WO2017188219A1 - 撮像モジュール及び撮像装置 - Google Patents
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- the present invention relates to an imaging module that excels in energy, space, and time resolution and realizes high sensitivity, small size, light weight, and low power consumption, and an imaging apparatus using the imaging module.
- Patent Document 1 An optical CT (computer tomography) apparatus using near infrared light is disclosed (Patent Document 1).
- a large number of detectors are arranged radially or the light source unit needs to rotate around the subject, sufficient spatial resolution cannot be obtained, and it is difficult to reduce the size and weight of the apparatus.
- Patent Document 2 a mammography apparatus using near infrared light is disclosed (Patent Document 2). Because there are restrictions on the arrangement of detectors and light sources according to the shape of the subject and the number of detectors is also limited, it is difficult to find small lesions at an early stage or several millimeters or less.
- Patent Document 3 there are restrictions on the number of combinations of detectors and light sources used in the optical topography apparatus using near-infrared light (Patent Document 3), so that sufficient resolution cannot be obtained, and further image analysis and diagnosis are advanced. Further improvements are required to perform the above. In both mammography devices and optical topography devices, it is difficult to accurately set the relative positional relationship between the light source and the detector, and the subject wears these devices in close contact with or under pressure. Pain and discomfort are problems.
- Patent Document 4 a composite imaging device that combines image information obtained from visible light and information obtained by an ultrasonic detector is disclosed (Patent Document 4), image information using near-infrared light in vivo is further disclosed. Simultaneous acquisition requires early detection of cancer and other diseases and reduction of patient burden.
- Patent Document 5 A method that enables X-ray spectroscopic analysis by causing X-rays to enter from the side surface of the semiconductor substrate and performing photoelectric conversion while the X-rays travel in the direction parallel to the semiconductor substrate surface inside the semiconductor substrate (Patent Document 5) ), And an imaging device having sensitivity to near-infrared light is disclosed (Patent Document 6). In both cases of X-rays and near infrared rays, sensitivity is improved by increasing the incident optical path length inside the silicon as compared with visible light.
- Patent Document 7 An example in which the principle of the side-illuminated imaging element is applied to an X-ray CT apparatus is described in Patent Document 7.
- an image sensor having the side surface of the substrate as a light receiving portion can be obtained by cutting (dicing) the semiconductor wafer and dividing (dividing into pieces) into individual image sensors. For this reason, the peripheral portion or the side wall portion of the surface of the image sensor is mechanically and thermally damaged by the dicing process, and crystal defects are generated. Furthermore, it is exposed to external heavy metal and reactive chemical contamination. As described above, an unsolved technical problem remains with respect to the image pickup element having the side surface of the substrate as the light receiving portion.
- JP-A-4-241850 Special table 2002-502652 JP 63-275323 A JP-A-57-145650 JP-A-8-29329 JP2011-205085 Special table 2012-517604
- the problem to be solved by the present invention is an imaging module for spectral analysis or imaging of a light physical property of an object to be measured with respect to near-infrared light or the like, and an imaging apparatus using the same, and includes space, energy, and time resolution. Improvement, detection sensitivity, resolution, and dynamic range, and further reduction in size and weight of the imaging device and reduction in power consumption. Furthermore, it is to expand the application area of an imaging module that can cope with a detection range of incident light wavelength, various object shapes, dimensions, and the like, and an imaging apparatus and a spectroscopic analysis apparatus using the imaging module.
- an imaging apparatus using a hybrid imaging module capable of simultaneous imaging or spectral analysis with different light source wavelengths or signal sources, such as a fluorescence analysis apparatus and an ultrasonic imaging apparatus, highly accurate and highly reliable image diagnosis, Or to enable early diagnosis and treatment by sample analysis.
- a non-invasive or low-load examination is realized in order to reduce the physical and mental burden of the subject.
- a large number of detectors and light source units are precisely arranged in a two-dimensional or three-dimensional space to improve spatial resolution. Increase detector sensitivity, resolution, and dynamic range.
- the detector's light-receiving surface is precisely set according to the shape of the subject by accurately setting the arrangement of the detector and light source according to the shape of the subject, the number of detectors and light sources, and the relative positional relationship between the light source and the detector. Optimize the shape and direction of the light exit surface from the light source. It suppresses the characteristic variation among multiple detectors and improves the time resolution by high speed and low power consumption drive.
- a semiconductor imaging device also referred to as a photoelectric conversion device
- a large subject such as a human body can be imaged.
- An imaging module is configured using a semiconductor imaging device that does not use a special material that leads to a reduction in driving voltage and an increase in cost such as an SOI (Silicon-on-insulator) substrate or a high-resistance silicon wafer.
- SOI Silicon-on-insulator
- the load of the manufacturing process is suppressed by the structure of the semiconductor imaging element that can avoid the formation of the photoelectric conversion region and the element isolation region deep in the thickness direction of the silicon substrate to be used.
- the occurrence of crystal defects on the side surface of the semiconductor substrate is suppressed, and deterioration in imaging characteristics and reliability due to external contamination is prevented.
- An imaging device or a spectroscopic analysis device that is small and lightweight and that can reduce pain and burden on a subject is realized.
- an imaging module is provided on a semiconductor imaging device having a photoelectric conversion portion having a side surface portion of a semiconductor substrate in a direction perpendicular to a semiconductor substrate surface on which an integrated circuit is formed as a light receiving surface.
- the light emitting unit has one or a plurality of light source units, and the light emitting unit of the light source unit is disposed on the light receiving surface side.
- the imaging module of the present invention has one or a plurality of light source sections on the side surface portion side of the semiconductor substrate having the light receiving surface.
- a line connecting the pixel centers of the pixel array arranged on the light receiving surface and a line connecting the center of the light source light emitting part are on the same plane.
- the imaging module according to the present invention has a structure having one or a plurality of light source portions on a semiconductor substrate surface side or a semiconductor substrate back surface side on which an integrated circuit is formed.
- An image pickup module according to the present invention includes a semiconductor image pickup device laminated on a mounting substrate, and has one or a plurality of light source units on the same surface as the surface on which the semiconductor image pickup device is mounted or on the opposite mounting substrate surface. .
- the imaging module according to the present invention has a structure in which the shape of the side surface of the semiconductor substrate serving as the light receiving surface is curved in plan view.
- the imaging module according to the present invention is characterized in that the shape of the side surface of the semiconductor substrate serving as the light receiving surface is circular in plan view.
- the image pickup module according to the present invention has a structure in which the semiconductor image pickup element portion is formed by stacking two or more semiconductor image pickup elements in the direction perpendicular to the semiconductor substrate surface via the electric coupling means.
- the imaging module according to the present invention has a structure in which the light receiving surface of the semiconductor imaging device and the light emission direction of the light source unit surround the subject in all directions (360 °).
- a hollow portion is provided inside a single semiconductor substrate, or a plurality of imaging modules are juxtaposed so as to surround the subject on the XY plane.
- the shape of the outer peripheral portion is also a donut shape in the plan view.
- the side surface of the semiconductor substrate serving as the light receiving surface is covered with an insulating film such as a silicon oxide film. Further, a high concentration impurity layer is provided below the insulating film. A SiGe region containing germanium is provided in the photoelectric conversion portion on the silicon substrate. An optical member such as a microlens is laminated on the light receiving surface.
- the photoelectric conversion part of the semiconductor image sensor is formed by CIGS or another photoconductive film. The thickness of the substrate of the semiconductor imaging device used in the imaging module is reduced to about 5 to 20 ⁇ m.
- the light source unit of the imaging module according to the present invention is any one of a light emitting diode, a laser diode, an optical fiber, or a combination thereof, and the emitted light is, for example, near infrared light.
- the optical CT apparatus has a structure in which two or more imaging modules are three-dimensionally combined in a direction perpendicular to the semiconductor substrate surface.
- the optical CT apparatus or the optical topography apparatus according to the present invention has a structure in which two or more imaging modules are arranged so that the longitudinal direction of the side surface of the semiconductor substrate constituting the light receiving surface radially surrounds one straight line.
- An optical CT apparatus, a mammography apparatus, or an optical topography apparatus includes two or more imaging modules in a direction perpendicular to the semiconductor substrate surface, in which the shape of the side surface portion of the semiconductor substrate serving as the light receiving surface is a circular shape with a concave shape in plan view.
- the three-dimensionally combined structure is characterized in that the diameters of the circles of adjacent imaging modules are sequentially enlarged or reduced.
- optical CT apparatus mammography apparatus, or optical topography apparatus according to the present invention is characterized in that the relative position between two or more imaging modules can be extended or shortened.
- two or more arc-shaped imaging modules are combined in a dome-shaped longitude direction, and a donut-shaped imaging module is combined in a dome-shaped latitude direction. It is characterized by comprising a mesh structure.
- the optical ultrasonic imaging apparatus includes an imaging module including a semiconductor imaging element in which a shape of a side surface of a semiconductor substrate serving as a light receiving surface is convex in a plan view, a light source unit, and an ultrasonic detection unit.
- An optical ultrasonic endoscope apparatus includes an imaging module including a semiconductor imaging element, a light source unit, and an ultrasound detection unit, in which a shape of a side surface of a semiconductor substrate serving as a light receiving surface is a convex shape in a plan view.
- an imaging device or a spectroscopic device using near infrared light, and to reduce power consumption. Even when the image pickup apparatus is reduced in size and weight, an image pickup apparatus having high image quality, high-speed image pickup, and image pickup characteristics with less sensitivity variation, false signal, and the like is possible, and the application range is expanded. Since an imaging device having an imaging element shape suitable for the subject shape and its arrangement can be realized, an imaging device with high image quality, high resolution, and excellent energy, time, and spatial resolution becomes possible. It is possible to prevent the deterioration of the acquired image such as white scratches and crosstalk, and to improve the reliability and product life of the image sensor.
- Different imaging functions using an ultrasonic detector or the like are simultaneously realized in a single imaging module, enabling a hybrid imaging diagnostic apparatus having a plurality of diagnostic functions in addition to miniaturization and weight reduction, high sensitivity and high image quality.
- new image information can be acquired corresponding to differences in the size and shape of a subject (human body, organ, etc.), various subject compositions (bone, muscle, blood vessel, etc.) and incident light energy.
- An image diagnostic apparatus such as a brain image, a mammography, or an endoscope apparatus is realized. In this way, the relative positional relationship between the light source and the detector can be accurately set and the imaging module can be adapted to the shape of the subject, so that especially the subject's mental and physical pain and discomfort are reduced.
- a minimally invasive or non-invasive medical imaging device, a spectroscopic analysis device, or the like is realized.
- FIG. 6C is a plan view for explaining the structure of the semiconductor image pickup element portion in the module.
- FIG. 6C is a plan view for explaining the structure of the semiconductor image pickup element portion in the module.
- (A) is the top view which shows another example of the imaging module which concerns on this invention, and its two-dimensional coordinate axis
- (b) is the light-receiving surface and light source of the module seen from the white arrow D direction shown to
- FIG. 6C is a plan view for explaining the structure of the light emitting section of FIG. 5C, and FIG.
- 6C is a plan view of a composite imaging module in which two or more imaging modules are arranged on the XY plane.
- A is the perspective view which shows another example of the imaging module which concerns on this invention, and its three-dimensional coordinate axis
- (b) is a top view of the module
- (c) is a white arrow shown in (b) It is a top view for demonstrating the structure of the light-receiving surface of the module seen from E direction, and the light emission part of a light source.
- A) is a plan view showing another example of the imaging module according to the present invention and its two-dimensional coordinate axes
- (b) is a plan view showing another example of the imaging module according to the present invention and its two-dimensional coordinate axes. is there.
- FIG. 1 is a perspective view showing another example of the imaging module according to the present invention and its three-dimensional coordinate axis
- (b) is a cross-sectional view of the module taken along a broken line arrow F-F ′ in (a).
- (C) is the perspective view which shows another example of the imaging module which concerns on this invention, and its three-dimensional coordinate axis.
- (A) is a top view for demonstrating the detailed structure of the part 250a enclosed with the broken line in FIG.5 (b), (b) is the modification, (c) is the drawer in (a). It is a cross-section figure of a semiconductor image sensor in the position which the dashed line arrow corresponding to lines G and G 'shows.
- FIG. 1 is a perspective view showing another example of the imaging module according to the present invention and its three-dimensional coordinate axis
- (b) is a cross-sectional view of the module taken along a broken line arrow F-F ′ in (a).
- (C) is the perspective
- FIG. 6D is a cross-sectional structure diagram according to another modification.
- (A) is a principal part sectional structure figure of semiconductor image sensor 270 concerning the present invention, and the concentration distribution figure in the Z-axis direction of Ge atom.
- (B) is a principal part cross-section figure of the semiconductor image pick-up element 271 which concerns on another Example.
- (A) is the principal part cross-sectional structure in the Z-axis direction seen from the X-axis direction of the multilayer imaging module 620, and (b) is the light-receiving surface side in the Z-axis direction seen from the Y-axis direction of the multilayer imaging module 620. It is the principal part cross-section structure.
- (A) is a cross-sectional structure of the multilayer imaging module 630 in the Z-axis direction
- (b) is an equivalent circuit diagram of the semiconductor imaging element section.
- (A) is principal part sectional structure drawing of the semiconductor image pick-up element part in the imaging module 640 which concerns on an Example
- (b) is principal part sectional structure drawing of the semiconductor image pick-up element part in the other imaging module 641 which concerns on an Example. is there.
- (C) is a top view at the time of seeing the imaging module 640 or 641 which concerns on an Example from a Z-axis direction.
- (A) is the principal part perspective view of the optical CT apparatus which concerns on this invention, and its three-dimensional coordinate axis
- (b) is the top view which looked at the principal part from the U-axis direction
- (c) is the principal part. It is the top view seen from the U-axis direction which concerns on another Example.
- (A) And (b) is the perspective view of the optical CT apparatus or optical topography apparatus which concerns on this invention, and its three-dimensional coordinate axis.
- (A) is a side view of the other optical CT apparatus or optical topography apparatus according to the present invention and its two-dimensional coordinate axis
- (b) is a plan view of the apparatus viewed from the U-axis direction
- FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of the module in the YZ plane.
- A) is a perspective view of the optical ultrasonic endoscope apparatus according to the present invention, and (b) is an example of an imaging screen obtained by superimposing an ultrasonic image obtained by the apparatus and an optical signal intensity distribution.
- FIG. 1A shows a perspective view of the imaging module 110 and a three-dimensional coordinate axis.
- the semiconductor substrate surface on which the integrated circuit is formed is defined as an XY plane, and the direction perpendicular to the semiconductor substrate surface, that is, the thickness direction of the semiconductor substrate is defined as the Z axis.
- a plurality of light receiving windows 2 are provided that indicate portions that receive light incident on a side surface (XZ plane) of a semiconductor substrate, for example, a silicon substrate.
- the portion corresponding to the light receiving window 2 is the end of the photoelectric conversion region extending in the Y-axis direction in the semiconductor substrate, or in the configuration in which a photoconductive film described later is laminated, the photoconductive on each pixel electrode. It is a membrane part. Further, it is assumed that the light receiving windows 2 are separated from each other by an element isolation region, or are separated at a position corresponding to the pixel electrode. Circuit blocks and the like described below are formed on the semiconductor substrate surface. Further, two light source units 310 are attached on the imaging module 110. For the light source unit 310, for example, a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), an optical fiber, or the like can be used. The case where LED is used is illustrated. The number of light source units 310 can be determined by the shape and physical properties of the subject, the light intensity of the light source unit, the light wavelength, and the like.
- FIG. 1B shows a cross-sectional structure on the YZ plane of the imaging module 110 at the position of the broken line arrow A-A ′ shown in FIG.
- the semiconductor image sensor 210 is formed on, for example, a p-type silicon substrate 6 and a pn photodiode is constituted by the photoelectric conversion region 15 into which an n-type impurity is introduced.
- the incident light 1 is incident from the side surface of the semiconductor substrate 6, the optical signal is converted into an electric signal in the pn photodiode portion.
- the n-type impurity region 15 enabling photoelectric conversion is formed extending from the vicinity of the side surface of the semiconductor substrate along the Y-axis (right) direction and along the surface of the semiconductor substrate.
- the extension distance of the n-type impurity region 15 can be easily set by a circuit design pattern, that is, a photolithography process, so that, for example, an optimum photoelectric conversion efficiency can be obtained depending on the incident light wavelength.
- a visible light wavelength for example, a wavelength of 380 to 700 nanometers (nm)
- it is sufficient that the extension distance of the n-type impurity region 15 is about 5 micrometers ( ⁇ m).
- the extension distance of the n-type impurity region 15 needs to be about 10 to 50 ⁇ m.
- the sensitivity rapidly decreases in a long wavelength region where the incident light wavelength is 900 nm or more due to the band gap of silicon.
- the depth of the n-type impurity region in the Z-axis direction is set to 10 ⁇ m or more.
- the manufacturing process requires a long-time and high-temperature thermal diffusion process using a high-resistance substrate, a high-energy ion implantation apparatus, or the like. In such a deep n-type impurity structure, a high drive voltage of several tens of volts (V) or more is required.
- a semiconductor image pickup device having a light receiving window on a side surface of a semiconductor substrate is obtained by cutting (dicing) a semiconductor wafer and dividing (dividing into pieces) into individual image pickup devices. For this reason, the peripheral portion or the side wall portion of the surface of the image sensor is mechanically and thermally damaged by the dicing process, and crystal defects are generated. Furthermore, it is exposed to external heavy metal and reactive chemical contamination.
- Silicon oxide film 7, 9, 17.
- the image pickup device having the side surface portion of the semiconductor substrate from the outside as well as to prevent external contamination (alkali metal, heavy metal, other particles, etc.) and crystal defects. it can.
- the structure is not easily affected by interface states between semiconductor substrates, for example, lattice defects.
- a light shielding film 13 and a contact pad 11 serving as an input / output terminal are formed on the semiconductor image sensor 210.
- the light shielding film 13 is preferably a metal thin film such as aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), or the like.
- the light shielding film 13 can shield unnecessary stray light other than the incident light 1 to be detected, and also has an effect of suppressing an influence on the semiconductor imaging device 210 due to a temperature rise of the light source unit 310, for example, an increase in dark current It is because it has.
- a light shielding film on the back surface of the semiconductor imaging element 210, that is, on the insulating film 9, it is possible to prevent intrusion of unnecessary light from the back surface side.
- a light source unit 310 is stacked on top of the semiconductor imaging device 210, and the light source unit 310 is composed of, for example, LEDs.
- the light source unit 310 is a component packaged with resin or the like, and a drive signal is supplied via a wiring layer on the semiconductor image sensor 210. That is, by inserting a micro bump or the like between the light emitting unit and the semiconductor image sensor 210, the drive control of the light source unit 310 by the semiconductor image sensor 210 is enabled.
- a more important feature is that when the imaging module 110 is mounted on an optical CT apparatus or other imaging apparatus, the semiconductor imaging element 210 and the light source unit 310 serving as an optical signal detection unit are simultaneously shifted in their relative positional relationship. Therefore, it is possible to uniquely mount and position in the imaging apparatus. As a result, the spatial resolution of the imaging data is improved.
- the emitted light 3 in the near-infrared region is irradiated toward the Y-axis (left) direction in FIG. Part of the emitted light 3 is absorbed, reflected, or diffused by a subject or the like (not shown). Therefore, a part of such reflected light or diffused light becomes incident light 1 and can be detected again by the semiconductor imaging device 210.
- the light emitted from the imaging module 110 itself is not limited to the case where it is detected again by the same imaging module 110 after diffusing and propagating in the subject.
- incident light 1 for example, fluorescence of wavelength ⁇ 2
- outgoing light 3 for example, excitation light of wavelength ⁇ 1
- a non-invasive near-infrared fluorescence imaging method that is detected by the semiconductor imaging device 210 is also possible.
- the wavelength of the excitation wavelength ⁇ 1 is generally shorter than the fluorescence wavelength ⁇ 2.
- FIG. 1C is a plan view for explaining the structure of the semiconductor image sensor 210.
- a circuit block diagram in which the light shielding film 13 is removed is shown.
- the surface of the light receiving surface is covered with the thin silicon oxide film 17. This is to reduce crystal defects due to mechanical and thermal damage, and to protect the photoelectric conversion unit 15 from external heavy metal and reactive chemical substances. Furthermore, the sensitivity can be improved by laminating an antireflection film (not shown).
- the photoelectric conversion unit 15 extends from the side surface of the semiconductor image sensor 210 toward the region where the integrated circuit block is formed. The plurality of photoelectric conversion units 15 are separated from each other by an element isolation region. As shown in FIG.
- the light receiving window 2 when viewed from the Y-axis direction, the light receiving window 2 (also referred to as a pixel) has a one-dimensional array shape. Is formed. As will be described later, the arrangement pitch of the light receiving windows 2 can be determined with a precision of 0.1 ⁇ m or less, for example, at the stage of designing and manufacturing the semiconductor imaging device 210, that is, by patterning.
- the circuit block 19 is a signal readout scanning circuit for reading out signal charges from the photoelectric conversion unit 15, and the circuit block 21 is a control signal necessary for the inside of the semiconductor imaging device 210 or the light emitting unit 310.
- a digital signal processing circuit (DSP) a circuit block 27 is an interface (I / F) circuit for communicating with an external element, and 11 is a contact pad serving as an input / output terminal for making an electrical contact with the external circuit.
- the signal readout scanning circuit 19 is provided with a noise removal circuit such as a source follower amplifier (SFA) and a sample-and-hold circuit in the vicinity of each photoelectric conversion unit 15, so that weak photoelectric charges can be detected.
- SFA source follower amplifier
- the side surface portion of the semiconductor substrate as the light receiving surface, high photoelectric conversion efficiency can be obtained even when the penetration distance of incident light is several tens of ⁇ m or more, and high voltage driving is not required.
- high detection sensitivity can be obtained for near infrared light having a wavelength of 1 ⁇ m or less, and peripheral circuits such as TG, ADC, DSP, etc. are made on-chip for each image sensor or Parallel AD conversion can be performed for each pixel group, and power consumption or heat generation can be reduced by speeding up signal processing and reducing drive frequency.
- adjacent pixels are formed on the side surface of the same semiconductor substrate, variation in sensitivity between pixels can be minimized.
- the extension distance in the direction parallel to the XY plane of the photoelectric conversion region 15 can be easily set by photolithography (mask design).
- the circuit block (19, etc.) is formed in a region opposite to the light receiving surface side with the photoelectric conversion region 15 in between, so that it is incident in a direction perpendicular to the conventional semiconductor substrate surface. Unlike the structure that detects light, incidental light or other stray light can prevent the circuit block from malfunctioning or causing noise.
- FIG. 2A shows a perspective view of the imaging module 120 and a three-dimensional coordinate axis. Differences from the first embodiment will be described.
- a plurality of light receiving windows 2 are arranged on a side surface of a semiconductor substrate that constitutes the semiconductor imaging element 220, for example, a silicon substrate, but the side surface of the semiconductor substrate is not linear as shown in FIG. It is curved in a convex shape on the Y plane view.
- a plurality of light emitting portions 320 are attached along the curved portion.
- an LED, an LD, an optical fiber, or the like can be used for the light source unit 320. In this embodiment, the case where an optical fiber is used is illustrated.
- the number of light source parts 320 can be determined by the shape and physical properties of the subject, the light emission intensity required for the light source part 320, the light emission wavelength, and other conditions, and does not necessarily match the number of light receiving windows.
- the optical fiber of the light source unit 320 is fixed on the semiconductor image sensor 220 from the optical fiber mounting unit 321 toward the light receiving window 2.
- the optical fiber attachment portion 321 is not limited to simply bundling optical fibers connected from the outside, but can also have a role of redistributing transmitted light to the optical fiber of the light source unit 320 via an optical connection means.
- a structure in which a light emitting element such as an LED or an LD is built in the optical fiber mounting portion 321 and light is supplied to the optical fiber of the light source portion may be used.
- FIG. 2B shows a cross-sectional structure in the YZ plane of the imaging module 120 at the position of the broken line arrow B-B ′ shown in FIG.
- the circuit block and the insulating film 7 are located on the surface opposite to the surface on which the light source unit 320 and the optical fiber mounting unit 321 are fixed.
- the contact pad 11 is also located on the surface of the semiconductor imaging device opposite to the light source unit 320. Therefore, the light shielding film 13 is formed above the insulating film 9. With this structure, it is possible to avoid that the arrangement of the input / output terminals is restricted by an optical fiber or the like.
- FIG. 2C is a plan view for explaining the structure of the semiconductor image sensor 220.
- the surface of the light receiving surface is convexly curved and covered with a thin insulating film (silicon oxide film or the like) 17. Furthermore, the sensitivity can be improved by laminating an antireflection film (not shown).
- the photoelectric conversion unit 15 is formed to extend from the side surface portion of the semiconductor imaging element 220 toward the region where the integrated circuit block is formed. As in the first embodiment, the plurality of photoelectric conversion units 15 are separated from each other by an element isolation region. When viewed from the Y-axis direction as shown in FIG. It is formed in a one-dimensional array.
- the direction of the light beam emitted from the light source unit 320 and the normal direction of the curved surface are the same.
- the light receiving surface has a convexly curved structure, the incident light 1 from a wide angle can be detected as if a wide-angle lens was mounted. It becomes a shape suitable for a near-infrared detector shaped like a part.
- the circuit block configuration in FIG. 2C is the same as that in the first embodiment (FIG. 1C).
- FIG. 3A shows a perspective view of the imaging module 130 and a three-dimensional coordinate axis. Differences from the first and second embodiments will be described.
- a plurality of light receiving windows 2 are arranged on the side surface portion of the semiconductor substrate constituting the semiconductor image pickup device 230. However, the side surface portion side of the semiconductor substrate is not linear as shown in FIG. It is concavely curved.
- the mounting substrate 430 is stacked on the semiconductor imaging device 230, and the end side surface of the mounting substrate 430 is curved in a concave shape, like the semiconductor imaging device 230. Furthermore, the several light source part 330 is attached along the said curved part.
- an LED, an LD, an optical fiber, or the like can be used for the light source unit 330.
- the case where an LD is used is illustrated.
- the number of the light source units 330 can be determined by the shape and physical properties of the subject, the emission intensity required for the light emitting unit 330, the emission wavelength, and other conditions, and does not necessarily match the number of the light receiving windows.
- FIG. 3B shows a cross-sectional structure of the imaging module 130 at the position of the broken line arrow CC ′ shown in FIG.
- a mounting substrate 430 is provided between the semiconductor image sensor 230 and the light source unit 330, and electrical connection is established between the semiconductor image sensor 230 and the input / output terminals (not shown) of the light source unit 330 via the micro bumps 10. It is possible. Further, the mounting substrate 430 can transmit and receive signals to and from peripheral circuits (not shown) and can be supplied with power.
- a silicon interposer is suitable for the mounting substrate 430.
- the light shielding film 13 is formed on the insulating film 9. However, when the light shielding by the mounting substrate 430 is not sufficient, the light shielding film may be stacked on the insulating film 7.
- FIG. 3C is a plan view for explaining the structure of the semiconductor image sensor 230.
- the surface of the light receiving surface is concavely curved and is covered with a thin insulating film (silicon oxide film or the like) 17.
- the photoelectric conversion unit 15 extends in the normal direction of the curved surface and extends from the side surface of the semiconductor imaging device 230 toward the region where the integrated circuit block is formed.
- the direction of the light beam emitted from the light source unit 330 and the normal direction of the curved surface are the same.
- the light receiving surface has a concavely curved structure, so that the incident light 1 that spreads radially can be efficiently detected as in an optical CT apparatus configured to surround the subject.
- the circuit configuration in FIG. 3C is the same as that in the second embodiment (FIG. 2C).
- FIG. 4A shows an XY plan view of the imaging module 140 and a two-dimensional coordinate axis.
- a plurality of light receiving windows 2 are arranged on the side surface of the semiconductor substrate constituting the semiconductor image sensor 240.
- the substrate side surface portion of the semiconductor imaging device is curved in a concave shape.
- incisions are provided in a part of the substrate of the semiconductor image pickup device in the concave curved portion, and the light source unit 340 is inserted into the notches.
- the light source unit 340 for example, an LED, an LD, or the like can be used.
- FIG. 4B is a plan view for explaining the structure of the side surface portion of the imaging module 140 viewed from the direction of the white arrow D in FIG. Actually, the side surface portion is concavely curved as shown in FIG. 4A, but a simplified plan view is used for explanation.
- a plurality of light receiving windows 2 are formed on the side surface of the semiconductor substrate.
- the side surface portion of the semiconductor image sensor 240 further has a cut portion, and the light source portion 340 is fitted into the cut portion. It is preferable to arrange the light emitting part emitting surface center part 341 of the light source part 340 so as to be located on the same straight line as the center part of the light receiving window 2.
- the line connecting the pixel centers of the pixel array arranged on the light receiving surface and the center of the light source part light emitting part are on the same plane, for example, the emitted light from the other imaging module 140 at the opposing position 3 is detected as incident light 1, the incident light 1 is incident on the center line of the light receiving window of the semiconductor imaging device 240, so that the accuracy of the spatial position information of the reconstructed image or detection signal can be improved. it can.
- FIG. 4C shows an XY plan view of a modified example to which the fourth embodiment is applied.
- the imaging module 141 is disposed on the mounting substrate 440 so as to surround the imaging modules 140-1, 140-2, 140-3, 140-4 similar to the imaging module 140 shown in FIG. 4A. It consists of the structure. Although the maximum shape of each of the imaging modules 140-1 to 140-4 depends on the maximum size of the semiconductor wafer to be used, the maximum size of the subject that can be imaged by the imaging module 141 can be enlarged by this structure. . Further, as shown in the figure, the object can be surrounded by 360 ° toward the center of the circumference, so that it can be applied to a mammography apparatus, a brain optical topography apparatus, and the like as will be described later.
- FIG. 5A shows a perspective view of an imaging module 150 according to the fifth embodiment of the present invention and its three-dimensional coordinate axis.
- the semiconductor imaging device 250 has a circular hollow region at the center of a single semiconductor substrate, and a light source unit 350 is attached to the inner wall of the hollow region. That is, a plurality of light receiving windows are arranged on the side wall of the hollow portion.
- the diameter of the circle of the hollow part forming the light receiving surface depends on the size of the semiconductor substrate to be used, for example, a silicon wafer. When the wafer size is about 12 inches, it is particularly effective when applied to optical image diagnosis of the head, a part of the human body, or a small animal.
- FIG. 5B is an XY plan view of the imaging module 150.
- the imaging module 150 includes a semiconductor imaging device 250 and a light emitting unit 350, and the light source unit 350 is closely fixed to the inner wall of the hollow part.
- the photoelectric conversion unit 15 is arranged to extend radially from the center direction of the circle of the hollow portion toward the inside of the semiconductor substrate, and the side surface portion of the semiconductor substrate serving as the light receiving surface is the same as in the other embodiments. It is covered with an insulating film 17 (not shown).
- the circuit blocks 19, 21, 23, 25, and 27 are as described above, and the circuit block 29 is a buffer memory block.
- the purpose is to temporarily save data in order to cope with an increase in the amount of data accompanying an increase in the size of the imaging module.
- the imaging module 150 using a single semiconductor substrate can surround the periphery of the subject by 360 °. Therefore, when imaging the subject, the imaging element and the light source unit are rotated around the subject, or the semiconductor Since it is not necessary to finely adjust the relative positional relationship between the image sensor and the light source unit, an excellent effect is obtained that an extremely high spatial resolution can be obtained in a captured image.
- the integrated circuit formed on a single semiconductor substrate enables photoelectric conversion and signal processing, minimizing variations in characteristics such as sensitivity between pixels, speeding up signal processing, and reducing drive frequency. Reduction and heat generation can be expected.
- the light source unit can be driven by a circuit on the semiconductor image sensor, for example, TG, the light emission can be controlled at a high speed, or the time resolution can be greatly improved.
- the shape of the imaging device using the imaging module can be reduced in size and weight, there is also an effect that a portable or mobile optical CT device that can be moved by a vehicle or the like can be easily realized. It is done. Details of the portion 250a indicated by a broken line in FIG.
- FIG.5 (c) is a top view of the light source part 350 seen from the white arrow E direction in FIG.5 (b).
- the surface portion of the light source unit 350 is similarly bent along the side wall of the circular hollow portion formed in the semiconductor imaging device 250 as is apparent from FIG.
- the light source unit 350 is further laminated on the side surface portion of the semiconductor substrate surface serving as the light receiving surface.
- the light source unit 350 is preferably an organic LED, for example.
- the light source part 350 is comprised from the light emission part 351 which consists of an organic LED thin film, and the base member holding this.
- the base member for example, a transparent and flexible plastic film is suitable.
- the light receiving window 2 of the semiconductor image sensor 250 can be seen through the base member.
- the light emitting portions 351 are formed between the light receiving windows 2 arranged at equal intervals. Preferably, the center positions of the light receiving windows 2 and the light emitting portions 351 are aligned on a straight line.
- an optical filter 352 is further formed on the base member on the light receiving window 2.
- FIGS. 6A and 6B are plan views of the imaging module 160 according to the sixth embodiment. 6A and 6B, the outer shapes of the imaging modules 160 and 161 are circular on the plane view. As shown in FIG. 6A, the imaging module 160 has a hollow portion and thus has a donut-shaped outer shape.
- the photoelectric conversion units 15 are formed radially toward the center of the donut shape.
- the light source unit 360 is, for example, an LD, and is arranged between the photoelectric conversion units 15 with a certain interval.
- the outer periphery of the semiconductor substrate is also covered with a thin silicon oxide film 22. 11 m in the figure is a micropad.
- circuit blocks 19, 21, 23, 25, 27, 29 are as already described.
- the emitted light 3 emitted from the LD is detected as the incident light 1 by the photoelectric conversion unit 15 that is in a position where it goes straight and opposes, and either one of the object in the hollow portion is repeatedly scattered, refracted, etc. In some cases, the photoelectric conversion unit 15 may detect the incident light 1.
- Circuit blocks 19, 21, 23, 25, 27, and 29 are disposed in the vicinity of the outer periphery of the semiconductor substrate on the outer periphery of the semiconductor substrate.
- the insulating film 22 is made possible by reducing crystal defects caused by mechanical and thermal damage and protecting the integrated circuit from contamination by heavy metals, reactive chemical substances, and the like from the outside. That is, the side surface of the silicon substrate is not cleaved / exposed by dicing. For example, after the silicon substrate is thinned, the side surface of the silicon substrate is exposed by dry etching, reactive ion etching, or the like and covered with a silicon oxide film or the like. As a result, an integrated circuit can be formed up to the vicinity of the side surface of the silicon substrate, and the semiconductor imaging device 260 can be increased in size.
- the outer shape of the donut shape that is, the maximum diameter is less than 12 inches, but the inner diameter can be 10 inches or 11 inches or more.
- the wafer-size semiconductor image sensor 260 By using the wafer-size semiconductor image sensor 260 in this way, a small and portable optical CT apparatus is realized.
- an optical CT apparatus for the purpose of diagnostic imaging such as dentistry, head, breast, other body parts, or small animals such as pets is realized.
- this structure is particularly advantageous when used in a three-dimensional composite imaging module in which a plurality of imaging modules 160 having different donut-shaped diameters are assembled.
- the light receiving window 2 (not shown) is located on the outer periphery of the semiconductor imaging element 261 that constitutes the imaging module 161. That is, the photoelectric conversion regions 15 are formed on the convex outer peripheral side surface portion of the semiconductor substrate, and the light source portions 361 are alternately arranged with the photoelectric conversion regions 15. The number of light source units 361 may be smaller than the number of photoelectric conversion units 15.
- the insulating film 17 covers the outer periphery of the semiconductor image sensor 261, and the circuit block group (19, 21, 23, 25, 27) and the micropad 11m are arranged inside the semiconductor substrate. ing.
- Incident light 1 incident from all directions can be converted into an electrical signal in the photoelectric conversion region 15. Since the extension distance of the photoelectric conversion region 15 can be set from about 10 micrometers to several millimeters as already described, it is effective not only for detecting infrared light but also for detecting radiation. As in the case of FIG. 7A, the side surface of the silicon substrate is not cleaved / exposed by dicing, and the insulating film 17 reduces crystal defects due to mechanical and thermal damage, and heavy metals from the outside Since the integrated circuit is protected from contamination by reactive chemical substances, a dicing margin or the like is unnecessary in the peripheral region of the semiconductor image sensor 261, and a special effect can be obtained particularly when a small image pickup module is desired. This structure is also advantageous when used in a narrow observation area.
- FIG. 7A shows a perspective view of a multilayer imaging module 610 according to the seventh embodiment of the present invention and its three-dimensional coordinate axis.
- the stacked imaging module 610 includes imaging modules 150-1, 150-2, and 150-3 that are the same as the imaging module 150 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C via electrical connection means. Laminated. As shown in FIG. 7 (b), between the imaging modules 150-1 and 150-2 and between 150-2 and 150-3, the micro bump 10 and a micro (not shown) are connected as electrical connection means. Pads are formed to allow electrical connection between the imaging modules. Note that so-called through silicon vias (TSV) 30 are formed in the imaging modules 150-1 and 150-2 to facilitate electrical connection between the front and back surfaces of the imaging modules 150-1 and 150-2.
- TSV through silicon vias
- a laminated imaging module 610 is integrally formed between the imaging modules 150-1 and 150-2 and between 150-2 and 150-3 with an insulating adhesive layer 32 interposed therebetween.
- a side wall in the hollow portion is covered with an insulating film 17, and an integrally formed light source unit 350 is bonded to the stacked imaging modules 150-1, 150-2, and 150-3.
- An input / output contact pad 11 that enables electrical connection to the outside is formed on the bottom of the multilayer imaging module 610.
- the imaging modules of FIGS. 5 (a), 6 (a), and 7 (a) have an advantage that an imaging element portion can be formed from a single semiconductor wafer, but the size of the imaging module is the semiconductor used. If a wafer size, for example, a 12-inch wafer or a 14-inch wafer is used, it is difficult to construct a large imaging module exceeding this size. Therefore, as disclosed in FIG. 4C, a larger imaging module can be realized by arranging and combining a plurality of imaging elements on one plane. However, as shown in FIG. 4A, when only one side is curved and the remaining three sides are part of a rectangular shape (140, etc.), the element area cannot always be effectively used. There is also a demand to further increase the maximum external dimensions of the imaging module 141 of 4 (c).
- FIG. 7 (c) shows an eighth embodiment that enables a larger diameter.
- the imaging module 162 has a donut shape on the XY plane in the same manner as the imaging module 160 in FIG. 6A, but a plurality of imaging modules 162-1 to 162-8 are closely combined.
- Each of the imaging modules 162-1 to 162-8 is curved in a bow shape as shown in the drawing, and the width r2 is, for example, about several mm to 3 cm at most. For this reason, it is possible to easily form a plurality of the long, image-capturing elements of this bow shape from a single semiconductor wafer.
- the diameter r1 of the hollow portion of the imaging module 162 can be increased to, for example, about 70 to 100 cm.
- the number of arcuate imaging modules to be combined is not limited to eight as in this embodiment, and may be further increased or decreased. Further, a plurality of imaging modules 162 may be stacked in the Z-axis direction as in the imaging module 610 in FIG.
- FIG. 8A is a plan view for explaining the structure of a region 250a indicated by a broken line in FIG.
- the region 250a corresponds to a structure corresponding to one pixel of a so-called MOS photoelectric conversion (imaging) element.
- the photoelectric conversion region 15 can be formed by extending in the semiconductor substrate along the incident direction of the light (1), the photoelectric conversion region is not limited to visible light, for example, a structure that facilitates photoelectric conversion of near infrared light (NIR), for example. ing.
- the charges generated in the photoelectric conversion region 15 are sent to the signal readout scanning circuit 19.
- a wiring group 20 is formed above the signal readout scanning circuit 19.
- FIG. 8B is a modification of the MOS type semiconductor image pickup device structure of FIG. That is, as shown in the figure, the photoelectric conversion regions are divided and formed as 15-1, 15-2, and 15-3 in the incident light direction.
- the photoelectric conversion region 15-1 green (G) light, red (R) light in the photoelectric conversion region 15-2, and near infrared light (NIR) in the photoelectric conversion region 15-3.
- G green
- R red
- NIR near infrared light
- FIG. 1 An element cross-sectional structure of the photoelectric conversion region 15 and the signal readout scanning circuit 19 in the broken line arrow G-G ′ portion in the figure will be described with reference to FIG.
- the front and back surfaces of the semiconductor substrate, and the side portions with the light receiving windows are covered with insulating films 7, 9, and 17, respectively, and high-concentration p-type impurity layers 8, 18, and 12 are formed below these insulating films. Is formed. Further, a light shielding film 13 is laminated on the bottom surface of the semiconductor substrate. Incident light 1 enters from the left side of the drawing, travels through the photoelectric conversion region 15 and generates a photocharge.
- the signal charge transferred from the photoelectric conversion region 15 is read out by a signal charge detection circuit in the signal readout scanning circuit 19, for example, SFA 41.
- the signal readout circuit 19 is formed in the p-type well region 16. Exposure is started in a state where the photodiode is depleted by the application of the driving pulse.
- a depletion voltage for depleting the photoelectric conversion region 15 can be set low. Therefore, the driving voltage of the semiconductor image sensor can be brought close to that of a conventional two-dimensional MOS image sensor with semiconductor surface exposure.
- the generated photocharge is transferred to the floating diffusion layer (FD) 39 by the output gate terminal 31.
- Terminals 35 and 37 are a reset terminal and a reset drain, respectively.
- the incident light attenuates while traveling in the semiconductor substrate in a direction orthogonal to the Z axis.
- the extension distance of the photoelectric conversion region 15 can be set in the range of several hundred ⁇ m to 10 mm, an imaging module having sensitivity to infrared light, radiation, or the like can be obtained.
- FIG. 8D is an example of a cross-sectional structure of a CCD type semiconductor imaging device, unlike FIG. 8C.
- the upper part of the photoelectric conversion region 15 also serves as a charge transfer path, and a transfer electrode group 40 is formed on the semiconductor substrate.
- the charge packets to be read out also have position information without dividing the photoelectric conversion region 15, so that accurate spectral analysis of incident light energy is possible.
- pixel addition (decimation) of each packet is easy.
- FIG. 9A shows a cross-sectional structure of the main part of the photoelectric conversion region in the semiconductor image sensor 270 according to the ninth embodiment.
- germanium (Ge) indicated by a broken line in the vicinity of a photoelectric conversion region 15 (for example, a high-concentration n-type silicon region) formed inside a semiconductor substrate 6 (for example, a p-type silicon substrate) constituting the semiconductor image sensor 270.
- the silicon germanium (SiGe) region 24 containing s is formed, and its distribution extends in a direction parallel to the substrate surface, that is, in the direction of incident light (1).
- An example of the concentration distribution of germanium element in the Si substrate thickness direction (Z-axis direction) is shown on the right side of the figure.
- the concentration of germanium does not need to be uniform in the thickness direction of the Si substrate, and is distributed so as to have a maximum concentration peak near the center in the thickness direction of the Si substrate as shown in the figure. This is because the incident light enters the side surface of the Si substrate from the left side of FIG.
- Such a concentration distribution has an advantage that it can be easily formed by germanium ion implantation (for example, acceleration energy of 1 to 10 MeV, implantation dose amount of 10E15 to 10E17 / square cm) and a subsequent thermal diffusion process. Further, since most of the incident light passes through the SiGe region 24 having high-concentration germanium, it is particularly effective for increasing the wavelength of the spectral sensitivity spectrum of the semiconductor imaging device 270.
- the spectral sensitivity spectrum shown by the semiconductor imaging device 270 is compared with a conventional Si photodiode, a photodiode made of silicon (Si) alone has a tendency to rapidly decrease the spectral sensitivity when the wavelength becomes longer than 900 nm. When used in the infrared region, it was not always sufficient. According to the present embodiment, by introducing germanium into the photoelectric conversion region, the spectral sensitivity on the long wavelength side can be improved to 900 nm or more, for example, near 1100 nm.
- FIG. 9B is a cross-sectional structural view of a main part of a semiconductor imaging device 271 according to the tenth embodiment.
- the photoelectric conversion is performed in the photoconductive film 36 laminated on the side surface portion of the semiconductor image sensor 271. That is, the side surface portion of the semiconductor substrate 6 is covered with the high concentration impurity layer 18 and the insulating film 17, and the pixel electrode 34 is further stacked thereon.
- the pixel electrodes 34 are also patterned by the same number.
- a photoconductive film 36 is laminated on the pixel electrode 34, and a counter electrode 38 is formed.
- the counter electrode 38 can be formed as a single electrode even when there are a plurality of pixels (detection units), but is required to be a material that transmits incident light. .
- the counter electrode 38 can extend its wiring to the back side opposite to the wiring layer of the pixel electrode 34.
- An insulating film 30 is formed between the semiconductor substrate and the counter electrode 38.
- the photoconductive film material used for the photoconductive film 36 an optimum material is selected depending on the incident light wavelength.
- a chalcopyrite compound semiconductor represented by a compound semiconductor (generally called CIGS) containing copper, indium, gallium, and selenium, and a photoconductive film containing selenium, bismuth, and other elements having a large atomic number for X-ray detection
- CIGS-based photoconductive films have spectral sensitivity in the near-infrared region and are therefore being used for applications other than solar cells.
- the generated photocharge is read from the pixel electrode 34 to the FD (39) by turning on the read gate electrode 31, and amplified by the SFA (41).
- the reset operation of the FD (39), other signal processing in the subsequent stage, the element structure, and the like are the same as those in the embodiment described above.
- the spectral sensitivity of the semiconductor image pickup device 271 in which CIGS is laminated can be further increased to near 1200 nm on the longer wavelength side.
- Further important features are vapor phase growth (CVD), vapor deposition, molecular beam epitaxy, sputtering and other physical / physical characteristics on the side surface of a semiconductor substrate having a circular or hollow portion, which is made possible by the present invention.
- the photoelectric conversion part can be freely formed using a chemical film forming method. As a result, the application range of an imaging module incorporating a semiconductor imaging device using a photoelectric conversion film such as CIGS is expected to be dramatically expanded.
- FIG. 10A is a cross-sectional view of the main part of the multilayer imaging module 620 according to the eleventh embodiment viewed from the YZ plane
- FIG. 10B shows the multilayer imaging module 620 viewed from the Y-axis direction. It is a top view for demonstrating the structure of the light-receiving surface.
- the semiconductor image pickup device 281-1, 281-2, 281-3 is formed of a stacked type semiconductor image pickup device in which the semiconductor substrate thickness (Z-axis) is stacked.
- the light source unit is not illustrated, for example, in the case of stacking the semiconductor image pickup devices having the structure shown in FIGS. On the other hand, when the semiconductor image pickup devices in FIGS.
- each semiconductor image pickup device has a through electrode portion ( TSV) 30 is formed to facilitate signal exchange with an upper layer element or electrical connection between the elements.
- the through electrode portion (TSV) 30 itself is electrically insulated from the semiconductor substrate by the insulating film 43.
- the semiconductor image pickup devices 281-1 to 281-3 include photoelectric conversion regions 15-21, 15-22, 15-23, readout gate electrodes 31-1, 31-2, 31-3, and FD portions. 33-1, 33-2 and 33-3 are formed.
- the photoelectric charges read out to the FD (33-1, etc.) are amplified by the SFA (not shown) and transferred to the subsequent circuit as described above.
- a plurality of FDs (33-1, 33-2, 33-3) adjacent in the Z-axis direction may be electrically connected to each other and read by a common SFA.
- Important technical matters in the present embodiment are as follows. That is, the thickness d of each of the semiconductor image pickup devices 281-1, 281-2, and 281-3 can be formed thin.
- the thickness d is, for example, 5 to 20 ⁇ m, and the point is that the element isolation region is deep enough to contact the high-concentration (p-type) impurity layer 12 on the back surface of the semiconductor substrate.
- the resistance of the semiconductor substrate material to be used can be prevented from being increased, and as a result, the drive voltage can be further reduced.
- the element isolation region reaches the high-concentration (p-type) impurity layer 12 on the back surface of the semiconductor substrate, signal charge leakage (cross-crossing) between adjacent photoelectric conversion regions in the direction parallel to the XY plane. This is because (talk) can be prevented.
- FIG. 10B is an XZ plan view of the side surface portion on the light-receiving surface side in the stacked semiconductor imaging element portion of the imaging module 620 as viewed from the Y-axis direction. Since the imaging modules 281-1 to 281-3 are stacked, the dimension D in the thickness (Z-axis) direction is a dimension obtained by adding an adhesive layer to the thickness of the imaging modules 281-1 to 281-3.
- the dimension W in the X direction of each light receiving surface is the dimension in the X axis direction of each light receiving surface in the imaging modules 281-1 to 281-3.
- W and D have the same dimensions.
- signals from three divided pixel portions that is, three layers of photoelectric conversion portions may be added and output by a circuit configuration sharing an FD portion as described later.
- the thickness d of each semiconductor image sensor can be reduced by increasing the number of semiconductor image sensors to be stacked. . As a result, it becomes easy to further lower the driving voltage such as the readout voltage of the photocharge. For example, when three sheets are stacked as in this embodiment, the thickness d can be set to about 10 ⁇ m. Thus, by reducing the thickness d of the semiconductor imaging device, it is possible to obtain a special effect that it is easy to form an element isolation region, a photoelectric conversion region, a through electrode portion, and the like.
- FIG. 11A is a cross-sectional structural view of a main part of a semiconductor image pickup device used in an image pickup module 630 according to the twelfth embodiment.
- the light source unit may be disposed in a structure that is attached to the upper or lower part of the stacked semiconductor imaging device, or a part from which a part of the photoconductive film described below is removed.
- the imaging module 630 is a stacked imaging module having a structure in which a plurality of semiconductor imaging elements (291-1, 291-2, 291-3) are stacked, and the pixel electrodes (34-1, 34-2, 34-3). ) And a counter electrode 38 are continuously formed integrally therewith.
- peripheral circuit elements 292 including a driving circuit, a signal processing circuit, and the like are stacked. That is, by providing overlapping circuits and the like in the semiconductor imaging elements 291-1, 291-2, and 291-3 on the peripheral circuit element 292, the structure of the semiconductor imaging elements 291-1, 291-2, and 291-3 is simplified. It becomes easy to specialize in the device structure and manufacturing process optimal for the conversion or photoelectric conversion region.
- the semiconductor image pickup devices 291-1, 291-2, and 291-3 include pixel electrodes 34-1, 34-2, and 34-3 and readout gate electrodes 31-1, 31-2, 31-3,
- the FD 39 is shared between the semiconductor image pickup devices 291-1, 291-2, and 291-3 via the through electrode (TSV) 30.
- the photoelectric charge read out to the FD 39 is amplified by the SFA 41 on the semiconductor element 292 and transferred to the subsequent circuit.
- the semiconductor image pickup devices 291-1, 291-2 It is possible to select and read out any one of 291-3, or to add and read out signal charges from a plurality of semiconductor imaging devices.
- This structure increases the number of light-receiving surfaces (number of pixels) in the thickness direction of the semiconductor substrate to improve the resolution in this direction.
- the sensitivity can be improved, so that it is possible to set sensitivity, resolution, expansion of dynamic range, and the like to suitable characteristics.
- the photoconductive film and the counter electrode 38 on the upper side thereof can be formed on the plurality of semiconductor image pickup devices (291-1 to 291-3) after the wafer stacking step. There is no need to stack photoconductive films, etc., in each semiconductor image sensor, minimizing yield reduction factors such as photoconductive film quality degradation, and reducing manufacturing costs by simplifying the manufacturing process. It becomes possible.
- the main part of the semiconductor image sensor used in the image pickup module 640 according to the thirteenth embodiment will be described with reference to FIG.
- the light source section is not shown, a structure that is attached to the upper or lower portion of the semiconductor image sensor described in FIGS. 1 to 3 or a structure that is attached to the side surface of the semiconductor substrate as described in FIGS. 4 to 6 is applied. can do.
- a new element structure capable of improving the sensitivity of the photoelectric conversion portion, particularly the long wavelength sensitivity of 700 nm or more and the crosstalk is disclosed.
- an optical member is stacked on the side surface portion of the semiconductor substrate.
- the optical member 46 is a convex microlens
- the optical member 47 is a concave microlens
- the optical member 48 is composed of members (48-1 and 48-2) having different refractive indexes. It is an optical waveguide.
- the material used for the microlens and the like is selected in consideration of the wavelength of incident light, etc., but it should be noted that the wavelength dependency of the refractive index is particularly important. In the present embodiment, an example in which all of these three types of optical members are used is illustrated, but any one may be appropriately selected based on optical path calculation or the like. Other structures are the same as those described in the embodiments of FIGS. 8C and 9A.
- the microlens is disposed so that incident light passing through the center of the microlens passes through a position separated from the surface of the semiconductor substrate by a distance d1 in the thickness (Z-axis) direction of the semiconductor substrate.
- d1 is about 1 ⁇ 2 of the thickness d of the semiconductor image sensor in the Z-axis direction.
- incident light enters from the upper part in the Z-axis direction in the figure, passes through the photoelectric conversion region 15, and travels toward the bottom surface of the semiconductor substrate.
- the manufacturing process requires the introduction of a special material such as a technology different from a general-purpose CMOS manufacturing process and a high-resistance substrate, and faces a serious problem that an increase in driving voltage and the like cannot be avoided. Even if the depth of the photoelectric conversion region 15 is deeply formed, there is an adverse effect that crosstalk increases between adjacent photoelectric conversion regions.
- the incident light 1 is seen from the left side of the figure so as to penetrate the depletion layer region 49 that is in the vicinity of the photoelectric conversion region 15 and extends in the direction parallel to the XY plane and in the Z-axis direction. Since the process proceeds in the right direction, efficient photoelectric conversion is possible without further increasing the silicon substrate thickness d. This is because it is a problem that can be solved by ordinary patterning (lithography) by setting (designing) the length of the photoelectric conversion region 15 in the incident light direction in the range of 5 to 100 ⁇ m. Further, as shown in FIG. 9A, most of the incident light passes through the depletion layer region 49, that is, the region 24 where germanium (Ge) is distributed at a high concentration.
- the three-dimensional shape of the micro lens 46 or the like may be a shape called “kamaboko type” or a lenticular lens.
- the so-called aperture ratio is sufficiently large, so that a microlens is not necessarily required from the viewpoint of sensitivity.
- the optical member may be laminated on the photoconductive film in order to prevent the incident angle dependency of the incident light 1 and the penetration of light into adjacent pixels.
- FIG. 12B is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor image pickup device used in the image pickup module 641 according to the modified example of the structure shown in FIG.
- the position of the optical center in the Z-axis direction of an optical member such as a microlens that is, the distance d2 from the surface of the semiconductor image sensor is smaller than 1 ⁇ 2 of the thickness d of the semiconductor image sensor (d2 ⁇ d1). ).
- the SiGe formation region 24 can be formed shallower in the Z-axis direction, the acceleration energy of Ge ions at the time of ion implantation can be reduced, and the heat treatment process can be performed at a low temperature or in a short time.
- the thickness d of the semiconductor substrate itself such as a silicon substrate can be further reduced, and as a result, the element isolation region 26 can be formed, that is, the element isolation region 26 can be shallowed in the Z-axis direction.
- further improvement effects such as crosstalk and sensitivity improvement for long-wavelength light such as near infrared light can be realized at the same time.
- FIG. 12C is an XY plan view of the semiconductor image sensor unit used in the imaging module 650 as viewed from the Z-axis direction.
- Microlenses 46 and 47 are formed on the side surface portion of the semiconductor imaging device, as in FIGS. 12 (a) and 12 (b).
- a light receiving part that does not have a microlens is shown in one place. Since most of the light incident on the light receiving unit having the microlens travels along the extending direction (Y axis) of the photoelectric conversion unit 15, the risk of entering the adjacent photoelectric conversion region 15 is low.
- the incident light 1 is greatly attenuated in the case of incident light that has entered at an incident angle different from the Y-axis direction, particularly long wavelength light of 700 nm or more.
- the risk of generating photoelectric charges in a plurality of adjacent photoelectric conversion regions 15 is increased, and crosstalk is increased.
- the photoelectric charge generated in the vicinity of the photoelectric conversion region 15 or the depletion layer region 49 can be prevented from leaking to the adjacent photoelectric conversion region 15 by the element isolation region 26.
- This structure combined with optical members can also suppress leakage of incident light itself to the adjacent photoelectric conversion region 15, thereby simultaneously solving both improvement in sensitivity of long wavelength light such as near infrared light and suppression of crosstalk. It became possible.
- FIG. 13A shows a perspective view of a stereoscopic imaging module 710 according to the fourteenth embodiment of the present invention and its three-dimensional coordinate axis.
- the stereoscopic imaging module 710 has a structure in which imaging modules 110a, 110b, 110c, 110d, 110e, and 110f are incorporated in a cylindrical support 171.
- the imaging modules 110a, 110b, 110c, 110d, 110e, and 110f are fixed so that the side surface of the semiconductor substrate having the light receiving window is parallel to the cylindrical center line.
- an imaging module equivalent to the imaging module 110 (FIG. 1) described in the first embodiment can be used.
- the imaging modules 110d, 110e, and 110f are not visible because they are hidden by the cylindrical support 171.
- three-dimensional coordinate axes U, V, and W are newly defined.
- planes corresponding to the upper and lower surfaces of the cylinder are VW planes.
- the stereoscopic imaging module 710 corresponds to a gantry unit in the X-ray CT apparatus. Therefore, a three-dimensional tomographic image of a three-dimensional object can be reconstructed by moving a subject (not shown) in the direction of the arrow in the stereoscopic imaging module 710. That is, it is suitable as a gantry part of an optical CT apparatus.
- FIG. 7 A cross-sectional view of the stereoscopic imaging module 710 from the VW plane is shown in FIG.
- the imaging modules 110a, 110b, and 110c constitute a composite imaging module 173.
- the imaging modules 110d, 110e, and 110f constitute a composite imaging module 175.
- the composite imaging modules 173 and 175 are arranged at positions symmetrical with respect to the center line of the cylindrical support 171.
- the composite imaging modules 173 and 175 reconstruct a tomographic image of the subject 171 by rotating around the center line of the support 171, and the subject 172 or the stereoscopic imaging module 710 moves in the U-axis direction. By doing so, a large number of tomographic images can be obtained.
- the outgoing light 3a from the imaging module 110a goes straight and is detected as the incident light 1a of the imaging module 110d.
- the outgoing light 3d from the imaging module 110d goes straight and becomes the incident light 1d of the imaging module 110a. Detected.
- the other detects the outgoing light emitted by one between adjacent imaging modules (for example, 110a and 110c). This makes it possible to detect diffused light in the vicinity of the subject surface.
- only a pair of opposing imaging modules for example, 110a and 110d
- a 360 ° scan can be performed by rotating the stereoscopic imaging module 710.
- FIG. 13C is a VW plan view of the stereoscopic imaging module 720 showing another modification of the fourteenth embodiment.
- the stereoscopic imaging module 720 has a structure in which a large number of imaging modules 110 (including 110p, 110q, and 110r) are radially incorporated at equal intervals in a cylindrical support 171.
- the built-in imaging module 110 is fixed so that the side surface portion of the semiconductor substrate having the light receiving window is parallel to the cylindrical center line.
- an imaging module equivalent to the imaging module 110 (FIG. 1) described in the first embodiment can be used. That is, it has a structure in which the periphery of the subject 172 is surrounded by 360 ° on the VW plan view.
- the stereoscopic imaging module 720 can be applied to a diffused optical tomography device (Diffused Optical Tomography, DOT) and other optical CT devices.
- DOT diffused Optical Tomography
- the infrared light 3 emitted from the imaging module 110p propagates while diffusing inside the subject 172, and is detected as incident light 1 in the imaging module 110r.
- the other part of the diffused light propagates through the cancer tissue 174 and is detected as incident light 1 by the imaging module 110q.
- the image reconstruction algorithm based on the difference in light absorption coefficient and diffusion coefficient between the normal tissue of the subject 172 and the cancer tissue 174, the presence of the cancer tissue 174 can be visualized non-invasively and without being exposed to radiation. Further, it has a special effect that it can be used for a fluorescent CT apparatus.
- FIG. 9A shows a perspective view of a stereoscopic imaging module 810 according to the fifteenth embodiment of the present invention and its three-dimensional coordinate axis.
- the stereoscopic imaging module 810 has a structure that is stereoscopically assembled using the imaging modules 180a, 180b, and 180c and the four supports 181 that determine their arrangement.
- the structures of the imaging modules 180a, 180b, and 180c are the same as those in FIGS. 5A and 5B, and an LED or LD is suitable as the light source.
- the imaging modules 180a, 180b, and 180c have a circular hollow portion with a diameter R.
- a signal line from each imaging module can be connected to an external image processing system (not shown) via the connector unit 182. The difference between the present embodiment and the embodiment of FIG.
- the imaging modules (110a, 110b, 110c, etc.) are arranged radially with respect to the subject center direction. Therefore, in the stereoscopic imaging module 810 shown in FIG. 14A, there is no need to arrange a large number of imaging modules in a radial manner or to rotate the imaging module around the subject. Therefore, since the spatial position accuracy is high and the size and weight can be reduced, it is suitable for an optical CT apparatus such as a portable DOT or an optical topography apparatus.
- FIG. 820 A perspective view of a stereoscopic imaging module 820 according to a modification of the fifteenth embodiment is shown in FIG.
- the stereoscopic imaging module 820 includes imaging modules 180d, 180e, and 180f in which the diameters of the circular hollow portions are R1, R2, and R3, respectively.
- Each imaging module is supported by a support 183 made of an elastic member, and has a structure in which the distance between the imaging modules can be continuously changed and adjusted, like a bellows.
- the connector portion 182 is provided.
- the diameters of the hollow portions of the imaging modules 180d, 180e, and 180f can be easily changed by a semiconductor lithography technique such as diameters R1, R2, and R3 (R1> R2> R3), respectively.
- the distance between imaging modules in the U-axis direction
- the distance between imaging modules can also be changed, making it easy to match the shape of the subject, and improving the accuracy of accurate spatial position information and the light emitted from the light source Can be efficiently delivered into the subject.
- FIG. 910 A side view of a stereoscopic imaging module 910 according to the sixteenth embodiment of the present invention and its two-dimensional coordinate axis are shown in FIG.
- the stereoscopic imaging module 910 includes imaging modules 190a, 190b, 190c, 190d, 190e, 190f, 190g, and 190h.
- the imaging modules 190a, 190b, 190c, 190d, 190e, 190f, 190g, and 190h can use the configuration of the imaging module shown in FIG. 4A, for example, and illustrate the subject (for example, the head). It surrounds you.
- FIG. 4A A side view of a stereoscopic imaging module 910 according to the sixteenth embodiment of the present invention and its two-dimensional coordinate axis are shown in FIG.
- the stereoscopic imaging module 910 includes imaging modules 190a, 190b, 190c, 190d, 190e, 190f, 190g, and 190h.
- each imaging module can be arranged so as to cover the subject toward the top of the dome shape, so that the three-dimensional examination region can be further expanded. Therefore, the dead zone area that is not inspected can be minimized. Therefore, in addition to the above features, it is particularly effective for a mammography device, an optical topography device for brain activity, and the like.
- FIG. 9 A perspective view of a stereoscopic imaging module 920 according to a modified example of the sixteenth embodiment is shown in FIG.
- the stereoscopic imaging module 920 has a structure in which the stereoscopic imaging module 910 is further improved.
- the stereoscopic imaging module 910 has a structure in which the imaging modules (190a to 190h) are arranged radially in the longitude direction if compared to a globe, whereas the stereoscopic imaging module 920 further includes a plurality of donut shapes in the latitude direction. It features a structure in which the imaging modules are combined. That is, the imaging modules 195 arranged in the longitude direction have, for example, a structure in which the outer periphery of the imaging module shown in FIG.
- each imaging module can be arranged in a dome shape or a helmet shape that covers the entire subject, so that a dead zone region that is not inspected can be eliminated for a three-dimensional inspection object. Therefore, in addition to the above-described features, there are special effects in a mammography device, an optical topography device for brain activity, and the like.
- FIG. 16A shows the overall configuration of an optical ultrasonic imaging apparatus 1000 according to the seventeenth embodiment of the present invention.
- the optical ultrasonic imaging apparatus 1000 includes a main console 1001 that controls the imaging probe 1005, an image display unit 1003 that visualizes the captured image, and a cable 1009 that connects the imaging console 1005 to the main console 1001.
- the imaging probe 1005 has an imaging probe head 1007 at its distal end, and further includes an imaging module 198 inside the imaging probe head 1007. As will be described below, the imaging module 198 is combined with the ultrasonic detection unit 510. That is, as shown in the perspective view of FIG.
- the imaging module 198 has, for example, a light receiving surface of the semiconductor imaging element 220 having a convex shape, similar to the imaging module 120 shown in FIG. It is integrated with a light source unit 320 such as an LD.
- a light source unit 320 such as an LD.
- an ultrasonic detection unit 510 is stacked on the upper part of the imaging module 198, and the ultrasonic emission surface of the ultrasonic detection unit 510 has a convex shape as in the imaging module 198, and Z When viewed from the axial direction, the ultrasonic emission surface and the light receiving surface of the imaging module 198 are laminated so as to substantially coincide.
- FIG. 16C is a cross-sectional view taken along the broken line arrow H-H ′ in FIG.
- the imaging module 198 includes the light source 320 made of an optical fiber for sending LD or LD light on the semiconductor imaging element 220, and further has an ultrasonic detection unit 510 laminated thereon.
- the cross-sectional structure of the semiconductor image sensor 220 is as already described with reference to FIG.
- a three-dimensional image can be reconstructed by detecting the fracture surface of the generated ultrasonic wave 5 with the ultrasonic detector 510.
- a non-invasive inspection apparatus that does not require a contrast agent is realized, and for example, cancer angiogenesis is superimposed on an ultrasonic image.
- cancer angiogenesis is superimposed on an ultrasonic image.
- near-infrared light having a wavelength of 797 nm has the same absorption coefficient for oxyhemoglobin and deoxygenated hemoglobin
- the image obtained with this wavelength shows the distribution of hemoglobin.
- near-infrared light having a wavelength of 756 nm has a large absorption coefficient of deoxygenated hemoglobin
- near-infrared light having a wavelength of 825 nm has a large absorption coefficient of oxyhemoglobin, whereby the oxygen saturation of the tissue can be measured. So you can know the degree of cancer progression. Thereby, in addition to early detection of breast cancer, prostate cancer, etc., the pain and burden of the patient can be reduced at the same time, or a particular focus position can be accurately specified even when a tissue is collected.
- the optical contrast agent when the excitation light (wavelength ⁇ 3) transmitted from the imaging module 198 is irradiated to the optical contrast agent (also referred to as a fluorescent probe) in the tissue, fluorescence emission (wavelength ⁇ 1) is emitted from the imaging module. 198 makes it detectable.
- the wavelength ⁇ 3 is near infrared light having a shorter wavelength than the wavelength ⁇ 1.
- it is possible to simultaneously acquire a plurality of different images such as normal ultrasound images, ultrasound images resulting from near-infrared light irradiation, near-infrared fluorescence images resulting from near-infrared light excitation, or spectroscopic analysis information.
- a multi-function or composite (hybrid) diagnostic imaging or spectroscopic analyzer is realized.
- the endoscope structure of the optical ultrasonic endoscope apparatus 1020 according to the eighteenth embodiment of the present invention is shown in FIG.
- An imaging module 199 having an ultrasonic detector 520 is incorporated in an endoscope probe distal end portion 1021 of the optical ultrasonic endoscope apparatus 1020.
- the imaging module 199 includes the circular imaging module 161 shown in FIG. 6B and further includes a circular ultrasonic detector 520, a circular mounting board 1025, and a communication / power cable 1023 attached to the lower part thereof.
- the light source 361 used for the imaging module 161 can be a light source unit made of the organic LED thin film described in the embodiment of FIG. 5 instead of the LED (made of an inorganic crystal material) or the LD.
- the ultrasonic detection unit 520 is a radial type, and includes a transducer array, an acoustic matching layer, an acoustic lens, and the like.
- a mounting substrate 1025 is provided below the ultrasonic detection unit 520, and signal lines, power lines, and the like from the imaging module 161 are connected to the mounting substrate 1025 via the inside of the cylinder of the ultrasonic detection unit 520.
- a signal line, a power line, and the like from the ultrasonic detection unit 520 are finally connected to the communication / power cable 1023 by being connected to the mounting substrate 1025.
- all of the semiconductor imaging device (corresponding to 261 in FIG. 6B), the light source unit (corresponding to 361 in FIG. 6B), and the ultrasonic detecting unit 520 are provided in all directions (360). (° direction) Near infrared light emission (3), incident light detection (1), ultrasonic wave emission (not shown), and ultrasonic wave detection (5) are possible. A structure that can be easily reduced in diameter is realized.
- the imaging principle is the same as that of the seventeenth embodiment, and provides an imaging apparatus suitable for an endoscope, a capsule endoscope, a laparoscope, a catheter, etc. that are inserted into the body and used. is there.
- FIG. 17B shows a schematic diagram 1027 of the imaging screen obtained by the optical ultrasonic endoscope apparatus 1020 according to the present embodiment. Regions 1031, 1033, and 1035 surrounded by broken lines are regions where some abnormality is recognized. A solid line spectral distribution 1029 indicates the intensity distribution of incident near-infrared light obtained by near-infrared fluorescence spectroscopy.
- the excitation light (wavelength ⁇ 3) transmitted from the imaging module 199 is irradiated to a photocontrast agent collected in a cancer tissue or the like in the tissue, fluorescence emission ( The wavelength ⁇ 1) is detected by the semiconductor imaging device 161, and a spectral distribution 1029 is obtained.
- the wavelength ⁇ 3 is shorter than the wavelength ⁇ 1. Therefore, it is desirable that the wavelength of light emitted from the light source unit is shorter than the peak wavelength in the sensitivity spectrum of the semiconductor image sensor.
- the region 1031 is recognized as a lesioned part (halftone dot part) by normal ultrasonic imaging, but the spectrum distribution 1029 does not show a high value, and thus may be a benign cancer tissue. High nature.
- an abnormal part (halftone dot part) obtained by a normal ultrasonic detector an abnormal part (black part) based on an ultrasonic signal generated by near-infrared light irradiation is superimposed. It is drawn as. It turns out that the value of the fluorescence spectrum (1029) by near infrared light irradiation is also increasing.
- the abnormal part (halftone part) that should be obtained by a normal ultrasonic detector is not recognized, but only the abnormal part (black part) based on the ultrasonic signal generated by the near infrared light irradiation is depicted.
- the value of the fluorescence spectrum (1029) by near-infrared light irradiation is also increasing. In this manner, cancer tissue that cannot be found by a normal ultrasonic detector can be found by an ultrasonic signal generated by irradiation with near-infrared light from the imaging module 199.
- the near-infrared fluorescence spectrum (1029) obtained at the same time can realize for the first time a hybrid ultrasonic endoscope apparatus that brings about a special effect that the degree of progression of cancer tissue and the like in an abnormal site can also be known. Become. As a result, it is expected that malignant tumors in the deep part of the body, for example, pancreatic cancer, bile duct cancer and other minute lesions will be detected early.
- the imaging module and the imaging apparatus according to the present invention are useful in the field of biochemistry such as animals and plants, various products, foods, and other industrial fields.
- SYMBOLS 1 Incident light to a light-receiving part, 2 ... Light-receiving part, 3 ... Outgoing light from light emission source, 4 ... Ultrasonic detection window, 5 ... Ultrasonic wave, 6 ... Semiconductor Substrate, 7 ... insulating layer on the surface of the semiconductor substrate, 8 ... high-concentration P-type semiconductor region on the surface of the photoelectric conversion region, 9 ... insulating layer on the back surface of the semiconductor substrate, 10 ... micro bumps, 11 ... Contact pad, 11 m: micro pad, 12: high-concentration P-type semiconductor region on the back surface of the semiconductor substrate, 13: light shielding film layer, 14 ...
- Counter electrode 39 39 Floating diffusion layer or floating diffusion (FD) 40.
- Support including elastic member for determining the arrangement of the imaging module, 190-a to 190-h. .Arc-shaped support including an elastic member for determining the arrangement of the imaging module, 195... Arc-shaped imaging module, 197-1, 197-2, 197-3, 197-4. , 198, 199 ... an imaging module having an ultrasonic detector, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 261, 270, 271 ... a semiconductor imaging device constituting the semiconductor imaging module according to the present invention, 292... Peripheral circuit element, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 361... A light source section, 321... An optical fiber mounting section, 341... A light source exit surface center section, 351...
- a light source exit section 352.
- Three-dimensional imaging module according to the present invention 1000 ...
- Optical ultrasonic imaging apparatus according to the present invention 1001 ... Ultrasound imaging apparatus main console, 1003 ... Image display unit, 1005 ... Imaging probe, 1007 ... Imaging probe head, 1009 ... Cable, 1011 ... Lesions, 1020 ...
- Optical ultrasonic endoscope apparatus according to the present invention 102 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... End-of-endoscope probe tip, 1023 ...
- Communication and power cable 1025 ... Mounting board, 1027 ... Imaging screen, 1029 ... Incident near infrared light intensity distribution, 1031 ... Abnormal part in normal ultrasonic image, 1033 ... Abnormal part by normal ultrasonic image and optical ultrasonic image, 1035 ... Abnormal part by optical ultrasonic image
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Abstract
【課題】光トポグラフィー装置或いは光ＣＴ装置等の撮像装置における空間、時間、エネルギー分解能を向上させ、かつ撮像装置の小型・軽量化により画像診断精度を飛躍的に向上させることにより疾病等の早期発見と医療費の削減を図る。 【解決手段】集積回路が形成された半導体基板面に対し垂直方向の半導体基板の側面部を受光面とする半導体撮像素子に対し、集積回路が形成された半導体基板面上に一又は複数の光源部を該光源部からの光出射方向が基板側面部の法線方向に一致するように配置した撮像モジュール或いはこれを用いた撮像装置を提供する。
Description
本発明は、エネルギー、空間、及び時間分解能に優れ、かつ高感度、小型軽量、低消費電力化を実現する撮像モジュール、及びこれを用いた撮像装置に関する。
近赤外光を用いた光ＣＴ（コンピュータトモグラフィー）装置が開示されている（特許文献１）。しかし、多数の検出器を放射状に配置、或いは被検体の周囲を光源部が回転運動する必要があるため、十分な空間解像度が得られず装置の小型・軽量化が困難である。同様に、近赤外光を利用したマンモグラフィー装置が開示されている（特許文献２）。被検体の形状に合わせた検出器と光源の配置に制約があり、また検出器の個数にも制約があるため、早期の或いは数ミリ以下の小さな病変部の発見は困難である。また、近赤外光を用いた光トポグラフィー装置（特許文献３）においても使用する検出器と光源の組み合わせ個数に制約があるため、十分な解像度が得られず、さらに進んだ画像解析や診断等を行うにはさらなる改良が求められている。また、マンモグラフィー装置、光トポグラフィー装置のいずれにおいても、光源と検出器の相対的位置関係を正確に設定することが困難であり、さらに被験者にとってもこれら装置を体に密着或いは圧迫して装着する苦痛と不快感が問題となっている。他方、可視光から得られる画像情報と超音波検出器により得られる情報を組み合わせた複合撮像装置が開示されているが（特許文献４）、さらに生体内における近赤外光を用いた画像情報の同時取得により、癌その他の疾患の早期発見と患者負担の軽減が求められている。
半導体基板の側面からＸ線を入射させ、Ｘ線が半導体基板内部を半導体基板面に平行な方向に進む間に光電変換を行わせることにより、Ｘ線分光解析を可能にする方式（特許文献５）、及び近赤外光に感度を有する撮像素子が開示されている（特許文献６）。可視光線に比べ、Ｘ線及び近赤外線のいずれの場合もシリコン内部における入射光路長を長くすることにより感度が向上する。上記側面入射撮像素子の原理をX線ＣＴ装置に応用した例が特許文献７に記載されている。しかし、このような基板側面を受光部とする撮像素子は、半導体ウエーハを切断（ダイシング）して個々の撮像素子に分割（個片化）することによって得られる。そのため、撮像素子表面の周辺部、或いは側壁部はこのダイシング工程により機械的、熱的に損傷を受け、結晶欠陥が発生する。さらに外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染に曝される。このように基板側面を受光部とする撮像素子については未解決の技術課題が残されている。
本発明の解決すべき課題は、近赤外光等に対する被測定物の光物性を分光分析、或いは撮像するための撮像モジュール及びこれを用いた撮像装置であって、空間、エネルギー、及び時間分解能の向上、検出感度、解像度、ダイナミックレンジの向上、さらに、撮像装置の小型・軽量化、及び低消費電力化である。さらに、検出可能な入射光波長域の拡大、様々な被検体形状、寸法等に対応可能な撮像モジュール及びこれを用いた撮像装置及び分光分析装置等の適用領域を拡大することである。また、蛍光分析装置や超音波撮像装置等の異なる光源波長或いは信号源と同時撮像又は分光分析可能なハイブリッド撮像モジュールを用いた撮像装置を実現することにより、高精度かつ信頼性の高い画像診断、或いは検体分析による早期診断と治療を可能にすることである。さらに、撮像モジュール及びこれを用いた撮像装置の使用にあたり、被験者の肉体的、精神的負担を軽減すべく、非侵襲、或いは低負荷の検査を実現することにある。具体的には、主に以下の項目が解決すべき技術課題である。
多数個の検出器と光源部を二次元或いは三次元空間内に精密配置し、空間解像度を向上させる。検出器の高感度化、高解像度化、及びダイナミックレンジの拡大を図る。被検体の形状に合わせた検出器と光源の配置、検出器と光源の個数、及び光源と検出器の相対的位置関係を正確に設定し、さらに被検体の形状に適応した検出器の受光面形状と光源からの光の出射面方向を最適化する。複数の検出器間の特性バラツキを抑え、高速、低消費電力駆動による時間分解能を向上させる。使用するシリコンウエーハのサイズを超える半導体撮像素子（光電変換素子とも呼ばれる）の使用により、人体等大型の被検体の撮像を可能にする。
近赤外光（ＮＩＲ）等の長波長光に対する高感度化と低クロストークを両立させる。さらに、入射光に対するエネルギー分解能を向上させる。駆動電圧の低減と、ＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板や高抵抗シリコンウエーハ等のコストアップにつながる特殊材料を使用しない半導体撮像素子を用いて撮像モジュールを構成する。使用するシリコン基板の厚さ方向に深い光電変換領域及び素子分離領域の形成を回避できる半導体撮像素子の構造により製造工程の負荷を抑制する。撮像モジュールに使用する半導体撮像素子において、半導体基板側面部における結晶欠陥の発生を抑制し、外部からの汚染等による撮像特性や信頼性の低下を防止する。
小型、軽量の可搬型であって、被験者の苦痛と負担を軽減できる撮像装置或いは分光分析装置を実現する。
上記目的を達成するため、本発明に係る撮像モジュールは、集積回路が形成された半導体基板面に対し垂直方向にある半導体基板の側面部を受光面とする光電変換部を有する半導体撮像素子上に一又は複数の光源部を有し、かつ光源部の光出射部が受光面側に位置する配置とする。本発明の撮像モジュールは、受光面を有する側の半導体基板の側面部側に一又は複数の光源部を有する。本発明に係る撮像モジュールは、受光面に並ぶ画素アレーの画素中心を結ぶ線と光源部光出射部の中心とを結ぶ線が同一平面上にある。本発明に係る撮像モジュールは、集積回路が形成された半導体基板面側または半導体基板裏面側に一又は複数の光源部を有する構造からなる。本発明に係る撮像モジュールは、半導体撮像素子を実装基板上に積層し、かつ半導体撮像素子が実装された面と同一面上、或いは反対側の実装基板面上に一又は複数の光源部を有する。
本発明に係る撮像モジュールは、受光面となる半導体基板側面部の形状が平面視座上湾曲した構造とする。本発明に係る撮像モジュールは、受光面となる半導体基板側面部の形状が平面視座上円形であることを特徴とする。本発明に係る撮像モジュールは、半導体撮像素子部が二以上の半導体撮像素子を半導体基板面に対し垂直方向に電気的結合手段を介し積層した構造からなる。
本発明に係る撮像モジュールは、半導体撮像素子の受光面、及び光源部の光出射方向が被検体を全方位（３６０°）取り巻く構造とする。そのために、単一の半導体基板の内部に中空部を設けるか、或いは複数の撮像モジュールをＸ－Ｙ平面上に被検体を取り巻くように並置される。さらに、外周部の形状も、平面視座上、ドーナツ形とする。
受光面となる半導体基板側面部を、シリコン酸化膜等の絶縁膜により被覆する。さらに、この絶縁膜の下層に高濃度不純物層を設ける。シリコン基板上の光電変換部にゲルマニウムを含むSiGe領域を設ける。受光面上にマイクロレンズ等の光学部材を積層する。半導体撮像素子の光電変換部を、CIGSその他の光導電膜により形成する。撮像モジュールに使用する半導体撮像素子の基板の厚さを５～２０μm程度に薄層化する。
本発明に係る撮像モジュールの光源部は、発光ダイオード、レーザーダイオード、又は光ファイバーのいずれか或いはこれらの組み合わせであって、その出射光を例えば近赤外光とする。
本発明に係る光ＣＴ装置は、二以上の撮像モジュールを半導体基板面に対し垂直方向に立体的に組み合わせた構造を有する。
本発明に係る光ＣＴ装置又は光トポグラフィー装置は、二以上の撮像モジュールを受光面を構成する半導体基板側面の長手方向が一本の直線を中心に放射状に取り囲むように配置した構造を有する。
本発明に係る光ＣＴ装置、マンモグラフィー装置或いは光トポグラフィー装置は、受光面となる半導体基板の側面部の形状が平面視座上凹状の円形である撮像モジュールを半導体基板面に対し垂直方向に二以上立体的に組み合わせた構造であってかつ隣接する撮像モジュールの円の直径が順次拡大又は縮小していることを特徴とする。
本発明に係る光ＣＴ装置、マンモグラフィー装置、或いは光トポグラフィー装置は、二以上の撮像モジュール間の相対的位置を伸長或いは短縮することが可能であることを特徴とする。
本発明に係る光ＣＴ装置、マンモグラフィー装置、或いは光トポグラフィー装置は、二以上の円弧形状の撮像モジュールがドーム形状の経度方向に放射状に、さらにドーナツ形状の撮像モジュールがドーム形状の緯度方向に組み合わされたメッシュ構造からなることを特徴とする。
本発明に係る光超音波撮像装置は、受光面となる半導体基板の側面部の形状が平面視座上凸状である半導体撮像素子、光源部、及び超音波検出部からなる撮像モジュールを有する。
本発明に係る光超音波内視鏡装置は、受光面となる半導体基板の側面部の形状が平面視座上凸状の円形である半導体撮像素子、光源部、及び超音波検出部からなる撮像モジュールを有する。
近赤外光を用いた撮像装置或いは分光装置等の小型・軽量化、及び低消費電力化が可能になる。撮像装置を小型・軽量化した場合においても画像の高画質化、高速撮像、感度バラつきや偽信号等の少ない撮像特性を有する撮像装置が可能になり、適用範囲の拡大をもたらす。被検体形状に対し好適な撮像素子形状及びその配置を有する撮像装置を実現できるので、高画質、高解像度、かつエネルギー、時間、空間分解能に優れた撮像装置が可能になる。取得画像に白キズ、クロストーク等の画像劣化を防止し、撮像素子の信頼性と製品寿命を向上させる効果が得られる。超音波検出器等を用いた異なる撮像機能も単一の撮像モジュールにおいて同時に実現し、小型軽量化、高感度・高画質化に加え、複数の診断機能を有するハイブリッド撮像診断装置を可能にする。さらに、被検体（人体や臓器など）の大きさや形状、或いは様々な被検体組成（骨、筋肉、血管など）及び入射光エネルギーの相違に対応した最適な画像情報の取得を可能にする新たな脳画像、マンモグラフィー、内視鏡装置等の画像診断装置が実現する。このように、光源と検出器の相対的位置関係を正確に設定し、かつ被検体形状に合わせた撮像モジュールにすることができるので、特に被験者の精神的・肉体的苦痛と不快感を軽減することができる低侵襲または非侵襲の医療用撮像装置、或いは分光分析装置等が実現する。
本発明の第一の実施例に係る撮像モジュールについて説明する。図１（ａ）に、撮像モジュール１１０の斜視図と三次元座標軸を示す。撮像モジュール１１０及びその構成要素を説明するため、三次元座標軸を定義する。集積回路が形成された半導体基板面をＸーＹ平面とし、該半導体基板面に対し垂直な方向、即ち半導体基板の厚さ方向をZ軸と規定する。半導体基板、例えば、シリコン基板の側面部（Ｘ－Ｚ平面）に入射する光を受光する部分を示す受光窓２が複数配置されている。後述するように、受光窓２に相当する部分は、半導体基板内Y軸方向に延在する光電変換領域の端部、或いは後述する光導電膜を積層した構成においては各画素電極上の光導電膜部である。また、受光窓２は互いに素子分離領域により隔てられているか、或いは上記画素電極に対応する位置において隔てられているものとする。以下に説明する回路ブロック等は、上記半導体基板面上に形成されている。さらに、撮像モジュール１１０上には、二個の光源部３１０が取り付けられている。光源部３１０には、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ)、レーザーダイオード（ＬＤ）、光ファイバー等を用いることができるが、本実施例では。ＬＥＤを用いた場合を図示している。光源部３１０の個数は、被検体の形状・物性等、或いは光源部の光強度、光波長等により決めることがでる。
図１（ａ）に示す破線矢印ＡーＡ’の位置における撮像モジュール１１０のＹ－Ｚ面における断面構造を図１（ｂ）に示す。半導体撮像素子２１０は、例えば、ｐ型シリコン基板６に形成され、ｎ型不純物が導入された光電変換領域１５によりｐｎフォトダイオードを構成している。入射光１が、半導体基板６の側面から入射すると、ｐｎフォトダイオード部において光信号が電気信号に変換される。図示するように、光電変換を可能にするｎ型不純物領域１５は、半導体基板側面部近傍からＹ軸（右）方向かつ半導体基板表面に沿って延在して形成されている。本構造により、ｎ型不純物領域１５の延在距離を回路設計パターン、即ちフォトリソグラフィー工程によって容易に設定することができるので、例えば、入射光波長によって最適な光電変換効率を得ることができる。可視光波長、例えば、波長３８０～７００ナノメータ（ｎｍ）の場合は、ｎ型不純物領域１５の延在距離は５ミクロンメータ（μｍ）程度あれば十分であるが、例えば、近赤外光(例えば、波長７００～１０００ｎｍ）の場合には、ｎ型不純物領域１５の延在距離は１０乃至５０μｍ程度必要になる。なお、後述するように、シリコン基板を用いる場合にはシリコンのバンドギャップにより、入射光波長が９００ｎｍ以上の長波長領域において感度が急激に低下する。これに対し、従来の可視光撮像素子であって、シリコン基板面に対しほぼ垂直に入射する近赤外光を検出する場合には、ｎ型不純物領域のＺ軸方向の深さを１０μｍ以上に設定する必要がある。しかし、その製造工程においては、高抵抗基板を用い長時間かつ高温の熱拡散工程、或いは高エネルギーイオン注入装置等が必要になる。またこのような深いｎ型不純物構造においては、数十ボルト（Ｖ)以上の高い駆動電圧が必要になる。
半導体基板側面部に受光窓を有する半導体撮像素子は、半導体ウエーハを切断（ダイシング）して個々の撮像素子に分割（個片化）することによって得られる。そのため、撮像素子表面の周辺部、或いは側壁部はこのダイシング工程により機械的、熱的に損傷を受け、結晶欠陥が発生する。さらに外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染に曝される。半導体基板側面部に受光窓を有する半導体撮像素子におけるこれら技術課題を解決するため、例えば、図１（ｂ）に示すように、半導体基板の表面、裏面、及び受光部側面を、絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）７、９、１７により被覆する。その結果、半導体基板側面部を受光部とする撮像素子を電気的に外部と絶縁すると同時に、外部からの汚染（アルカリ金属、重金属、その他パーティクル等）や結晶欠陥等の発生等を防止することができる。又、図示はしていないが、絶縁膜７、９、及び１７の下部の半導体基板表面には、半導体基板６よりも高濃度のｐ型不純物層があり、検出した信号電荷が、絶縁膜と半導体基板間の界面準位、例えば、格子欠陥等の影響を受けにくい構造となっている。さらに、半導体撮像素子２１０上には、遮光膜１３、及び入出力端子となるコンタクトパッド１１が形成されている。遮光膜１３には、アルミ（Ａｌ),銅（Ｃｕ)、タングステン（Ｗ)等の金属薄膜が好適である。遮光膜１３により、検出したい入射光１以外の不要な迷光を遮蔽することができることに加え、光源部３１０の温度上昇による半導体撮像素子２１０への影響、例えば、暗電流の増加を抑制する効果も有するからである。なお、半導体撮像素子２１０の裏面、即ち絶縁膜９上にも遮光膜を積層することにより、裏面側からの不要光の侵入を防止することができる。半導体撮像素子２１０の上部には光源部３１０が積層されており、光源部３１０は、例えば、ＬＥＤから構成されている。本実施例では、光源部３１０は、樹脂等でパッケージングされた部品であり、駆動信号は、半導体撮像素子２１０上の配線層を介して供給されている。即ち、マイクロバンプ等を発光部と半導体撮像素子２１０の間に挿入することにより、半導体撮像素子２１０による光源部３１０の駆動制御を可能にしている。
さらに重要な特徴は、撮像モジュール１１０を光ＣＴ装置、その他撮像装置に搭載する場合、光信号の検出部となる半導体撮像素子２１０と光源部３１０が同時に、かつその相対的位置関係にズレを生ずることなく、一義的に撮像装置内に取り付け位置決めが可能になる点にある。その結果、撮像データの空間分解能が改善する。光源部３１０からは、例えば、近赤外領域の出射光３が同図のＹ軸（左）方向に向けて照射される。出射光３の一部は、図示していない被検体等において吸収、反射、或いは拡散する。従って、このような反射光、或いは拡散光の一部が入射光１となって、再び半導体撮像素子２１０により検出することも可能である。このような撮像モジュール１１０自身が発した光が被検体内で拡散、伝搬した後に再度同一の撮像モジュール１１０により検出される場合に限られない。例えば、撮像モジュール１１０の発光部３１０から出射した出射光３（例えば、波長λ１の励起光）の照射により被検体内の光造影剤が発光することにより入射光１（例えば、波長λ２の蛍光）として半導体撮像素子２１０により検出する非侵襲的近赤外蛍光イメージング法も可能となる。なお、励起波長λ１の波長は、一般に、蛍光波長λ２よりも短波長である。さらに後述するように、撮像装置内における第二、第三の他の撮像モジュールより出射した光に基いて透過或いは拡散光となった入射光１として観測することも可能である。
図１（ｃ）は、半導体撮像素子２１０の構造を説明するための平面図である。説明のため、遮光膜１３を取り除いた回路ブロック図を示している。上述の通り、受光面の表面は薄いシリコン酸化膜１７で被覆されている。機械的、熱的損傷に伴う結晶欠陥を減少させ、かつ外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染から光電変換部１５を保護するためである。さらに、図示していない反射防止膜を積層することにより感度を向上させることができる。光電変換部１５は、図示するように、半導体撮像素子２１０の側面部から集積回路ブロックが形成された領域に向かって延在している。複数の光電変換部１５は、素子分離領域により互いに隔てられており、図１（ａ）に示したように、Ｙ軸方向から見た場合、受光窓２（画素とも呼ばれる）が一次元アレー状に形成されている。受光窓２の配列ピッチは、後述するように、半導体撮像素子２１０を設計・製造する段階、即ちパターニングにより、例えば、０．１μｍ以下の精度で確定することができる。本図１（ｃ）において、回路ブロック１９は光電変換部１５から信号電荷を読みだすための信号読み出し走査回路、回路ブロック２１は半導体撮像素子２１０の内部において、或いは発光部３１０に必要な制御信号を供給するためのタイミングパルス発生回路（ＴＧ）、回路ブロック２３は読みだされた電気信号をデジタル変換するためのＡＤ変換回路（ＡＤＣ）、回路ブロック２５はデジタル化された画像信号を処理するためのデジタル信号処理回路（ＤＳＰ）、回路ブロック２７は外部素子と通信するためのインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路、１１は外部回路との電気的接点をとるための入出力端子となるコンタクトパッドである。信号読み出し走査回路１９には、後述するようにソースフォロアアンプ（ＳＦＡ)、サンプルホールド回路等のノイズ除去回路が各光電変換部１５の近傍に設けられているため、微弱な光電荷を検出可能であり、かつ単一半導体基板上に集積化できるため、複数の光電変換部１５における感度バラツキを最小限に抑制することができる。同様に、オンチップＡＤＣ及びＤＳＰにより、高速、低ノイズかつ低消費電力のデジタル信号出力が得られる。又、後述するように、内視鏡等に使用する場合には、入出力端子数に制限があるが、その場合にはインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路においてパラレル信号をシリアル変換した後に出力することにより、入出力端子数を削減することが容易になり、単一撮像モジュールから多数の画素信号を得ることができる。
このように、半導体基板側面部を受光面とすることにより、入射光の侵入距離が、例えば、数十μｍ以上であっても高い光電変換効率が得られ、かつ高電圧駆動を必要としない。また、シリコン基板を用いた場合であっても波長１μm以下の近赤外光等に対し高い検出感度が得られ、ＴＧ，ＡＤＣ或いはＤＳＰ等の周辺回路をオンチップ化することにより撮像素子毎或いは画素群毎に並列ＡＤ変換が可能になり、信号処理の高速化と駆動周波数の低減による消費電力或いは発熱量を低下させることができる。また、隣接する画素が、同一の半導体基板の側面に形成されているので、画素間の感度バラツキを最小限にすることができる。従来は、不純物の高温かつ長時間の熱拡散工程、或いは高エネルギーイオン注入装置を用いてＺ軸方向に深い光電変換領域１５の形成が必要であった。しかし、本実施例においては、フォトリソグラフィー（マスクデザイン）により、容易に光電変換領域１５のX-Y平面に平行な方向における延在距離を設定することができる。また、図示するように上記回路ブロック（１９等）は、光電変換領域１５を挟んで受光面側とは反対側の領域に形成されているので、従来の半導体基板面に対し垂直方向に入射する光を検出する構造とは異なり、入射光その他の迷光により回路ブロックの誤動作やノイズの原因となることを防止することができる。
本発明の第二の実施例に係る撮像モジュールについて説明する。図２（ａ）に、撮像モジュール１２０の斜視図と三次元座標軸を示す。第一の実施例と異なる部分について説明する。半導体撮像素子２２０を構成する半導体基板、例えば、シリコン基板の側面部には複数の受光窓２が配置されているが、この半導体基板側面部側は、図示するように直線的ではなく、Ｘ－Ｙ平面視座上、凸状に湾曲している。さらに、複数の発光部３２０が上記湾曲部に沿って取り付けられている。光源部３２０には、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、光ファイバー等を用いることができるが、本実施例では光ファイバーを使用した場合を図示している。光源部３２０の個数は、被検体の形状・物性等、或いは光源部３２０に求められる発光強度、発光波長その他条件により決めることができ、上記受光窓の個数と必ずしも一致していなくてもよい。光源部３２０の光ファイバーは、光ファイバー取付け部３２１より受光窓２に向かって、半導体撮像素子２２０上に固定されている。光ファイバー取付け部３２１は、単に外部から接続される光ファイバーを束ねる役割に限らず、光源部３２０の光ファイバーに対し光学的接続手段を介し、伝送される光を再分配する役割を有することもできる。或いは、光ファイバー取付け部３２１内部に、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を内蔵し、光源部の光ファイバーに光を供給する構造であっても良い。
図２（ａ）に示す破線矢印Ｂ－Ｂ’の位置における撮像モジュール１２０のＹ－Ｚ面における断面構造を図２（ｂ）に示す。半導体撮像素子２２０の構造については、第一の実施例と異なる部分のみを以下に説明する。回路ブロック、及び絶縁膜７は、実施例１と異なり、光源部３２０と光ファイバー取付け部３２１が固定された面とは反対の面に位置している。そのため、コンタクトパッド１１も、光源部３２０とは反対側の半導体撮像素子面に位置している。従って、遮光膜１３は絶縁膜９の上方に形成されている。本構造により、入出力端子の配置が光ファイバー等によって制約を受けることを回避できる。
図２（ｃ）は、半導体撮像素子２２０の構造を説明するための平面図である。上述の通り、受光面の表面は凸状に湾曲し、かつ薄い絶縁膜（シリコン酸化膜等）１７で被覆されている。さらに、図示していない反射防止膜を積層することにより感度を向上させることができる。光電変換部１５は、半導体撮像素子２２０の側面部から集積回路ブロックが形成された領域に向かって延在して形成されている。第一の実施例と同様に、複数の光電変換部１５は、素子分離領域により互いに隔てられており、図２（ａ）に示したように、Y軸方向から見た場合、受光窓２が一次元アレー状に形成されている。さらに、光源部３２０からの出射光線の方向と上記湾曲した曲面の法線方向が一致していることが好ましい。このように、受光面表面を凸状に湾曲した構造にしたことにより、広角レンズを装着したように、広い角度からの入射光１を検出できるので、例えば、後述すように、超音波プローブ先端部のような形状の近赤外検出器に好適な形状となる。なお、本図２（ｃ）における回路ブロックの構成は、第一の実施例の場合（図１（ｃ））と同様である。
本発明の第三の実施例に係る撮像モジュール１３０について説明する。図３（ａ）に、撮像モジュール１３０の斜視図と三次元座標軸を示す。第一、第二の実施例と異なる部分について説明する。半導体撮像素子２３０を構成する半導体基板の側面部には複数の受光窓２が配置されているが、この半導体基板側面部側は、図示するように直線的ではなく、Ｘ－Ｙ平面視座上、凹状に湾曲している。本実施例では、実装基板４３０が半導体撮像素子２３０上に積層され、実装基板４３０の端部側面は、半導体撮像素子２３０と同様に、凹状に湾曲している。さらに、複数の光源部３３０が上記湾曲部に沿って取り付けられている。光源部３３０には、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、光ファイバー等を用いることができるが、本実施例ではＬＤを使用した場合を図示している。光源部３３０の個数は、被検体の形状・物性等、或いは発光部３３０に求められる発光強度、発光波長その他条件により決めることができ、上記受光窓の個数と必ずしも一致していなくてもよい。
図３（ａ）に示す破線矢印C-C'の位置における撮像モジュール１３０の断面構造を図３（ｂ）に示す。半導体撮像素子２３０の構造については、第一の実施例と異なる部分のみを以下に説明する。半導体撮像素子２３０と光源部３３０の間には、実装基板４３０が設けられており、半導体撮像素子２３０及び光源部３３０の入出力端子（図示せず）とマイクロバンプ１０を介して電気的接続を可能にしている。さらに、実装基板４３０は、図示していない周辺回路との間において信号の送受信を行い、また電源供給を受けることが可能である。実装基板４３０には、シリコンインターポーザが好適である。複雑かつ微細な多層の配線パターンを形成することが容易であり、また半導体撮像素子２３０と光源部３３０に対し、それぞれ異なる電源電圧を供給することが容易だからである。遮光膜１３は、絶縁膜９上に形成されているが、実装基板４３０による遮光が十分でない場合は、絶縁膜７上に遮光膜を積層してもよい。
図３（ｃ）は、半導体撮像素子２３０の構造を説明するための平面図である。上述の通り、受光面の表面は凹状に湾曲し、かつ薄い絶縁膜（シリコン酸化膜等）１７で被覆されている。第二の実施例と同様に、光電変換部１５は、湾曲した曲面の法線方向かつ、半導体撮像素子２３０の側面部から集積回路ブロックが形成された領域に向かって延在している。さらに、光源部３３０からの出射光線の方向と上記湾曲した曲面の法線方向が一致していることが好ましい。このように、受光面表面を凹状に湾曲した構造にしたことにより、被検体を取り囲むように構成された光ＣＴ装置等のように、放射状に広がる入射光１を効率的に検出できる。本図３（ｃ）における回路構成は、第二の実施例の場合（図２（ｃ））と同様である。
本発明の第四の実施例に係る撮像モジュール１４０について説明する。図４（ａ）に、撮像モジュール１４０のＸ－Ｙ平面図と二次元座標軸を示す。半導体撮像素子２４０を構成する半導体基板の側面部には、第一から第三の実施例と同様に複数の受光窓２（図示せず）が配置されている。本実施例では、第三の実施例と同様に、この半導体撮像素子の基板側面部は、凹状に湾曲している。さらに、本実施例では、凹状の湾曲部において半導体撮像素子の基板の一部に切り込み（本図では三か所）が設けられ、さらにこの切込み部に光源部３４０が挿入されている。光源部３４０には、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ等を用いることができる。好適には、光源部３４０からの出射光３の方向、及び光電変換部１５の長手方向は、いずれも円弧の中心方向と一致している。
図４（ｂ）は、図４（ａ）において白ぬき矢印Ｄ方向から見た撮像モジュール１４０の側面部の構造を説明するための平面図である。実際には、図４（ａ）に示すように側面部は凹状に湾曲しているが、説明のため簡略化した平面図とした。上述の通り、半導体基板側面部には、受光窓２が複数形成されている。半導体撮像素子２４０の側面部にはさらに切込み部分があり、その部分に光源部３４０がはめ込まれている。光源部３４０の発光部出射面中心部３４１を、受光窓２の中心部と同一直線上に位置するように配置することが好ましい。即ち、受光面に並ぶ画素アレーの画素中心を結ぶ線と光源部光出射部の中心とを結ぶ線が同一平面上にあるため、例えば、対抗する位置にある他の撮像モジュール１４０からの出射光３が、入射光１となって検出される場合、入射光１が半導体撮像素子２４０の受光窓の中心線上に入射するため、再構成画像或いは検出信号の空間的位置情報精度を向上させることができる。
図４（ｃ）に、第四の実施例を応用した変形例のＸ－Ｙ平面図を示す。撮像モジュール１４１は、図４（ａ）に示した撮像モジュール１４０と同様の撮像モジュール１４０－１，１４０－２，１４０－３，１４０－４を円周を取り巻くように、実装基板４４０上に配置した構造からなる。個々の撮像モジュール１４０－１乃至１４０－４の最大の形状は、使用する半導体ウエーハの最大寸法に依存するが、本構造により撮像モジュール１４１が撮像可能な被検体の最大寸法を拡大することができる。また図示するように、円周の中心方向に向かって３６０°被検体を取り囲むことができるので、後述するように、マンモグラフィー装置、脳の光トポグラフィー装置等に適用することができる。
本発明の第五の実施例に係る撮像モジュール１５０の斜視図とその三次元座標軸を図５（ａ）に示す。本実施形態においては、半導体撮像素子２５０は単一の半導体基板の中央部に円形の中空領域があり、その中空領域の内壁に光源部３５０が取り付けられている。即ち、受光窓もこの中空部の側壁に複数配置されている。受光面を形成する中空部の円の直径は、使用する半導体基板、例えば、シリコンウエーハのサイズに依存する。ウエーハのサイズが１２インチ程度の場合には、例えば、頭部、その他人体の一部、或いは小動物等の光画像診断に応用する場合に特に有効である。
図５（ｂ）は、撮像モジュール１５０のＸ－Ｙ平面図である。撮像モジュール１５０は、半導体撮像素子２５０と発光部３５０から構成されており、中空部の内壁に光源部３５０が密接に固定されている。光源部３５０は、複数の光出射部３５１が円の中心方向に向かって等間隔に並んでいるので、出射光３の光軸も当該円の中心に向かっている。同様に、光電変換部１５は中空部の円の中心方向から放射状に半導体基板内部に向かって延在して配置されており、受光面となる半導体基板側面部は、他の実施例と同様に絶縁膜１７（図示せず）により被覆されている。なお、回路ブロック１９，２１，２３，２５，２７は既に説明した通りであり、回路ブロック２９は、バッファメモリブロックである。撮像モジュールの大型化に伴うデータ量の増大に対応するため、データを一時的に退避させることが目的である。このように、単一の半導体基板を用いた撮像モジュール１５０は、被検体の周囲を３６０°囲むことができるので、被検体の撮像に際し、撮像素子や光源部を被検体周囲において回転、或いは半導体撮像素子と光源部の相対的位置関係を微調整する必要が無いため、撮影画像において極めて高い空間分解能が得られるという優れた効果を奏するものである。また、単一半導体基板上に形成された集積回路により光電変換と信号処理が可能なため、画素間の感度等の特性バラツキの最小化、信号処理の高速化と駆動周波数の低減による消費電力の削減と発熱量の低減等が期待できる。加えて、光源部の駆動を半導体撮像素子上の回路、例えばＴＧにより発光制御できるので、撮像モジュール１５０の高速駆動、或いは時間分解能を飛躍的に向上できるという特段の効果を奏する。さらに、本撮像モジュールを使用する撮像装置の形状を小型・軽量化することができるので、ポータブル、或いは車両等による移動可能な可搬型（モバイル）光ＣＴ装置等を容易に実現できるという効果も得られる。なお、同図中の破線で示した部分２５０ａの詳細については後述する。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）において白ぬき矢印Ｅ方向からみた光源部３５０の平面図である。実際は、光源部３５０の表面部は図５（ｂ）からも明らかなように半導体撮像素子２５０に形成された円形の中空部分の側壁に沿って同様に湾曲している。上述の通り、受光面となる半導体基板面側面部上にはさらに光源部３５０が積層されている。光源部３５０は、例えば、有機ＬＥＤが好適である。光源部３５０は、有機ＬＥＤ薄膜からなる光出射部３５１とこれを保持するベース部材から構成されている。ベース部材には、例えば、透明で柔軟性のあるプラスティックフイルム等が好適である。図５（ｃ）に図示するように、ベース部材を通して、半導体撮像素子２５０の受光窓２が見えている。光出射部３５１は、等間隔に並んだ受光窓２の間に形成されており、好ましくは、受光窓２と光出射部３５１の中心位置は一直線上に並んでいる。本実施例では、さらに受光窓２上のベース部材に光学フィルター３５２が形成されている。複数の受光部を有する特徴を活用し、半導体撮像素子２５０に複数の分光特性を具備、或いは検出したい光の波長以外の入射光を減衰させる等の効果が得られる。これにより、被検体から複数の光物性情報が得られ、また検出する光信号のＳ（信号）／Ｎ（ノイズ）比を高めることによりさらなる高感度化可能になる。
図６（ａ）、及び（ｂ）は、第六の実施例に係る撮像モジュール１６０の平面図である。図６（ａ）、及び（ｂ）のいずれの実施形態においても、撮像モジュール１６０、及び１６１の外形形状は、平面視座上、円形である。図６（ａ）に示すように、撮像モジュール１６０は、中空部を有するため、ドーナツ型の外形形状を有する。光電変換部１５は、ドーナツ形状の中心方向に向かって放射状に形成されている。光源部３６０は、例えば、ＬＤであり、光電変換部１５の間に一定の間隔を隔てて配置されている。受光面となる半導体基板面側面部の絶縁膜１７に加え、半導体基板外周部も薄いシリコン酸化膜２２により被覆されている。図中の１１ｍは、マイクロパッドである。その下方に貫通電極３０（図示せず）が形成されている場合、或いはその上にマイクロバンプが形成され他の半導体基板や実装基板との電気的接続を行う場合に使用される。回路ブロック１９，２１，２３，２５，２７，２９は既に説明した通りである。ＬＤより発した出射光３は、直進して対抗する位置にある光電変換部１５により入射光１として検出する場合と、中空部にある被検体の中を散乱、屈折等を繰り返しながらいずれかの光電変換部１５により入射光１として検出される場合がある。半導体基板外周部には、回路ブロック１９，２１、２３、２５、２７、２９を半導体基板外周部に近接して配置されている。絶縁膜２２が、機械的、熱的損傷に伴う結晶欠陥を減少させ、かつ外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染から集積回路を保護しているために可能となった構造である。即ち、シリコン基板側面部をダイシングにより割断・露出させず、例えば、シリコン基板を薄化した後、ドライエッチングや反応性イオンエッチング等によりシリコン基板側面部を露出させ、シリコン酸化膜等により被覆する。その結果、シリコン基板側面部近傍まで、集積回路を形成することが可能になり、半導体撮像素子２６０を大型化することが可能になった。例えば、１２インチのシリコンウエーハを使用すると、上記ドーナツ形状の外形、即ち最大直径は１２インチ未満となるが、その内径は１０インチ或いは１１インチ以上を確保することができる。このようにウエーハサイズの半導体撮像素子２６０を用いることにより、小型、可搬型の光ＣＴ装置が実現する。特に、歯科、頭部、乳房、その他体の一部、或いはペットなどの小動物等の画像診断を目的とした光CT装置が実現する。また、後述するように、ドーナツ形状の直径を変えた複数の撮像モジュール１６０を組み褪せた立体形状の複合撮像モジュールに利用する場合に特に有利な構造である。
これに対し、図６（ｂ）の実施形態では、受光窓２（図示せず）が撮像モジュール１６１を構成する半導体撮像素子２６１の外周に位置している。即ち、半導体基板の凸状の外周側面部に光電変換領域１５が形成され、かつ光源部３６１が光電変換領域１５と交互に配置されている。光源部は３６１の個数は、光電変換部１５の個数より少なくても良い。図７（ａ）とは逆に、絶縁膜１７が半導体撮像素子２６１の外周を被覆し、回路ブロック群（１９，２１，２３，２５，２７）及びマイクロパッド１１ｍは、半導体基板内部に配置されている。全方位（３６０°方向）から入射する入射光１を光電変換領域１５において電気信号に変換することができる。光電変換領域１５の延在距離は、既に説明の通り、１０ミクロンメータから数ミリメータ程度まで設定することができるため、赤外光に限らず放射線の検出にも有効である。図７（ａ）の場合と同様に、シリコン基板側面部をダイシングにより割断・露出させず、かつ絶縁膜１７が、機械的、熱的損傷に伴う結晶欠陥を減少させ、かつ外部からの重金属や反応性化学物質等の汚染から集積回路を保護しているため、半導体撮像素子２６１の周囲領域にダイシングマージン等が不要になり、特に小型の撮像モジュールを得たい場合に特段の効果が得られ、狭い観察領域に使用する場合にも有利な構造である。
本発明の第七の実施例に係る積層型撮像モジュール６１０の斜視図とその三次元座標軸を図７（ａ）に示す。積層型撮像モジュール６１０は、図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）に示す撮像モジュール１５０と同一の撮像モジュール１５０－１，１５０－２，１５０－３を電気的接続手段を介して積層したものである。図７（ｂ）に図示すように、撮像モジュール１５０－１と１５０－２の間、及び１５０－２と１５０－３に間には、電気的接続手段としてマイクロバンプ１０と図示していないマイクロパッドが形成され、撮像モジュール間の電気的接続を可能にしている。なお、撮像モジュール１５０－１と１５０－２には、所謂シリコン貫通電極（ＴＳＶ)３０が形成され、撮像モジュール１５０－１及び１５０ー２における表面と裏面の電気的接続を容易にしている。撮像モジュール１５０－１と１５０ー２の間、及び１５０ー２と１５０ー３に間には、絶縁性の接着層３２を挟んで、積層撮像モジュール６１０が一体的に形成されている。中空部内の側壁は絶縁膜１７により被覆され、さらに積層された撮像モジュール１５０－１，１５０－２，１５０－３に対し、一体形成された光源部３５０が貼り合わされている。積層撮像モジュール６１０底部には、外部との電気的接続を可能にする入出力用コンタクトパッド１１が形成されている。このように、Ｚ軸方向においても被検体からの光学的物性情報を得られるので、例えば、Ｚ軸方向の積層数を増加させることにより、被検体が中空部内において動く場合にも一時に情報が得られるという利点がある。
一方、図５（ａ）、図６（ａ）、及び図７（ａ）の撮像モジュールにおいては、一枚の半導体ウエーハから撮像素子部を形成できる利点があるが、その大きさは使用する半導体ウエーハの寸法、例えば、１２インチウエーハ、或いは１４インチウエーハを使用すれば、このサイズを超える大形の撮像モジュールを構成することは困難である。そこで、図４（ｃ）において開示したように、複数の撮像素子を一平面上に並べ組み合わせることにより、さらに大型の撮像モジュールを実現することができる。しかしながら、図４（ａ）に示すように、一辺のみが湾曲し、残りの三辺が矩形形状の一部である場合（１４０等）においては、素子面積を必ずしも有効に利用できず、また図４（ｃ）の撮像モジュール１４１の最大の外形寸法もさらに大型化したいという要請もある。
そこで、さらなる大口径化を可能にする第八の実施例を図７（ｃ）に示す。撮像モジュール１６２は、図６（ａ）の撮像モジュール１６０と同様にＸ－Ｙ平面視座上、ドーナツ形であるが、複数の撮像モジュール１６２－１乃至１６２－８を密接に組み合わせたものである。各撮像モジュール１６２－１乃至１６２－８は、図示するように弓型に湾曲し、かつその幅ｒ２は、例えば、数ｍｍから高々３ｃｍ程度である。そのため、一枚の半導体ウエーハからこの弓型で長尺の撮像素子を複数枚形成することが容易にできる。その結果、撮像モジュール１６２の中空部の直径ｒ１は、例えば、７０～１００ｃｍ程度に拡大することが可能になる。組み合わせる弓型撮像モジュールの数は、本実施例のように８個に限らずさらに増加、或いは減少させてもよい。また、図７（ａ）の撮像モジュール６１０のように、複数の撮像モジュール１６２をＺ軸方向に積層してもよい。
図８（ａ）は、図５（ｂ）において破線で示した領域２５０ａの構造を説明するための平面図である。領域２５０ａは、所謂ＭＯＳ型光電変換（撮像）素子の一画素分の構造に相当する。光電変換領域１５は、光（１）の入射方向に沿って半導体基板中に延在して形成できるので、可視光に限らず例えば近赤外光（ＮＩＲ）の光電変換も容易な構造となっている。光電変換領域１５において発生した電荷は信号読み出し走査回路１９に送られる。信号読み出し走査回路１９の上部には、配線群２０が形成されている。さらに好適には、隣接する画素間の半導体基板側面部上に遮光膜１４が積層され、隣接する画素間でのクロストークを軽減している。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＭＯＳ型半導体撮像素子構造の変形例である。即ち、図示するように光電変換領域が入射光方向において、１５－１、１５－２、及び１５－３のように分割形成されている。本構造により、例えば、光電変換領域１５－１において、緑色（Ｇ）光を、光電変換領域１５－２において、赤色（Ｒ）光を、光電変換領域１５－３において、近赤外光（ＮＩＲ）光を主として検出することができるので、入射光のエネルギー解析にも利用することができる。
図中の破線矢印Ｇ－Ｇ’部における光電変換領域１５と信号読み出し走査回路１９の素子断面構造を、図８（ｃ）を用いて説明する。半導体基板の表面、裏面、及び受光窓のある側面部は、それぞれ絶縁膜７、９、及び１７により被覆され、さらにこれら絶縁膜の下部には高濃度ｐ型不純物層８、１８、及び１２が形成されている。さらに、半導体基板の底面には遮光膜１３が積層されている。入射光１は、図面左方向から入射し、光電変換領域１５の中を進み光電荷を発生する。光電変換領域１５から転送された信号電荷は信号読み出し走査回路１９の中の信号電荷検出回路、例えば、ＳＦＡ４１により読みだされる。信号読み出し回路１９は、ｐ型ウエル領域１６に形成されている。駆動パルスの印加によりフォトダイオードが空乏化した状態において露光を開始する。本構造においては、光電変換領域１５が半導体基板面に平行に延在しているので、光電変換領域１５を空乏化するための空乏化電圧を低く設定することができる。そのため、半導体撮像素子の駆動電圧を従来の半導体表面露光の二次元ＭＯＳ型撮像素子に近づけることができる。発生した光電荷は、出力ゲート端子３１により浮遊拡散層（ＦＤ）３９に転送される。端子３５、及び３７は、それぞれリセット端子、及びリセットドレインである。このように、入射光は、Ｚ軸に対し直交する方向に半導体基板内を進みながら減衰する。既に説明した通り、光電変換領域１５の延在距離を数百μｍから１０ｍｍ程度の範囲で設定することができるので、赤外光や放射線等にも感度を有する撮像モジュールを得ることができる。図８（ｄ）は、図８（ｃ）とは異なり、ＣＣＤ型半導体撮像素子の断面構造の一例である。光電変換領域１５の上部は、電荷転送路も兼ねており、半導体基板上に転送電極群４０が形成されている。ＣＣＤ型半導体撮像素子の特徴を生かし、例えば、光電変換領域１５を分割形成するまでもなく、読み出される電荷パケットは、それぞれ位置情報も有しているため、精密な入射光エネルギーの分光分析が可能であり、また各パケットの画素加算（間引き）も容易である。
図９（ａ）は、第九の実施例に係る半導体撮像素子２７０における光電変換部領域の要部断面構造である。図示すように、半導体撮像素子２７０を構成する半導体基板６（例えばｐ型シリコン基板）の内部に形成した光電変換領域１５（例えば高濃度ｎ型シリコン領域）の近傍に破線で示すゲルマニウム（Ｇｅ)を含むシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）領域２４が形成されており、その分布は基板面に平行な方向、即ち入射光（１）の方向に沿って延在している。同図右側に、Ｓｉ基板厚さ方向（Ｚ軸方向）におけるゲルマニウム元素の濃度分布の一例を示す。ゲルマニウムの濃度は、Ｓｉ基板の厚さ方向に均一である必要はなく、図示するようにＳｉ基板の厚さ方向の中心付近を最大濃度ピークとなるように分布している。入射光は、同図の左側からＳｉ基板側面部に入射し、Ｘ－Ｙ平面即ち半導体基板面に平行な方向に進むためである。このような濃度分布は、ゲルマニウムイオンのイオン注入（例えば、加速エネルギー１乃至１０ＭｅＶ,注入ドーズ量１０Ｅ１５～１０Ｅ１７／平方ｃｍ）、及びその後の熱拡散工程により容易に形成できるメリットがある。さらに殆どの入射光が高濃度ゲルマニウムを有するＳｉＧｅ領域２４を通過するので、半導体撮像素子２７０の分光感度スペクトルの長波長化に特に有効である。半導体撮像素子２７０が示す分光感度スペクトルを従来のＳｉフォトダイオードと比較すると、シリコン（Ｓｉ）単体からなるフォトダイオードでは、波長９００ｎｍよりも波長が長くなると急激に分光感度が低下する傾向があり、近赤外領域で使用する場合には必ずしも十分とは言えなかった。本実施例によれば、光電変換領域にゲルマニウムを導入することにより、長波長側の分光感度が９００ｎｍ以上、例えば１１００ｎｍ付近まで改善することができる。
同様に、図９（ｂ）は、第十の実施形態に係る半導体撮像素子２７１の要部断面構造図である。半導体撮像素子２７１の側面部に積層した光導電膜３６において光電変換を行うことを特徴としている。即ち、半導体基板６の側面部は、高濃度不純物層１８及び絶縁膜１７により被覆され、さらにその上部に画素電極３４が積層されている。画素電極３４は、上記半導体基板側面部の外周部に沿って画素（検出部）が二以上設けられている場合には、この画素電極３４も同数だけパターニングされている。画素電極３４の上部には光導電膜３６が積層され、さらに対向電極３８が形成されている。対向電極３８は、画素電極３４とは異なり、画素（検出部）が複数の場合であっても、単一の電極として形成することができるが、入射光を透過する材料であることが求められる。対向電極３８は、画素電極３４の配線層とは反対の裏面側にその配線を延長することができる。半導体基板と対向電極３８の間には、絶縁膜３０が形成されている。光導電膜３６に使用する光導電膜材料には、入射光波長によって最適な材料が選択される。例えば、銅、インジウム、ガリウム、セレンを含む化合物半導体（一般にＣＩＧＳと呼ばれる）に代表されるカルコパイライト系の化合物半導体、Ｘ線検出等ではセレン、ビスマス、その他原子番号の大きな元素を含む光導電膜、可視光領域ではアモルファスシリコンや有機光導電膜などが知られている。特に、ＣＩＧＳ系の光導電膜は、近赤外領域にも分光感度を有するので、太陽電池以外の用途にも利用されつつある。発生した光電荷は、画素電極３４から読み出しゲート電極３１をオンにすることにより、ＦＤ（３９）に読み出され、ＳＦＡ（４１）により増幅される。ＦＤ（３９）のリセット動作、その他後段の信号処理、素子構造等は既に説明した実施例と同様である。ＣＩＧＳを積層した半導体撮像素子２７１の分光スペクトルを、上記ＳｉＧｅを導入した場合と比較すると、さらに長波長側である１２００ｎｍ付近まで分光感度を伸ばすことが可能になった。これにより、所謂、「生体の窓」と呼ばれる波長７００～１３００ｎｍの広い範囲の殆どをカバーすることができようになった。さらに重要な特徴は、本願発明で可能になった円形や中空部を有する半導体基板の側面部上、即ち湾曲面上にも気相成長（ＣＶＤ）、蒸着、分子線エピタキシー、スパッタリングその他の物理・化学的成膜方法を用いて光電変換部を自由に形成できる点にある。これにより、CIGS等の光電変換膜を使用した半導体撮像素子を組み込んだ撮像モジュールの応用範囲が飛躍的に拡大することが見込まれる。
図１０（ａ）は、第十一の実施例に係る積層型撮像モジュール６２０のY-Z平面から見た要部断面図であり、同図（ｂ）は積層型撮像モジュール６２０をY軸方向から見た受光面の構造を説明するための平面図である。図示するように、半導体撮像素子２８１－１、２８１－２、２８１－３を半導体基板厚さ（Z軸）方向に積層した積層型半導体撮像素子から構成されている。ここでは、光源部を図示していないが、例えば、図１乃至図３における構造の半導体撮像素子を積層する場合には、最上層または最下層の半導体撮像素子上にのみ光源部を設ける構造が考えられ、他方、図４乃至図６における半導体撮像素子を積層する場合には、全ての半導体撮像素子に光源部を設けることも、いずれかの半導体撮像素子にのみ設ける構造も可能である。半導体撮像素子２８１－１～２８１－３は、既に説明した半導体撮像素子２４０、２５０等と同等の素子構造であるが、半導体撮像素子を複数枚積層したため、各半導体撮像素子には貫通電極部（ＴＳＶ)３０が形成され、上層の素子との信号授受、或いは素子間の電気的接続を容易にしている。貫通電極部（ＴＳＶ)３０自体は、絶縁膜４３により、半導体基板から電気的に絶縁されている。図示するように、半導体撮像素子２８１－１～２８１－３は、光電変換領域１５－２１、１５－２２、１５－２３と読み出しゲート電極３１－１、３１－２、３１－３、及びＦＤ部分３３－１、３３－２、３３－３が形成されている。ＦＤ（３３－１等）に読み出された光電荷は、既に説明したように図示していないＳＦＡにより増幅されて後段の回路に転送される。後述するように、Ｚ軸方向に隣接する複数のＦＤ（３３－１、３３－２、３３－３）が互いに電気的に接続し、共通のＳＦＡにより読み出される構造としてもよい。本実施例で重要な技術事項は以下のとおりである。即ち、各半導体撮像素子２８１－１、２８１－２、２８１－３の厚さｄを薄く形成できることである。厚さｄは、例えば、５～２０μｍであって、素子分離領域が半導体基板裏面の高濃度（ｐ型）不純物層１２に接触する程度の深さとすることがポイントである。厚さｄを薄くすることより、使用する半導体基板材料の高抵抗化が避けられ、その結果、駆動電圧をさらに低電圧化することができる。加えて、素子分離領域が半導体基板裏面の高濃度（ｐ型）不純物層１２まで到達しているので、前記Ｘ－Ｙ平面に平行な方向において隣接する光電変換領域間における信号電荷の漏洩（クロストーク）を防止することができるからである。これに対し、従来の半導体撮像素子（シリコン基板面に対し垂直方向に入射する構造）においては、赤色光（R)や近赤外光（ＮＩＲ)の感度を高めるために基板の厚さ方向に光電変換領域を拡大すると、駆動電圧の上昇と基板深部において発生した信号電荷が隣接する画素に漏洩しクロストークが増大するというジレンマを解消できなかったからである。
本構造は、素子分離領域２６に形成のみならず、光電変換領域１５、或いは貫通電極部３０等の形成工程も容易になるため、製造面からも有利である。本構造を他の側面から考察する。図１０（ｂ）は、撮像モジュール６２０の積層型半導体撮像素子部における受光面側の側面部をＹ軸方向から見たＸ－Ｚ平面図である。撮像モジュール２８１－１～２８１－３が積層されているため、厚さ（Ｚ軸）方向の寸法Ｄは、撮像モジュール２８１－１～２８１－３厚さに接着層を加えた寸法となる。一方、各受光面のＸ方向の寸法Ｗは、上記撮像モジュール２８１－１～２８１－３における各受光面のＸ軸方向の寸法である。本実施例では、例えば、破線で囲まれた受光領域４５において、ＷとＤが同等の寸法であることが好適である。言い換えると、従来、一画素（受光部）の寸法がヨコＷ、タテＤであったものを、タテ（Ｚ軸）方向のみ三分割した構造ということができる。本来、一画素（一受光部）であるため、三分割した画素部、即ち３層の光電変換部からの信号を後述するようなFD部を共有する回路構成により加算して出力すれば良い。受光領域４５の大きさが、例えば、３０μｍ×３０μｍの大きさであっても、積層する半導体撮像素子数を増加させることにより、個々の半導体撮像素子の厚さｄを薄層化することができる。その結果、光電荷の読み出し電圧等の駆動電圧等をさらに低電圧化することが容易になる。例えば本実施例のように３枚積層した場合には、厚さｄを１０μm程度とすることができる。このように半導体撮像素子の厚さｄを薄層化することにより、素子分離領域、光電変換領域、貫通電極部等の形成も容易になるという特段の効果を奏するものである。
図１１（ａ）は、第十二の実施例に係る撮像モジュール６３０に使用する半導体撮像素子部の要部断面構造図である。光源部は図示していないが、積層した半導体撮像素子の上部、または下部に取り付ける構造、或いは以下に説明する光導電膜の一部を除去した部位に光源部を配置してもよい。撮像モジュール６３０は、複数の半導体撮像素子（２９１－１、２９１－２、２９１－３）を積層した構造からなる積層型撮像モジュールであり、画素電極（３４－１，３４－２，３４－３）上に光導電膜３６、及びその上部に対向電極３８が連続して一体形成されている。また、駆動回路、信号処理回路等からなる周辺回路素子２９２が積層されている。即ち、半導体撮像素子２９１－１、２９１－２、２９１－３において重複する回路等を周辺回路素子２９２上に設けることにより、半導体撮像素子２９１－１、２９１－２、２９１－３の構造を簡略化或いは光電変換領域に最適な素子構造と製造プロセスに特化することが容易になる。図示すように、半導体撮像素子２９１－１、２９１－２、２９１－３は、画素電極３４－１、３４－２、３４－３と読み出しゲート電極３１－１、３１－２、３１－３、及びＦＤ３９が形成され、ＦＤ３９は、貫通電極（ＴＳＶ）３０を介し、半導体撮像素子２９１－１、２９１－２、２９１－３間で共有されている。そして、ＦＤ３９に読み出された光電荷は、半導体素子２９２上のＳＦＡ４１により増幅されて後段の回路に転送される。同図（ｂ）の等価回路に示すように、ＦＤ３９が共有され、読み出しゲート電極３１－１、３１－２、３１－３が独立に機能するため、半導体撮像素子２９１－１、２９１－２、２９１－３のいずれかを選択して読み出すことも、或いは複数の半導体撮像素子からの信号電荷を加算して読み出すことも可能である。本構造により、半導体基板の厚さ方向の受光面の数（画素数）を増やしてこの方向の解像度を向上させたい場合には、個別に読み出し、入力光強度レベルが低い場合には、加算することにより感度を向上させることができるので、感度、解像度、ダイナミックレンジの拡大等を好適な特性に設定することが可能になる。本積層型半導体撮像素子６３０を製造する場合、ウエーハ積層工程後、光導電膜、及びその上部の対向電極３８を上記複数の半導体撮像素子（２９１－１～２９１－３）上に形成可能なので、個々の半導体撮像素子においてそれぞれ光導電膜等を積層する必要がなく、光導電膜の品質劣化等の歩留まり低下要因を最小限に抑えることができ、かつ製造工程の簡略化による製造コストの低減が可能になる。
図１２を用い、第十三の実施例に係る撮像モジュール６４０に使用する半導体撮像素子の要部を説明する。光源部は図示していないが、図１乃至図３において説明した半導体撮像素子の上部、または下部に取り付ける構造、或いは図４乃至図６等において説明したように半導体基板側面部に取り付ける構造を適用することができる。本実施例では、光電変換部の感度、特に７００ｎｍ以上の長波長感度とクロストークを改善できる新たな素子構造を開示する。図１２（ａ）に示すように、半導体撮像素子部は、半導体基板の側面部上に光学部材が積層されている。即ち、光学部材４６は、凸形のマイクロレンズであり、光学部材４７は、凹形のマイクロレンズであり、光学部材４８は、屈折率が異なる部材（４８－１と４８－２）から構成される光導波路である。マイクロレンズ等に使用する材料は、入射光の波長等考慮して選択されるが、特に屈折率の波長依存性に留意すべきである。本実施例ではこれら三種類の光学部材をすべて使用した例を図示しているが、光路計算等に基きいずれかを適宜選択すればよい。その他の構造は、図８（ｃ）、図９（ａ）等の実施例で説明した通りである。好ましくは、マイクロレンズの中心部を通った入射光は、半導体基板の厚さ（Ｚ軸）方向において、半導体基板表面から距離ｄ１だけ離れた位置を通過するようにマイクロレンズが配置されている。ここで、ｄ１は、半導体撮像素子のＺ軸方向の厚さｄの約１／２である。このように、入射光を効率的に集光することにより感度を向上させることができる点は、従来の撮像素子上のマイクロレンズの効果と類似するが、本構造ではさらに以下に説明するような特段の効果を奏することに留意すべきである。即ち、従来の撮像素子においては、入射光が同図のＺ軸方向上部から入射し光電変換領域１５を通過し、半導体基板底面方向に向かう。しかし、特に７００ｎｍ以上の長波長光の場合には、シリコン基板を用いるとシリコン基板の厚さｄ及び光電変換領域１５の深さを拡大することにより感度を確保せざるを得ない。そうすると、製造工程は汎用のＣＭＯＳ製造工程とは異なる技術及び高抵抗基板等の特殊材料の導入が必要になり、また駆動電圧等の増大が避けられないという深刻な問題に直面する。仮に、光電変換領域１５の深さを深く形成しても、逆に隣接する光電変換領域間においてクロストークが増加するという弊害を生ずる。これに対し、本実施例では、入射光１は、光電変換領域１５の近傍であってＸ－Ｙ平面に平行な方向及びＺ軸方向に広がる空乏層領域４９を貫通するように同図左側から右方向に進むので、シリコン基板厚ｄをさらに拡大するまでもなく、効率的な光電変換が可能になっている。光電変換領域１５の上記入射光方向の長さを５～１００μmの範囲に設定（設計）し、製造することは通常のパターニング（リソグラフィー）で解決できる問題だからである。また、図９（ａ）に示したように、入射光の殆どが空乏層領域４９、即ちゲルマニウム（Ｇｅ）が高濃度に分布している領域２４を通過することになるので、長波長光感度をさらに向上させる効果も期待できる。マイクロレンズ４６等の立体形状は「かまぼこ型」或いはレンチキュラーレンズと呼ばれる形状であってもよい。なお、光導電膜を使用した構成（例えば、図９（ｂ）、図１０（ａ）等）においては、所謂、開口率が十分大きいため、感度の観点からは必ずしもマイクロレンズを必要とはしないが、入射光１の入射角度依存性や隣接画素への光線侵入等の防止のため、上記光学部材を光導電膜上に積層してもよい。
図１２（ｂ）は、上記図１２（ａ）の構造の変形例に係る撮像モジュール６４１に使用する半導体撮像素子の要部断面図である。本実施例では、マイクロレンズ等の光学部材のＺ軸方向における光学中心の位置、即ち、半導体撮像素子表面からの距離ｄ２が半導体撮像素子の厚さｄの１／２よりも小さい（ｄ２＜ｄ１）ことを特徴としている。本構造により、ＳｉＧｅ形成領域２４をＺ軸方向においてより浅く形成できるため、イオン注入時のＧｅイオンの加速エネルギーを下げること、熱処理工程の低温化或いは短時間化が可能になる。また、図示するように、マイクロレンズ等の集光光学系により入射光の光束を細く絞ることにより、Ｇｅイオンが最も高濃度に分布している領域を狙って集中的に照射させることができる。本構造により、シリコン基板等の半導体基板自体の厚さｄもさらに薄くすることが可能になり、その結果、素子分離領域２６の形成、即ち素子分離領域２６のＺ軸方向のシャロー化も可能になり、クロストーク等のさらなる改善効果、及び近赤外光等の長波長光に対する感度改善も同時に実現する。
マイクロレンズを有する撮像素子におけるさらに重要な特徴について、図１２（ｃ）を用いて説明する。図１２（ｃ）は、撮像モジュール６５０に使用する半導体撮像素子部をＺ軸方向から見たＸ－Ｙ平面図である。半導体撮像素子の側面部には、図１２（ａ）、（ｂ）と同様にマイクロレンズ４６、及び４７が形成されている。説明のため、敢えてマイクロレンズを有しない受光部を一か所図示している。マイクロレンズを有している受光部に入射する光の殆どは光電変換部１５の延在方向（Ｙ軸）に沿って進むため、隣接する光電変換領域１５に侵入するリスクが低い。他方、図示するように、マイクロレンズを有しない受光部では、Ｙ軸方向とは異なる入射角で侵入した入射光、特に上述の７００ｎｍ以上の長波長光の場合、入射光１が大きく減衰することなく隣接する複数の光電変換領域１５において光電荷を発生させるリスクが高くなり、クロストークを増大させる。光電変換領域１５或いは空乏層領域４９の近傍において発生した光電荷については、素子分離領域２６によって隣接する光電変換領域１５に漏洩することを防止できることは既に説明したとおりである。光学部材を組み合わせた本構造により、隣接する光電変換領域１５への入射光自体の漏洩も抑制できるため、近赤外光等の長波長光の感度改善とクロストークの抑制の双方を同時に解決することが可能になった。
本発明の第十四の実施例に係る立体撮像モジュール７１０の斜視図とその三次元座標軸を図１３（ａ）に示す。立体撮像モジュール７１０は、撮像モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆを円筒形の支持体１７１に組み込んだ構造からなる。撮像モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆは、受光窓を有する半導体基板側面部が円筒形の中心線と平行になるように固定されている。撮像モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆは、例えば、第一の実施例で説明した撮像モジュール１１０（図１）と同等の撮像モジュールを使用することができる。なお、本図では、円筒形の支持体１７１にかくれているため、撮像モジュール１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆは見えていない。ここで新たに三次元座標軸Ｕ，Ｖ，Ｗを定義する。図示するように、円筒の中心線をＵ軸方向とすると、円筒の上面、下面に相当する平面は、Ｖ－Ｗ平面となる。立体撮像モジュール７１０は、Ｘ線ＣＴ装置におけるガントリ部に相当する。従って、立体撮像モジュール７１０の内部を矢印方向に被検体（図示せず）が移動することにより、立体形状の被検体の三次元断層像を再構成することができる。即ち、光ＣＴ装置のガントリ部として好適である。立体撮像モジュール７１０のＶ－Ｗ平面から断面図を図１３（ｂ）に示す。撮像モジュール１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、複合撮像モジュール１７３を構成し、同様に、撮像モジュール１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆは、複合撮像モジュール１７５を構成している。複合撮像モジュール１７３と１７５は互いに、円筒形の支持体１７１の中心線に対し対称な位置に配置されている。複合撮像モジュール１７３と１７５は、支持体１７１の中心線の周囲を回転することにより、被検体１７１の断層像を再構成し、さらに、被検体１７２、或いは立体撮像モジュール７１０がＵ軸方向に移動することにより、多数枚の断層像を得ることができる。例えば、撮像モジュール１１０ａからの出射光３ａが直進して撮像モジュール１１０ｄの入射光１ａとなって検出され、同様に撮像モジュール１１０ｄからの出射光３ｄが直進して撮像モジュール１１０ａの入射光１ｄとなって検出される。この場合、出射光３ａと３ｄの波長を変えることにより、被検体内における異なる光物性にもとづいてさらに詳細な分子レベルの情報を得ることができるからである。なお、本図では、複数の撮像モジュールを含む複合撮像モジュール１７３と１７５を使用しているので、隣接する撮像モジュール間（例えば、１１０ａと１１０ｃ）において一方が出射した出射光を他方が検出することにより、被検体表面近傍における拡散光を検出することも可能になる。装置の簡略化のため、対抗する一対の撮像モジュール（例えば、１１０ａと１１０ｄ）のみであっても良い。立体撮像モジュール７１０を回転させることにより３６０°スキャンすることが可能なためである。
図１３（ｃ）は、第十四の実施例の他の変形例を示す立体撮像モジュール７２０のＶ－Ｗ平面図である。立体撮像モジュール７２０は、多数の撮像モジュール１１０（１１０ｐ、１１０ｑ、１１０ｒを含む）を円筒形の支持体１７１内に放射状に等間隔に組み込んだ構造からなる。組み込まれた撮像モジュール１１０は、受光窓を有する半導体基板側面部が円筒形の中心線と平行になるように固定されている。撮像モジュール１１０は、例えば、第一の実施例で説明した撮像モジュール１１０（図１）と同等の撮像モジュールを使用することができる。即ち、ＶーＷ平面視座上、被検体１７２の周囲を３６０°取り囲んだ構造をしている。そのため、立体撮像モジュール７２０を被検体周囲において回転させる必要がなく、装置そのものを小型軽量化することができる。立体撮像モジュール７２０は、拡散光トモグラフィ装置（Diffused Optical Tomography, DOT)、その他光ＣＴ装置に適用することができる。例えば、撮像モジュール１１０ｐが出射した赤外光３が被検体１７２の内部において拡散しながら伝搬し、撮像モジュール１１０ｒにおいて入射光１として検出される。また、他の一部の拡散光は、癌組織１７４を通りながら伝搬し、撮像モジュール１１０ｑにおいて入射光１として検出される。被検体１７２の正常組織と癌組織１７４における光吸収係数や拡散係数の差異にもとづいた画像再構成アルゴリズムにより、癌組織１７４の存在を非侵襲かつ放射線被ばくを受けずに可視化することができる。さらに蛍光ＣＴ装置にも使用できるという特段の効果を奏するものである。
本発明の第十五の実施例に係る立体撮像モジュール８１０の斜視図とその三次元座標軸を図９（ａ）に示す。立体撮像モジュール８１０は、撮像モジュール１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃとこれらの配置を決める４本の支持体１８１を用いて立体的に組み立てられた構造からなる。撮像モジュール１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃの構造は、図５（ａ）、及び（ｂ）と同様であり、光源としてはＬＥＤ或いはＬＤが好適である。また、撮像モジュール１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃは、直径Ｒの円形の中空部を有している。各撮像モジュールからの信号線は、コネクタ部１８２を介し、外部画像処理システム（図示せず）に接続することができる。本実施例と、図１３の実施例との相違点は、各撮像モジュール内の半導体撮像素子を構成する半導体基板と被検体との位置関係にある。即ち、即ち、本実施例では、撮像モジュール内の中空領域内を被検体が通るため、湾曲した半導体基板側面図が被検体を全周囲（３６０°方向）から取り囲む構造であるのに対し、図１３の実施例の場合は、撮像モジュール（１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ等）が被検体中心方向に対し放射状に配置された構造からなる。そのため、図１４（ａ）に示す、立体撮像モジュール８１０においては、多数の撮像モジュールを放射状に精密に配置、或いは撮像モジュールを被検体周囲において回転させる必要がない。そのため、空間位置精度が高くかつ小型軽量化が可能なため、可搬型のＤＯＴ等の光ＣＴ装置、或いは光トポグラフィー装置に好適である。
第十五の実施例の変形例に係る立体撮像モジュール８２０の斜視図を図１４（ｂ）に示す。立体撮像モジュール８２０は、円形の中空部の直径がそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３からなる撮像モジュール１８０ｄ、１８０ｅ、及び１８０ｆから構成されている。各撮像モジュールは、弾性部材からなる支持体１８３によって支えられており、蛇腹の如く、撮像モジュール間の距離を連続的に変更、調整が可能な構造となっている。図１４（ａ）の場合と同様に、コネクタ部１８２を有している。また、撮像モジュール１８０ｄ、１８０ｅ、１８０ｆの中空部の直径を、例えば、それぞれ直径Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３（Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３）のように半導体リソグラフィー技術によって容易に変更することができる。そのため、光ＣＴ装置、特にマンモブラフィー装置、脳を対象とした光トポグラフィー装置に好適な構造を得ることができる。中空部の直径に加え、撮像モジュール間（Ｕ軸方向）の距離も変更可能なため、被検体の形状に合わせることが容易になり、さらに正確な空間位置情報の精度向上と光源からの出射光を効率的に被検体内部に送出することができる。
本発明の第十六の実施例に係る立体撮像モジュール９１０の側面図とその二次元座標軸を図１５（ａ）に示す。立体撮像モジュール９１０は、以下に説明するように、撮像モジュール１９０ａ、１９０ｂ、１９０ｃ、１９０ｄ、１９０ｅ、１９０ｆ、１９０ｇ、１９０ｈからなる。本図では、説明のため、１９０ａと１９０ｅのみを示している。撮像モジュール１９０ａ、１９０ｂ、１９０ｃ、１９０ｄ、１９０ｅ、１９０ｆ、１９０ｇ、１９０ｈは、例えば、図４（ａ）に示した撮像モジュールの構成を利用することができ、被検体（例えば、頭部）を図示するように取り囲んでいる。図１５（ｂ）は、立体撮像モジュール９１０を上方から見下ろした場合の平面図である。撮像モジュール１９０ａ、１９０ｂ、１９０ｃ、１９０ｄ、１９０ｅ、１９０ｆ、１９０ｇ、１９０ｈが、一点を中心に放射状に配置されており、かつ撮像モジュール１９０ｅと１９０ｆの間を除き、弾性部材を含む円弧状の支持体１９３により互いに結合されている。円弧状の支持体１９３の伸縮により、被検体周囲を蛇腹状に開閉することができる。第十五の実施例と異なる点は、各撮像モジュールが、ドーム形状の頭頂部に向かって被検体を覆うように配置することができるので、三次元的な検査領域をさらに拡大することができるので、検査されない不感帯領域を最小化することができる。そのため、上記特徴に加え、マンモブラフィー装置、脳活動等を対象とする光トポグラフィー装置等に特に有効である。
第十六の実施例の変形例に係る立体撮像モジュール９２０の斜視図を図１５（ｃ）に示す。立体撮像モジュール９２０は、立体撮像モジュール９１０をさらに改良した構造である。立体撮像モジュール９１０は、各撮像モジュール（１９０ａ～１９０ｈ）が、地球儀に例えるなら、経度方向に放射状に並んだ構造であるのに対し、立体撮像モジュール９２０は、さらに緯度方向にも複数のドーナツ形状の撮像モジュールを組み合わせた構造を特徴とする。即ち、経度方向に並ぶ撮像モジュール１９５は、例えば、図４（ａ）に示した撮像モジュールの外周を円弧状とした構造であり、また、緯度方向に並ぶ撮像モジュール１９７－１、１９７－２、１９７－３は、例えば、図６（ａ）に示した撮像モジュールの直径を異ならしめた構造から構成されている。本構造により、三次元構造の被写体に対し、光源部と光検出部を高い位置精度かつメッシュ状に配置することが可能になり、取得画像情報或いは再構成画像において極めて高い空間位置精度と解像度を得ることができる。上記実施例と同様に、各撮像モジュールを被検体全体を覆うドーム形状、或いはヘルメット形状に配置することができるので、三次元的な検査対象に対し、検査されない不感帯領域を無くすことができる。そのため、上記特徴に加え、マンモブラフィー装置、脳活動等を対象とする光トポグラフィー装置等に特段の効果を奏する。
本発明の第十七の実施形態に係る光超音波撮像装置１０００の全体構成を図１６（ａ）に示す。光超音波撮像装置１０００は、画像撮像プローブ１００５を制御するメインコンソール１００１、撮像画像可視化する画像表示部１００３、及び画像撮像プローブ１００５とメインコンソール１００１接続するケーブル１００９から構成されている。画像撮像プローブ１００５は、その先端部に撮像プローブヘッド１００７を有し、さらに撮像プローブヘッド１００７の内部には、撮像モジュール１９８を内蔵している。以下に説明するように、撮像モジュール１９８は、超音波検出部５１０と組み合わされている。即ち、図１６（ｂ）の斜視図に示すように、撮像モジュール１９８は、例えば、図２に示した撮像モジュール１２０と同様に半導体撮像素子２２０の受光面が凸状の形状であり、光ファイバーやＬＤ等の光源部３２０と一体化されている。図示するように、撮像モジュール１９８の上部には、超音波検出部５１０が積層されており、超音波検出部５１０の超音波出射面も撮像モジュール１９８と同様に凸状の形状であり、かつＺ軸方向から見た場合、超音波出射面と撮像モジュール１９８の受光面が略一致するように積層されている。
図１６（ｃ）の断面図を用いてさらに詳しく説明する。図１６（ｃ）は、図１６（ｂ）において破線矢印Ｈ－Ｈ’の位置における断面図である。撮像モジュール１９８は、上述の如く、半導体撮像素子２２０上にＬＤ或いはＬＤの光を送出する光ファイバーからなる光源３２０を有し、さらにその上方に超音波検出部５１０を積層している。半導体撮像素子２２０の断面構造は、既に図２（ｂ）において説明した通りである。光源３２０撮像モジュール１９８の先端部、即ち、受光面、光源の光出射部、超音波出射部を腹部等の被検体１０１１に密着させながら移動することにより、超音波画像と近赤外光の吸収・拡散等の分光分析を同時に行うことができる。即ち、被検体１０１１に近赤外パルスレーザ光３を照射すると、被検体内の光吸収体が膨張及び回復する際に熱弾性変形が生じ、光の吸収率と照射レーザパルスのパルス幅に応じた超音波５を発生する。発生した超音波５の破面を超音波検出器５１０により検出することにより三次元画像を再構成することができる。本光超音波撮像装置を用いることにより、放射線被曝が無く、かつ非侵襲であって造影剤も不要な検査装置が実現し、例えば、癌の血管新生を超音波像と重ね合せて描出することにより、早期の癌細胞の等の病巣の位置を正確にかつ極めて初期段階において特定することが可能になる。癌細胞が増殖するときに組織周辺に新たな血管を作り、また正常組織に比べ低酸素濃度になることが知られている。そこで、例えば、近赤外光波長として、７９７ｎｍ、７５６ｎｍ、８２５ｎｍの３種類を選択する。波長７９７ｎｍの近赤外光は酸化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの吸収係数が同一であるため、この波長により得られた画像はヘモグロビンの分布を示す。これに対し、波長７５６ｎｍの近赤外光は脱酸化ヘモグロビンの吸収係数が大きく、波長８２５ｎｍの近赤外光は酸化ヘモグロビンの吸収係数が大きいことを利用して、組織の酸素飽和度が測定できるので癌の進行度を知ることができる。これにより、乳癌や前立腺癌等の早期発見に加え、患者の苦痛・負担の軽減が同時に実現し、或いはまた組織を採取する場合においても的確に病巣位置を特定できるという特段の効果を奏する。
さらに、光造影剤を用いることにより、撮像モジュール１９８から送出した励起光（波長λ３）が組織内の光造影剤（蛍光プローブとも呼ばれる）に照射されると、蛍光発光（波長λ１）が撮像モジュール１９８によって検出可能になる。なお、例えば、波長λ３は波長λ１よりも短波長の近赤外光である。このように、通常の超音波画像、近赤外光照射に起因する超音波画像、近赤外光励起に起因する近赤外蛍光画像等の複数の異なる画像、或いは分光分析情報を同時に取得可能なマルチファンクション、或いは複合（ハイブリッド）画像診断、或いは分光分析装置が実現する。
本発明の第十八の実施形態に係る光超音波内視鏡装置１０２０の内視鏡の構造を図１７（ａ）に示す。光超音波内視鏡装置１０２０の内視鏡プローブ先端部１０２１内には超音波検出部５２０を有する撮像モジュール１９９が組み込まれている。撮像モジュール１９９は、図６（ｂ）に示した円形の撮像モジュール１６１を使用しさらにその下部に取り付けられた円形の超音波検出部５２０、円形の実装基板１０２５、及び通信・電源ケーブル１０２３から構成されている。なお、撮像モジュール１６１に使用する光源３６１は、（無機結晶材料からなる）ＬＥＤやＬＤに替えて、図５の実施例において説明した有機ＬＥＤ薄膜からなる光源部とすることもできる。フレキシブルなフィルムベースを使用できるため、特に細経化が求められる内視鏡プローブ内に挿入する場合に撮像モジュール１６１の外周曲率の大きな変化にも対応し易いためである。超音波検出部５２０は、ラジアル方式であって振動子アレー、音響整合層、音響レンズ等から構成されている。超音波検出部５２０の下部には、実装基板１０２５があり、撮像モジュール１６１からの信号線、電源線等は超音波検出部５２０の円筒内部を経由して実装基板１０２５に接続する。同様に超音波検出部５２０からの信号線、電源線等も実装基板１０２５に接続することにより、最終的に通信・電源ケーブル１０２３に繋がっている。このように、半導体撮像素子（図６（ｂ）の２６１に相当）、光源部（図６（ｂ）の３６１に相当）、及び超音波検出部５２０のいずれもが全方位に亘って（３６０°方向）近赤外光の出射（３）、入射光の検出（１）、超音波の出射（図示せず）、超音波の検出（５）が可能であり、その外形形状は円形かつ細径化が容易な構造を実現している。なお、撮像原理は、第十七の実施例と同様であり、特に体内に挿入して使用する内視鏡、カプセル型内視鏡、腹腔鏡、カテーテル等に好適な撮像装置を提供するものである。
本実施形態に係る光超音波内視鏡装置図１０２０により得られた撮像画面の模式図１０２７を図１７（ｂ）に示す。破線で囲った領域１０３１、１０３３、１０３５は、何らかの異常が認められた領域である。実線のスペクトル分布１０２９は、近赤外蛍光分光分析により得られた入射近赤外光の強度分布を示すものである。即ち、蛍光プローブ材料を含む光造影剤を用いることにより、撮像モジュール１９９から送出した励起光（波長λ３）が組織内の癌組織等に集まっている光造影剤に照射されると、蛍光発光（波長λ１）が半導体撮像素子１６１によって検出され、スペクトル分布１０２９を得る。なお、波長λ３は波長λ１より短波長である。そのため、光源部からの出射光波長は、半導体撮像素子の感度スペクトルにおけるピーク波長よりも短波長であることが望ましい。図１７（ｂ）において、例えば、領域１０３１は、通常の超音波撮像による病変部（網点部分）と認められたが、スペクトル分布１０２９は高い値を示していないため良性の癌組織である可能性が高い。これに対し、領域１０３３には通常の超音波検出器によって得られた異常部位（網点部分）に加え、さらに近赤外光照射によって生じた超音波信号にもとづく異常部位（黒色部分）が重畳して描出されている。近赤外光照射による蛍光スペクトル（１０２９）の値も増大していることが分かる。領域１０３５においては、通常の超音波検出器によって得られるはずの異常部位（網点部分）が認められず、近赤外光照射によって生じた超音波信号にもとづく異常部位（黒色部分）のみが描出され、かつ近赤外光照射による蛍光スペクトル（１０２９）の値も増大している。このように、通常の超音波検出器では発見できない癌組織を撮像モジュール１９９からの近赤外光照射によって生じた超音波信号により発見することがでる。また、同時に得られる近赤外光蛍光スペクトル（１０２９）により、異常部位における癌組織等の進行度も併せて知ることができるという特段の効果をもたらすハイブリッド超音波内視鏡装置を初めて実現可能となる。その結果、特に体内深部における悪性腫瘍、例えば、膵癌、胆管癌その他の微小な病巣を早期に発見することが期待される。
主に医療分野を中心に説明したが、本発明に係る撮像モジュールと撮像装置は、動植物や各種生産物、食品等の生化学分野、その他の工業分野においても有用である。
１・・・受光部への入射光、２・・・受光部、３・・・発光源からの出射光、4・・・超音波検出窓、５・・・超音波、６・・・半導体基板、７・・・半導体基板表面の絶縁層、８・・・光電変換領域表面の高濃度P型半導体領域、９・・・半導体基板裏面の絶縁層、１０・・・マイクロバンプ、１１・・・コンタクトパッド、１１ｍ・・・マイクロパッド、１２・・・半導体基板裏面の高濃度P型半導体領域、１３・・・遮光膜層、１４・・・半導体基板側面部の遮光膜層、１５、１５－１～１５－３、１５－２１～１５－２３・・・光電変換領域、１６・・・P型-ウエル、１７・・・半導体基板側面部の絶縁膜層、１８・・・半導体基板側面部の高濃度P型半導体領域、１９・・・電荷読み出し回路部、２０・・・配線群、２１・・・タイミングパルス発生回路、２２・・・絶縁膜、２３・・・ＡＤ変換回路、２４・・・SiGe領域、２５・・・デジタル信号処理回路、２６・・・素子分離領域、２７・・・インターフェース回路、２８・・・絶縁膜、２９・・・バッファメモリブロック、３０・・・貫通電極、３１・・・出力ゲート、３２・・・接着層、３３・・・高濃度N型半導体領域、３４・・・画素電極、３５・・・リセット端子、３６・・・光導電膜、３７・・・リセットドレイン、３８・・・対向電極、３９・・・浮遊拡散層又はフローティングディフュージョン（ＦＤ），４０・・・電荷転送電極、４１・・・ソースフォロアアンプ（ＳＦＡ）、４３・・・貫通電極周囲の絶縁膜、４４・・・外部電極、４５・・・受光領域、４６・・・凸型マイクロレンズ、４７・・・凹型マイクロレンズ、４８・・・光導波路、４８－１，４８－２・・・屈折率の異なる部材、４９・・・空乏層領域、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１６１、１１０－ａ～１１０－ｒ、１４０－１～１４０－４、１５０－１～１５０－３・・・本発明に係る撮像モジュール、１７１・・・ガントリ－、１７２・・・被検体、１４１、１６２、１７３、１７５・・・複合撮像モジュール、１７４・・・被検体内部の異なる光物性を示す領域、１８０－ａ、１８０－ｂ、１８０－ｃ・・・直径Ｒの円形の受光面を有する撮像モジュール、１８０－ｄ、１８０－ｅ、１８０－ｆ・・・それぞれ直径Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３の円形の受光面を有する撮像モジュール、１８１・・・撮像モジュールの配置を決める支持体、１８２・・・立体撮像モジュールと外部画像処理システムを電気的に接続するためのコネクタ部、１８３・・・撮像モジュールの配置を決める弾性部材を含む支持体、１９０－ａ～１９０－ｈ・・・撮像モジュール、１９３・・・撮像モジュールの配置を決める弾性部材を含む円弧状の支持体、１９５・・・円弧状の撮像モジュール、１９７－１、１９７－２、１９７－３、１９７－４・・・リング状の撮像モジュール、１９８、１９９・・・超音波検出部を有する撮像モジュール、２１０、２２０、２３０，２４０、２５０、２６０、２６１、２７０、２７１・・・本発明に係る半導体撮像モジュールを構成する半導体撮像素子、２９２・・・周辺回路素子、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０，３６１・・・本発明に係る撮像モジュールを構成する光源部、３２１・・・光ファイバー取付け部、３４１・・・光源出射面中心部、３５１・・・光源出射部、３５２・・・カラーフィルタ、４３０、４４０・・・本発明に係る撮像モジュールを構成する実装基板、５１０、５２０・・・超音波検出部、６１０、６２０、６３０、６４０、６５０・・・本発明に係る積層型撮像モジュール、７１０、７２０、８１０、８２０、９１０、９２０・・・本発明に係る立体撮像モジュール、１０００・・・本発明に係る光超音波撮像装置、１００１・・・超音波撮像装置メインコンソール、１００３・・・画像表示部、１００５・・・撮像プローブ、１００７・・・撮像プローブヘッド、１００９・・・ケーブル、１０１１・・・病変部、１０２０・・・本発明に係る光超音波内視鏡装置、１０２１・・・内視鏡プローブ先端部、１０２３・・・通信及び電源ケーブル、１０２５・・・実装基板、１０２７・・・撮像画面、１０２９・・・入射近赤外光強度分布、１０３１・・・通常の超音画像における異常部位、１０３３・・・通常の超音波画像と光超音波画像による異常部位、１０３５・・・光超音波画像による異常部位
Claims (27)
- 半導体基板上に集積回路が形成された面をＸ－Ｙ平面、該半導体基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記半導体基板のＸ－Ｚ平面にある一側面部を受光面とする複数の光電変換部は、前記半導体基板内部において前記半導体基板内のＹ軸方向に延在して形成され、さらに半導体基板の前記Ｘ－Ｙ平面上に一又は複数の光源部が取り付けられ、かつ該光源部の光出射方向が前記光電変換部の延在方向と同じＹ軸方向である撮像モジュール。
- 半導体基板上に集積回路が形成された面をＸ－Ｙ平面、該半導体基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記半導体基板の前記Ｚ軸方向に平行な一側面部を受光面とする光電変換部を有し、かつ前記受光面となる前記半導体基板の側面部側の形状が前記Ｘ－Ｙ平面視座上においてのみ凸状又は凹状に湾曲し、さらに半導体基板の前記Ｘ－Ｙ平面上に一又は複数の光源部を有し、該光源部の光出射方向が前記光源部直下にある受光面の法線方向と一致するように前記光源部を前記半導体基板上に取り付けた撮像モジュール。
- 前記集積回路が形成された半導体基板面の裏面側に前記光源部を有する請求項１又は請求項２に記載の撮像モジュール。
- 前記半導体基板と前記光源部の間に実装基板が積層された請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 半導体基板上に集積回路が形成された面をＸ－Ｙ平面、該半導体基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記半導体基板の前記Ｚ軸方向に平行な一側面部を受光面とする光電変換部を有し、かつ前記Ｚ軸方向に平行な一側面部上に一又は複数の光源部を取り付けた撮像モジュール。
- 前記受光面に並ぶ画素アレーの画素中心を結ぶ線と前記光源部光出射部の中心とを結ぶ線が前記Ｘ－Ｙ平面と平行な同一平面上にある請求項５に記載の撮像モジュール。
- 前記受光面となる前記半導体基板の側面部の形状が前記Ｘ－Ｙ平面視座上においてのみ凸状又は凹状に湾曲した請求項５又は請求項６に記載の撮像モジュール。
- 前記受光面となる前記半導体基板の側面部の形状が前記Ｘ－Ｙ平面視座上において円形である請求項５又は請求項６のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 半導体基板上に集積回路が形成された面をＸ－Ｙ平面、該半導体基板の厚さ方向をＺ軸と定義した場合、前記半導体基板の中央部に前記Ｘ－Ｙ平面視座上、前記Ｚ軸方向に貫通する円形形状の中空領域、及び前記中空領域の内壁部を受光面とする複数の光電変換部を有し、かつ該中空領域の内壁部に光源部が取り付けられた撮像モジュール。
- 前記受光面を有する側面部、或いは前記中空領域の内壁部に切り込み部を有し、該切り込み部内に前記光源部が挿入された請求項５乃至請求項９のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 前記半導体基板の外形形状が前記Ｘ－Ｙ平面視座上円形である請求項９に記載の撮像モジュール。
- 前記半導体基板がシリコン基板であり、前記光電変換部が前記シリコン基板内に形成されかつ前記光電変換部にゲルマニウムを含む請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 前記受光面上にマイクロレンズ又は光導波路、或いはこれらを組み合わせた光学部材を積層した請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 前記Ｚ軸方向における前記半導体基板の集積回路が形成された面から前記光学部材の光学中心線の位置までの距離が、前記半導体基板の前記Ｚ軸方向の厚さの１／２よりも浅いことを特徴とする請求項１３に記載の撮像モジュール。
- 前記半導体基板の前記Ｚ軸方向に平行な一側面部を受光面とする光電変換部が、前記半導体基板側面部上に画素電極、光導電膜及び対向電極をこの順に積層した請求項２、請求項５、又は請求項９のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
- 請求項５乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像モジュールを二以上前記Z軸方向に電気的接続手段を介し積層した積層型撮像モジュール。
- 前記Z軸方向に隣接する二以上の浮遊拡散層領域が電気的に接続された請求項１６に記載の積層型撮像モジュール。
- 積層される各撮像モジュールの前記Z軸方向の厚さが３ミクロンメータ以上かつ２０ミクロンメータ以下であって、各撮像モジュールの受光部の前記Ｚ軸方向における寸法、及び接着層の厚さの合計が各撮像モジュールの受光部の前記半導体基板面に平行な方向における前記受光部の幅と同等である請求項１６又は請求項１７に記載の積層形撮像モジュール。
- 一又は複数の請求項５乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像モジュール、或いは請求項１６乃至請求項１８のいずれか一項に記載の積層型撮像モジュールにさらに周辺回路素子を前記Z軸方向に電気的接続手段を介し積層した積層型撮像モジュール。
- 前記光源部が近赤外光を出射する請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の撮像モジュール、又は請求項１６乃至請求項１９のいずれか一項に記載の積層型撮像モジュール。
- 円筒形の中心線をＵ軸方向、前記円筒形の上面又は下面をＶ－Ｗ平面とする三次元座標軸を定義した場合、請求項１に記載の複数の撮像モジュールであって、受光窓を有する半導体基板側面部が前記円筒形の中心線と平行かつＶ－Ｗ平面視座上前記中心線に対し対称な位置となるように円筒形の支持体に組み込まれた立体撮像モジュールをガントリ部とする光ＣＴ装置。
- ドーム形状の中心線をＵ軸方向、前記ドーム形状の前記U軸方向に垂直な平面の一つをV-W平面とする三次元座標軸を定義した場合、請求項２又は請求項７に記載の前記側面部の形状が平面視座上凹状である二以上の撮像モジュールを、前記受光面を構成する半導体基板側面部がドーム形状を覆うように、かつ前記ドーム形状をＶ－Ｗ平面視座上において上方から見下ろした場合、一点を中心に放射状に配置した立体撮像モジュールを有する光ＣＴ装置又は光トポグラフィー装置。
- 撮像モジュールの配置を決める支持体を用い、請求項９に記載の二以上撮像モジュールを前記半導体基板面に対し垂直方向に立体的に組み合わせたマンモグラフィー装置又は光トポグラフィー装置。
- 円形形状の直径が異なる二以上の請求項９に記載の撮像モジュールを、前記半導体基板面に対し垂直方向の距離を連続的に変更する支持体を用い、前記二以上の撮像モジュールを前記垂直方向立体的に組み合わせた光ＣＴ装置、マンモグラフィー装置、又は光トポグラフィー装置。
- 請求項１１に記載の撮像モジュールを半導体基板面に対し垂直方向に二以上立体的に組み合わせ、前記円形形状の直径が隣接する撮像モジュール間において順次異なるようにドーム形状の緯度方向に配置し、さらに請求項７において前記側面部の形状が平面視座上凹状の撮像モジュールであってさらに該撮像モジュールの外形を円弧形とした撮像モジュールを該ドーム形状の経度方向に放射状に配置した構造からなる立体撮像モジュールを用いた光ＣＴ装置、マンモグラフィー装置又は光トポグラフィー装置。
- 前記側面部の形状が平面視座上凸状である請求項２に記載の撮像モジュール上に、さらに超音波出射面がＸ－Ｙ平面視座上前記凸状の側面部と略一致するように超音波検出部を取り付けた光超音波画像診断装置。
- 請求項８に記載の撮像モジュール上に超音波検出部を取り付けた光超音波内視鏡装置。
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