積層型カラーセンサ
【課題】 色分離特性および感度の改善された積層型カラーセンサを提供する。
【解決手段】 積層型カラーセンサは、光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、互いに隣接する光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収してキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成しており、第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴としている。
【解決手段】 積層型カラーセンサは、光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、互いに隣接する光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収してキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成しており、第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光吸収部において積層配置された複数の光吸収層（光検知層）を含む積層型半導体カラーセンサに関し、特に積層型カラーセンサの色分離特性および感度の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なカラー固体撮像装置は各画素ごとに平面的に並置されたＲ（赤）、Ｇ（緑）、およびＢ（青）の３種のカラーフィルタおよび各カラーフィルタに対応して配置されたフォトダイオードを含み、各カラーフィルタを通過した特定波長域の光信号がフォトダイオードによって検知される。したがって、フォトダイオードの光電変換部に到達する光は入射光のうちの一部となり、カラーフィルタを用いない場合に比べて信号出力が低下する。しかし、近年では、カラーフィルタを用いることなくＲ、Ｇ、およびＢの各色成分の信号を各画素から検知するカラー撮像素子が、たとえば特許文献１の米国特許第５９６５８７５号（特表２００２−５１３１４５号）に開示されている。
【０００３】
図７は、特許文献１に開示されたカラー撮像素子を模式的な断面図で図解している。このカラー撮像素子は、ｐ型シリコン基板１００内において、その最も深い位置に形成されたｎ型の光吸収層１０１、その上部に形成されたｐ型の光吸収層１０２、さらにその上部に形成されたｎ型の光吸収層１０３を含んでいる。すなわち、特許文献１に開示されたカラー撮像素子では、極性が交互に反転させられた３つのｐｎ接合ダイオードがＳｉ基板１００の深さ方向に重ねられて形成されている。
【０００４】
図８のグラフにおいては、可視光の波長に対するＳｉの吸収係数とＳｉ内の光吸収長さの関係が示されている。すなわち、このグラフの横軸は可視光の波長（μｍ）を表し、左の縦軸は光の吸収係数（／ｃｍ）を表し、そして右の縦軸は光の吸収深さまたは吸収距離（μｍ）を表している。横軸と左の縦軸との関係からわかるように、Ｓｉは波長の長い光に対して小さな吸収係数を有している。そして、横軸と右の縦軸との関係からわかるように、Ｓｉ基板の表面から入射した光のうちで、波長の長い光ほどＳｉ基板の深くまで到達する。したがって、図７において３段に重ねられるフォトダイオードが可視光の各波長領域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をカバーし得るようにｐｎ接合の深さを設計し、それら３段のフォトダイオードの各々から電流計１０１ａ、１０２ａ、１０３ａで別々に電流を検出することによって、異なる波長帯域の光信号を検出することができる。
【０００５】
図９のエネルギバンド図は、図７に示した３段のフォトダイオードにおけるポテンシャル変化を模式的に図解している。このエネルギバンド図において、縦軸は電子エネルギを表し、横軸はフォトダイオードの深さを表わしている。そして、図９における深さ領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、図７における深さ領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦにそれぞれ対応している。すなわち、深さ領域ＣではＢ（青）成分の光吸収によって発生した電子が蓄積され、深さ領域ＤではＧ（緑）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、そして深さ領域ＥではＲ（赤）成分の光吸収によって発生した電子が蓄積される。
【０００６】
また、特許文献２の米国特許第４６１３８９５号においても、積層された複数のフォトダイオードを含むカラー撮像素子が開示されている。図１０のエネルギバンド図は、特許文献２に開示されたカラー撮像素子のノンバイアス時におけるポテンシャル変化を模式的に図解している。このエネルギバンド図においても、縦軸は電子エネルギを表し、横軸は撮像素子の深さ方向における距離を表わしている。
【０００７】
図１０に表されたカラー撮像素子は、ｎ型の半導体基板１３０、その最も深い位置に形成されたｐ型半導体光吸収層１３１、その上方に形成されたｐ型半導体光吸収層１３２、さらにその上方に形成されたｐ型半導体光吸収層１３３を含んでいる。また、ｐ型光吸収層１３１、１３２、１３３の各光電変換部を電気的に互いに分離するために、それらの間にｎ型半導体層１３４が設けられている。そして、３つのｐ型光吸収層１３１、１３２、１３３と２つのｎ型半導体層１３４およびｎ型半導体基板１３０とによって、３段に積層された同一極性のフォトダイオードが形成されている。ｐ型光吸収層１３３に隣接して絶縁膜１３５と電極１３６とが順次に形成されており、電極１３６における斜線部には電子が存在している。その電極１３６中の電子の最上ポテンシャルに対応して示された水平の破線は、フェルミ・レベルを表している。そして、電極１３６と光吸収層１３３との間では、絶縁膜１３５のポテンシャルバリアによってキャリアの移動が抑制される。
【０００８】
図１１のエネルギバンド図は、図１０に示したカラー撮像素子にバイアス電圧を印加した状態におけるキャリアの拡散を模式的に図解している。このエネルギバンド図の縦軸は電子エネルギを表し、横軸は３段のフォトダイオードの深さを表わしている。図１１中の深さ領域Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭは、図１０に示した深さ領域Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭにそれぞれ対応している。そして、深さ領域ＨではＢ（青）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、深さ領域ＪではＧ（緑）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、さらに深さ領域ＬではＲ（赤）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積される。
【特許文献１】米国特許第５９６５８７５号（特表２００２−５１３１４５号）
【特許文献２】米国特許第４６１３８９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のカラー撮像素子では、図９に示されているように、深さ領域Ｄで発生した電子１１１が深さ領域ＣおよびＥに拡散される。また、Ｇ成分の光によって発生した電子１１２とＲ成分の光によって発生した電子１１４とが、深さ領域Ｅで混合される。他方、深さ領域Ｅで発生した正孔１２３は深さ領域ＤおよびＦに拡散され、Ｂ成分の光によって発生した正孔１２０とＧ成分の光によって発生した正孔１２２とは深さ領域Ｄで混合される。このように、複数のｐｎ接合によるポテンシャル井戸において、異なる深さ領域で生成したキャリアの拡散による混合を防止して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を分離して検出することは困難である。
【００１０】
特許文献２のカラー撮像素子においても、特許文献１の場合と同様の課題を含んでいる。すなわち、図１１に示されているように、深さ領域Ｋで発生した正孔１４０は深さ領域Ｊと深さ領域Ｌに拡散され、また深さ領域Ｉで発生した正孔１４１は深さ領域Ｈと深さ領域Ｊに拡散されるので、色分離性に課題が残る。
【００１１】
以上のように、複数のｐｎ接合によるポテンシャル井戸構造では、異なる深さ領域で生成したキャリアの拡散による混合が常に起こるので、色分離性をよくすることは困難であることがわかる。また、ｐ型半導体光吸収層で正孔を検出して、ｎ型半導体光吸収層で電子を検出することから、不純物濃度に応じて半導体内に存在しているキャリアも信号として検出されてしまう。また、特許文献２では６層の半導体積層構造を形成するので、撮像素子の作製プロセスが煩雑化する。
【００１２】
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、色分離特性および感度の改善された積層型カラーセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による積層型カラーセンサは、光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、互いに隣接する光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収して光電変換によるキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成し、第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴としている。
【００１４】
なお、第１から第３の光吸収層はｐ型の導電性を有することができ、その場合に、光電変換によって生成したキャリアのうちで電子のみが検出電極を介して電気信号として検出され得る。他方、第１から第３の光吸収層はｎ型の導電性を有することもでき、その場合には、光電変換によって生成したキャリアのうちで正孔のみが検出電極を介して電気信号として検出され得る。
【００１５】
また、第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を調整するために、第１から第３の光吸収層におけるＧｅの濃度が調整され得る。たとえば、第１の光吸収層と第３の光吸収層は互いに等しいＧｅ濃度を有するように調整し得る。また、第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を実質的に等しくするように、第１から第３の光吸収層におけるＧｅ濃度が調整されてもよい。
【００１６】
さらに、光吸収部の表面において、第１の光吸収層とともにヘテロ構造を構成するＳｉ層または第１の光吸収層とは逆の導電型を有するＳｉ層をさらに含むこともできる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明による積層型カラーセンサにおいては、複数の光吸収層にＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のエネルギバンド構造を構成し、バイアス電圧制御とヘテロ構造による階段状のバンド構造を利用することよって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、色分離特性を向上させることができる。また、Ｓｉに比べて小さいバンドギャップを有するＧｅを利用することによって、光吸収の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態においてヘテロ構造を用いた積層型カラーセンサの光吸収部を模式的断面図で図解している。この積層型カラーセンサは、ｐ型のＳｉ基板１、その最も深い位置に形成されたｐ型Ｓｉ1-xＧｅxの光吸収層２、その上部に形成されたｐ型Ｓｉ1-yＧｅyの光吸収層３、さらにその上部に形成されたｐ型Ｓｉ1-zＧｅzの光吸収層４を含んでいる。すなわち、複数の光吸収層２、３、４によるヘテロ構造によって、複数の光検知層が形成されている。
【００１９】
最上の光吸収層４上にはｐ+型のＳｉ層５が形成されており、これは表面で発生する暗電流の光吸収層４への寄与を抑制するために設けられている。そして、ｐ+型Ｓｉ層５上にはバイアス電極６が形成され、複数の光吸収層２、３、４はそれぞれ検知電極７、８、９に接続され、そしてｐ型Ｓｉ基板１は接地電位に接続されている。
【００２０】
ここで、ＳｉとＧｅは共にＩＶ族系の半導体であって、互いに全率固溶し得るので、任意の組成比において混合することができる。そして、ＳｉとＧｅの組成比を制御することによって、格子定数の大きさおよびバンドギャップの大きさが、１００％Ｓｉから１００％Ｇｅの範囲内で任意に制御され得る。
【００２１】
図１に示されているような積層型カラーセンサに光が入射すれば、光吸収層でフォトンが吸収されて電子・正孔対がキャリアとして発生する。光吸収部に入射する光はその波長に依存して光電変換される深さが異なるので、Ｒ、Ｇ、Ｂの光に対応した深さに配置された複数の光吸収層から検出される信号を読み出すことによって、入射光に含まれるＲ、Ｇ、Ｂの割合を算出することができる。
【００２２】
図２は、図１の積層型カラーセンサの光吸収部におけるエネルギバンド構造を模式的に図解している。すなわち、図２中の縦軸は電子エネルギを表し、横軸は光吸収層の深さを表わしている。深さ方向の条件としては、たとえば半導体表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層５を０〜０．２μｍの深さ範囲に形成し、Ｂ成分の光（波長４５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層４を０．２〜０．５μｍの深さ範囲に形成し、Ｇ成分の光（波長５５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層３を０．５〜１．５μｍの深さ範囲に形成し、そしてＲ成分の光（波長６５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層２を１．５〜２．７μｍの深さ範囲に形成する。これらの深さ設定は、可視光の波長に対する吸収係数と吸収深さの関係から算出され得る。
【００２３】
次の表１は、半導体基板１、ｐ型の各光吸収層２、３、４、および半導体表面に形成されたｐ+型のＳｉ層５におけるＳｉとＧｅの組成比、バンドギャップの大きさ、および不純物濃度を示している。
【００２４】
【表１】
【００２５】
表１の条件でヘテロ構造を構成すれば、基板１と光吸収層２の伝導帯接合部１０および価電子帯接合部２０におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０８ｅＶおよび０．１５ｅＶになり、光吸収層２と光吸収層３の伝導帯接合部１１および価電子帯接合部２１におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０８ｅＶおよび０．０６ｅＶになり、光吸収層３と光吸収層４の伝導帯接合部１２および価電子帯接合部２２におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．１１ｅＶおよび０．０８ｅＶになり、そして光吸収層４と半導体表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層５の伝導帯接合部１３および価電子帯接合部２３におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０９ｅＶおよび０．０７ｅＶになる。また、光吸収層２、３、４としてのＳｉＧｅ層の形成時において、それらの層は歪みを緩和するのに十分な厚さを有することから、急峻な階段状のエネルギバンド構造を形成することが可能である。
【００２６】
なお、基板１をｎ型とし、光吸収層２、３および４をｎ型にして、半導体表面にｎ+型Ｓｉ層を形成したヘテロ構造を用いた積層型カラーセンサの構成としてもよいことが理解されよう。
【００２７】
図３は、図２に類似しているが、バイアス電極６に電圧を印加した状態における模式的エネルギバンド図を示している。図３に示されているように、バイアス電極６に正の電圧を印加すれば、光吸収によって発生した電子はバイアス電極６側ヘ移動しようとし、正孔は基板側に移動しようとする。移動するキャリアは、バイアス電圧制御とヘテロ構造とによって、階段状のバンド構造のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３に蓄積される。このとき、不純物濃度に比べて伝導帯における電子の数が少ないことから、キャリアの移動によるバンド構造の変化は無視することができる。また、ヘテロ接合部でキャリアが蓄積され得るか否かは、その接合部におけるキャリアのトンネル確率に依存する。
【００２８】
図４は、ポテンシャル障壁とトンネル確率の関係を示す模式的グラフである。すなわち、このグラフの縦軸は電子エネルギを表し、横軸は半導体中の距離を表している。図４に示されているように、ピークポテンシャルＥ1を有するポテンシャル障壁３０が存在する場合、この障壁の右側でエネルギＥ0をもつキャリア３１は、波動の性質を持っているので、次式（１）で与えられる確率Ｔでこの障壁を通り抜けることができる。この際の透過領域の長さは、ｘ＝ｘ１からｘ＝ｘ２までである。
【００２９】
【数１】
【００３０】
式（１）中で、ｍは透過物質中におけるキャリアの有効質量を表し、ｈはプランク定数（６．６×１０-27ｅｒｇ・ｓｅｃ）を表している。すなわち、トンネル確率は、キャリアのエネルギ、透過領域の長さ、および障壁高さに基づいて、計算によって求めることができる。表２は、図３中のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３に関して、式（１）を利用して求められたトンネル確率を示している。
【００３１】
【表２】
【００３２】
ここで、表２に示されたキャリア蓄積に必要な透過領域の長さの算出方法について、ＭＯＳ（金属・酸化物・半導体）トランジスタの現状技術を基に説明する。周知のように、ＬＳＩ（大規模集積回路）を構成するＭＯＳトランジスタの性能を向上させるために微細化が年々進められており、その技術動向を表す技術ノードは、国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ ： Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）でも示されているように、主要パラメータの最小値である配線ピッチの１／２（ハーフピッチ）が指針となっている。現在の技術ノードは９０ｎｍプロセスであり、インテル社が９０ｎｍプロセスで使用しているトランジスタのゲート絶縁膜（厚さ：１．２ｎｍ）におけるトンネル確率を参考にして、図３中のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３におけるトンネル現象を防ぐのに必要な透過領域の長さを算出することができる。
【００３３】
他方、エネルギバンド形状から、蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さを算出することができる。この蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さは、不純物濃度の設定に依存して変化する電気力線の量に寄与したエネルギバンドの傾きによって決まる。
【００３４】
表２中の算出結果に示されているように、トンネル現象を防ぐのに必要な透過領域の長さに比べて、エネルギバンド形状から算出した蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さの方が大きくなっている。このことは、それぞれの接合部においてトンネル現象を防ぐエネルギバンド構造が形成されていることを表している。
【００３５】
すなわち、図１に示されているように、複数の光吸収層においてＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のエネルギバンド構造を構成し、さらにバイアス電圧制御を利用することによって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、これによってカラー撮像素子の色分離特性を向上させることができる。また、最上の光吸収層４の表面に不純物濃度の大きいＳｉ層５を形成することによって、表面で発生する暗電流による最上の光吸収層４への影響を抑制することができる。また、最上の光吸収層４からのトンネル効果を防止できるので、最上の光吸収層４で発生したキャリアが表面準位にトラップされることを抑制することができる。
【００３６】
図１におけるように光吸収層２、３および４がｐ型半導体で形成されている場合に、検出電極７、８および９に正の電圧を印加すれば、各光吸収層において光吸収で発生した電子のみを検出することができ、不純物濃度によって光吸収層内に存在しているキャリア（正孔）を検出することはない。なお、光吸収層２、３および４をｎ型半導体で形成して、検出電極７、８および９に負の電圧を印加してもよい。この場合には、各光吸収層２、３および４において光吸収で発生した正孔のみを検出することができ、不純物濃度によって光吸収層内に存在しているキャリア（電子）を検出することはない。また、上述のように各光吸収層に印加される電圧の正負符号を統一することができるので、信号抽出を行なう際に検出電極７、８および９を駆動させるトランジスタの共有化などが可能となり、トランジスタ数を削減することができる。
【００３７】
なお、最上と最下の光吸収層４、２におけるＧｅ濃度を等しく設定した場合には、ＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体材料を用いたヘテロ構造形成時において光吸収層４、２のＧｅ濃度を変える必要がないので、カラー撮像素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【００３８】
ここで、ＳｉとＧｅの光吸収特性を説明する。光吸収によるキャリアの発生は伝導帯と価電子帯とのバンドギャップ間における電子の遷移によって起こり、価電子帯の電子が伝導帯へ励起されることによって生じる。すなわち、電子の遷移が起こるか否かは、バンドギャップの大きさに依存する。光の波長、振動数、および速度をそれぞれλ、ν、およびｃで表せば、ある吸収領域において吸収される光のエネルギをｈν（＝Ｅｇ：バンドギャップ）として、バンドギャップＥｇと光の波長λは次式（２）のような関係を有する。
【００３９】
λ＝ｈｃ／Ｅｇ≒１．２４／Ｅｇ ・・・（２）
また、ＳｉやＧｅのような間接遷移型の半導体では、価電子帯の上端と伝導帯の下端の波数ベクトルｋの値が異なることから、遷移過程ではフォノンの吸収または放出の過程を伴う。よって、光吸収の際に、電子が価電子帯から伝導帯の底に励起されるＥｇに相当するエネルギのみでなく、格子振動に対応するフォノンエネルギが必要となる。このような間接遷移過程において、光吸収係数αは近似的に次式（３）のように表わされる。
【００４０】
α∝（ｈν−Ｅｇ）2 ・・・（３）
図５のグラフは、ＳｉとＧｅの光吸収係数の波長依存性を示している。すなわち、このグラフの横軸は可視光の波長（μｍ）を表し、左の縦軸は吸収係数α（ｃｍ-1）を表し、そして右の縦軸は吸収深に対応する吸収長１／α（μｍ）を表している。このグラフ中のＳｉとＧｅの光吸収係数αのいずれにおいても、光の波長（λ＝ｃ／ν）が式（２）中のバンドギャップに対応する波長から短くなる（νが大きくなる）にしたがって増大していることがわかる。また、光吸収係数αは、式（３）からもわかるように、Ｓｉに比べてバンドギャップの小さいＧｅにおいて大きい値となっている。このことから、光吸収層に従来のＳｉからＧｅまたはＳｉＧｅへ材料を変えることによって、光吸収層において吸収感度を上げることができる。また、ＳｉＧｅにおけるＧｅの組成比を変えることにより、各吸収層における感度比を制御することができるので、光吸収領域が深くなるほど減少する傾向にある光吸収の感度をＧｅの濃度制御によって補うことができ、各吸収光に関する吸収感度分布を制御するための信号処理が不要となる。
【００４１】
また、複数の光吸収層間で所望の感度比を得るためにＧｅの濃度制御を行なう場合に、本発明では電子または正孔の一方のみのキャリアを検出できればよいので、たとえば図６のエネルギバンド図に示されているような階段状のエネルギバンド構造を形成してもよい。なお、図６において、図１中の参照符合と同一の参照符合は、相当部分を表している。
【００４２】
図６（ａ）の場合は、バイアス電極に正の電圧を印加し、光の吸収により発生した正孔を各光吸収層内で基板側に移動させて検出する。図６（ａ）では、光吸収層４におけるＧｅ濃度が高く（バンドギャップが小さく）、Ｂ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｎ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｐ型またはｎ型であり得る。
【００４３】
図６（ｂ）の場合は、バイアス電極に負の電圧を印加し、光の吸収により発生した正孔を、各光吸収層内で表面側に移動させ検出する。図６（ｂ）では、光吸収層３におけるＧｅ濃度が高く、Ｇ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｎ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｎ型またはｐ型であり得る。
【００４４】
図６（ｃ）の場合は、バイアス電極に正の電圧を印加し、光の吸収により発生した電子を各光吸収層内で表面側に移動させ検出を行なう。図６（ｃ）では、光吸収層２におけるＧｅ濃度が高く、Ｒ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｐ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｐ型またはｎ型であり得る。
【００４５】
図６（ｄ）の場合は、バイアス電極に負の電圧を印加し、光の吸収により発生した電子を各光吸収層内で基板側に移動させ検出を行なう。図６（ｄ）では、光吸収層３におけるＧｅ濃度が高く、Ｇ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｐ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｎ型またはｐ型であり得る。
【００４６】
すなわち、図６からわかるように、光吸収層２、３および４からなるヘテロ構造において、伝導帯の下限レベルまたは価電子帯の上限レベルの少なくとも片方が順次の階段状のレベル変化を形成しておればよく、バンドギャップの幅は必ずしも順次の大きさで変化していなくてもよい。したがって、特定の光吸収層の感度を高めるために、その光吸収層のＧｅ濃度を高めることができる。なお、伝導帯の下限レベルまたは価電子帯の上限レベルにおける順次の階段状のレベル変化は、各光吸収層に含まれる不純物濃度を調整することによって、バンドギャップの大小とは関係なしに形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明によれば、複数の光吸収層にＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のバンド構造を構成し、その階段状のバンド構造とバイアス電圧制御とを利用することよって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、色分離特性を向上させた積層型カラーセンサを作製することができる。また、Ｓｉに比べて小さいバンドギャップを有するＧｅを利用することによって、光吸収の感度を向上させた積層型カラーセンサを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態における積層型カラーセンサの要部の模式的断面図である。
【図２】図１の積層型カラーセンサに対応するエネルギバンド構造の一例を模式的に示すグラフである。
【図３】図１の積層型カラーセンサのバイアス電極に電圧を印加したときのエネルギバンド構造の一例を模式的に示すグラフである。
【図４】ポテンシャル障壁とトンネル確率の関係を説明するためのグラフである。
【図５】ＳｉとＧｅの光吸収係数における光波長依存性を示すグラフである。
【図６】図１の積層型カラーセンサに対応するエネルギバンド構造の他の例を模式的に示すグラフである。
【図７】先行技術によるカラー撮像素子の一例を示す模式的断面図である。
【図８】可視光の波長とＳｉの吸収係数およびＳｉ内の吸収深さとの関係を示すグラフである。
【図９】図７のカラー撮像素子に対応するエネルギバンド構造を模式的に示すグラフである。
【図１０】先行技術によるカラー撮像素子の他の例におけるエネルギバンド構造を模式的に示すグラフである。。
【図１１】図１０の撮像素子においてバイアス電圧印加時におけるキャリアの拡散を図解する模式的エネルギバンド図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 基板、２ 最も深い位置に形成されたＳｉ1-xＧｅx光吸収層、３ 光吸収層２の上部に形成されたＳｉ1-yＧｅy光吸収層、４ 光吸収層３の上部に形成されたＳｉ1-zＧｅz光吸収層、５ 基板１の表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層、６ バイアス電極、７ 光吸収層２に接続した検出電極、８ 光吸収層３に接続した検出電極、９ 光吸収層４に接続した検出電極、１０ 基板１と光吸収層２との伝導帯接合部、１１ 光吸収層２と光吸収層３との伝導帯接合部、１２ 光吸収層３と光吸収層４との伝導帯接合部、１３ 光吸収層４とｐ+型Ｓｉ層５との伝導帯接合部、２０ 基板１と光吸収層２との価電子帯接合部、２１ 光吸収層２と光吸収層３との価電子帯接合部、２２ 光吸収層３と光吸収層４との価電子帯接合部、２３ 光吸収層４とｐ+型Ｓｉ層５との価電子帯接合部、３０ ポテンシャル障壁、３１ エネルギＥ0を有するキャリア、１００ ｐ型Ｓｉ基板、１０１ 最も深い位置に形成されたｎ型Ｓｉ光吸収層、１０２ 光吸収層１０１の上部に形成されたｐ型Ｓｉ光吸収層、１０３ 光吸収層１０２の上部に形成されたｎ型Ｓｉ光吸収層、１１０ Ｂ（青）成分の光によって発生した電子、１１１ 深さ領域Ｄで発生した電子、１１２ Ｇ（緑）成分の光によって発生した電子、１１３ 深さ領域Ｅで発生した電子、１１４ Ｒ（赤）成分の光によって発生した電子、１２０ Ｂ成分の光によって発生した正孔、１２１ 深さ領域Ｄで発生した正孔、１２２ Ｇ成分の光によって発生した正孔、１２３ 深さ領域Ｅで発生した正孔、１２４ Ｒ成分の光によって発生した正孔、１３０ ｎ型半導体基板、１３１ 最も深い位置に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３２ 光吸収層１１１の上部に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３３ 光吸収層１１２の上部に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３４ 光吸収層１１１、１１２、１１３を互いに電気的に分離するためのｎ型半導体層、１３５ 絶縁膜、１３６ 電極、１４０ 深さ領域Ｋで発生した正孔、１４１ 深さ領域Ｉで発生した正孔。なお、本願の各図において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を表す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光吸収部において積層配置された複数の光吸収層（光検知層）を含む積層型半導体カラーセンサに関し、特に積層型カラーセンサの色分離特性および感度の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なカラー固体撮像装置は各画素ごとに平面的に並置されたＲ（赤）、Ｇ（緑）、およびＢ（青）の３種のカラーフィルタおよび各カラーフィルタに対応して配置されたフォトダイオードを含み、各カラーフィルタを通過した特定波長域の光信号がフォトダイオードによって検知される。したがって、フォトダイオードの光電変換部に到達する光は入射光のうちの一部となり、カラーフィルタを用いない場合に比べて信号出力が低下する。しかし、近年では、カラーフィルタを用いることなくＲ、Ｇ、およびＢの各色成分の信号を各画素から検知するカラー撮像素子が、たとえば特許文献１の米国特許第５９６５８７５号（特表２００２−５１３１４５号）に開示されている。
【０００３】
図７は、特許文献１に開示されたカラー撮像素子を模式的な断面図で図解している。このカラー撮像素子は、ｐ型シリコン基板１００内において、その最も深い位置に形成されたｎ型の光吸収層１０１、その上部に形成されたｐ型の光吸収層１０２、さらにその上部に形成されたｎ型の光吸収層１０３を含んでいる。すなわち、特許文献１に開示されたカラー撮像素子では、極性が交互に反転させられた３つのｐｎ接合ダイオードがＳｉ基板１００の深さ方向に重ねられて形成されている。
【０００４】
図８のグラフにおいては、可視光の波長に対するＳｉの吸収係数とＳｉ内の光吸収長さの関係が示されている。すなわち、このグラフの横軸は可視光の波長（μｍ）を表し、左の縦軸は光の吸収係数（／ｃｍ）を表し、そして右の縦軸は光の吸収深さまたは吸収距離（μｍ）を表している。横軸と左の縦軸との関係からわかるように、Ｓｉは波長の長い光に対して小さな吸収係数を有している。そして、横軸と右の縦軸との関係からわかるように、Ｓｉ基板の表面から入射した光のうちで、波長の長い光ほどＳｉ基板の深くまで到達する。したがって、図７において３段に重ねられるフォトダイオードが可視光の各波長領域（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をカバーし得るようにｐｎ接合の深さを設計し、それら３段のフォトダイオードの各々から電流計１０１ａ、１０２ａ、１０３ａで別々に電流を検出することによって、異なる波長帯域の光信号を検出することができる。
【０００５】
図９のエネルギバンド図は、図７に示した３段のフォトダイオードにおけるポテンシャル変化を模式的に図解している。このエネルギバンド図において、縦軸は電子エネルギを表し、横軸はフォトダイオードの深さを表わしている。そして、図９における深さ領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、図７における深さ領域Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦにそれぞれ対応している。すなわち、深さ領域ＣではＢ（青）成分の光吸収によって発生した電子が蓄積され、深さ領域ＤではＧ（緑）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、そして深さ領域ＥではＲ（赤）成分の光吸収によって発生した電子が蓄積される。
【０００６】
また、特許文献２の米国特許第４６１３８９５号においても、積層された複数のフォトダイオードを含むカラー撮像素子が開示されている。図１０のエネルギバンド図は、特許文献２に開示されたカラー撮像素子のノンバイアス時におけるポテンシャル変化を模式的に図解している。このエネルギバンド図においても、縦軸は電子エネルギを表し、横軸は撮像素子の深さ方向における距離を表わしている。
【０００７】
図１０に表されたカラー撮像素子は、ｎ型の半導体基板１３０、その最も深い位置に形成されたｐ型半導体光吸収層１３１、その上方に形成されたｐ型半導体光吸収層１３２、さらにその上方に形成されたｐ型半導体光吸収層１３３を含んでいる。また、ｐ型光吸収層１３１、１３２、１３３の各光電変換部を電気的に互いに分離するために、それらの間にｎ型半導体層１３４が設けられている。そして、３つのｐ型光吸収層１３１、１３２、１３３と２つのｎ型半導体層１３４およびｎ型半導体基板１３０とによって、３段に積層された同一極性のフォトダイオードが形成されている。ｐ型光吸収層１３３に隣接して絶縁膜１３５と電極１３６とが順次に形成されており、電極１３６における斜線部には電子が存在している。その電極１３６中の電子の最上ポテンシャルに対応して示された水平の破線は、フェルミ・レベルを表している。そして、電極１３６と光吸収層１３３との間では、絶縁膜１３５のポテンシャルバリアによってキャリアの移動が抑制される。
【０００８】
図１１のエネルギバンド図は、図１０に示したカラー撮像素子にバイアス電圧を印加した状態におけるキャリアの拡散を模式的に図解している。このエネルギバンド図の縦軸は電子エネルギを表し、横軸は３段のフォトダイオードの深さを表わしている。図１１中の深さ領域Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭは、図１０に示した深さ領域Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、ＬおよびＭにそれぞれ対応している。そして、深さ領域ＨではＢ（青）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、深さ領域ＪではＧ（緑）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積され、さらに深さ領域ＬではＲ（赤）成分の光吸収によって発生した正孔が蓄積される。
【特許文献１】米国特許第５９６５８７５号（特表２００２−５１３１４５号）
【特許文献２】米国特許第４６１３８９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のカラー撮像素子では、図９に示されているように、深さ領域Ｄで発生した電子１１１が深さ領域ＣおよびＥに拡散される。また、Ｇ成分の光によって発生した電子１１２とＲ成分の光によって発生した電子１１４とが、深さ領域Ｅで混合される。他方、深さ領域Ｅで発生した正孔１２３は深さ領域ＤおよびＦに拡散され、Ｂ成分の光によって発生した正孔１２０とＧ成分の光によって発生した正孔１２２とは深さ領域Ｄで混合される。このように、複数のｐｎ接合によるポテンシャル井戸において、異なる深さ領域で生成したキャリアの拡散による混合を防止して、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分を分離して検出することは困難である。
【００１０】
特許文献２のカラー撮像素子においても、特許文献１の場合と同様の課題を含んでいる。すなわち、図１１に示されているように、深さ領域Ｋで発生した正孔１４０は深さ領域Ｊと深さ領域Ｌに拡散され、また深さ領域Ｉで発生した正孔１４１は深さ領域Ｈと深さ領域Ｊに拡散されるので、色分離性に課題が残る。
【００１１】
以上のように、複数のｐｎ接合によるポテンシャル井戸構造では、異なる深さ領域で生成したキャリアの拡散による混合が常に起こるので、色分離性をよくすることは困難であることがわかる。また、ｐ型半導体光吸収層で正孔を検出して、ｎ型半導体光吸収層で電子を検出することから、不純物濃度に応じて半導体内に存在しているキャリアも信号として検出されてしまう。また、特許文献２では６層の半導体積層構造を形成するので、撮像素子の作製プロセスが煩雑化する。
【００１２】
上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、色分離特性および感度の改善された積層型カラーセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による積層型カラーセンサは、光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、互いに隣接する光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収して光電変換によるキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成し、第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴としている。
【００１４】
なお、第１から第３の光吸収層はｐ型の導電性を有することができ、その場合に、光電変換によって生成したキャリアのうちで電子のみが検出電極を介して電気信号として検出され得る。他方、第１から第３の光吸収層はｎ型の導電性を有することもでき、その場合には、光電変換によって生成したキャリアのうちで正孔のみが検出電極を介して電気信号として検出され得る。
【００１５】
また、第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を調整するために、第１から第３の光吸収層におけるＧｅの濃度が調整され得る。たとえば、第１の光吸収層と第３の光吸収層は互いに等しいＧｅ濃度を有するように調整し得る。また、第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を実質的に等しくするように、第１から第３の光吸収層におけるＧｅ濃度が調整されてもよい。
【００１６】
さらに、光吸収部の表面において、第１の光吸収層とともにヘテロ構造を構成するＳｉ層または第１の光吸収層とは逆の導電型を有するＳｉ層をさらに含むこともできる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明による積層型カラーセンサにおいては、複数の光吸収層にＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のエネルギバンド構造を構成し、バイアス電圧制御とヘテロ構造による階段状のバンド構造を利用することよって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、色分離特性を向上させることができる。また、Ｓｉに比べて小さいバンドギャップを有するＧｅを利用することによって、光吸収の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態においてヘテロ構造を用いた積層型カラーセンサの光吸収部を模式的断面図で図解している。この積層型カラーセンサは、ｐ型のＳｉ基板１、その最も深い位置に形成されたｐ型Ｓｉ1-xＧｅxの光吸収層２、その上部に形成されたｐ型Ｓｉ1-yＧｅyの光吸収層３、さらにその上部に形成されたｐ型Ｓｉ1-zＧｅzの光吸収層４を含んでいる。すなわち、複数の光吸収層２、３、４によるヘテロ構造によって、複数の光検知層が形成されている。
【００１９】
最上の光吸収層４上にはｐ+型のＳｉ層５が形成されており、これは表面で発生する暗電流の光吸収層４への寄与を抑制するために設けられている。そして、ｐ+型Ｓｉ層５上にはバイアス電極６が形成され、複数の光吸収層２、３、４はそれぞれ検知電極７、８、９に接続され、そしてｐ型Ｓｉ基板１は接地電位に接続されている。
【００２０】
ここで、ＳｉとＧｅは共にＩＶ族系の半導体であって、互いに全率固溶し得るので、任意の組成比において混合することができる。そして、ＳｉとＧｅの組成比を制御することによって、格子定数の大きさおよびバンドギャップの大きさが、１００％Ｓｉから１００％Ｇｅの範囲内で任意に制御され得る。
【００２１】
図１に示されているような積層型カラーセンサに光が入射すれば、光吸収層でフォトンが吸収されて電子・正孔対がキャリアとして発生する。光吸収部に入射する光はその波長に依存して光電変換される深さが異なるので、Ｒ、Ｇ、Ｂの光に対応した深さに配置された複数の光吸収層から検出される信号を読み出すことによって、入射光に含まれるＲ、Ｇ、Ｂの割合を算出することができる。
【００２２】
図２は、図１の積層型カラーセンサの光吸収部におけるエネルギバンド構造を模式的に図解している。すなわち、図２中の縦軸は電子エネルギを表し、横軸は光吸収層の深さを表わしている。深さ方向の条件としては、たとえば半導体表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層５を０〜０．２μｍの深さ範囲に形成し、Ｂ成分の光（波長４５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層４を０．２〜０．５μｍの深さ範囲に形成し、Ｇ成分の光（波長５５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層３を０．５〜１．５μｍの深さ範囲に形成し、そしてＲ成分の光（波長６５０ｎｍ）を吸収するｐ型光吸収層２を１．５〜２．７μｍの深さ範囲に形成する。これらの深さ設定は、可視光の波長に対する吸収係数と吸収深さの関係から算出され得る。
【００２３】
次の表１は、半導体基板１、ｐ型の各光吸収層２、３、４、および半導体表面に形成されたｐ+型のＳｉ層５におけるＳｉとＧｅの組成比、バンドギャップの大きさ、および不純物濃度を示している。
【００２４】
【表１】
【００２５】
表１の条件でヘテロ構造を構成すれば、基板１と光吸収層２の伝導帯接合部１０および価電子帯接合部２０におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０８ｅＶおよび０．１５ｅＶになり、光吸収層２と光吸収層３の伝導帯接合部１１および価電子帯接合部２１におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０８ｅＶおよび０．０６ｅＶになり、光吸収層３と光吸収層４の伝導帯接合部１２および価電子帯接合部２２におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．１１ｅＶおよび０．０８ｅＶになり、そして光吸収層４と半導体表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層５の伝導帯接合部１３および価電子帯接合部２３におけるそれぞれのエネルギレベル差が０．０９ｅＶおよび０．０７ｅＶになる。また、光吸収層２、３、４としてのＳｉＧｅ層の形成時において、それらの層は歪みを緩和するのに十分な厚さを有することから、急峻な階段状のエネルギバンド構造を形成することが可能である。
【００２６】
なお、基板１をｎ型とし、光吸収層２、３および４をｎ型にして、半導体表面にｎ+型Ｓｉ層を形成したヘテロ構造を用いた積層型カラーセンサの構成としてもよいことが理解されよう。
【００２７】
図３は、図２に類似しているが、バイアス電極６に電圧を印加した状態における模式的エネルギバンド図を示している。図３に示されているように、バイアス電極６に正の電圧を印加すれば、光吸収によって発生した電子はバイアス電極６側ヘ移動しようとし、正孔は基板側に移動しようとする。移動するキャリアは、バイアス電圧制御とヘテロ構造とによって、階段状のバンド構造のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３に蓄積される。このとき、不純物濃度に比べて伝導帯における電子の数が少ないことから、キャリアの移動によるバンド構造の変化は無視することができる。また、ヘテロ接合部でキャリアが蓄積され得るか否かは、その接合部におけるキャリアのトンネル確率に依存する。
【００２８】
図４は、ポテンシャル障壁とトンネル確率の関係を示す模式的グラフである。すなわち、このグラフの縦軸は電子エネルギを表し、横軸は半導体中の距離を表している。図４に示されているように、ピークポテンシャルＥ1を有するポテンシャル障壁３０が存在する場合、この障壁の右側でエネルギＥ0をもつキャリア３１は、波動の性質を持っているので、次式（１）で与えられる確率Ｔでこの障壁を通り抜けることができる。この際の透過領域の長さは、ｘ＝ｘ１からｘ＝ｘ２までである。
【００２９】
【数１】
【００３０】
式（１）中で、ｍは透過物質中におけるキャリアの有効質量を表し、ｈはプランク定数（６．６×１０-27ｅｒｇ・ｓｅｃ）を表している。すなわち、トンネル確率は、キャリアのエネルギ、透過領域の長さ、および障壁高さに基づいて、計算によって求めることができる。表２は、図３中のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３に関して、式（１）を利用して求められたトンネル確率を示している。
【００３１】
【表２】
【００３２】
ここで、表２に示されたキャリア蓄積に必要な透過領域の長さの算出方法について、ＭＯＳ（金属・酸化物・半導体）トランジスタの現状技術を基に説明する。周知のように、ＬＳＩ（大規模集積回路）を構成するＭＯＳトランジスタの性能を向上させるために微細化が年々進められており、その技術動向を表す技術ノードは、国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ ： Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）でも示されているように、主要パラメータの最小値である配線ピッチの１／２（ハーフピッチ）が指針となっている。現在の技術ノードは９０ｎｍプロセスであり、インテル社が９０ｎｍプロセスで使用しているトランジスタのゲート絶縁膜（厚さ：１．２ｎｍ）におけるトンネル確率を参考にして、図３中のヘテロ接合部１０、１１、１２および１３、さらに２０、２１、２２および２３におけるトンネル現象を防ぐのに必要な透過領域の長さを算出することができる。
【００３３】
他方、エネルギバンド形状から、蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さを算出することができる。この蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さは、不純物濃度の設定に依存して変化する電気力線の量に寄与したエネルギバンドの傾きによって決まる。
【００３４】
表２中の算出結果に示されているように、トンネル現象を防ぐのに必要な透過領域の長さに比べて、エネルギバンド形状から算出した蓄積キャリアのエネルギに関する透過領域の長さの方が大きくなっている。このことは、それぞれの接合部においてトンネル現象を防ぐエネルギバンド構造が形成されていることを表している。
【００３５】
すなわち、図１に示されているように、複数の光吸収層においてＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のエネルギバンド構造を構成し、さらにバイアス電圧制御を利用することによって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、これによってカラー撮像素子の色分離特性を向上させることができる。また、最上の光吸収層４の表面に不純物濃度の大きいＳｉ層５を形成することによって、表面で発生する暗電流による最上の光吸収層４への影響を抑制することができる。また、最上の光吸収層４からのトンネル効果を防止できるので、最上の光吸収層４で発生したキャリアが表面準位にトラップされることを抑制することができる。
【００３６】
図１におけるように光吸収層２、３および４がｐ型半導体で形成されている場合に、検出電極７、８および９に正の電圧を印加すれば、各光吸収層において光吸収で発生した電子のみを検出することができ、不純物濃度によって光吸収層内に存在しているキャリア（正孔）を検出することはない。なお、光吸収層２、３および４をｎ型半導体で形成して、検出電極７、８および９に負の電圧を印加してもよい。この場合には、各光吸収層２、３および４において光吸収で発生した正孔のみを検出することができ、不純物濃度によって光吸収層内に存在しているキャリア（電子）を検出することはない。また、上述のように各光吸収層に印加される電圧の正負符号を統一することができるので、信号抽出を行なう際に検出電極７、８および９を駆動させるトランジスタの共有化などが可能となり、トランジスタ数を削減することができる。
【００３７】
なお、最上と最下の光吸収層４、２におけるＧｅ濃度を等しく設定した場合には、ＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体材料を用いたヘテロ構造形成時において光吸収層４、２のＧｅ濃度を変える必要がないので、カラー撮像素子の作製プロセスを簡略化することができる。
【００３８】
ここで、ＳｉとＧｅの光吸収特性を説明する。光吸収によるキャリアの発生は伝導帯と価電子帯とのバンドギャップ間における電子の遷移によって起こり、価電子帯の電子が伝導帯へ励起されることによって生じる。すなわち、電子の遷移が起こるか否かは、バンドギャップの大きさに依存する。光の波長、振動数、および速度をそれぞれλ、ν、およびｃで表せば、ある吸収領域において吸収される光のエネルギをｈν（＝Ｅｇ：バンドギャップ）として、バンドギャップＥｇと光の波長λは次式（２）のような関係を有する。
【００３９】
λ＝ｈｃ／Ｅｇ≒１．２４／Ｅｇ ・・・（２）
また、ＳｉやＧｅのような間接遷移型の半導体では、価電子帯の上端と伝導帯の下端の波数ベクトルｋの値が異なることから、遷移過程ではフォノンの吸収または放出の過程を伴う。よって、光吸収の際に、電子が価電子帯から伝導帯の底に励起されるＥｇに相当するエネルギのみでなく、格子振動に対応するフォノンエネルギが必要となる。このような間接遷移過程において、光吸収係数αは近似的に次式（３）のように表わされる。
【００４０】
α∝（ｈν−Ｅｇ）2 ・・・（３）
図５のグラフは、ＳｉとＧｅの光吸収係数の波長依存性を示している。すなわち、このグラフの横軸は可視光の波長（μｍ）を表し、左の縦軸は吸収係数α（ｃｍ-1）を表し、そして右の縦軸は吸収深に対応する吸収長１／α（μｍ）を表している。このグラフ中のＳｉとＧｅの光吸収係数αのいずれにおいても、光の波長（λ＝ｃ／ν）が式（２）中のバンドギャップに対応する波長から短くなる（νが大きくなる）にしたがって増大していることがわかる。また、光吸収係数αは、式（３）からもわかるように、Ｓｉに比べてバンドギャップの小さいＧｅにおいて大きい値となっている。このことから、光吸収層に従来のＳｉからＧｅまたはＳｉＧｅへ材料を変えることによって、光吸収層において吸収感度を上げることができる。また、ＳｉＧｅにおけるＧｅの組成比を変えることにより、各吸収層における感度比を制御することができるので、光吸収領域が深くなるほど減少する傾向にある光吸収の感度をＧｅの濃度制御によって補うことができ、各吸収光に関する吸収感度分布を制御するための信号処理が不要となる。
【００４１】
また、複数の光吸収層間で所望の感度比を得るためにＧｅの濃度制御を行なう場合に、本発明では電子または正孔の一方のみのキャリアを検出できればよいので、たとえば図６のエネルギバンド図に示されているような階段状のエネルギバンド構造を形成してもよい。なお、図６において、図１中の参照符合と同一の参照符合は、相当部分を表している。
【００４２】
図６（ａ）の場合は、バイアス電極に正の電圧を印加し、光の吸収により発生した正孔を各光吸収層内で基板側に移動させて検出する。図６（ａ）では、光吸収層４におけるＧｅ濃度が高く（バンドギャップが小さく）、Ｂ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｎ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｐ型またはｎ型であり得る。
【００４３】
図６（ｂ）の場合は、バイアス電極に負の電圧を印加し、光の吸収により発生した正孔を、各光吸収層内で表面側に移動させ検出する。図６（ｂ）では、光吸収層３におけるＧｅ濃度が高く、Ｇ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｎ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｎ型またはｐ型であり得る。
【００４４】
図６（ｃ）の場合は、バイアス電極に正の電圧を印加し、光の吸収により発生した電子を各光吸収層内で表面側に移動させ検出を行なう。図６（ｃ）では、光吸収層２におけるＧｅ濃度が高く、Ｒ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｐ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｐ型またはｎ型であり得る。
【００４５】
図６（ｄ）の場合は、バイアス電極に負の電圧を印加し、光の吸収により発生した電子を各光吸収層内で基板側に移動させ検出を行なう。図６（ｄ）では、光吸収層３におけるＧｅ濃度が高く、Ｇ成分の光に対する吸収感度が高い。この場合、光吸収層２、３および４はｐ型半導体であり、半導体表面に形成されたＳｉ層５はｎ型またはｐ型であり得る。
【００４６】
すなわち、図６からわかるように、光吸収層２、３および４からなるヘテロ構造において、伝導帯の下限レベルまたは価電子帯の上限レベルの少なくとも片方が順次の階段状のレベル変化を形成しておればよく、バンドギャップの幅は必ずしも順次の大きさで変化していなくてもよい。したがって、特定の光吸収層の感度を高めるために、その光吸収層のＧｅ濃度を高めることができる。なお、伝導帯の下限レベルまたは価電子帯の上限レベルにおける順次の階段状のレベル変化は、各光吸収層に含まれる不純物濃度を調整することによって、バンドギャップの大小とは関係なしに形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明によれば、複数の光吸収層にＳｉとＧｅのＩＶ族系半導体の混晶材料を用いてヘテロ構造を形成することによって光吸収部の深さ方向に階段状のバンド構造を構成し、その階段状のバンド構造とバイアス電圧制御とを利用することよって、各光吸収層で発生したキャリアが光吸収層間で拡散することを抑制し、色分離特性を向上させた積層型カラーセンサを作製することができる。また、Ｓｉに比べて小さいバンドギャップを有するＧｅを利用することによって、光吸収の感度を向上させた積層型カラーセンサを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態における積層型カラーセンサの要部の模式的断面図である。
【図２】図１の積層型カラーセンサに対応するエネルギバンド構造の一例を模式的に示すグラフである。
【図３】図１の積層型カラーセンサのバイアス電極に電圧を印加したときのエネルギバンド構造の一例を模式的に示すグラフである。
【図４】ポテンシャル障壁とトンネル確率の関係を説明するためのグラフである。
【図５】ＳｉとＧｅの光吸収係数における光波長依存性を示すグラフである。
【図６】図１の積層型カラーセンサに対応するエネルギバンド構造の他の例を模式的に示すグラフである。
【図７】先行技術によるカラー撮像素子の一例を示す模式的断面図である。
【図８】可視光の波長とＳｉの吸収係数およびＳｉ内の吸収深さとの関係を示すグラフである。
【図９】図７のカラー撮像素子に対応するエネルギバンド構造を模式的に示すグラフである。
【図１０】先行技術によるカラー撮像素子の他の例におけるエネルギバンド構造を模式的に示すグラフである。。
【図１１】図１０の撮像素子においてバイアス電圧印加時におけるキャリアの拡散を図解する模式的エネルギバンド図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 基板、２ 最も深い位置に形成されたＳｉ1-xＧｅx光吸収層、３ 光吸収層２の上部に形成されたＳｉ1-yＧｅy光吸収層、４ 光吸収層３の上部に形成されたＳｉ1-zＧｅz光吸収層、５ 基板１の表面に形成されたｐ+型Ｓｉ層、６ バイアス電極、７ 光吸収層２に接続した検出電極、８ 光吸収層３に接続した検出電極、９ 光吸収層４に接続した検出電極、１０ 基板１と光吸収層２との伝導帯接合部、１１ 光吸収層２と光吸収層３との伝導帯接合部、１２ 光吸収層３と光吸収層４との伝導帯接合部、１３ 光吸収層４とｐ+型Ｓｉ層５との伝導帯接合部、２０ 基板１と光吸収層２との価電子帯接合部、２１ 光吸収層２と光吸収層３との価電子帯接合部、２２ 光吸収層３と光吸収層４との価電子帯接合部、２３ 光吸収層４とｐ+型Ｓｉ層５との価電子帯接合部、３０ ポテンシャル障壁、３１ エネルギＥ0を有するキャリア、１００ ｐ型Ｓｉ基板、１０１ 最も深い位置に形成されたｎ型Ｓｉ光吸収層、１０２ 光吸収層１０１の上部に形成されたｐ型Ｓｉ光吸収層、１０３ 光吸収層１０２の上部に形成されたｎ型Ｓｉ光吸収層、１１０ Ｂ（青）成分の光によって発生した電子、１１１ 深さ領域Ｄで発生した電子、１１２ Ｇ（緑）成分の光によって発生した電子、１１３ 深さ領域Ｅで発生した電子、１１４ Ｒ（赤）成分の光によって発生した電子、１２０ Ｂ成分の光によって発生した正孔、１２１ 深さ領域Ｄで発生した正孔、１２２ Ｇ成分の光によって発生した正孔、１２３ 深さ領域Ｅで発生した正孔、１２４ Ｒ成分の光によって発生した正孔、１３０ ｎ型半導体基板、１３１ 最も深い位置に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３２ 光吸収層１１１の上部に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３３ 光吸収層１１２の上部に形成されたｐ型半導体光吸収層、１３４ 光吸収層１１１、１１２、１１３を互いに電気的に分離するためのｎ型半導体層、１３５ 絶縁膜、１３６ 電極、１４０ 深さ領域Ｋで発生した正孔、１４１ 深さ領域Ｉで発生した正孔。なお、本願の各図において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を表す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、
前記光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、
光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために前記光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、
互いに隣接する前記光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収してキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成しており、
前記第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴とする積層型カラーセンサ。
【請求項２】
前記第１から第３の光吸収層はｐ型の導電性を有し、前記光吸収によって生成したキャリアのうちで電子のみが前記検出電極を介して電気信号として検出されることを特徴とする請求項１に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項３】
前記第１から第３の光吸収層はｎ型の導電性を有し、前記光吸収によって生成したキャリアのうちで正孔のみが前記検出電極を介して電気信号として検出されることを特徴とする請求項１に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項４】
前記第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を調整するために、前記第１から第３の光吸収層におけるＧｅの濃度が調整されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【請求項５】
前記第１の光吸収層と前記第３の光吸収層とは互いに等しいＧｅ濃度を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【請求項６】
前記第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を実質的に等しくするように、前記第１から第３の光吸収層におけるＧｅ濃度が調整されていることを特徴とする請求項４に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項７】
前記光吸収部の表面において、前記第１の光吸収層とともにヘテロ構造を構成するＳｉ層または前記第１の光吸収層とは逆の導電型を有するＳｉ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【請求項１】
光吸収部の表面から順に積層配置された第１から第３までの光吸収層と、
前記光吸収部の表面の一部に形成されたバイアス電極と、
光吸収によって生成したキャリアを電気信号として検出するために前記光吸収層の各々へ電気的に接続された検出電極とを含み、
互いに隣接する前記光吸収層は、互いに異なる波長帯域の光を吸収してキャリアを生成するように、互いに異なる比率でＳｉとＧｅを含むＩＶ族系半導体のヘテロ積層構造を構成しており、
前記第１から第３までの光吸収層において、それらの伝導帯の下限レベルが順次に不連続に低下もしくは上昇する階段状のレベル変化を示すか、またはそれらの価電子帯の上限レベルが順次に不連続に上昇もしくは低下する階段状のレベル変化を示すことを特徴とする積層型カラーセンサ。
【請求項２】
前記第１から第３の光吸収層はｐ型の導電性を有し、前記光吸収によって生成したキャリアのうちで電子のみが前記検出電極を介して電気信号として検出されることを特徴とする請求項１に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項３】
前記第１から第３の光吸収層はｎ型の導電性を有し、前記光吸収によって生成したキャリアのうちで正孔のみが前記検出電極を介して電気信号として検出されることを特徴とする請求項１に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項４】
前記第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を調整するために、前記第１から第３の光吸収層におけるＧｅの濃度が調整されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【請求項５】
前記第１の光吸収層と前記第３の光吸収層とは互いに等しいＧｅ濃度を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【請求項６】
前記第１から第３の光吸収層における互いの相対的光吸収感度を実質的に等しくするように、前記第１から第３の光吸収層におけるＧｅ濃度が調整されていることを特徴とする請求項４に記載の積層型カラーセンサ。
【請求項７】
前記光吸収部の表面において、前記第１の光吸収層とともにヘテロ構造を構成するＳｉ層または前記第１の光吸収層とは逆の導電型を有するＳｉ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の積層型カラーセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２７４６２（Ｐ２００７−２７４６２Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０８２６７（Ｐ２００５−２０８２６７）
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【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１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１９日（２００５．７．１９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]