積層型固体撮像装置
【課題】本発明は、高画質な出力を得られる積層型固体撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】２次元状に配列された画素１００毎に設けられた画素トランジスタ３０と、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極３１の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜１０と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極２０と、
読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部８０と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路１３０と、を有することを特徴とする。
【解決手段】２次元状に配列された画素１００毎に設けられた画素トランジスタ３０と、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極３１の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜１０と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極２０と、
読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部８０と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路１３０と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型固体撮像装置に関し、特に、画素トランジスタの画素電極の上に光電変換膜を積層した積層側固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが利用されているが、これらの固体撮像装置は、画素サイズが小さくなってきたため、開口率が低くなり、感度、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）が悪化してきている。これを改善する手段として、ＣＭＯＳイメージセンサ上に光電変換膜を積層した積層型固体撮像装置が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
かかる積層型固体撮像装置によれば、開口率を１００％近くまで向上させることができる。特に、光電変換膜に信号増幅作用がある場合、開口率の向上との相乗効果により、一層の高感度、高Ｓ／Ｎ化を図ることができる。このような撮像デバイスに適用する光電変換膜として、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）膜を採用したＨＡＲＰ膜積層ＣＭＯＳイメージセンサや、アモルファスシリコンを積層したＣＭＯＳイメージセンサの検討及び試作が行われている。これらの光電変換膜を利用した積層型固体撮像装置においては、いずれも光電変換膜で発生し、増倍された信号電荷を、ＣＭＯＳの拡散層に接続された画素電極を介してＣＭＯＳイメージセンサの画素に導き、ＣＭＯＳイメージセンサの出力として読み出す方式を採用している。
【非特許文献１】映像情報メディア学年次大会 １２−３、Ｐ．１６６〜１６７、１９９８
【非特許文献２】映像情報メディア学年次大会 １４−４、２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の非特許文献１及び非特許文献２に記載の構成では、光電変換膜とＣＭＯＳイメージセンサの読み出し回路との接合部分のバンプ等が画素毎にばらつき、かかる画素毎のばらつきが固定パターン雑音として現れたり、接合部分の界面状態により光電変換膜で発生して増倍された信号電荷がトラップされることにより、信号電圧が低下したり、残像が発生したりし、画質が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、光電変換膜と画素電極との接合部分のばらつきに起因する画質低下を解消し、高画質な出力を得られる積層型固体撮像装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る積層型固体撮像装置は、２次元状に配列された画素毎に設けられた画素トランジスタと、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極と、
前記信号電荷の読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するとともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路と、を有することを特徴とする。
【０００７】
これにより、信号電荷の読み出しを光電変換膜の受光面側から行うことができ、画素トランジスタの画素電極と光電変換膜の接合部分の画素毎のばらつきによる影響を受けることなく信号電荷を読み出すことができ、高品質の画像を撮像することができる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記固体駆動部は、前記画素トランジスタを行毎に駆動する垂直シフトレジスタと、前記画素の列毎に対応して設けられた水平選択トランジスタと、該水平選択トランジスタを駆動する水平シフトレジスタとを有し、
前記画素トランジスタの前記画素電極に接続されていない他方の拡散層は、各列に対応した前記水平選択トランジスタの一方の拡散層に接続されており、前記水平選択トランジスタの他方の拡散層は、前記固定電位を供給する固定電位供給手段に接続されたことを特徴とする。
【０００９】
これにより、読み出し対象となる２次元配列された画素に、順次固定電位を供給して行順、列順に走査して読み出すことができ、固定撮像素子を画素選択のスイッチングのみに用い、ノイズを与えず高速に信号電荷の読み出しを行うことができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記固定電位は、接地電位又は所定の電源電位であることを特徴とする。
【００１１】
これにより、光電変換膜のキャリアの極性に応じて、適切な電位を供給することができるとともに、回路構成を簡素にすることができる。
【００１２】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記光電変換膜は、アバランシェ増倍作用を有するアバランシェ増倍型光電変換膜であることを特徴とする。
【００１３】
これにより、アバランシェ増倍作用と、撮像電極と光電変換膜の接合部分の固定雑音パターンの解消の効果と相俟って、高Ｓ／Ｎ化を実現でき、高品質の画像を得ることができる。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明に係る積層側固体撮像装置において、
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスセレンを含む膜であり、前記固定電位は、接地電位であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、ＨＡＲＰ膜を用いて十分な信号電荷の増倍効果を得ることができ、光電変換膜のキャリアが正孔の場合には、光電変換膜を接地電位にして上面の透明電極から信号電荷を読み出すことができる。
【００１６】
第６の発明は、第４の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスシリコンを含む膜であり、前記固定電位は、所定の電源電位であることを特徴とする。
【００１７】
これにより、アモルファスシリコンを適用した光電変換膜の場合には、光電変換膜を電源電位の初期バイアス状態に戻して適切に上面の透明電極から信号電荷を読み出すことができる。
【００１８】
第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記読み出し回路は、前記光電変換膜が初期バイアス状態に戻るときに流れる電流を電圧に変換して読み出す電流−電圧変換回路を含むことを特徴とする。
【００１９】
これにより、電流を電圧に変換して信号電荷を読み出すことができ、その後の処理を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高画質で撮像画像を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。図１において、実施例１に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０と、画素１００と、固体駆動部８０とを備える。画素１００は、画素毎に画素トランジスタ３０と、画素電極３１とを備える。また、固体駆動部８０は、水平選択トランジスタ４０と、垂直シフトレジスタ５０と、水平シフトレジスト６０と、固定電位供給手段７０とを備える。
【００２３】
光電変換膜１０は、上部の受光面から光を受光し、光に基づいて電荷信号を発生させる手段である。光電変換膜１０は、光を受光して電荷信号に変換させる膜であれば、種々の光電変換膜１０を適用することができるが、実施例１においては、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ膜が適用されている例を説明する。ＨＡＲＰ膜は、受光した光を電気信号に変換して信号電荷を発生させるだけでなく、アバランシェ増倍作用により、雪なだれ式に信号電荷量を増倍する。ＨＡＲＰ膜は、横方向の抵抗値が非常に高く、画素間で信号電荷が混合されるおそれが少ないため、画素に区切る必要が無い。よって、ＨＡＲＰ膜は、２次元に配列された画素トランジスタ３０に接続された画素電極３１の全面に積層している。
【００２４】
画素１００は、画像を撮像する単位であり、２次元状に配列される。各画素は、画素トランジスタ３０と、画素トランジスタ３０の一方の拡散層に接続された画素電極３１とを有する。
【００２５】
画素トランジスタ３０は、画素毎に設けられたトランジスタである。画素トランジスタ３０は、各画素１００に対応して設けられ、複数の画素トランジスタ３０が２次元状に配置される。本実施例に係る積層型固体撮像装置においては、１画素について１個の画素トランジスタ３０が備えられる。本実施例に係る積層型固体撮像装置においては、画素トランジスタ３０は、信号電荷の増幅や読み出しを行わず、読み取り対象となる画素を選択し、選択した画素に所定の固定電位を供給する役割のみを担う。画素トランジスタ３０は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが適用されてよく、ゲートに駆動電圧が印加されてオンとされることにより、読み出し対象の画素１００が選択されてよい。なお、画素トランジスタ３０は、用途に応じてＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用されてもよいし、ＰチャネルＭＯＳトランジスタが適用されてもよいが、一般的には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用される。
【００２６】
画素電極３１は、画素トランジスタ３０の一方の拡散層に接続された電極であり、平面的には、画素電極３１の１個の形状が、１個の画素１００を構成する。よって、画素１００に対応して、複数の画素電極３１が、２次元状に配置される。画素電極３１は、光電変換膜１０の受光面と反対側に位置し、光電変換膜１０の下面に設けられる。光電変換膜１０が、画素電極３１上に積層されていると言ってもよく、光電変換膜１０の下面に、例えばバンプ等で光電変換膜１０に接合されて画素電極３１は設けられる。画素電極３１は、読み出し対象として選択された画素１００に対応する位置の光電変換膜１０に、信号電荷読み出しの際に固定電位を供給する。つまり、読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０がオンとなったときに、画素電極３１から所定の固定電位が光電変換膜１０に印加される。画素電極３１は、例えば、アルミニウム、銅又は金等の配線用の金属が適用されてよい。また、画素電極３１は、光電変換膜１０に所定の固定電位を供給できれば、画素トランジスタ３０のドレイン又はソースのいずれに接続されてもよいが、実施例１においては、例えば、画素トランジスタ３０にＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用された場合には、画素トランジスタ３０のドレインに画素電極３１が接続されるように構成されてよい。
【００２７】
画素トランジスタ３０の、画素電極３１と接続されていない他方の拡散層は、垂直ライン３５に接続される。垂直ライン３５には、画素１００の垂直列をなす画素トランジスタ３０の画素電極３１と接続されていない方の拡散層が、共通して接続される。
【００２８】
固体駆動部８０は、信号電荷の読み出し対象となる画素１００を選択し、読み出し対象となる画素１００に対応する光電変換膜１０に固定電位を供給し、光電変換膜１０を初期バイアス状態に戻すように画素トランジスタ３０を駆動する手段である。固体駆動部８０は、水平選択トランジスタ４０と、垂直シフトレジスタ５０と、水平シフトレジスタ６０と、固定電位供給手段７０を備える。
【００２９】
水平選択トランジスタ４０は、信号電荷の読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０を、水平方向（列方向）について選択し、選択した画素トランジスタ３０に所定の固定電位を供給するスイッチング用のトランジスタである。水平選択トランジスタは、例えばＭＯＳトランジスタが適用されてよい。水平トランジスタ４０は、画素トランジスタ３０の水平方向についての選択を行うため、画素トランジスタ３０の画素電極３１に接続されていない方の拡散層が共通して接続されている垂直ライン３６に、一方の拡散層が接続される。つまり、同列にある画素トランジスタ３０の画素電極３１に接続されていない方の拡散層は、垂直ライン３５を介して、対応する列に設けられた水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層に接続される。
【００３０】
水平選択トランジスタ４０の、画素トランジスタ３０（垂直ライン３５）と接続されていない方の拡散層は、固定電位供給手段７０に接続される。これにより、信号電荷の読み出し対象となった画素１００の画素トランジスタ３０がオンとなり、かつ読み出し対象となっている画素１００の列の水平選択トランジスタ４０がオンとなれば、固定電位供給手段７０から供給される固定電位を画素トランジスタ３０の画素電極３１に供給することができる。なお、水平選択トランジスタ４０は、用途に応じてＮチャネルＭＯＳトランジスタ及びＰチャネルＭＯＳトランジスタの双方を適用することができる。
【００３１】
固定電位供給手段７０は、水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層が接続され、水平選択トランジスタ４０がオンとなって導通したときに、固定電位を供給するための手段である。実施例１に係る積層型固体撮像装置においては、固定電位供給手段７０は接地電位を供給するように構成されている。この固定電位は、光電変換膜１０の電位状態を、初期バイアス状態とするのに適切な電位が設定されてよく、実施例１に係る積層型固体撮像装置においては、光電変換膜１０にキャリアが正孔のＨＡＲＰ膜が適用されているので、固定電位供給手段７０は接地状態となっている。
【００３２】
垂直シフトレジスタ５０は、読み出し対象である画素トランジスタ３０を駆動させるための垂直走査回路である。よって、垂直シフトレジスタ５０は、画素トランジスタ３０のゲートに接続されるが、２次元配列された画素トランジスタ３０について、同じ行に配列された画素トランジスタ３０のゲートに共通に接続されている。これにより、垂直方向について、順次信号電荷の読み出しを行う画素トランジスタ３０を選択し、駆動させることができる。垂直シフトレジスタ５０により、例えば、１行目、２行目・・・ｍ行目というように順次信号電荷を読み出す画素１００の画素トランジスタ３０を選択駆動するとともに、水平選択トランジスタ４０で水平方向に列の選択を行えば、一意に読み出し対象となる画素トランジスタ３０を特定することができ、画素１００について１個ずつ順次読み出しを行うことができる。なお、垂直シフトレジスタ５０は、通常に用いられるシフトレジスタが適用されてよい。
【００３３】
水平シフトレジスタ６０は、読み出し対象となる画素トランジスタ３０の列に対応する水平方向トランジスタ４０を駆動させるための水平走査回路である。よって、水平シフトレジスタ６０は、各列の水平選択トランジスタ４０のゲートに接続され、選択する列の水平方向トランジスタ４０を駆動できるように構成されている。水平シフトレジスタ６０においても、例えば、１列目、２列目、・・・ｎ列目というように、各列に配置された水平選択トランジスタ４０を順次選択して駆動させることにより、水平方向に移動させる読み出し走査を行わせることができる。垂直シフトレジスタ５０と水平シフトレジスタ６０により、２次元状に配置された画素トランジスタ３０を、一意に選択して読み出しを行うことができる。
【００３４】
図２は、実施例１に係る積層型固体撮像装置の１画素１００、１列分について、読み出し回路１３０まで加えた構成を示した図である。図２において、１画素分の画素トランジスタ３０と、１列分の水平選択トランジスタ４０が示されている。画素トランジスタ３０と水平選択トランジスタ４０は直列に接続され、画素トランジスタ３０の一方の拡散層と、水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層が接続されている。水平選択トランジスタ４０の他方の拡散層は、固定電位供給手段７０に接続され、実施例１においては、グラウンドに接続されて接地電位が供給されるようになっている。
【００３５】
画素トランジスタ３０の、水平トランジスタ４０と接続されていない方の拡散層は、画素電極３１に接続され、画素電極３１の上には、光電変換膜１０が積層されている。光電変換膜１０の上面は、受光面を構成するが、その受光面上に透明電極２０が配置されている。透明電極２０は、光電変換膜１０と同様に、連続した１枚の電極として設けられてよい。また、透明電極２０の上面には、ガラス基板９０が配置されている。光電変換膜１０は、ガラス基板９０及び透明電極２０を介して光を受光できる構成となっている。
【００３６】
透明電極２０には、読み出し回路１３０が接続されている。読み出し回路１３０は、画素１００毎に設けられる必要は必ずしも無く、１個の読み出し回路１３０で、選択された画素１００の信号電荷を順次切り替えて読み出す構成としてもよい。読み出し回路１３０は、初期バイアス供給回路１１０と、電流−電圧変換回路１２０とを有する。
【００３７】
初期バイアス供給回路１１０は、画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタがオンとなり閉回路が形成されたときに、光電変換膜１０の両端に、透明電極２０から抵抗Ｒ１を介して電圧Ｖ０を印加し、初期バイアス状態となるように初期バイアス電圧を印加するための回路である。よって、初期バイアス回路１１０は、抵抗Ｒ１と電源Ｖ０を備えてよい。電流−電圧変換回路１２０は、入力電流を電圧に変換して出力して信号電荷を読み出すための回路であり、例えば、オペアンプＡｍｐと抵抗Ｒ２により構成されてよい。また、光電変換膜１０には、例えば１５〔μｍ〕の場合には１５００〔Ｖ〕、２５〔μｍ〕の場合には２５００〔Ｖ〕と大電圧が印加されるため、初期バイアス供給回路１１０と電流−電圧変換回路１２０との間は、交流成分のみを通過させるための安全用のデカップリングコンデンサＣ１が設けられていてもよい。
【００３８】
このように、本実施例に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０の受光面である上面に設けられた透明電極２０から初期バイアス電圧Ｖ０を印加するとともに、信号電荷の読み出しも上面の透明電極２０から行う構成となっている。
【００３９】
次に、かかる構成を有する実施例１に係る積層型固体撮像装置において、引き続き図２を用いて受光から信号電荷の読み出しまでの一連の動作について説明する。まず、受光前に、垂直シフトレジスタ５０（図１参照）及び水平シフトレジスタ６０（図１参照）により、信号電荷の読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０及びその画素トランジスタ３０と垂直ライン３５を介して接続されている水平選択トランジスタ４０をオンとし、光電変換膜１０の両端にかかる電圧を初期バイアス状態とする。これにより、抵抗Ｒ１を介して光電変換膜１０に初期バイアス電圧Ｖ０が印加される。
【００４０】
次いで、画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０をオフとし、照射された光によって発生し、アバランシェ増倍された正孔を蓄積する。正孔は、ＨＡＲＰ膜である光電変換膜１０中の電界によって画素電極３１側に走行、蓄積するため、光電変換膜１０の両端の電圧が初期バイアス状態よりも減少する。
【００４１】
１フレーム後に、再び画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０をオンとすると、光電変換膜１０の両端の電圧が初期バイアス状態に戻るため、電流が流れる。この電流を、電流−電圧変換回路１２０で電圧に変換して読み出す。このような動作を、各画素１００で行えば、２次元の画像信号を得ることができる。
【００４２】
この信号電荷読み出しの過程において、ＭＯＳトランジスタで構成された画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０は、読み出しを行う画素１００の選択及び画素１００に対応する光電変換膜１０の下面の電位を接地電位に落として光電変換膜１０を初期バイアス状態にする役割のみを担っており、信号電荷の読み出しは行っていない。よって、従来の積層型固体撮像装置で問題となる、光電変換膜１０と固体撮像装置の接合部分での接触抵抗の画素１００毎のばらつきが、固定パターン雑音として現れたり、接合部分の界面状態により光電変換膜１０で発生した信号電荷がトラップされたりすることによる信号電圧の低下や、残像の発生等の不具合を回避することができる。これにより、高Ｓ／Ｎの信号電荷読み出しが可能となる。
【００４３】
図３は、実施例１に係る積層型固体撮像装置の光電変換膜１０にＨＡＲＰ膜を適用した場合の１画素１００の構成例を示した断面構成図である。図３において、画素１００は、半導体基板１５０に形成された画素トランジスタ３０を有し、積層構造によりゲート、ドレイン及びソースの引き出し配線３２が形成されている。図１において説明したように、ゲートは垂直シフトレジスタ５０に接続され、ソースは垂直ライン３５に接続される。
【００４４】
ドレインは、引き出し配線３２を介して画素電極３１に接続され、画素電極３１上には、光電変換膜１０としてＨＡＲＰ膜が積層される。ＨＡＲＰ膜は、例えば、ＧｅＯ２層１１と、ＣｅＯ２層１２と、Ｓｅ及びＬｉＦ層１３と、ａ−Ｓｅ（アモルファスセレン）層１４と、Ｓｂ２Ｓ３層１５とから構成されてもよい。図３に示すように、ＨＡＲＰ膜は、例えばアモルファスセレン層１４が主成分として構成される。ＨＡＲＰ膜は、正孔をキャリアとし、上面（受光面）から光が入射することにより内部で信号電荷である正孔が発生し、正孔が画素電極３１の方に向かって走行するにつれて雪なだれ式に信号電荷量が増倍されるアバランシェ増倍作用を有する。これにより、高Ｓ／Ｎを実現することができる。
【００４５】
なお、ＨＡＲＰ膜のキャリアが正孔であるため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタから構成される画素トランジスタ３０は、ドレインが画素電極３１に接続される。
【００４６】
光電変換膜１０であるＨＡＲＰ膜の上面には、透明電極２０が設置され、更にその上面にガラス基板９０が設置され、１つの画素１００を構成する。透明電極２０には、図２において説明したように、読み出し回路１３０が接続され、上面の透明電極２０側から信号電荷を読み出すことにより、光電変換膜１０と画素トランジスタ３０の接合部分の画素１００毎のばらつきの影響を解消することができる。
【００４７】
このように、実施例１に係る積層型固体撮像装置によれば、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ膜を光電変換膜１０として用いて、高Ｓ／Ｎの画像信号を取得することができる。
【実施例２】
【００４８】
図４は、本発明を適用した実施例２に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。実施例２に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０ａと、画素１００ａと、固体駆動部８０ａとを備える点においては、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様であるが、光電変換膜１０ａに、キャリアが電子のアモルファスシリコン膜が適用されており、それに伴い種々の構成要素の極性が実施例１と異なっている。なお、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様の構成要素については、同様の参照符号を付してその説明を省略する。また、実施例１に係る構成要素と極性のみ異なる構成要素については、参照符号の後にａを追加して付すものとする。
【００４９】
図４において、実施例２に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０ａと、画素１００ａと、固体駆動部８０ａを備える。
【００５０】
光電変換膜１０ａは、アモルファスシリコン膜が適用され、やはりアバランシェ増倍作用を有する。アモルファスシリコン膜においては、受光面で光を受光したときには、光の輝度に応じて信号電荷を発生させ、信号電荷が光電変換膜１０ａ中を走行するにつれて信号電荷が増倍される点はＨＡＲＰ膜と同様であるが、信号電荷が正孔ではなく電子である点が異なっている。このように、アモルファスシリコン膜を光電変換膜１０ａに適用し、信号電荷が電子である場合も、極性が異なるのみで、ＨＡＲＰ膜と同様に高Ｓ／Ｎの画像信号を取得できる。
【００５１】
各画素１００ａは、実施例１と同様に、複数の画素１００ａが２次元状に配列され、各画素１００ａは画素トランジスタ３０ａを備える。画素トランジスタ３０ａは、ＭＯＳトランジスタが適用されてよいが、例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用される場合には、ソースが画素電極３１に接続され、ドレインが垂直ライン３５に接続されるように構成される。画素電極３１は、実施例１と同様に、アルミニウム、銅又は金等の配線用金属が適用されてよい。
【００５２】
水平選択トランジスタ４０ａは、一方の拡散層が、画素トランジスタ３０ａが接続されている垂直ライン３５に接続され、他方の拡散層が固定電位供給手段７０ａに接続されている点は、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様であるが、固定電位供給手段７０ａが接地電位ではなく、電源電圧Ｖ０の固定電位を供給している点で、実施例１とは異なっている。なお、水平選択トランジスタ４０ａの極性についても、実施例１と異なる極性の接続がなされてよく、例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用された場合には、ドレインが固定電位供給手段７０ａに接続され、ソースが垂直ライン３５に接続されて構成されてよい。
【００５３】
垂直シフトレジスタ５０及び水平シフトレジスタ６０については、実施例１に係る積層型撮像装置と同様の構成の垂直シフトレジスタ５０及び水平シフトレジスタ６０を用いてもよい。垂直シフトレジスタ５０は、行方向に並列してゲートが接続された画素トランジスタ３０ａを、順次行方向に駆動し、水平シフトレジスタ６０は、各列に接続された水平選択トランジスタ４０ａを順次列方向に駆動することにより、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様の駆動動作を行うことができる。
【００５４】
このように、実施例２に係る積層型固体撮像装置の平面構成図においては、光電変換膜１０ａの種類と極性、画素トランジスタ３０ａの極性、水平選択トランジスタ４０ａの極性及び固定電位供給源７０ａの固定電位のみが異なる。
【００５５】
図５は、実施例２に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０ａを加えた１画素分、１列分の構成を示した図である。
【００５６】
図５において、光電変換膜１０ａにアモルファスシリコン膜が適用されたことに伴い、固定電位供給手段７０ａから電源電圧Ｖ０の固定電位が、水平選択トランジスタ４０ａ及び画素トランジスタ３０ａのオンにより画素電極３１に印加される構成となっている点と、読み出し回路１３０ａの初期バイアス供給回路１１０ａが、電源供給側ではなく抵抗Ｒ１を介して接地された回路となっている点で、実施例１の図２と異なっている。
【００５７】
図５における動作例を説明する。
【００５８】
まず、受光前に画素トランジスタ３０ａ及び水平選択トランジスタ４０ａがオンとなって、画素電極３１側が高電位側となって光電変換膜１０ａの両端に抵抗Ｒ１を介して初期バイアス電圧Ｖ０が印加され、初期バイアス状態となる。
【００５９】
次いで、画素トランジスタ３０ａ及び水平選択トランジスタ４０ａをオフとする。そして、ガラス基板９０、透明電極２０を介して光電変換膜１０ａに光が照射され、受光面に光が入射すると、光の輝度に応じて信号電荷である電子が発生し、信号電荷が光電変換膜１０ａ内を走行するにつれて電子量が増倍される。アモルファスシリコン膜においては、ＨＡＲＰ膜よりは増倍度合いは低いが、信号電荷である電子量を増倍させ、高Ｓ／Ｎの信号電荷を発生させることができる。かかる電子の発生により、アモルファスシリコン膜である光電変換膜１０ａの両端の電圧が初期バイアス状態より低下する。
【００６０】
次のフレームにおいて、読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０ａ及び水平トランジスタ４０ａをオンとすると、固定電位供給手段７０ａから初期バイアス電圧Ｖ０が印加され、光電変換膜１０ａが初期バイアス状態に戻るとともに、透明電極２０から電流が流れる。かかる電流を、読み出し回路１３０ａの電流−電圧変換回路１２０で電圧に変換して読み出すことにより、光に対応して発生した信号電荷を読み出すことができる。
【００６１】
なお、読み出し回路１３０ａは、初期バイアス供給回路１１０ａの抵抗Ｒ１が接続されている所がグラウンドとなる点以外は、電流−電圧変換回路１２０がオペアンプＡｍｐと抵抗Ｒ２を有する点や、デカップリングコンデンサＣ１を備えてもよい点は、実施例１と同様であってよい。
【００６２】
このように、実施例２に係る積層型固体撮像装置においても、画素トランジスタ３０ａと水平選択トランジスタ４０ａは読み出し対象となる画素１００ａの選択のみを行い、信号電荷の読み出しは、透明電極２０側に接続された読み出し回路１３０ａを用いて、光電変換膜１０ａの上面の透明電極２０から行うことができる。これにより、光電変換膜１０ａと固体撮像装置の接合部分の接触抵抗の画素毎のばらつきが固定パターン雑音として生じたり、接合部分の界面状態に起因して光電変換膜１０ａで発生した信号電荷が捕獲され、信号電圧が減少したり残像が発生するという問題を解消することができる。
【００６３】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００６４】
特に、実施例１及び実施例２においては、光電変換膜１０、１０ａにアバランシェ増倍作用を有する膜を適用した例を挙げて説明したが、このような増倍作用を持たない光電変換膜についても、本発明を適用することができる。この場合には、光照射によって発生した電子−正孔対がそれぞれ電界によって光電変換膜１０、１０ａの両端に向かって走行、蓄積するため、信号電荷は電子、正孔のいずれで考えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１に係る積層型固体撮像装置の全体構成図である。
【図２】実施例１に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０を加えた構成図である。
【図３】光電変換膜１０にＨＡＲＰ膜を適用した場合の画素１００の断面構成図例である。
【図４】実施例２に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。
【図５】実施例２に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０ａを加えた構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０、１０ａ 光電変換膜
２０ 透明電極
３０、３０ａ 画素トランジスタ
３１ 画素電極
３２ 引き出し配線
３５ 垂直ライン
４０、４０ａ 水平選択トランジスタ
５０ 垂直シフトレジスタ
６０ 水平シフトレジスタ
７０、７０ａ 固定電位供給手段
８０、８０ａ 固体駆動部
９０ ガラス基板
１００、１００ａ 画素
１１０、１１０ａ 初期バイアス供給回路
１２０ 電流−電圧変換回路
１３０、１３０ａ 読み出し回路
１５０ 半導体基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型固体撮像装置に関し、特に、画素トランジスタの画素電極の上に光電変換膜を積層した積層側固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体撮像装置として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが利用されているが、これらの固体撮像装置は、画素サイズが小さくなってきたため、開口率が低くなり、感度、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）が悪化してきている。これを改善する手段として、ＣＭＯＳイメージセンサ上に光電変換膜を積層した積層型固体撮像装置が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
かかる積層型固体撮像装置によれば、開口率を１００％近くまで向上させることができる。特に、光電変換膜に信号増幅作用がある場合、開口率の向上との相乗効果により、一層の高感度、高Ｓ／Ｎ化を図ることができる。このような撮像デバイスに適用する光電変換膜として、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）膜を採用したＨＡＲＰ膜積層ＣＭＯＳイメージセンサや、アモルファスシリコンを積層したＣＭＯＳイメージセンサの検討及び試作が行われている。これらの光電変換膜を利用した積層型固体撮像装置においては、いずれも光電変換膜で発生し、増倍された信号電荷を、ＣＭＯＳの拡散層に接続された画素電極を介してＣＭＯＳイメージセンサの画素に導き、ＣＭＯＳイメージセンサの出力として読み出す方式を採用している。
【非特許文献１】映像情報メディア学年次大会 １２−３、Ｐ．１６６〜１６７、１９９８
【非特許文献２】映像情報メディア学年次大会 １４−４、２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の非特許文献１及び非特許文献２に記載の構成では、光電変換膜とＣＭＯＳイメージセンサの読み出し回路との接合部分のバンプ等が画素毎にばらつき、かかる画素毎のばらつきが固定パターン雑音として現れたり、接合部分の界面状態により光電変換膜で発生して増倍された信号電荷がトラップされることにより、信号電圧が低下したり、残像が発生したりし、画質が低下するという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、光電変換膜と画素電極との接合部分のばらつきに起因する画質低下を解消し、高画質な出力を得られる積層型固体撮像装置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】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る積層型固体撮像装置は、２次元状に配列された画素毎に設けられた画素トランジスタと、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極と、
前記信号電荷の読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するとともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路と、を有することを特徴とする。
【０００７】
これにより、信号電荷の読み出しを光電変換膜の受光面側から行うことができ、画素トランジスタの画素電極と光電変換膜の接合部分の画素毎のばらつきによる影響を受けることなく信号電荷を読み出すことができ、高品質の画像を撮像することができる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記固体駆動部は、前記画素トランジスタを行毎に駆動する垂直シフトレジスタと、前記画素の列毎に対応して設けられた水平選択トランジスタと、該水平選択トランジスタを駆動する水平シフトレジスタとを有し、
前記画素トランジスタの前記画素電極に接続されていない他方の拡散層は、各列に対応した前記水平選択トランジスタの一方の拡散層に接続されており、前記水平選択トランジスタの他方の拡散層は、前記固定電位を供給する固定電位供給手段に接続されたことを特徴とする。
【０００９】
これにより、読み出し対象となる２次元配列された画素に、順次固定電位を供給して行順、列順に走査して読み出すことができ、固定撮像素子を画素選択のスイッチングのみに用い、ノイズを与えず高速に信号電荷の読み出しを行うことができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記固定電位は、接地電位又は所定の電源電位であることを特徴とする。
【００１１】
これにより、光電変換膜のキャリアの極性に応じて、適切な電位を供給することができるとともに、回路構成を簡素にすることができる。
【００１２】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記光電変換膜は、アバランシェ増倍作用を有するアバランシェ増倍型光電変換膜であることを特徴とする。
【００１３】
これにより、アバランシェ増倍作用と、撮像電極と光電変換膜の接合部分の固定雑音パターンの解消の効果と相俟って、高Ｓ／Ｎ化を実現でき、高品質の画像を得ることができる。
【００１４】
第５の発明は、第４の発明に係る積層側固体撮像装置において、
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスセレンを含む膜であり、前記固定電位は、接地電位であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、ＨＡＲＰ膜を用いて十分な信号電荷の増倍効果を得ることができ、光電変換膜のキャリアが正孔の場合には、光電変換膜を接地電位にして上面の透明電極から信号電荷を読み出すことができる。
【００１６】
第６の発明は、第４の発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスシリコンを含む膜であり、前記固定電位は、所定の電源電位であることを特徴とする。
【００１７】
これにより、アモルファスシリコンを適用した光電変換膜の場合には、光電変換膜を電源電位の初期バイアス状態に戻して適切に上面の透明電極から信号電荷を読み出すことができる。
【００１８】
第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明に係る積層型固体撮像装置において、
前記読み出し回路は、前記光電変換膜が初期バイアス状態に戻るときに流れる電流を電圧に変換して読み出す電流−電圧変換回路を含むことを特徴とする。
【００１９】
これにより、電流を電圧に変換して信号電荷を読み出すことができ、その後の処理を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高画質で撮像画像を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明を適用した実施例１に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。図１において、実施例１に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０と、画素１００と、固体駆動部８０とを備える。画素１００は、画素毎に画素トランジスタ３０と、画素電極３１とを備える。また、固体駆動部８０は、水平選択トランジスタ４０と、垂直シフトレジスタ５０と、水平シフトレジスト６０と、固定電位供給手段７０とを備える。
【００２３】
光電変換膜１０は、上部の受光面から光を受光し、光に基づいて電荷信号を発生させる手段である。光電変換膜１０は、光を受光して電荷信号に変換させる膜であれば、種々の光電変換膜１０を適用することができるが、実施例１においては、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ膜が適用されている例を説明する。ＨＡＲＰ膜は、受光した光を電気信号に変換して信号電荷を発生させるだけでなく、アバランシェ増倍作用により、雪なだれ式に信号電荷量を増倍する。ＨＡＲＰ膜は、横方向の抵抗値が非常に高く、画素間で信号電荷が混合されるおそれが少ないため、画素に区切る必要が無い。よって、ＨＡＲＰ膜は、２次元に配列された画素トランジスタ３０に接続された画素電極３１の全面に積層している。
【００２４】
画素１００は、画像を撮像する単位であり、２次元状に配列される。各画素は、画素トランジスタ３０と、画素トランジスタ３０の一方の拡散層に接続された画素電極３１とを有する。
【００２５】
画素トランジスタ３０は、画素毎に設けられたトランジスタである。画素トランジスタ３０は、各画素１００に対応して設けられ、複数の画素トランジスタ３０が２次元状に配置される。本実施例に係る積層型固体撮像装置においては、１画素について１個の画素トランジスタ３０が備えられる。本実施例に係る積層型固体撮像装置においては、画素トランジスタ３０は、信号電荷の増幅や読み出しを行わず、読み取り対象となる画素を選択し、選択した画素に所定の固定電位を供給する役割のみを担う。画素トランジスタ３０は、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが適用されてよく、ゲートに駆動電圧が印加されてオンとされることにより、読み出し対象の画素１００が選択されてよい。なお、画素トランジスタ３０は、用途に応じてＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用されてもよいし、ＰチャネルＭＯＳトランジスタが適用されてもよいが、一般的には、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用される。
【００２６】
画素電極３１は、画素トランジスタ３０の一方の拡散層に接続された電極であり、平面的には、画素電極３１の１個の形状が、１個の画素１００を構成する。よって、画素１００に対応して、複数の画素電極３１が、２次元状に配置される。画素電極３１は、光電変換膜１０の受光面と反対側に位置し、光電変換膜１０の下面に設けられる。光電変換膜１０が、画素電極３１上に積層されていると言ってもよく、光電変換膜１０の下面に、例えばバンプ等で光電変換膜１０に接合されて画素電極３１は設けられる。画素電極３１は、読み出し対象として選択された画素１００に対応する位置の光電変換膜１０に、信号電荷読み出しの際に固定電位を供給する。つまり、読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０がオンとなったときに、画素電極３１から所定の固定電位が光電変換膜１０に印加される。画素電極３１は、例えば、アルミニウム、銅又は金等の配線用の金属が適用されてよい。また、画素電極３１は、光電変換膜１０に所定の固定電位を供給できれば、画素トランジスタ３０のドレイン又はソースのいずれに接続されてもよいが、実施例１においては、例えば、画素トランジスタ３０にＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用された場合には、画素トランジスタ３０のドレインに画素電極３１が接続されるように構成されてよい。
【００２７】
画素トランジスタ３０の、画素電極３１と接続されていない他方の拡散層は、垂直ライン３５に接続される。垂直ライン３５には、画素１００の垂直列をなす画素トランジスタ３０の画素電極３１と接続されていない方の拡散層が、共通して接続される。
【００２８】
固体駆動部８０は、信号電荷の読み出し対象となる画素１００を選択し、読み出し対象となる画素１００に対応する光電変換膜１０に固定電位を供給し、光電変換膜１０を初期バイアス状態に戻すように画素トランジスタ３０を駆動する手段である。固体駆動部８０は、水平選択トランジスタ４０と、垂直シフトレジスタ５０と、水平シフトレジスタ６０と、固定電位供給手段７０を備える。
【００２９】
水平選択トランジスタ４０は、信号電荷の読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０を、水平方向（列方向）について選択し、選択した画素トランジスタ３０に所定の固定電位を供給するスイッチング用のトランジスタである。水平選択トランジスタは、例えばＭＯＳトランジスタが適用されてよい。水平トランジスタ４０は、画素トランジスタ３０の水平方向についての選択を行うため、画素トランジスタ３０の画素電極３１に接続されていない方の拡散層が共通して接続されている垂直ライン３６に、一方の拡散層が接続される。つまり、同列にある画素トランジスタ３０の画素電極３１に接続されていない方の拡散層は、垂直ライン３５を介して、対応する列に設けられた水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層に接続される。
【００３０】
水平選択トランジスタ４０の、画素トランジスタ３０（垂直ライン３５）と接続されていない方の拡散層は、固定電位供給手段７０に接続される。これにより、信号電荷の読み出し対象となった画素１００の画素トランジスタ３０がオンとなり、かつ読み出し対象となっている画素１００の列の水平選択トランジスタ４０がオンとなれば、固定電位供給手段７０から供給される固定電位を画素トランジスタ３０の画素電極３１に供給することができる。なお、水平選択トランジスタ４０は、用途に応じてＮチャネルＭＯＳトランジスタ及びＰチャネルＭＯＳトランジスタの双方を適用することができる。
【００３１】
固定電位供給手段７０は、水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層が接続され、水平選択トランジスタ４０がオンとなって導通したときに、固定電位を供給するための手段である。実施例１に係る積層型固体撮像装置においては、固定電位供給手段７０は接地電位を供給するように構成されている。この固定電位は、光電変換膜１０の電位状態を、初期バイアス状態とするのに適切な電位が設定されてよく、実施例１に係る積層型固体撮像装置においては、光電変換膜１０にキャリアが正孔のＨＡＲＰ膜が適用されているので、固定電位供給手段７０は接地状態となっている。
【００３２】
垂直シフトレジスタ５０は、読み出し対象である画素トランジスタ３０を駆動させるための垂直走査回路である。よって、垂直シフトレジスタ５０は、画素トランジスタ３０のゲートに接続されるが、２次元配列された画素トランジスタ３０について、同じ行に配列された画素トランジスタ３０のゲートに共通に接続されている。これにより、垂直方向について、順次信号電荷の読み出しを行う画素トランジスタ３０を選択し、駆動させることができる。垂直シフトレジスタ５０により、例えば、１行目、２行目・・・ｍ行目というように順次信号電荷を読み出す画素１００の画素トランジスタ３０を選択駆動するとともに、水平選択トランジスタ４０で水平方向に列の選択を行えば、一意に読み出し対象となる画素トランジスタ３０を特定することができ、画素１００について１個ずつ順次読み出しを行うことができる。なお、垂直シフトレジスタ５０は、通常に用いられるシフトレジスタが適用されてよい。
【００３３】
水平シフトレジスタ６０は、読み出し対象となる画素トランジスタ３０の列に対応する水平方向トランジスタ４０を駆動させるための水平走査回路である。よって、水平シフトレジスタ６０は、各列の水平選択トランジスタ４０のゲートに接続され、選択する列の水平方向トランジスタ４０を駆動できるように構成されている。水平シフトレジスタ６０においても、例えば、１列目、２列目、・・・ｎ列目というように、各列に配置された水平選択トランジスタ４０を順次選択して駆動させることにより、水平方向に移動させる読み出し走査を行わせることができる。垂直シフトレジスタ５０と水平シフトレジスタ６０により、２次元状に配置された画素トランジスタ３０を、一意に選択して読み出しを行うことができる。
【００３４】
図２は、実施例１に係る積層型固体撮像装置の１画素１００、１列分について、読み出し回路１３０まで加えた構成を示した図である。図２において、１画素分の画素トランジスタ３０と、１列分の水平選択トランジスタ４０が示されている。画素トランジスタ３０と水平選択トランジスタ４０は直列に接続され、画素トランジスタ３０の一方の拡散層と、水平選択トランジスタ４０の一方の拡散層が接続されている。水平選択トランジスタ４０の他方の拡散層は、固定電位供給手段７０に接続され、実施例１においては、グラウンドに接続されて接地電位が供給されるようになっている。
【００３５】
画素トランジスタ３０の、水平トランジスタ４０と接続されていない方の拡散層は、画素電極３１に接続され、画素電極３１の上には、光電変換膜１０が積層されている。光電変換膜１０の上面は、受光面を構成するが、その受光面上に透明電極２０が配置されている。透明電極２０は、光電変換膜１０と同様に、連続した１枚の電極として設けられてよい。また、透明電極２０の上面には、ガラス基板９０が配置されている。光電変換膜１０は、ガラス基板９０及び透明電極２０を介して光を受光できる構成となっている。
【００３６】
透明電極２０には、読み出し回路１３０が接続されている。読み出し回路１３０は、画素１００毎に設けられる必要は必ずしも無く、１個の読み出し回路１３０で、選択された画素１００の信号電荷を順次切り替えて読み出す構成としてもよい。読み出し回路１３０は、初期バイアス供給回路１１０と、電流−電圧変換回路１２０とを有する。
【００３７】
初期バイアス供給回路１１０は、画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタがオンとなり閉回路が形成されたときに、光電変換膜１０の両端に、透明電極２０から抵抗Ｒ１を介して電圧Ｖ０を印加し、初期バイアス状態となるように初期バイアス電圧を印加するための回路である。よって、初期バイアス回路１１０は、抵抗Ｒ１と電源Ｖ０を備えてよい。電流−電圧変換回路１２０は、入力電流を電圧に変換して出力して信号電荷を読み出すための回路であり、例えば、オペアンプＡｍｐと抵抗Ｒ２により構成されてよい。また、光電変換膜１０には、例えば１５〔μｍ〕の場合には１５００〔Ｖ〕、２５〔μｍ〕の場合には２５００〔Ｖ〕と大電圧が印加されるため、初期バイアス供給回路１１０と電流−電圧変換回路１２０との間は、交流成分のみを通過させるための安全用のデカップリングコンデンサＣ１が設けられていてもよい。
【００３８】
このように、本実施例に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０の受光面である上面に設けられた透明電極２０から初期バイアス電圧Ｖ０を印加するとともに、信号電荷の読み出しも上面の透明電極２０から行う構成となっている。
【００３９】
次に、かかる構成を有する実施例１に係る積層型固体撮像装置において、引き続き図２を用いて受光から信号電荷の読み出しまでの一連の動作について説明する。まず、受光前に、垂直シフトレジスタ５０（図１参照）及び水平シフトレジスタ６０（図１参照）により、信号電荷の読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０及びその画素トランジスタ３０と垂直ライン３５を介して接続されている水平選択トランジスタ４０をオンとし、光電変換膜１０の両端にかかる電圧を初期バイアス状態とする。これにより、抵抗Ｒ１を介して光電変換膜１０に初期バイアス電圧Ｖ０が印加される。
【００４０】
次いで、画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０をオフとし、照射された光によって発生し、アバランシェ増倍された正孔を蓄積する。正孔は、ＨＡＲＰ膜である光電変換膜１０中の電界によって画素電極３１側に走行、蓄積するため、光電変換膜１０の両端の電圧が初期バイアス状態よりも減少する。
【００４１】
１フレーム後に、再び画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０をオンとすると、光電変換膜１０の両端の電圧が初期バイアス状態に戻るため、電流が流れる。この電流を、電流−電圧変換回路１２０で電圧に変換して読み出す。このような動作を、各画素１００で行えば、２次元の画像信号を得ることができる。
【００４２】
この信号電荷読み出しの過程において、ＭＯＳトランジスタで構成された画素トランジスタ３０及び水平選択トランジスタ４０は、読み出しを行う画素１００の選択及び画素１００に対応する光電変換膜１０の下面の電位を接地電位に落として光電変換膜１０を初期バイアス状態にする役割のみを担っており、信号電荷の読み出しは行っていない。よって、従来の積層型固体撮像装置で問題となる、光電変換膜１０と固体撮像装置の接合部分での接触抵抗の画素１００毎のばらつきが、固定パターン雑音として現れたり、接合部分の界面状態により光電変換膜１０で発生した信号電荷がトラップされたりすることによる信号電圧の低下や、残像の発生等の不具合を回避することができる。これにより、高Ｓ／Ｎの信号電荷読み出しが可能となる。
【００４３】
図３は、実施例１に係る積層型固体撮像装置の光電変換膜１０にＨＡＲＰ膜を適用した場合の１画素１００の構成例を示した断面構成図である。図３において、画素１００は、半導体基板１５０に形成された画素トランジスタ３０を有し、積層構造によりゲート、ドレイン及びソースの引き出し配線３２が形成されている。図１において説明したように、ゲートは垂直シフトレジスタ５０に接続され、ソースは垂直ライン３５に接続される。
【００４４】
ドレインは、引き出し配線３２を介して画素電極３１に接続され、画素電極３１上には、光電変換膜１０としてＨＡＲＰ膜が積層される。ＨＡＲＰ膜は、例えば、ＧｅＯ２層１１と、ＣｅＯ２層１２と、Ｓｅ及びＬｉＦ層１３と、ａ−Ｓｅ（アモルファスセレン）層１４と、Ｓｂ２Ｓ３層１５とから構成されてもよい。図３に示すように、ＨＡＲＰ膜は、例えばアモルファスセレン層１４が主成分として構成される。ＨＡＲＰ膜は、正孔をキャリアとし、上面（受光面）から光が入射することにより内部で信号電荷である正孔が発生し、正孔が画素電極３１の方に向かって走行するにつれて雪なだれ式に信号電荷量が増倍されるアバランシェ増倍作用を有する。これにより、高Ｓ／Ｎを実現することができる。
【００４５】
なお、ＨＡＲＰ膜のキャリアが正孔であるため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタから構成される画素トランジスタ３０は、ドレインが画素電極３１に接続される。
【００４６】
光電変換膜１０であるＨＡＲＰ膜の上面には、透明電極２０が設置され、更にその上面にガラス基板９０が設置され、１つの画素１００を構成する。透明電極２０には、図２において説明したように、読み出し回路１３０が接続され、上面の透明電極２０側から信号電荷を読み出すことにより、光電変換膜１０と画素トランジスタ３０の接合部分の画素１００毎のばらつきの影響を解消することができる。
【００４７】
このように、実施例１に係る積層型固体撮像装置によれば、アバランシェ増倍作用を有するＨＡＲＰ膜を光電変換膜１０として用いて、高Ｓ／Ｎの画像信号を取得することができる。
【実施例２】
【００４８】
図４は、本発明を適用した実施例２に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。実施例２に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０ａと、画素１００ａと、固体駆動部８０ａとを備える点においては、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様であるが、光電変換膜１０ａに、キャリアが電子のアモルファスシリコン膜が適用されており、それに伴い種々の構成要素の極性が実施例１と異なっている。なお、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様の構成要素については、同様の参照符号を付してその説明を省略する。また、実施例１に係る構成要素と極性のみ異なる構成要素については、参照符号の後にａを追加して付すものとする。
【００４９】
図４において、実施例２に係る積層型固体撮像装置は、光電変換膜１０ａと、画素１００ａと、固体駆動部８０ａを備える。
【００５０】
光電変換膜１０ａは、アモルファスシリコン膜が適用され、やはりアバランシェ増倍作用を有する。アモルファスシリコン膜においては、受光面で光を受光したときには、光の輝度に応じて信号電荷を発生させ、信号電荷が光電変換膜１０ａ中を走行するにつれて信号電荷が増倍される点はＨＡＲＰ膜と同様であるが、信号電荷が正孔ではなく電子である点が異なっている。このように、アモルファスシリコン膜を光電変換膜１０ａに適用し、信号電荷が電子である場合も、極性が異なるのみで、ＨＡＲＰ膜と同様に高Ｓ／Ｎの画像信号を取得できる。
【００５１】
各画素１００ａは、実施例１と同様に、複数の画素１００ａが２次元状に配列され、各画素１００ａは画素トランジスタ３０ａを備える。画素トランジスタ３０ａは、ＭＯＳトランジスタが適用されてよいが、例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用される場合には、ソースが画素電極３１に接続され、ドレインが垂直ライン３５に接続されるように構成される。画素電極３１は、実施例１と同様に、アルミニウム、銅又は金等の配線用金属が適用されてよい。
【００５２】
水平選択トランジスタ４０ａは、一方の拡散層が、画素トランジスタ３０ａが接続されている垂直ライン３５に接続され、他方の拡散層が固定電位供給手段７０ａに接続されている点は、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様であるが、固定電位供給手段７０ａが接地電位ではなく、電源電圧Ｖ０の固定電位を供給している点で、実施例１とは異なっている。なお、水平選択トランジスタ４０ａの極性についても、実施例１と異なる極性の接続がなされてよく、例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが適用された場合には、ドレインが固定電位供給手段７０ａに接続され、ソースが垂直ライン３５に接続されて構成されてよい。
【００５３】
垂直シフトレジスタ５０及び水平シフトレジスタ６０については、実施例１に係る積層型撮像装置と同様の構成の垂直シフトレジスタ５０及び水平シフトレジスタ６０を用いてもよい。垂直シフトレジスタ５０は、行方向に並列してゲートが接続された画素トランジスタ３０ａを、順次行方向に駆動し、水平シフトレジスタ６０は、各列に接続された水平選択トランジスタ４０ａを順次列方向に駆動することにより、実施例１に係る積層型固体撮像装置と同様の駆動動作を行うことができる。
【００５４】
このように、実施例２に係る積層型固体撮像装置の平面構成図においては、光電変換膜１０ａの種類と極性、画素トランジスタ３０ａの極性、水平選択トランジスタ４０ａの極性及び固定電位供給源７０ａの固定電位のみが異なる。
【００５５】
図５は、実施例２に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０ａを加えた１画素分、１列分の構成を示した図である。
【００５６】
図５において、光電変換膜１０ａにアモルファスシリコン膜が適用されたことに伴い、固定電位供給手段７０ａから電源電圧Ｖ０の固定電位が、水平選択トランジスタ４０ａ及び画素トランジスタ３０ａのオンにより画素電極３１に印加される構成となっている点と、読み出し回路１３０ａの初期バイアス供給回路１１０ａが、電源供給側ではなく抵抗Ｒ１を介して接地された回路となっている点で、実施例１の図２と異なっている。
【００５７】
図５における動作例を説明する。
【００５８】
まず、受光前に画素トランジスタ３０ａ及び水平選択トランジスタ４０ａがオンとなって、画素電極３１側が高電位側となって光電変換膜１０ａの両端に抵抗Ｒ１を介して初期バイアス電圧Ｖ０が印加され、初期バイアス状態となる。
【００５９】
次いで、画素トランジスタ３０ａ及び水平選択トランジスタ４０ａをオフとする。そして、ガラス基板９０、透明電極２０を介して光電変換膜１０ａに光が照射され、受光面に光が入射すると、光の輝度に応じて信号電荷である電子が発生し、信号電荷が光電変換膜１０ａ内を走行するにつれて電子量が増倍される。アモルファスシリコン膜においては、ＨＡＲＰ膜よりは増倍度合いは低いが、信号電荷である電子量を増倍させ、高Ｓ／Ｎの信号電荷を発生させることができる。かかる電子の発生により、アモルファスシリコン膜である光電変換膜１０ａの両端の電圧が初期バイアス状態より低下する。
【００６０】
次のフレームにおいて、読み出し対象となる画素１００の画素トランジスタ３０ａ及び水平トランジスタ４０ａをオンとすると、固定電位供給手段７０ａから初期バイアス電圧Ｖ０が印加され、光電変換膜１０ａが初期バイアス状態に戻るとともに、透明電極２０から電流が流れる。かかる電流を、読み出し回路１３０ａの電流−電圧変換回路１２０で電圧に変換して読み出すことにより、光に対応して発生した信号電荷を読み出すことができる。
【００６１】
なお、読み出し回路１３０ａは、初期バイアス供給回路１１０ａの抵抗Ｒ１が接続されている所がグラウンドとなる点以外は、電流−電圧変換回路１２０がオペアンプＡｍｐと抵抗Ｒ２を有する点や、デカップリングコンデンサＣ１を備えてもよい点は、実施例１と同様であってよい。
【００６２】
このように、実施例２に係る積層型固体撮像装置においても、画素トランジスタ３０ａと水平選択トランジスタ４０ａは読み出し対象となる画素１００ａの選択のみを行い、信号電荷の読み出しは、透明電極２０側に接続された読み出し回路１３０ａを用いて、光電変換膜１０ａの上面の透明電極２０から行うことができる。これにより、光電変換膜１０ａと固体撮像装置の接合部分の接触抵抗の画素毎のばらつきが固定パターン雑音として生じたり、接合部分の界面状態に起因して光電変換膜１０ａで発生した信号電荷が捕獲され、信号電圧が減少したり残像が発生するという問題を解消することができる。
【００６３】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００６４】
特に、実施例１及び実施例２においては、光電変換膜１０、１０ａにアバランシェ増倍作用を有する膜を適用した例を挙げて説明したが、このような増倍作用を持たない光電変換膜についても、本発明を適用することができる。この場合には、光照射によって発生した電子−正孔対がそれぞれ電界によって光電変換膜１０、１０ａの両端に向かって走行、蓄積するため、信号電荷は電子、正孔のいずれで考えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】実施例１に係る積層型固体撮像装置の全体構成図である。
【図２】実施例１に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０を加えた構成図である。
【図３】光電変換膜１０にＨＡＲＰ膜を適用した場合の画素１００の断面構成図例である。
【図４】実施例２に係る積層型固体撮像装置の全体構成を示した図である。
【図５】実施例２に係る積層型固体撮像装置の読み出し回路１３０ａを加えた構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０、１０ａ 光電変換膜
２０ 透明電極
３０、３０ａ 画素トランジスタ
３１ 画素電極
３２ 引き出し配線
３５ 垂直ライン
４０、４０ａ 水平選択トランジスタ
５０ 垂直シフトレジスタ
６０ 水平シフトレジスタ
７０、７０ａ 固定電位供給手段
８０、８０ａ 固体駆動部
９０ ガラス基板
１００、１００ａ 画素
１１０、１１０ａ 初期バイアス供給回路
１２０ 電流−電圧変換回路
１３０、１３０ａ 読み出し回路
１５０ 半導体基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元状に配列された画素毎に設けられた画素トランジスタと、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極と、
前記信号電荷の読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するとともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、前記光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路と、を有することを特徴とする積層型固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体駆動部は、前記画素トランジスタを行毎に駆動する垂直シフトレジスタと、前記画素の列毎に対応して設けられた水平選択トランジスタと、該水平選択トランジスタを駆動する水平シフトレジスタとを有し、
前記画素トランジスタの前記画素電極に接続されていない他方の拡散層は、各列に対応した前記水平選択トランジスタの一方の拡散層に接続されており、前記水平選択トランジスタの他方の拡散層は、前記固定電位を供給する固定電位供給手段に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項３】
前記固定電位は、接地電位又は所定の電源電位であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換膜は、アバランシェ増倍作用を有するアバランシェ増倍型光電変換膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項５】
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスセレンを含む膜であり、前記固定電位は、接地電位であることを特徴とする請求項４に記載の積層側固体撮像装置。
【請求項６】
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスシリコンを含む膜であり、前記固定電位は、所定の電源電位であることを特徴とする請求項４に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項７】
前記読み出し回路は、前記光電変換膜が初期バイアス状態に戻るときに流れる電流を電圧に変換して読み出す電流−電圧変換回路を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項１】
２次元状に配列された画素毎に設けられた画素トランジスタと、
該画素トランジスタの一方の拡散層に接続された画素電極の上に積層され、該画素電極側と反対側に位置する受光面で受光した光を光電変換して、信号電荷を発生させる光電変換膜と、
該光電変換膜の前記受光面上に設けられた透明電極と、
前記信号電荷の読み出し対象となる前記画素を、前記画素トランジスタをオンとして選択するとともに、前記画素電極から所定の固定電位を供給して前記光電変換膜を初期バイアス状態に戻す固体駆動部と、
前記透明電極に接続され、前記光電変換膜が前記初期バイアス状態に戻るときに、前記光電変換膜を流れる前記信号電荷に対応する電流を検出し、前記光電変換膜で発生した前記信号電荷を読み出す読み出し回路と、を有することを特徴とする積層型固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体駆動部は、前記画素トランジスタを行毎に駆動する垂直シフトレジスタと、前記画素の列毎に対応して設けられた水平選択トランジスタと、該水平選択トランジスタを駆動する水平シフトレジスタとを有し、
前記画素トランジスタの前記画素電極に接続されていない他方の拡散層は、各列に対応した前記水平選択トランジスタの一方の拡散層に接続されており、前記水平選択トランジスタの他方の拡散層は、前記固定電位を供給する固定電位供給手段に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項３】
前記固定電位は、接地電位又は所定の電源電位であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換膜は、アバランシェ増倍作用を有するアバランシェ増倍型光電変換膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項５】
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスセレンを含む膜であり、前記固定電位は、接地電位であることを特徴とする請求項４に記載の積層側固体撮像装置。
【請求項６】
前記アバランシェ増倍型光電変換膜は、アモルファスシリコンを含む膜であり、前記固定電位は、所定の電源電位であることを特徴とする請求項４に記載の積層型固体撮像装置。
【請求項７】
前記読み出し回路は、前記光電変換膜が初期バイアス状態に戻るときに流れる電流を電圧に変換して読み出す電流−電圧変換回路を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層型固体撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−４０６７５（Ｐ２０１０−４０６７５Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０００７０（Ｐ２００８−２０００７０）
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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