JP2005347475A - Solid state image sensor and solid state imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ、スキャナー、複写機をはじめとする機器、バイオや化学センサーなどの光センサーに利用可能な固体撮像素子に関するものである。特に、単層型の光電変換層を有する固体撮像素子、及び固体撮像システムに関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device that can be used for a digital camera, a video camera, a facsimile, a scanner, a copying machine, and other optical sensors such as bio and chemical sensors. In particular, the present invention relates to a solid-state imaging device having a single-layer photoelectric conversion layer and a solid-state imaging system.
従来、電荷転送路と略同一平面に光電変換層を設けた構造の固体撮像素子では、画素の高集積化に伴い,カラーフイルターでの光損失や受光素子の開口が光の波長と同程度のサイズとなり光が光電変換層に導波されにくくなるという欠点がある。このように、従来の固体撮像素子は光の利用効率が悪いことが問題となっている。 Conventionally, in a solid-state imaging device having a structure in which a photoelectric conversion layer is provided in substantially the same plane as the charge transfer path, the light loss in the color filter and the aperture of the light receiving device are about the same as the wavelength of light as the pixels are highly integrated There is a disadvantage that the size is reduced and light is less likely to be guided to the photoelectric conversion layer. As described above, the conventional solid-state imaging device has a problem that the light use efficiency is low.
この問題を解決するために、光電変換層を積層構造にすることが提案されている(特開平5−152554号公報、特開平9−64406号公報参照)。この提案では、光電変換層をアモルファス或いは多結晶で構成しているために、残像や暗電流が大きく、実用化に至っていないのが現状である。 In order to solve this problem, it has been proposed that the photoelectric conversion layer has a laminated structure (see JP-A-5-152554 and JP-A-9-64406). In this proposal, since the photoelectric conversion layer is composed of amorphous or polycrystalline, the afterimage and dark current are large, and the actual situation is that the photoelectric conversion layer has not been put into practical use.
加えて、シリコン基板へのエピタキシャル成長では温度が高く実用上問題があるると共に、シリコン基板上に低温で成長できる結晶も検討されているが良好な品質の膜が得られていないのが現状である。 In addition, epitaxial growth on a silicon substrate has a high temperature and has practical problems, and crystals that can be grown on a silicon substrate at a low temperature have been studied, but a good quality film has not been obtained. .
本発明は、前記従来における諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明の目的は、良質な光電変換層を有し、感度が高く、且つ残像のない固体撮像素子、及び固体撮像システムを提供することである。 An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a solid-state imaging system that have a high-quality photoelectric conversion layer, have high sensitivity, and have no afterimage.
上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の個体撮像素子は、
外部からの入射光により信号を生成する光電変換部と、
表面上に前記光電変換部が設けられると共に、前記光電変換部から生成した前記信号を読み出す信号転送回路が設けられた半導体基板と、
を有する固体撮像素子において、
前記光電変換部を構成する光電変換層は、化合物半導体層の単層構造で構成されていることを特徴としている。
The above problem is solved by the following means. That is,
The individual imaging device of the present invention is
A photoelectric conversion unit that generates a signal by incident light from outside;
A semiconductor substrate provided with a signal transfer circuit for reading the signal generated from the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion unit being provided on the surface;
In a solid-state imaging device having
The photoelectric conversion layer that constitutes the photoelectric conversion part is configured by a single layer structure of a compound semiconductor layer.
本発明の固体撮像素子では、光電変換部を構成する光電変換層として、化合物半導体層の単層構造で構成させる。この化合物半導体層は、良好な結晶性や格子整合性を持つため、高速に電荷が移動し、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能である。このため、感度が高く、且つ残像が少なくなる。また、半導体基板上に光電変換部を設けているので、半導体基板に設けられた信号転送回路と同一面ないに光電変換部を設けた場合よりも、受光面を大きく形成できるので画素の微細化も可能である。 In the solid-state imaging device of the present invention, the photoelectric conversion layer constituting the photoelectric conversion unit is configured with a single layer structure of a compound semiconductor layer. Since this compound semiconductor layer has good crystallinity and lattice matching, the charge can move at high speed, there is little dark current, and it is difficult for defects to occur, so that the area can be increased. For this reason, the sensitivity is high and the afterimage is reduced. In addition, since the photoelectric conversion part is provided on the semiconductor substrate, the light receiving surface can be formed larger than the case where the photoelectric conversion part is provided on the same surface as the signal transfer circuit provided on the semiconductor substrate. Is also possible.
本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、GaAsに格子整合する、GaAs層、InGaP層、又はInGaAsP層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、可視領域に光吸収波長(バンドギャップ)を持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、可視領域の受光が可能となる。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate is a silicon substrate, and the light conversion layer is formed of a GaAs layer, an InGaP layer, or an InGaAsP layer lattice-matched to GaAs. In this configuration, since a high-quality photoelectric conversion layer having a light absorption wavelength (band gap) in the visible region is provided on the silicon substrate, the visible region can be received with high sensitivity and no afterimage. .
本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、InGaN層、GaN層、又は、AlGaN層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、可視から紫外領域にバンドギャップを持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、紫外光の受光が可能となる。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate is made of a silicon substrate, and the light conversion layer is composed of an InGaN layer, a GaN layer, or an AlGaN layer. In this configuration, since a high-quality photoelectric conversion layer having a band gap in the visible to ultraviolet region is provided on the silicon substrate, it is possible to receive ultraviolet light with high sensitivity and no afterimage.
本発明の固体撮像素子において、前記半導体基板はシリコン基板からなり、前記光線変換層は、InPに格子整合する、InP層、InGaAs層、InAlAs層で構成されることが好適である。この構成では、シリコン基板上に、赤外領域にバンドギャップを持った高品質な光電変換層が設けられているので、感度良く、且つ残像なく、赤外光の受光が可能となる。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the semiconductor substrate is made of a silicon substrate, and the light conversion layer includes an InP layer, an InGaAs layer, and an InAlAs layer that are lattice-matched to InP. In this configuration, since a high-quality photoelectric conversion layer having a band gap in the infrared region is provided on the silicon substrate, infrared light can be received with high sensitivity and no afterimage.
本発明の固体撮像素子において、前記光電変換層は、そのバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体により埋め込まれていることが好適である。この構成により、暗電流をより低減され、より効果的に、感度が高く、且つ残像が少なくなる。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that the photoelectric conversion layer is embedded with a semiconductor having a wavelength shorter than the band gap or an equivalent band gap. With this configuration, the dark current is further reduced, the sensitivity is higher, and the afterimage is reduced more effectively.
本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部上に、受光面を除いて遮光膜が設けられていることが好適である。この構成により、固体撮像素子(或いは光電変換部)をアレイ化しても、混色を効果的に防止することができる。 In the solid-state imaging device according to the aspect of the invention, it is preferable that a light-shielding film is provided on the photoelectric conversion unit except for a light-receiving surface. With this configuration, color mixing can be effectively prevented even when the solid-state imaging device (or photoelectric conversion unit) is arrayed.
本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の受光面上に、マイクロレンズが設けられていることが好適である。この構成により、光電変換部の受光面へ入射する光の集光効率が向上する。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that a microlens is provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit. With this configuration, the light collection efficiency of light incident on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit is improved.
本発明の固体撮像素子において、前記光電変換部の受光面上に、カラーフィルタが設けられていることが好適である。この構成により、色分離が行えるようになる。 In the solid-state imaging device of the present invention, it is preferable that a color filter is provided on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit. With this configuration, color separation can be performed.
本発明の固体撮像システムは、上記本発明の固体撮像素子を備え、前記光電変換部がアレイ化されると共に、その光電変換部の受光面上にカラーフィルターを設け、
前記カラーフィルターが4色からなり,その透過の極大値が420〜480nm(B)、480〜520nm(GB)、520〜560nm(G)、580〜620nm(R)にあり、
RGB表色系における各原色の刺激値に対応する夫々の色信号を発生する光電変換部により撮像し、これらの色信号に対し負感度成分を加味する演算処理を行うことによって色再現を実現せしめ、
前記RGB表色系における青(B)と緑(G)の中間色のスペクトル領域(GB)に対応する色信号を発生する光電変換部により撮像し、当該光電変換部により発生した色信号を前記赤(R)の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤(R′)の色信号を形成し、この新たな赤(R′)の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめることを特徴としている。
The solid-state imaging system of the present invention includes the solid-state imaging device of the present invention, the photoelectric conversion unit is arrayed, and a color filter is provided on a light receiving surface of the photoelectric conversion unit,
The color filter has four colors, and the maximum values of the transmission are 420 to 480 nm (B), 480 to 520 nm (GB), 520 to 560 nm (G), and 580 to 620 nm (R),
Color reproduction is realized by taking an image with a photoelectric conversion unit that generates each color signal corresponding to the stimulus value of each primary color in the RGB color system, and performing an arithmetic process that adds a negative sensitivity component to these color signals. ,
An image is captured by a photoelectric conversion unit that generates a color signal corresponding to a spectral region (GB) of blue (B) and green (G) in the RGB color system, and the color signal generated by the photoelectric conversion unit is captured by the red color A new red (R ') color signal is formed by subtracting from the (R) color signal at a ratio based on a preset coefficient, and the new red (R') color signal is subjected to color mixing processing. It is characterized in that color reproduction is performed by applying it as a red color signal.
本発明の固体撮像システムでは、透過の極大値が420〜480nm(B)、480〜520nm(GB)、520〜560nm(G)、580〜620nm(R)のカラーフィルターを用いると共に、人の分光感度に合せるように赤色の負の感度補正を行う。上記カラーフィルターを用いて、三原色に対応する光電変換部(受光エレメント)から出力した色信号と負感度のスペクトル領域(GB)に対応する光電変換部(受光エレメント)から得られた色信号との減算処理を行うことにより、負感度の特性を有する色信号を擬似的に発生させるようにしたので、従来に較べて色再現領域を拡大することができ、この負感度の特性を有する色信号で輝度信号又は色差信号を形成して画像を再生すると、鮮明な映像を表現することができる。 In the solid-state imaging system of the present invention, color filters having a maximum value of transmission of 420 to 480 nm (B), 480 to 520 nm (GB), 520 to 560 nm (G), and 580 to 620 nm (R) are used. Perform red negative sensitivity correction to match the sensitivity. Using the color filter, the color signal output from the photoelectric conversion unit (light receiving element) corresponding to the three primary colors and the color signal obtained from the photoelectric conversion unit (light receiving element) corresponding to the negative sensitivity spectral region (GB) By performing the subtraction process, a color signal having a negative sensitivity characteristic is generated in a pseudo manner, so that the color reproduction region can be expanded as compared with the conventional color signal. When a luminance signal or a color difference signal is formed and an image is reproduced, a clear video can be expressed.
本発明によれば、良質な光電変換層を有し、感度が高く、且つ残像のない固体撮像素子、及び固体撮像システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device and a solid-state imaging system that have a high-quality photoelectric conversion layer, have high sensitivity, and have no afterimage.
以下、本発明について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、実質的に同じ機能を有する部材には全図面通して同じ符号を付与して説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that members having substantially the same function are denoted by the same reference numerals throughout the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。図2は、本発明の第1実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子10は、Si基板に信号転送回路(図示せず)が形成された信号転送回路基板12(半導体基板)上に、光電変換部14が設けられている。また、光電変換部14は、その側面を覆うように絶縁性の封止材16により封止されている。また、その受光面上には、受光面を保護するために、光電変換部14の最上層上に透明絶縁膜18が設けられている。
In the solid-
光電変換部14は、単層型の光電変換層20により構成されている。光電変換層20は、例えば、GaAsからなる化合物半導体層で構成している。具体的には、光電変換層20は、n−GaAs層20a、i−GaAs層20b及びp−GaAs層20cから構成されている。
The
そして、光電変換層20には、はんだなどで構成されたn側電極22、p側電極24が設けられている。電極とのオーミックコンタクトを図るため、n側電極22はn−GaAsからなるコンタクト層26を介して、p側電極24はp−GaAsからなるコンタクト層28を介して光電変換層20に設けられている。なお、n−GaAs層20aがコンタクト層26を兼ねている。また、p−GaAs層20cがコンタクト層28を兼ねている。
The
光電変換層20は、n側電極22を介して信号転送回路基板12に形成された画素電極30に接続され、p側電極24を介して共通電極32に接合されている。
The
光電変換層20おいては、受光面において光が入射すると、入射光に対して信号(信号電荷、信号電流)を生成し、画素電極30を通じて当該信号が信号転送回路へと送られる。
In the
信号転送回路基板12は、シリコン基板で構成され、半導体プロセスにより信号転送回路(図示せず)が形成されいる。また、光電変換部14からの信号を信号転送回路へ送るための画素電極30が設けられている。また、共通電極32が絶縁層34を介して設けられている。
The signal
信号転送回路は通常の読み出し回路を用いることができる。光電変換部14(以下、受光部)で光/電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、いわゆる電荷結合素子(CCD)や、X−Yアドレス方式を用いたMOS型撮像素子(いわゆるCMOSセンサ)の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。CCDを適用した転送読み出し方式として、画素の電荷信号を転送スイッチにより、アナログシフトレジスタに転送する電荷転送部を有しており、レジスタの動作で信号を出力端に準じ読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス(lineaddress)型、フレーム転送(frame transfer)型やインターライン転送(interline transfer)型、フレームインターライン転送(frame interline transfer)型方式などが挙げられる。また、CCDには2相構造3相構造や4相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが特に、こだわらず任意の構造を適用できる。 As the signal transfer circuit, a normal reading circuit can be used. The signal charge or signal current optically / electrically converted by the photoelectric conversion unit 14 (hereinafter referred to as the light receiving unit) is stored in the light receiving unit itself or an attached capacitor. The stored charge is read out together with the selection of the pixel position by using a so-called charge-coupled device (CCD) or a MOS type image pickup device (so-called CMOS sensor) using an XY address system. As a transfer readout method using a CCD, there is a method of having a charge transfer unit that transfers a charge signal of a pixel to an analog shift register by a transfer switch, and reading a signal according to an output terminal by the operation of the register. Examples include a line address type, a frame transfer type, an interline transfer type, and a frame interline transfer type method. In addition, the CCD has a two-phase structure, a three-phase structure, a four-phase structure, and a buried channel structure, but any structure can be applied.
他には、アドレス選択方式として、1画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧(又は電荷)として読み出す方式が挙げられる。2次元にアレイ化されたX−Yアドレス操作の撮像素子がCMOSセンサとして知られる。これは、X−Yの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを棟して順番に出力端から読み出される。 In addition, as an address selection method, there is a method in which each pixel is sequentially selected by a multiplexer switch and a digital shift register and read out as a signal voltage (or charge) on a common output line. An image sensor for XY address operation that is two-dimensionally arrayed is known as a CMOS sensor. This is because a switch connected to a pixel connected to the intersection of XY is connected to a vertical shift register, and when a switch is turned on by a voltage from the vertical scanning shift register, it is read from a pixel placed in the same row. The signal is read out to the output line in the column direction. This signal is read out from the output terminal in turn through a switch driven by a horizontal scanning shift register.
出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling)の手法などにより、S/Nの向上をはかることができる。 For reading out the output signal, a floating diffusion detector or a floating gate detector can be used. Further, the S / N can be improved by providing a signal amplification circuit in the pixel portion or a correlated double sampling technique.
信号処理には、ADC回路によるガンマ補正、AD変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。NTSC信号に用いる際は、RGB信号をYIQ信号の変換処理を施すことができる。 For signal processing, gamma correction by an ADC circuit, digitization by an AD converter, luminance signal processing, and color signal signal processing can be performed. Examples of the color signal processing include white balance processing, color separation processing, and color matrix processing. When used for NTSC signals, RGB signals can be converted to YIQ signals.
以下、本実施形態に係る固体撮像素子10の製造方法について説明する。なお、以下の化合物半導体層の積層は、例えば有機金属気相成長法や分子線エピタキャシャル成長法により行われる。
Hereinafter, a method for manufacturing the solid-
まず、図2(a)に示すように、GaAs基板36上に、GaAsバッファ層38、InGaPエッチング阻止層40を順次積層する。引き続き、n−GaAs層20a(n−GaAsコンタクト層26)、i−GaAs層20b、及びp−GaAs層20c(p−GaAsコンタクト層28)を順次積層する。そして、p−GaAsコンタクト層28上に、p側電極24としてTi/Pt/Auを形成すると共に、所望の形状にパターニングを施す。
First, as shown in FIG. 2A, a
このようにして、GaAs基板36上に、n−GaAs層20a及びi−GaAs層20bからなる光電変換層20で構成された光電変換部14が作製される。
In this manner, the
次に、図2(b)に示すように、光電変換部14を設けたGaAs基板36を用い、別工程で作製された信号転送回路基板12上に、所定のパターニングが施された共通電極32とp側電極24とを接合して光電変換部14を配設する。その後、アンモニア系のエッチング液で、GaAs基板36とGaAsバッファ層38を除去する。そして、塩酸系のエッチング液で、InGaPエッチング阻止層40を除去し、n−GaAs層20aを露出させる。
Next, as shown in FIG. 2B, a
次に、図2(c)に示すように、n−GaAs層20a上に、n側電極22としてAuGe/Ni/Auを形成する。そして、ドライエッチングによる光電変換層20の立体構造形成、封止材16としてSiO2積層、ビアホール形成、ビアプラグ形成などを施し、光電変換部14における光電変換層20を、n側電極22を介して信号転送回路基板12に形成された画素電極30に接続する。その後、光電変換部14の受光面を保護するように透明絶縁膜18を形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, AuGe / Ni / Au is formed as the n-
このようにして、本実施形態に係る固体撮像素子10を作製する。
In this way, the solid-
以上、説明した本実施形態に係る固体撮像素子10では、単層型の光電変換部14を構成する光電変換層として、良好な結晶性や格子整合性を持った化合物半導体層を適用していので、この単層型の光電変換部14は、高速に電荷が移動され、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能である。このため、本実施形態の固体撮像素子10は、感度が高く、且つ残像が少なくなる。また、光電変換部14は、高速に電荷を移動できるので、残像の問題がなく、デジタルビデオのような高速駆動においても良質な画像が得られる。
As described above, in the solid-
また、本実施形態の固体撮像素子10では、赤外領域にバンドギャップを持つ光電変換層20として、GaAs層で構成した形態を示したが、これに代えて、GaAsに格子整合するInGaP層や、InGaAsP層で構成してもよい。特に、通常、固体撮像素子10には、赤外カットフィルター(図示せず)を設ける必要があるが、この光電変換層20を、InGaP層で構成すると赤外カットフィルターが不要となる。
In the solid-
また、光電変換層20は、可視から紫外領域にバンドギャップを持つものでもよく、例えば、InGaN層、GaN層、又は、AlGaN層で構成させることができる。
In addition, the
また、光電変換層20は、赤外領域にバンドギャップを持つものでもよく、例えば、InPに格子整合する、InP層、InGaAs層、InAlAs層で構成させることもできる。
In addition, the
これらの化合物半導体層は、例えば、ナイトライド系の化合物半導体に比べ、結晶性が高く完全格子整合性を持っているため、暗電流が少なく、しかも欠陥もできにくく、大面積化が可能な光電変換部14となる。
These compound semiconductor layers, for example, have higher crystallinity and perfect lattice matching than nitride-based compound semiconductors. It becomes the
本実施形態に係る固体撮像素子では、信号転送回路基板12上に光電変換部14を設けているので、信号転送回路基板12に設けられた信号転送回路と同一面内に光電変換部14を設けた場合よりも、受光面を大きく形成できるので画素の微細化も可能である。
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, since the
(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。図4は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像素子の製造過程を示す工程図である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子は、光電変換部14を構成する光電変換層20(GaAs層)が、GaAs層のバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有するInGaP層42により埋め込まれた埋め込み構造である形態である。ここで、この埋め込み構造とは、光電変換層20の側面が、上記半導体で覆われる構成のものをいう。これ以外の構成は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
In the solid-state imaging device according to this embodiment, the photoelectric conversion layer 20 (GaAs layer) constituting the
以下、本実施形態に係る固体撮像素子10の製造方法について説明する。なお、以下の化合物半導体層の積層は、例えば有機金属気相成長法や分子線エピタキャシャル成長法により行われる。
Hereinafter, a method for manufacturing the solid-
まず、図4(a)に示すように、GaAs基板36上に、GaAsバッファ層38、InGaPエッチング阻止層40を順次積層する。引き続き、n−GaAs層20a、i−GaAs層20b、p−GaAsコンタクト層28を順次積層する。
First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4(b)に示すように、p−GaAsコンタクト層28上に、図示しないSiO2層を形成し、所望の形状にパターニングを施し、これをマスクとして、通常のリソグラフィーとドライエッチングにより、n−GaAs層20a、i−GaAs層20b、p−GaAsコンタクト層28の周囲を除去する。そして、当該層の側面を覆うように、選択成長により、InGaP層42を埋め込み成長を行う。その後、マスクとしてのSiO2層を除去し、p−GaAsコンタクト層28上に、p側電極24としてTi/Pt/Auを形成すると共に、所望の形状にパターニングを施す。
Next, as shown in FIG. 4B, a SiO 2 layer (not shown) is formed on the p-
このようにして、GaAs基板36上に、InGaP層42により埋め込まれたn−GaAs層20a及びi−GaAs層20bからなる光電変換層20で構成された光電変換部14が作製される。
In this manner, the
次に、図4(c)に示すように、光電変換部14を設けたGaAs基板36を用い、別工程で作製された信号転送回路基板12上に、所定のパターニングが施された共通電極32とp側電極24とを接合して光電変換部14を配設する。その後、アンモニア系のエッチング液で、GaAs基板36とGaAsバッファ層38を除去する。そして、塩酸系のエッチング液で、InGaPエッチング阻止層40を除去し、n−GaAs層20aを露出させる。
Next, as shown in FIG. 4C, a
次に、図4(d)に示すように、n−GaAs層20a上に、n側電極22としてAuGe/Ni/Auを形成する。そして、ドライエッチングによる光電変換層20の立体構造形成、封止材16としてSiO2積層、ビアホール形成、ビアプラグ形成などを施し、光電変換部14における光電変換層20を、n側電極22を介して信号転送回路基板12に形成された画素電極30に接続する。その後、光電変換部14の受光面を保護するように透明絶縁膜18を形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, AuGe / Ni / Au is formed as the n-
このようにして、本実施形態に係る固体撮像素子10を作製する。
In this way, the solid-
以上、説明した本実施形態に係る固体撮像素子では、光電変換層20が、そのバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体により埋め込まれているため、暗電流をより低減され、より効果的に。感度が高く、且つ残像が少なくなる。
As described above, in the solid-state imaging device according to the present embodiment described above, since the
また、本実施形態では、光電変換層20(GaAs層)のバンドギャップより短い波長又は同等のバンドギャップを有する半導体として、InGaP層42を適用した形態を示したが、これに限られず、光電変換層20の構成材料により、適宜選択することができる。
In the present embodiment, the
(第3実施形態)
図5は、本発明の第3実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
(Third embodiment)
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子10は、光電変換部14上に遮光膜44を設けて、受光面を除いて遮光した形態である。遮光膜44は、例えば、光電変換部14上に、受光面にマスクを施し、金属材料を蒸着することで形成することができる。これ以外の構成は第1実施形態と同様なので、説明を省略する。
The solid-
本実施形態に係る固体撮像素子10では、光電変換部14上に遮光膜44を設けて、受光面以外を遮光することで、固体撮像素子10(或いは光電変換部14)をアレイ化した場合、有効に混色を防止可能となる。
In the solid-
(第4の実施形態)
図6は、本発明の第4の実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device according to the fourth embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子10は、光電変換部14の受光面上にマイクロレンズ46を設ける形態である。これ以外は、第1実施形態と同様なので、説明を省略する。
The solid-
本実施形態に係る固体撮像素子10では、光電変換部14の受光面上にマイクロレンズ46を設けることで、入射光の集光効率が向上するため、より効果的に感度を向上させことができる。
In the solid-
(第5実施形態)
図7は、本発明の第5の実施形態に係る固体撮像素子を示す概略構成図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a solid-state imaging device according to the fifth embodiment of the present invention.
本実施形態に係る固体撮像素子10は、光電変換部14の受光面上にカラーフィルター48を設けた形態である。これ以外は、第1実施形態と同様なので、説明を省略する。
The solid-
ここで、固体撮像素子10(或いは光電変換部14)をアレイ化した場合のカラーフィルター48配列例を図8〜図11に平面図で示す。図8は3色で正方形のカラーフィルター48を用いた場合を示している。図9は3色で六角形のカラーフィルター48を用いた場合を示している。図10は4色で正方形のカラーフィルター48を用いた場合を示している。図11は4色で六角形のカラーフィルター48を用いた場合を示している。なお、同図中、Bはその透過の極大値が420〜480nm範囲に分光感度の極大を有する青色、G2はその透過の極大値が480〜520nm範囲に分光感度の極大を有するエメラルドクリーン(青(B)と緑(G)の中間色のスペクトル領域(GB)に相当)、G1はその透過の極大値が520〜560nm範囲に分光感度の極大を有する緑色、Rはその透過の極大が580〜620nm範囲に分光感度の極大を有する赤色のカラーフィルター48を示している。これらのカラーフィルター48の下部にカラーフィルター48と相似形状の光電変換部14(固体撮像素子10)が設けられている。
Here, FIG. 8 to FIG. 11 are plan views showing examples of the arrangement of the
このように、本実施形態に係る固体撮像素子10では、アレイ化した場合、光電変換部14の受光面上に、複数色のカラーフィルター48を設けることで、例えば、3色分離構造や4色分離構造を可能となる。
Thus, in the solid-
(第6実施形態)
本実施形態に係る固体撮像システムは、上記実施形態に係る固体撮像素子10をアレイ化し(光電変換部14をアレイ化)、4色のカラーフィルターを設けた形態である。本実施形態では、この4色の各カラーフィルターを設けた光電変換部14を受光エレメントという(カラーフィルターの配列は図10及び図11参照)。
(Sixth embodiment)
The solid-state imaging system according to the present embodiment has a configuration in which the solid-
本実施形態に係る固体撮像システムは、電荷結合型固体撮像デバイス(CCD)で撮像する場合のシステムであり、多数の受光エレメントがマトリクス状に配列された受光部(光電変換部14)であり、例えば、垂直走査方向に1000行、水平走査方向に800列の合計80万画素分の受光エレメントが設けられる。これらの受光エレメントは、例えば、緑の色信号を発生するための2種類の微細フィルタG1、G2を交互に設けた第1の行と、赤と青の色信号を発生するための微細フィルタR,Bを交互に設けた第2の行を、垂直走査方向に交互に形成して配列する。これらの配列方向は、四角形のカラーフィルターの場合は対角方向、六角形のカラーフィルターの場合は対辺方向を示している。 The solid-state imaging system according to the present embodiment is a system for imaging with a charge coupled solid-state imaging device (CCD), and is a light receiving unit (photoelectric conversion unit 14) in which a large number of light receiving elements are arranged in a matrix. For example, light receiving elements for a total of 800,000 pixels, which are 1000 rows in the vertical scanning direction and 800 columns in the horizontal scanning direction, are provided. These light receiving elements include, for example, a first row in which two types of fine filters G 1 and G 2 for alternately generating a green color signal are provided, and a fine line for generating red and blue color signals. Second rows in which the filters R and B are alternately provided are alternately formed and arranged in the vertical scanning direction. These arrangement directions indicate diagonal directions in the case of a rectangular color filter, and opposite directions in the case of a hexagonal color filter.
ここで、第5実施形態で示したように、緑のフィルタG1は約520nm〜560nmの範囲に分光感度の極大を有し、一方、エメラルドグリーンのフィルタG2は約480nm〜520nmの範囲に分光感度の極大を有し、赤のフィルタRは約580nm〜620nmの範囲に分光感度の極大を有し、青のフィルタBは約420nm〜480nmに分光感度の極大を有している。また、エメラルドグリーンのフィルタG2の感度領域を赤の負感度領域(図12参照)に略等しく設定すると共に、このフィルタG2とG1の分光特性を併せると約460nm〜640nmの波長範囲の分光特性となるように設計される。 Here, as shown in the fifth embodiment, the green filter G 1 has the maximum spectral sensitivity in the range of about 520 nm to 560 nm, while the emerald green filter G 2 has the range of about 480 nm to 520 nm. The red filter R has a spectral sensitivity maximum in the range of about 580 nm to 620 nm, and the blue filter B has a spectral sensitivity maximum in the range of about 420 nm to 480 nm. In addition, the sensitivity region of the emerald green filter G 2 is set to be approximately equal to the red negative sensitivity region (see FIG. 12), and the spectral characteristics of the filters G 2 and G 1 are combined to have a wavelength range of about 460 nm to 640 nm. Designed to have spectral characteristics.
このような各受光エレメントから発生する信号(信号電荷、信号電流)は、相互に隣接関係にある第1の行と第2の行の受光エレメントに発生する信号電荷を一対として同時に垂直走査読出しを行い、第1の行の緑(G1)とエメラルドグリーン(G2)に関する信号電荷が水平電荷転送路を介して読出され、第2の行の赤(R)と青(B)に関する信号電荷が水平電荷転送路を介して読出される。 The signals (signal charges and signal currents) generated from each of the light receiving elements are simultaneously subjected to vertical scanning reading with a pair of signal charges generated in the light receiving elements in the first and second rows that are adjacent to each other. The signal charges for green (G 1 ) and emerald green (G 2 ) in the first row are read out through the horizontal charge transfer path, and the signal charges for red (R) and blue (B) in the second row Are read out through the horizontal charge transfer path.
水平電荷転送路を介して読出した各信号は、マルチプレサグにより、点順位の周期に同期して切換え動作することにより、各色信号を分離する。第2の行の赤(R)と青(B)に関しては、赤の色信号SRと青の色信号SBを分離し、第1の行の緑(G1)とエメラルドグリーン(G2)に関しては、緑の色信号SG1とエメラルドグリーンの色信号SG2を分離する。 Each signal read out through the horizontal charge transfer path is switched in synchronism with the period of the dot order by multiplex sag, thereby separating each color signal. For the red second row (R) and blue (B), the color signal S B of the red color signals S R and blue separated, the first row of green (G 1) and emerald green (G 2 ), The green color signal S G1 and the emerald green color signal S G2 are separated.
そして、演算回路において、夫々に分離された色信号SR、SB、SG1、SG2に基づいて次式(1)〜(3)の演算を行うことにより、負感度成分を補償した新たな赤(R′)、青(B′)及び緑(G′)の色信号を形成する。即ち、マルチプレクサから所定タイミングに同期して出力される色信号をSR(t),SB(t),SG1(t),SG2(t)、新たな色信号をR′(t),B′(t),G′(t)の時間関数で示すものとすると、
G′(t)=SG1(t)+k1×SG2(t)−{k2×SB(t)+k3×SR(t)}……(1)
R′(t)=SR(t)−〔k4×SG2(t)−k7×SB(t)〕……(2)
B′(t)=SB(t)−〔k5×SG1(t)+k6×SR(t)〕……(3)
となる。
Then, in the arithmetic circuit, a new sensitivity that compensates for the negative sensitivity component is obtained by performing the following formulas (1) to (3) based on the separated color signals S R , S B , S G1 , S G2. Red (R '), blue (B') and green (G ') color signals. That is, S R (t), S B (t), S G1 (t), S G2 (t) are output from the multiplexer in synchronization with a predetermined timing, and R ′ (t) is a new color signal. , B ′ (t), G ′ (t)
G ′ (t) = S G1 (t) + k 1 × S G2 (t) − {k 2 × S B (t) + k 3 × S R (t)} (1)
R ′ (t) = S R (t) − [k 4 × S G2 (t) −k 7 × S B (t)] (2)
B ′ (t) = S B (t) − [k 5 × S G1 (t) + k 6 × S R (t)] (3)
It becomes.
式中、k1〜k7は実験等により予め設定される係数であり、実際に近い色信号R′(t),B′(t),G′(t)が得られるように調整して決められる。 In the equation, k 1 to k 7 are coefficients set in advance by experiments or the like, and are adjusted so as to obtain color signals R ′ (t), B ′ (t), G ′ (t) that are close to actual values. It is decided.
ここで、図12に、カラーフィルタの理想的な分光特性を示す等色関数であり、横軸が波長、縦軸が刺激値(ルーメン)であり、図中の実線FRが赤色フィルタの理想的な分光特性、破線FGが緑色フィルタの理想的な分光特性、点線FBが青色フィルタの理想的な分光特性を示す。また、これらの負の刺激値(負感度成分)を、斜線部分α,β,γ,δで示す。 Here, in FIG. 12, a color matching function representing an ideal spectral characteristic of the color filter, the horizontal axis is wavelength and the vertical axis represents the stimulus value (lumen), the ideal solid F R is a red filter in FIG. spectroscopic properties, ideal spectral characteristics of the broken line F G green filter, the dotted line F B shows the ideal spectral characteristic of the blue filter. These negative stimulus values (negative sensitivity components) are indicated by hatched portions α, β, γ, and δ.
この理想的な分光特性に対し、上記式(1)によれば、図12中における約400nm〜460nmの範囲の負感度成分αと約640nm〜680nmの範囲の負感度成分δを含んだ理想に近い緑色信号(図12の破線FGを参照)を擬似的に形成することができる。 With respect to this ideal spectral characteristic, according to the above equation (1), the ideal spectral characteristic includes an negative sensitivity component α in the range of about 400 nm to 460 nm and a negative sensitivity component δ in the range of about 640 nm to 680 nm in FIG. close green signal (see dashed F G in FIG. 12) can be artificially formed.
また、上記式(2)によれば、図12中における約460nm〜530nmの範囲の負感度成分βと420〜400nmの範囲の正感度成分εとを含んだ理想に近い赤色信号(図12の実線FRを参照)を形成することができる。 Further, according to the above equation (2), a red signal close to ideal including the negative sensitivity component β in the range of about 460 nm to 530 nm and the positive sensitivity component ε in the range of 420 to 400 nm in FIG. can form a reference to the solid line F R).
また、上記式(3)によれば、図12における約530nm〜620nmの範囲の負感度成分γを含んだ理想に近い青色信号(図12の点線FBを参照)を形成することができる。 Further, according to the equation (3) to form a negative sensitivity component γ laden near ideal blue signals in the range of about 530Nm~620nm (see dotted line F B in FIG. 12) in FIG. 12.
即ち、上記式(1)〜(3)によって形成した色信号R′(t),B′(t),G′(t)は、図12に示す理想的な分光特性に近づき、同時に理想の三原色(R),(G),(B)に近づき、色再現可能な領域を拡大することとなる。 That is, the color signals R ′ (t), B ′ (t), G ′ (t) formed by the above formulas (1) to (3) approach the ideal spectral characteristics shown in FIG. The three primary colors (R), (G), and (B) are approached, and the color reproducible region is enlarged.
そして、これらの新たな色信号R′(t),B′(t),G′(t)に基づいて例えば標準テレビジョン方式に準拠した輝度信号や色差信号を形成して、モニタで画像再生を行うと、従来に較べて鮮明な再生画像を得ることができる。 Then, based on these new color signals R ′ (t), B ′ (t), G ′ (t), for example, luminance signals and color difference signals conforming to the standard television system are formed, and the image is reproduced on the monitor. As a result, a clear reproduced image can be obtained as compared with the conventional case.
このように、本実施形態に係る固体撮像システムでは、少なくとも赤の負感度領域の波長に対する分光感度を有する受光エレメント(本実施形態ではエメラルドグリーンのカラーフィルターを設けた光電変換部14)を設け、この受光エレメントから出力した色信号を少なくとも赤の色信号から所定の比率で減算処理することにより新たな赤(R′)の色信号を形成し、この新たな赤(R′)の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめるようにしたので、従来再現することが不可能であった中間色を再生することができることとなり、より自然で鮮明な再生映像が得られる。
Thus, in the solid-state imaging system according to the present embodiment, a light receiving element (
なお、本実施形態に係る固体撮像システムは、特許2872759号にその詳細な原理や作用が記載されており、他の実施形態は当該明細書に準じて実施することができる。 Note that the detailed principle and operation of the solid-state imaging system according to this embodiment is described in Japanese Patent No. 2872759, and other embodiments can be implemented in accordance with the specification.
なお、上記何れの実施形態も組み合わせて実施することができる。また、上記何れの実施の形態においても、限定的に解釈されるものではなく、本発明の要件を満足する範囲内で実現可能であることは、言うまでもない。 It should be noted that any of the above embodiments can be implemented in combination. In addition, in any of the above-described embodiments, it is needless to say that the present invention is not interpreted in a limited manner and can be realized within the range satisfying the requirements of the present invention.
10 固体撮像素子
12 信号転送回路基板
14 光電変換部
16 封止材
18 透明絶縁膜
20 光電変換層
22 n側電極
24 p側電極
26 コンタクト層
28 コンタクト層
30 画素電極
32 共通電極
34 絶縁層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
表面上に前記光電変換部が設けられると共に、前記光電変換部から生成した前記信号を読み出す信号転送回路が設けられた半導体基板と、
を有する固体撮像素子において、
前記光電変換部を構成する光電変換層は、化合物半導体層の単層構造で構成されていることを特徴とする固体撮像素子。 A photoelectric conversion unit that generates a signal by incident light from outside;
A semiconductor substrate provided with a signal transfer circuit for reading the signal generated from the photoelectric conversion unit, the photoelectric conversion unit being provided on the surface;
In a solid-state imaging device having
The photoelectric conversion layer which comprises the said photoelectric conversion part is comprised by the single layer structure of the compound semiconductor layer, The solid-state image sensor characterized by the above-mentioned.
前記光線変換層は、GaAsに格子整合する、GaAs層、InGaP層、又はInGaAsP層で構成されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 The semiconductor substrate comprises a silicon substrate;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light conversion layer includes a GaAs layer, an InGaP layer, or an InGaAsP layer lattice-matched to GaAs.
前記光線変換層は、InPに格子整合する、InP層、InGaAs層、InAlAs層で構成されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 The semiconductor substrate comprises a silicon substrate;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light conversion layer includes an InP layer, an InGaAs layer, and an InAlAs layer that lattice-match with InP.
前記カラーフィルターが4色からなり,その透過の極大値が420〜480nm(B)、480〜520nm(GB)、520〜560nm(G)、580〜620nm(R)にあり、
RGB表色系における各原色の刺激値に対応する夫々の色信号を発生する光電変換部により撮像し、これらの色信号に対し負感度成分を加味する演算処理を行うことによって色再現を実現せしめ、
前記RGB表色系における青(B)と緑(G)の中間色のスペクトル領域(GB)に対応する色信号を発生する光電変換部により撮像し、当該光電変換部により発生した色信号を前記赤(R)の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤(R′)の色信号を形成し、この新たな赤(R′)の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行わしめることを特徴とする固体撮像システム。 A solid-state imaging system comprising the solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 6, wherein the photoelectric conversion unit is arrayed, and a color filter is provided on a light receiving surface of the photoelectric conversion unit,
The color filter consists of four colors, and the maximum values of the transmission are 420 to 480 nm (B), 480 to 520 nm (GB), 520 to 560 nm (G), and 580 to 620 nm (R),
Color reproduction is realized by taking an image with a photoelectric conversion unit that generates each color signal corresponding to the stimulus value of each primary color in the RGB color system, and performing an arithmetic process that adds a negative sensitivity component to these color signals. ,
An image is captured by a photoelectric conversion unit that generates a color signal corresponding to a spectral region (GB) of blue (B) and green (G) in the RGB color system, and the color signal generated by the photoelectric conversion unit is captured by the red color A new red (R ') color signal is formed by subtracting from the (R) color signal at a ratio based on a preset coefficient, and the new red (R') color signal is subjected to color mixing processing. A solid-state imaging system that reproduces color by applying it as a red color signal.
前記光線変換層は、InGaN層、GaN層、又は、AlGaN層で構成されることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 The semiconductor substrate comprises a silicon substrate;
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the light conversion layer includes an InGaN layer, a GaN layer, or an AlGaN layer.
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