光電変換装置、イメージセンサ及びイメージングシステム
【課題】プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供する。
【解決手段】フォトダイオード１と、カソード端子がフォトダイオード１のカソード端子と接続されたフォトダイオード１’と、フォトダイオード１とフォトダイオード１’との間に挿入された電荷蓄積用容量３と、電荷蓄積用容量３とフォトダイオード１’との間に挿入された電荷蓄積用容量３’と、一方の入力端子がフォトダイオード１と電荷蓄積用容量３との間に接続され、他方の入力端子がフォトダイオード１’と電荷蓄積用容量３’との間に接続された差動増幅回路６とを備える。
【解決手段】フォトダイオード１と、カソード端子がフォトダイオード１のカソード端子と接続されたフォトダイオード１’と、フォトダイオード１とフォトダイオード１’との間に挿入された電荷蓄積用容量３と、電荷蓄積用容量３とフォトダイオード１’との間に挿入された電荷蓄積用容量３’と、一方の入力端子がフォトダイオード１と電荷蓄積用容量３との間に接続され、他方の入力端子がフォトダイオード１’と電荷蓄積用容量３’との間に接続された差動増幅回路６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、イメージセンサ及びイメージングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ検査用途、医療検査用途、食品分析用途、環境モニター用途を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の需要が高まりつつあり、活発な開発が進められている（例えば、非特許文献１、２、及び特許文献１−３を参照）。
【０００３】
これらの技術においては、ＴＨｚ電磁波源より発せられた周波数０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を被検査物に照射し、その透過または反射波に、該被検査物の特性の空間分布情報を変調量として担わせ、これを受信することにより被検査物の特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。
【０００４】
初期には、被検査物の２次元情報を得る方法として、非特許文献２に記載されているように、照射ＴＨｚ電磁波ビームをレンズによって該被検査物の一部に集束し、該被検査物を走査し、変調されたＴＨｚ電磁波を高々一次元情報のみ受信可能な受信器によって逐次受信し、２次元情報を構成するという方法が取られた。
【０００５】
しかし、この方法では２次元情報の全データを採取するために数時間という長時間を要し、実時間で検査を終了させることが要求される検査装置としては非実用的である。
【０００６】
この欠点を補うための、図１９に示す装置が非特許文献３に開示されている。
図１９において、光源１７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ１７０２によりＰ偏光はポンプ光１７０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光１７０４として分離される。
【０００７】
ポンプ光１７０３は光学遅延線１７０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター１７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波１７０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波１７０７は極めてコリメート性が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波１７０７の進行方向に垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物１７０８に照射される。
【０００８】
被測定物１７０８を通過したＴＨｚ電磁波１７０７は被測定物の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ１７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器１７１３内に結像する。
【０００９】
プローブ光１７０４はミラー１７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ１７１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１７１２に入射し、シリコンミラー１７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波１７０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【００１０】
重畳されたプローブ光１７０４とＴＨｚ電磁波１７０７とは、電気光学変調器１７１３に入射する。
【００１１】
電気光学変調器１７１３は、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる。
【００１２】
電気光学変調器１７１３の後段には、位相板１７１４、プローブ光１７０４に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過する偏光板１７１５、及び偏光板１７１５からの透過光を受光する一画素あたり１つのフォトダイオードを有する２次元ＣＭＯＳイメージセンサ１７１６がこの順に配置される。
【００１３】
偏光板１７１５の透過光が、ＣＭＯＳイメージセンサ１７１６を飽和させない程度の強度になるよう、位相板１７１４は、位相板１７１４を通過後のプローブ光１７０４の偏波面が、所定の基準条件の下で、偏光板１７１５の透過偏波面に直交する方向から２〜３°程度の偏角を成すように設定される。
【００１４】
この基準条件とは、例えば、ＴＨｚ電磁波１７０７がプローブ光１７０４の各パルスと同時に電気光学変調器１７１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合を表す。この基準条件において、プローブ光１７０４は、上記偏角に応じて抑制された強度で偏光板１７１５を透過し、イメージセンサ１７１６に入射する。
【００１５】
このように、プローブ光を直線偏波で用いると共にその偏波面を制御することによって偏光板を透過する光量を抑制することを、以下ではプローブ光の位相バイアスを抑制すると言う。
【００１６】
このとき、ＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に電気光学変調器１７１３に入射する場合、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、非同期の場合と比べて、電気光学変調器１７１３によってプローブ光１７０４に与えられる偏角が０．０２°程度変動する。
【００１７】
この偏波面の角度に関する１％程度の変調に応じて、偏光板１７１５によってプローブ光１７０４は強度変調される。
【００１８】
同期回路１７１７は、光源１７０１のパルス発生タイミングと同期して、例えばＴＨｚ電磁波エミッター１７０６によるＴＨｚ電磁波の発生を許可又は抑止することによって、連続する２つのプローブ光パルスにそれぞれＴＨｚ電磁波によって変調された情報、及び未変調の情報を担わせる。
【００１９】
画像処理回路１７１８は、これらの２つのプローブ光パルスからイメージセンサ１７１６によって得られた２つの画像を取り込み、両画像間の差分をとることによって被測定物１７０８のＴＨｚ電磁波に対する透過特性に応じた画像を生成する。
【特許文献１】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０４号公報
【特許文献３】特開２００５−３７２１３号公報
【非特許文献１】Ｋｉｙｏｍｉ Ｓａｋａｉ ｅｄ．， “Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ， ２００５．
【非特許文献２】Ｂ． Ｂ． Ｈｕ ａｎｄ Ｍ． Ｃ． Ｎｕｓｓ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．２０， ｐ．１７１６， （１９９５）．
【非特許文献３】Ｆ． Ｍｉｙａｍａｒｕ， Ｔ． Ｙｏｎｅｒａ， Ｍ． Ｔａｎｉ ａｎｄ Ｍ． Ｈａｎｇｙｏ， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．４３， ｐ．Ｌ４８９−Ｌ４９１， （２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、上記の従来の技術においては、次の２つの課題が生じる。
第１の課題は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの飽和を回避すべく、プローブ光の位相バイアスを抑制するために、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上が困難になることである。
【００２１】
図２０は、偏光フィルタの特性を説明する図であり、プローブ光の偏波面に関する角度に対するプローブ光の透過強度の特性を概念的に示している。プローブ光の位相バイアスを抑制することで、図２０のＡの部分の特性が用いられることになる。そのために大きな変調量が得られず、Ｓ／Ｎ比の向上が困難になる。
【００２２】
ＴＨｚ電磁波源として、再生アンプ付きの高出力短パルスレーザを用いた場合、発生したＴＨｚ電磁波によってプローブ光に１０％程度の変調を与えることができる（図２０のＢの部分の特性）。ただし、その場合には、飽和を回避するための対策が不可欠である。しかし、例えばＮＤフィルタでプローブ光の強度を低下させただけでは、信号の絶対値と共に変調量も低下してしまい、Ｓ／Ｎ比は改善されない。
【００２３】
理想的なＳ／Ｎ比を得るために、未変調時に偏光フィルタに入射するプローブ光を円偏光とし、互いに直行する等量の偏光成分に、変調による偏波面の回転に関する情報をロスなく持たせることが好ましい。しかし、それでは、前述した飽和の問題を解決することができない。
【００２４】
すなわち、図２１に示した一般的なイメージセンサの画素回路によれば、フォトダイオード１８０１に過大なプローブ光が入射することになり、フォトダイオード１８０１で生じる電荷量が、容量１８０４で蓄積可能な飽和電荷量を超えてしまう。そして、リセットパルス発生回路１８０６による制御に従ってリセットトランジスタ１８０７がリセット動作を行った後、過大な光入力によって飽和量に達した電荷が、転送パルス発生回路１８０３による制御に従って転送トランジスタ１８０２を介して増幅回路１８０５に入力される。
【００２５】
このような事情から、従来、プローブ光の位相バイアスを抑制する手法が用いられ、その結果、信号の変調量を稼ぐことができずにＳ／Ｎ比が低下するという第１の課題が発生する。
【００２６】
さらに、偏光フィルタでは、プローブ光に直交する偏光成分を完全に遮断することはできず、μＷオーダーの光が透過してくることもＳ／Ｎ比を悪化させる要因に加わる。その結果、得られるＳ／Ｎ比は極めて低く１％程度にとどまる。
【００２７】
第２の課題は、従来の技術によれば、２つのプローブ光パルスからそれぞれ得られた画像間の差分をとるために、少なくとも１つの画像を一時的に記憶回路に保存する必要から、装置が複雑化することである。
【００２８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２９】
さらには、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００３０】
また、そのような光電変換装置を用いたイメージセンサ、イメージングシステムを提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために、本発明の光電変換装置は、第１フォトダイオードと、第１極性の端子が前記第１フォトダイオードの第１極性の端子と接続された第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第１容量と、前記第１容量と前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第２容量と、一方の入力端子が前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に接続され、他方の入力端子が前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に接続された差動増幅回路とを備えることを特徴とする。ここで、前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードは、同等の特性を有し、前記第１容量及び前記第２容量は、同等の特性を有し、前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられていてもよい。また、前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタであってもよいし、前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタであってもよい。
【００３２】
光電変換装置は、偏波面の方向や波長について変調されたプローブ光の変調量の検出に用いられ、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードに形成された２つのフィルタは、所定の基準状態、例えば変調量が０である場合、つまりプローブ光が変調されていない状態において、各々のフォトダイオードに入射するプローブ光の光量が等しくなるように設定される。プローブ光の偏波面の方向や波長を変調するためには、従来知られている電気光学変調素子を用いることができる。
【００３３】
この構成によれば、未変調光には円偏光となるプローブ光を２つのフォトダイオードに入射し、フォトダイオードに等量の電流を発生させ、第１容量及び第２容量のそれぞれの対向電極に等量の電流を流入させることによって、出力を抑止する。そして、変調時には、フィルタ特性の違いによって変調量に応じた受光量の差をそれぞれのフォトダイオードについて生ぜしめ、この差に相当する電流を第１容量及び第２容量にそれぞれ流して電荷を蓄積させ、蓄積電荷量の差に応じた電圧信号を検出することが可能となる。従って、未変調光が入射した場合では２つのフォトダイオードで発生する電流は信号に寄与することは無く、出力信号も飽和することはなく、変調光が入射した場合のみ変調光に起因する信号を検出することが可能となる。また、差動増幅回路により蓄積電荷量の差に応じた電圧信号を所定の利得で増幅することが可能となり、得られる画像の高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００３４】
これにより、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることなく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置が得られる。
【００３５】
ここで、前記第１フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第１領域及び第２導電型の第２領域から構成され、前記第２フォトダイオードは、前記半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第３領域及び第２導電型の第４領域から構成され、前記第１領域及び第３領域の形状は等しく、前記第２領域及び第４領域の形状は等しく、前記第１領域及び第２領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第１電極と接続され、前記第３領域及び第４領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第２電極と接続されてもよい。
【００３６】
この構成によれば、光電変換装置をより対称性の高い構成とすることが可能となり、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板に形成することが可能になる。
【００３７】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれＰＮ接合の接合容量であり、前記第１電極は、前記第１容量の第２導電型の電極であり、前記第２電極は、前記第２容量の第２導電型の電極であってもよい。
【００３８】
この構成によれば、第１容量及び第２容量の２つの容量は、それぞれ第１電極及び第２電極と半導体基板との間のＰＮ接合による接合容量となる。従って、第１電極、第２電極及び半導体基板の不純物濃度を低くすることで２つの容量の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００３９】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれショットキー接合の接合容量であり、前記第１電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第１容量の電極であり、前記第２電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第２容量の電極であってもよい。
【００４０】
この構成によれば、２つの容量は、それぞれ第１電極及び第２電極と半導体基板との間のショットキー接合による接合容量となる。従って、第１電極、第２電極及び半導体基板の不純物濃度を低くすること、又は第１電極及び第２電極と半導体基板とのショットキー接合高さを高めることによって２つの容量の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００４１】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれ誘電体を導電体で挟んだ構造であってもよい。
【００４２】
この構成によれば、誘電体膜の膜厚と誘電率とを制御することによって半導体基板を改質するだけでは実現できない、高いダイナミックレンジを有する容量を確実に半導体基板上に形成することが可能となる。
【００４３】
また、前記第１容量の誘電体の膜厚と前記第２容量の誘電体の膜厚とは等しくてもよい。
【００４４】
この構成によれば、２つの容量は同一のものとなり、２つのフォトダイオードで等量の光電流が発生した場合には確実に等量の電荷が各々の容量に蓄積される。従って、未変調光が入射した場合には信号出力を抑止するという所望の特性を確実に実現することができる。
【００４５】
また、前記光電変換装置は、さらに、前記第１容量と前記第２容量との間に挿入され、前記第１容量及び第２容量の電荷を排出する排出スイッチを備えてもよい。
【００４６】
この構成によれば、２つの容量の蓄積電荷をキャンセル、すなわちリセット動作することが可能となる。
【００４７】
また、前記排出スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであり、前記ＭＯＳＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有してもよい。
【００４８】
この構成によれば、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層厚を制御することができる。従って、ゲート電極両側に位置する２つの容量の大きさを外部電圧によって制御し、蓄積電荷量に応じて電圧信号の大きさを変えることが可能となる。さらに、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下にチャネルを形成することができる。従って、２つの容量を電気的に短絡、すなわち、リセット動作することが可能となる。
【００４９】
また、前記排出スイッチは、接合型ＦＥＴであり、前記接合型ＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板表面に形成された第２導電型のゲート電極を有してもよい。
【００５０】
この構成によれば、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層厚を制御することができる。従って、ゲート電極両側に位置する容量の大きさを外部電圧によって制御し、蓄積電荷量に応じて電圧信号の大きさを変えることが可能となる。さらに、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下に空乏層幅を薄くすることができる。従って、２つの容量を電気的に短絡、すなわち、リセット動作することが可能となる。
【００５１】
また、前記光電変換装置は、さらに、前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に挿入された第１転送スイッチと、前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に挿入された第２転送スイッチとを備えてもよい。
【００５２】
この構成によれば、フォトダイオードと接続される容量との電気的接続状態を独立に制御することが可能となる。特に、入射光量が大きくフォトダイオード容量を超える光電流が発生した場合には、第１転送スイッチ及び第２転送スイッチによってフォトダイオードを容量に電気的に短絡することによって、電荷を常時容量に蓄積し続けることが可能となり、信号飽和は発生しない。一方、入射光量が少ない場合には、フォトダイオードを容量から電気的に遮断し、電荷をフォトダイオードに蓄積させ、電荷読み出し時に第１転送スイッチ及び第２転送スイッチによって容量に転送することが可能である。
【００５３】
また、本発明は、２次元に配置され、それぞれに上記光電変換装置を有した複数の画素回路と、それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備えることを特徴とするイメージセンサとすることもできる。
【００５４】
この構成によれば、２つのフォトダイオードで発生した光電流の差分をイメージ情報として取り出すことが可能となる。
【００５５】
また、本発明は、上記光電変換装置の駆動方法であって、前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が広げられるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷の差に応じた電圧を前記差動増幅回路から読み出すことを特徴とする光電変換装置の駆動方法とすることもできる。
【００５６】
この構成によれば、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層を拡げて容量の大きさを低減した状態で、２つの容量の蓄積電荷の差に応じた電圧信号が出力される。従って、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００５７】
また、本発明は、上記光電変換装置の駆動方法であって、前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が狭められるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷を排出させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法とすることもできる。
【００５８】
この構成によれば、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層を狭めて容量の蓄積電荷を排出する。従って、独立したリセット用ゲートを設けることなく容量のリセット動作を行うことが可能となり、デバイス面積の増大を抑制することが可能となる。
【００５９】
また、本発明は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を発生する電磁波源と、プローブ光を発生する光源と、被写体を透過又は反射した後の前記ＴＨｚ電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、前記重畳されたＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、前記変調後のプローブ光を撮像する上記イメージセンサとを備えることを特徴とするイメージングシステムとすることもできる。
【００６０】
この構成によれば、高速動作可能でかつ高いＳ／Ｎ比を有するＴＨｚイメージングシステムを実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００６１】
本発明の光電変換装置によれば、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差を出力信号に増幅できるので、入射光をその特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過するフィルタをそれぞれのフォトダイオードに設ければ、入射光が特定の物理量に関してどの程度変調されているかを、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差として検出することができる。
【００６２】
例えば、特定の物理量が偏波面の方向であれば、フィルタは偏光フィルタであり、特定の物理量が波長であれば、フィルタは波長フィルタである。
【００６３】
このとき、出力信号は入射光の光量の差に基づくので、入射光の光量そのものが大きくても回路は飽和しない。従って、回路の飽和を防ぐために従来行われている入射光の位相バイアスを抑制するのをやめて、高いＳ／Ｎ比で入射光の変調量を検出することが可能になる。しかも、その検出は、変調された入射光を一回受光するだけで行うことができる。
【００６４】
この効果は、本発明の光電変換装置をイメージセンサ、及びイメージングシステムに適用した場合に、特に顕著である。一回の撮影で、入射光の変調量に反映された対象物の特性を画像化できることから、装置の簡素化、及び実時間での撮像が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００６６】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００６７】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１、１’の同一極性（Ｐ側）端子は各々接地され、もう一方の端子は各々ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の転送スイッチ２、２’を介して特性の等しい電荷蓄積用容量３、３’に接続されている。すなわち、２つのフォトダイオード１、１’は極性を反転して直列に接続され、フォトダイオード１のカソード端子とフォトダイオード１’のカソード端子とが接続されている。電荷蓄積用容量３は２つのフォトダイオード１、１’の間に挿入され、電荷蓄積用容量３’は電荷蓄積用容量３とフォトダイオード１’との間に挿入されている。転送スイッチ２、２’は制御回路４に従い、制御回路４はフォトダイオード１、１’に蓄積された電荷を各々電荷蓄積用容量３、３’に転送する制御信号を発生する。フォトダイオード１と電荷蓄積用容量３との間の電荷蓄積用容量３のフォトダイオード側の容量端子５は、差動増幅回路６の一方の端子に接続されている。フォトダイオード１’と電荷蓄積用容量３’との間の電荷蓄積用容量３’のフォトダイオード側の容量端子５’は、差動増幅回路６の他方の端子に接続されている。差動増幅回路６は、容量端子５、５’の両端子間電圧を増幅する。また、ＭＯＳ型ＦＥＴ等のスイッチ７、７’は、各々電荷蓄積用容量３、３’をリセット信号発生回路８の出力信号に従い排出させるスイッチである。
【００６８】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’に等しい強度の光が入射した場合、等量の光電流が発生し、各々電荷蓄積用容量３、３’を逆極性で充電する。電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量は等しいため、容量端子５、５’間には電圧は発生しない。一方、フォトダイオード１、１’に入射する光強度が異なる場合、両フォトダイオード１、１’に発生する光電流量は異なる。従って、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量は異なり、かつ電荷蓄積用容量３、３’は逆極性に充電されているため、容量端子５、５’間に蓄積電荷量の差に相当する電圧が発生する。この電圧は、差動増幅回路６によって増幅され、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量の差すなわちフォトダイオード１、１’への入射光強度差に比例した信号が差動増幅回路６から出力される。
【００６９】
ここで、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’、スイッチ７、７’及び電荷蓄積用容量３、３’を、光電変換部１１と総称する。なお、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれ本発明の第１容量及び第２容量の一例である。また、転送スイッチ２、２’は、それぞれ本発明の第１転送スイッチ及び第２転送スイッチの一例である。
【００７０】
図２は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【００７１】
フォトダイオード１、１’には、１ｋＨｚのプローブ光パルスが入射し、その光量に応じてパルス電流が流れる。Ａの期間はフォトダイオード１、１’に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１への入射光量がフォトダイオード１’への入射光量よりも多い場合である。Ｂの期間において、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量の差に相当する電圧が容量端子５、５’間の電圧として発生する。
【００７２】
図３は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１’を通る断面を模式的に示したものである。
【００７３】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に接して形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成すると共に、各々半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、ＰＮ接合の接合容量である電荷蓄積用容量３、３’を形成する。Ｎ+電極３０４は、Ｐ層３０１及びＮ層３０２とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。Ｎ+電極３０４’は、Ｎ+電極３０４とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【００７４】
ここで、Ｐ層３０１とＰ層３０１’、Ｎ層３０２とＮ層３０２’、Ｎ+電極３０４とＮ+電極３０４’、転送ゲート３０３と転送ゲート３０３’は、それぞれ同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。
【００７５】
なお、Ｐ層３０１及びＮ層３０２は、それぞれ本発明の第１領域及び第２領域の一例である。また、Ｐ層３０１’及びＮ層３０２’は、それぞれ本発明の第３領域及び第４領域の一例である。さらに、Ｎ+電極３０４は、本発明の第１電極の一例であり、Ｎ+電極３０４’は、本発明の第２電極の一例である。
【００７６】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【００７７】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【００７８】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。すなわち、フォトダイオード１、１’上方には、それぞれ入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過する偏光フィルタ３０９、３０９’が形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【００７９】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【００８０】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【００８１】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれＮ+電極３０４、３０４’と半導体基板３００との間のＰＮ接合による接合容量となる。従って、Ｎ+電極３０４、３０４’及び半導体基板３００の不純物濃度を低くすることで電荷蓄積用容量３、３’の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００８２】
また、転送スイッチ２、２’により、フォトダイオード１、１’と接続される電荷蓄積用容量３、３’との電気的接続状態を独立に制御することが可能となる。特に、入射光量が大きくフォトダイオード１、１’の容量を超える光電流が発生した場合には、転送スイッチ２、２’によってフォトダイオード１、１’を電荷蓄積用容量３、３’に電気的に短絡することによって、電荷を常時電荷蓄積用容量３、３’に蓄積し続けることが可能となり、信号飽和は発生しない。一方、入射光量が少ない場合には、フォトダイオード１、１’を電荷蓄積用容量３、３’から電気的に遮断し、電荷をフォトダイオード１、１’に蓄積させ、電荷読み出し時に転送スイッチ２、２’によって電荷蓄積用容量３、３’に転送することが可能である。
【００８３】
図４は、本実施の形態における光電変換装置の、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’及び電荷蓄積用容量３、３’を含む光電変換部１１を装置上方から見たレイアウトを模式的に示したものである。
【００８４】
フォトダイオード１、１’のＮ層３０２、３０２’は、その全面が各々Ｐ層３０１、３０１’で覆われている。フォトダイオード１、１’で発生した電荷は、転送ゲート３０３、３０３’によって制御回路４からの出力に従って各々電荷蓄積用容量３、３’を構成するＮ+電極３０４、３０４’に転送される。さらに、Ｎ+電極３０４、３０４’の端子間電圧は各々配線４０５、４０５’によって差動増幅回路６に入力される。さらに各Ｎ+電極３０４、３０４’に隣接してスイッチ７、７’のゲートを構成するリセットゲート４０７、４０７’が配置され、リセット信号発生回路８の出力に従い、蓄積電荷を差動増幅回路６に読み出した後に排出する。
【００８５】
図５は、前述した光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【００８６】
光源５０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ５０２によりＰ偏光はポンプ光５０３として、Ｓ偏光はプローブ光５０４として分離される。ポンプ光５０３は光学遅延線５０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター５０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波５０７が発生される。
【００８７】
プローブ光５０４はミラー５０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー５０９に入射し、シリコンミラー５０９を透過したＴＨｚ電磁波５０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器５１０に入射する。電気光学変調器５１０の後段には１／４波長板５１１と、イメージセンサ５１２とがこの順に配置された構成となっている。
【００８８】
イメージセンサ５１２は、後に詳述するように、２次元に配置され、それぞれに前述した光電変換装置を有した複数の画素と、各々の画素の前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える。
【００８９】
１／４波長板５１１はその後段において、ＴＨｚ電磁波５０７がプローブ光５０４の各パルスと同時に電気光学変調器５１０に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスが非同期の場合にはプローブ光５０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ５１２には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各フォトダイオード１、１’には等量の電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷は蓄積されない。
【００９０】
他方、電気光学変調器５１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、ＴＨｚ電磁波５０７の電界に応じてプローブ光５０４の特定の物理量が変調され、電気光学変調器５１０に透過後のプローブ光５０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波５０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板５１１透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。
【００９１】
従って、プローブ光５０４を撮像するイメージセンサ５１２内部の２つのフォトダイオード１、１’に入射する光強度も異なり、異なった量の光電流が発生するため、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。その結果、課題であるフォトダイオード１、１’を飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。さらに本実施の形態の光電変換装置の構成では従来の光電変換装置の構成で必要であった、バルクの偏光ビームスプリッタ、又は偏光プリズムが必要なく、かつ、光電変換装置には２つのフォトダイオード１、１’が集積化されているため、光学系が簡略化されるという利点を有する。
【００９２】
図６は、イメージセンサ５１２の機能的な構成の一例を示すブロック図である。イメージセンサ５１２は、それぞれに前述した光電変換装置を含む複数の画素回路を２次元に配列し、垂直走査回路６０１及び水平走査回路６０２を配置することによって実現される。
【００９３】
垂直走査回路６０１は、図１に示される制御回路４、及びリセット信号発生回路８を含み、これらの回路から出力される制御信号に加えて、行選択信号を、行データ選択線６０３を介して、行ごとに画素回路に供給する。
【００９４】
各々の画素回路は、図１に示される光電変換装置の光電変換部１１及び差動増幅回路６に加えて、画素回路の出力信号を読み出す読み出し回路を備える。すなわち、スイッチ６１０を備えると共に、制御回路４及びリセット信号発生回路８からのそれぞれの制御信号、及び行選択信号を受け取る端子６０７、６０９及び６０６を備える。
【００９５】
行選択信号に従ってスイッチ６１０を閉じることによって、画素回路の出力信号が列データ読み出し線６０４へ出力される。
【００９６】
水平走査回路６０２は、選択された行の画素回路からの出力信号を、列データ読み出し線６０４を介して、画素毎に順次読み出す。
【００９７】
なお、本イメージセンサはＴＨｚイメージングシステムへの適用を前提として、各画素の光電変換部１１に含まれるフォトダイオード１、１’上には、前述したオンチップレンズ３０７、３０７’及び偏光フィルタ３０９、３０９’が設けられる。
【００９８】
以上説明したように、本実施の形態のイメージセンサ５１２においては一画面データ読み出し時間に相当する一定の信号電荷蓄積時間が存在する。この電荷蓄積時間内に各画素回路において、図２のタイミングチャートで説明される動作が行われることによってフォトダイオード１、１’に入射する光量の差に応じた電荷が電荷蓄積用容量３、３’に蓄積され、読み出される。
【００９９】
従って、毎画面で各画素回路における２つのフォトダイオード１、１’への入射光量差が検出され、外部の画像再生回路によって２次元画像として再生される。
【０１００】
図７は、前述したＴＨｚイメージングシステムの変形例を模式的に示す図である。
光源７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ７０２によりＰ偏光はポンプ光７０３として、Ｓ偏光はプローブ光７０４として分離される。ポンプ光７０３は光学遅延線７０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波７０７が発生される。
【０１０１】
このようにして発生されたＴＨｚ電磁波７０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波７０７に対して２次元的な透過特性分布を有する被測定物７０８に照射される。被測定物７０８を通過したＴＨｚ電磁波７０７は被測定物７０８の２次元透過特性分布に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３内に結像する。
【０１０２】
プローブ光７０４はミラー７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ７１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー７１２に入射し、シリコンミラー７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波７０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３に入射する。
【０１０３】
電気光学変調器７１３の後段には１／４波長板７１４とイメージセンサ７１５とがこの順に配置された構成となっている。イメージセンサ７１５は、前述したイメージセンサ５１２と同等である。
【０１０４】
１／４波長板７１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波７０７がプローブ光７０４の各パルスと同時に電気光学変調器７１３に入射しない場合すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスが非同期の場合にはプローブ光７０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ７１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各画素のフォトダイオード１、１’対には等量の光電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷は蓄積されない。
【０１０５】
他方、電気光学変調器７１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器７１３に透過後のプローブ光７０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波７０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板７１４透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。
【０１０６】
従って、プローブ光７０４を撮像するイメージセンサ７１５内部の各画素のフォトダイオード１、１’対に入射する光強度も異なり、異なった量の光電流が発生するため、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。
【０１０７】
以上の原理で検出出力された２次元信号は画像再生装置７１６によって映像情報としてモニターに出力される。従って、課題であるプローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることなく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、フォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波イメージングを行うことが可能である。
【０１０８】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１０９】
図８は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１１０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成すると共に、半導体基板３００とショットキー接続し、ショットキー接合の接合容量である電荷蓄積容量３、３’を形成する。ニッケルシリサイド電極８０４は、Ｐ層３０１及びＮ層３０２とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。ニッケルシリサイド電極８０４’は、ニッケルシリサイド電極８０４とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びニッケルシリサイド電極８０４、８０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。ここで、ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’は、電極領域に２００オングストロームのＮｉを堆積後、３５０℃でアニールすることにより形成される。
【０１１１】
ここで、ニッケルシリサイド電極８０４とニッケルシリサイド電極８０４’とは、同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。なお、ニッケルシリサイド電極８０４は、本発明の第１電極の一例であり、ニッケルシリサイド電極８０４’は、本発明の第２電極の一例である。
【０１１２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１１３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１１４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【０１１５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成される。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１１６】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１１７】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれニッケルシリサイド電極８０４、８０４’と半導体基板３００との間のショットキー接合による接合容量となる。従って、ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’及び半導体基板３００の不純物濃度を低くすること、又はニッケルシリサイド電極８０４、８０４’と半導体基板３００とのショットキー接合高さを高めることによって電荷蓄積用容量３、３’の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【０１１８】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１１９】
図９は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１２０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２よりなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’上には、ビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物よりなる高誘電率膜９０２、９０２’が１００ｎｍ堆積され、さらに高誘電率膜９０２、９０２’表面はＴｉＮからなる上部電極９０３で被覆される。上部電極９０３と、高誘電率膜９０２、９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１、９０１’は、誘電体を導電体で挟んだ構造の電荷蓄積容量３、３’を構成する。ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’、上部電極９０３及び高誘電率膜９０２、９０２’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１２１】
ここで、ニッケルシリサイド電極９０１とニッケルシリサイド電極９０１’、高誘電率膜９０２と高誘電率膜９０２’は、それぞれ同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。例えば、高誘電率膜９０２の膜厚と高誘電率膜９０２’の膜厚とは等しい。
【０１２２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１２３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１２４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【０１２５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１００周期分配置された格子を構成することによって形成される。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１２６】
本光電変換装置において、上部電極９０３、高誘電率膜９０２及びニッケルシリサイド電極９０１よりなる電荷蓄積容量３と、上部電極９０３、高誘電率膜９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１’よりなる電荷蓄積容量３’とは、面積、誘電体膜厚とも等しく、これらに接続されるフォトダイオード１、１’も同一の特性を有するため、光電変換装置は上部電極９０３に対して電気的に対称な構成となる。従って、２個のフォトダイオード１、１’に等量の光電流が流れる際には、電圧は容量端子５、５’間には発生しない。一方、２個のフォトダイオード１、１’に流れる光電流が異なる場合には、ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’間に正味の電荷が蓄積され、容量端子５、５’間に電圧が発生する。
【０１２７】
また、電荷蓄積用容量３、３’に高誘電体材料であるビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物が用いられる。従って、多量の電荷を低電圧で電荷蓄積用容量３、３’に蓄積することが可能であり、バックグラウンド光量が高い場合に特に有利である。
【０１２８】
また、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は上部電極９０３に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１２９】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、上部電極９０３、高誘電率膜９０２、９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１、９０１’よりなる。従って、高誘電率膜９０２、９０２’の膜厚と誘電率とを制御することによって半導体基板３００を改質するだけでは実現できない、高いダイナミックレンジを有する電荷蓄積用容量３、３’を確実に半導体基板３００上に形成することが可能となる。
【０１３０】
また、高誘電率膜９０２の膜厚と高誘電率膜９０２’の膜厚とは等しい。従って、２つの電荷蓄積用容量３、３’は同一のものとなり、２つのフォトダイオード１、１’で等量の光電流が発生した場合には確実に等量の電荷が各々の電荷蓄積用容量３、３’に蓄積される。従って、未変調光が入射した場合には信号出力を抑止するという所望の特性を確実に実現することができる。
【０１３１】
（第４の実施の形態）
図１０は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【０１３２】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１、１’の同一極性（Ｐ側）端子は各々接地され、もう一方の端子は各々転送スイッチ２、２’を介して電荷蓄積用容量３、３’に接続されている。転送スイッチ２、２’は制御回路４に従い、制御回路４はフォトダイオード１、１’に蓄積された電荷を各々電荷蓄積用容量３、３’に転送する制御信号を発生する。電荷蓄積用容量３、３’のフォトダイオード側の容量端子５、５’は両端子間電圧を増幅する差動増幅回路６に接続されている。また、接合型ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ１７は、電荷蓄積用容量３、３’の間に挿入され、リセット制御回路１９の出力信号に従い電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷を同時に排出させるスイッチである。
【０１３３】
ここで、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’、スイッチ１７及び電荷蓄積用容量３、３’を、光電変換部１１と総称する。なお、スイッチ１７は、本発明の排出スイッチの一例である。
【０１３４】
図１１は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【０１３５】
Ａの期間はフォトダイオード１、１’に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１、１’に異なる光量が入射し異なる光電流が流れた場合である。Ｂの期間において、両フォトダイオード１、１’に発生する光電流が異なり、従って電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量も異なり、容量端子５、５’間に蓄積電荷量の差に相当する電圧が発生する原理は第１の実施の形態の光電変換装置と同様である。電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すＡ、Ｂの両期間の最終段階において、リセット制御回路１９の出力は単一のトランジスタから構成されるスイッチ１７に入力され、スイッチ１７を導通させた状態で、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷が同時に読み出され、動作が完了する。
【０１３６】
図１２は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１３７】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。制御ゲート電極１００１は、スイッチ１７のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、制御ゲート電極１００１、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１３８】
２つのＮ+電極３０４、３０４’の間には、半導体基板３００上に形成された絶縁膜よりなるＭＯＳ絶縁ゲートを構成する制御ゲート電極１００１が配置されている。
【０１３９】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１４０】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１４１】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。
【０１４２】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１４３】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は制御ゲート電極１００１に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１４４】
本実施の形態で示した光電変換装置は、第１の実施の形態の光電変換装置と比べ、より感度の高い電荷―電圧変換が可能である。以下にその理由を示す。
【０１４５】
図１３は、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量（ＣG）における制御ゲート電極１００１の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。なお、本特性は、制御ゲート電極１００１としてＮ+ポリシリコンを用い、半導体基板３００の不純物濃度を１×１０15ｃｍ-3とし、酸化膜の膜厚を５〜１０ｎｍに設定した場合におけるものである。
【０１４６】
制御ゲート電圧がフラットバンド電圧（ＶFB=−０．４Ｖ）よりも低くなると半導体基板３００の制御ゲート電極１００１下の空乏層が広がり、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量が極めて小さい値となる。例えば、ＶG＝−２Ｖとすれば、制御ゲート電極１００１を有さない第１の実施の形態の光電変換装置における電荷蓄積容量３、３’とほぼ同等の容量であるフラットバンド電圧印加時の容量ＣG＝２００ｆＦの約１／１０（ＣG＝２０ｆＦ）となる。従って、あらかじめＶG＝−２Ｖを制御ゲート電極１００１に印加しておき、各電荷蓄積容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すことにより、各フォトダイオード１、１’に発生する電荷量が異なる場合には、ゲートバイアスがＶG＝ＶFBの場合に比して容量端子５、５’間電圧は１０倍となる。すなわち１０倍高い感度を実現することができる。なお、フラットバンド電圧は、制御ゲート電極１００１の材料、半導体基板３００の不純物濃度、及び制御ゲート電極１００１と半導体基板３００との間の酸化膜の膜厚に依存して変化する。
【０１４７】
さらに、制御ゲート電圧をフラットバンド電圧以上の電圧（ＶG≧ＶFB）に設定することで、半導体基板３００の制御ゲート電極１００１下の反転層が形成され、空乏層が狭められてＮ+電極３０４、３０４’間の容量が短絡され、蓄積電荷が排出される。すなわち、ただ１つの制御ゲート電圧を制御することによって、信号感度を可変として高めることが可能であるばかりでなく、リセット動作も実現できるため、素子面積の大幅な低減が達成される。
【０１４８】
（第５の実施の形態）
第４の実施の形態で示した光電変換装置（図１０を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、ＭＯＳゲートではなくＰＮ接合ゲートを用いた他の構成によって実現することもできる。
【０１４９】
図１４は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１５０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。制御ゲート電極１２０１は、スイッチ１７のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、制御ゲート電極１２０１、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１５１】
２つのＮ+電極３０４、３０４’の間の半導体基板３００表面には、ＰＮ接合ゲートを構成する制御ゲート電極１２０１が配置されている。
【０１５２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１５３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１５４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。
【０１５５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１５６】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は制御ゲート電極１２０１に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１５７】
本実施の形態で示した光電変換装置は、第１の実施の形態の光電変換装置に比べ、より感度の高い電荷―電圧変換が可能である。以下にその理由を示す。
【０１５８】
図１５は、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量（ＣG）における制御ゲート電極１２０１の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【０１５９】
制御ゲート電圧が負になると制御ゲート電極１２０１下の空乏層が広がり、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量が極めて小さい値となる。例えば、ＶG＝−２Ｖとすれば、制御ゲート電極１２０１を有さない第１の実施の形態の光電変換装置における電荷蓄積容量３、３’とほぼ同等の容量である電圧無印加時の容量ＣG＝２００ｆＦの約１／１０（ＣG＝２０ｆＦ）となる。従って、あらかじめＶG＝−２Ｖを制御ゲート電極１２０１に印加しておき、各電荷蓄積容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すことにより、各フォトダイオード１、１’に発生する電荷量が異なる場合には、ゲートバイアスがＶG＝ＶFBの場合に比して容量端子５、５’間電圧は１０倍となる。すなわち１０倍高い感度を実現することができる。
【０１６０】
さらに、制御ゲート電圧を０Ｖ以上の値（ＶG≧０Ｖ）に設定することで、半導体基板３００の制御ゲート電極１２０１下に高濃度多数キャリア層が形成され、空乏層が狭められてＮ+電極３０４、３０４’間の容量が短絡され、蓄積電荷を排出させる。すなわち、ただ１つの制御ゲート電圧を制御することによって、信号感度を可変として高めることが可能であるばかりでなく、リセット動作も実現できため、素子面積の大幅な低減が達成される。
【０１６１】
（第６の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１６２】
図１６は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１６３】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１６４】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１６５】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１６６】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、波長７９０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１４０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、波長８１０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１４０９’とが形成されている。すなわち、フォトダイオード１、１’上方には、それぞれ入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性（波長透過特性）に従って透過する狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’が形成されている。
【０１６７】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１６８】
図１７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’の透過特性を示す図である。
【０１６９】
狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’ともに最大透過率は０．６、半値幅は２０ｎｍである。このような狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’は、例えば、文献Ｅ． Ｈｅｃｈｔ，“Ｏｐｔｉｃｓ”， ４ｔｈ ｅｄ．， ｐ．４２５−４３０， Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ （２００２）．に示されているような多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルタをフォトリソグラフィによって各々のフォトダイオード１、１’に別々に作製することができる。
【０１７０】
本実施の形態の光電変換装置に波長８００ｎｍの光を入射すると、狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’の透過特性は透過ピークを中心に対称であるので、透過光量は等しく、フォトダイオード１、１’に発生する光電流も等しく、従って電荷蓄積容量３、３’には正味の電荷は蓄積されず、信号出力は発生しない。
【０１７１】
一方、入射光の波長が例えば低波長側に５ｎｍシフトした場合には、狭帯域フィルタ１４０９を透過する光量が増加すると共に、狭帯域フィルタ１４０９’を透過する光量が減少し、これに従ってフォトダイオード１、１’に発生する電流が各々増減し、この差分に相当する電荷が電荷蓄積容量３、３’に正味電荷として蓄積され、この差分を増幅することで信号出力を得ることが可能となる。従って、本実施の形態の光電変換装置は入射光の波長に関する変調量を検出する波長シフトモニターとして作用する。
【０１７２】
図１８は本実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【０１７３】
光源１６０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ１６０２によりポンプ光１６０３とプローブ光１６０４とに分離される。ポンプ光１６０３は光学遅延線１６０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター１６０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波１６０７が発生される。
【０１７４】
プローブ光１６０４はミラー１６０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１６０９に入射し、シリコンミラー１６０９を透過したＴＨｚ電磁波１６０７と光軸を共有して、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜を交互に積層した超格子よりなる電気光学変調器１６１０に入射する。
【０１７５】
電気光学変調器１６１０の後段には本実施の形態で説明した光電変換装置を有し、プローブ光１６０４を撮像するイメージセンサ１６１１が配置された構成となっている。この時、電気光学変調器１６１０にＴＨｚ電磁波１６０７がプローブ光１６０４と同時に入射しない場合には、透過光の波長は変化せず、従って内部の各フォトダイオード１、１’には等量の光が入射し、発生する光電流も等量であるため、信号は検出されない。
【０１７６】
一方、電気光学変調器１６１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、ＴＨｚ電磁波１６０７の電界に応じてプローブ光１６０４の特定の物理量が変調され、電気光学変調器１６１０を透過後のプローブ光１６０４の波長はＴＨｚ電磁波１６０７と非同期の場合に比べて、長波長側に５ｎｍシフトし、フォトダイオード１’に入射する光量が増大、フォトダイオード１に入射する光量が減少するため、両フォトダイオード１、１’に異なる光電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。
【０１７７】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。
【０１７８】
なお、異なる波長フィルタをそれぞれのフォトダイオード１、１’に設けたこの構成は、上記説明したように入射光の波長に関する変調度を検出する用途とは別に、入射光から色差情報を直接に検出するために利用することもできる。
【０１７９】
さらに、それぞれのフォトダイオード１、１’に、偏光フィルタも波長フィルタも設けない構成では、２つのフォトダイオード１、１’が受光した光量差が直接に検出できることから、画像内のエッジ検出に応用することも考えられる。
【０１８０】
以上、本発明の光電変換装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明の光電変換装置は、セキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサ、医療診断装置等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】同実施の形態の光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャートである。
【図３】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図４】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部を装置上部から見たレイアウト図である。
【図５】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示す図である。
【図６】同実施の形態の光電変換装置を用いたイメージセンサの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【図７】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの変形例を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【図１１】同実施の形態の光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャートである。
【図１２】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１３】同実施の形態の光電変換装置のＮ+電極間の容量（ＣG）における制御ゲート電極の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１５】同実施の形態の光電変換装置のＮ+電極間の容量（ＣG）における制御ゲート電極の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【図１６】本発明の第６の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１７】（Ａ）狭帯域フィルタの透過特性を示す図である。（Ｂ）狭帯域フィルタの透過特性を示す図である。
【図１８】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示す図である。
【図１９】従来技術に係るＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図である。
【図２０】偏光フィルタの特性を説明する図である。
【図２１】従来技術に係る一般的なイメージセンサの画素回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１、１’、１８０１ フォトダイオード
２、２’ 転送スイッチ
３、３’ 電荷蓄積用容量
４ 制御回路
５、５’ 容量端子
６ 差動増幅回路
７、７’、１７、６１０ スイッチ
８ リセット信号発生回路
１９ リセット制御回路
３００ 半導体基板
３０１、３０１’ Ｐ層
３０２、３０２’ Ｎ層
３０３、３０３’ 転送ゲート
３０４、３０４’ Ｎ+電極
３０５ 保護層
３０６ 遮光メタル
３０７、３０７’ オンチップレンズ
３０８ 第２の保護層
３０９、３０９’ 偏光フィルタ
４０５、４０５’ 配線
４０７、４０７’ リセットゲート
５０１、７０１、１６０１、１７０１ 光源
５０２、７０２、１６０２、１７０２ 偏光ビームスプリッタ
５０３、７０３、１６０３、１７０３ ポンプ光
５０４、７０４、１６０４、１７０４ プローブ光
５０５、７０５、１６０５、１７０５ 光学遅延線
５０６、７０６、１６０６、１７０６ ＴＨｚ電磁波エミッター
５０７、７０７、１６０７、１７０７ ＴＨｚ電磁波
５０８、７１０、１６０８、１７１０ ミラー
５０９、７１２、１６０９、１７１２ シリコンミラー
５１０、７１３、１６１０、１７１３ 電気光学変調器
５１１、７１４ １／４波長板
５１２、７１５、１６１１、１７１６ イメージセンサ
６０１ 垂直走査回路
６０２ 水平走査回路
６０３ 行データ選択線
６０４ 列データ読み出し線
６０６、６０７、６０９ 端子
７０８、１７０８ 被測定物
７０９、１７０９ ポリエチレンレンズ
８０４、８０４’、９０１、９０１’ ニッケルシリサイド電極
９０２、９０２’ 高誘電率膜
９０３ 上部電極
１００１、１２０１ 制御ゲート電極
１４０９、１４０９’ 狭帯域フィルタ
７１１、１７１１ ビームエクスパンダ
１７１４ 位相板
１７１５ 偏光板
１７１７ 同期回路
１７１８ 画像処理回路
１８０２ 転送トランジスタ
１８０３ 転送パルス発生回路
１８０４ 容量
１８０５ 増幅回路
１８０６ リセットパルス発生回路
１８０７ リセットトランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置、イメージセンサ及びイメージングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ検査用途、医療検査用途、食品分析用途、環境モニター用途を目的として、ＴＨｚ帯電磁波イメージング装置の需要が高まりつつあり、活発な開発が進められている（例えば、非特許文献１、２、及び特許文献１−３を参照）。
【０００３】
これらの技術においては、ＴＨｚ電磁波源より発せられた周波数０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を被検査物に照射し、その透過または反射波に、該被検査物の特性の空間分布情報を変調量として担わせ、これを受信することにより被検査物の特性の空間分布情報を２次元画像として構成する。
【０００４】
初期には、被検査物の２次元情報を得る方法として、非特許文献２に記載されているように、照射ＴＨｚ電磁波ビームをレンズによって該被検査物の一部に集束し、該被検査物を走査し、変調されたＴＨｚ電磁波を高々一次元情報のみ受信可能な受信器によって逐次受信し、２次元情報を構成するという方法が取られた。
【０００５】
しかし、この方法では２次元情報の全データを採取するために数時間という長時間を要し、実時間で検査を終了させることが要求される検査装置としては非実用的である。
【０００６】
この欠点を補うための、図１９に示す装置が非特許文献３に開示されている。
図１９において、光源１７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ１７０２によりＰ偏光はポンプ光１７０３として分離され、Ｓ偏光はプローブ光１７０４として分離される。
【０００７】
ポンプ光１７０３は光学遅延線１７０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター１７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波１７０７が発生される。このようにして発生されたＴＨｚ電磁波１７０７は極めてコリメート性が高く幅の広いビームであり、ＴＨｚ電磁波１７０７の進行方向に垂直な面において２次元的な透過分布を有する被測定物１７０８に照射される。
【０００８】
被測定物１７０８を通過したＴＨｚ電磁波１７０７は被測定物の２次元透過特性に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ１７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器１７１３内に結像する。
【０００９】
プローブ光１７０４はミラー１７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ１７１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１７１２に入射し、シリコンミラー１７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波１７０７と光軸を共有する。言い換えれば、重畳される。
【００１０】
重畳されたプローブ光１７０４とＴＨｚ電磁波１７０７とは、電気光学変調器１７１３に入射する。
【００１１】
電気光学変調器１７１３は、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる。
【００１２】
電気光学変調器１７１３の後段には、位相板１７１４、プローブ光１７０４に直交する偏波面を有する直線偏光のみ透過する偏光板１７１５、及び偏光板１７１５からの透過光を受光する一画素あたり１つのフォトダイオードを有する２次元ＣＭＯＳイメージセンサ１７１６がこの順に配置される。
【００１３】
偏光板１７１５の透過光が、ＣＭＯＳイメージセンサ１７１６を飽和させない程度の強度になるよう、位相板１７１４は、位相板１７１４を通過後のプローブ光１７０４の偏波面が、所定の基準条件の下で、偏光板１７１５の透過偏波面に直交する方向から２〜３°程度の偏角を成すように設定される。
【００１４】
この基準条件とは、例えば、ＴＨｚ電磁波１７０７がプローブ光１７０４の各パルスと同時に電気光学変調器１７１３に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスとが非同期の場合を表す。この基準条件において、プローブ光１７０４は、上記偏角に応じて抑制された強度で偏光板１７１５を透過し、イメージセンサ１７１６に入射する。
【００１５】
このように、プローブ光を直線偏波で用いると共にその偏波面を制御することによって偏光板を透過する光量を抑制することを、以下ではプローブ光の位相バイアスを抑制すると言う。
【００１６】
このとき、ＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に電気光学変調器１７１３に入射する場合、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、非同期の場合と比べて、電気光学変調器１７１３によってプローブ光１７０４に与えられる偏角が０．０２°程度変動する。
【００１７】
この偏波面の角度に関する１％程度の変調に応じて、偏光板１７１５によってプローブ光１７０４は強度変調される。
【００１８】
同期回路１７１７は、光源１７０１のパルス発生タイミングと同期して、例えばＴＨｚ電磁波エミッター１７０６によるＴＨｚ電磁波の発生を許可又は抑止することによって、連続する２つのプローブ光パルスにそれぞれＴＨｚ電磁波によって変調された情報、及び未変調の情報を担わせる。
【００１９】
画像処理回路１７１８は、これらの２つのプローブ光パルスからイメージセンサ１７１６によって得られた２つの画像を取り込み、両画像間の差分をとることによって被測定物１７０８のＴＨｚ電磁波に対する透過特性に応じた画像を生成する。
【特許文献１】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０４号公報
【特許文献３】特開２００５−３７２１３号公報
【非特許文献１】Ｋｉｙｏｍｉ Ｓａｋａｉ ｅｄ．， “Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ， ２００５．
【非特許文献２】Ｂ． Ｂ． Ｈｕ ａｎｄ Ｍ． Ｃ． Ｎｕｓｓ， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．２０， ｐ．１７１６， （１９９５）．
【非特許文献３】Ｆ． Ｍｉｙａｍａｒｕ， Ｔ． Ｙｏｎｅｒａ， Ｍ． Ｔａｎｉ ａｎｄ Ｍ． Ｈａｎｇｙｏ， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．４３， ｐ．Ｌ４８９−Ｌ４９１， （２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、上記の従来の技術においては、次の２つの課題が生じる。
第１の課題は、従来のＣＭＯＳイメージセンサの飽和を回避すべく、プローブ光の位相バイアスを抑制するために、得られる画像の信号雑音比（Ｓ／Ｎ比）の向上が困難になることである。
【００２１】
図２０は、偏光フィルタの特性を説明する図であり、プローブ光の偏波面に関する角度に対するプローブ光の透過強度の特性を概念的に示している。プローブ光の位相バイアスを抑制することで、図２０のＡの部分の特性が用いられることになる。そのために大きな変調量が得られず、Ｓ／Ｎ比の向上が困難になる。
【００２２】
ＴＨｚ電磁波源として、再生アンプ付きの高出力短パルスレーザを用いた場合、発生したＴＨｚ電磁波によってプローブ光に１０％程度の変調を与えることができる（図２０のＢの部分の特性）。ただし、その場合には、飽和を回避するための対策が不可欠である。しかし、例えばＮＤフィルタでプローブ光の強度を低下させただけでは、信号の絶対値と共に変調量も低下してしまい、Ｓ／Ｎ比は改善されない。
【００２３】
理想的なＳ／Ｎ比を得るために、未変調時に偏光フィルタに入射するプローブ光を円偏光とし、互いに直行する等量の偏光成分に、変調による偏波面の回転に関する情報をロスなく持たせることが好ましい。しかし、それでは、前述した飽和の問題を解決することができない。
【００２４】
すなわち、図２１に示した一般的なイメージセンサの画素回路によれば、フォトダイオード１８０１に過大なプローブ光が入射することになり、フォトダイオード１８０１で生じる電荷量が、容量１８０４で蓄積可能な飽和電荷量を超えてしまう。そして、リセットパルス発生回路１８０６による制御に従ってリセットトランジスタ１８０７がリセット動作を行った後、過大な光入力によって飽和量に達した電荷が、転送パルス発生回路１８０３による制御に従って転送トランジスタ１８０２を介して増幅回路１８０５に入力される。
【００２５】
このような事情から、従来、プローブ光の位相バイアスを抑制する手法が用いられ、その結果、信号の変調量を稼ぐことができずにＳ／Ｎ比が低下するという第１の課題が発生する。
【００２６】
さらに、偏光フィルタでは、プローブ光に直交する偏光成分を完全に遮断することはできず、μＷオーダーの光が透過してくることもＳ／Ｎ比を悪化させる要因に加わる。その結果、得られるＳ／Ｎ比は極めて低く１％程度にとどまる。
【００２７】
第２の課題は、従来の技術によれば、２つのプローブ光パルスからそれぞれ得られた画像間の差分をとるために、少なくとも１つの画像を一時的に記憶回路に保存する必要から、装置が複雑化することである。
【００２８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路が飽和することもなしに、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００２９】
さらには、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置を提供することを目的とする。
【００３０】
また、そのような光電変換装置を用いたイメージセンサ、イメージングシステムを提供することも、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために、本発明の光電変換装置は、第１フォトダイオードと、第１極性の端子が前記第１フォトダイオードの第１極性の端子と接続された第２フォトダイオードと、前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第１容量と、前記第１容量と前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第２容量と、一方の入力端子が前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に接続され、他方の入力端子が前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に接続された差動増幅回路とを備えることを特徴とする。ここで、前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードは、同等の特性を有し、前記第１容量及び前記第２容量は、同等の特性を有し、前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられていてもよい。また、前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタであってもよいし、前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタであってもよい。
【００３２】
光電変換装置は、偏波面の方向や波長について変調されたプローブ光の変調量の検出に用いられ、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードに形成された２つのフィルタは、所定の基準状態、例えば変調量が０である場合、つまりプローブ光が変調されていない状態において、各々のフォトダイオードに入射するプローブ光の光量が等しくなるように設定される。プローブ光の偏波面の方向や波長を変調するためには、従来知られている電気光学変調素子を用いることができる。
【００３３】
この構成によれば、未変調光には円偏光となるプローブ光を２つのフォトダイオードに入射し、フォトダイオードに等量の電流を発生させ、第１容量及び第２容量のそれぞれの対向電極に等量の電流を流入させることによって、出力を抑止する。そして、変調時には、フィルタ特性の違いによって変調量に応じた受光量の差をそれぞれのフォトダイオードについて生ぜしめ、この差に相当する電流を第１容量及び第２容量にそれぞれ流して電荷を蓄積させ、蓄積電荷量の差に応じた電圧信号を検出することが可能となる。従って、未変調光が入射した場合では２つのフォトダイオードで発生する電流は信号に寄与することは無く、出力信号も飽和することはなく、変調光が入射した場合のみ変調光に起因する信号を検出することが可能となる。また、差動増幅回路により蓄積電荷量の差に応じた電圧信号を所定の利得で増幅することが可能となり、得られる画像の高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００３４】
これにより、プローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることなく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、ＴＨｚ電磁波によって変調されたプローブ光の変調量を検出可能な光電変換装置が得られる。
【００３５】
ここで、前記第１フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第１領域及び第２導電型の第２領域から構成され、前記第２フォトダイオードは、前記半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第３領域及び第２導電型の第４領域から構成され、前記第１領域及び第３領域の形状は等しく、前記第２領域及び第４領域の形状は等しく、前記第１領域及び第２領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第１電極と接続され、前記第３領域及び第４領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第２電極と接続されてもよい。
【００３６】
この構成によれば、光電変換装置をより対称性の高い構成とすることが可能となり、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板に形成することが可能になる。
【００３７】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれＰＮ接合の接合容量であり、前記第１電極は、前記第１容量の第２導電型の電極であり、前記第２電極は、前記第２容量の第２導電型の電極であってもよい。
【００３８】
この構成によれば、第１容量及び第２容量の２つの容量は、それぞれ第１電極及び第２電極と半導体基板との間のＰＮ接合による接合容量となる。従って、第１電極、第２電極及び半導体基板の不純物濃度を低くすることで２つの容量の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００３９】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれショットキー接合の接合容量であり、前記第１電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第１容量の電極であり、前記第２電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第２容量の電極であってもよい。
【００４０】
この構成によれば、２つの容量は、それぞれ第１電極及び第２電極と半導体基板との間のショットキー接合による接合容量となる。従って、第１電極、第２電極及び半導体基板の不純物濃度を低くすること、又は第１電極及び第２電極と半導体基板とのショットキー接合高さを高めることによって２つの容量の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００４１】
また、前記第１容量及び第２容量は、それぞれ誘電体を導電体で挟んだ構造であってもよい。
【００４２】
この構成によれば、誘電体膜の膜厚と誘電率とを制御することによって半導体基板を改質するだけでは実現できない、高いダイナミックレンジを有する容量を確実に半導体基板上に形成することが可能となる。
【００４３】
また、前記第１容量の誘電体の膜厚と前記第２容量の誘電体の膜厚とは等しくてもよい。
【００４４】
この構成によれば、２つの容量は同一のものとなり、２つのフォトダイオードで等量の光電流が発生した場合には確実に等量の電荷が各々の容量に蓄積される。従って、未変調光が入射した場合には信号出力を抑止するという所望の特性を確実に実現することができる。
【００４５】
また、前記光電変換装置は、さらに、前記第１容量と前記第２容量との間に挿入され、前記第１容量及び第２容量の電荷を排出する排出スイッチを備えてもよい。
【００４６】
この構成によれば、２つの容量の蓄積電荷をキャンセル、すなわちリセット動作することが可能となる。
【００４７】
また、前記排出スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであり、前記ＭＯＳＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有してもよい。
【００４８】
この構成によれば、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層厚を制御することができる。従って、ゲート電極両側に位置する２つの容量の大きさを外部電圧によって制御し、蓄積電荷量に応じて電圧信号の大きさを変えることが可能となる。さらに、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下にチャネルを形成することができる。従って、２つの容量を電気的に短絡、すなわち、リセット動作することが可能となる。
【００４９】
また、前記排出スイッチは、接合型ＦＥＴであり、前記接合型ＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板表面に形成された第２導電型のゲート電極を有してもよい。
【００５０】
この構成によれば、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層厚を制御することができる。従って、ゲート電極両側に位置する容量の大きさを外部電圧によって制御し、蓄積電荷量に応じて電圧信号の大きさを変えることが可能となる。さらに、ゲート電極に電圧を印加し、半導体基板におけるゲート電極下に空乏層幅を薄くすることができる。従って、２つの容量を電気的に短絡、すなわち、リセット動作することが可能となる。
【００５１】
また、前記光電変換装置は、さらに、前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に挿入された第１転送スイッチと、前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に挿入された第２転送スイッチとを備えてもよい。
【００５２】
この構成によれば、フォトダイオードと接続される容量との電気的接続状態を独立に制御することが可能となる。特に、入射光量が大きくフォトダイオード容量を超える光電流が発生した場合には、第１転送スイッチ及び第２転送スイッチによってフォトダイオードを容量に電気的に短絡することによって、電荷を常時容量に蓄積し続けることが可能となり、信号飽和は発生しない。一方、入射光量が少ない場合には、フォトダイオードを容量から電気的に遮断し、電荷をフォトダイオードに蓄積させ、電荷読み出し時に第１転送スイッチ及び第２転送スイッチによって容量に転送することが可能である。
【００５３】
また、本発明は、２次元に配置され、それぞれに上記光電変換装置を有した複数の画素回路と、それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備えることを特徴とするイメージセンサとすることもできる。
【００５４】
この構成によれば、２つのフォトダイオードで発生した光電流の差分をイメージ情報として取り出すことが可能となる。
【００５５】
また、本発明は、上記光電変換装置の駆動方法であって、前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が広げられるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷の差に応じた電圧を前記差動増幅回路から読み出すことを特徴とする光電変換装置の駆動方法とすることもできる。
【００５６】
この構成によれば、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層を拡げて容量の大きさを低減した状態で、２つの容量の蓄積電荷の差に応じた電圧信号が出力される。従って、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００５７】
また、本発明は、上記光電変換装置の駆動方法であって、前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が狭められるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷を排出させることを特徴とする光電変換装置の駆動方法とすることもできる。
【００５８】
この構成によれば、半導体基板におけるゲート電極下の空乏層を狭めて容量の蓄積電荷を排出する。従って、独立したリセット用ゲートを設けることなく容量のリセット動作を行うことが可能となり、デバイス面積の増大を抑制することが可能となる。
【００５９】
また、本発明は、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を発生する電磁波源と、プローブ光を発生する光源と、被写体を透過又は反射した後の前記ＴＨｚ電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、前記重畳されたＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、前記変調後のプローブ光を撮像する上記イメージセンサとを備えることを特徴とするイメージングシステムとすることもできる。
【００６０】
この構成によれば、高速動作可能でかつ高いＳ／Ｎ比を有するＴＨｚイメージングシステムを実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００６１】
本発明の光電変換装置によれば、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差を出力信号に増幅できるので、入射光をその特定の物理量に応じた強度で、異なる特性に従って透過するフィルタをそれぞれのフォトダイオードに設ければ、入射光が特定の物理量に関してどの程度変調されているかを、２つのフォトダイオードに生じる光電流の差として検出することができる。
【００６２】
例えば、特定の物理量が偏波面の方向であれば、フィルタは偏光フィルタであり、特定の物理量が波長であれば、フィルタは波長フィルタである。
【００６３】
このとき、出力信号は入射光の光量の差に基づくので、入射光の光量そのものが大きくても回路は飽和しない。従って、回路の飽和を防ぐために従来行われている入射光の位相バイアスを抑制するのをやめて、高いＳ／Ｎ比で入射光の変調量を検出することが可能になる。しかも、その検出は、変調された入射光を一回受光するだけで行うことができる。
【００６４】
この効果は、本発明の光電変換装置をイメージセンサ、及びイメージングシステムに適用した場合に、特に顕著である。一回の撮影で、入射光の変調量に反映された対象物の特性を画像化できることから、装置の簡素化、及び実時間での撮像が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００６６】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【００６７】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１、１’の同一極性（Ｐ側）端子は各々接地され、もう一方の端子は各々ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の転送スイッチ２、２’を介して特性の等しい電荷蓄積用容量３、３’に接続されている。すなわち、２つのフォトダイオード１、１’は極性を反転して直列に接続され、フォトダイオード１のカソード端子とフォトダイオード１’のカソード端子とが接続されている。電荷蓄積用容量３は２つのフォトダイオード１、１’の間に挿入され、電荷蓄積用容量３’は電荷蓄積用容量３とフォトダイオード１’との間に挿入されている。転送スイッチ２、２’は制御回路４に従い、制御回路４はフォトダイオード１、１’に蓄積された電荷を各々電荷蓄積用容量３、３’に転送する制御信号を発生する。フォトダイオード１と電荷蓄積用容量３との間の電荷蓄積用容量３のフォトダイオード側の容量端子５は、差動増幅回路６の一方の端子に接続されている。フォトダイオード１’と電荷蓄積用容量３’との間の電荷蓄積用容量３’のフォトダイオード側の容量端子５’は、差動増幅回路６の他方の端子に接続されている。差動増幅回路６は、容量端子５、５’の両端子間電圧を増幅する。また、ＭＯＳ型ＦＥＴ等のスイッチ７、７’は、各々電荷蓄積用容量３、３’をリセット信号発生回路８の出力信号に従い排出させるスイッチである。
【００６８】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’に等しい強度の光が入射した場合、等量の光電流が発生し、各々電荷蓄積用容量３、３’を逆極性で充電する。電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量は等しいため、容量端子５、５’間には電圧は発生しない。一方、フォトダイオード１、１’に入射する光強度が異なる場合、両フォトダイオード１、１’に発生する光電流量は異なる。従って、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量は異なり、かつ電荷蓄積用容量３、３’は逆極性に充電されているため、容量端子５、５’間に蓄積電荷量の差に相当する電圧が発生する。この電圧は、差動増幅回路６によって増幅され、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量の差すなわちフォトダイオード１、１’への入射光強度差に比例した信号が差動増幅回路６から出力される。
【００６９】
ここで、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’、スイッチ７、７’及び電荷蓄積用容量３、３’を、光電変換部１１と総称する。なお、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれ本発明の第１容量及び第２容量の一例である。また、転送スイッチ２、２’は、それぞれ本発明の第１転送スイッチ及び第２転送スイッチの一例である。
【００７０】
図２は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【００７１】
フォトダイオード１、１’には、１ｋＨｚのプローブ光パルスが入射し、その光量に応じてパルス電流が流れる。Ａの期間はフォトダイオード１、１’に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１への入射光量がフォトダイオード１’への入射光量よりも多い場合である。Ｂの期間において、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量の差に相当する電圧が容量端子５、５’間の電圧として発生する。
【００７２】
図３は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１’を通る断面を模式的に示したものである。
【００７３】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に接して形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成すると共に、各々半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、ＰＮ接合の接合容量である電荷蓄積用容量３、３’を形成する。Ｎ+電極３０４は、Ｐ層３０１及びＮ層３０２とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。Ｎ+電極３０４’は、Ｎ+電極３０４とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【００７４】
ここで、Ｐ層３０１とＰ層３０１’、Ｎ層３０２とＮ層３０２’、Ｎ+電極３０４とＮ+電極３０４’、転送ゲート３０３と転送ゲート３０３’は、それぞれ同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。
【００７５】
なお、Ｐ層３０１及びＮ層３０２は、それぞれ本発明の第１領域及び第２領域の一例である。また、Ｐ層３０１’及びＮ層３０２’は、それぞれ本発明の第３領域及び第４領域の一例である。さらに、Ｎ+電極３０４は、本発明の第１電極の一例であり、Ｎ+電極３０４’は、本発明の第２電極の一例である。
【００７６】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【００７７】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【００７８】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。すなわち、フォトダイオード１、１’上方には、それぞれ入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過する偏光フィルタ３０９、３０９’が形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【００７９】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【００８０】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【００８１】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれＮ+電極３０４、３０４’と半導体基板３００との間のＰＮ接合による接合容量となる。従って、Ｎ+電極３０４、３０４’及び半導体基板３００の不純物濃度を低くすることで電荷蓄積用容量３、３’の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【００８２】
また、転送スイッチ２、２’により、フォトダイオード１、１’と接続される電荷蓄積用容量３、３’との電気的接続状態を独立に制御することが可能となる。特に、入射光量が大きくフォトダイオード１、１’の容量を超える光電流が発生した場合には、転送スイッチ２、２’によってフォトダイオード１、１’を電荷蓄積用容量３、３’に電気的に短絡することによって、電荷を常時電荷蓄積用容量３、３’に蓄積し続けることが可能となり、信号飽和は発生しない。一方、入射光量が少ない場合には、フォトダイオード１、１’を電荷蓄積用容量３、３’から電気的に遮断し、電荷をフォトダイオード１、１’に蓄積させ、電荷読み出し時に転送スイッチ２、２’によって電荷蓄積用容量３、３’に転送することが可能である。
【００８３】
図４は、本実施の形態における光電変換装置の、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’及び電荷蓄積用容量３、３’を含む光電変換部１１を装置上方から見たレイアウトを模式的に示したものである。
【００８４】
フォトダイオード１、１’のＮ層３０２、３０２’は、その全面が各々Ｐ層３０１、３０１’で覆われている。フォトダイオード１、１’で発生した電荷は、転送ゲート３０３、３０３’によって制御回路４からの出力に従って各々電荷蓄積用容量３、３’を構成するＮ+電極３０４、３０４’に転送される。さらに、Ｎ+電極３０４、３０４’の端子間電圧は各々配線４０５、４０５’によって差動増幅回路６に入力される。さらに各Ｎ+電極３０４、３０４’に隣接してスイッチ７、７’のゲートを構成するリセットゲート４０７、４０７’が配置され、リセット信号発生回路８の出力に従い、蓄積電荷を差動増幅回路６に読み出した後に排出する。
【００８５】
図５は、前述した光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【００８６】
光源５０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ５０２によりＰ偏光はポンプ光５０３として、Ｓ偏光はプローブ光５０４として分離される。ポンプ光５０３は光学遅延線５０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター５０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波５０７が発生される。
【００８７】
プローブ光５０４はミラー５０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー５０９に入射し、シリコンミラー５０９を透過したＴＨｚ電磁波５０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器５１０に入射する。電気光学変調器５１０の後段には１／４波長板５１１と、イメージセンサ５１２とがこの順に配置された構成となっている。
【００８８】
イメージセンサ５１２は、後に詳述するように、２次元に配置され、それぞれに前述した光電変換装置を有した複数の画素と、各々の画素の前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える。
【００８９】
１／４波長板５１１はその後段において、ＴＨｚ電磁波５０７がプローブ光５０４の各パルスと同時に電気光学変調器５１０に入射しない場合、すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスが非同期の場合にはプローブ光５０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ５１２には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各フォトダイオード１、１’には等量の電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷は蓄積されない。
【００９０】
他方、電気光学変調器５１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、ＴＨｚ電磁波５０７の電界に応じてプローブ光５０４の特定の物理量が変調され、電気光学変調器５１０に透過後のプローブ光５０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波５０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板５１１透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。
【００９１】
従って、プローブ光５０４を撮像するイメージセンサ５１２内部の２つのフォトダイオード１、１’に入射する光強度も異なり、異なった量の光電流が発生するため、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。その結果、課題であるフォトダイオード１、１’を飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。さらに本実施の形態の光電変換装置の構成では従来の光電変換装置の構成で必要であった、バルクの偏光ビームスプリッタ、又は偏光プリズムが必要なく、かつ、光電変換装置には２つのフォトダイオード１、１’が集積化されているため、光学系が簡略化されるという利点を有する。
【００９２】
図６は、イメージセンサ５１２の機能的な構成の一例を示すブロック図である。イメージセンサ５１２は、それぞれに前述した光電変換装置を含む複数の画素回路を２次元に配列し、垂直走査回路６０１及び水平走査回路６０２を配置することによって実現される。
【００９３】
垂直走査回路６０１は、図１に示される制御回路４、及びリセット信号発生回路８を含み、これらの回路から出力される制御信号に加えて、行選択信号を、行データ選択線６０３を介して、行ごとに画素回路に供給する。
【００９４】
各々の画素回路は、図１に示される光電変換装置の光電変換部１１及び差動増幅回路６に加えて、画素回路の出力信号を読み出す読み出し回路を備える。すなわち、スイッチ６１０を備えると共に、制御回路４及びリセット信号発生回路８からのそれぞれの制御信号、及び行選択信号を受け取る端子６０７、６０９及び６０６を備える。
【００９５】
行選択信号に従ってスイッチ６１０を閉じることによって、画素回路の出力信号が列データ読み出し線６０４へ出力される。
【００９６】
水平走査回路６０２は、選択された行の画素回路からの出力信号を、列データ読み出し線６０４を介して、画素毎に順次読み出す。
【００９７】
なお、本イメージセンサはＴＨｚイメージングシステムへの適用を前提として、各画素の光電変換部１１に含まれるフォトダイオード１、１’上には、前述したオンチップレンズ３０７、３０７’及び偏光フィルタ３０９、３０９’が設けられる。
【００９８】
以上説明したように、本実施の形態のイメージセンサ５１２においては一画面データ読み出し時間に相当する一定の信号電荷蓄積時間が存在する。この電荷蓄積時間内に各画素回路において、図２のタイミングチャートで説明される動作が行われることによってフォトダイオード１、１’に入射する光量の差に応じた電荷が電荷蓄積用容量３、３’に蓄積され、読み出される。
【００９９】
従って、毎画面で各画素回路における２つのフォトダイオード１、１’への入射光量差が検出され、外部の画像再生回路によって２次元画像として再生される。
【０１００】
図７は、前述したＴＨｚイメージングシステムの変形例を模式的に示す図である。
光源７０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ７０２によりＰ偏光はポンプ光７０３として、Ｓ偏光はプローブ光７０４として分離される。ポンプ光７０３は光学遅延線７０５を経て、半絶縁性ＧａＡｓウエハー上に間隔１０ｍｍをおいて形成された電極対を有する光伝導スイッチによって構成されたＴＨｚ電磁波エミッター７０６に入射され、ＴＨｚ電磁波７０７が発生される。
【０１０１】
このようにして発生されたＴＨｚ電磁波７０７は極めてコリメート性の高いビームであり、ＴＨｚ電磁波７０７に対して２次元的な透過特性分布を有する被測定物７０８に照射される。被測定物７０８を通過したＴＨｚ電磁波７０７は被測定物７０８の２次元透過特性分布に伴い、空間的に強度変調されたビームとなる。これをポリエチレンレンズ７０９によって、後段のＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３内に結像する。
【０１０２】
プローブ光７０４はミラー７１０で進路変更され、さらにビームエクスパンダ７１１によってビーム幅が広げられた後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー７１２に入射し、シリコンミラー７１２を透過した強度変調されたＴＨｚ電磁波７０７と光軸を共有して、［１１０］面が光軸に垂直に配置されたＺｎＴｅ結晶よりなる電気光学変調器７１３に入射する。
【０１０３】
電気光学変調器７１３の後段には１／４波長板７１４とイメージセンサ７１５とがこの順に配置された構成となっている。イメージセンサ７１５は、前述したイメージセンサ５１２と同等である。
【０１０４】
１／４波長板７１４はその後段において、ＴＨｚ電磁波７０７がプローブ光７０４の各パルスと同時に電気光学変調器７１３に入射しない場合すなわちＴＨｚ電磁波パルスとプローブパルスが非同期の場合にはプローブ光７０４を完全な円偏光状態に設定する。この時、イメージセンサ７１５には円偏光が入射するため、Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分は等しく、従って、内部の各画素のフォトダイオード１、１’対には等量の光電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷は蓄積されない。
【０１０５】
他方、電気光学変調器７１３にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、電気光学変調器７１３に透過後のプローブ光７０４の偏光状態はＴＨｚ電磁波７０７と非同期の場合に比べて、偏光軸が回転し、さらに、楕円偏光となるため、１／４波長板７１４透過後の偏光状態も完全な円偏光とはならず、楕円偏光となる。
【０１０６】
従って、プローブ光７０４を撮像するイメージセンサ７１５内部の各画素のフォトダイオード１、１’対に入射する光強度も異なり、異なった量の光電流が発生するため、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。
【０１０７】
以上の原理で検出出力された２次元信号は画像再生装置７１６によって映像情報としてモニターに出力される。従って、課題であるプローブ光の位相バイアスを抑制せず、かつ回路を飽和させることなく、しかも、１つのプローブ光パルスを受光するだけで、フォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波イメージングを行うことが可能である。
【０１０８】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１０９】
図８は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１１０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成すると共に、半導体基板３００とショットキー接続し、ショットキー接合の接合容量である電荷蓄積容量３、３’を形成する。ニッケルシリサイド電極８０４は、Ｐ層３０１及びＮ層３０２とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。ニッケルシリサイド電極８０４’は、ニッケルシリサイド電極８０４とＰ層３０１’及びＮ層３０２’との間に位置するように半導体基板３００表面に形成される。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びニッケルシリサイド電極８０４、８０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。ここで、ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’は、電極領域に２００オングストロームのＮｉを堆積後、３５０℃でアニールすることにより形成される。
【０１１１】
ここで、ニッケルシリサイド電極８０４とニッケルシリサイド電極８０４’とは、同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。なお、ニッケルシリサイド電極８０４は、本発明の第１電極の一例であり、ニッケルシリサイド電極８０４’は、本発明の第２電極の一例である。
【０１１２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１１３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１１４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【０１１５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成される。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１１６】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１１７】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、それぞれニッケルシリサイド電極８０４、８０４’と半導体基板３００との間のショットキー接合による接合容量となる。従って、ニッケルシリサイド電極８０４、８０４’及び半導体基板３００の不純物濃度を低くすること、又はニッケルシリサイド電極８０４、８０４’と半導体基板３００とのショットキー接合高さを高めることによって電荷蓄積用容量３、３’の大きさを低減し、得られる画像のより高いＳ／Ｎ比を実現することが可能となる。
【０１１８】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１１９】
図９は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１２０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２よりなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’上には、ビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物よりなる高誘電率膜９０２、９０２’が１００ｎｍ堆積され、さらに高誘電率膜９０２、９０２’表面はＴｉＮからなる上部電極９０３で被覆される。上部電極９０３と、高誘電率膜９０２、９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１、９０１’は、誘電体を導電体で挟んだ構造の電荷蓄積容量３、３’を構成する。ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’は、転送スイッチ２、２’のドレインを構成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’、上部電極９０３及び高誘電率膜９０２、９０２’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１２１】
ここで、ニッケルシリサイド電極９０１とニッケルシリサイド電極９０１’、高誘電率膜９０２と高誘電率膜９０２’は、それぞれ同一の製造プロセスにより同時に形成されるためその形状は等しい。例えば、高誘電率膜９０２の膜厚と高誘電率膜９０２’の膜厚とは等しい。
【０１２２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１２３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１２４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。例えば、フォトダイオード１上方にはＰ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９が形成され、フォトダイオード１’上方にはＳ偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’が形成される。
【０１２５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１００周期分配置された格子を構成することによって形成される。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１２６】
本光電変換装置において、上部電極９０３、高誘電率膜９０２及びニッケルシリサイド電極９０１よりなる電荷蓄積容量３と、上部電極９０３、高誘電率膜９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１’よりなる電荷蓄積容量３’とは、面積、誘電体膜厚とも等しく、これらに接続されるフォトダイオード１、１’も同一の特性を有するため、光電変換装置は上部電極９０３に対して電気的に対称な構成となる。従って、２個のフォトダイオード１、１’に等量の光電流が流れる際には、電圧は容量端子５、５’間には発生しない。一方、２個のフォトダイオード１、１’に流れる光電流が異なる場合には、ニッケルシリサイド電極９０１、９０１’間に正味の電荷が蓄積され、容量端子５、５’間に電圧が発生する。
【０１２７】
また、電荷蓄積用容量３、３’に高誘電体材料であるビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物が用いられる。従って、多量の電荷を低電圧で電荷蓄積用容量３、３’に蓄積することが可能であり、バックグラウンド光量が高い場合に特に有利である。
【０１２８】
また、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は上部電極９０３に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１２９】
また、電荷蓄積用容量３、３’は、上部電極９０３、高誘電率膜９０２、９０２’及びニッケルシリサイド電極９０１、９０１’よりなる。従って、高誘電率膜９０２、９０２’の膜厚と誘電率とを制御することによって半導体基板３００を改質するだけでは実現できない、高いダイナミックレンジを有する電荷蓄積用容量３、３’を確実に半導体基板３００上に形成することが可能となる。
【０１３０】
また、高誘電率膜９０２の膜厚と高誘電率膜９０２’の膜厚とは等しい。従って、２つの電荷蓄積用容量３、３’は同一のものとなり、２つのフォトダイオード１、１’で等量の光電流が発生した場合には確実に等量の電荷が各々の電荷蓄積用容量３、３’に蓄積される。従って、未変調光が入射した場合には信号出力を抑止するという所望の特性を確実に実現することができる。
【０１３１】
（第４の実施の形態）
図１０は、本実施の形態における光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【０１３２】
この光電変換装置において、特性の等しい２つのフォトダイオード１、１’の同一極性（Ｐ側）端子は各々接地され、もう一方の端子は各々転送スイッチ２、２’を介して電荷蓄積用容量３、３’に接続されている。転送スイッチ２、２’は制御回路４に従い、制御回路４はフォトダイオード１、１’に蓄積された電荷を各々電荷蓄積用容量３、３’に転送する制御信号を発生する。電荷蓄積用容量３、３’のフォトダイオード側の容量端子５、５’は両端子間電圧を増幅する差動増幅回路６に接続されている。また、接合型ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）及びＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ１７は、電荷蓄積用容量３、３’の間に挿入され、リセット制御回路１９の出力信号に従い電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷を同時に排出させるスイッチである。
【０１３３】
ここで、フォトダイオード１、１’、転送スイッチ２、２’、スイッチ１７及び電荷蓄積用容量３、３’を、光電変換部１１と総称する。なお、スイッチ１７は、本発明の排出スイッチの一例である。
【０１３４】
図１１は、前述した光電変換装置の各部に発生し又は与えられる主要な信号を示すタイミングチャートである。
【０１３５】
Ａの期間はフォトダイオード１、１’に等しい光量が入射し等しい光電流が流れた場合、Ｂの期間はフォトダイオード１、１’に異なる光量が入射し異なる光電流が流れた場合である。Ｂの期間において、両フォトダイオード１、１’に発生する光電流が異なり、従って電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷量も異なり、容量端子５、５’間に蓄積電荷量の差に相当する電圧が発生する原理は第１の実施の形態の光電変換装置と同様である。電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すＡ、Ｂの両期間の最終段階において、リセット制御回路１９の出力は単一のトランジスタから構成されるスイッチ１７に入力され、スイッチ１７を導通させた状態で、電荷蓄積用容量３、３’の蓄積電荷が同時に読み出され、動作が完了する。
【０１３６】
図１２は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１３７】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。制御ゲート電極１００１は、スイッチ１７のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、制御ゲート電極１００１、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１３８】
２つのＮ+電極３０４、３０４’の間には、半導体基板３００上に形成された絶縁膜よりなるＭＯＳ絶縁ゲートを構成する制御ゲート電極１００１が配置されている。
【０１３９】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１４０】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１４１】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。
【０１４２】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１４３】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は制御ゲート電極１００１に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１４４】
本実施の形態で示した光電変換装置は、第１の実施の形態の光電変換装置と比べ、より感度の高い電荷―電圧変換が可能である。以下にその理由を示す。
【０１４５】
図１３は、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量（ＣG）における制御ゲート電極１００１の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。なお、本特性は、制御ゲート電極１００１としてＮ+ポリシリコンを用い、半導体基板３００の不純物濃度を１×１０15ｃｍ-3とし、酸化膜の膜厚を５〜１０ｎｍに設定した場合におけるものである。
【０１４６】
制御ゲート電圧がフラットバンド電圧（ＶFB=−０．４Ｖ）よりも低くなると半導体基板３００の制御ゲート電極１００１下の空乏層が広がり、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量が極めて小さい値となる。例えば、ＶG＝−２Ｖとすれば、制御ゲート電極１００１を有さない第１の実施の形態の光電変換装置における電荷蓄積容量３、３’とほぼ同等の容量であるフラットバンド電圧印加時の容量ＣG＝２００ｆＦの約１／１０（ＣG＝２０ｆＦ）となる。従って、あらかじめＶG＝−２Ｖを制御ゲート電極１００１に印加しておき、各電荷蓄積容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すことにより、各フォトダイオード１、１’に発生する電荷量が異なる場合には、ゲートバイアスがＶG＝ＶFBの場合に比して容量端子５、５’間電圧は１０倍となる。すなわち１０倍高い感度を実現することができる。なお、フラットバンド電圧は、制御ゲート電極１００１の材料、半導体基板３００の不純物濃度、及び制御ゲート電極１００１と半導体基板３００との間の酸化膜の膜厚に依存して変化する。
【０１４７】
さらに、制御ゲート電圧をフラットバンド電圧以上の電圧（ＶG≧ＶFB）に設定することで、半導体基板３００の制御ゲート電極１００１下の反転層が形成され、空乏層が狭められてＮ+電極３０４、３０４’間の容量が短絡され、蓄積電荷が排出される。すなわち、ただ１つの制御ゲート電圧を制御することによって、信号感度を可変として高めることが可能であるばかりでなく、リセット動作も実現できるため、素子面積の大幅な低減が達成される。
【０１４８】
（第５の実施の形態）
第４の実施の形態で示した光電変換装置（図１０を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、ＭＯＳゲートではなくＰＮ接合ゲートを用いた他の構成によって実現することもできる。
【０１４９】
図１４は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１５０】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。制御ゲート電極１２０１は、スイッチ１７のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、制御ゲート電極１２０１、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１５１】
２つのＮ+電極３０４、３０４’の間の半導体基板３００表面には、ＰＮ接合ゲートを構成する制御ゲート電極１２０１が配置されている。
【０１５２】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１５３】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１５４】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、紙面に垂直方向の振動電界を有する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、偏光フィルタ３０９が透過させる偏光と直交する偏光のみを透過させる偏光フィルタ３０９’とが形成されている。
【０１５５】
偏光フィルタ３０９、３０９’ともに配線金属である銅を幅０．２５μｍ、間隔０．２５μｍで１０周期分配置された格子を構成することによって形成されている。この時、偏光フィルタ３０９、３０９’間で格子の方向は直交しており、直交する偏光に対する透過特性を有する。
【０１５６】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は制御ゲート電極１２０１に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１５７】
本実施の形態で示した光電変換装置は、第１の実施の形態の光電変換装置に比べ、より感度の高い電荷―電圧変換が可能である。以下にその理由を示す。
【０１５８】
図１５は、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量（ＣG）における制御ゲート電極１２０１の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【０１５９】
制御ゲート電圧が負になると制御ゲート電極１２０１下の空乏層が広がり、Ｎ+電極３０４、３０４’間の容量が極めて小さい値となる。例えば、ＶG＝−２Ｖとすれば、制御ゲート電極１２０１を有さない第１の実施の形態の光電変換装置における電荷蓄積容量３、３’とほぼ同等の容量である電圧無印加時の容量ＣG＝２００ｆＦの約１／１０（ＣG＝２０ｆＦ）となる。従って、あらかじめＶG＝−２Ｖを制御ゲート電極１２０１に印加しておき、各電荷蓄積容量３、３’の蓄積電荷の差に応じた電圧を差動増幅回路６から読み出すことにより、各フォトダイオード１、１’に発生する電荷量が異なる場合には、ゲートバイアスがＶG＝ＶFBの場合に比して容量端子５、５’間電圧は１０倍となる。すなわち１０倍高い感度を実現することができる。
【０１６０】
さらに、制御ゲート電圧を０Ｖ以上の値（ＶG≧０Ｖ）に設定することで、半導体基板３００の制御ゲート電極１２０１下に高濃度多数キャリア層が形成され、空乏層が狭められてＮ+電極３０４、３０４’間の容量が短絡され、蓄積電荷を排出させる。すなわち、ただ１つの制御ゲート電圧を制御することによって、信号感度を可変として高めることが可能であるばかりでなく、リセット動作も実現できため、素子面積の大幅な低減が達成される。
【０１６１】
（第６の実施の形態）
第１の実施の形態で示した光電変換装置（図１を参照）と同等の機能を有する光電変換装置を、他の構成によって実現することもできる。
【０１６２】
図１６は、本実施の形態における光電変換装置の、光電変換部１１のフォトダイオード１、１’を通る断面を模式的に示したものである。
【０１６３】
半導体基板３００の最表面には、Ｐ層３０１とその下層に形成されたＮ層３０２とからなるＰＮ接合が形成されている。このＰＮ接合は、フォトダイオード１を構成する。同様に、Ｐ層３０１’とＮ層３０２’とからなるＰＮ接合は、フォトダイオード１’を構成する。Ｎ+電極３０４、３０４’は、半導体基板３００とＰＮ接合を形成し、電荷蓄積用容量３、３’を形成する。転送ゲート３０３、３０３’は、転送スイッチ２、２’のゲートを構成する。フォトダイオード１、１’は、転送ゲート３０３、３０３’及びＮ+電極３０４、３０４’を挟んで互いに隣接する領域に形成される。
【０１６４】
デバイス全体は窒化シリコン膜よりなる保護層３０５で被覆され、保護層３０５内、２つのフォトダイオード１、１’間には遮光メタル３０６が配置されている。
【０１６５】
各フォトダイオード１、１’上方には集光量を増加させるためのオンチップレンズ３０７、３０７’が形成されている。
【０１６６】
さらに、オンチップレンズ３０７、３０７’上には第２の保護層３０８が形成されている。第２の保護層３０８上には、フォトダイオード１上方に位置し、波長７９０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１４０９と、フォトダイオード１’上方に位置し、波長８１０ｎｍにピークと半値幅２０ｎｍの透過帯域を有する狭帯域フィルタ１４０９’とが形成されている。すなわち、フォトダイオード１、１’上方には、それぞれ入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性（波長透過特性）に従って透過する狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’が形成されている。
【０１６７】
本光電変換装置において、フォトダイオード１、１’は同一の特性を有し、光電変換装置は遮光メタル３０６に対して対称な構成となる。従って、容易に光電変換装置の回路構成を集積回路として半導体基板３００に形成することが可能になり、製造プロセスが簡易となるので、光電変換装置を低コスト化することが可能となる。
【０１６８】
図１７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’の透過特性を示す図である。
【０１６９】
狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’ともに最大透過率は０．６、半値幅は２０ｎｍである。このような狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’は、例えば、文献Ｅ． Ｈｅｃｈｔ，“Ｏｐｔｉｃｓ”， ４ｔｈ ｅｄ．， ｐ．４２５−４３０， Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ （２００２）．に示されているような多層誘電体薄膜を用いた干渉フィルタをフォトリソグラフィによって各々のフォトダイオード１、１’に別々に作製することができる。
【０１７０】
本実施の形態の光電変換装置に波長８００ｎｍの光を入射すると、狭帯域フィルタ１４０９、１４０９’の透過特性は透過ピークを中心に対称であるので、透過光量は等しく、フォトダイオード１、１’に発生する光電流も等しく、従って電荷蓄積容量３、３’には正味の電荷は蓄積されず、信号出力は発生しない。
【０１７１】
一方、入射光の波長が例えば低波長側に５ｎｍシフトした場合には、狭帯域フィルタ１４０９を透過する光量が増加すると共に、狭帯域フィルタ１４０９’を透過する光量が減少し、これに従ってフォトダイオード１、１’に発生する電流が各々増減し、この差分に相当する電荷が電荷蓄積容量３、３’に正味電荷として蓄積され、この差分を増幅することで信号出力を得ることが可能となる。従って、本実施の形態の光電変換装置は入射光の波長に関する変調量を検出する波長シフトモニターとして作用する。
【０１７２】
図１８は本実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示した図である。
【０１７３】
光源１６０１より、パルス幅１００ｆｓの超短パルス光列が１ｋＨｚの周波数で発生され、偏光ビームスプリッタ１６０２によりポンプ光１６０３とプローブ光１６０４とに分離される。ポンプ光１６０３は光学遅延線１６０５を経て、ＴＨｚ電磁波エミッター１６０６を構成するＺｎＴｅ結晶［１１０］面に垂直に入射され、ＴＨｚ電磁波１６０７が発生される。
【０１７４】
プローブ光１６０４はミラー１６０８で進行方向を調整された後、シリコンウエハーで構成されたシリコンミラー１６０９に入射し、シリコンミラー１６０９を透過したＴＨｚ電磁波１６０７と光軸を共有して、アルミニウムガリウム砒素とガリウム砒素薄膜を交互に積層した超格子よりなる電気光学変調器１６１０に入射する。
【０１７５】
電気光学変調器１６１０の後段には本実施の形態で説明した光電変換装置を有し、プローブ光１６０４を撮像するイメージセンサ１６１１が配置された構成となっている。この時、電気光学変調器１６１０にＴＨｚ電磁波１６０７がプローブ光１６０４と同時に入射しない場合には、透過光の波長は変化せず、従って内部の各フォトダイオード１、１’には等量の光が入射し、発生する光電流も等量であるため、信号は検出されない。
【０１７６】
一方、電気光学変調器１６１０にＴＨｚ電磁波パルスとプローブ光パルスとが同時に入射する、すなわち両パルス間の同期が取れている場合には、ＴＨｚ電磁波１６０７の電界に応じてプローブ光１６０４の特定の物理量が変調され、電気光学変調器１６１０を透過後のプローブ光１６０４の波長はＴＨｚ電磁波１６０７と非同期の場合に比べて、長波長側に５ｎｍシフトし、フォトダイオード１’に入射する光量が増大、フォトダイオード１に入射する光量が減少するため、両フォトダイオード１、１’に異なる光電流が発生し、電荷蓄積用容量３、３’には電荷が蓄積され、電圧信号すなわちＴＨｚ電磁波検出信号が出力される。
【０１７７】
従って、課題であるフォトダイオードを飽和させることなくＴＨｚ電磁波を検出することが可能である。
【０１７８】
なお、異なる波長フィルタをそれぞれのフォトダイオード１、１’に設けたこの構成は、上記説明したように入射光の波長に関する変調度を検出する用途とは別に、入射光から色差情報を直接に検出するために利用することもできる。
【０１７９】
さらに、それぞれのフォトダイオード１、１’に、偏光フィルタも波長フィルタも設けない構成では、２つのフォトダイオード１、１’が受光した光量差が直接に検出できることから、画像内のエッジ検出に応用することも考えられる。
【０１８０】
以上、本発明の光電変換装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明の光電変換装置は、セキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサ、医療診断装置等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】同実施の形態の光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャートである。
【図３】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図４】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部を装置上部から見たレイアウト図である。
【図５】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示す図である。
【図６】同実施の形態の光電変換装置を用いたイメージセンサの機能的な構成の一例を示すブロック図である。
【図７】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの変形例を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る光電変換装置の構成の一例を示す回路図である。
【図１１】同実施の形態の光電変換装置の動作に係る主要信号のタイミングチャートである。
【図１２】同実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１３】同実施の形態の光電変換装置のＮ+電極間の容量（ＣG）における制御ゲート電極の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１５】同実施の形態の光電変換装置のＮ+電極間の容量（ＣG）における制御ゲート電極の制御ゲート電圧（ＶG）依存性を示す図である。
【図１６】本発明の第６の実施の形態の光電変換装置の光電変換部の模式的な断面図である。
【図１７】（Ａ）狭帯域フィルタの透過特性を示す図である。（Ｂ）狭帯域フィルタの透過特性を示す図である。
【図１８】同実施の形態の光電変換装置を用いたＴＨｚイメージングシステムの構成例を模式的に示す図である。
【図１９】従来技術に係るＴＨｚイメージングシステムの構成例を示す模式図である。
【図２０】偏光フィルタの特性を説明する図である。
【図２１】従来技術に係る一般的なイメージセンサの画素回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１、１’、１８０１ フォトダイオード
２、２’ 転送スイッチ
３、３’ 電荷蓄積用容量
４ 制御回路
５、５’ 容量端子
６ 差動増幅回路
７、７’、１７、６１０ スイッチ
８ リセット信号発生回路
１９ リセット制御回路
３００ 半導体基板
３０１、３０１’ Ｐ層
３０２、３０２’ Ｎ層
３０３、３０３’ 転送ゲート
３０４、３０４’ Ｎ+電極
３０５ 保護層
３０６ 遮光メタル
３０７、３０７’ オンチップレンズ
３０８ 第２の保護層
３０９、３０９’ 偏光フィルタ
４０５、４０５’ 配線
４０７、４０７’ リセットゲート
５０１、７０１、１６０１、１７０１ 光源
５０２、７０２、１６０２、１７０２ 偏光ビームスプリッタ
５０３、７０３、１６０３、１７０３ ポンプ光
５０４、７０４、１６０４、１７０４ プローブ光
５０５、７０５、１６０５、１７０５ 光学遅延線
５０６、７０６、１６０６、１７０６ ＴＨｚ電磁波エミッター
５０７、７０７、１６０７、１７０７ ＴＨｚ電磁波
５０８、７１０、１６０８、１７１０ ミラー
５０９、７１２、１６０９、１７１２ シリコンミラー
５１０、７１３、１６１０、１７１３ 電気光学変調器
５１１、７１４ １／４波長板
５１２、７１５、１６１１、１７１６ イメージセンサ
６０１ 垂直走査回路
６０２ 水平走査回路
６０３ 行データ選択線
６０４ 列データ読み出し線
６０６、６０７、６０９ 端子
７０８、１７０８ 被測定物
７０９、１７０９ ポリエチレンレンズ
８０４、８０４’、９０１、９０１’ ニッケルシリサイド電極
９０２、９０２’ 高誘電率膜
９０３ 上部電極
１００１、１２０１ 制御ゲート電極
１４０９、１４０９’ 狭帯域フィルタ
７１１、１７１１ ビームエクスパンダ
１７１４ 位相板
１７１５ 偏光板
１７１７ 同期回路
１７１８ 画像処理回路
１８０２ 転送トランジスタ
１８０３ 転送パルス発生回路
１８０４ 容量
１８０５ 増幅回路
１８０６ リセットパルス発生回路
１８０７ リセットトランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１フォトダイオードと、
第１極性の端子が前記第１フォトダイオードの第１極性の端子と接続された第２フォトダイオードと、
前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第１容量と、
前記第１容量と前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第２容量と、
一方の入力端子が前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に接続され、他方の入力端子が前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に接続された差動増幅回路とを備える
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第１領域及び第２導電型の第２領域から構成され、
前記第２フォトダイオードは、前記半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第３領域及び第２導電型の第４領域から構成され、
前記第１領域及び第３領域の形状は等しく、
前記第２領域及び第４領域の形状は等しく、
前記第１領域及び第２領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第１電極と接続され、
前記第３領域及び第４領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第２電極と接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれＰＮ接合の接合容量であり、
前記第１電極は、前記第１容量の第２導電型の電極であり、
前記第２電極は、前記第２容量の第２導電型の電極である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれショットキー接合の接合容量であり、
前記第１電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第１容量の電極であり、
前記第２電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第２容量の電極である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれ誘電体を導電体で挟んだ構造である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１容量の誘電体の膜厚と前記第２容量の誘電体の膜厚とは等しい
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記光電変換装置は、さらに、前記第１容量と前記第２容量との間に挿入され、前記第１容量及び第２容量の電荷を排出する排出スイッチを備える
ことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記排出スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＭＯＳＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記排出スイッチは、接合型ＦＥＴであり、
前記接合型ＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板表面に形成された第２導電型のゲート電極を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記光電変換装置は、さらに、前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に挿入された第１転送スイッチと、前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に挿入された第２転送スイッチとを備える
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードは、同等の特性を有し、
前記第１容量及び前記第２容量は、同等の特性を有し、
前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタである
ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタである
ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
２次元に配置され、それぞれに請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光電変換装置を有した複数の画素回路と、
それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１５】
請求項８又は９に記載の光電変換装置の駆動方法であって、
前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が広げられるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷の差に応じた電圧を前記差動増幅回路から読み出す
ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【請求項１６】
請求項８又は９に記載の光電変換装置の駆動方法であって、
前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が狭められるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷を排出させる
ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【請求項１７】
周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を発生する電磁波源と、
プローブ光を発生する光源と、
被写体を透過又は反射した後の前記ＴＨｚ電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、
前記重畳されたＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、
前記変調後のプローブ光を撮像する請求項１４に記載のイメージセンサとを備える
ことを特徴とするイメージングシステム。
【請求項１】
第１フォトダイオードと、
第１極性の端子が前記第１フォトダイオードの第１極性の端子と接続された第２フォトダイオードと、
前記第１フォトダイオードと前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第１容量と、
前記第１容量と前記第２フォトダイオードとの間に挿入された第２容量と、
一方の入力端子が前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に接続され、他方の入力端子が前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に接続された差動増幅回路とを備える
ことを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第１フォトダイオードは、第１導電型の半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第１領域及び第２導電型の第２領域から構成され、
前記第２フォトダイオードは、前記半導体基板表面に形成された、互いに接する第１導電型の第３領域及び第２導電型の第４領域から構成され、
前記第１領域及び第３領域の形状は等しく、
前記第２領域及び第４領域の形状は等しく、
前記第１領域及び第２領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第１電極と接続され、
前記第３領域及び第４領域のいずれかは、前記半導体基板表面に形成された第２電極と接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれＰＮ接合の接合容量であり、
前記第１電極は、前記第１容量の第２導電型の電極であり、
前記第２電極は、前記第２容量の第２導電型の電極である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれショットキー接合の接合容量であり、
前記第１電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第１容量の電極であり、
前記第２電極は、前記半導体基板とショットキー接続する前記第２容量の電極である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１容量及び第２容量は、それぞれ誘電体を導電体で挟んだ構造である
ことを特徴とする請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記第１容量の誘電体の膜厚と前記第２容量の誘電体の膜厚とは等しい
ことを特徴とする請求項５に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記光電変換装置は、さらに、前記第１容量と前記第２容量との間に挿入され、前記第１容量及び第２容量の電荷を排出する排出スイッチを備える
ことを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記排出スイッチは、ＭＯＳＦＥＴであり、
前記ＭＯＳＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板上に形成されたゲート電極を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記排出スイッチは、接合型ＦＥＴであり、
前記接合型ＦＥＴは、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するように前記半導体基板表面に形成された第２導電型のゲート電極を有する
ことを特徴とする請求項７に記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記光電変換装置は、さらに、前記第１フォトダイオードと前記第１容量との間に挿入された第１転送スイッチと、前記第２フォトダイオードと前記第２容量との間に挿入された第２転送スイッチとを備える
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードは、同等の特性を有し、
前記第１容量及び前記第２容量は、同等の特性を有し、
前記第１フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードには、入射光を、その入射光が有する特定の物理量に応じた強度で、互いに異なる特性に従って透過するフィルタが設けられている
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項１２】
前記フィルタは、異なる偏光透過特性を有する偏光フィルタである
ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
【請求項１３】
前記フィルタは、異なる波長透過特性を有する波長フィルタである
ことを特徴とする請求項１１に記載の光電変換装置。
【請求項１４】
２次元に配置され、それぞれに請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光電変換装置を有した複数の画素回路と、
それぞれの画素回路が有する前記光電変換装置の出力信号を読み出す読み出し回路とを備える
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項１５】
請求項８又は９に記載の光電変換装置の駆動方法であって、
前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が広げられるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷の差に応じた電圧を前記差動増幅回路から読み出す
ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【請求項１６】
請求項８又は９に記載の光電変換装置の駆動方法であって、
前記半導体基板の前記ゲート電極下方の領域において空乏層が狭められるように前記ゲート電極にバイアス電圧を印加した状態で、前記第１容量及び第２容量に蓄積された電荷を排出させる
ことを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【請求項１７】
周波数が０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの領域にあるＴＨｚ電磁波を発生する電磁波源と、
プローブ光を発生する光源と、
被写体を透過又は反射した後の前記ＴＨｚ電磁波を前記プローブ光と重畳する重畳光学素子と、
前記重畳されたＴＨｚ電磁波とプローブ光とを入射され、前記ＴＨｚ電磁波の電界に応じて前記プローブ光の特定の物理量を変調する電気光学変調素子と、
前記変調後のプローブ光を撮像する請求項１４に記載のイメージセンサとを備える
ことを特徴とするイメージングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
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【図４】
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【図１４】
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【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００８−１９９４１４（Ｐ２００８−１９９４１４Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４０６２（Ｐ２００７−３４０６２）
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１４日（２００７．２．１４）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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