固体撮像素子および電子情報機器
【課題】多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現する。
【解決手段】半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部（３層のＰ型注入領域およびＮ型注入領域）が、光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５と、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【解決手段】半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部（３層のＰ型注入領域およびＮ型注入領域）が、光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５と、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像素子として、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を電荷転送部により所定方向に電荷転送した後に増幅して撮像信号を得るＣＣＤ固体撮像素子と、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を増幅して撮像信号として信号読み出しを行うＣＭＯＳ固体撮像素子とがある。
【０００３】
このＣＣＤ固体撮像素子について特許文献１にその構成が開示されており、通常、固体撮像素子の垂直転送時は、垂直転送部上が遮光膜により遮光されている必要がある。
【０００４】
図１１は、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。
【０００５】
図１１において、従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、被写体からの画像光を光電変換して信号電荷を生成する受光部１０１上の遮光膜の開口部１０２と、この開口部１０２下の受光部１０１から読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための垂直転送部１０３と、この受光部１０１と垂直転送部１０３間のチャネル部１０４と、隣接画素との間を素子分離するための素子分離領域１０５とに分けることができる。
【０００６】
図１２は、図１１の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。
【０００７】
図１２に示すように、この従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、Ｎ型シリコン基板１１１上の第１のＰ型ウェル領域１１２内にＮ型の受光部１０１と、垂直転送部１０３を構成する垂直レジスタ１１３と、その外周側の素子分離領域１０５を構成するＰ型のチャネル・ストッパ領域１１４とが形成されている。また、受光部１０１の表面側にＰ型の正電荷蓄積領域１１５が形成され、垂直レジスタ１１３の直下には第２のＰ型ウェル領域１１６が形成されている。
【０００８】
垂直レジスタ１１３上にゲート絶縁膜１１７を介して多結晶シリコン層による転送電極１１８が選択的に形成され、この転送電極１１８上に層間絶縁膜１１９を介してＡｌ遮光膜１２０が形成され、このＡｌ遮光膜１２０を含む全面に例えばプラズマＳｉＮ膜による表面保護層１２１が形成されてＣＣＤ固体撮像素子１００が構成されている。なお、受光部１０１と垂直レジスタ１１３間のＰ型領域は読出しゲートであるチャネル部１０４を構成している。
【０００９】
Ａｌ遮光膜１２０は、受光部１０１上で選択的にエッチング除去されており、光Ｌは、このエッチング除去によって形成された受光部１０１上の開口部１０２を通して受光部１０１内に入射されるようになっている。このとき、受光部１０１の周縁上に、Ａｌ遮光膜１２０が一部が残った形となっている。
【００１０】
Ａｌ遮光膜１２０中、受光部１０１の周縁上におけるＡｌ遮光膜１２０の上部を傾斜状１２０ａに形成して構成している。
【００１１】
上記特許文献１では、単位画素部１００の微細化に伴って、開口部１０２の開口率が低下して受光感度特性が劣化するため、開口部１０２の開口率を上げるべく、開口部１０２の開口サイズを広げると、斜め光が開口部１０２から、遮光膜１２０で遮光されている電荷転送部１０３側に入って表示画面上で縦スジとなって現れてしまい、スミア特性が劣化していた。
【００１２】
これに対して、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる固体撮像素子が、特許文献２に提案されている。
【００１３】
図１３は、特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図１４は、図１３の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【００１４】
図１３および図１４において、従来の固体撮像素子２００は、半導体基板２０１（または半導体層）上に、各受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域２０２とＮ型注入領域２０３とが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３上に、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極２０４〜２０９をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板２１０、液晶制御用の下側の透明電極２１１、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料からなる液晶層２１２、液晶制御用の上側の透明電極２１３、縦方向の偏光を通す偏光板２１４をこの順に積層する。
【００１５】
これらの偏光板２１０、透明電極２１１、液晶層２１２、透明電極２１３および偏光板２１４から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像素子２００が構成されている。この液晶セルは露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
【００１６】
さらに、透明電極２０４〜２０９に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ（電荷転送制御手段）が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極２０４〜２０９の一または複数に交互に印加する所定の電圧印加パターンにより、電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９下の縦方向のＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３の深いポテンシャル電位領域に画素毎（各受光部毎）の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極２０４〜２０９の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９下の縦方向のＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３の深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。
【００１７】
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板２１４を通り、縦方向の偏光を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層２１２のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極２１１および２１３に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板２１０に至る。偏光板２１４、２１０の偏光方向が互いに角度が９０度だけ異なるため、液晶層２１２のスイッチイング駆動ｙによって、固体撮像素子２００の受光部（Ｐ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３）への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。これによって、遮光層により遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。即ち、遮光層および垂直転送領域を別途設ける必要がない。
次に、図１４に示すように、偏光板２１４を通った入射光は、透明電極２１３から液晶層２１２を経て透明電極２１１、偏光板２１０さらに透明電極２０９を通過し、そのまま、固体撮像素子２００の各受光部（Ｐ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３）まで到達する。固体撮像素子２００の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３を設けており、ここで、光電変換した電子は、Ｐ型注入領域２０２からポテンシャルが低い方のＮ型注入領域２０３側に集まって蓄積される。なお、Ｎ型注入領域２０３はＰ型注入領域２０２によって分離されているが、これに限らず、同じＮ型注入領域２０３同士であっても、不純物の注入を１回で済ませて、ポテンシャル電位の山と谷を作れば同じＮ型注入領域２０３同士であっても、信号電荷が互いに混ざり合わないように、隣接する列部と分離可能である。
【００１８】
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極２０４〜２０９の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極２０４〜２０９を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となる。
【００１９】
なお、液晶層２１２には、上記ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料の他に、コレステリック液晶材料を用いることができる。このコレステリック液晶材料は、液晶分子のらせんの軸が縦向きかまたは横向きで安定するので、駆動電圧を切っても半永久的に液晶分子の向きを維持できるメモリ性があることから、書き換え時のみ電力を用いる超低消費電力を実現することができる。また、一度表示した表示画面は、駆動電圧をかけて表示画面を変更する以外は駆動電圧をかけないので、画面がちらついたりしない。しかも、コレステリック液晶材料を用いることにより、偏光板２１０，２１４およびカラーフィルタ（図示せず）などを不要とすることから、紙のように薄くて軽く、しかも明るい液晶装置（液晶セル；デンシペーパ）を実現することができる。このように、コレステリック液晶材料を用いることにより、透過する光量を大幅に有効利用することができて、受光感度の大幅な向上を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平６−４５５６８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８０４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
特許文献２に開示されている上記従来の固体撮像素子２００では、その電荷転送時に液晶層２１２によって遮光が可能なため、垂直転送領域を遮光層と共に設ける必要がなく、透明電極を用いて１画素当たりの面積を大きく取ることができて、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができるものの、カラーフィルタに代えてコレステリック液晶材料を用いて一つの色を１画素（各液晶セル毎にＲＧＢのいずれかで所定の色配列）で検出可能であるが、現実的に静止画および動画のうち、特に動画をフルカラー撮像することは、コレステリック液晶の応答が遅いために現時点では困難であるという問題を有していた。
【００２２】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の固体撮像素子は、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、該複数の電荷転送駆動用の透明電極上または、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における透明層のバンドギャップが前記複数層の光電変換部の半導体層のバンドギャップよりも大きく、該光電変換部がその下層および上層の該透明層に挟み込まれて、該複数層の光電変換部でそれぞれ光電変換された各信号電荷が該光電変換部毎にそれぞれ閉じ込められるように構成されている。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部の深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、１画素部毎の複数の色信号が該複数層の光電変換部からの各信号電荷に基づいて算出可能である。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第１受光部〜第３受光部の３層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い赤色光を主に吸収して光電変換する。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第１受光部〜第４受光部の４層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が長い赤色光を主に吸収して光電変換し、該第４受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換する。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記半導体層または前記半導体基板は可視光または近赤外光まで受光できるバンドギャップをもつ半導体であり、前記透明層は可視光を透過するバンドギャップを持っている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の電荷転送駆動用の透明電極に印加する高電圧と低電圧のうちの高電圧の印加隣接電極数を調整することにより、前記複数の光電変換部の平面視画素露光サイズを可変してフォトダイオード容量を可変可能とする。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の光電変換部の膜厚を調整することにより、フォトダイオード容量を可変可能とする。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における入射光透過／遮光制御手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光する液晶手段で構成されている。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記高電圧の前記電荷転送駆動用の透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。
【００３８】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３９】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００４０】
本発明においては、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、複数の電荷転送駆動用の透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【００４１】
これによって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたことにより、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
以上により、本発明によれば、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、貼り合せＳＯＩウエハの各事例について模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例１を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例２を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図８】図７の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、図７の固体撮像素子において２列３行に受光領域を拡張した場合のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図１１】特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。
【図１２】図１１の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１３】特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図１４】図１３の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図１５】本発明の実施形態３における固体撮像素子の要部構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１、２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【００４５】
図１および図２において、本実施形態１の固体撮像素子１は、半導体基板２（または半導体層）上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｄを介して、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｃを介して、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃ，４ｂおよびＮ型注入領域５ｃ，５ｂはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｃを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂおよびＮ型注入領域５ｂ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｂを介して、第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂ、４ａおよびＮ型注入領域５ｂ、５ａはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｂを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
【００４６】
これらのＰ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ａを介して、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極６〜１１をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。平面視で縦方向に配置されたＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａ上にＳｉＯ２膜３ａを介して、単層の透明電極６〜１１が横方向に配置されている。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板１２、液晶制御用の下側の透明電極１３、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料などからなる液晶層１４、液晶制御用の上側の透明電極１５、縦方向の偏光を通す偏光板１６をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板１２、１６を用いずに、ツイストネマテック（ＴＮ）やスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部からなるＳｉ層の３層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送を透明電極６〜１１で行うことにより、第１受光部〜第３受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。
【００４７】
電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、３層の電荷検出部により電荷検出されて３層分の信号電荷が増幅されて撮像信号として出力される。詳細に後述するが、３層分の各撮像信号は信号処理部により信号処理されて各画素毎のＲＧＢ信号を得ることができる。
【００４８】
ここでは、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５で構成される第１受光部〜第３受光部がそれぞれ透明絶縁層であるＳｉＯ２膜をそれぞれ介して３層の多層積層構造になっている。この３層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部（フォトダイオード部）を構成する３層のＳｉ層（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）をそれぞれＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため３層の各Ｓｉ層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層（ここではＳｉＯ２膜とＳｉ層）を組み合わせ３層の第１受光部〜第３受光部（光電変換部）からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域で構成される複数層の光電変換部がそれぞれ、間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）を組み合わせた多層積層構造（ここでは３層）になっている。
【００４９】
なお、Ｓｉ層間にＳｉＯ２膜がない場合のＣＭＯＳの多層ＰＤからの優位性について説明すると、イオン注入によるポテンシャル差（ＰＮ間）は、およそ２−３ｅＶである。受光部の上下膜としてＳｉＯ２膜を使用すれば、そのバンドギャップ（Ｂａｎｄ Ｇａｐ）は８−９ｅＶあるためＶｐｄ容量確保に有利である。ポテンシャル段差を上下空間的に明確にできるるので、上下方向での容量確保に有利に働く。
【００５０】
一方、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄおよび３層のＳｉ層は可視光が透過しかつ、３層のＳｉ層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、３層のＳｉ層は各色の受光部（ダイオード部）とすることができる。例えば第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａは、最上層であり光の波長が最も短い青色光（Ｂ）を主に吸収して光電変換し、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂは、中間層であり光の波長が中間の緑色光（Ｇ）を主に吸収して光電変換し、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃは、最下層であり光の波長が最も長い赤色光（Ｒ）を主に吸収して光電変換する。このように、光電変換部である第１受光部〜第３受光部の多層化による多原色（ここでは三原色のＲＧＢ）のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
【００５１】
以上の偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造を持つ固体撮像素子１が構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。これによって、従来の素子分離領域および垂直転送部が必要なくなって、その分、受光面積を広げることができることから、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスもなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる。
【００５２】
さらに、透明電極６〜１１に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ（電荷転送制御手段）が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極６〜１１の一または複数に交互に印加する所定のパターンにより、電荷転送駆動用の透明電極６〜１１下の縦方向のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの深いポテンシャル電位領域に画素毎（各受光部毎）の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶層１４の液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極６〜１１の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極６〜１１下の縦方向の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよび３層のＮ型注入領域５ａ〜５ｃの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造によって、液晶セルを遮光させた状態で、各信号電荷を順次電荷転送することができて、スミア特性の劣化を抑制することができる。
【００５３】
この場合、高電圧の透明電極６〜１１の印加位置を一または複数に印加することにより、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造の平面視の画素サイズ（フォトダイオード容量）も制御可能である。また、第１受光部〜第３受光部の３層積層構造の光電変換部の多層膜厚によってフォトダイオード容量を制御することもできる。
【００５４】
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板１６を通り、縦方向の偏光板１６を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層１４のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極１３および１５に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板１２に至る。偏光板１６、１２の偏光方向が互いに角度が９０度だけ異なるため、液晶層１４のスイッチイングによって、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部の３層積層構造への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。
次に、偏光板１６を通った入射光は、透明電極１５から液晶層１４を経て透明電極１３、偏光板１２さらに透明電極１１からＳｉＯ２膜３ａを通過し、そのまま、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）まで順次到達する。固体撮像素子１の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの３層の積層構造が設けられており、ここで、光電変換した電子は、ポテンシャルが低い方のＮ型注入領域４側に集まって蓄積されると共に、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄにより３層の第１受光部〜第３受光部（各Ｓｉ層）に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。
【００５５】
なお、Ｐ型注入領域４ａ〜４ｃによってＮ型注入領域５ａ〜５ｃが横方向に複数分離されている。縦方向の各同じ層のＮ型注入領域５ａ〜５ｃであっても、不純物の注入を１回または数回の均等な不純物注入（不純物濃度（Ｎ型またはＰ型）が、例えば１×１０１８ｃｍ−３）で済ませて、透明電極６〜１１に対する電圧印加によりポテンシャル電位の山と谷を作れば同じ層のＮ型注入領域５同士であっても、信号電荷が平面視縦方向（列方向）に互いに混ざり合わないように、縦方向の３層の第１受光部〜第３受光部（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）の各層において、縦方向の各同じ層の隣接するＮ型注入領域５同士で分離可能である。
【００５６】
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極６〜１１の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極６〜１１を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となる。
【００５７】
要するに、上から入射された光は、偏光板１６を通り縦偏光とされる。その縦偏光は、液晶層１４のスイッチイング特性により偏光方向がコントロールされ、偏光板１２に届く。偏光板１６，１２の偏光方向が異なるため、液晶層１４のスイッチイングによって、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部への入射光を露光または遮光にコントロールできる。これによって、従来のように遮光膜で遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。
下側の偏光板１２を通った光は、電極に透明電極６〜１１を採用したため、そのまま固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部まで到達する。固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部は、平面視で縦方向にＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５を設けており、ここで、光電変換した電子（信号電荷）は、Ｐ型注入領域４からポテンシャルが低いＮ型注入領域５側に集まって、各画素毎に撮像が為される。
このとき、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部（各フォトダイオード部）は、その深さ方向に応じて光の波長による吸収係数が異なるため、最適に多層化した各フォトダイオード部では、その各層で各色（ここではＲＧＢ）の撮像が可能となり、その結果、一画素で多色撮像（三原色撮像）が可能となる。この場合、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、混色はするが、信号処理によりＲ尊号、Ｇ信号およびＢ信号を得ることが可能である。信号処理については詳細に後述する。
【００５８】
最後に、電荷転送方法ついては、縦方向に順次並べて配置された横方向の透明電極６〜１１に対する駆動電圧を、縦方向に順送りすることにより、画素毎の各信号電荷を電荷転送することができる。この場合、透明電極６〜１１を用いたため、１層配線での転送が可能となる。
【００５９】
ここで、本実施形態１の固体撮像素子１の電荷転送方法の一例について図３（ａ）〜図３（ｃ）を用いて詳細に説明する。
【００６０】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、図１の固体撮像素子１に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。ここで、透明電極６〜１１に印加する低電圧を「０Ｖ」、高電圧を「５Ｖ」する。
【００６１】
まず、図３（ａ）の「Ｔｉｍｅ１」に示すように、Ｐ型注入領域４とＮ型注入領域５が縦方向に設けられており、最も上の１行目（行Ｒ１）の電荷転送用の横方向の透明電極６に駆動電圧「０Ｖ」が印加される場合に、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２、３行目（行Ｒ２、３）の電荷転送用の透明電極７，８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極７，８下のＮ型注入領域５（Ｎ型注入領域５ａ〜５ｃ）に信号電荷が蓄積されて保持される。
【００６２】
次に、図３（ｂ）の「Ｔｉｍｅ２」に示すように、最も上の１、２行目（行Ｒ１、２）の電荷転送用の透明電極６、７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３行目（行Ｒ３）の電荷転送用の透明電極８に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から４、５行目（行Ｒ４、５）の電荷転送用の透明電極９，１０に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から６行目（行Ｒ６）の電荷転送用の透明電極１１に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。
【００６３】
その後、図３（ｃ）の「Ｔｉｍｅ３」において、最も上の１行目（行Ｒ１）の電荷転送用の透明電極６に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（行Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３、４行目（行Ｒ３、４）の電荷転送用の透明電極８，９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。
【００６４】
これによって、「Ｔｉｍｅ１」で透明電極７、８下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷が、「Ｔｉｍｅ３」では透明電極８、９下のＮ型注入領域５に電荷転送されて垂直方向に一つ電荷転送される。この電荷転送が、撮像領域全面の第１受光部〜第３受光部で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が次に水平方向に電荷転送されることになる。
【００６５】
なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）では、入射光が多い場合の電荷転送パターンであって、駆動電圧「０Ｖ」および「５Ｖ」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、「Ｔｉｍｅ１」で２行の透明電極７、８下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送する場合について説明したが、これに限らず、駆動電圧「０Ｖ」および「５Ｖ」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、入射光が少ない場合の電荷転送パターンとして、「Ｔｉｍｅ１」でより画素面積の広い３行の透明電極７〜９下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよいし、さらに、「Ｔｉｍｅ１」でより画素面積の広い４行の透明電極７〜１０下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよい。
【００６６】
次に、液晶セルを組み合わした固体撮像素子１の製造方法について説明する。
【００６７】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、貼り合せＳＯＩウエハの各事例について模式的に示す断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例１を模式的に示す断面図である。
【００６８】
図５（ａ）に示すように、半導体基板２１（または半導体層）の表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、図５（ｂ）に示すように、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ａ）に示すように、このＳｉ層２３に対して所定パターンにてＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度にイオン注入して、前述した第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃとを交互に横方向に配置させる。
【００６９】
また同様に、縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ｂ）に示すように、このＳｉ層２３に対して、下側の縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃのパターンと位置整合するように位置決めして、所定パターンでＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂとを交互に横方向に配置させる。
【００７０】
さらに同様に、縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ｃ）に示すように、このＳｉ層２３に対して、下側の縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂのパターンと位置が整合するように位置決めして、所定パターンでＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａとを交互に横方向に配置させる。
【００７１】
次に、前述した第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜３ａを形成し、その上に、フォトリソ技術を用いて各横方向の透明電極６〜１１を連続して形成する。
【００７２】
さらにその上に、偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６で構成された入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが貼り合わされる。これによって、液晶セルが組み合わされた本実施形態１の固体撮像素子１を製造することができる。
【００７３】
なお、図５（ａ）および図５（ｂ）では、半導体基板２１（または半導体層）の表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せたが、これとは逆に、図６（ａ）および図６（ｂ）のように、Ｓｉ層（デバイス層）２３ａの表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その下に半導体基板２１（または半導体層）を貼り合わせてもよい。
【００７４】
ここで、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、混色はするが、信号処理によりＲ尊号、Ｇ信号およびＢ信号を得ることが可能である。この場合の信号処理について以下に詳細に説明する。
【００７５】
３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、上から第１受光部〜第３受光部とし、第１受光部の膜厚をｘ１とし、第２受光部の膜厚をｘ２とし、第３受光部の膜厚をｘ３とする。入射する可視光
をＲ，Ｇ，Ｂの合成と考え、それぞれの初期値を
、吸収係数を
としたときの深さｘでの各光量を、
とすると、次の式（１）が成立する。
【００７６】
【数１】
【００７７】
今、各層の信号量をＪとすると、次の式（２）が成立する。
【００７８】
【数２】
【００７９】
したがって、第１層目の信号量は、次の式（３）で現される。
【００８０】
【数３】
【００８１】
第２層の信号量は、次の式（４）で現される。
【００８２】
【数４】
【００８３】
第３層の信号量は、次の式（５）で現される。
【００８４】
【数５】
【００８５】
ここで、各層の信号としてＪｉが得られる。この情報から入射する可視光のＩｉ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の信号量を求める。
【００８６】
上式では、各波長の吸収係数と各層の膜厚は既知であることから、Ｉｉの係数は全て求められる。
【００８７】
ここで層番号をｉとして、次の式（６）で置き換える。
【００８８】
【数６】
【００８９】
上記式（３）〜式（５）は式（７）となる。
【００９０】
【数７】
【００９１】
行列Ａを次の式（８）とする。
【００９２】
【数８】
【００９３】
このように、行列Ａを次の式（８）とし、ベクトルをブラケット表記すると、次の式（９）となる。
【００９４】
【数９】
【００９５】
したがって、式（１０）となる。
【００９６】
【数１０】
【００９７】
ここで、多層化に対して一般化（Ｎ次元化）すると、各波長に合わせた層で信号を得る場合、層Ｎｏをｉ、波長をλとすると上記式（１）および式（２）は次の式（１’）および式（２’）になる。
【００９８】
【数１１】
【００９９】
上記式（６）は各波長λが層ｉにて吸収される量としてＣを次式で再定義すると、次の式（６’）になる。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
このとき、行列Ａの成分は、連続量である波長λを離散量として扱う（層ｉに対応するλを決める）。上記式（８）は次の式（８’）になる。
【０１０２】
【数１３】
【０１０３】
このとき、式（９）および式（１０）はＮ次元の場合での一般性を失わない。したがって、式（１０）によって、入射する可視光のλ成分
が求まる。これによって、第１受光部〜第３受光部からの画素毎の各撮像信号からＲＧＢ信号を信号処理により得ることができる。
【０１０４】
以上により、本実施形態１によれば、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部（３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃ）が、光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄ）をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５と、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【０１０５】
これによって、次の（１）〜（８）の効果を得ることができる。
【０１０６】
（１）多層のフォトダイオード部（第１受光部〜第３受光部）の構造から、カラーフィルタやその上のレンズを形成するオンチップ（ＯｎＣｈｉｐ）工程が不要である。１画素毎に多原色撮像が可能である。各色の容量を、透明電極６〜１１に対する電圧印加制御や半導体層厚により変更できる。
【０１０７】
（２）従来の構成（図１１，１２）では、ＰＤ部、垂直転送部、画素分離領域が必要であったが、本実施形態１では、垂直転送部と画素分離領域が不必要となり、その結果、受光部上の開効率が向上して感度特性が向上する。
【０１０８】
（３）液晶層１４のスイッチイング特性により、光を透過または遮断でき、フォトダイオード部（第１受光部〜第３受光部）と垂直転送部が一体となっており、原理上スミアが発生しない。
【０１０９】
（４）透明電極６〜１１を用いることにより、単層電極での電荷転送が可能になった。
【０１１０】
（５）固体撮像素子１の画素部に必要な不純物イオン注入工程が縦方向一体となって単純なことから、白傷不良などの不良を低減でき、高歩留まりが期待できる。
【０１１１】
（６）垂直転送部への信号電荷の移動（読み出し）が不必要であり、その結果、透明電極６〜１１の基準電圧が最低２つ（高電圧と低電圧）で済む。低電圧化によって低消費電力化を実現することができる。
【０１１２】
（７）透明電極６〜１１への印加電圧パターンが可変なため、画素サイズを自由に変更できる。
【０１１３】
（８）レンズレスで撮像を行うことができる。
【０１１４】
したがって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【０１１５】
（実施形態２）
本実施形態２では、上記実施形態１の場合よりも暗い場合でも１画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現する場合について事例的に説明する。
【０１１６】
図７は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。図８は、図７の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。なお、図７および図８では、図１および図２の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。
【０１１７】
図７および図８において、本実施形態２の固体撮像装置１Ａにおいて、上記実施形態１の固体撮像装置１の場合と異なるのは、図１の１列のＮ型注入領域５が、図７の固体撮像素子１Ａでは、２列のＮ型注入領域５，５になって上面から見て、左右の幅を広く取っていることと、第４受光部を更に設けて４層積層構造にした点が異なっている。この場合、２列のＮ型注入領域５，５の間は薄いＮ型拡散層になっている。Ｐ型注入領域４と２列のＮ型注入領域５，５とが半導体層に交互に一方向に隣接配置されている。両側のＰ型注入領域４がその間の２つ分のＮ型領域５，５を分離することができる。前述したように撮像対象が更に暗い場合に、２列のＮ型注入領域５，５と例えば３行の透明電極下のＮ型注入領域５，５とを平面視で１画素部として組み合わせて画素サイズを大きく取ることができる。要するに、Ｎ型領域を大きく（上面から見て、左右の幅を広く取る）することと、透明電極を２行から３行（または４行またはそれ以上）など増やして電圧を印加すれば、平面視画素サイズがより大きく取ることができる。
【０１１８】
即ち、半導体基板２（または半導体層）上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｅを介して、第４受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｄと２列のＮ型注入領域５ｄとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｄおよび２列のＮ型注入領域５ｄ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｄを介して、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃと２列のＮ型注入領域５ｃとが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃ，４ｄおよび２列のＮ型注入領域５ｃ，５ｄはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｄを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｃを介して、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂと２列のＮ型注入領域５ｂとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂ，４ｃおよび２列のＮ型注入領域５ｂ，５ｃはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｃを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂおよびＮ型注入領域５ｂ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｂを介して、第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａと２列のＮ型注入領域５ａとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ、４ｂおよび２列のＮ型注入領域５ａ、５ｂはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｂを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ〜４ｄと２列のＮ型注入領域５ａ〜５ｄはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
【０１１９】
Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５で構成される第１受光部〜第４受光部がそれぞれ透明絶縁層であるＳｉＯ２膜をそれぞれ介して４層の多層積層構造になっている。この４層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部（フォトダイオード部）を構成する４層のＳｉ層（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）をそれぞれＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため４層の各Ｓｉ層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層（ここではＳｉＯ２膜とＳｉ層）を組み合わせ４層の第１受光部〜第４受光部（光電変換部）からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域で構成される複数層（ここでは４層）の光電変換部がそれぞれ、各間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）を介在させた多層積層構造になっている。
【０１２０】
ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅおよび４層のＳｉ層は可視光が透過しかつ、４層のＳｉ層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、４層のＳｉ層は各色の受光部（ダイオード部）とすることができる。例えば第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａと２列のＮ型注入領域５ａは、最上層であり光の波長が最も短い青色光（Ｂ）を主に吸収して光電変換し、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂと２列のＮ型注入領域５ｂは、中間層であり光の波長が中間の緑色光（Ｇ）を主に吸収して光電変換し、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃと２列のＮ型注入領域５ｃは、最下層であり光の波長が長い赤色光（Ｒ）を主に吸収して光電変換し、第４受光部を構成する一方向のＰ型注入領域４ｄと２列のＮ型注入領域５ｄにおける光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換するようになっている。このように、光電変換部である第１受光部〜第４受光部の多層化による多原色（ここでは三原色のＲＧＢおよび近赤外）のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
【０１２１】
図８の偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第１受光部〜第４受光部の４層積層構造を持つ固体撮像素子１Ａが構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
【０１２２】
ここで、本実施形態２の固体撮像素子１Ａの電荷転送方法の一例について図９（ａ）〜図９（ｃ）を用いて詳細に説明する。
【０１２３】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、図７の固体撮像素子１Ａにおいて２列３行に受光領域を拡張した場合のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。ここで、透明電極６〜１１に印加する低電圧を「０Ｖ」、高電圧を「５Ｖ」する。
【０１２４】
図９（ａ）の「Ｔｉｍｅ１」に示すように、Ｐ型注入領域４と２列のＮ型注入領域５が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極６（Ｒ１）に駆動電圧「０Ｖ」が印加された場合に、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなている。このとき、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）の電荷転送用の透明電極７〜９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極７〜９下の２列のＮ型注入領域５に信号電荷が蓄積されて保持される。
【０１２５】
次に、図９（ｂ）の「Ｔｉｍｅ２」に示すように、最も上の行Ｒ１と２行目の行Ｒ２の電荷転送用の透明電極６、７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１と２行目の行Ｒ２のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３、４行目の行Ｒ３、４の電荷転送用の透明電極８、９に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、上から３、４行目の行Ｒ３、４のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から５、６行目の行Ｒ５およびＲ６の電荷転送用の透明電極１０，１１に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、上から５、６行目の行Ｒ５およびＲ６のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。
【０１２６】
その後、図９（ｃ）の「Ｔｉｍｅ３」に示すように、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極６に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、上から２行目の行Ｒ２のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３〜５行目の行Ｒ３〜Ｒ５の電荷転送用の透明電極８〜１０に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、上から３〜５行目の行Ｒ３〜Ｒ５のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなている。よって、透明電極８〜１０下の２列のＮ型注入領域５に保持された信号電荷が、透明電極８〜１０下の２列のＮ型注入領域５に保持されて垂直方向に一一コマ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。
【０１２７】
電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の４層のＰ型注入領域４ａ〜４ｄとＮ型注入領域５ａ〜５ｄが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の４層のＰ型注入領域４ａ〜４ｄとＮ型注入領域５ａ〜５ｄが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、４層に対応した各電荷検出部により電荷検出されて４層分の信号電荷がそれぞれ増幅されて各撮像信号として出力される。前述したが、４層分の各撮像信号は所定の信号処理部により信号処理されて各画素毎のＲＧＢ信号および近赤外信号を得ることができる。
【０１２８】
以上により、本実施形態２によれば、上記実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【０１２９】
特に、本実施形態２によれば、上記実施形態１の場合よりも暗い場合でも１画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【０１３０】
（実施形態３）
本実施形態３では、電荷転送用の透明電極が照射面側とは反対側に存在する裏面照射の場合について説明する。
【０１３１】
図１５は、本発明の実施形態３における固体撮像素子の要部構成例を示す断面図である。なお、図１５では、図２の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。
【０１３２】
図１５に示すように、裏面照射の固体撮像素子１Ｂは、半導体層（または半導体基板）に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層（ここでは３層）の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅ）をその各間に介在させて積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃと、Ｐ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明層（ＳｉＯ２膜３ｅ）を介して設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、Ｐ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａ上に透明層（ＳｉＯ２膜３ａ）を介して入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段としての液晶セルとを有している。
【０１３３】
液晶セルは、横方向の偏光を通す偏光板１２、液晶制御用の下側の透明電極１３、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料などからなる液晶層１４、液晶制御用の上側の透明電極１５、縦方向の偏光を通す偏光板１６をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板１２、１６を用いずに、ツイストネマテック（ＴＮ）やスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部からなるＳｉ層の３層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送用の透明電極６〜１１が照射面側とは反対側に存在する裏面照射により、第１受光部〜第３受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて格段に向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。この場合、透明電極６〜１１は、入射光を遮断してもよく透明電極でなくてもよい。
【０１３４】
本実施形態３の固体撮像素子１Ｂによれば、電荷転送用の透明電極６〜１１が照射面側とは反対側に存在するため、Ｐ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａに光入射させるのに、液晶セルを通過した入射光は上記実施形態１，２のように透明電極６〜１１を通過する必要ななく、その分、入射光の利用効率がよくなる。
【０１３５】
なお、本実施形態３では特に説明しなかったが、間にＳｉＯ２膜が介在した３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの製造方法や、透明電極６〜１１による電荷転送方法について上記実施形態１，２と同様である。要するに、電荷転送用の透明電極６〜１１が、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５の照射面側とは反対側に位置している以外は上記実施形態１，２と同様である。
【０１３６】
（実施形態４）
図１０は、本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【０１３７】
図１０において、本実施形態４の電子情報機器９０は、上記実施形態１〜３の固体撮像素子１、１Ａおよび１Ｂのいずれかからの撮像信号に対して所定の信号処理を行ってカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【０１３８】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【０１３９】
したがって、本実施形態４によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【０１４０】
なお、本実施形態１〜３では、光電変換部を構成する半導体層（または半導体基板）がシリコン層（またはシリコン基板）であり、透明層が二酸化シリコン層である場合について説明したが、これに限らず、光電変換部を構成する半導体層（または半導体基板）がゲルマニュウム層（またはゲルマニュウム基板）であり、透明層が二酸化シリコン層であってもよい。要するに、半導体層（または半導体基板）が可視光または近赤外まで受光できるバンドギャップをもつ半導体（例えばシリコンまたはゲルマニュウムなど）であり、透明層が可視光を透過するバンドギャップをもつ二酸化シリコン層などである。
【０１４１】
なお、本実施形態１〜３では、特に詳細には説明しなかったが、高電圧の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１の印加位置を一または複数に印加することにより、画素部毎の信号電荷を各光電変換部で保持する平面視画素露光サイズが制御可能とされており、画素露光サイズは、他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている。高電圧は複数の高電圧を有して、半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に順次深くなるように半導体層または半導体基板に高電圧を付与するようにしてもよい。この場合の半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。
【０１４２】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜４に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜４の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１、１Ａ、１Ｂ 固体撮像素子
２ 半導体基板（または半導体層）
３ａ〜３ｅ ＳｉＯ２膜（透明層）
４、４ａ〜４ｄ Ｐ型注入領域
５、５ａ〜５ｄ Ｎ型注入領域
６〜１１ 透明電極
１２ 偏光板
１３ 透明電極
１４ 液晶層
１５ 透明電極
１６ 偏光板
２１ 半導体基板（または半導体層）
２２ ＳｉＯ２膜
２３ａ，２３ Ｓｉ層
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像素子として、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を電荷転送部により所定方向に電荷転送した後に増幅して撮像信号を得るＣＣＤ固体撮像素子と、画素部毎に光電変換して生成した各信号電荷を増幅して撮像信号として信号読み出しを行うＣＭＯＳ固体撮像素子とがある。
【０００３】
このＣＣＤ固体撮像素子について特許文献１にその構成が開示されており、通常、固体撮像素子の垂直転送時は、垂直転送部上が遮光膜により遮光されている必要がある。
【０００４】
図１１は、特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。
【０００５】
図１１において、従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、被写体からの画像光を光電変換して信号電荷を生成する受光部１０１上の遮光膜の開口部１０２と、この開口部１０２下の受光部１０１から読み出された信号電荷を所定方向に電荷転送するための垂直転送部１０３と、この受光部１０１と垂直転送部１０３間のチャネル部１０４と、隣接画素との間を素子分離するための素子分離領域１０５とに分けることができる。
【０００６】
図１２は、図１１の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。
【０００７】
図１２に示すように、この従来のＣＣＤ固体撮像素子１００の単位画素部は、Ｎ型シリコン基板１１１上の第１のＰ型ウェル領域１１２内にＮ型の受光部１０１と、垂直転送部１０３を構成する垂直レジスタ１１３と、その外周側の素子分離領域１０５を構成するＰ型のチャネル・ストッパ領域１１４とが形成されている。また、受光部１０１の表面側にＰ型の正電荷蓄積領域１１５が形成され、垂直レジスタ１１３の直下には第２のＰ型ウェル領域１１６が形成されている。
【０００８】
垂直レジスタ１１３上にゲート絶縁膜１１７を介して多結晶シリコン層による転送電極１１８が選択的に形成され、この転送電極１１８上に層間絶縁膜１１９を介してＡｌ遮光膜１２０が形成され、このＡｌ遮光膜１２０を含む全面に例えばプラズマＳｉＮ膜による表面保護層１２１が形成されてＣＣＤ固体撮像素子１００が構成されている。なお、受光部１０１と垂直レジスタ１１３間のＰ型領域は読出しゲートであるチャネル部１０４を構成している。
【０００９】
Ａｌ遮光膜１２０は、受光部１０１上で選択的にエッチング除去されており、光Ｌは、このエッチング除去によって形成された受光部１０１上の開口部１０２を通して受光部１０１内に入射されるようになっている。このとき、受光部１０１の周縁上に、Ａｌ遮光膜１２０が一部が残った形となっている。
【００１０】
Ａｌ遮光膜１２０中、受光部１０１の周縁上におけるＡｌ遮光膜１２０の上部を傾斜状１２０ａに形成して構成している。
【００１１】
上記特許文献１では、単位画素部１００の微細化に伴って、開口部１０２の開口率が低下して受光感度特性が劣化するため、開口部１０２の開口率を上げるべく、開口部１０２の開口サイズを広げると、斜め光が開口部１０２から、遮光膜１２０で遮光されている電荷転送部１０３側に入って表示画面上で縦スジとなって現れてしまい、スミア特性が劣化していた。
【００１２】
これに対して、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる固体撮像素子が、特許文献２に提案されている。
【００１３】
図１３は、特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図１４は、図１３の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【００１４】
図１３および図１４において、従来の固体撮像素子２００は、半導体基板２０１（または半導体層）上に、各受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域２０２とＮ型注入領域２０３とが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３上に、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極２０４〜２０９をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板２１０、液晶制御用の下側の透明電極２１１、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料からなる液晶層２１２、液晶制御用の上側の透明電極２１３、縦方向の偏光を通す偏光板２１４をこの順に積層する。
【００１５】
これらの偏光板２１０、透明電極２１１、液晶層２１２、透明電極２１３および偏光板２１４から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する固体撮像素子２００が構成されている。この液晶セルは露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
【００１６】
さらに、透明電極２０４〜２０９に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ（電荷転送制御手段）が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極２０４〜２０９の一または複数に交互に印加する所定の電圧印加パターンにより、電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９下の縦方向のＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３の深いポテンシャル電位領域に画素毎（各受光部毎）の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極２０４〜２０９の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極２０４〜２０９下の縦方向のＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３の深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。
【００１７】
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板２１４を通り、縦方向の偏光を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層２１２のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極２１１および２１３に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板２１０に至る。偏光板２１４、２１０の偏光方向が互いに角度が９０度だけ異なるため、液晶層２１２のスイッチイング駆動ｙによって、固体撮像素子２００の受光部（Ｐ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３）への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。これによって、遮光層により遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。即ち、遮光層および垂直転送領域を別途設ける必要がない。
次に、図１４に示すように、偏光板２１４を通った入射光は、透明電極２１３から液晶層２１２を経て透明電極２１１、偏光板２１０さらに透明電極２０９を通過し、そのまま、固体撮像素子２００の各受光部（Ｐ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３）まで到達する。固体撮像素子２００の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域２０２およびＮ型注入領域２０３を設けており、ここで、光電変換した電子は、Ｐ型注入領域２０２からポテンシャルが低い方のＮ型注入領域２０３側に集まって蓄積される。なお、Ｎ型注入領域２０３はＰ型注入領域２０２によって分離されているが、これに限らず、同じＮ型注入領域２０３同士であっても、不純物の注入を１回で済ませて、ポテンシャル電位の山と谷を作れば同じＮ型注入領域２０３同士であっても、信号電荷が互いに混ざり合わないように、隣接する列部と分離可能である。
【００１８】
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極２０４〜２０９の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極２０４〜２０９を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となる。
【００１９】
なお、液晶層２１２には、上記ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料の他に、コレステリック液晶材料を用いることができる。このコレステリック液晶材料は、液晶分子のらせんの軸が縦向きかまたは横向きで安定するので、駆動電圧を切っても半永久的に液晶分子の向きを維持できるメモリ性があることから、書き換え時のみ電力を用いる超低消費電力を実現することができる。また、一度表示した表示画面は、駆動電圧をかけて表示画面を変更する以外は駆動電圧をかけないので、画面がちらついたりしない。しかも、コレステリック液晶材料を用いることにより、偏光板２１０，２１４およびカラーフィルタ（図示せず）などを不要とすることから、紙のように薄くて軽く、しかも明るい液晶装置（液晶セル；デンシペーパ）を実現することができる。このように、コレステリック液晶材料を用いることにより、透過する光量を大幅に有効利用することができて、受光感度の大幅な向上を達成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平６−４５５６８号公報
【特許文献２】特開２００８−２８０４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
特許文献２に開示されている上記従来の固体撮像素子２００では、その電荷転送時に液晶層２１２によって遮光が可能なため、垂直転送領域を遮光層と共に設ける必要がなく、透明電極を用いて１画素当たりの面積を大きく取ることができて、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができるものの、カラーフィルタに代えてコレステリック液晶材料を用いて一つの色を１画素（各液晶セル毎にＲＧＢのいずれかで所定の色配列）で検出可能であるが、現実的に静止画および動画のうち、特に動画をフルカラー撮像することは、コレステリック液晶の応答が遅いために現時点では困難であるという問題を有していた。
【００２２】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる固体撮像素子および、この固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の固体撮像素子は、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、該複数の電荷転送駆動用の透明電極上または、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
また、好ましくは、本発明の固体撮像素子における透明層のバンドギャップが前記複数層の光電変換部の半導体層のバンドギャップよりも大きく、該光電変換部がその下層および上層の該透明層に挟み込まれて、該複数層の光電変換部でそれぞれ光電変換された各信号電荷が該光電変換部毎にそれぞれ閉じ込められるように構成されている。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部の深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、１画素部毎の複数の色信号が該複数層の光電変換部からの各信号電荷に基づいて算出可能である。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第１受光部〜第３受光部の３層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い赤色光を主に吸収して光電変換する。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数層の光電変換部が、第１受光部〜第４受光部の４層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が長い赤色光を主に吸収して光電変換し、該第４受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換する。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記半導体層または前記半導体基板は可視光または近赤外光まで受光できるバンドギャップをもつ半導体であり、前記透明層は可視光を透過するバンドギャップを持っている。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の電荷転送駆動用の透明電極に印加する高電圧と低電圧のうちの高電圧の印加隣接電極数を調整することにより、前記複数の光電変換部の平面視画素露光サイズを可変してフォトダイオード容量を可変可能とする。
【００３０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における複数の光電変換部の膜厚を調整することにより、フォトダイオード容量を可変可能とする。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における入射光透過／遮光制御手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光する液晶手段で構成されている。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。
【００３５】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子において、前記高電圧の前記電荷転送駆動用の透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている。
【００３６】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像素子における半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。
【００３８】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３９】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００４０】
本発明においては、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、複数の電荷転送駆動用の透明電極上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【００４１】
これによって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたことにより、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００４２】
以上により、本発明によれば、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図２】図１の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１の固体撮像素子に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、貼り合せＳＯＩウエハの各事例について模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例１を模式的に示す断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例２を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図８】図７の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、図７の固体撮像素子において２列３行に受光領域を拡張した場合のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。
【図１０】本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図１１】特許文献１に開示されている従来のＣＣＤ固体撮像素子の単位画素部の要部構成例を示す平面図である。
【図１２】図１１の従来のＣＣＤ固体撮像素子のＡ−Ｂ線断面図である。
【図１３】特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。
【図１４】図１３の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【図１５】本発明の実施形態３における固体撮像素子の要部構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下に、本発明の固体撮像素子の実施形態１、２および、この固体撮像素子の実施形態１、２を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態３について図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図であり、図２は、図１の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。
【００４５】
図１および図２において、本実施形態１の固体撮像素子１は、半導体基板２（または半導体層）上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｄを介して、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｃを介して、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃ，４ｂおよびＮ型注入領域５ｃ，５ｂはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｃを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂおよびＮ型注入領域５ｂ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｂを介して、第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂ、４ａおよびＮ型注入領域５ｂ、５ａはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｂを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
【００４６】
これらのＰ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ａを介して、電荷転送駆動用の横方向の単層の透明電極６〜１１をこの順に縦方向に繰り返し並べて配置する。平面視で縦方向に配置されたＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａ上にＳｉＯ２膜３ａを介して、単層の透明電極６〜１１が横方向に配置されている。さらに、その上に、横方向の偏光を通す偏光板１２、液晶制御用の下側の透明電極１３、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料などからなる液晶層１４、液晶制御用の上側の透明電極１５、縦方向の偏光を通す偏光板１６をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板１２、１６を用いずに、ツイストネマテック（ＴＮ）やスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部からなるＳｉ層の３層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送を透明電極６〜１１で行うことにより、第１受光部〜第３受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。
【００４７】
電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃとＮ型注入領域５ａ〜５ｃが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、３層の電荷検出部により電荷検出されて３層分の信号電荷が増幅されて撮像信号として出力される。詳細に後述するが、３層分の各撮像信号は信号処理部により信号処理されて各画素毎のＲＧＢ信号を得ることができる。
【００４８】
ここでは、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５で構成される第１受光部〜第３受光部がそれぞれ透明絶縁層であるＳｉＯ２膜をそれぞれ介して３層の多層積層構造になっている。この３層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部（フォトダイオード部）を構成する３層のＳｉ層（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）をそれぞれＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため３層の各Ｓｉ層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層（ここではＳｉＯ２膜とＳｉ層）を組み合わせ３層の第１受光部〜第３受光部（光電変換部）からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域で構成される複数層の光電変換部がそれぞれ、間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）を組み合わせた多層積層構造（ここでは３層）になっている。
【００４９】
なお、Ｓｉ層間にＳｉＯ２膜がない場合のＣＭＯＳの多層ＰＤからの優位性について説明すると、イオン注入によるポテンシャル差（ＰＮ間）は、およそ２−３ｅＶである。受光部の上下膜としてＳｉＯ２膜を使用すれば、そのバンドギャップ（Ｂａｎｄ Ｇａｐ）は８−９ｅＶあるためＶｐｄ容量確保に有利である。ポテンシャル段差を上下空間的に明確にできるるので、上下方向での容量確保に有利に働く。
【００５０】
一方、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄおよび３層のＳｉ層は可視光が透過しかつ、３層のＳｉ層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、３層のＳｉ層は各色の受光部（ダイオード部）とすることができる。例えば第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａは、最上層であり光の波長が最も短い青色光（Ｂ）を主に吸収して光電変換し、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂは、中間層であり光の波長が中間の緑色光（Ｇ）を主に吸収して光電変換し、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃは、最下層であり光の波長が最も長い赤色光（Ｒ）を主に吸収して光電変換する。このように、光電変換部である第１受光部〜第３受光部の多層化による多原色（ここでは三原色のＲＧＢ）のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
【００５１】
以上の偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造を持つ固体撮像素子１が構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。これによって、従来の素子分離領域および垂直転送部が必要なくなって、その分、受光面積を広げることができることから、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスもなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができる。
【００５２】
さらに、透明電極６〜１１に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする図示しないコントローラ（電荷転送制御手段）が設けられ、露光時に、液晶セルが入射光を透過制御した状態で、横方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１に、このコントローラから出力される電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極６〜１１の一または複数に交互に印加する所定のパターンにより、電荷転送駆動用の透明電極６〜１１下の縦方向のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの深いポテンシャル電位領域に画素毎（各受光部毎）の信号電荷を蓄積する。次の電荷転送時に、液晶層１４の液晶セルが入射光を遮光制御した状態で、電荷転送駆動用電圧（例えば「０Ｖ」と「５Ｖ」）のうちの高電圧と低電圧を透明電極６〜１１の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、電荷転送駆動用の透明電極６〜１１下の縦方向の３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよび３層のＮ型注入領域５ａ〜５ｃの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造によって、液晶セルを遮光させた状態で、各信号電荷を順次電荷転送することができて、スミア特性の劣化を抑制することができる。
【００５３】
この場合、高電圧の透明電極６〜１１の印加位置を一または複数に印加することにより、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部の３層積層構造の平面視の画素サイズ（フォトダイオード容量）も制御可能である。また、第１受光部〜第３受光部の３層積層構造の光電変換部の多層膜厚によってフォトダイオード容量を制御することもできる。
【００５４】
上記構成により、上から入射された入射光は、上側の偏光板１６を通り、縦方向の偏光板１６を通して偏光される。その縦方向の偏光は、液晶層１４のスイッチイング特性により、偏光方向が透明電極１３および１５に印加される制御信号によりコントロールされ、下側の偏光板１２に至る。偏光板１６、１２の偏光方向が互いに角度が９０度だけ異なるため、液晶層１４のスイッチイングによって、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部の３層積層構造への入射光を透過したり遮光したりコントロールすることができる。
次に、偏光板１６を通った入射光は、透明電極１５から液晶層１４を経て透明電極１３、偏光板１２さらに透明電極１１からＳｉＯ２膜３ａを通過し、そのまま、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）まで順次到達する。固体撮像素子１の各受光部では、縦方向にＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの３層の積層構造が設けられており、ここで、光電変換した電子は、ポテンシャルが低い方のＮ型注入領域４側に集まって蓄積されると共に、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため、ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄにより３層の第１受光部〜第３受光部（各Ｓｉ層）に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。
【００５５】
なお、Ｐ型注入領域４ａ〜４ｃによってＮ型注入領域５ａ〜５ｃが横方向に複数分離されている。縦方向の各同じ層のＮ型注入領域５ａ〜５ｃであっても、不純物の注入を１回または数回の均等な不純物注入（不純物濃度（Ｎ型またはＰ型）が、例えば１×１０１８ｃｍ−３）で済ませて、透明電極６〜１１に対する電圧印加によりポテンシャル電位の山と谷を作れば同じ層のＮ型注入領域５同士であっても、信号電荷が平面視縦方向（列方向）に互いに混ざり合わないように、縦方向の３層の第１受光部〜第３受光部（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）の各層において、縦方向の各同じ層の隣接するＮ型注入領域５同士で分離可能である。
【００５６】
最後に、電荷転送方法ついては、それぞれ配置された横方向の透明電極６〜１１の垂直電荷転送用の転送駆動電圧を、順送りすることにより電子（各信号電荷）を電荷転送することができる。このように、横方向の透明電極６〜１１を用いたため、１層配線での電荷転送が可能となる。
【００５７】
要するに、上から入射された光は、偏光板１６を通り縦偏光とされる。その縦偏光は、液晶層１４のスイッチイング特性により偏光方向がコントロールされ、偏光板１２に届く。偏光板１６，１２の偏光方向が異なるため、液晶層１４のスイッチイングによって、固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部への入射光を露光または遮光にコントロールできる。これによって、従来のように遮光膜で遮光された垂直転送領域を設ける必要がなくなる。
下側の偏光板１２を通った光は、電極に透明電極６〜１１を採用したため、そのまま固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部まで到達する。固体撮像素子１の第１受光部〜第３受光部は、平面視で縦方向にＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５を設けており、ここで、光電変換した電子（信号電荷）は、Ｐ型注入領域４からポテンシャルが低いＮ型注入領域５側に集まって、各画素毎に撮像が為される。
このとき、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部（各フォトダイオード部）は、その深さ方向に応じて光の波長による吸収係数が異なるため、最適に多層化した各フォトダイオード部では、その各層で各色（ここではＲＧＢ）の撮像が可能となり、その結果、一画素で多色撮像（三原色撮像）が可能となる。この場合、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、混色はするが、信号処理によりＲ尊号、Ｇ信号およびＢ信号を得ることが可能である。信号処理については詳細に後述する。
【００５８】
最後に、電荷転送方法ついては、縦方向に順次並べて配置された横方向の透明電極６〜１１に対する駆動電圧を、縦方向に順送りすることにより、画素毎の各信号電荷を電荷転送することができる。この場合、透明電極６〜１１を用いたため、１層配線での転送が可能となる。
【００５９】
ここで、本実施形態１の固体撮像素子１の電荷転送方法の一例について図３（ａ）〜図３（ｃ）を用いて詳細に説明する。
【００６０】
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、図１の固体撮像素子１に入る光が多い場合の電荷転送パターンを模式的に示す平面図である。ここで、透明電極６〜１１に印加する低電圧を「０Ｖ」、高電圧を「５Ｖ」する。
【００６１】
まず、図３（ａ）の「Ｔｉｍｅ１」に示すように、Ｐ型注入領域４とＮ型注入領域５が縦方向に設けられており、最も上の１行目（行Ｒ１）の電荷転送用の横方向の透明電極６に駆動電圧「０Ｖ」が印加される場合に、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなっている。このとき、上から２、３行目（行Ｒ２、３）の電荷転送用の透明電極７，８に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極７，８下のＮ型注入領域５（Ｎ型注入領域５ａ〜５ｃ）に信号電荷が蓄積されて保持される。
【００６２】
次に、図３（ｂ）の「Ｔｉｍｅ２」に示すように、最も上の１、２行目（行Ｒ１、２）の電荷転送用の透明電極６、７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３行目（行Ｒ３）の電荷転送用の透明電極８に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から４、５行目（行Ｒ４、５）の電荷転送用の透明電極９，１０に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から６行目（行Ｒ６）の電荷転送用の透明電極１１に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。
【００６３】
その後、図３（ｃ）の「Ｔｉｍｅ３」において、最も上の１行目（行Ｒ１）の電荷転送用の透明電極６に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（行Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３、４行目（行Ｒ３、４）の電荷転送用の透明電極８，９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、Ｐ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、Ｎ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなっている。
【００６４】
これによって、「Ｔｉｍｅ１」で透明電極７、８下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷が、「Ｔｉｍｅ３」では透明電極８、９下のＮ型注入領域５に電荷転送されて垂直方向に一つ電荷転送される。この電荷転送が、撮像領域全面の第１受光部〜第３受光部で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が次に水平方向に電荷転送されることになる。
【００６５】
なお、図３（ａ）〜図３（ｃ）では、入射光が多い場合の電荷転送パターンであって、駆動電圧「０Ｖ」および「５Ｖ」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、「Ｔｉｍｅ１」で２行の透明電極７、８下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送する場合について説明したが、これに限らず、駆動電圧「０Ｖ」および「５Ｖ」の各透明電極への印加パターンを垂直方向に順次ずらして行くことにより、入射光が少ない場合の電荷転送パターンとして、「Ｔｉｍｅ１」でより画素面積の広い３行の透明電極７〜９下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよいし、さらに、「Ｔｉｍｅ１」でより画素面積の広い４行の透明電極７〜１０下のＮ型注入領域５に保持された信号電荷を垂直方向に順次電荷転送するようにしてもよい。
【００６６】
次に、液晶セルを組み合わした固体撮像素子１の製造方法について説明する。
【００６７】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、貼り合せＳＯＩウエハの各事例について模式的に示す断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、貼り合せＳＯＩウエハの製造方法の事例１を模式的に示す断面図である。
【００６８】
図５（ａ）に示すように、半導体基板２１（または半導体層）の表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、図５（ｂ）に示すように、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ａ）に示すように、このＳｉ層２３に対して所定パターンにてＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度にイオン注入して、前述した第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃとを交互に横方向に配置させる。
【００６９】
また同様に、縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ｂ）に示すように、このＳｉ層２３に対して、下側の縦方向のＰ型注入領域４ｃとＮ型注入領域５ｃのパターンと位置整合するように位置決めして、所定パターンでＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂとを交互に横方向に配置させる。
【００７０】
さらに同様に、縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せ、貼り合せたＳｉ層２３ａを所定の厚さに研磨してＳｉ層２３とする。図４（ｃ）に示すように、このＳｉ層２３に対して、下側の縦方向のＰ型注入領域４ｂとＮ型注入領域５ｂのパターンと位置が整合するように位置決めして、所定パターンでＰ型不純物とＮ型不純物をそれぞれ所定の不純物濃度でイオン注入して、前述した第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａとを交互に横方向に配置させる。
【００７１】
次に、前述した第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａとＮ型注入領域５ａの表面を熱酸化によりＳｉＯ２膜３ａを形成し、その上に、フォトリソ技術を用いて各横方向の透明電極６〜１１を連続して形成する。
【００７２】
さらにその上に、偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６で構成された入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが貼り合わされる。これによって、液晶セルが組み合わされた本実施形態１の固体撮像素子１を製造することができる。
【００７３】
なお、図５（ａ）および図５（ｂ）では、半導体基板２１（または半導体層）の表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その上にＳｉ層（デバイス層）２３ａを貼り合せたが、これとは逆に、図６（ａ）および図６（ｂ）のように、Ｓｉ層（デバイス層）２３ａの表面を熱酸化により透明絶縁層であるＳｉＯ２膜２２を形成し、その下に半導体基板２１（または半導体層）を貼り合わせてもよい。
【００７４】
ここで、３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、混色はするが、信号処理によりＲ尊号、Ｇ信号およびＢ信号を得ることが可能である。この場合の信号処理について以下に詳細に説明する。
【００７５】
３層積層構造の第１受光部〜第３受光部において、上から第１受光部〜第３受光部とし、第１受光部の膜厚をｘ１とし、第２受光部の膜厚をｘ２とし、第３受光部の膜厚をｘ３とする。入射する可視光
をＲ，Ｇ，Ｂの合成と考え、それぞれの初期値を
、吸収係数を
としたときの深さｘでの各光量を、
とすると、次の式（１）が成立する。
【００７６】
【数１】
【００７７】
今、各層の信号量をＪとすると、次の式（２）が成立する。
【００７８】
【数２】
【００７９】
したがって、第１層目の信号量は、次の式（３）で現される。
【００８０】
【数３】
【００８１】
第２層の信号量は、次の式（４）で現される。
【００８２】
【数４】
【００８３】
第３層の信号量は、次の式（５）で現される。
【００８４】
【数５】
【００８５】
ここで、各層の信号としてＪｉが得られる。この情報から入射する可視光のＩｉ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の信号量を求める。
【００８６】
上式では、各波長の吸収係数と各層の膜厚は既知であることから、Ｉｉの係数は全て求められる。
【００８７】
ここで層番号をｉとして、次の式（６）で置き換える。
【００８８】
【数６】
【００８９】
上記式（３）〜式（５）は式（７）となる。
【００９０】
【数７】
【００９１】
行列Ａを次の式（８）とする。
【００９２】
【数８】
【００９３】
このように、行列Ａを次の式（８）とし、ベクトルをブラケット表記すると、次の式（９）となる。
【００９４】
【数９】
【００９５】
したがって、式（１０）となる。
【００９６】
【数１０】
【００９７】
ここで、多層化に対して一般化（Ｎ次元化）すると、各波長に合わせた層で信号を得る場合、層Ｎｏをｉ、波長をλとすると上記式（１）および式（２）は次の式（１’）および式（２’）になる。
【００９８】
【数１１】
【００９９】
上記式（６）は各波長λが層ｉにて吸収される量としてＣを次式で再定義すると、次の式（６’）になる。
【０１００】
【数１２】
【０１０１】
このとき、行列Ａの成分は、連続量である波長λを離散量として扱う（層ｉに対応するλを決める）。上記式（８）は次の式（８’）になる。
【０１０２】
【数１３】
【０１０３】
このとき、式（９）および式（１０）はＮ次元の場合での一般性を失わない。したがって、式（１０）によって、入射する可視光のλ成分
が求まる。これによって、第１受光部〜第３受光部からの画素毎の各撮像信号からＲＧＢ信号を信号処理により得ることができる。
【０１０４】
以上により、本実施形態１によれば、半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部（３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃ）が、光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｄ）をその各間に介在して積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５と、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している。
【０１０５】
これによって、次の（１）〜（８）の効果を得ることができる。
【０１０６】
（１）多層のフォトダイオード部（第１受光部〜第３受光部）の構造から、カラーフィルタやその上のレンズを形成するオンチップ（ＯｎＣｈｉｐ）工程が不要である。１画素毎に多原色撮像が可能である。各色の容量を、透明電極６〜１１に対する電圧印加制御や半導体層厚により変更できる。
【０１０７】
（２）従来の構成（図１１，１２）では、ＰＤ部、垂直転送部、画素分離領域が必要であったが、本実施形態１では、垂直転送部と画素分離領域が不必要となり、その結果、受光部上の開効率が向上して感度特性が向上する。
【０１０８】
（３）液晶層１４のスイッチイング特性により、光を透過または遮断でき、フォトダイオード部（第１受光部〜第３受光部）と垂直転送部が一体となっており、原理上スミアが発生しない。
【０１０９】
（４）透明電極６〜１１を用いることにより、単層電極での電荷転送が可能になった。
【０１１０】
（５）固体撮像素子１の画素部に必要な不純物イオン注入工程が縦方向一体となって単純なことから、白傷不良などの不良を低減でき、高歩留まりが期待できる。
【０１１１】
（６）垂直転送部への信号電荷の移動（読み出し）が不必要であり、その結果、透明電極６〜１１の基準電圧が最低２つ（高電圧と低電圧）で済む。低電圧化によって低消費電力化を実現することができる。
【０１１２】
（７）透明電極６〜１１への印加電圧パターンが可変なため、画素サイズを自由に変更できる。
【０１１３】
（８）レンズレスで撮像を行うことができる。
【０１１４】
したがって、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【０１１５】
（実施形態２）
本実施形態２では、上記実施形態１の場合よりも暗い場合でも１画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現する場合について事例的に説明する。
【０１１６】
図７は、本発明の実施形態２における固体撮像素子の要部構成例を示す平面図である。図８は、図７の固体撮像素子のＡ−Ｂ線縦断面図である。なお、図７および図８では、図１および図２の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。
【０１１７】
図７および図８において、本実施形態２の固体撮像装置１Ａにおいて、上記実施形態１の固体撮像装置１の場合と異なるのは、図１の１列のＮ型注入領域５が、図７の固体撮像素子１Ａでは、２列のＮ型注入領域５，５になって上面から見て、左右の幅を広く取っていることと、第４受光部を更に設けて４層積層構造にした点が異なっている。この場合、２列のＮ型注入領域５，５の間は薄いＮ型拡散層になっている。Ｐ型注入領域４と２列のＮ型注入領域５，５とが半導体層に交互に一方向に隣接配置されている。両側のＰ型注入領域４がその間の２つ分のＮ型領域５，５を分離することができる。前述したように撮像対象が更に暗い場合に、２列のＮ型注入領域５，５と例えば３行の透明電極下のＮ型注入領域５，５とを平面視で１画素部として組み合わせて画素サイズを大きく取ることができる。要するに、Ｎ型領域を大きく（上面から見て、左右の幅を広く取る）することと、透明電極を２行から３行（または４行またはそれ以上）など増やして電圧を印加すれば、平面視画素サイズがより大きく取ることができる。
【０１１８】
即ち、半導体基板２（または半導体層）上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｅを介して、第４受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｄと２列のＮ型注入領域５ｄとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｄおよび２列のＮ型注入領域５ｄ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｄを介して、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃと２列のＮ型注入領域５ｃとが交互に横方向に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃ，４ｄおよび２列のＮ型注入領域５ｃ，５ｄはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｄを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｃを介して、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂと２列のＮ型注入領域５ｂとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂ，４ｃおよび２列のＮ型注入領域５ｂ，５ｃはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｃを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ｂおよびＮ型注入領域５ｂ上に透明絶縁層であるＳｉＯ２膜３ｂを介して、第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａと２列のＮ型注入領域５ａとが交互に横方向に隣接配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ、４ｂおよび２列のＮ型注入領域５ａ、５ｂはそれぞれ間にＳｉＯ２膜３ｂを介して上下に配置されている。これらのＰ型注入領域４ａ〜４ｄと２列のＮ型注入領域５ａ〜５ｄはそれぞれ、平面視で縦方向に一致するように配置されている。
【０１１９】
Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５で構成される第１受光部〜第４受光部がそれぞれ透明絶縁層であるＳｉＯ２膜をそれぞれ介して４層の多層積層構造になっている。この４層の多層積層構造は、撮像素子のカラーフィルタレスを実現するため、各受光部（フォトダイオード部）を構成する４層のＳｉ層（Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域）をそれぞれＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅの各透明膜で上下に挟み込んだ構造である。ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅのバンドギャップがＳｉ層よりも大きいため４層の各Ｓｉ層に光電変換された信号電荷を閉じ込めることができる。このように、バンドギャップの異なる透明層（ここではＳｉＯ２膜とＳｉ層）を組み合わせ４層の第１受光部〜第４受光部（光電変換部）からなっている。つまり、一導電型注入領域および他導電型注入領域は、Ｐ型注入領域およびＮ型注入領域で構成される複数層（ここでは４層）の光電変換部がそれぞれ、各間に光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜）を介在させた多層積層構造になっている。
【０１２０】
ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅおよび４層のＳｉ層は可視光が透過しかつ、４層のＳｉ層はその深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、４層のＳｉ層は各色の受光部（ダイオード部）とすることができる。例えば第１受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ａと２列のＮ型注入領域５ａは、最上層であり光の波長が最も短い青色光（Ｂ）を主に吸収して光電変換し、第２受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｂと２列のＮ型注入領域５ｂは、中間層であり光の波長が中間の緑色光（Ｇ）を主に吸収して光電変換し、第３受光部を構成する縦方向のＰ型注入領域４ｃと２列のＮ型注入領域５ｃは、最下層であり光の波長が長い赤色光（Ｒ）を主に吸収して光電変換し、第４受光部を構成する一方向のＰ型注入領域４ｄと２列のＮ型注入領域５ｄにおける光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換するようになっている。このように、光電変換部である第１受光部〜第４受光部の多層化による多原色（ここでは三原色のＲＧＢおよび近赤外）のフルカラー撮像を各画素毎に一括して同時に行うことができる。
【０１２１】
図８の偏光板１２、透明電極１３、液晶層１４、透明電極１５および偏光板１６から入射光透過／遮光制御手段としての液晶手段である液晶セルが構成されており、この液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する第１受光部〜第４受光部の４層積層構造を持つ固体撮像素子１Ａが構成されている。この液晶セルは、そのスイッチイング特性により、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮蔽するように機能する。
【０１２２】
ここで、本実施形態２の固体撮像素子１Ａの電荷転送方法の一例について図９（ａ）〜図９（ｃ）を用いて詳細に説明する。
【０１２３】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、図７の固体撮像素子１Ａにおいて２列３行に受光領域を拡張した場合のＣＣＤ転送事例を示す平面図である。ここで、透明電極６〜１１に印加する低電圧を「０Ｖ」、高電圧を「５Ｖ」する。
【０１２４】
図９（ａ）の「Ｔｉｍｅ１」に示すように、Ｐ型注入領域４と２列のＮ型注入領域５が縦方向に設けられており、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の横方向の透明電極６（Ｒ１）に駆動電圧「０Ｖ」が印加された場合に、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になって深くなている。このとき、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）の電荷転送用の透明電極７〜９に駆動電圧「５Ｖ」が印加されるので、上から２〜４行目（Ｒ２〜Ｒ４）のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になってさらに深くなって信号電荷を蓄積することができる。よって、最も深い「１０Ｖ」の透明電極７〜９下の２列のＮ型注入領域５に信号電荷が蓄積されて保持される。
【０１２５】
次に、図９（ｂ）の「Ｔｉｍｅ２」に示すように、最も上の行Ｒ１と２行目の行Ｒ２の電荷転送用の透明電極６、７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１と２行目の行Ｒ２のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になる。このとき、上から３、４行目の行Ｒ３、４の電荷転送用の透明電極８、９に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、上から３、４行目の行Ｒ３、４のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になっている。さらに、上から５、６行目の行Ｒ５およびＲ６の電荷転送用の透明電極１０，１１に駆動電圧「０Ｖ」が印加されて、上から５、６行目の行Ｒ５およびＲ６のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。
【０１２６】
その後、図９（ｃ）の「Ｔｉｍｅ３」に示すように、最も上の行Ｒ１の電荷転送用の透明電極６に駆動電圧「５Ｖ」が印加され、最も上の行Ｒ１のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になる。このとき、上から２行目（Ｒ２）の電荷転送用の透明電極７に駆動電圧「０Ｖ」が印加され、上から２行目の行Ｒ２のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「０Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「５Ｖ」になっている。さらに、上から３〜５行目の行Ｒ３〜Ｒ５の電荷転送用の透明電極８〜１０に駆動電圧「５Ｖ」が印加されて、上から３〜５行目の行Ｒ３〜Ｒ５のＰ型注入領域４のポテンシャル電位が「５Ｖ」で、２列のＮ型注入領域５のポテンシャル電位が「１０Ｖ」になって深くなている。よって、透明電極８〜１０下の２列のＮ型注入領域５に保持された信号電荷が、透明電極８〜１０下の２列のＮ型注入領域５に保持されて垂直方向に一一コマ電荷転送されることになる。この電荷転送が、撮像領域全面で垂直方向に行われて、これが繰り返され、垂直方向に電荷転送された信号電荷が水平方向に電荷転送されることになる。
【０１２７】
電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の４層のＰ型注入領域４ａ〜４ｄとＮ型注入領域５ａ〜５ｄが繰り返し配設されて、各画素毎の信号電荷が複数列を垂直方向に電荷転送され、その後、水平方向に、電荷転送用の単層の透明電極６〜１１およびその下の４層のＰ型注入領域４ａ〜４ｄとＮ型注入領域５ａ〜５ｄが繰り返し配設されて水平方向に電荷転送される。その後、４層に対応した各電荷検出部により電荷検出されて４層分の信号電荷がそれぞれ増幅されて各撮像信号として出力される。前述したが、４層分の各撮像信号は所定の信号処理部により信号処理されて各画素毎のＲＧＢ信号および近赤外信号を得ることができる。
【０１２８】
以上により、本実施形態２によれば、上記実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【０１２９】
特に、本実施形態２によれば、上記実施形態１の場合よりも暗い場合でも１画素部の平面視面積を増やしかつ近赤外をも検出して、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【０１３０】
（実施形態３）
本実施形態３では、電荷転送用の透明電極が照射面側とは反対側に存在する裏面照射の場合について説明する。
【０１３１】
図１５は、本発明の実施形態３における固体撮像素子の要部構成例を示す断面図である。なお、図１５では、図２の構成部材と同一の作用効果を奏する構成部材には同一の番号を付してその説明を省略する。
【０１３２】
図１５に示すように、裏面照射の固体撮像素子１Ｂは、半導体層（または半導体基板）に交互に一方向に隣接配置されたＰ型注入領域４およびＮ型注入領域５であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層（ここでは３層）の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層（ＳｉＯ２膜３ａ〜３ｅ）をその各間に介在させて積層され、一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃと、Ｐ型注入領域４ｃおよびＮ型注入領域５ｃ上に透明層（ＳｉＯ２膜３ｅ）を介して設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１と、Ｐ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａ上に透明層（ＳｉＯ２膜３ａ）を介して入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段としての液晶セルとを有している。
【０１３３】
液晶セルは、横方向の偏光を通す偏光板１２、液晶制御用の下側の透明電極１３、ツイストネマテック（ＴＮ）またはスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）の液晶材料などからなる液晶層１４、液晶制御用の上側の透明電極１５、縦方向の偏光を通す偏光板１６をこの順に積層する。なお、液晶材料としては、偏光板１２、１６を用いずに、ツイストネマテック（ＴＮ）やスーパーツイストネマテック（ＳＴＮ）以外のシャッタ機能に用いる液晶材料であって、動作速度の速い液晶材料を選定して用いることもできる。このように、入射光を受光する第１受光部〜第３受光部からなるＳｉ層の３層積層構造の上部に液晶セルによるシャッタ機構を導入しかつ、電荷転送用の透明電極６〜１１が照射面側とは反対側に存在する裏面照射により、第１受光部〜第３受光部の開口サイズを、従来の遮光膜の開口サイズに比べて格段に向上させ、受光感度特性の改善とスミア特性の改善を図ることが可能となる。この場合、透明電極６〜１１は、入射光を遮断してもよく透明電極でなくてもよい。
【０１３４】
本実施形態３の固体撮像素子１Ｂによれば、電荷転送用の透明電極６〜１１が照射面側とは反対側に存在するため、Ｐ型注入領域４ａおよびＮ型注入領域５ａに光入射させるのに、液晶セルを通過した入射光は上記実施形態１，２のように透明電極６〜１１を通過する必要ななく、その分、入射光の利用効率がよくなる。
【０１３５】
なお、本実施形態３では特に説明しなかったが、間にＳｉＯ２膜が介在した３層のＰ型注入領域４ａ〜４ｃおよびＮ型注入領域５ａ〜５ｃの製造方法や、透明電極６〜１１による電荷転送方法について上記実施形態１，２と同様である。要するに、電荷転送用の透明電極６〜１１が、Ｐ型注入領域４およびＮ型注入領域５の照射面側とは反対側に位置している以外は上記実施形態１，２と同様である。
【０１３６】
（実施形態４）
図１０は、本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像素子１または１Ａからの撮像信号を信号処理する固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【０１３７】
図１０において、本実施形態４の電子情報機器９０は、上記実施形態１〜３の固体撮像素子１、１Ａおよび１Ｂのいずれかからの撮像信号に対して所定の信号処理を行ってカラー画像信号を得る固体撮像装置９１と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９２と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９３と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９４と、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９５とを有している。なお、この電子情報機器９０として、これに限らず、固体撮像装置９１の他に、メモリ部９２と、表示部９３と、通信部９４と、プリンタなどの画像出力部９５とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【０１３８】
この電子情報機器９０としては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【０１３９】
したがって、本実施形態４によれば、この固体撮像装置９１からのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９５により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９２に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【０１４０】
なお、本実施形態１〜３では、光電変換部を構成する半導体層（または半導体基板）がシリコン層（またはシリコン基板）であり、透明層が二酸化シリコン層である場合について説明したが、これに限らず、光電変換部を構成する半導体層（または半導体基板）がゲルマニュウム層（またはゲルマニュウム基板）であり、透明層が二酸化シリコン層であってもよい。要するに、半導体層（または半導体基板）が可視光または近赤外まで受光できるバンドギャップをもつ半導体（例えばシリコンまたはゲルマニュウムなど）であり、透明層が可視光を透過するバンドギャップをもつ二酸化シリコン層などである。
【０１４１】
なお、本実施形態１〜３では、特に詳細には説明しなかったが、高電圧の電荷転送駆動用の透明電極６〜１１の印加位置を一または複数に印加することにより、画素部毎の信号電荷を各光電変換部で保持する平面視画素露光サイズが制御可能とされており、画素露光サイズは、他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている。高電圧は複数の高電圧を有して、半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に順次深くなるように半導体層または半導体基板に高電圧を付与するようにしてもよい。この場合の半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである。
【０１４２】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜４に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜４の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０１４３】
本発明は、液晶セルと組み合わせて、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された特に高画素、高感度、高スミア特性向けの固体撮像素子、この固体撮像素子を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、ＤＳＣ、監視カメラ、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段を設けたため、画素部の微細化に伴う受光感度特性の劣化およびスミア特性の劣化を抑制すると共に、遮光膜の形成プロセスがなく製造を簡略化することができ、かつ信号読み出し制御をも無くすことができることを前提として、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、この光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層されるため、コレステリック液晶に代えて多層化した複数層の受光部により複数の色信号を、１画素部で一括して同時に検出した１画素部毎の各層の信号電荷から得ると共に、静止画および動画のいずれであっても鮮明なフルカラー撮像を実現することができる。
【符号の説明】
【０１４４】
１、１Ａ、１Ｂ 固体撮像素子
２ 半導体基板（または半導体層）
３ａ〜３ｅ ＳｉＯ２膜（透明層）
４、４ａ〜４ｄ Ｐ型注入領域
５、５ａ〜５ｄ Ｎ型注入領域
６〜１１ 透明電極
１２ 偏光板
１３ 透明電極
１４ 液晶層
１５ 透明電極
１６ 偏光板
２１ 半導体基板（または半導体層）
２２ ＳｉＯ２膜
２３ａ，２３ Ｓｉ層
９０ 電子情報機器
９１ 固体撮像装置
９２ メモリ部
９３ 表示部
９４ 通信部
９５ 画像出力部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、
該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、
該複数の電荷転送駆動用の透明電極上または、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している固体撮像素子。
【請求項２】
前記透明層のバンドギャップが前記複数層の光電変換部の半導体層のバンドギャップよりも大きく、該光電変換部がその下層および上層の該透明層に挟み込まれて、該複数層の光電変換部でそれぞれ光電変換された各信号電荷が該光電変換部毎にそれぞれ閉じ込められるように構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数層の光電変換部の深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、１画素部毎の複数の色信号が該複数層の光電変換部からの各信号電荷に基づいて算出可能である請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記複数層の光電変換部が、第１受光部〜第３受光部の３層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い赤色光を主に吸収して光電変換する請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記複数層の光電変換部が、第１受光部〜第４受光部の４層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が長い赤色光を主に吸収して光電変換し、該第４受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換する請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記半導体層または前記半導体基板は可視光または近赤外光まで受光できるバンドギャップをもつ半導体であり、前記透明層は可視光を透過するバンドギャップを持っている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記複数の電荷転送駆動用の透明電極に印加する高電圧と低電圧のうちの高電圧の印加隣接電極数を調整することにより、前記複数の光電変換部の平面視画素露光サイズを可変してフォトダイオード容量を可変可能とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記複数の光電変換部の膜厚を調整することにより、フォトダイオード容量を可変可能とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記入射光透過／遮光制御手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光する液晶手段で構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する請求項９または１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記高電圧の前記電荷転送駆動用の透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている請求項１１または１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する請求項１３に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【請求項１】
半導体層または半導体基板に交互に一方向に隣接配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域であって、被写体からの画像光を光電変換する複数層の光電変換部が、該光電変換部とはバンドギャップの異なる透明層をその各間に介在して積層され、該一方向に直交する他方向にそれぞれ配置された一導電型注入領域および他導電型注入領域と、
該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられた一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極と、
該複数の電荷転送駆動用の透明電極上または、該一導電型注入領域および該他導電型注入領域上に設けられ、入射光を透過または遮光制御する入射光透過／遮光制御手段とを有している固体撮像素子。
【請求項２】
前記透明層のバンドギャップが前記複数層の光電変換部の半導体層のバンドギャップよりも大きく、該光電変換部がその下層および上層の該透明層に挟み込まれて、該複数層の光電変換部でそれぞれ光電変換された各信号電荷が該光電変換部毎にそれぞれ閉じ込められるように構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数層の光電変換部の深さに応じた光の波長による吸収係数の違いから、１画素部毎の複数の色信号が該複数層の光電変換部からの各信号電荷に基づいて算出可能である請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記複数層の光電変換部が、第１受光部〜第３受光部の３層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い赤色光を主に吸収して光電変換する請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記複数層の光電変換部が、第１受光部〜第４受光部の４層構造を有する場合に、該第１受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も短い青色光を主に吸収して光電変換し、該第２受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が中間の緑色光を主に吸収して光電変換し、該第３受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が長い赤色光を主に吸収して光電変換し、該第４受光部を構成する一方向の一導電型注入領域と他導電型注入領域における光電変換部は、光の波長が最も長い近赤外光を吸収して光電変換する請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記半導体層または前記半導体基板は可視光または近赤外光まで受光できるバンドギャップをもつ半導体であり、前記透明層は可視光を透過するバンドギャップを持っている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記複数の電荷転送駆動用の透明電極に印加する高電圧と低電圧のうちの高電圧の印加隣接電極数を調整することにより、前記複数の光電変換部の平面視画素露光サイズを可変してフォトダイオード容量を可変可能とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記複数の光電変換部の膜厚を調整することにより、フォトダイオード容量を可変可能とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記入射光透過／遮光制御手段は、露光時に入射光を透過し、電荷転送時に入射光を遮光する液晶手段で構成されている請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記液晶手段は、一方向およびこれに直交する他方向の一方の偏光を通す偏光板、液晶制御用の下側の透明電極、液晶層、液晶制御用の上側の透明電極、該一方向およびこれに直交する他方向の他方の偏光を通す偏光板がこの順に積層されている請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、露光時に、前記液晶手段が入射光を透過制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数毎に交互に印加することにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷が保持される請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記一方向の複数の電荷転送駆動用の透明電極に電荷転送駆動用電圧を順次印加可能とする電荷転送制御手段がさらに設けられ、電荷転送時に、前記液晶手段が入射光を遮光制御した状態で、該電荷転送駆動用電圧のうちの高電圧と低電圧を該電荷転送駆動用の透明電極の一または複数の交互の印加位置を順次所定方向にずらすことにより、該電荷転送駆動用の透明電極下の他方向の一導電型注入領域および他導電型注入領域のうちの深いポテンシャル電位領域に画素部毎の信号電荷を保持して所定方向に電荷転送する請求項９または１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記高電圧の前記電荷転送駆動用の透明電極の印加位置を一または複数に印加することにより、前記画素部毎の信号電荷を保持する画素サイズが制御可能とされており、該画素サイズは、前記他方向の一導電型注入領域または他導電型注入領域のｎ（ｎは自然数）列と、前記一方向の電荷転送駆動用の透明電極のｍ（ｍは自然数）行の隣接半導体領域を１画素部として組み合わせている請求項１１または１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記高電圧は複数の高電圧を有して、前記半導体層または半導体基板のポテンシャ電位が電荷転送方向に深くなるように該半導体層または半導体基板に高電圧を付与する請求項１３に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記半導体層または半導体基板は、導電型がＮ型半導体、Ｐ型半導体および真性半導体の少なくともいずれかである請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の固体撮像素子を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。
【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】
【公開番号】特開２０１３−３８２８６（Ｐ２０１３−３８２８６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４３８７（Ｐ２０１１−１７４３８７）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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