WO2021095494A1 - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

本開示の撮像装置は複数の画素を備える。複数の画素のそれぞれは、光を透過する第１単結晶半導体層と、第１電極と、第１単結晶半導体層に接しており、第１単結晶半導体層と第１電極との間に位置する、光を吸収する光電変換層と、を含む。

Description

撮像装置
　本開示は撮像装置に関する。
　イメージセンサは、画素と呼ばれる単位から構成され、二次元に配列された複数の画素を備える。各画素は、光の照射によって信号電荷を発生させる光電変換素子と、光電変換素子において発生した信号電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを有する。光電変換素子として、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブ、または半導体量子ドット等の光電変換材料を利用した積層型イメージセンサがある。
特許第５５８５２３２号公報 特開２０１５－１５３９６２号公報 特開２０１５－０３７１２１号公報 特開２０１８－１８１９５７号公報
　可視光領域よりも長波長側に位置する波長領域での撮像において感度低下を抑制することが可能な撮像装置を提供する。
　本開示の撮像装置は、非限定的で例示的な実施形態において、複数の画素を備え、前記複数の画素のそれぞれは、光を透過する第１単結晶半導体層と、第１電極と、前記第１単結晶半導体層に接しており、前記第１単結晶半導体層と前記第１電極との間に位置する、前記光を吸収する光電変換層と、を含む。
　本開示の例示的な実施形態によれば、可視光領域よりも長波長側に位置する波長領域、特に近赤外領域での撮像において撮像装置の感度低下を抑制することが可能となる。
図１は、反射損失が無い場合における透過率の波長依存性を示すグラフである。 図２は、本開示の第１の実施形態に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。 図３は、本開示の第１の実施形態に係る読み出し回路の構成例を示す回路図である。 図４Ａは、ロングパスフィルターのフィルター特性を示す図である。 図４Ｂは、バンドパスフィルターのフィルター特性を示す図である。 図５は、本開示の第１の実施形態の変形例に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。 図６は、本開示の第２の実施形態に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。 図７は、本開示の第２の実施形態に係る読み出し回路の構成例を示す回路図である。 図８は、本開示の第２の実施形態の変形例に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。 図９は、本開示の第３の実施形態に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。 図１０は、本開示の第３の実施形態に係る距離画像取得システムの構成例を示すブロック図である。 図１１は、本開示の第３の実施形態に係る距離画像取得システムの動作原理を説明するための図である。 図１２は、本開示の第４の実施形態に係る撮像装置の画素のデバイス構造を例示する模式図である。
　まず、本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった本発明者の知見を説明する。
　積層型イメージセンサは、光電変換材料から形成された光電変換層を一対の電極で挟み込む構造を有しており、一対の電極間にバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧によって、光電変換層内に発生した正電荷と負電荷とが分離される。その結果、正電荷または負電荷の一方を透明電極側に、他方を対向電極側に引き抜くことが可能になる。
　光電変換層に光を到達させるために、一対の電極のうちの一方の電極材料は、光電変換において意図される波長に対し透過性を有する。このような透過性を有する電極材料から形成された電極は、透明電極と呼ばれる。透明電極の材料として、酸化インジウム錫、いわゆるＩＴＯが広く用いられている。透明電極は、ＩＴＯをスパッタリングで成膜することにより形成され、その結晶学的状態は多結晶またはアモルファス状態である。透明電極ではない他方の電極は、対向電極と呼ばれる。イメージセンサにおいて、信号電荷はこの対向電極で収集されて電荷蓄積領域に輸送される。積層型イメージセンサにおいて、この電荷蓄積領域は、典型的には、単結晶半導体層内に形成される。
　特許文献１及び特許文献２は、光電変換層が単結晶シリコン基板に直接接する構成を開示している。特許文献３は、単結晶シリコン基板内に形成された第１の光電変換部、および光電変換部の上方に位置する第２の光電変換部を備える撮像装置を開示している。この第２の光電変換部は無機材料から形成されており、第１の光電変換部は、特定の波長範囲の光を選択的に吸収する光フィルターとして機能する。特許文献４は、赤外光検出素子、および、赤外光検出素子の上方に位置し、シリコン基板内に形成された可視光検出素子を備える撮像装置を開示している。この可視光検出素子は可視光を選択的に吸収する光フィルターとして機能する。
　従来の透明電極材料であるＩＴＯには、可視光領域においては高い透過性が得られるが、近赤外領域においては低い透過率しか得られないという課題がある。均一な膜厚を有する層の透過率は、一般に、数１に記載の式によって与えられる。反射率は負にはならないので、１００％－（吸収率）が透過率の上限となる。
［数１］
　　（透過率）＝１００％－（反射率）－（吸収率）
　図１において、厚さ１０００ナノメートルのＩＴＯ膜が反射損失を有しない場合における透過率の波長依存性が示されている。以下、反射損失が無い場合における透過率を「理想透過率」と呼ぶこととする。１２００ナノメートル以下の波長に対する膜の理想透過率は５０％以上である。一方、１２００ナノメートル以上の波長に対する理想透過率は５０％以下である。ＩＴＯ膜の理想透過率は原料及び成膜条件などによって多少の変化を示すが、上述した傾向は変わらない。波長が長くなるほど理想透過率は低下し、例えば１４００ナノメートルの波長に対する理想透過率は１０％程度である。
　透明電極にＩＴＯ膜を利用した従来の積層型イメージセンサは、ＩＴＯ膜を透過した光のみ光電変換することが可能である。そのため、１２００ナノメートル以上の波長の光に対し、５０％以上の量子効率を実現することは不可能である。ここで、量子効率は、入射光の光子数に対する信号電荷の捕捉数の比率によって表される。イメージセンサの感度は基本的に量子効率に依存するので、従来の積層型イメージセンサによれば、１２００ナノメートル以上の波長の光に対し高い感度を実現することは困難である。
　本発明者は上記の知見に基づいて、可視光領域よりも長波長側に位置する波長領域、特に近赤外領域での撮像において感度低下を抑制することが可能となる新規な構造を見出した。例えば、可視光領域は、概ね４００ナノメートルから７００ナノメートルまでの波長範囲であり、近赤外領域は、概ね７００ナノメートルから２５００ナノメートルまでの波長範囲である。
　本開示の一態様の概要は、以下の項目に記載のとおりである。
　［項目１］
　本開示の項目１に係る撮像装置は、複数の画素を備える。前記複数の画素のそれぞれは、
　光を透過する第１単結晶半導体層と、
　第１電極と、
　前記第１単結晶半導体層に接しており、前記第１単結晶半導体層と前記第１電極との間に位置する、前記光を吸収する光電変換層と、
を含む。
　項目１に記載の撮像装置によると、可視光領域よりも長波長側に位置する波長領域、特に近赤外領域での撮像において感度低下を抑制することが可能となる。
　［項目２］
　項目１に記載の撮像装置は、前記第１単結晶半導体層および前記第１電極からなる群から選択される少なくとも１つに電気的に接続された、前記光電変換層にバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御回路をさらに備えていてもよい。
　項目２に記載の撮像装置によると、バイアス電圧を印加すれば、例えば対向電極で正電荷をより収集し易くなり、第１単結晶半導体層で負電荷をより収集し易くなる。
　［項目３］
　項目１または２に記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を蓄積する電荷蓄領域を含んでいてもよい。
　項目３に記載の撮像装置によると、電荷の収集を行う部分と電荷蓄積領域とを第１単結晶半導体層内に形成することによって、ｋＴＣノイズを低減することができる。
　［項目４］
　項目３に記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷蓄領域に蓄積される前記電荷を読み出す読み出し回路を含んでいてもよい。
　項目４に記載の撮像装置によると、第１単結晶半導体層に読み出し回路を集積化することが可能となる。
　［項目５］
　項目１または２に記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、
　第２単結晶半導体層と、
　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を蓄積する電荷蓄領域と、を含み、
　前記第１電極は、前記第１単結晶半導体層と前記第２単結晶半導体層との間に位置してもよい。
　項目５に記載の撮像装置によると、撮像装置のバリエーションが提供される。
　［項目６］
　項目５に記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、前記第２単結晶半導体層内に位置し、前記電荷蓄領域に蓄積される前記電荷を読み出す読み出し回路を含んでいてもよい。
　項目６に記載の撮像装置によると、第２単結晶半導体層に読み出し回路を集積化することが可能となる。
　［項目７］
　項目１から６のいずれかに記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、
　オンチップレンズと、
　前記オンチップレンズと前記第１単結晶半導体層との間に位置し、特定の波長範囲の光を選択的に透過するフィルター層と、
を含んでいてもよい。
　項目７に記載の撮像装置によると、撮像装置に光が照射されるときに単結晶半導体層における光吸収を抑制し、より多くの光を光電変換層に到達させることができる。
　［項目８］
　項目７に記載の撮像装置において、前記フィルター層は、前記フィルター層は、前記特定の波長範囲に透過域を有し、前記特定の波長範囲よりも短い波長範囲に遮断域を有するフィルター特性を有していてもよい。
　項目８に記載の撮像装置によると、フィルター層にロングパスフィルターを適用することができる。
　［項目９］
　項目７に記載の撮像装置において、前記フィルター層は、前記特定の波長範囲に透過域を有し、前記特定の波長範囲よりも短い波長範囲に第１の遮断域を有し、前記特定の波長範囲よりも長い波長範囲に第２の遮断域を有するフィルター特性を有していてもよい。
　項目９に記載の撮像装置によると、フィルター層にバンドパスフィルターを適用することができる。
　［項目１０］
　項目７に記載の撮像装置において、前記フィルター層は、前記第１単結晶半導体層が高い吸収係数を有する波長範囲に遮断域を有するフィルター特性を有していてもよい。
　項目１０に記載の撮像装置によると、第１単結晶半導体層が光を吸収することに起因して発生し得るノイズ及び誤動作を抑制できる。
　［項目１１］
　項目１から１０のいずれかに記載の撮像装置において、前記第１単結晶半導体層はシリコンから形成されており、
　前記光電変換層は１１００ナノメートル以上の波長を有する光を吸収してもよい。
　項目１１に記載の撮像装置によると、１１００ナノメートル以上の波長範囲で吸収率を実質的に０とすることができ、その結果、近赤外を検出する場合においてより多くの光を光電変換層に到達させることができる。
　［項目１２］
　項目１から１１のいずれかに記載の撮像装置において、前記光電変換層は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される材料から形成されていてもよい。
　項目１２に記載の撮像装置によると、光電変換層の材料のバリエーションが提供される。
　［項目１３］
　項目１または２に記載の撮像装置において、前記複数の画素のそれぞれは、
　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を収集する電荷収集領域と、
　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷収集領域とは異なり、前記電荷を蓄積する第１電荷蓄積領域と、
　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷収集領域とは異なり、前記電荷を蓄積する第２電荷蓄積領域と、
　前記第１電荷蓄積領域から電気的に絶縁された第２電極と、
　前記第２電荷蓄積領域から電気的に絶縁された第３電極と、
　前記電荷収集領域と前記第１電荷蓄積領域との間に位置する第１チャネル領域と、
　前記電荷収集領域と前記第２電荷蓄積領域との間に位置する第２チャネル領域と、
を含んでいてもよい。
　項目１３に記載の撮像装置において、前記第２電極は前記第１電荷蓄積領域の近傍に位置し、前記第３電極は前記第２電荷蓄積領域の近傍に位置していてもよい。
　［項目１４］
　項目１３に記載の撮像装置において、前記第２電極に印加する電圧を制御することによって、前記電荷収集領域から前記第１電荷蓄積領域への前記第１チャネル領域における前記電荷の移動が制御され、
　前記第３電極に印加する電圧を制御することによって、前記電荷収集領域から前記第２電荷蓄積領域への前記第２チャネル領域における前記電荷の移動が制御されてもよい。
　［項目１５］
　項目１または２に記載の撮像装置は、アバランシェ増幅を発生させることが可能なアバランシェ増幅機構をさらに備えていてもよい。
　［項目１６］
　項目１５に記載の撮像装置において、前記アバランシェ増幅機構は、
　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を収集する第１領域と、
　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記第１領域に接する第２領域と、を含み、
　前記第１領域の極性は前記第２領域の極性とは異なっていてもよい。
　［項目１７］
　項目１６に記載の撮像装置において、前記アバランシェ増幅機構は、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記第２領域に接する第３領域をさらに含み、
　前記第３領域の極性は前記第２領域の極性と同じであり、
　前記第３領域のドーパント濃度は前記第２領域のドーパント濃度よりも高くてもよい。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。また、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略することがある。
　特定の方向または位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」およびそれらの用語を含む別の用語）を用いる場合がある。しかしながら、それらの用語は、参照した図面における相対的な方向または位置をわかり易さのために用いているに過ぎない。参照した図面における「上」、「下」等の用語による相対的な方向または位置の関係が同一であれば、実際の製品等において、参照した図面と同一の配置でなくてもよい。
　（第１の実施形態）
　図２は、第１の実施形態に係る撮像装置１００Ａの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。図２には、撮像装置１００Ａの一部を取り出してその断面が模式的に示され、画素Ｐｘを構成する部分が破線で示されている。図３は、読み出し回路４０の構成例を示す回路図である。撮像装置１００Ａは、例えば二次元に配列された複数の画素Ｐｘを含む。画素Ｐｘの数は数百万または数千万個であり得る。ただし、画素Ｐｘの数および配置は任意である。撮像装置が少なくとも１つの画素Ｐｘを有していれば、その撮像装置を光検出素子として利用することができる。画素Ｐｘの配列が一次元であれば、撮像装置１００Ａを例えばラインセンサとして利用することができる。
　撮像装置１００Ａの構造・動作の概要は以下のとおりである。
　撮像装置１００Ａは、第１単結晶半導体層である単結晶半導体層２０において収集した信号電荷を同じ単結晶半導体層２０内に形成された電荷蓄積領域２１Ａに蓄積する構造を備える。光電変換層３０内に発生した信号電荷は単結晶半導体層２０において収集され、同じ単結晶半導体層２０内に形成された電荷蓄積領域２１Ａに蓄積される。電荷蓄積領域２１Ａに蓄積された信号電荷は読み出し回路４０によって読み出され、カラム信号処理回路４４に送られる。
　撮像装置１００Ａは、二次元に配列された複数の画素Ｐｘおよび絶縁層１０を備える。撮像装置１００Ａは、さらに、後述するカラム信号処理回路４４などを備え得る。各画素Ｐｘは、単結晶半導体層２０、光電変換層３０、対向電極３５およびオンチップレンズ５０を有する。オンチップレンズ５０は状況により撮像特性を改善する機能を果たす。ただし、その配置は必須ではない。図示はされないが、撮像装置１００Ａは、複数の画素Ｐｘおよび絶縁層１０の積層構造を支持する支持基板を備えていてもよい。
　単結晶半導体層２０は、絶縁層１０の上方に配置され、オンチップレンズ５０と絶縁層１０との間に位置している。単結晶半導体層２０の材料の例は単結晶シリコンである。単結晶半導体層２０の材料のその他の例として、単結晶ガリウム砒素、単結晶ゲルマニウム、単結晶窒化ガリウム、及び単結晶シリコンゲルマニウムなどが挙げられる。
　単結晶半導体層２０は光を透過し、後述する光電変換層３０による光電変換の対象となる波長、つまり、意図された波長に対し、有意な透過率を有する。有意な透過率とは、光電変換層３０による光電変換で撮像が可能になる理想透過率を意味する。その基準の例は５０％以上の理想透過率である。光電変換層３０の理想透過率が高いほど低照度における撮像が可能になる。光電変換における意図された波長は、光電変換層３０が吸収する光の波長に相当する。なお、光電変換層がある波長の光を吸収するというとき、光電変換層がその波長に対し１００％の吸収率を示すことは必要ではない。
　単結晶半導体には吸収端波長λｇとよばれる波長が存在する。吸収端波長λｇはバンドギャップのエネルギーに相当する波長である。λｇ以上の波長の光に対し吸収係数は実質的に０となり、λｇ以上の波長の光は単結晶半導体層を透過する。例えば、単結晶シリコンの吸収端波長は約１１００ナノメートルである。単結晶ガリウム砒素の吸収端波長は約１０００ナノメートルである。単結晶窒化ガリウムの吸収端波長は約３７６ナノメートルである。
　本実施形態において、単結晶半導体層２０の材料として、光電変換における意図された波長よりも短い吸収端波長λｇを有する材料が選択される。そのような材料の選択は、単結晶半導体層２０における光吸収によって意図しない電荷が発生することを抑制する効果をもたらす。例えば、単結晶半導体層２０を単結晶窒化ガリウムから形成すれば、可視光領域の全範囲において単結晶半導体層２０の吸収係数を実質的に０とすることが可能となる。または、単結晶半導体層２０を単結晶シリコンから形成すれば、１１００ナノメートル以上の波長範囲において単結晶半導体層２０の吸収係数を実質的に０とすることが可能となる。１１００ナノメートル以上の波長範囲は、太陽光が強く減衰する１３５０ナノメートルから１４５０ナノメートルまでの範囲、または、光ファイバ通信において広く利用されている１５００ナノメートル前後の波長を含む。
　単結晶半導体層２０の材料は、光電変換における意図された波長よりも長い吸収端波長λｇを有する材料であってもよい。例えば、単結晶シリコンのような間接遷移型半導体の場合において、単結晶半導体層２０の厚さが薄ければ、吸収端よりも短い波長であってもその光の吸収を抑えることができる。
　再び図１を参照する。図１において、厚さ１０００ナノメートルの単結晶シリコン膜の理想透過率が示されている。参考として、単結晶ガリウム砒素の理想透過率も示されている。厚さ１０００ナノメートルの単結晶シリコン膜は、約５５０ナノメートル以上の波長に対し５０％以上の理想透過率を示し、８００ナノメートル以上の波長に対しては９０％以上の理想透過率を示す。そのため、単結晶半導体層２０として厚さ１０００ナノメートルの単結晶シリコン膜を形成した場合、理想的には、８００ナノメートル以上の波長を有する光の９０％以上が単結晶半導体層２０を透過し光電変換層３０に到達することができる。
　光電変換層３０は単結晶半導体層２０と対向電極３５との間に位置している。より具体的には、光電変換層３０は単結晶半導体層２０に接しており、単結晶半導体層２０に形成された電荷蓄積領域２１Ａと対向電極３５とに挟まれている。光電変換層３０は、単結晶半導体層２０を透過した光を吸収する。単結晶半導体層２０がシリコンから形成される場合において、光電変換層３０は１１００ナノメートル以上の波長を有する光を吸収する。または、光電変換層３０は、単結晶半導体層２０の吸収端波長λｇよりも短くても十分な理想透過率を示す波長の光を吸収し得る。
　本明細書において、単結晶半導体層２０、光電変換層３０および対向電極３５によって構成される部分を「光電変換部」と呼ぶこととする。単結晶半導体層２０の一部は従来の画素電極として機能する。光電変換層３０および対向電極３５は絶縁層１０内に位置している。単結晶半導体層２０は、光電変換層３０に対して光電変換部に光が入射する側に位置し、対向電極３５は光電変換層３０に対して単結晶半導体層２０の反対側に位置している。
　対向電極３５は光電変換部に入射する光に対する透過性を必要としない。対向電極３５は、ＡｌまたはＡｇなどの金属、またはＴｉＮなどの金属窒化物などから形成され得る。また、対向電極３５は、光電変換層３０に入射する光を反射する材料から形成されていてもよい。対向電極３５は、１１００ナノメートル以上の波長を有する光に対して例えば８０％以上の反射率を有し得る。そのような材料の例はＡｌまたはＡｕである。１１００ナノメートル以上の波長を有する光に対して対向電極３５が例えば８０％以上の高い反射率を示すことにより、光電変換層３０を通過した光を対向電極３５によって単結晶半導体層２０の側に向けて反射させることができ、より多くの光を光電変換に寄与させることが可能となる。すなわち、近赤外領域においてより高感度の撮像を実現できることが期待される。
　光電変換層３０が光を吸収することによって正電荷および負電荷を含む正孔－電子対が発生する。単結晶半導体層２０は、正孔－電子対の一方を収集し、対向電極３５は正孔－電子対の他方を収集する。単結晶半導体層２０において収集された電荷は電荷蓄積領域２１Ａに蓄積される。本実施形態において、電荷蓄積領域２１Ａは画素Ｐｘごとに独立して単結晶半導体層２０内に存在する。電荷蓄積領域２１Ａは光電変換層３０に直接的に接していてもよい。または、光電変換層３０に接する単結晶半導体層２０の部分である電荷収集領域が電荷の収集のみを行い、電荷の移動が可能な範囲において光電変換層３０から離れた場所に電荷蓄積領域２１Ａを配置してもよい。例えば、電荷収集領域と電荷蓄積領域２１Ａとは、単結晶半導体層２０の領域を介して接続されてもよいし、導電性プラグにより電気的に接続されてもよい。
　電荷収集領域と電荷蓄積領域２１とがともに同一の単結晶半導体層２０に形成され、かつ、両者が金属を介さず単結晶半導体によって電気的に接続される場合、電荷収集領域で収集された電荷を電荷蓄積領域２１に完全に転送することができる。また、電荷蓄積領域２１が単結晶半導体から形成されている場合、そこに蓄積した電荷を完全に排除することができる。このような特性は、収集または蓄積した電荷の一部が意図せず残留することにより起因して発生するノイズ、いわゆるｋＴＣノイズを低減することに有効である。
　単結晶半導体層２０の内部に形成された電荷蓄積領域２１Ａは、その周辺領域とは不純物ドープの極性を変えることによって形成される。例えば、単結晶半導体層２０が正電荷を収集する場合、電荷蓄積領域２１Ａがｐ型となるようにドーピングし、その周辺領域がｎ型となるようにドーピングすればよい。単結晶半導体層２０が負電荷を収集する場合、電荷蓄積領域２１Ａがｎ型となるようにドーピングし、その周辺領域がｐ型となるようにドーピングすればよい。電荷蓄積領域２１Ａに蓄積された電荷は、図３に示されるカラム信号処理回路４４に最終的に転送される。カラム信号処理回路４４の詳細は後述する。
　電荷蓄積領域２１Ａとは異なるさらなる電荷蓄積領域２１Ｂが単結晶半導体層２０の内部に形成されていてもよい。後で詳しく説明するが、電荷蓄積領域２１Ａと電荷蓄積領域２１Ｂとの間に形成される転送トランジスタのチャネル領域の電気伝導度は、ゲート電極に印加する電位によって制御できる。これにより、電荷蓄積領域２１Ａに蓄積された電荷は、転送トランジスタのチャネルを通って電荷蓄積領域２１Ｂに移動することが可能となる。ただし、電荷蓄積領域２１Ｂは必須でない。
　光電変換層３０は、光電変換における意図された波長に対し有意な吸収係数を有する光電変換材料を含む。有意な吸収係数とは、意図された波長に対して撮像を可能とする十分な感度を実現するために必要な吸収係数を意味する。光電変換材料の例は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブ、半導体量子ドットである。
　光電変換層３０は、電子ブロッキング層または正孔ブロッキング層（不図示）を含み得る。これらのブロッキング層により、電極等から光電変換層３０に意図しない電荷が注入することを防ぐことができる。電子ブロッキング層の材料の例はＰＥＤＯＴ：ＰＳＳであり、正孔ブロッキング層の材料の例はＣ６０である。
　光電変換層３０は、量子閉じ込め効果を持つ量子ナノ構造を有する材料を含有し得る。量子ナノ構造とは、一次元的、二次元的または三次元的に量子サイズ効果を発現する構造を指す。量子ナノ構造を有する材料の例は、カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブは、グラフェンを丸めたような構造を有し、直径がナノメートル領域の、継ぎ目のない概ね円筒状である。円筒が１つの構造を特に単層カーボンナノチューブと呼び、複数の円筒が入れ子になった構造を多層カーボンナノチューブと呼ぶ。単層カーボンナノチューブの電子的特性および光学的特性の多くは、カイラル指数によって指定されるカイラリティによって決まる。単層カーボンナノチューブは、カイラリティに応じて金属的な性質または半導体的な性質を示す。
　単層カーボンナノチューブ中の電子のエネルギーは、チューブが円筒状であることによる周期性に起因してチューブ軸方向の波数のみによって指定される。すなわち、単層カーボンナノチューブの電子状態は、一次元的である。単層カーボンナノチューブのバンド構造は、状態密度の発散するエネルギー準位であるサブバンドが離散的に発現する点で特徴的である。状態密度におけるこのような特異点は、Ｖａｎ　Ｈｏｖｅ特異点と呼ばれる。
　単層カーボンナノチューブの吸収スペクトルは、このサブバンド間のエネルギーに相当する波長において急峻なピークを示す。カーボンナノチューブにおいては、フェルミ準位から数えて１番目のサブバンド間の光学遷移が第１光学遷移であり、２番目のサブバンド間の光学遷移が第２光学遷移である。
　有機半導体の例は、鉛フタロシアニンまたは銅フタロシアニン等のフタロシアニン類、ナフタロシアニン類等の低分子半導体、Ｐ３ＨＴ、ＰＤＤＴＴまたはＰＤＴＴＰ等の半導体性ポリマーである。有機半導体による光電変換材料は、例えば、文献(Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6, 3499)に詳細に記載されている。参考のため、その文献の開示内容のすべてを本明細書に援用する。
　半導体型カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブのうちの半導体性を示すものである。単層カーボンナノチューブはカイラリティによって特徴付けられ、カイラリティに応じて異なる固有の共鳴吸収波長を有する。半導体型カーボンナノチューブは、この共鳴吸収波長に対し特異的に大きな吸収係数を示す。例えば（９，８）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、８００ナノメートル前後および１４１０ナノメートル前後の波長に対し共鳴吸収を示す。（７，６）のカイラル指数を有する半導体型カーボンナノチューブは、６５０ナノメートル前後および１１３０ナノメートル前後の波長に対し共鳴吸収を示す。なお、表１に示す各波長の値は、あくまでも一例であり、実測値と５０ナノメートル程度の誤差が生じることもあり得る。
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　半導体量子ドットは、直径が数ナノメートルから数十ナノメートル程度の大きさである半導体のコアを有する構造体であり、数十個程度の原子から構成される。半導体のコアの材料の例は、硫化カドミウム、硫化鉛、セレン化カドミウム、セレン化鉛からなる量子ドットである。半導体の大きさを数ナノメートルから数十ナノメートルに制限することにより、量子力学的効果が生じる。半導体量子ドットは、バルク状態の半導体に比べて短い波長に対し共鳴的吸収を示す。半導体量子ドットは三次元的な量子閉じ込め効果を示す。半導体量子ドットの共鳴吸収波長は、主にコアの材料およびコアの大きさによって決定される。
　半導体量子ドットの表面には、分散剤、配位子による修飾などが付与され得る。半導体量子ドットは、ＡＰｂＸ３の化学式で示される、ペロブスカイト構造を有する量子ドットであってもよい。ここで、ＡＰｂＸ３の化学式中、Ａは、セシウム、メチルアンモニウムおよびホルムアミジニウムからなる群から選択される１つであり、Ｘは、塩素、臭素またはヨウ素である。
　粒子の粒径が励起子のボーア半径程度以下になると、励起子、電子が三次元的に空間に閉じ込められ、その状態密度は、バルクのときと異なり離散化される。また、粒径が小さくなるとこの量子閉じ込め効果が増大してエネルギーギャップが拡大する。したがって、同一の原料であっても量子ドットの形態とすることにより、バルク時のエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを実現することができ、かつ、その粒径によってエネルギーギャップを調整することが可能である。
　半導体量子ドットにおいて、第１光学遷移における吸収ピークの幅は、その原料およびその粒径によって大きく変化し得る。したがって、光電変換層の光電変換材料として例えば半導体量子ドットを選択した場合、その原料および粒径を調整することによって、光電変換層３０において特異的に吸収係数を示す共鳴吸収波長を調整することが可能である。
　光電変換層３０は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブ、半導体量子ドットの他に、別の分子を含有し得る。例えば、光電変換層３０は、有機半導体と半導体型カーボンナノチューブと共に、Ｃ６０、ＰＣＢＭ等のフラーレン類等を含み得る。Ｃ６０及びＰＣＢＭは赤外光を吸収しないために、赤外領域における光電変換に寄与しない。
　上述したとおり、光電変換層３０が光を吸収することにより電子正孔対が発生する。単結晶半導体層２０は電子正孔対の一方を収集し、対向電極３５は電子正孔対の他方を収集する。本実施形態において、単結晶半導体層２０が正電荷を収集し、対向電極３５が負電荷を収集する。この電荷を収集する効率は、単結晶半導体層２０と対向電極３５との間にバイアス電圧を印加することによって高くなる場合がある。
　正電荷はより電位が低い側に移動するという性質を示し、負電荷はより電位が高い側に移動するという性質を示す。そのため、対向電極３５の電位を相対的に下げ、または、単結晶半導体層２０の電位を相対的に上げるようにバイアス電圧を印加すれば、対向電極３５は正電荷を収集し易くなり、単結晶半導体層２０は負電荷を収集し易くなる。これとは逆に、対向電極３５の電位を相対的に上げ、または、単結晶半導体層２０の電位を相対的に下げるようにバイアス電圧を印加すれば、対向電極３５は負電荷を収集し易くなり、単結晶半導体層２０は正電荷を収集し易くなる。ここで、相対的にとは、バイアス電圧を印加しない状態と比較した場合である。バイアス電圧は、例えば、単結晶半導体層２０および／または対向電極３５に接続された、図３に示されるバイアス電圧制御機構４３を用いて印加することができる。バイアス電圧制御機構４３の詳細は後述する。
　絶縁層１０は、典型的には、複数の層間絶縁層が積層された積層構造を有する。絶縁層１０を構成する各層は、例えば、二酸化シリコンから形成される。絶縁層１０は、紙面に垂直な方向に延びる配線１１と、紙面に沿った方向に延びる配線１２とを含む多層配線を内部に有し得る。多層配線は単結晶半導体層２０の下方に位置している。多層配線は例えばＣｕなどから形成され、異なる層の配線間を互いに接続するビア（不図示）などを含む。単結晶半導体層２０内の電荷蓄積領域は配線１１、１２を介して読み出し回路４０に電気的に接続されている。対向電極３５は、配線１１、１２を介してバイアス電圧制御機構４３に電気的に接続されている。
　図３を参照して読み出し回路４０の構成例を説明する。読み出し回路４０は電荷蓄領域に蓄積される電荷を読み出す。読み出し回路４０は、リセットトランジスタ４１Ａ、転送トランジスタ４１Ｂ、読み出しトランジスタ４１Ｃ、増幅トランジスタ４１Ｄおよび選択トランジスタ４１Ｅを有する。ただし、転送トランジスタ４１Ｂ、読み出しトランジスタ４１Ｃは必須ではない。
　本実施形態において、読み出し回路４０は、電荷蓄積領域２１Ａが存在する単結晶半導体層２０の内部に形成されている。各トランジスタのチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域は単結晶半導体層２０において集積化することが可能である。各トランジスタは、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴまたはｐチャネルＭＯＳＦＥＴである。読み出し回路４０は、バイアス電圧制御回路４３Ａ、４３Ｂを含むバイアス電圧制御機構４３、およびカラム信号処理回路４４に接続される。なお、読み出し回路４０のうちの転送トランジスタ４１Ｂのゲート４１Ｂｇのみが図２に示されている。
　光電変換部の対向電極３５にはバイアス電圧制御回路４３Ａが接続され、単結晶半導体層２０にはバイアス電圧制御回路４３Ｂがリセットトランジスタ４１Ａを介して接続されている。バイアス電圧制御回路４３Ａは対向電極３５に定電圧を供給する。これにより、対向電極３５の電位は一定に保たれる。一方、バイアス電圧制御回路４３Ｂは所定のリセット電圧を電荷蓄積領域２１Ａに与える。露光直前までリセットトランジスタ４１Ａをオン状態にしておくことで、電荷蓄積領域２１Ａの電位を基準値に設定することができる。２つのバイアス電圧制御回路４３Ａ、４３Ｂが対向電極３５と電荷蓄積領域２１Ａとにそれぞれ異なる電圧を与えることによって、対向電極３５と電荷蓄積領域２１Ａとに挟まれた光電変換層３０に所望のバイアス電圧を印加することができる。バイアス電圧制御回路４３Ａ、４３Ｂのそれぞれの例は、定電圧源、可変電圧源または接地線である。バイアス電圧制御回路４３Ａ、４３Ｂは、撮像装置１００Ａの内部回路であってもよいし、撮像装置１００Ａに外部接続される回路であってもよい。なお、バイアス電圧制御機構４３は必須ではなく、バイアス電圧の印加も必須ではない。
　光電変換層３０の材料の種類によっては、バイアス電圧を光電変換層に印加するときにおいてのみ有意な感度が得られる場合がある。そのような場合においてバイアス電圧制御機構４３は電子シャッターの機能を有し得る。
　リセットトランジスタ４１Ａは、電荷蓄積領域２１Ａの電位を基準値に初期化する。リセットトランジスタ４１Ａのゲートは、リセット信号線４２ｌに電気的に接続されている。垂直走査回路（不図示）が、リセット信号線４２ｌを介してリセットトランジスタ４１Ａのオン・オフを制御する。リセットトランジスタ４１Ａのソースまたはドレインの一方は、バイアス電圧制御回路４３Ｂに接続され、他方は電荷蓄積領域２１Ａに接続されている。
　転送トランジスタ４１Ｂは、電荷蓄積領域２１Ａに蓄積された電荷を電荷蓄積領域２１Ｂに転送する。転送トランジスタ４１Ｂのゲートは、転送制御線４２ｍに電気的に接続されている。垂直走査回路が、転送制御線４２ｍを介して転送トランジスタ４１Ｂのオン・オフを制御する。転送トランジスタ４１Ｂのソースまたはドレインの一方は、電荷蓄積領域２１Ａに接続され、他方は電荷蓄積領域２１Ｂに接続されている。
　読み出しトランジスタ４１Ｃは、電荷蓄積領域２１Ｂに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンノードＦＤに転送する。読み出しトランジスタ４１Ｃのゲートは、読み出し制御線４２ｎに電気的に接続されている。垂直走査回路が、読み出し制御線４２ｎを介して読み出しトランジスタ４１Ｃのオン・オフを制御する。読み出しトランジスタ４１Ｃのソースまたはドレインの一方は、フローティングディフュージョンノードＦＤに接続され、他方は電荷蓄積領域２１Ｂに接続されている。
　増幅トランジスタ４１ＤはフローティングディフュージョンノードＦＤの電位に応じた信号を出力するソースフォロワとして機能する。増幅トランジスタ４１Ｄのゲートは、フローティングディフュージョンノードＦＤに接続されている。増幅トランジスタ４１Ｄのソースまたはドレインの一方は電源線４５に接続され、他方は選択トランジスタ４１Ｅのソースまたはドレインの一方に接続されている。
　選択トランジスタ４１Ｅは、画素ごとに設けられた複数の増幅トランジスタ４１Ｄの中から、カラム信号処理回路４４に接続する対象となる増幅トランジスタ４１Ｄを選択する。選択トランジスタ４１Ｅのゲートは、アドレス制御線４２ｏに電気的に接続されている。垂直走査回路が、アドレス制御線４２ｏを介して選択トランジスタ４１Ｅのオン・オフを制御する。選択トランジスタ４１Ｅのソースまたはドレインの一方は、増幅トランジスタ４１Ｄのソースまたはドレインの他方に接続され、選択トランジスタ４１Ｅのソースまたはドレインの他方は出力信号線４２ｐを介してカラム信号処理回路４４に接続されている。
　カラム信号処理回路４４は電荷計量装置として機能する。カラム信号処理回路４４はアナログ－デジタル変換回路を含み、出力信号線４２ｐに接続される。カラム信号処理回路４４は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理を行う回路をさらに含み得る。カラム信号処理回路４４は単結晶半導体層２０内に形成された回路であり得る。または、カラム信号処理回路４４は、単結晶半導体層２０とは異なる別の単結晶半導体層の内部に形成された回路であってもよいし、撮像装置１００Ａに外部接続される回路であってもよい。
　以下、撮像装置１００Ａの動作を説明する。単結晶半導体層２０が電荷対のうちの正電荷を収集する例を説明する。単結晶半導体層２０が負電荷を収集する場合においては、極性などを適宜変更すればよい。その手段は当業者にとって自明であるので、その詳細な説明は省略する。
　入射光はオンチップレンズ５０によって集光され、単結晶半導体層２０を透過して光電変換層３０に到達する。光電変換層３０に入射した光は吸収され、正電荷および負電荷の電荷対が光電変換層３０に発生する。正電荷は単結晶半導体層２０に収集され、負電荷は対向電極３５に収集される。単結晶半導体層２０に収集された正電荷は電荷蓄積領域２１Ａに蓄積される。
　露光を開始するときに、リセットトランジスタ４１Ａをオフにすることによって、電荷蓄積領域２１Ａはフローティング状態となる。光電変換層３０において発生した正電荷が電荷蓄積領域２１Ａに蓄積され、その電荷量に応じて電荷蓄積領域２１Ａの電位が変化する。露光が終了した後、転送トランジスタ４１Ｂをオンにして、電荷蓄積領域２１Ａに蓄積した電荷を電荷蓄積領域２１Ｂに転送する。
　読み出しトランジスタ４１Ｃをオンにすることにより、電荷蓄積領域２１Ｂに蓄積した電荷は、フローティングディフュージョンノードＦＤに転送される。増幅トランジスタ４１Ｄの出力は、フローティングディフュージョンノードＦＤに転送された電荷量に応じて変化する。カラム信号処理回路４４は、選択トランジスタ４１Ｅによって選択された増幅トランジスタ４１Ｄから出力される出力信号を処理し、最終的に電荷量を計測する。
　本実施形態によれば、電荷蓄積領域２１Ａ、２１Ｂは、同じ単結晶半導体層２０内に形成されている。電荷蓄積領域２１Ｂに蓄積された電荷量を計測中に、電荷蓄積領域２１Ａに新たな電荷を蓄積することができる。つまり、電荷量の計測と同時に露光することが可能となり、いわゆるグルーバルシャッター機能が実現される。
　画素Ｐｘは、フィルター層６０および保護層７０をさらに有し得る。図２に示される例において、保護層７０、フィルター層６０およびオンチップレンズ５０がこの順番で単結晶半導体層２０上に積層されている。
　図４Ａ、図４Ｂを参照してフィルター層６０の透過率特性を詳細に説明する。
　図４Ａは、ロングパスフィルターのフィルター特性を示す図である。図４Ｂは、バンドパスフィルターのフィルター特性を示す図である。
　フィルター層６０は、オンチップレンズ５０と単結晶半導体層２０との間に位置し、特定の波長範囲の光を選択的に透過する。フィルター層６０の透過率は波長依存性を有する。フィルター層６０にロングパスフィルターまたはバンドパスフィルターを適用することができる。フィルターが有意に高い透過性を示す波長範囲を「透過域」と記載し、フィルターが有意に低い透過性を示す波長範囲を「遮断域」と記載する。有意に高い透過性は例えば９０％以上の透過率を意味し、有意に低い透過性は例えば１０％以下の透過率を意味する。
　下限がある特定の波長よりも長い波長範囲に透過域を有し、かつ、上限がその特定の波長よりも短い波長範囲に遮断域を有するフィルターをロングパスフィルターと定義する。一方、ある特定の波長範囲に透過域を有し、かつ、その波長範囲を間に挟んだ、より短い波長範囲およびより長い波長範囲の両方に遮断域を有するフィルターをバンドパスフィルターと定義する。フィルター層６０は、撮像において意図される波長が透過域に含まれる限りにおいて、バンドパスフィルターであっても、ロングパスフィルターであっても構わない。特定の波長の例は吸収端波長λｇである。
　単結晶半導体層２０が高い吸収係数を有する波長範囲に遮断域を有するフィルターをフィルター層６０に適用してもよい。例えば、ロングパスフィルターの遮断域を規定する波長範囲の上限が、単結晶半導体層２０の吸収端波長λｇよりも長い波長であり得る。図４Ａにはロングパスフィルターのそのような透過率特性が示されている。バンドパスフィルターの透過域を規定する波長範囲の下限が、単結晶半導体層２０の吸収端波長λｇよりも長い波長であり得る。図４Ｂにはバンドパスフィルターのそのような透過率特性が示されている。
　図４Ａまたは図４Ｂに示される例において、撮像において意図される波長は１４００ナノメートルであり、単結晶半導体層２０は単結晶シリコンから形成されている場合を仮定している。単結晶シリコンの吸収端波長λｇは１１００ナノメートルであるので、単結晶シリコンが高い吸収係数を有する波長範囲はすべてフィルターの遮断域に含まれる。ロングパスフィルターの場合、例えば、透過域は１２００ナノメートルから１６００ナノメートルまでの波長範囲に設定され、遮断域は３５０ナノメートルから１１００ナノメートルまでの波長範囲に設定され得る。バンドパスフィルターの場合、例えば、透過域は１３５０ナノメートルから１４５０ナノメートルまでの波長範囲に設定され、遮断域は３５０ナノメートルから１６００ナノメートルまでの範囲のうちの上記透過域を除く波長範囲に設定され得る。
　単結晶半導体層２０が光を吸収すると、それに起因して電荷が発生する恐れがある。この電荷は撮像装置の動作において意図しないものであるため、ノイズ及び誤動作の原因となり得る。したがって、単結晶半導体層２０が高い吸収係数を有する波長範囲の全てまたは大部分が遮断域となるようにフィルター層６０のフィルター特性を決定すれば、単結晶半導体層２０における光吸収を抑制することができ、より多くの光を光電変換層３０に到達させることができる。その結果、撮像装置の感度を損なわずに、ノイズ及び誤動作を低減できる。ただし、フィルター層６０は必須ではない。
　保護層７０は、例えばシリコン酸化膜、または、シリコン窒化膜等の水分、酸素等の透過性の低い透明膜であり得る。保護層７０により、デバイス特性の経時変化を抑制する効果が得られる。
　本実施形態によれば、可視光領域よりも長波長側に位置する波長領域、特に近赤外領域での撮像において感度低下を抑制することが可能となる。撮像装置の感度を損なわずに、ノイズ及び誤動作を低減し得る。
　図５は、第１の実施形態の変形例に係る撮像装置１００Ｂの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。図５において、画素Ｐｘを構成する部分が破線で示されている。撮像装置１００Ｂの画素Ｐｘは、対向電極３５と、単結晶半導体層２０内に形成された電荷蓄積領域２１Ａとが配線層を介して電気的に接続されている点で、上述した撮像装置１００Ａの画素Ｐｘの構成とは異なる。以下、撮像装置１００Ａとの差異点を主に説明し、共通する説明は省略する。
　光電変換層３０において発生した電荷対のうちの、対向電極３５に収集された電荷の電荷量が計測される。本変形例において、対向電極３５と、単結晶半導体層２０内に形成された電荷蓄積領域２１Ａとが配線１１、１２を介して電気的に接続されている。例えば、対向電極３５側で収集された正電荷は、配線１１、１２を通って電荷蓄積領域２１Ａに移動して蓄積される。最終的に、カラム信号処理回路４４によって電荷量が計測される。
　光電変換層３０に接する、単結晶半導体層２０の部分によって規定された、電荷取集領域である領域２５は、電荷蓄積領域２１Ａとは異なる領域である。領域２５は外部電源または外部定電位線などに電気的に接続され、領域２５において収集された電荷は単結晶半導体層２０の外に排出される。光電変換層３０は、光電変換層３０の領域２５と対向電極３５とに挟まれている。領域２５と電荷蓄積領域２１Ａとは電気的に分離されていてもよい。例えば、領域２５のドーピング不純物の極性が、電荷蓄積領域２１Ａのドーピング不純物の極性と異なっていてもよいし、２つの領域の間に絶縁領域を設けるようにしてよい。この電気的な分離により、領域２５において収集された電荷が電荷蓄積領域２１Ａに移動することを防止または抑制することが可能となる。本変形例においても、上述した効果と同じものが得られる。
　（第２の実施形態）
　図６は、第２の実施形態に係る撮像装置１００Ｃの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。図６において、画素Ｐｘを構成する部分が破線で示されている。図７は、本実施形態に係る読み出し回路４０Ｃの構成例を示す回路図である。撮像装置１００Ｃの画素Ｐｘは、単結晶半導体層２０とは異なる第２単結晶半導体層である単結晶半導体層８０を有し、かつ、その層の内部に形成された電荷蓄積領域２１Ａを有している点で、第１の実施形態１に係る撮像装置１００Ａの画素Ｐｘの構成とは異なる。以下、撮像装置１００Ａとの差異点を主に説明し、共通する説明は省略する。
　光電変換層３０において発生した電荷対のうちの、対向電極３５に収集された電荷が単結晶半導体層２０以外に形成された電荷蓄積領域２１Ａに蓄積され、計測される。電荷蓄積領域２１Ａは、例えば、単結晶半導体層２０とは異なる別の単結晶半導体層８０の内部に形成される。本実施形態において、画素Ｐｘは、絶縁層１０を基準として、単結晶半導体層２０の反対側に位置する単結晶半導体層８０をさらに有する。単結晶半導体層８０、絶縁層１０、光電変換層３０および単結晶半導体層２０がこの順番で積層されており、絶縁層１０および光電変換層３０は、２つの単結晶半導体層２０、８０に挟まれている。
　図７に示されるように、単結晶半導体層２０は、その電圧を制御するバイアス電圧制御回路４８と電気的に接続されている。バイアス電圧制御回路４８は、定電圧電源、可変電圧電源または接地線等である。その電気的な接続は単結晶半導体層２０の上面、側面、下面のいずれかに接触部を設けることで実現され得る。例えば、上面に接触部を設ける方法としてワイヤーボンド等の方法を用いることができる。下面に接触部を設ける方法として、バイアス電圧制御回路４８に接続するための配線を絶縁体１０の内部に設け、光電変換層３０が存在しない部分においてその配線を単結晶半導体層２０に接続させてもよい。
　対向電極３５は、配線１２を介して、単結晶半導体層８０の内部に形成された電荷蓄積領域２１Ａに接続されている。対向電極３５は、例えば、光電変換層３０において発生する正電荷を収集する。対向電極３５に収集された正電荷は、配線１２を通って電荷蓄積領域２１Ａに移動し蓄積される。第１の実施形態と同様に、電荷蓄積領域２１Ｂが、電荷蓄積領域２１Ａと共に電荷蓄積領域２１Ａに形成されていてもよいが、必須ではない。
　読み出し回路４０Ｃは単結晶半導体層８０内に形成され得る。各トランジスタのチャネル領域、ソース領域およびドレイン領域は単結晶半導体層８０において集積化することが可能である。読み出し回路４０Ｃは、リセットトランジスタ４１Ａ、転送トランジスタ４１Ｂ、増幅トランジスタ４１Ｄおよび選択トランジスタ４１Ｅを有する。ただし、転送トランジスタ４１Ｂは必須ではない。読み出し回路４０Ｃは、第１の実施形態に係る読み出し回路４０と同様に、電荷蓄積領域２１Ｂに蓄積された電荷をフローティングディフュージョンノードＦＤに転送する読み出しトランジスタをさらに有し得る。
　フローティングディフュージョンノードＦＤはリセットトランジスタ４１Ａを介して電圧を制御するバイアス電圧制御回路４９に接続されている。バイアス電圧制御回路４９はフローティングディフュージョンノードＦＤに電気的に接続されたときに、フローティングディフュージョンノードＦＤの電圧を規定値にする。バイアス電圧制御回路４９は、具体的には、定電圧線、定電圧電源等から構成され得る。リセットトランジスタ４１Ａは、フローティングディフュージョンノードＦＤとバイアス電圧制御回路４９の間の電気的な接続を遮断し、これにより、フローティングディフュージョンノードＦＤに電荷を蓄積することが可能となる。一方、リセットトランジスタ４１Ａは、フローティングディフュージョンノードＦＤをリセットするときに、バイアス電圧制御回路４９をフローティングディフュージョンノードＦＤに電気的に接続し、フローティングディフュージョンノードＦＤの電圧を規定値にする。なお、リセットトランジスタ４１Ａおよび転送トランジスタ４１Ｂを共に導通状態にすることで、バイアス電圧制御回路４９を用いて対向電極３５の電圧を規定値にすることができる。
　図８は、第２の実施形態の変形例に係る撮像装置１００Ｄの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。絶縁層１０は第１部分１０Ａおよび第２部分１０Ｂを含む。絶縁層１０の第１部分１０Ａと単結晶半導体層８０との積層構造、および、絶縁層１０の第２部分１０Ｂと、光電変換層３０と、単結晶半導体層２０との積層構造を個別に作製し、個別に作製した２つの積層構造を貼り合わせることにより、撮像装置１００Ｄが得られる。本変形例によれば、撮像装置の製造工程が簡素化され得る。
　（第３の実施形態）
　図９は、第３の実施形態に係る撮像装置１００Ｅの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。図９において、画素Ｐｘを構成する部分が破線で示されている。第３の実施形態に係る撮像装置１００Ｅは、主として距離画像を取得するために設計され得る。
　光電変換層３０は、単結晶半導体層２０内の領域２５に直接接するか、または電荷が移動することが可能な層を介して領域２５に電気的に繋がっている。光電変換層３０内で光電変換により発生した正電荷または負電荷が、光電変換層３０から領域２５に移動することが可能である。例えば、正電荷が光電変換層３０から領域２５に移動することを可能とするならば、領域２５がｐ型となるようにドーピングすればよい。一方、負電荷が光電変換層３０から領域２５に移動することを可能とするならば、領域２５がｎ型となるようにドーピングすればよい。
　図示される例において、電極９９が、画素Ｐｘの領域以外の絶縁層１０内に配置され、かつ、単結晶半導体層２０に接している。電極９９は単結晶半導体層２０の電位を制御するための電極である。電極９９の電位と電極３５の電位とによって定まる電圧に応じた内部電界が光電変換層３０の内部に発生する。光電変換層３０が光を吸収することによって正電荷および負電荷を含む正孔－電子対が発生する。内部電界により、一方が単結晶半導体層２０内の領域２５に移動し、他方が電極３５に移動する。このように、光電変換層３０で発生した正電荷および負電荷のうちの、領域２５に移動しない電荷は電極３５によって収集される。
　本実施形態において、各画素Ｐｘが有する光電変換層３０に対し、少なくとも２つ以上の電荷蓄積領域２１が単結晶半導体層２０内に形成される。図示される例では、２つの電荷蓄積領域２１Ａ、２１Ｂが形成されている。電荷蓄積領域２１Ａおよび２１Ｂの近傍の絶縁層１０内に、それぞれ、電極９８Ａおよび電極９８Ｂが配置される。電荷蓄積領域２１Ａと電極９８Ａとは電気的に絶縁されており、電荷蓄積領域２１Ｂと電極９８Ｂとは電気的に絶縁されている。その結果、電荷蓄積領域２１Ａと電極９８Ａとの間、および電荷蓄積領域２１Ｂと電極９８Ｂとの間に、それぞれ、直流電流は流れない。ただし、電荷蓄積領域２１Ａ、２１Ｂに加えて、1以上のさらなる電荷蓄積領域が単結晶半導体層２０内に形成され得る。すなわち、単結晶半導体層２０内に形成され得る電荷蓄積領域の数は、２つに限定されず、３つまたは４つ以上であり得る。
　領域２５と電荷蓄積領域２１Ａとの間にチャネル領域９０Ａが形成され、領域２５と電荷蓄積領域２１Ｂとの間にチャネル領域９０Ｂが形成される。チャネル領域９０Ａの電気伝導度は、電極９８Ａに印加する電圧によって制御することができる。同様に、チャネル領域９０Ｂの電気伝導度は、電極９８Ｂに印加する電圧によって制御することができる。
　より具体的に説明すると、第１の電圧範囲内の電圧を電極９８Ａに印加することで、チャネル領域９０Ａを導通状態にすることができる。その結果、領域２５と電荷蓄積領域２１Ａとの間で電荷の移動が可能になる。また、第１の電圧範囲とは異なる第２の電圧範囲内の電圧を電極９８Ａに印加することで、チャネル領域９０Ａを遮断状態にすることができる。その結果、領域２５と電荷蓄積領域２１Ａとの間で電荷の移動を禁止することが可能になる。
　チャネル領域９０Ａと同様に、第３の電圧範囲内の電圧を電極９８Ｂに印加することで、チャネル領域９０Ｂを導通状態にすることができる。その結果、領域２５と電荷蓄積領域２１Ｂとの間で電荷の移動が可能になる。また、第３の電圧範囲とは異なる第４の電圧範囲内の電圧を電極９８Ｂに印加することで、チャネル領域９０Ｂを遮断状態にすることができる。その結果、領域２５と電荷蓄積領域２１Ｂとの間で電荷の移動を禁止することが可能になる。第１の電圧範囲は、第３の電圧範囲と同じであってもよいし異なっていてもよい。同様に、第２の電圧範囲は、第４の電圧範囲と同じであってもよいし異なっていてもよい。
　電極９８Ａに印加する電圧と、電極９８Ｂに印加する電圧とは独立にまたは同期して制御し得る。例えば、第１の電圧範囲内の電圧を電極９８Ａに印加し、第４の電圧範囲内の電圧を電極９８Ｂに印加すれば、領域２５内の電荷は電荷蓄積領域２１Ａには移動できるが、電荷蓄積領域２１Ｂには移動できない。同様に、第２の電圧範囲内の電圧を電極９８Ａに印加し、第３の電圧範囲内の電圧を電極９８Ｂに印加すれば、領域２５内の電荷は電荷蓄積領域２１Ｂには移動できるが、電荷蓄積領域２１Ａには移動できない。このように、電極９８Ａに印加する電圧と、電極９８Ｂに印加する電圧とをそれぞれ適切に時間的に変化させれば、光電変換層３０で発生した電荷を発生時刻に応じて電荷蓄積領域２１Ａと電荷蓄積領域２１Ｂとに振り分けることが可能となる。さらに、例えば、単結晶半導体層２０内にさらなる電荷蓄積領域を形成すれば、光電変換層３０で発生した電荷を発生時刻に応じて３つの電荷蓄積領域にそれぞれ振り分けることが可能となる。
　上述したとおり、チャネル領域９０Ａの電気伝導度は、電極９８Ａに印加する電圧によって制御することが可能となる。これは、領域２５、電荷蓄積領域２１Ａ、チャネル領域９０Ａ、電極９８Ａが、それぞれ、電界効果トランジスタのソース領域、ドレイン領域、チャネル、ゲート電極として機能することを意味する。同様に、チャネル領域９０Ｂの電気伝導度は、電極９８Ｂに印加する電圧によって制御することが可能となる。これは、領域２５、電荷蓄積領域２１Ｂ、チャネル領域９０Ｂ、電極９８Ｂが、それぞれ、電界効果トランジスタのソース領域、ドレイン領域、チャネル、ゲート電極として機能することを意味する。
　この電界効果トランジスタの機能は、例えば、領域２５、電荷蓄積領域２１Ａおよび電荷蓄積領域２１Ｂを同一極性にドーピングし、チャネル領域９０Ａ、９０Ｂを領域２５とは異なる極性にドーピングし、さらに、電極９８Ａとチャネル領域９０Ａとの間、および電極９８Ｂとチャネル領域９０Ｂとの間に、それぞれ、薄い絶縁層を形成することによって実現できる。
　電荷蓄積領域２１Ａおよび／または電荷蓄積領域２１Ｂは、配線１１、１２を介して定電位線またはグランド線に電気的に接続され得る。この電気的な接続により、電荷蓄積領域に蓄積された電荷を放出してリセットすることができる。
　図１０は、本実施形態に係る距離画像取得システム２００の構成例を示すブロック図である。図１１は、本実施形態に係る距離画像取得システム２００の動作原理を説明するための図である。図１１において、上述した、第１の電圧範囲、第２の電圧範囲、第３の電圧範囲および第４の電圧範囲が、それぞれ、矢印（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）および（ＩＶ）で示されている。
　距離画像取得システム２００は、光源２０１、光学系２０２、２０３、および撮像装置２０４を備える。撮像装置２０４として、例えば、上述した撮像装置１００Ｅを採用することができる。
　光源２０１は、例えば、駆動電流により制御するレーザーダイオードおよび／または発光ダイオードを備え得る。光源２０１は、例えば、時間的に強度が変化する光Ｌ１、つまりＡＭ変調された光を生成して出射する。
　光学系２０２は、光源２０１から出射される、時間的に強度が変化する光Ｌ１を整形して被写体Ｏに照射する機能を有する。この機能は一般の照明光学系と基本的に同等であるので、詳細な説明は省略する。
　光学系２０３は、光Ｌ１で照射された被写体Ｏからの反射光Ｌ２を撮像装置２０４に結像する機能を有する。これも一般の撮像光学系と基本的に同等であるので、詳細な説明は省略する。
　図１１を参照して距離画像取得システム２００の動作原理を説明する。
　距離画像取得システム２００による画像を取得する原理は、一般のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）イメージセンサで用いられる原理に等しい。光源２０１は、周期Ｔで強度が変化する光Ｌ１を生成して出射する。図示される例において、Ｔ／２の期間において強度が０であり、残りのＴ／２の期間において強度が一定である光Ｌ１が光源２０１から出射される。
　光学系２０２により整形された光Ｌ１で被写体Ｏを照射し、光学系２０３を用いて被写体Ｏからの反射光である光Ｌ２を撮像装置２０４に結像させる。これにより、被写体Ｏの像が撮像装置２０４の画素アレイ上に形成される。形成された像に対応する被写体Ｏの部分から反射された光Ｌ２が撮像装置２０４の各画素Ｐｘに入射する。
　各画素Ｐｘに入射する光Ｌ２の強度は、光Ｌ１と同じ周期Ｔで変化する。その位相は、光学系２０２から被写体Ｏまでの距離と、被写体Ｏから光学系２０３までの距離との和に依存して変化する。このように、位相は被写体Ｏまでの距離情報を含む。撮像装置２０４の各画素ｐｘが有する電極９８Ａに印加する印加電圧Ａおよび電極９８Ｂに印加する印加電圧Ｂを、図１１に例示されるようにそれぞれ変化させるとする。より詳細には、Ｔ／２の期間において第１の電圧範囲（Ｉ）内の印加電圧Ａを電極９８Ａに印加し、第４の電圧範囲（ＩＶ）内の印加電圧Ｂを電極９８Ｂに印加する。続いて、Ｔ／２の期間において第２の電圧範囲（ＩＩ）内の印加電圧Ａを電極９８Ａに印加し、第３の電圧範囲（ＩＩＩ）内の印加電圧Ｂを電極９８Ｂに印加する。その場合、期間ＴＡにおいて光電変換層３０で発生した電荷が電荷蓄積領域２１Ａに電荷Ａとして収集され、期間ＴＢにおいて光電変換層３０で発生した電荷が電荷蓄積領域２１Ｂに電荷Ｂとして収集される。
　期間ＴＡで発生した電荷Ａと期間ＴＢで発生した電荷Ｂとの比は、各画素Ｐｘにおける光Ｌ２の位相に応じて定まる。そのため、電荷蓄積領域２１Ａに収集された電荷Ａの電荷量と、電荷蓄積領域２１Ｂで収集された電荷Ｂの電荷量とをそれぞれ測定することにより、各画素Ｐｘにおける光Ｌ２の位相を決定することができる。その位相に基づいて、光学系２０２から被写体Ｏまでの距離と、被写体Ｏから光学系２０３までの距離との和を算出することが可能となる。
　本実施形態に係る撮像装置１００Ｅは、距離画像を取得する装置、特に、自動運転車両に搭載される撮像装置として利用できる。また、撮像装置１００Ｅによれば、他の実施形態と同様に、透明電極にＩＴＯ膜を利用した従来の積層型イメージセンサと比較して、例えば１４００ナノメートルの長波長の光に対して高い感度を実現し得る。その結果、近赤外領域においても高い感度を得ることができる。
　（第４の実施形態）
　図１２は第４の実施形態に係る撮像装置１００Ｆの画素Ｐｘのデバイス構造を例示する模式図である。図１２において画素Ｐｘを構成する部分が破線で示されている。
　第４の実施形態に係る撮像装置１００Ｆは、アバランシェ増幅機構を備える。アバランシェ増幅機構は、後述するように単結晶半導体層２０内の例えば２つの領域４０１、４０２から構成され得る。
　光電変換層３０は、単結晶半導体層２０内の領域４０１に直接接するか、または電荷が移動することが可能な層を介して領域４０１に電気的に繋がっている。光電変換層３０内で光電変換により発生した正電荷または負電荷が、光電変換層３０から領域４０１に移動することが可能である。領域４０１は単結晶半導体から形成され、ｐ型またはｎ型の極性を有する。単結晶半導体層２０内において領域４０１は領域４０２に接している。領域４０２は、領域４０１と同様に、単結晶半導体から形成され、ｐ型またはｎ型の極性を有する。領域４０２の極性は領域４０１の極性とは相違する。
　本実施形態では、単結晶半導体層２０内において領域４０３がさらに形成され得る。領域４０３は領域４０２には接し、領域４０１には接していない。領域４０３は、領域４０１、４０２と同様に、単結晶半導体から形成され、ｐ型もしくはｎ型の極性を有する。領域４０３の極性は領域４０２の極性と同じである。ただし、領域４０３のドーパント濃度は領域４０２のドーパント濃度よりも高い。
　領域４０３は、絶縁層１０内に形成される電極４０４に電気的に接続されている。電極３５または電極４０４の少なくとも一方は、例えば、カラム信号処理回路４４、電流量測定回路（不図示）または電流発生検出回路（不図示）に電気的に接続され得る。図示されるように、必要に応じて、隣接する２つの画素Ｐｘの間の電気的な絶縁を得るために分離領域またはトレンチ４１０が配置されてもよい。
　領域４０１と領域４０２との間には電圧制御回路（不図示）により、電位差が与えられる。この電位差により発生する内部電界によって、領域４０１と領域４０２との境界近傍を通過する電荷は加速され、これにより、アバランシェ増幅を発生させることができる。すなわち、領域４０１および領域４０２はアバランシェ増幅機構として機能し得る。
　このアバランシェ増幅は、光電変換層３０で発生する電荷に起因して生じ得る。そのため、光電変換層３０で発生した電荷を増幅することができる。その結果、例えば、夜間などの暗所における微弱光の撮像を行うことが可能となる。また、アバランシェ増幅機構をいわゆるガイガーモードで動作させてもよい。つまり、通常は、電流状態を、電流が流れないオフ状態とすることができる。光電変換層３０で発生した電荷がアバランシェ増幅機構に到達すると、電流状態を、オフ状態から電流が流れるオン状態に遷移させることができる。この電流発生時刻を電流発生検出回路で検出すれば、いわゆる直接ＴＯＦセンサーとして撮像装置１００Ｆを動作させることが可能となる。
　本開示の撮像装置は、近赤外領域においても高い感度を得ることができために、その領域における撮像を必要とする、マシンビジョン、自動運転等の屋外監視、または医療などの用途に利用すること可能である。
１０　　　：絶縁層
１１、１２　　　：配線
２０　　　：単結晶半導体層（第１単結晶半導体層）
２１Ａ、２１Ｂ　　：電荷蓄積領域
３０　　　：光電変換層
３５　　　：対向電極
４０、４０Ｃ　　　：読み出し回路
４１Ａ　　：リセットトランジスタ
４１Ｂ　　：転送トランジスタ
４１Ｃ　　：読み出しトランジスタ
４１Ｄ　　：増幅トランジスタ
４１Ｅ　　：選択トランジスタ
４３　　　：バイアス電圧制御機構
４３Ａ　　：バイアス電圧制御回路
４３Ｂ　　：バイアス電圧制御回路
４４　　　：カラム信号処理回路
５０　　　：オンチップレンズ
６０　　　：フィルター層
７０　　　：保護層
８０　　　：単結晶半導体層（第２単結晶半導体層）
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、２０４　　：撮像装置
２００　　　：距離画像取得システム
２０１　　　：光源
２０２、２０３　　　：光学系

Claims (17)

  1. 　複数の画素を備え、
    　前記複数の画素のそれぞれは、
    　　光を透過する第１単結晶半導体層と、
    　　第１電極と、
    　　前記第１単結晶半導体層に接しており、前記第１単結晶半導体層と前記第１電極との間に位置する、前記光を吸収する光電変換層と、
    を含む、撮像装置。
  2. 　前記第１単結晶半導体層および前記第１電極からなる群から選択される少なくとも１つに電気的に接続された、前記光電変換層にバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御回路をさらに備える、
    　請求項１に記載の撮像装置。
  3. 　前記複数の画素のそれぞれは、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を蓄積する電荷蓄領域を含む、
    　請求項１または２に記載の撮像装置。
  4. 　前記複数の画素のそれぞれは、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷蓄領域に蓄積される前記電荷を読み出す読み出し回路を含む、
    　請求項３に記載の撮像装置。
  5. 　前記複数の画素のそれぞれは、
    　　第２単結晶半導体層と、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を蓄積する電荷蓄領域と、を含み、
    　前記第１電極は、前記第１単結晶半導体層と前記第２単結晶半導体層との間に位置する、
    　請求項１または２に記載の撮像装置。
  6. 　前記複数の画素のそれぞれは、前記第２単結晶半導体層内に位置し、前記電荷蓄領域に蓄積される前記電荷を読み出す読み出し回路を含む、
    　請求項５に記載の撮像装置。
  7. 　前記複数の画素のそれぞれは、
    　　オンチップレンズと、
    　　前記オンチップレンズと前記第１単結晶半導体層との間に位置し、特定の波長範囲の光を選択的に透過するフィルター層と、
    を含む、
    　請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。
  8. 　前記フィルター層は、前記特定の波長範囲に透過域を有し、前記特定の波長範囲よりも短い波長範囲に遮断域を有するフィルター特性を有する、
    　請求項７に記載の撮像装置。
  9. 　前記フィルター層は、前記特定の波長範囲に透過域を有し、前記特定の波長範囲よりも短い波長範囲に第１の遮断域を有し、前記特定の波長範囲よりも長い波長範囲に第２の遮断域を有するフィルター特性を有する、
    　請求項７に記載の撮像装置。
  10. 　前記フィルター層は、前記第１単結晶半導体層が高い吸収係数を有する波長範囲に遮断域を有するフィルター特性を有する、
    　請求項７に記載の撮像装置。
  11. 　前記第１単結晶半導体層はシリコンから形成されており、
    　前記光電変換層は１１００ナノメートル以上の波長を有する光を吸収する、
    　請求項１から１０のいずれかに記載の撮像装置。
  12. 　前記光電変換層は、有機半導体、半導体型カーボンナノチューブおよび半導体量子ドットからなる群から選択される材料から形成されている、
    　請求項１から１１のいずれかに記載の撮像装置。
  13. 　前記複数の画素のそれぞれは、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を収集する電荷収集領域と、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷収集領域とは異なり、前記電荷を蓄積する第１電荷蓄積領域と、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記電荷収集領域とは異なり、前記電荷を蓄積する第２電荷蓄積領域と、
    　　前記第１電荷蓄積領域から電気的に絶縁された第２電極と、
    　　前記第２電荷蓄積領域から電気的に絶縁された第３電極と、
    　　前記電荷収集領域と前記第１電荷蓄積領域との間に位置する第１チャネル領域と、
    　　前記電荷収集領域と前記第２電荷蓄積領域との間に位置する第２チャネル領域と、
    を含む、
    　請求項１または２に記載の撮像装置。
  14. 　前記第２電極に印加する電圧を制御することによって、前記電荷収集領域から前記第１電荷蓄積領域への前記第１チャネル領域における前記電荷の移動が制御され、
    　前記第３電極に印加する電圧を制御することによって、前記電荷収集領域から前記第２電荷蓄積領域への前記第２チャネル領域における前記電荷の移動が制御される、
    　請求項１３に記載の撮像装置。
  15. 　アバランシェ増幅を発生させることが可能なアバランシェ増幅機構をさらに備える、
    　請求項１または２に記載の撮像装置。
  16. 　前記アバランシェ増幅機構は、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記光電変換層で生成される電荷を収集する第１領域と、
    　　前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記第１領域に接する第２領域と、を含み、
    　前記第１領域の極性は前記第２領域の極性とは異なる、
    　請求項１５に記載の撮像装置。
  17. 　前記アバランシェ増幅機構は、前記第１単結晶半導体層内に位置し、前記第２領域に接する第３領域をさらに含み、
    　前記第３領域の極性は前記第２領域の極性と同じであり、
    　前記第３領域のドーパント濃度は前記第２領域のドーパント濃度よりも高い、
    　請求項１６に記載の撮像装置。
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