検出が行われなくなる。これにより、固体撮像装置６０では、可視光と特定の波長の近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
　上記に述べたように、固体撮像装置６０では、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。また、固体撮像装置６０では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２に基づいて決定された透過特性の光学フィルタ１６０を備える。このような構成によって固体撮像装置６０では、第１の半導体基板１１を透過してきたわずかな可視光が第２の半導体基板１２に入射される前に抑圧し、光電変換部１０１によるわずかな可視光の抑圧をより確実なものとする。これにより、固体撮像装置６０では、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。
　例えば、図１０に示した透過特性Ａ１の光学フィルタ１５０と、透過特性Ｄ２の光学フィルタ１６０とを備えた固体撮像装置６０では、波長ｆ＿ｌｏｗ（例えば、７００ｎｍ）以下の波長の可視光と、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光とのそれぞれの光の検出を、第５の実施形態の固体撮像装置５０よりもさらに高い精度で分離して行うことができる。これにより、固体撮像装置６０を、例えば、監視カメラなどの撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載した場合、監視カメラなどで多く用いられる近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍの近赤外光を高い精度で分離して検出することができ、より高精細な近赤外光画像を得ることができる。また、固体撮像装置６０を、例えば、医療用の撮像システム（撮像アプリケーション）に搭載した場合、医療用のシステムにおいて撮影する蛍光発光した近赤外光の波長と近赤外の近赤外光照明の波長とを高い精度で分離して検出することができ、より高精細な近赤外光画像を得ることができる。
　なお、固体撮像装置６０では、光学フィルタ１６０を、例えば、第２の半導体基板１２を形成する製造工程、つまり、半導体の製造工程において形成することを想定したため、図１０に示したように、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２において近赤外光を透過する範囲の透過特性を山なりの形で示した。しかし、光学フィルタ１６０を形成する方法は、半導体の製造工程において形成する方法に限定されるものではない。例えば、光学フィルタ１６０と同じ特性の光学フィルタを半導体の製造工程とは別に作製し、この光学フィルタを、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを積層する工程において貼り合わせることによって光学フィルタ１６０としてもよい。この場合、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２は、近赤外光を透過する波長における透過率が、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と同様に、急峻に立ち上がる透過特性になると考えられる。
　また、固体撮像装置６０では、第１の実施形態の固体撮像装置１０に光学フィルタ１５０を備えた第５の実施形態の固体撮像装置５０に光学フィルタ１６０を形成する場合について説明した。しかし、光学フィルタ１６０は、第３の実施形態の固体撮像装置３０のように、第１の半導体基板１１と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間にシリコン酸化膜１３３、すなわち、反射防止膜が形成された固体撮像装置にも形成することができる。この場合、光学フィルタ１６０は、シリコン酸化膜１３３と、第２の半導体基板１２に形成されたポリシリコンゲート電極１３２との間に形成する。
　なお、光学フィルタ１６０は、図１０に示した光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ２のグラフのように、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長の光の透過率がゼロである、つまり、ハイパス型の光学フィルタである場合について説明した。しかし、光学フィルタ１６０の透過特性は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出してしまう可能性がある、光学フィルタ１５０が透過する可視光の上限の波長以下の波長の可視光を遮光することができる透過特性であればよい。従って、光学フィルタ１６０では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長よりも短い波長の光に関しては、特に透過特性に規定はない。これは、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長よりも短い波長の可視光であれば、光学フィルタ１６０を透過して第２の半導体基板１２に入射されても、近赤外光検出画素の光電変換部１０２における近赤外光の検出に影響を及ぼさないからである。
　従って、光学フィルタ１６０をより容易に形成することができれば、光学フィルタ１６０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長以下の予め定めた波長の可視光から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長～波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの位置の波長の近赤外光を遮光することができる透過特性であればよい。このため、透過特性が適合していれば、光学フィルタ１６０を、光学フィルタ１５０と同様の、いわゆる、ノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタで構成してもよい。
　ここで、光学フィルタ１６０をノッチ型（バンドイルミネート型）の光学フィルタで構成した場合の一例について説明する。図１１は、本発明の第６の実施形態の固体撮像装置６０に備えた光学フィルタ１６０の別の透過特性を説明する図である。図１１には、図１０に示した固体撮像装置６０における光の波長に対するそれぞれの特性と同様に、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性Ｃ２と、光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ３との一例をそれぞれグラフで示している。また、図１１には、図１０に示した固体撮像装置６０における光の波長に対するそれぞれの特性と同様に、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の一例も併せてグラフで示している。なお、図１１においても縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や感度の高さを表しているが、透過率や感度の絶対的な高さを表しているものではない。
　なお、図１１に示した光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性Ｂ１、可視光検出画素の位置における光の透過特性Ｅ２、第１の半導体基板１１を透過してくる光の特性Ｆ２、および光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２のそれぞれは、図１０に示したそれぞれの特性と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　第１の半導体基板１１を透過してくる可能性が高い可視光は、近赤外光に近い波長である赤色（Ｒ）に対応する可視光であると考えられる。言い換えれば、近赤外光と波長が離れている青色（Ｂ）に対応する可視光と、緑色（Ｇ）に対応する可視光とは、第１の半導体基板１１を透過してくる可能性が低いと考えられる。図１１には、青色（Ｂ）に対応する波長の可視光と近赤外光との両方を透過する、青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）を、光学フィルタ１６０とした場合における光学フィルタ１６０の光の透過特性Ｄ３のグラフを示している。
　仮に、近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度の特性が、図１１に示した分光感度特性Ｃ３である場合、つまり、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒから光に対しても感度を持っている場合について考える。そして、光学フィルタ１６０の光の透過特性が、図１１に示した透過特性Ｄ３のように、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が感度を持つ波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒ以下の波長から透過率がゼロになり、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長～波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの波長の位置から透過率が立ち上がる透過特性である場合を考える。すなわち、図１１において丸で囲んで示した範囲に示したように、光学フィルタ１６０における透過率がゼロではない波長と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が感度を持つ波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒとに重なりがないものとする。この場合、例え光の特性Ｆ２のように可視光が第１の半導体基板１１を透過してきた場合でも、光学フィルタ１６０と光学フィルタ１５０とによって、第２の半導体基板１２には、図１１に示した光学フィルタ１６０を透過した光の特性Ｇ２の特性の光が入射される。つまり、第２の半導体基板１２には、光学フィルタ１５０が透過する近赤外光の下限の波長である波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の可視光や近赤外光が入射されることがなくなる。
　これにより、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２では、波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長の光（可視光）の検出が行われなくなる。このように、固体撮像装置６０において第２の半導体基板１２に形成する光学フィルタ１６０を、青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）場合でも、可視光と特定の波長の近赤外光とをより高い精度で分離して、それぞれの光を検出することができる。
　なお、図１１においては、光学フィルタ１６０の光の透過特性が青色（Ｂ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）の透過特性である場合について説明した。しかし、上述したように、光学フィルタ１６０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が持っている感度の下限の波長以下の波長の可視光から、波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長～波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長までの範囲内のいずれかの位置の波長の近赤外光を遮光することができる透過特性であればよい。従って、透過特性が適合していれば、光学フィルタ１６０を、緑色（Ｇ）に対応した可視光検出画素用の有機または無機の光学フィルタ（ノッチ型の光学フィルタ）で構成してもよい。つまり、光学フィルタ１６０は、近赤外光に近い波長である赤色（Ｒ）に対応する可視光を少なくとも遮光することができる透過特性であればよい。
　第６の実施形態によれば、第１の半導体基板（第１の半導体基板１１）と導電層（ポリシリコンゲート電極１３２）との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ（光学フィルタ１６０）、をさらに備え、第３の波長は、第１の波長（波長ｆ＿ｌｏｗよりも長い波長）以上で第２の波長（波長ｆ＿ｈｉｇｈよりも短い波長）以下である固体撮像装置（固体撮像装置６０）が構成される。
　また、第６の実施形態によれば、光学フィルタ１６０が遮光する下限の波長は、第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が光電変換する下限の波長（波長ｆ＿ｌｏｗ＿ｆｉｌｔｅｒ）以下の波長である固体撮像装置６０が構成される。
　また、第６の実施形態によれば、光学フィルタ１６０は、少なくとも赤色（Ｒ）の波長の光（可視光）を遮光する固体撮像装置６０が構成される。
　上記に述べたように、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置では、可視光検出画素の光電変換部の分光感度特性や近赤外光検出画素の光電変換部１０２の分光感度特性に基づいて決定した透過特性の光学フィルタ（光学フィルタ１５０や光学フィルタ１６０）を備える。これにより、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置では、可視光と近赤外光とを光学的にも分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光を検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で特定の波長の近赤外光のみを検出することができる。そして、本発明の第５および第６の実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光画像と近赤外光画像との両方を同時に得て、それぞれの画像を利用した処理を実行することができる。
　なお、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、可視光検出画素の光電変換部で可視光のみを検出し、近赤外光検出画素の光電変換部１０２で近赤外光のみを検出することができる構成は、上述したような光学的な構成以外にも考えられる。
（第７の実施形態）
　次に、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置について説明する。図１２は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置の概略構造を示した図である。第７の実施形態の固体撮像装置７０は、第５の実施形態の固体撮像装置５０内に、それぞれの光電変換部によって光電変換された電気信号（画素信号）に基づいて可視光および近赤外光を検出するための処理を行う構成である。図１２も、固体撮像装置４０に形成された画素アレイ部の一部分を側面から見たときの縦構造として示している。以下の説明においては、固体撮像装置４０において第５の実施形態の固体撮像装置５０と異なる点のみを説明し、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様の構成には、同一の符号を付加して詳細な説明は省略する。
　第７の実施形態の固体撮像装置７０も、第５の実施形態の固体撮像装置５０と同様に、可視光画像と近赤外光画像とを取得することができる固体撮像装置である。ただし、固体撮像装置７０では、第２の半導体基板１２内に、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して処理を行う差分演算部１７０を備えている。
　差分演算部１７０は、第２の半導体基板１２に形成された近赤外光検出画素の光電変換部１０２が近赤外光を検出して光電変換した画素信号を補正する演算を行う。より具体的には、近赤外光が照射されているときに近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した画素信号（以下、「近赤外光照射画素信号」という）と、近赤外光が照射されていないときに近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した画素信号（以下、「近赤外光未照射画素信号」という）とに基づいて、近赤外光として検出された可視光を除外するための演算を行う。これにより、差分演算部１７０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光のみが含まれている画素信号を生成することができる。
　なお、固体撮像装置７０では、上述したように、近赤外光が照射されているときと近赤外光が照射されていないときとのそれぞれで画素信号（近赤外光照射画素信号および近赤外光未照射画素信号）を取得する。従って、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）には、近赤外光を照射するための近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）を備える必要がある。
　ここで、固体撮像装置７０を搭載した撮像システムにおいて、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光のみが含まれている画素信号を生成するための処理について説明する。図１３は、本発明の第７の実施形態の固体撮像装置７０を備えた撮像システムにおける処理を模式的に示した図である。図１３には、光の波長を横軸にして、光学フィルタ１５０の光の透過特性Ａ１と、それぞれの処理段階における画素信号に含まれる光の波長の成分との一例をそれぞれグラフで示している。なお、図１３において縦軸は、横軸に示した光の波長に対する透過率や、画素信号に含まれる波長の成分の量を表しているが、図１３では、説明を容易にするためにそれぞれのグラフを分離して示しているため、それぞれのグラフは、透過率の絶対的な高さや、波長の成分の絶対的な量を表しているものではない。以下の説明においては、適宜、図１３に示したそれぞれグラフを参照する。
　まず、撮像システムは、近赤外光照明が近赤外光を照射した状態（近赤外光の照射がオンの状態）で撮影を行う。このときの撮影では、差分演算部１７０は、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から、図１３に示したグラフＳ１の範囲の波長が含まれる近赤外光照射画素信号を取得する。この近赤外光照射画素信号Ｓ１には、近赤外光の成分と、近赤外光として検出された可視光、つまり、第１の半導体基板１１を透過してきてしまった（光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまった）可視光の成分が含まれている。
　その後、撮像システムは、近赤外光照明が近赤外光の照射を停止した状態（近赤外光の照射がオフの状態）で撮影を行う。このときの撮影では、差分演算部１７０は、可視光検出画素の光電変換部からの画素信号と、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から、図１３に示したグラフＳ２の範囲の波長が含まれる近赤外光未照射画素信号とを取得する。この近赤外光未照射画素信号Ｓ２には、可視光の成分（図１３では、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）よりも短い波長の成分）が含まれている。この可視光の成分は、近赤外光の照射がオフの状態であるにもかかわらず、近赤外光として検出された成分であり、第１の半導体基板１１を透過してきてしまった（光電変換部１０２で検出する近赤外光に漏れ込んでしまった）可視光の成分である。
　そして、差分演算部１７０は、近赤外光照射画素信号Ｓ１と近赤外光未照射画素信号Ｓ２との差分を演算する。これにより、差分演算部１７０は、図１３に示したグラフＳ３の範囲の波長が含まれる、つまり、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光の成分のみが含まれている画素信号Ｓ３を生成する。
　なお、可視光のみの成分が含まれた画像信号は、近赤外光の照射がオフの状態で行った撮影によって得られた可視光検出画素の光電変換部からの画素信号である。
　なお、上述した処理では、近赤外光検出画素の光電変換部１０２から取得した画素信号のみに基づいて近赤外光の成分のみが含まれている画素信号を得るための処理を行う場合について説明したが、同様の考え方を、可視光検出画素の光電変換部から取得した画素信号に適用してもよい。例えば、近赤外光の照射がオンの状態で得た可視光検出画素の光電変換部からの画素信号と、近赤外光の照射がオフの状態で得た可視光検出画素の光電変換部からの画素信号との差分を演算することによって、可視光検出画素の光電変換部が検出した近赤外光の成分のみが含まれる画素信号を生成してもよい。また、ここで生成した近赤外光の成分のみが含まれた画素信号を、近赤外光検出画素の光電変換部１０２が検出した近赤外光の成分のみが含まれている画素信号Ｓ３に加算することによって、可視光検出画素の光電変換部によって検出（吸収）されてしまった画素信号を含めた近赤外光の成分の画素信号としてもよい。
　このように、固体撮像装置７０では、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して処理を施すことによっても、可視光と特定の波長の近赤外光とを分離して、それぞれの光を検出した画素信号を得ることができる。
　第７の実施形態によれば、近赤外光が照射されている場合に第２の光電変換層（近赤外光検出画素の光電変換部１０２）が光電変換した第１の電気信号（近赤外光照射画素信号）と、近赤外光が照射されていない場合に近赤外光検出画素の光電変換部１０２が光電変換した第２の電気信号（近赤外光未照射画素信号）とに基づいて、近赤外光のみが含まれている電気信号（画素信号）を生成する演算処理部（差分演算部１７０）、をさらに備える固体撮像装置（固体撮像装置７０）が構成される。
　上記に述べたように、固体撮像装置７０では、画素信号を補正する演算を行う差分演算部１７０を備える。このような構成によって固体撮像装置７０では、それぞれの光電変換部によって光電変換された画素信号に対して演算処理を行う。これにより、固体撮像装置７０では、光学的な構成以外の方法で、可視光と特定の波長の近赤外光とを分離して、それぞれの光を検出した画素信号を得ることができる。
　例えば、図１３に示した一例では、波長ｆ＿ｈｉｇｈ（例えば、８００ｎｍ）以上の波長の近赤外光を検出した画素信号を得ることができる。これにより、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）でも、近赤外光照明（例えば、ＬＥＤ照明）が照射した８５０ｎｍや９４０ｎｍなど、特定の波長の近赤外光を検出する機能を実現することができる。
　なお、図１２に示した固体撮像装置７０の構成では、差分演算部１７０を第２の半導体基板１２内に備える場合について説明したが、差分演算部１７０を備える場所は、第２の半導体基板１２に限定されるものではない。例えば、固体撮像装置７０を構成する第１の半導体基板１１内に差分演算部１７０を備える構成にしてもよい。また、固体撮像装置７０内に差分演算部１７０を備えるのではなく、例えば、固体撮像装置７０を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）内に備えたいずれかの処理部が、差分演算部１７０の機能を実現する構成にしてもよい。
　上記に述べたように、本発明の各実施形態によれば、固体撮像装置を複数の半導体基板を積層した構成にし、光（光線）が入射される側から見て上面に配置された第１の半導体基板に可視光を検出する通常の画素を形成し、下面に配置された第２の半導体基板に近赤外光を検出する近赤外光用の画素を形成する。このとき、本発明の各実施形態では、第２の半導体基板にＮＰＮ半導体の構造、および絶縁膜と導電層とを形成する。そして、本発明の各実施形態では、導電層とＮＰＮ半導体の構造において光線が入射される側のＮ型半導体とによってフォトゲート型の光電変換部（フォトダイオード）を構成し、ＮＰＮ半導体の構造内のＰ型半導体とＮ型半導体である第２の半導体基板とのＰＮ接合によってＰＮ接合型の光電変換部（フォトダイオード）を構成する。この構成によって本発明の各実施形態では、フォトゲート型の光電変換部を、第１の半導体基板を透過してきたわずかな可視光を検出して抑圧する画素として機能させ、ＰＮ接合型の光電変換部を近赤外光用の画素として機能させる。これにより、本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とを高い精度で分離して、通常の画素で可視光を検出し、近赤外光用の画素、つまり、ＰＮ接合型の光電変換で近赤外光のみを検出することができる。このことにより、本発明の各実施形態では、可視光によって得られる通常の画像と、近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。そして、本発明の各実施形態の固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）では、可視光によって得られる通常の画像と、近赤外光によって得られる画像とを用いた様々な機能を実現することができる。
　また、本発明の各実施形態では、固体撮像装置に光（光線）が入射する側の面に、通常の画素の光電変換部の分光感度特性と、近赤外光用の画素のＰＮ接合型の光電変換の分光感度特性とに基づいて決定された、予め定めた波長の光のみを透過する特性を持っている光学フィルタを備える。この構成によって本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とをより高い精度で分離して、可視光によって得られる通常の画像と、特定の波長の近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。
　また、本発明の各実施形態では、近赤外光用の画素のＰＮ接合型の光電変換の分光感度特性に基づいて決定された透過特性の光学フィルタを、第１の半導体基板と導電層との間に形成する。これにより、本発明の各実施形態では、フォトゲート型の光電変換部を併せて、第１の半導体基板を透過してきたわずかな可視光の抑圧をより確実に行う。この構成によって本発明の各実施形態では、可視光と近赤外光とをさらに高い精度で分離して、可視光によって得られる通常の画像と、特定の波長の近赤外光によって得られる画像との両方の画像を同時に取得することができる。
　なお、本発明の各実施形態では、それぞれの実施形態毎に異なる固体撮像装置の構成を示した。しかし、それぞれの実施形態は、排他的な構成ではなく、それぞれの実施形態で示した構成を同時に備えてもよい。つまり、第１～第７の実施形態で示したそれぞれの構成要素の複数を同時に備えてもよい。例えば、第２の実施形態の固体撮像装置２０に、第３の実施形態で示したシリコン酸化膜１３３と、第４の実施形態で示したゲート電圧制御部１４０と、第５の実施形態で示した光学フィルタ１５０と、第６の実施形態で示した光学フィルタ１６０と、第７の実施形態で示した差分演算部１７０とのいずれか１つの構成、複数の構成、または全てを同時に備えた固体撮像装置を形成してもよい。これにより、可視光と近赤外光とをさらに高い精度で分離したそれぞれの画像を取得する固体撮像装置を構成し、この固体撮像装置を搭載した撮像システム（撮像アプリケーション）において望まれる様々な機能を実現することができる。
　また、本発明の各実施形態においては、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との２枚の半導体基板を積層した固体撮像装置の構成について説明した。しかし、固体撮像装置において積層する基板の枚数は２枚に限らず、さらに多くの枚数の基板を積層する構成であってもよい。
　以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。
　上記各実施形態によれば、固体撮像装置において、可視光と近赤外光とを高い精度で分離してそれぞれの光を検出することができる。
　１０，２０，３０，４０，４１，５０，６０，７０　固体撮像装置
　１１　第１の半導体基板
　１１０　Ｎ型半導体（第１の光電変換層，第１のＮ型半導体層）
　１１１　カラーフィルタ（色フィルタ）
　１１１Ｇ　カラーフィルタ（第２の色フィルタ，色フィルタ）
　１１１Ｂ　カラーフィルタ（第３の色フィルタ，色フィルタ）
　１１１Ｒ　カラーフィルタ（第１の色フィルタ，色フィルタ）
　１２　第２の半導体基板
　１２０，１２０ａ，１２０ｂ　Ｐ型半導体（第２の光電変換層）
　１２１，１２１ａ，１２１ｂ　Ｎ型半導体（第２の光電変換層，第２のＮ型半導体層）
　１０１，１０１ａ，１０１ｂ　光電変換部
　１０２，１０２ａ，１０２ｂ　光電変換部（第２の光電変換層）
　１０３，１０３ａ，１０３ｂ　空乏層（第２の光電変換層）
　１３１，１３１ａ，１３１ｂ　シリコン酸化膜（絶縁膜）
　１３２，１３２ａ，１３２ｂ　ポリシリコンゲート電極（導電層）
　１３３　シリコン酸化膜（反射防止膜）
　１４０　ゲート電圧制御部
　１５０　光学フィルタ（第１の光学フィルタ）
　１６０　光学フィルタ（第２の光学フィルタ）
　１７０　差分演算部（演算処理部）

Claims (12)

  1. 　入射された第１の波長帯域の光を光電変換する第１の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第１の半導体基板と、
    　入射された光を光電変換する第２の光電変換層が二次元のマトリクス状に形成された第２の半導体基板と、
    　前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した導電性を有する導電層と、
    　前記第２の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第２の光電変換層に対応した絶縁性を有する絶縁膜と、
    　を備え、
    　前記第１の光電変換層、前記導電層、および前記絶縁膜を透過した光が前記第２の半導体基板に入射し、
    　前記導電層には所定の電圧が印加され、
    　前記所定の電圧が前記導電層に印加されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換する第２の波長帯域の光の波長は、前記所定の電圧が前記導電層に印加されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換する波長帯域の光の波長よりも長い
    　固体撮像装置。
  2. 　予め定めた第１の波長から、前記第１の波長よりも長い予め定めた第２の波長までの光を遮光する第１の光学フィルタ、
    　をさらに備え、
    　前記第１の半導体基板は、
    　前記第１の光学フィルタと前記第２の半導体基板との間に配置され、
    　前記第１の波長帯域の上限の波長は、前記第１の波長よりも短い波長であり、
    　前記第２の波長帯域の下限の波長は、前記第２の波長よりも長い波長である
    　請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 　前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、予め定めた第３の波長以下の波長の光を遮光する第２の光学フィルタ、
    　をさらに備え、
    　前記第３の波長は、
    　前記第１の波長以上で前記第２の波長以下である
    　請求項２に記載の固体撮像装置。
  4. 　前記第２の光学フィルタが遮光する下限の波長は、前記第２の光電変換層が光電変換する下限の波長以下の波長である
    　請求項３に記載の固体撮像装置。
  5. 　前記第２の光学フィルタは、
    　少なくとも赤色の波長の光を遮光する
    　請求項４に記載の固体撮像装置。
  6. 　前記第１の光電変換層および前記第２の光電変換層は、
    　ＰＮ接合型の光電変換部であり、
    　前記第１の光電変換層を形成する第１のＮ型半導体層の厚さは、
    　前記第２の光電変換層を形成する第２のＮ型半導体層の厚さよりも薄い
    　請求項１から請求項５のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
  7. 　前記第１のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度は、
    　前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度と同じ、または前記第２のＮ型半導体層を形成する際の不純物の濃度よりも濃い
    　請求項６に記載の固体撮像装置。
  8. 　前記第１の光電変換層は、
    　赤色の波長の光を透過する第１の色フィルタ、緑色の波長の光を透過する第２の色フィルタ、または青色の波長の光を透過する第３の色フィルタのいずれか１つの色フィルタが、前記第１の波長帯域の光が入射する側に配置され、
    　前記第１の色フィルタ、前記第２の色フィルタ、および前記第３の色フィルタのそれぞれは、さらに、
    　少なくとも前記第２の波長帯域の光を透過する
    　請求項１から請求項７のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
  9. 　前記第１の半導体基板と前記導電層との間に配置され、前記第１の光電変換層を透過した光の反射を防止する反射防止膜、
    　をさらに備える
    　請求項１から請求項８のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
  10. 　前記導電層に印加する前記所定の電圧を制御するゲート電圧制御部、
    　をさらに備える
    　請求項１から請求項９のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
  11. 　ゲート電圧制御部は、
    　前記第２の光電変換層に対応する導電層毎、または複数の前記導電層毎に、異なる電圧値の前記所定の電圧を印加する
    　請求項１０に記載の固体撮像装置。
  12. 　近赤外光が照射されている場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第１の電気信号と、前記近赤外光が照射されていない場合に前記第２の光電変換層が光電変換した第２の電気信号とに基づいて、前記近赤外光のみが含まれている電気信号を生成する演算処理部、
    　をさらに備える
    　請求項１から請求項１１のいずれか１の項に記載の固体撮像装置。
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