特開 2023-18166 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023018166

(43)【公開日】2023-02-08

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20230201BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20230201BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 E

H01L31/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020009145

(22)【出願日】2020-01-23

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109210

【弁理士】

【氏名又は名称】新居 広守

(74)【代理人】

【識別番号】100137235

【弁理士】

【氏名又は名称】寺谷 英作

(74)【代理人】

【識別番号】100131417

【弁理士】

【氏名又は名称】道坂 伸一

(72)【発明者】

【氏名】小柳 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】高木 誠司

【テーマコード（参考）】

4M118

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

4M118AA10

4M118AB01

4M118BA07

4M118CA03

4M118CA14

4M118CB05

4M118CB06

4M118CB14

4M118CB20

4M118DD09

4M118FA06

4M118FA08

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4M118FA38

4M118GC07

4M118GD04

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5F149AB05

5F149AB11

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5F149CB07

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5F149DA30

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5F849AB01

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5F849AB14

5F849BA11

5F849BA14

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5F849BB07

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5F849CB06

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5F849EA04

5F849EA13

5F849FA01

5F849FA04

5F849FA05

5F849FA13

5F849FA15

5F849HA07

5F849HA20

5F849KA13

5F849KA20

(57)【要約】

【課題】ＩＴＯ電極の低抵抗化と、光電変換部の電流電圧特性の制御性の向上とを両立する。
【解決手段】撮像装置は、画素電極１２２と、対向電極１２７と、画素電極１２２と対向電極１２７との間に位置する光電変換層１２６とを備える撮像装置である。対向電極１２７は、第１ＩＴＯ層１２７ａと、第１ＩＴＯ層１２７ａの、光電変換層１２６とは反対側の主面に積層された第２ＩＴＯ層１２７ｂとを含む。第２ＩＴＯ層１２７ｂの結晶子サイズは、第１ＩＴＯ層１２７ａの結晶子サイズより大きい。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画素電極と、対向電極と、前記画素電極と前記対向電極との間に位置する光電変換層とを備える撮像装置であって、
前記対向電極は、
第１ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）層と、
前記第１ＩＴＯ層の、前記光電変換層とは反対側の主面に積層された第２ＩＴＯ層とを含み、
前記第２ＩＴＯ層の結晶子サイズは、前記第１ＩＴＯ層の結晶子サイズより大きい、
撮像装置。

【請求項2】

さらに、前記第１ＩＴＯ層に電気的に接続される電極端子を備え、
前記電極端子の主面と前記画素電極の主面とは、積層方向において同じ高さに位置する、
請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記第２ＩＴＯ層のシート抵抗は、前記第１ＩＴＯ層のシート抵抗より低い、
請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記第２ＩＴＯ層の仕事関数は、前記第１ＩＴＯ層の仕事関数より大きい、
請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記第２ＩＴＯ層の膜厚は、前記第１ＩＴＯ層の膜厚より大きい、
請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。

【請求項6】

さらに、前記光電変換層と前記第１ＩＴＯ層との間に位置する第１機能層を備える、
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。

【請求項7】

さらに、前記光電変換層と前記画素電極との間に位置する第２機能層を備える、
請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどの撮像装置では、光電変換部に有機光電変換層を利用した構造が提案されている。例えば特許文献１では、基板上に行列状に配列された複数の画素電極と、複数の画素電極上に、複数の画素電極に共通して設けられた光電変換層を含む有機層と、有機層上に複数の画素電極に共通して設けられた透光性の対向電極とを備える撮像装置の構成が開示されている。撮像装置は、透光性の対向電極から入射した光を、光電変換層で吸収し、電子および正孔に変換する。このとき、画素電極と対向電極との間に電圧を印加することで、光電変換層で発生したキャリアを効率良く取り出すことができる。透光性の対向電極は、高透過率かつ低抵抗であることが好ましいことから、酸化インジウム錫（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）が広く用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５９４６１３２号公報

【特許文献2】特許第４６０７７６７号公報

【特許文献3】特許第６１２８０２０号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】水野雅夫、「酸化インジウムの電子状態に及ぼす不純物の影響」、ＫＯＢＥ ＳＴＥＥＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＲＥＰＯＲＴＳ、１９９８年１２月、Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

透明導電膜として広く用いられるＩＴＯは、組成または膜質によって膜の光学特性および電気特性が大きく変わることが知られている。例えば、特許文献２によれば、電気特性の１つである比抵抗は、キャリア濃度と移動度との逆数で定義される。このため、キャリア濃度を下げることで比抵抗を下げることができる。

【0006】

一方で、特許文献３では、インジウムと、ガリウムおよび／またはアルミニウムと、亜鉛と、酸素との四元系化合物から構成された非晶質酸化物において、成膜中の酸素濃度によって仕事関数を制御できることが開示されている。さらに、非特許文献１では、局在する酸素欠陥がドナー準位を形成し、ドナー準位から放出されたキャリア電子が導電性をもたらすことが示されている。

【0007】

これらのことから、光電変換素子の対向電極としてＩＴＯ膜を用いた場合、キャリア濃度を調整することで低抵抗化が実現できるが、これと同時にＩＴＯ電極の仕事関数も変化するため、光電変換素子の電流電圧特性が変化する。つまり、ＩＴＯ電極の低抵抗化と、光電変換素子の電流電圧特性の制御性の向上とを両立することができないという課題がある。

【0008】

そこで、本開示は、ＩＴＯ電極の低抵抗化と、光電変換部の電流電圧特性の制御性の向上とを両立することができる撮像装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本開示の一態様に係る撮像装置は、画素電極と、対向電極と、前記画素電極と前記対向電極との間に位置する光電変換層とを備える撮像装置である。前記対向電極は、第１ＩＴＯ層と、前記第１ＩＴＯ層の、前記光電変換層とは反対側の主面に積層された第２ＩＴＯ層とを含む。前記第２ＩＴＯ層の結晶子サイズは、前記第１ＩＴＯ層の結晶子サイズより大きい。

【発明の効果】

【0010】

本開示の一態様によれば、ＩＴＯ電極の低抵抗化と、光電変換部の電流電圧特性の制御性の向上とを両立することができる撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施の形態に係るＩＴＯ層の結晶子サイズの分析に用いたサンプル素子の断面図である。

【図2】図２は、実施の形態に係るＩＴＯ層のシート抵抗と結晶子サイズとの関係を示すグラフである。

【図3】図３は、実施の形態に係るＩＴＯ層の成膜ガス中の酸素濃度と結晶子サイズとの関係を示すグラフである。

【図4】図４は、実施の形態に係るＩＴＯ層の積層構造のシート抵抗の評価に用いたサンプル素子の断面図である。

【図5】図５は、実施の形態に係るＩＴＯ層の積層構造毎のシート抵抗の一例を示すグラフである。

【図6】図６は、実施の形態に係る光電変換部の一例を示す断面図である。

【図7】図７は、実施の形態に係る光電変換部の電流電圧特性の一例を示すグラフである。

【図8】図８は、実施の形態に係る光電変換部の別の一例を示す断面図である。

【図9】図９は、実施の形態に係る撮像装置の回路構成を示す回路図である。

【図10】図１０は、実施の形態に係る撮像装置における単位画素の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（本開示の概要）
本開示の一態様に係る撮像装置は、画素電極と、対向電極と、前記画素電極と前記対向電極との間に位置する光電変換層とを備える撮像装置である。前記対向電極は、第１ＩＴＯ層と、前記第１ＩＴＯ層の、前記光電変換層とは反対側の主面に積層された第２ＩＴＯ層とを含む。前記第２ＩＴＯ層の結晶子サイズは、前記第１ＩＴＯ層の結晶子サイズより大きい。

【0013】

これにより、結晶子サイズの異なる２つのＩＴＯ層の積層構造を対向電極（ＩＴＯ電極）として用いることで、ＩＴＯ電極の低抵抗化と、光電変換部の電流電圧特性の制御性の向上とを両立することができる。

【0014】

また、例えば、本開示の一態様に係る撮像装置は、さらに、前記第１ＩＴＯ層に電気的に接続される電極端子を備える。前記電極端子の主面と前記画素電極の主面とは、積層方向において同じ高さに位置してもよい。

【0015】

これにより、対向電極への給電を簡単に行うことができる。例えば、対向電極への給電を行うための電源回路と、画素電極で捕集された信号電荷の信号処理回路とを基板側にまとめて形成することができる。

【0016】

また、例えば、前記第２ＩＴＯ層のシート抵抗は、前記第１ＩＴＯ層のシート抵抗より低くてもよい。

【0017】

これにより、シート抵抗が低い第２ＩＴＯ層を対向電極が含むことによって、対向電極の低抵抗化を実現することができる。

【0018】

また、例えば、前記第２ＩＴＯ層の仕事関数は、前記第１ＩＴＯ層の仕事関数より大きくてもよい。

【0019】

これにより、光電変換層側の第１ＩＴＯ層の仕事関数が小さくなるので、対向電極に電圧を印加したときに光電変換層内を電流が流れやすくなる。このため、絶対値が小さい駆動電圧で光電変換部を駆動することができるなどの、光電変換部の電流電圧特性の制御性を向上させることができる。

【0020】

また、例えば、前記第２ＩＴＯ層の膜厚は、前記第１ＩＴＯ層の膜厚より大きくてもよい。

【0021】

これにより、シート抵抗が小さい第２ＩＴＯ層の膜厚が大きいので、対向電極を更に低抵抗化することができる。

【0022】

また、例えば、本開示の一態様に係る撮像装置は、さらに、前記光電変換層と前記第１ＩＴＯ層との間に位置する第１機能層を備えてもよい。

【0023】

これにより、例えば正孔ブロック層などを第１機能層として備えることで、光電変換の機能を向上させることができる。

【0024】

また、例えば、本開示の一態様に係る撮像装置は、さらに、前記光電変換層と前記画素電極との間に位置する第２機能層を備えてもよい。

【0025】

これにより、例えば電子ブロック層などを第２機能層として備えることで、光電変換の機能を向上させることができる。

【0026】

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

【0027】

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

【0028】

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。

【0029】

また、本明細書において、垂直または水平などの要素間の関係性を示す用語、および、要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

【0030】

また、本明細書において、「上方」および「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）および下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」および「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔を空けて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。

【0031】

（実施の形態）
［１．ＩＴＯ層の特徴］
まず、実施の形態に係る撮像装置の光電変換部の対向電極として用いられるＩＴＯ層について説明する。

【0032】

図１は、実施の形態に係るＩＴＯ層の結晶子サイズの分析に用いたサンプル素子の断面図である。

【0033】

本発明者らは、ＩＴＯ層のシート抵抗と結晶子サイズとの関係を明らかにするため、図１に示されるサンプル素子１００を作製した。図１に示されるように、サンプル素子１００は、シリコンウェハ１０１と、ＩＴＯ層１０２とを備える。ＩＴＯ層１０２は、シリコンウェハ１０１の上面に直接積層されている。サンプル素子１００の作製方法は、以下の通りである。

【0034】

まず、スパッタ法を用いてシリコンウェハ１０１上に、膜厚５０ｎｍのＩＴＯ層１０２を成膜した。その後、窒素雰囲気で２００℃の加熱処理を５０分間行うことで、サンプル素子１００を作製した。

【0035】

このとき、スパッタ法で用いたターゲットの組成は、ＩｎＯ：ＳｎＯ＝９：１である。また、ＩＴＯ層１０２の成膜雰囲気は、アルゴンと酸素とが混合された成膜ガスをチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を０．３Ｐａに調整した。成膜ガス中の酸素濃度を異ならせることで、比較例１から比較例４に係るサンプル素子１００を作製した。具体的には、比較例１から比較例４に係るサンプル素子１００の各々の成膜ガス中の酸素濃度は、０．２％、０．４％、０．７％、１．１％である。

【0036】

本発明者らは、比較例１から比較例４に係るサンプル素子１００の各々に対して、ＩＴＯ層１０２の結晶子サイズを分析した。具体的には、Ｘ線回析（Ｘｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）法を用いてＸ線回析スペクトルを測定し、測定したＸ線回析スペクトルの半値幅からシェラーの公式を用いてＩＴＯ層１０２の結晶子サイズを算出した。ここでは、結晶子とは単結晶とみなせる結晶の集まりのことである。また、単一または複数の結晶子からなる集まりを結晶粒界とし、ある一定の領域に占める結晶粒界の量を結晶粒界密度とする。さらに、本発明者らは、４探針測定器を用いてＩＴＯ層１０２のシート抵抗を測定した。以下の、表１、図２および図３にＩＴＯ層１０２の分析結果を示す。

【0037】

【表1】

【0038】

図２は、実施の形態に係るＩＴＯ層のシート抵抗と結晶子サイズとの関係を示すグラフである。図２において、横軸はＩＴＯ層１０２のシート抵抗を表し、縦軸はＩＴＯ層１０２の結晶子サイズを表している。

【0039】

図３は、実施の形態に係るＩＴＯ層の成膜ガス中の酸素濃度と結晶子サイズとの関係を示すグラフである。図３において、横軸はＩＴＯ層１０２の成膜ガス中の酸素濃度を表し、縦軸はＩＴＯ層１０２の結晶子サイズを表している。

【0040】

表１に示されるように、酸素濃度が低い程、シート抵抗も低くなっている。一方で、表１および図３に示されるように、酸素濃度が低い程、結晶子サイズは大きくなっている。したがって、図２に示されるように、結晶子サイズが小さい程、シート抵抗が高くなっている。このように、表１、図２および図３に示される結果から、結晶子サイズの大きさを調整することで、ＩＴＯ層１０２のシート抵抗を調整できることが分かる。

【0041】

なお、ＩＴＯ層１０２の結晶子サイズが大きくなることで、キャリアのトラップまたは散乱の原因となる結晶粒界密度が高まりやすくなる。また、酸素欠陥が増加しやすくなるので、キャリア濃度が高まりやすくなる。これらのことから、結晶子サイズが大きくなることにより、ＩＴＯ層１０２のシート抵抗を低下させていると推察される。

【0042】

以上のように、ＩＴＯ層１０２の結晶子サイズを大きくすることにより、ＩＴＯ層１０２のシート抵抗を低くすることができる。一方で、ＩＴＯ層１０２を単独で撮像装置の光電変換部の対向電極として利用した場合、光電変換部の電流電圧特性の制御性が悪化する。このため、本発明者らは、結晶子サイズの異なる２つのＩＴＯ層の積層構造を対向電極として利用することを検討した。なお、光電変換部の電流電圧特性の制御性については、後で説明する。

【0043】

図４は、実施の形態に係るＩＴＯ層の積層構造のシート抵抗の評価に用いたサンプル素子の断面図である。図４に示されるように、サンプル素子１１０は、シリコンウェハ１０１と、第１ＩＴＯ層１１１と、第２ＩＴＯ層１１２とを備える。第１ＩＴＯ層１１１は、シリコンウェハ１０１の上面に直接積層されている。第２ＩＴＯ層１１２は、第１ＩＴＯ層１１１の上面に直接積層されている。

【0044】

サンプル素子１１０の作製方法は、図１に示されるサンプル素子１００の作製方法と同様である。具体的には、まず、スパッタ法を用いてシリコンウェハ１０１上に、第１ＩＴＯ層１１１と第２ＩＴＯ層１１２とを順に成膜した。その後、窒素雰囲気で２００℃の加熱処理を５０分間行うことで、サンプル素子１１０を作製した。

【0045】

ここでは、第１ＩＴＯ層１１１の成膜条件と第２ＩＴＯ層１１２の成膜条件とは、成膜ガス中の酸素濃度および膜厚が異なる点を除いて互いに同じ条件である。第１ＩＴＯ層１１１の成膜ガス中の酸素濃度は２０％であり、第２ＩＴＯ層１１２の成膜ガス中の酸素濃度は３％である。また、第１ＩＴＯ層１１１と第２ＩＴＯ層１１２との合計膜厚が５０ｎｍになるように、第１ＩＴＯ層１１１の膜厚と第２ＩＴＯ層１１２の膜厚とを調整した。本発明者らは、膜厚の異なる５つのサンプル素子１１０を実施例１から実施例３ならびに比較例５および比較例６として作製した。各サンプル素子１１０の膜厚は、以下の表２に示される通りである。

【0046】

【表2】

【0047】

なお、比較例５に係るサンプル素子１１０は、第２ＩＴＯ層１１２の膜厚が０ｎｍであるので、第１ＩＴＯ層１１１をＩＴＯ層１０２として備えるサンプル素子１００と同じ構造を有する。同様に、比較例６に係るサンプル素子１１０は、第１ＩＴＯ層１１１の膜厚が０ｎｍであるので、第２ＩＴＯ層１１２をＩＴＯ層１０２として備えるサンプル素子１００と同じ構造を有する。

【0048】

本発明者らは、作製した５つのサンプル素子１１０の各々について、４探針測定器を用いて、第１ＩＴＯ層１１１および第２ＩＴＯ層１１２の積層構造のシート抵抗を測定した。なお、比較例５および比較例６については、第１ＩＴＯ層１１１または第２ＩＴＯ層１１２のシート抵抗を測定した。

【0049】

図５は、実施の形態に係るＩＴＯ層の積層構造毎のシート抵抗の一例を示すグラフである。図５において、横軸は実施例１から実施例３ならびに比較例５および比較例６を表し、縦軸はシート抵抗を表している。なお、実施例１から実施例３ならびに比較例５および比較例６は、横軸の右側程、第２ＩＴＯ層１１２の膜厚が大きくなる順で並べられている。

【0050】

表２および図５に示される結果から、ＩＴＯ層の積層構造の合計膜厚が同じである場合、第１ＩＴＯ層１１１と第２ＩＴＯ層１１２との膜厚比を調整することで、積層構造のシート抵抗を調整できることが分かる。具体的には、ＩＴＯ層の積層構造の合計膜厚が同じであれば、酸素濃度が低い成膜ガス中で成膜された第２ＩＴＯ層１１２の膜厚が大きくなる程、シート抵抗が低くなることが分かる。つまり、第１ＩＴＯ層１１１よりもシート抵抗が低い第２ＩＴＯ層１１２の膜厚が大きくなる程、ＩＴＯ層の積層構造のシート抵抗は低くなる。

【0051】

なお、表１と表２とを比較した場合に、比較例６に係るサンプル素子１１０のシート抵抗は、酸素濃度が高いにも関わらず、比較例４に係るサンプル素子１００のシート抵抗より低くなっている。これは、比較例１から比較例４に係るサンプル素子１００と、比較例５および比較例６に係るサンプル素子１１０とでは、ＩＴＯ層の成膜に利用した成膜装置が異なっており、成膜条件に差異が生じたためである。

【0052】

［２．光電変換部の特性］
次に、ＩＴＯ層の積層構造を対向電極として含む光電変換部について説明する。

【0053】

［２－１．構造］
まず、光電変換部の構造について、図６を用いて説明する。図６は、本実施の形態に係る光電変換部の一例を示す断面図である。図６に示されるように、光電変換部１２０は、画素電極１２２と、光電変換層１２６と、対向電極１２７とを備える。光電変換部１２０は、絶縁層１２１上に設けられている。絶縁層１２１には、接続配線１２３、電極端子１２４および接続配線１２５が形成されている。

【0054】

絶縁層１２１は、基板（図示せず）の上方に形成された絶縁層である。なお、基板には、例えば、光電変換部１２０が生成した信号電荷を処理する信号処理回路に含まれるトランジスタなどが形成されている。絶縁層１２１は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの単層構造または積層構造であるが、特に限定されない。

【0055】

画素電極１２２は、光電変換層１２６で生成した信号電荷を捕集するための電極である。画素電極１２２の材料としては、金属、金属酸化物、金属窒化物または導電性ポリシリコンなどの導電性材料が用いられる。金属は、例えば、アルミニウム、銀、銅、チタンまたはタングステンなどである。金属窒化物は、例えば、窒化チタンまたは窒化タンタルなどである。導電性ポリシリコンは、不純物が添加されることによって導電性が付与されたポリシリコンである。

【0056】

接続配線１２３は、画素電極１２２と信号処理回路とを電気的に接続する配線の一部である。接続配線１２３の材料としては、金属、金属酸化物、金属窒化物または導電性ポリシリコンなどの導電性材料が用いられる。

【0057】

電極端子１２４は、対向電極１２７に給電するための給電端子である。電極端子１２４は、対向電極１２７に電気的に接続されている。電極端子１２４の材料としては、金属、金属酸化物、金属窒化物または導電性ポリシリコンなどの導電性材料が用いられる。

【0058】

電極端子１２４の主面と画素電極１２２の主面とは、積層方向において同じ高さに位置している。具体的には、電極端子１２４の上面１２４ａと画素電極１２２の上面１２２ａとは、積層方向において同じ高さに位置している。本実施の形態では、電極端子１２４の上面１２４ａ、画素電極１２２の上面１２２ａおよび絶縁層１２１の上面１２１ａが面一になっている。

【0059】

接続配線１２５は、電極端子１２４と、対向電極１２７に印加する電圧を供給する電源回路（図示せず）とを電気的に接続する配線の一部である。接続配線１２５の材料としては、金属、金属酸化物、金属窒化物または導電性ポリシリコンなどの導電性材料が用いられる。

【0060】

光電変換層１２６は、画素電極１２２と対向電極１２７との間に位置する。光電変換層１２６は、光の照射を受けて内部に電子－正孔対を生成する。電子－正孔対は、光電変換層１２６に加えられた電界によって電子と正孔とに分離され、それぞれが画素電極１２２側または対向電極１２７側に移動する。

【0061】

光電変換層１２６は、公知の光電変換材料を用いて形成される。光電変換材料は、例えば有機材料であるが、無機材料であってもよい。無機光電変換材料としては、水素化アモルファスシリコン、化合物半導体材料、金属酸化物半導体材料などを用いることができる。化合物半導体材料は、例えばＣｄＳｅである。金属酸化物半導体材料は、例えばＺｎＯである。

【0062】

光電変換材料が有機材料である場合、所望の光電変換特性が得られるように、光電変換材料の分子設計を比較的自由に行うことができる。光電変換材料が有機材料である場合、光電変換材料を含む溶液を用いた塗布プロセスによって平坦化性に優れた光電変換層１２６を容易に形成することができる。有機半導体材料は、例えば、真空蒸着法または塗布法によって形成することができる。

【0063】

光電変換材料として有機半導体材料を用いる場合、光電変換層１２６は、ドナー材料とアクセプタ材料との積層膜で構成されていてもよく、これらの材料の混合膜で構成されていてもよい。ドナー材料とアクセプタ材料との積層膜の構造は、ヘテロ接合型と呼ばれる。ドナー材料とアクセプタ材料との混合膜の構造は、バルクヘテロ接合型と呼ばれる。

【0064】

有機化合物のｐ型半導体は、ドナー性有機半導体であり、主に、正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。具体的には、有機化合物のｐ型半導体は、２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機半導体は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、ドナー性有機半導体は、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物または含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、縮合芳香族炭素環化合物は、例えば、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体またはフルオランテン誘導体などである。これらに限らず、アクセプタ性有機半導体として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いることができる。

【0065】

有機化合物のｎ型半導体は、アクセプタ性有機半導体であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。具体的には、有機化合物のｎ型半導体は、２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプタ性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、アクセプタ性有機化合物は、フラーレン、フラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。あるいは、アクセプタ性有機化合物は、窒素原子、酸素原子もしくは硫黄原子を含有する５または７員のヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体を用いることができる。なお、窒素原子、酸素原子もしくは硫黄原子を含有する５または７員のヘテロ環化合物は、例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピンまたはトリベンズアゼピンなどである。これらに限らず、上述したように、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きい有機化合物であればアクセプタ性有機半導体として用いることができる。

【0066】

対向電極１２７は、画素電極１２２が捕集する信号電荷とは逆極性の電荷を捕集する。対向電極１２７には、所定の電圧が印加される。これにより、対向電極１２７と複数の画素電極１２２との間に電位差が生じ、光電変換層１２６には電界が与えられる。対向電極１２７は、光電変換層１２６で生じた正孔および電子のうち、電界によって対向電極１２７側に移動する電荷を捕集する。

【0067】

対向電極１２７は、ＩＴＯ層の積層構造を有する。具体的には、図６に示されるように、対向電極１２７は、第１ＩＴＯ層１２７ａと、第２ＩＴＯ層１２７ｂとを含む。

【0068】

第１ＩＴＯ層１２７ａは、第２ＩＴＯ層１２７ｂよりも光電変換層１２６側に設けられている。具体的には、第１ＩＴＯ層１２７ａは、光電変換層１２６の上面に直接積層されている。

【0069】

第２ＩＴＯ層１２７ｂは、第１ＩＴＯ層１２７ａの、光電変換層１２６とは反対側の主面に積層されている。具体的には、第２ＩＴＯ層１２７ｂは、第１ＩＴＯ層１２７ａの上面に直接積層されている。

【0070】

第１ＩＴＯ層１２７ａおよび第２ＩＴＯ層１２７ｂは、光電変換層１２６の端面と、絶縁層１２１の、光電変換層１２６に覆われていない部分とを覆っている。具体的には、第１ＩＴＯ層１２７ａは、光電変換層１２６の端面と、絶縁層１２１の、光電変換層１２６に覆われていない部分とに接触している。第１ＩＴＯ層１２７ａは、電極端子１２４に接触しており、電極端子１２４と電気的に接続されている。

【0071】

第２ＩＴＯ層１２７ｂの結晶子サイズは、第１ＩＴＯ層１２７ａの結晶子サイズより大きい。上述した結晶子サイズとシート抵抗との関係からも分かるように、第２ＩＴＯ層１２７ｂのシート抵抗は、第１ＩＴＯ層１２７ａのシート抵抗より小さい。また、第２ＩＴＯ層１２７ｂの仕事関数は、第１ＩＴＯ層１２７ａの仕事関数より大きい。

【0072】

本実施の形態では、第２ＩＴＯ層１２７ｂの膜厚は、第１ＩＴＯ層１２７ａの膜厚より大きい。例えば、第２ＩＴＯ層１２７ｂの膜厚は、第１ＩＴＯ層１２７ａの膜厚の１．５倍以上であるが、２倍以上であってもよく、４倍以上であってもよい。

【0073】

［２－２．電流電圧特性］
次に、光電変換部１２０の電流電圧特性について説明する。

【0074】

本発明者らは、電流電圧特性を測定するために、図６に示される光電変換部１２０を実施例４に係るサンプル素子として作製した。本発明者らは、さらに、比較例７および比較例８に係るサンプル素子として、対向電極１２７がＩＴＯ層の単層構造である点以外の構成が実施例４と同じであるサンプル素子を作製した。

【0075】

実施例４に係るサンプル素子では、画素電極１２２および電極端子１２４として、膜厚が５０ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）膜をスパッタ法で形成した。光電変換層１２６として、Ｓｎ（ＯＳｉＨｅｘ_３）_２Ｎｃとフラーレン（Ｃ_６０）とを１：９の体積比で含む混合膜である有機光電変換膜を真空蒸着法で形成した。また、第１ＩＴＯ層１２７ａは、酸素濃度が１．１％の成膜ガス中で成膜された膜厚２０ｎｍのＩＴＯ層である。第２ＩＴＯ層１２７ｂは、酸素濃度が０．４％の成膜ガス中で成膜された膜厚３０ｎｍのＩＴＯ層である。

【0076】

比較例７に係るサンプル素子は、対向電極１２７として、酸素濃度が０．４％の成膜ガス中で成膜された膜厚５０ｎｍのＩＴＯ層の単層構造を有する。比較例８に係るサンプル素子は、対向電極１２７として、酸素濃度が１．１％の成膜ガス中で成膜された膜厚５０ｎｍのＩＴＯ層の単層構造を有する。比較例７に係るサンプル素子の対向電極１２７のシート抵抗は、比較例８に係るサンプル素子の対向電極１２７のシート抵抗よりも低抵抗である。具体的には、比較例７に係る対向電極１２７のシート抵抗は、比較例２と同じであり、７１Ω／ｓｑである。比較例８に係る対向電極１２７のシート抵抗は、比較例４と同じであり、３７２Ω／ｓｑである。

【0077】

本発明者らは、実施例４、比較例７および比較例８の各々に係るサンプル素子の電流電圧特性を測定した。具体的には、対向電極１２７に印加する印加電圧を－０．２Ｖから０Ｖまで掃引して、対向電極１２７と画素電極１２２との間に流れる電流の電流値を測定した。

【0078】

なお、電流電圧特性の測定には、Ｋｅｙｓｉｇｈｔ社製の半導体パラメータアナライザＢ１５００Ａを用いた。また、測定中には、朝日分光株式会社製のキセノン光源ＭＡＸ－３０３を用いて、サンプル素子の光電変換層１２６に対して光を照射した。

【0079】

図７は、実施の形態に係る光電変換部の電流電圧特性の一例を示すグラフである。図７において、横軸は対向電極１２７に印加される印加電圧を表し、縦軸は、画素電極１２２と対向電極１２７との間に流れる電流を表している。なお、画素電極１２２の電位は一定であるので、横軸は、対向電極１２７と画素電極１２２との間の電位差に相当している。

【0080】

図７に示されるように、電流値が１．０×１０^－１１Ａになるときの印加電圧は、比較例７、比較例８および実施例４に係るサンプル素子ではそれぞれ、－０．１９５Ｖ、－０．１３５Ｖ、－０．１４５Ｖであった。この結果、シート抵抗が低い比較例７に係るサンプル素子では、シート抵抗が高い比較例８に係るサンプル素子よりも、電流が流れ始めるときの印加電圧が負側に０．０５Ｖ大きい。なお、ここでは、電流値が１．０×１０^－１１Ａになるときを、電流が流れ始めるときとみなしている。電流が流れ始めるときは、光電変換層１２６で生成した電子－正孔対を電子と正孔とに分離して移動させることができたときであり、信号電荷として検出が可能、すなわち、光電変換部１２０を駆動させることができるときである。したがって、電流が流れ始めるときに対向電極１２７に印加している印加電圧が、光電変換部１２０の駆動電圧である。

【0081】

図７に示される結果から、シート抵抗が低い比較例７に係るサンプル素子では、シート抵抗が高い比較例８に係るサンプル素子よりも、絶対値が大きい駆動電圧が必要であることが分かる。つまり、シート抵抗が低い単層のＩＴＯ層を対向電極１２７として用いた場合には、絶対値が大きい駆動電圧が必要であるので、光電変換部１２０の電流電圧特性の制御性が悪いと言える。

【0082】

これに対して、実施例４に係るサンプル素子では、図７に示されるように、シート抵抗が高い比較例８に係るサンプル素子と同等程度の駆動電圧で光電変換部１２０が駆動可能であることが分かる。したがって、ＩＴＯ層の積層構造を利用することにより、電流電圧特性の制御性を向上させることができる。

【0083】

なお、このような電流電圧特性のシフトに伴う駆動電圧の変化は、光電変換層１２６に接するＩＴＯ層の仕事関数の差異が影響している。比較例７に係るサンプル素子のＩＴＯ層と比較例８に係るサンプル素子のＩＴＯ層との仕事関数の差は、図７に示される駆動電圧の差であり、約－０．０５Ｖである。つまり、比較例８に係る結晶子サイズが小さいＩＴＯ層の仕事関数は、比較例７に係る結晶子サイズが大きいＩＴＯ層の仕事関数より小さい。

【0084】

実施例４に係るサンプル素子では、光電変換層１２６側の第１ＩＴＯ層１２７ａが、比較例８に係るサンプル素子のＩＴＯ層と同じであり、シート抵抗が高く、仕事関数が小さいＩＴＯ層である。実施例４に係るサンプル素子の電流電圧特性は、比較例８と同等であることから、電流電圧特性の制御性は、対向電極１２７全体ではなく、光電変換層１２６側の第１ＩＴＯ層１２７ａの仕事関数によって調整できることが分かる。具体的には、光電変換層１２６側の第１ＩＴＯ層１２７ａの仕事関数が小さい程、対向電極１２７と画素電極１２２との間で光電変換層１２６を通って流れる電流が流れやすくなり、電流電圧特性の制御性を向上させることができる。

【0085】

以上のように、本実施の形態に係る光電変換部１２０では、第２ＩＴＯ層１２７ｂの結晶子サイズが第１ＩＴＯ層１２７ａの結晶子サイズより小さいことにより、第２ＩＴＯ層１２７ｂのシート抵抗が第１ＩＴＯ層１２７ａのシート抵抗より低くなる。これにより、対向電極１２７全体のシート抵抗を低くすることができる。

【0086】

また、光電変換層１２６側の第１ＩＴＯ層１２７ａの結晶子サイズが第２ＩＴＯ層１２７ｂの結晶子サイズより小さいことにより、第１ＩＴＯ層１２７ａの仕事関数が第２ＩＴＯ層１２７ｂの仕事関数より小さくなる。これにより、光電変換部１２０の電流電圧特性の制御性を向上させることができる。

【0087】

なお、ＩＴＯ層の成膜条件は、ＩＴＯ層の結晶子サイズを調整できれば、上述した条件に限定されない。例えば、ＩＴＯ層の成膜は、湿式法を用いて行われてもよい。また、成膜後の加熱温度は、ＩＴＯ層の結晶化が進行する温度であればよく、例えば、１５０℃であってもよい。加熱時の雰囲気は、真空減圧雰囲気、アルゴンなどの希ガス雰囲気、または、酸素雰囲気であってもよい。また、成膜ガスには、水素または窒素などのガスが含まれていてもよい。スパッタ法のターゲットの組成は、ＩｎＯ：ＳｎＯ＝９．５：０．５であってもよい。各層の膜厚についても、上述した例に限定されない。

【0088】

［２－３．変形例］
ここで、光電変換部の変形例について、図８を用いて説明する。図８は、実施の形態に係る光電変換部の別の一例を示す断面図である。

【0089】

図８に示される光電変換部１３０は、図６に示される光電変換部１２０と比較して、新たに、電子ブロック層１２８と、正孔ブロック層１２９とを備える点が相違する。以下では、図６に示される構造との相違点を中心に説明を行い、共通点の説明を省略または簡略化する。

【0090】

電子ブロック層１２８は、光電変換層１２６と画素電極１２２との間に位置する第２機能層の一例である。電子ブロック層１２８は、光電変換によって光電変換層１２６中に電子の画素電極１２２内への移動を抑制する機能を有する。電子ブロック層１２８は、電子の通過を抑制し、正孔の通過を可能にする。

【0091】

電子ブロック層１２８を形成するための材料としては、ｐ型半導体または正孔輸送性有機化合物を用いることができる。このような材料の例は、ＴＰＤ（Ｎ，Ｎ’－ビス（３－メチルフェニル）－（１，１’－ビフェニル）－４，４’－ジアミン）、α－ＮＰＤ（４，４’－ビス［Ｎ－（ナフチル）－Ｎ－フェニル－アミノ］ビフェニル）などの芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、ｍ－ＭＴＤＡＴＡ（４，４’，４”－トリス（Ｎ－（３－メチルフェニル）Ｎ－フェニルアミノ）トリフェニルアミン）、ぺリレン、ならびに、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニンおよびチタニウムフタロシアニンオキサイドなどのポリフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジザゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アニールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体などである。あるいは、電子ブロック層１２８を形成するための材料として、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレンなどの重合体、または、これらの誘導体を用いることができる。電子ブロック層１２８を形成するための材料は、光電変換層１２６を構成する材料の電子親和力を考慮して上記の材料から選択され得る。電子ブロック層１２８は、有機材料だけでなく、無機材料を用いて形成されていてもよい。

【0092】

電子ブロック層１２８の膜厚は、特に限定されない。電子のトンネル確率を十分に低下させる観点から、電子ブロック層１２８の膜厚は、５ｎｍ以上であってもよい。電子ブロック層１２８の膜厚の上限値は、例えば、１００ｎｍである。

【0093】

正孔ブロック層１２９は、光電変換層１２６と第１ＩＴＯ層１２７ａとの間に位置する第１機能層の一例である。正孔ブロック層１２９は、対向電極１２７から光電変換層１２６への正孔の移動を抑制する機能を有する。正孔ブロック層１２９は、正孔の通過を抑制し、電子の通過を可能にする。

【0094】

正孔ブロック層１２９を形成するための材料としては、ｎ型半導体または電子輸送性有機化合物を用いることができる。このような材料の例は、Ｃ_６０およびＣ_７０などのフラーレン、インデン－Ｃ_６０ビス付加物（ＩＣＢＡ）などのフラーレン誘導体、カーボンナノチューブおよびその誘導体、ＯＸＤ－７（１，３－ビス（４－ｔｅｒｔ－ブチルフェニル－１，３，４－オキサジアゾリル）フェニレン）などのオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、バソクプロイン（ＢＣＰ）、バソフェナントロリンおよびその誘導体、ジスチリルアリーレン誘導体、トリアゾール化合物、シロール化合物、トリス（８－ヒドロキシキノリナート）アルミニウム錯体、ビス（４－メチル－８－キノリナート）アルミニウム錯体、アセチルアセトネート錯体、銅フタロシアニン、３，４，９，１０－ペリレンテトラカルボン酸二無水物（ＰＴＣＤＡ）、Ａｌｑなどの有機物もしくは有機－金属化合物、または、ＭｇＡｇ、ＭｇＯなどの無機物などである。正孔ブロック層１２９を形成するための材料は、光電変換層１２６を構成する材料のイオン化ポテンシャルを考慮して上記の材料から選択され得る。

【0095】

以上のように、光電変換部１３０は、電子ブロック層１２８および正孔ブロック層１２９を含むことで、光電変換機能を高めることができる。

【0096】

なお、本変形例では、画素電極１２２が信号電荷として正孔を捕集する例を説明したが、画素電極１２２は、信号電荷として電荷を捕集してもよい。この場合、正孔ブロック層１２９は、画素電極１２２と光電変換層１２６との間に位置し、電子ブロック層１２８は、光電変換層１２６と対向電極１２７との間に位置する。

【0097】

また、光電変換部１３０は、電子ブロック層１２８および正孔ブロック層１２９のいずれか一方のみを備えていてもよく、他方を備えていなくてもよい。また、光電変換部１３０は、電荷のブロッキング機能を有する層以外に、電子注入層、電子輸送層、正孔注入層、正孔輸送層などの光電変換機能を高めるための機能層を含んでもよい。

【0098】

［３．撮像装置］
次に、本実施の形態に係る撮像装置について、図９および図１０を用いて説明する。

【0099】

図９は、本実施の形態に係る撮像装置２００の回路構成を示す回路図である。図１０は、本実施の形態に係る撮像装置２００における単位画素２１０の断面図である。

【0100】

［３－１．回路構成］
以下では、まず、本実施の形態に係る撮像装置２００の回路構成について説明する。撮像装置２００は、図９に示されるように、複数の単位画素２１０と、周辺回路とを備える。複数の単位画素２１０は、電荷検出回路２５、光電変換部１２０、および、電荷検出回路２５と光電変換部１２０とに電気的に接続された電荷蓄積ノード２４を含む。

【0101】

撮像装置２００は、例えば、１チップの集積回路で実現される有機イメージセンサであり、２次元に配列された複数の単位画素２１０を含む画素アレイを有する。複数の単位画素２１０は、２次元、すなわち行方向および列方向に配列されて、画素領域である感光領域を形成している。図９は、単位画素２１０が２行２列のマトリクス状に配列された例を示している。撮像装置２００は、ラインセンサであってもよい。その場合、複数の単位画素２１０は、１次元に配列されていてもよい。本明細書において、行方向および列方向とは、行および列がそれぞれ延びる方向をいう。つまり、垂直方向が列方向であり、水平方向が行方向である。

【0102】

各単位画素２１０は、光電変換部１２０と電荷検出回路２５とに電気的に接続された電荷蓄積ノード２４を含む。電荷検出回路２５は、増幅トランジスタ１１と、リセットトランジスタ１２と、アドレストランジスタ１３とを含む。

【0103】

光電変換部１２０は、画素電極１２２、光電変換層１２６、および、対向電極１２７を含む。対向電極１２７には、電圧制御回路３０から対向電極信号線１６を介して所定の電圧が印加される。

【0104】

画素電極１２２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂ（図１０を参照）に接続されている。画素電極１２２によって集められた信号電荷は、画素電極１２２と増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂとの間に位置する電荷蓄積ノード２４に蓄積される。本実施の形態では、信号電荷は正孔であるが、信号電荷は電子であってもよい。

【0105】

電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷は、信号電荷の量に応じた電圧として増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂに印加される。増幅トランジスタ１１は、この電圧を増幅する。増幅された電圧は、信号電圧として、アドレストランジスタ１３によって選択的に読み出される。リセットトランジスタ１２は、そのソース電極およびドレイン電極の一方が画素電極１２２に接続されており、電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷をリセットする。言い換えると、リセットトランジスタ１２は、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂおよび画素電極１２２の電位をリセットする。

【0106】

複数の単位画素２１０において上述した動作を選択的に行うために、撮像装置２００は、図９に示されるように、電源配線２１と、垂直信号線１７と、アドレス信号線２６と、リセット信号線２７とを有する。これらの線が各単位画素２１０にそれぞれ接続されている。具体的には、電源配線２１は、増幅トランジスタ１１のソース電極およびドレイン電極の一方に接続されている。垂直信号線１７は、アドレストランジスタ１３のソース電極およびドレイン電極の一方に接続されている。アドレス信号線２６は、アドレストランジスタ１３のゲート電極３９Ｃ（図１０を参照）に接続されている。リセット信号線２７は、リセットトランジスタ１２のゲート電極３９Ａ（図１０を参照）に接続されている。

【0107】

周辺回路は、垂直走査回路１５と、水平信号読出し回路２０と、複数のカラム信号処理回路１９と、複数の負荷回路１８と、複数の差動増幅器２２と、電圧制御回路３０とを含む。垂直走査回路１５は、行走査回路とも称される。水平信号読出し回路２０は、列走査回路とも称される。カラム信号処理回路１９は、行信号蓄積回路とも称される。差動増幅器２２は、フィードバックアンプとも称される。

【0108】

垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６およびリセット信号線２７に接続されている。垂直走査回路１５は、各行に配置された複数の単位画素２１０を行単位で選択し、信号電圧の読出しおよび画素電極１２２の電位のリセットを行う。ソースフォロア電源である電源配線２１は、各単位画素２１０に所定の電源電圧を供給する。水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９に電気的に接続されている。カラム信号処理回路１９は、各列に対応した垂直信号線１７を介して、各列に配置された単位画素２１０に電気的に接続されている。負荷回路１８は、各垂直信号線１７に電気的に接続されている。負荷回路１８と増幅トランジスタ１１とは、ソースフォロア回路を形成する。

【0109】

複数の差動増幅器２２は、各列に対応して設けられている。差動増幅器２２の負側の入力端子は、対応した垂直信号線１７に接続されている。差動増幅器２２の出力端子は、各列に対応したフィードバック線２３を介して単位画素２１０に接続されている。

【0110】

垂直走査回路１５は、アドレス信号線２６によって、アドレストランジスタ１３のオンおよびオフを制御する行選択信号をアドレストランジスタ１３のゲート電極３９Ｃに印加する。これにより、読出し対象の行が走査され、選択される。選択された行の単位画素２１０から垂直信号線１７に信号電圧が読み出される。垂直走査回路１５は、リセット信号線２７を介して、リセットトランジスタ１２のオンおよびオフを制御するリセット信号をリセットトランジスタ１２のゲート電極３９Ａに印加する。これにより、リセット動作の対象となる単位画素２１０の行が選択される。垂直信号線１７は、垂直走査回路１５によって選択された単位画素２１０から読み出された信号電圧をカラム信号処理回路１９へ伝達する。

【0111】

カラム信号処理回路１９は、相関二重サンプリングに代表される雑音抑圧信号処理およびアナログ－デジタル変換（ＡＤ変換）などを行う。

【0112】

水平信号読出し回路２０は、複数のカラム信号処理回路１９から水平共通信号線２８に信号を順次読み出す。

【0113】

差動増幅器２２は、フィードバック線２３を介してリセットトランジスタ１２のソース電極およびドレイン電極の他方であって、画素電極１２２に接続されていない方の電極に接続されている。したがって、差動増幅器２２は、アドレストランジスタ１３とリセットトランジスタ１２とが導通状態にあるときに、アドレストランジスタ１３の出力値を負側の入力端子に受ける。増幅トランジスタ１１のゲート電位が所定のフィードバック電圧となるように、差動増幅器２２はフィードバック動作を行う。このとき、差動増幅器２２の出力電圧値は、０Ｖまたは０Ｖ近傍の正電圧である。フィードバック電圧とは、差動増幅器２２の出力電圧を意味する。

【0114】

電圧制御回路３０は、一定の制御電圧を発生させてもよく、あるいは、値の異なる複数の制御電圧を発生させてもよい。例えば、電圧制御回路３０は、２以上の異なる値の制御電圧を発生させてもよく、あるいは、所定の範囲で連続的に変化する制御電圧を発生させてもよい。電圧制御回路３０は、撮像装置２００を操作する操作者の指令、または、撮像装置２００が備える他の制御部などの指令に基づき、発生させる制御電圧の値を決定し、決定した値の制御電圧を生成する。電圧制御回路３０は、周辺回路の一部として、感光領域外に設けられる。なお、感光領域は、画素領域と実質的に同一である。

【0115】

例えば、電圧制御回路３０は、２以上の異なる制御電圧を発生し、対向電極１２７に制御電圧を印加することによって、光電変換層１２６の分光感度特性が変化する。また、この分光感度特性の変化には、検出すべき光に対して光電変換層１２６の感度がゼロとなる分光感度特性が含まれる。これにより、例えば、撮像装置２００において、単位画素２１０が行ごとに検出信号の読み出しを行う間、対向電極１２７に光電変換層１２６の感度がゼロとなる制御電圧を電圧制御回路３０から印加することによって、検出信号の読み出し時に入射する光の影響を実質的になくすことができる。よって、実質的に行ごとに検出信号を読み出しても、グローバルシャッター動作を実現することができる。

【0116】

本実施の形態では、図９に示されるように、電圧制御回路３０は、行方向に配列された単位画素２１０の対向電極１２７に、対向電極信号線１６を介して制御電圧を印加する。これにより、画素電極１２２と対向電極１２７との間の電圧を変化させ、光電変換部１２０における分光感度特性を切り替える。あるいは、電圧制御回路３０は、撮像中に所定のタイミングで光に対する感度がゼロとなる分光感度特性が得られるように制御電圧を印加することによって電子シャッター動作を実現する。なお、電圧制御回路３０は、画素電極１２２に制御電圧を印加してもよい。

【0117】

光を光電変換部１２０に照射し、画素電極１２２に電子を信号電荷として捕集させるためには、画素電極１２２は、対向電極１２７よりも高い電位に設定される。これにより、電子は画素電極１２２に向かって移動する。このとき、電子の移動方向は電流の流れる方向とは逆であるため、画素電極１２２から対向電極１２７に向かって電流が流れる。また、光を光電変換部１２０に照射し、画素電極１２２に正孔を信号電荷として捕集させるためには、画素電極１２２は、対向電極１２７よりも低い電位に設定される。このとき、対向電極１２７から画素電極１２２に向かって電流が流れる。

【0118】

［３－２．断面構成］
次に、撮像装置２００の単位画素２１０の具体的な断面構成の一例について、図１０を用いて説明する。図１０に示されるように、単位画素２１０は、半導体基板３１と、電荷検出回路２５と、光電変換部１２０と、電荷蓄積ノード２４とを含む。複数の単位画素２１０は、半導体基板３１に形成されている。例えば、光電変換部１２０は、半導体基板３１の上方に設けられている。電荷検出回路２５は、半導体基板３１の内部および上方に設けられている。

【0119】

半導体基板３１は、感光領域が形成される側の表面に半導体層が設けられた絶縁性基板などであり、例えば、ｐ型シリコン基板である。半導体基板３１は、不純物領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄおよび４１Ｅと、単位画素２１０間の電気的な分離のための素子分離領域４２と、を有する。ここでは、素子分離領域４２は、不純物領域４１Ｂと不純物領域４１Ｃとの間にも設けられている。これにより、電荷蓄積ノード２４に蓄積された信号電荷のリークが抑制される。なお、素子分離領域４２は、例えば、所定の注入条件の下でアクセプタのイオン注入を行うことによって形成される。

【0120】

不純物領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄおよび４１Ｅは、例えば、半導体基板３１内に形成された拡散層である。ここでは、不純物領域４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄおよび４１Ｅは、ｎ型不純物領域である。図１０に示されるように、増幅トランジスタ１１は、不純物領域４１Ｃと、不純物領域４１Ｄと、ゲート絶縁膜３８Ｂと、ゲート電極３９Ｂとを含む。不純物領域４１Ｃおよび不純物領域４１Ｄはそれぞれ、増幅トランジスタ１１のソース領域およびドレイン領域として機能する。不純物領域４１Ｃおよび不純物領域４１Ｄの間に、増幅トランジスタ１１のチャネル領域が形成される。

【0121】

同様に、アドレストランジスタ１３は、不純物領域４１Ｄと、不純物領域４１Ｅと、ゲート絶縁膜３８Ｃと、ゲート電極３９Ｃとを含む。図１０に示される例では、増幅トランジスタ１１およびアドレストランジスタ１３は、不純物領域４１Ｄを共有することによって互いに電気的に接続されている。不純物領域４１Ｄおよび不純物領域４１Ｅはそれぞれ、アドレストランジスタ１３のソース領域およびドレイン領域として機能する。不純物領域４１Ｅは、図９に示される垂直信号線１７に接続される。

【0122】

リセットトランジスタ１２は、不純物領域４１Ａ、不純物領域４１Ｂと、ゲート絶縁膜３８Ｂと、ゲート電極３９Ａとを含む。不純物領域４１Ａおよび不純物領域４１Ｂはそれぞれ、リセットトランジスタ１２のソース領域およびドレイン領域として機能する。不純物領域４１Ａは、図９に示されるリセット信号線２７に接続される。

【0123】

ゲート絶縁膜３８Ａ、ゲート絶縁膜３８Ｂ、および、ゲート絶縁膜３８Ｃはそれぞれ、絶縁性材料を用いて形成された絶縁膜である。絶縁膜は、例えば、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜などの単層構造または積層構造を有する。

【0124】

ゲート電極３９Ａ、ゲート電極３９Ｂ、およびゲート電極３９Ｃはそれぞれ、導電性材料を用いて形成されている。導電性材料は、例えば、導電性ポリシリコンである。

【0125】

半導体基板３１上には、増幅トランジスタ１１、アドレストランジスタ１３およびリセットトランジスタ１２を覆うように層間絶縁層４３が積層されている。層間絶縁層４３中には、配線層（図示せず）が配置されうる。配線層は、例えば、銅などの金属から形成され、例えば、上述の垂直信号線１７などの配線をその一部に含みうる。層間絶縁層４３中の絶縁層の層数、および、層間絶縁層４３中に配置される配線層に含まれる層数は、任意に設定可能である。

【0126】

層間絶縁層４３中には、リセットトランジスタ１２の不純物領域４１Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ａ、増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと接続されたコンタクトプラグ４５Ｂ、画素電極１２２と接続されたコンタクトプラグ４７、および、コンタクトプラグ４７とコンタクトプラグ４５Ａとコンタクトプラグ４５Ｂとを接続する配線４６が配置されている。これにより、リセットトランジスタ１２の不純物領域４１Ｂが増幅トランジスタ１１のゲート電極３９Ｂと電気的に接続されている。

【0127】

層間絶縁層４３上には、光電変換部１２０が配置されている。光電変換部１２０の具体的な構成は、図６と同じである。なお、層間絶縁層４３およびコンタクトプラグ４７はそれぞれ、図６に示される絶縁層１２１および接続配線１２３に相当している。図６に示される電極端子１２４および接続配線１２５は、例えば単位画素２１０内ではなく、感光領域の周縁部分に設けられている。

【0128】

なお、光電変換部１２０は、図８に示される光電変換部１３０のように、電子ブロック層１２８および正孔ブロック層１２９を含む複数の機能層の少なくとも１つを含んでもよい。例えば、撮像装置２００は、光電変換部１２０の代わりに、光電変換部１３０を備えてもよい。

【0129】

光電変換部１２０の上方には、カラーフィルタ６０が設けられている。カラーフィルタ６０の上方にマイクロレンズ６１が設けられている。カラーフィルタ６０は、例えば、パターニングによるオンチップカラーフィルタとして形成され、染料または顔料が分散された感光性樹脂などが用いられる。マイクロレンズ６１は、例えば、オンチップマイクロレンズとして設けられ、紫外線感光材等が用いられる。

【0130】

撮像装置２００は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に、半導体基板３１としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって製造することができる。

【0131】

以上のように、撮像装置２００が備える光電変換部１２０の対向電極１２７は、第１ＩＴＯ層１２７ａおよび第２ＩＴＯ層１２７ｂの積層構造を有する。このため、上述した通りに、撮像装置２００は、対向電極１２７の低抵抗化と、光電変換部１２０の電流電圧特性の制御性の向上とを両立することができる。

【0132】

なお、また、光電変換部１３０とカラーフィルタ６０との間には、透光性および絶縁性の保護膜が設けられていてもよい。

【0133】

（他の実施の形態）
以上、１つまたは複数の態様に係る撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、および、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。

【0134】

例えば、上記の実施の形態では、対向電極１２７は、３層以上のＩＴＯ層を含んでいてもよい。この場合、光電変換層１２６に最も近いＩＴＯ層が第１ＩＴＯ層１２７ａである。第２ＩＴＯ層１２７ｂは、第１ＩＴＯ層１２７ａを除く２層以上のＩＴＯ層の１つである。例えば、第２ＩＴＯ層１２７ｂは、光電変換層１２６から最も離れたＩＴＯ層であってもよい。つまり、第１ＩＴＯ層１２７ａと第２ＩＴＯ層１２７ｂとの間には、他のＩＴＯ層が含まれてもよい。あるいは、第２ＩＴＯ層１２７ｂよりも光電変換層１２６から離れたＩＴＯ層が設けられていてもよい。

【0135】

また、例えば、電極端子１２４と画素電極１２２とは、下面が積層方向において同じ高さに位置していてもよい。例えば、最上面が平坦である絶縁層１２１の最上面に電極端子１２４および画素電極１２２が設けられていてもよい。

【0136】

また、例えば、第１ＩＴＯ層１２７ａの膜厚と第２ＩＴＯ層１２７ｂの膜厚とは等しくてもよい。あるいは、第１ＩＴＯ層１２７ａの膜厚は、第２ＩＴＯ層１２７ｂの膜厚より大きくてもよい。

【0137】

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0138】

本開示は、例えば、カメラまたは測距装置などに利用することができる。

【符号の説明】

【0139】

１１ 増幅トランジスタ
１２ リセットトランジスタ
１３ アドレストランジスタ
１５ 垂直走査回路
１６ 対向電極信号線
１７ 垂直信号線
１８ 負荷回路
１９ カラム信号処理回路
２０ 水平信号読出し回路
２１ 電源配線
２２ 差動増幅器
２３ フィードバック線
２４ 電荷蓄積ノード
２５ 電荷検出回路
２６ アドレス信号線
２７ リセット信号線
２８ 水平共通信号線
３０ 電圧制御回路
３１ 半導体基板
３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ ゲート絶縁膜
３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ ゲート電極
４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ、４１Ｅ 不純物領域
４２ 素子分離領域
４３ 層間絶縁層
４５Ａ、４５Ｂ、４７ コンタクトプラグ
４６ 配線
６０ カラーフィルタ
６１ マイクロレンズ
１００、１１０ サンプル素子
１０１ シリコンウェハ
１０２ ＩＴＯ層
１１１、１２７ａ 第１ＩＴＯ層
１１２、１２７ｂ 第２ＩＴＯ層
１２０、１３０ 光電変換部
１２１ 絶縁層
１２１ａ、１２２ａ、１２４ａ 上面
１２２ 画素電極
１２３、１２５ 接続配線
１２４ 電極端子
１２６ 光電変換層
１２７ 対向電極
１２８ 電子ブロック層
１２９ 正孔ブロック層
２００ 撮像装置
２１０ 単位画素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】