特開 2024-6829 ：超時間分解イメージセンサ

(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】P2024006829

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】：超時間分解イメージセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240110BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20240110BHJP

   H04N 25/70 20230101ALI20240110BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H01L27/144 K

H04N5/369

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022114373

(22)【出願日】2022-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】591128888

【氏名又は名称】江藤 剛治

(71)【出願人】

【識別番号】519127030

【氏名又は名称】松長 誠之

(71)【出願人】

【識別番号】522284258

【氏名又は名称】廣瀬 裕

(72)【発明者】

【氏名】江藤 剛治

(72)【発明者】

【氏名】松長 誠之

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 裕

【テーマコード（参考）】

4M118

5C024

【Ｆターム（参考）】

4M118AA05

4M118AA10

4M118AB01

4M118BA19

4M118CA14

4M118CB01

4M118DA25

4M118DD04

4M118FA06

4M118FA13

4M118GA02

4M118HA22

4M118HA25

5C024GX02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】超高速撮影技術を提供する。
【解決手段】シリコンブランチングイメージセンサは、隣接する縦型転送ゲートの間の空間を光と電子の不透過層で埋め、転送ゲートの電極には光の反射抑制層を付ける。またフォトダイオードの厚さを開口サイズの１／２以下とする。
【選択図】図１２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体デバイスと、
入射電磁波または入射荷電粒子（以後これらを「光」と総称する）を前記の半導体デバイスの上に集光する手段と、
前記の半導体デバイスを制御するとともに、前記の半導体デバイスから出力される信号を処理する手段とを備える撮影手段であって、
前記の光の半導体デバイスへの平均的入射方向を垂直、垂直方向に垂直な方向を水平と呼び、前記の半導体デバイスの光が入射する側の面を裏面、逆の面の近傍を表面側と呼ぶとき、
前記の半導体デバイスは、Ｍ行Ｎ列（ここにＭとＮは２以上の整数）の画素を備え、
前記の画素の各々は、
（１）前記の光を電荷に変換する光電変換デバイスと、
（２）前記の光電変換デバイスの水平面における中心から実質的に等距離の位置にあって、前記の電荷を中心から遠方に転送するｍ個（ここにｍは３以上）の電荷転送手段とを備え、
前記の入射光で生じる全電荷数の内、前記の電荷転送手段の周辺を通過するもの、及び前記の光電変換デバイスと前記の電荷転送手段での入射光の反射、回折及び屈折によって生じ、前記の電荷転送手段を通過するものを併せて迷入電荷と呼ぶとき、前記の全電荷数に対する迷入電荷数が占める割合を抑制する手段を備えることを特徴とする。

【請求項2】

請求項１の撮像手段であって、前記の電荷転送手段の各々は、垂直な電極を１個もしくは２個と、その側面にあって、前記の電荷が通過する転送路とを備える縦型転送ゲートから成る。

【請求項3】

請求項２の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
電極の表面にあって、前記の入射光の反射を阻害する手段を含む。

【請求項4】

請求項２または請求項３の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
隣接する前記の縦型転送ゲートの間の間隙にあって、前記の光、もしくは電荷の通過を抑制する手段を含む。

【請求項5】

請求項１の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
裏面に開口部を備える光の入射防止層を備え、前記の開口部の端部が前記の光電変換デバイスの端部に比べて画素中心から見て内側にあるとともに、前記の縦型転送ゲートの電極の画素中心側の端面が前記の光電変換デバイスの端面より中心から見て外側にある。

【請求項6】

請求項１の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
前記の光電変換デバイスの水平方向の最大距離が垂直方向の長さの２倍以上であることであることを含む。

【請求項7】

請求項１の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
前記の光電変換デバイスの可視光の吸収係数が実質的にシリコンの吸収係数の２倍以上であることを含む。

【請求項8】

請求項１の撮影手段であって、前記の迷入電荷数を抑制する手段が、
前記の電荷転送手段の後段に、前記の電荷転送手段から転送される電荷を保存する手段を備え、前記の電荷保存手段が、前記の電荷転送手段を延長した面外に位置する。

【請求項9】

請求項１から８までのいずれかの撮影手段であって、前記の光電変換デバイスが、異なる種類の半導体を積層して成る。

【請求項10】

請求項９の撮影手段であって、前記の異なる種類の半導体がシリコンとゲルマニウム、またはＩｎＧａＡｓとＩｎＰである。

【請求項11】

請求項１から１０までのいずれかの撮影手段であって、前記の光電変換デバイスがゲルマニウムを主たる構成要素とする光電変換材料から成り、前記の光電変換デバイスの外部の領域はシリコンを主たる構成要素とする半導体から成る。

【請求項12】

請求項１１の撮影手段であって、前記の光電変換デバイスがゲルマニウムを主たる構成要素とする光電変換材料から成り、前記の光電変換デバイスの外部の領域はシリコンを主たる構成要素とする半導体から成るとともに、前記の光電変換デバイスの平面形状が正方形であるとともに、前記の電荷転送手段は前記の光電変換デバイスの平面形状と同心の正方形上にある。

【請求項13】

請求項１１の撮影手段であって、正方形上に位置する光電変換デバイスの数は２以下である。

【請求項13】

請求項１から１０までのいずれかの撮影手段であって、前記の光電変換デバイスがＩｎＧａＡｓを主たる構成要素とする光電変換材料から成り、前記の光電変換デバイスの外部の領域はＩｎＰを主たる構成要素とする半導体から成る。

【請求項14】

請求項１から１４までのいずれかの撮影手段であって、いずれかのゲートの電極に異なる電圧が加えられる２個以上のコンタクトを備える。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は超高速撮影技術に関する。

【背景技術】

（バーストイメージセンサ）

【0002】

非常に小さいフレームインタバルの超高速撮影ではバーストイメージセンサが使われる。

【0003】

バーストイメージセンサは、各画素内に画像信号のその場保存要素（以後「保存要素」と呼ぶ）を複数個備え、撮影操作中は、生成した画像信号を順次保存要素に保存する。従ってフレームインタバルは、各画素の光電変換部から隣接する保存要素までの電子の転送時間という極めて短い時間になる。

【0004】

フレームレート（撮影速度）はフレームインタバルの逆数であるから、バーストイメージセンサは撮影枚数が少ないものの、原理的に限界の超高速撮影を可能にする。

【0005】

撮影後、画像信号を画素内の保存要素からゆっくり読み出す。
（ブランチングイメージセンサ）

【0006】

裏面照射イメージセンサでは光の入射面を裏面、逆の面側を表面側と呼ぶ．以下の説明では、裏面方向を上方向、表面方向を下方向と呼ぶ。

【0007】

図１はブランチングイメージセンサの１画素の例１００を示す。このセンサは裏面照射イメージセンサであり、画素中心に光電変換層１０１を備え、光電変換層から降りてきた信号電子をセンターゲート１０２から放射方向に配置した８個の転送ゲート１０３で順次信号電荷の保存要素１０４に送る。

【0008】

この場合、保存要素はフローティングディフュージョン（以後「ＦＤ」と呼ぶ）が兼ねている。従って光電変換層から各保存要素に対して同じ時間で、かつ最小時間で信号電子を転送できる（特許文献１）。

【0009】

また光電変換層から保存要素までの経路を空乏化することにより、原理的にノイズレスで画像信号を転送できる。
（裏面照射接合型イメージセンサ）

【0010】

このように各画素に、光電変換層を１個と、信号電子の転送デバイスと保存要素の組を複数個備える半導体チップを第１の半導体チップと呼ぶことにする。

【0011】

第１の半導体チップを裏面照射センサチップにすると、表側に第２の半導体チップを接合することができる。第２の半導体チップ上に、各画素または近接する画素からなる画素群を駆動するドライバ回路を載せることにより、両チップから成るイメージセンサを超高速駆動できる。

【0012】

通常の表面照射のイメージセンサでは駆動電圧を送付するためのドライバ回路を受光面の両側に備える。この場合、駆動電圧の送付距離は受光面の両端から受光面の中央までの水平距離であるから数ｍｍ、すなわち数１０００μｍである。

【0013】

画素サイズは数μｍであるから、その間に１列だけで１０００個程度の画素がある。通常の表面照射のイメージセンサではこれらの多数の画素を、一組の配線を通して送られる駆動電圧群で駆動する。

【0014】

接合型の裏面照射イメージセンサでは表面側の第２の半導体チップに各画素（群）を駆動するための多数のドライバ回路を載せることができる。

【0015】

この場合、駆動電圧の送付距離は数μｍから数１０μｍである。また一組の駆動電圧で駆動される画素の数は多くても数列×数行、すなわち数１０個である。

【0016】

駆動電圧の送付距離が１／１００から１／１０００になることと、一組の駆動電圧で駆動する画素の数が激減することで、ドライバ回路を搭載した第２のチップを接合した裏面照射イメージセンサでは、表面照射のイメージセンサに比べて、各画素を同時に超高速駆動できる。

【0017】

（シリコン裏面照射イメージセンサの限界時間分解能）
通常のイメージセンサはシリコンで作られる。例えばシリコンへの５５０ｎｍの緑色光の平均侵入深さは約１．７３μｍである。この値は文献で異なる。採用した１．７３μｍという値は安全側となるように選んだ大きめの値である。

【0018】

赤色光まで考慮すると、図１での光電変換層層の厚さ１０５は最低３μｍ必要である。この厚さをＤとする。

【0019】

通常のイメージセンサでは，信号電子を、第１の半導体チップの表面側の絶縁層の表面側（下側）に備えた水平電極に加える電圧を変えて水平方向に転送する。このようなゲートを水平転送ゲート（Ｆｌａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｇａｔｅ、ＦＴＧ））と呼ぶ。今後これらのゲートをＦＴＧと書く。

【0020】

図２はＦＴＧを備えるブランチングイメージセンサを示している。

【0021】

ＦＴＧの水平電極の狭い方の幅１０６をＷとする。

【0022】

図２（ａ）には信号電子の転送路１０７、１０８を示す。１個の転送路１０７には高い電圧ＶＨが、残りの７個の転送路１０８には低い電圧ＶＬがかけられている。ここに、転送ゲートの電極にコンタクトから２値の電圧が送られる場合、高い方をＶＨ、低い方をＶＬと書く。以後も、ＶＨ、ＶＬについては同様の定義とする。

【0023】

図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＢ－Ｂ’断面の断面図である。

【0024】

水平電極に加える電圧で、直上の半導体層の中の電位が変化するが、電位が有効に変化する層１０９の厚さ（高さ）ＨはＷと同程度かＷより小さい。最近のイメージセンサではＷは大きくても数１００ｎｍである。すなわちシリコンイメージセンサではＤ（数μｍ）＞Ｗ（数１００ｎｍ）＞Ｈである。

【0025】

従って、図１が端的に示しているように、これまでのブランチングイメージセンサでは、信号電子はまず厚さ数μｍ（Ｗ）の光電変換層内を垂直転送し、その後数１００ｎｍ（Ｈ）の厚さ１０９の転送路層１１０を水平転送する。

【0026】

このため時間分解能は光電変換層領域での深さ方向への信号転送に要する時間に依存する。

【0027】

光電変換層に短いパルス光が入射すると、各深さでの光の強度は指数分布に従って減衰する。この光により、深さ方向に指数分布に従う数の信号電子が瞬時に生成する。

【0028】

これらの各信号電子の生成位置から光電変換層の下端までの平均到達時間は、走行距離をドリフト速度で割ったものになる。距離が指数分布するので、各信号電子に対しては，平均到達時間も指数分布する。ただし光電変換層の厚さはＤであるから、Ｄより深い部分が切れた指数分布（Ｔｒｕｎｃａｔｅｄ Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）となる。この効果による光電変換層下端までの到達時間分布の広がりを混合効果と呼ぶ。

【0029】

各電子の到達時間は、生成位置の深さから光電変換層の底面までの距離を走行する間、拡散効果によりさらに広がる

【0030】

本発明の発明者らは、このような垂直混合拡散を対象として、イメージセンサの理論的な限界時間分解能の式を導いた。

【0031】

シリコン光電変換層内での垂直混合拡散による信号電荷の限界時間分解能は理論的に１１．１ｐｓである（非特許文献１、非特許文献２）。撮影速度に換算すると約１０００億枚／秒である。

【0032】

ほとんどのイメージセンサはシリコン半導体である。従って１１．１ｐｓより短い時間分解能をスーパー時間分解と呼ぶことにした。

【0033】

現在、世界最高速クラスのバーストイメージセンサの時間分解能は約１０ｎｓである（非特許文献３）。撮影速度に換算すると１億枚／秒である。従って撮影速度については約１０００倍の改善余地がある。
（ＶＴＧ）

【0034】

これに対して、図３（ｂ）に示す様に、酸化膜１１１の直上の転送路１１４、１１５の転送方向に垂直の２枚の平行する電極を置き、２枚の電極で挟まれる領域を電子の転送路とし、これらの電極に加える電圧を変えることにより、平行電極間を通過する電子の移動を制御することもできる。

【0035】

このようなゲートを縦型転送ゲート（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｍｓｆｅｒ Ｇａｔｅ）１１６と呼ぶ。以後これをＶＴＧで表す。図３（ｂ）ではＶＴＧは水平電極の上に建てられ、凹の字型の内部の空間が転送路になっている。

【0036】

ＶＴＧは１個の垂直電極で作ることもできる。水平電極の中央に１本の垂直電極を立て凸の字型にすると、底部だけでなく、垂直電極の両側を電荷が流れ、水平電極だけの場合に対して電荷転送量を大きくできる。また光電変換層の同じ口径に対して、凹の字型に比べて電荷転送路数を増やすことができる。しかし、隣接する転送路間の信号電荷間のクロストークが大きくなる。

【0037】

ＶＴＧの底部の水平電極の長さは、垂直部の長さと同じである必要はない。

【0038】

武藤はシリコンのブランチングイメージセンサに凹の字型のＶＴＧを適用することを提案した。これにより、光電変換層領域から転送ゲートまでの全深さにわたって信号電子の転送方向を実質的に水平方向にすることができる（非特許文献４）。

【0039】

なお武藤の報告の内容は本発明の発明者の一人である江藤との意見交換が活かされていることは謝辞に述べられている。
（迷光と迷入電子によるクロストークとディープトレンチ）

【0040】

これまでの垂直電極の高さは数１０ｎｍから数１００ｎｍであった。

【0041】

初期の裏面照射イメージセンサでは、各画素面積の大部分で受光でき、感度が上がるという長所があった。一方で、斜めに入射する光の隣接する画素への迷入や、生成した電子の迷入による大きなクロストークが問題になった。シリコンへの可視光の侵入長は数μｍである。従ってイメージセンサではこれらの迷光や迷入電子を防ぐために狭くて深いトレンチで光電変換層を囲む技術が開発された。このようなトレンチをディープトレンチと呼ぶ。

【0042】

図１のブランチングイメージセンサでは、光電変換層の周辺に複数の転送ゲート、保存要素等がある。これらの周辺要素への迷光や電子の迷入を防ぐために、光電変換層もディープトレンチで囲まれている（光電変換層まわりのディープトレンチは図示していない）。

【0043】

ブランチングイメージセンサでは迷光と迷入電子対策は非常に重要な課題である。

【0044】

例えば図３の構造では連続８枚撮影できるが、１枚目の信号電荷パケットを保存した後、８枚目を保存する間に７枚を撮影する間に迷入電子（以下、迷光で生じる分も含む）が１枚目の信号電荷に加算される。

【0045】

ブランチングイメージセンサは超高速撮影に使われるので、撮影期間の照明強度は非常に強い。従って迷入電子の課題はより深刻である。

【0046】

ブランチングイメージセンサの撮影枚数は少ないのでマクロピクセルの導入は不可欠である。マクロピクセルとは隣接する複数の画素を併せて機能させる場合の画素群である。

【0047】

例えば２×２画素をマクロピクセルとして３２（＝８×４）枚を連続撮影する場合は、１枚目の信号電荷を保存後、３１枚の画像を撮影する間、迷入電子が１枚目の画像信号電荷の記録要素に迷入し続けるので、迷入電子の課題はさらに深刻になる。

【0048】

従って迷入電子の影響を徹底的に防止する必要がある。対策にはハード的な手段とソフト的な手段がある。

【0049】

ハード的な手段は２つある。一つは迷入電子の防止である。他はドレーンである。

【0050】

高性能のドレーンは２×２マクロピクセル技術を使う場合には必須である。４個の内の１個の画素での撮影が終わったのち、隣接する他の３個の画素で画像信号を記録中に強い照明が被写体に当たり続けるからである。

【0051】

ドレーンは撮影後の読出し中の暗電流や暗電流に起因する迷入電子の防止対策としても重要である。

【0052】

ドレ―ンとしては、垂直オーバーフロードレーン（既存技術）と、８個の転送ゲートの一つをドレーンとして使う場合がある。

【0053】

垂直オーバーフロードレーンでは、光電変換層領域の下部にｐ－ｗｅｌｌ、その下に電極を設けておき、撮影後はこの電極に高い電圧をかけ、ｐ－ｗｅｌｌのポテンシャルバリアを無くしてこの電極から暗電流を素子の外部に排出する。

【0054】

図３ではＦＤ１１７が保存要素を兼用している。ＦＤを経由して隣接するドレーン１１８に不要電荷を排出する場合の信号電子の転送経路１１９も図中に示している。この場合、撮影枚数は７枚となる。また２×２マクロピクセルに対しては撮影枚数は２８枚になる。

【0055】

特にゲルマニウムやＩｎＧａＡｓのような光電変換材料を使う場合は、撮影後の長い読出し時間の間に光電変換層で大きな暗電流が生じる。

【0056】

転送ゲートから記録要素、読出し回路までをシリコンで作ると、これらの領域で読出し中に生じる暗電流は大きく軽減される。従ってこの場合は、光電変換層領域からの暗電流による迷入電子も大きな課題として残る。

【0057】

ソフト的な手段は、撮影と画像信号読出し後のポスト画像信号処理である。例えば、１枚目の保存電子パケットの電子数は、１枚目の画像信号に相当する電子数と、２枚目から８枚目を撮影中の７枚分の迷入電子数の和になっている。

【0058】

２枚目から８枚目の内の１枚、即ちＮ枚目（Ｎ＝２から８）を撮影中の迷入電子数は、Ｎ枚目の画像信号に相当する電子数に比例する。

【0059】

このような関係を行列表示し、解けば１枚目から８枚目の画像信号数を計算できる。

【0060】

しかし、ソフト的な方法はあくまで補助的な手段で、ハード的な手段で極力迷入電子を抑制し、その上で取りうる手段を全て適用して迷入電子の影響を除去する必要がある。
（ゲルマニウムとＩｎＧａＡｓの吸収係数）

【0061】

図４はシリコン１２０、ゲルマニウム１２１、ＩｎＧａＡｓ１２２の光電変換材料の入射光の波長に対する吸収係数を示す。ゲルマニウム、ＩｎＧａＡｓの吸収係数はシリコンの数１０倍である。従って同一の波長の光に対して、光電変換に必要な光電変換層の厚さはシリコンのそれの数１０分の１になる。
（ゲルマニウム光電変換層の暗電流と抑制）

【0062】

本発明の発明者らは、可視光撮影に対して、シリコンに代えて、ゲルマニウムやＩｎＧａＡｓのような吸収係数のはるかに大きい光電変換材料を用いることにより、限界時間分解能を大きく改善できることを示した。ゲルマニウム光電変換層では１ｐｓ以下の時間分解能を達成できる（特許文献２、非特許文献５）。

【0063】

ゲルマニウムやＩｎＧａＡｓの暗電流はシリコンのそれに比べて非常に大きい。しかしフレームインタバルが１ナノ秒程度以下になると、その間に生じる暗電流はゲルマニウムの場合であっても小さい。

【0064】

読出しノイズは読出しフレームインタバルの平方根に逆比例する。従って空乏層内での完全転送による低ノイズ特性を享受するには、読出し速度をあまり速くすることはできない。

【0065】

バーストイメージセンサでは読出し操作の時間が撮影に要する時間に比べて数桁長い。従って光電変換層領域はゲルマニウム等であっても、転送ゲートと、さらにその外部の信号電子の保存領域と、撮影後の信号読出し回路をシリコンで作り、ＰＤ領域には高性能のドレーンをつけて読出し時間中に光電変換層領域で生じる暗電流を排出すれば、読出し時間中に光電変換層領域で生成し、保存要素で保存されている信号電荷に迷入する暗電流を効果的に抑制できる。

【0066】

読出し操作時間中に生じる暗電流を効果的に減らす他の方法もある。例えば、各画素、もしくは離接する一組の画素から成るマクロ画素に対して１個のＡＤコンバータを備え、各画素で保存領域に保存されているアナログ信号を、撮影直後に、画素単位で一斉にデジタル信号に変換してその場保存する。これに要する時間は、その後の読み出し時間に比べて十分短い。従って読出し時間中に生成する暗電流の影響を最小限に抑えることができる。
（ゲルマニウム光電変換層の消費電力）

【0067】

図５にシリコンとゲルマニウムの電界に対する電子のドリフト速度と拡散係数の図を示す。シリコン中の電子のドリフト速度１２３もゲルマニウム中のドリフト速度１２４も電界に対して単調増加し、やがて飽和ドリフト速度に達する。シリコンとゲルマニウム中の電子の進行方向の拡散係数１２５、１２６は、電界に対してドリフト速度が増加する範囲では単調減少する。また飽和ドリフト速度に対して実質的に最小値を取る。

【0068】

ドリフト速度が飽和ドリフト速度の９５％になる時の電界を限界電界と呼ぶことにする。また限界電界に対するドリフト速度と拡散係数を限界ドリフト速度、限界拡散係数と呼ぶことにする。

【0069】

真性シリコンの限界電界と限界ドリフト速度は２５ｋＶ／ｃｍと９．１×１０＊＊６ｃｍ／ｓｅｃである。ゲルマニウムの限界電界と限界ドリフト速度は４ｋＶ／ｃｍと５．８×１０＊＊６ｃｍ／ｓｅｃである。ここに＊＊は「乗」を表す。従って、同じドリフト速度で転送する場合に、ゲルマニウム層ではシリコン層の１／４（＝４／２５×９．１／５．８）の電圧差で駆動できる。駆動に伴う消費電力は電圧差の２乗に比例するので、ゲルマニウムではシリコンの場合の１／１６の消費電力で信号電荷を転送できる。
（シリコン拡散層で囲まれたゲルマニウムＰＤ）

【0070】

図３で、転送路の１個１１４の電極に相対的に高い電圧を加えると、信号電子は、より高い電圧が加えられている外側のＦＤ１１７に出る。直後に転送ゲート１１４には相対的に低い電圧が付加され、隣の転送ゲートに高い電圧が加えられる。従って転送ゲート１１４から一旦外に出た信号電子は転送ゲートの内側には戻れない。

【0071】

従って時間分解能は光電変換層領域で生成した電子が転送ゲートの１個を通過するまでの時間で規制される。従って光電変換層領域から転送ゲートについてはできる限りの高速転送を達成する。外部の領域は１桁程度遅い速度で転送して良い。

【0072】

従って光電変換層領域をゲルマニウムやＩｎＧａＡｓとする場合でも、センターゲートの外の領域は同じ電界に対してドリフト速度は小さいが、ノイズの少ないシリコンやＩｎＰで作る方が良い。

【0073】

シリコン層をエッチングしてゲルマニウムによる光電変換層層を形成する場合、できるだけ結晶性の良いゲルマニウム層を成長させるには、シリコン層の表面が（１００）面の場合、シリコン側面は（１００）の垂直面、もしくは（１１１）の５４．７°の斜面であることが望ましい。

【0074】

図６はシリコン層のウエットエッチングの例を示す。この場合の斜面は（１１１）結晶面で、斜面は鏡面となる。

【0075】

光電変換層がゲルマニウムで周囲がシリコン層の場合、結晶方向を一致させるために平面形状は正方形で、４個の斜面は同一の結晶面であることが望ましい。

【0076】

例えば図７の場合はシリコン光電変換層領域が正方形１２７で、センターゲート１２８が６角形である。転送ゲート１２９はセンターゲートの辺上に配置されている。

【0077】

このために、画素中心から光電変換層のコーナーを通る経路１３０と辺部分を通る経路１３１に沿うポテンシャルプロファイル１３２、１３３が大きく異なり、転送時間が大きく異なることがわかっている（非特許文献６）。

【0078】

非特許文献６に示す様に、不純物濃度分布の注意深い調整で、設計上はポテンシャルプロファイルを合わせることは可能である。しかし、設計に大きな労力がかかる上に、このような微妙な調整をしても、実際のプロセスにおける不純物打ち込み条件の揺らぎ等のために、転送路間の転送時間に大きなずれが生じるリスクが伴う。
（レジスティブゲート）

【0079】

図８に示す様に、通常のイメージセンサのゲートは電極１３４に１個のコンタクト１３５を持つ。これに対して図８に示す様に電極の両端に２つのコンタクト１３６を備え、異なる電圧を与えるゲート構造をレジスティブゲート１３７と呼ぶ。２つのコンタクトの間を流れる電流を極力減らすために、１０＊＊１６／ｃｍ＊＊３程度の高抵抗電極を使用するからである。

【0080】

コンタクトが１個の通常のゲートの場合、ゲート中央部で電子の移動経路１３８に沿う電界１３９がややフラットになり電荷の転送速度が遅くなる。一方、レジスティブゲートの場合、電界１４０が直線化され、超高速駆動に有利である。

【0081】

レジスティブゲートをブランチングイメージセンサに適用するとする（特許文献４）。センターゲートが通常のゲートの場合とレジスティブゲートの場合をシミュレーションで比較した例を図９に示す。図では光電変換層領域の下部に電子を１個置いた場合のシミュレーション例を比較している。

【0082】

センターゲート１４１が８個のコンタクト１４２を備えるレジスティブゲートの場合１４３に対して濃度と電圧を最適化した条件で、コンタクトを中央の１個１４４にした通常ゲートの場合１４５をシミュレーションしている。

【0083】

従ってやや過度にレジスティブセンターゲートが有利な条件になっているが、転送ゲートまでの到達時間はレジスティブゲートの場合は１０ｐｓ程度であるのに対し、通常ゲートでは１００ｐｓ程度になっている。

【0084】

その後、それぞれを最適化して比較した場合でも、レジスティブゲートの到達時間が通常ゲートの場合の１／３から１／５になる。
（生体の窓）

【0085】

図１０は波長に対するヘモグロビンの吸収係数１４１と水の吸収係数１４２を示す（非特許文献７）。

【0086】

波長６５０ｎｍ付近から９００ｎｍで両者を併せた吸収係数が低い。以前はこの領域１４３を「生体の窓」と呼んでいた。

【0087】

実際の生体計測では脂肪や細胞内外の微細構造による散乱の影響が非常に大きい。光エネルギーの吸収損失が同じでも、大きく広がって見えるので実際の計測上大きな障害になる。従ってこれらの影響を含めたいくつかの「生体の窓」の定義が示されている。

【0088】

図１１はその例である（非特許文献８）。波長１０００ｎｍ以下では散乱１４４の影響が大きい。また図には示されていないが生体要素からの自発光蛍光が大きい。

【0089】

従って最近は７００ｎｍから１０００ｎｍを第１の生体の窓１４５、１０００ｎｍから１４００ｎｍを第２の生体の窓１４６、１５００ｎｍから１８００ｎｍを第３の生体の窓１４７と呼ぶことが多い。

【0090】

そのため、第２の生体の窓、第３の生体の窓に対する蛍光体やイメージセンサなどの開発が進められている。

【0091】

これらの光を用いて可視化するにはゲルマニウムやＩｎＧａＡｓ等の従来から近赤外線での画像計測に用いられてきた光電変換材料が有効である。

【0092】

また生体の窓での計測と、スーパー時間分解に近い超高速撮影との組み合わせは、原理的に全く新しい生体の観察技術を提供する。

【0093】

例えば、光は生体中を１０ｐｓで約２ｍｍ進む。皮下２０ｍｍにある乳がん細胞から発した近赤外光は１００ｐｓ後に表面に届く。この光は直進した光であり、がん細胞とカメラを結ぶ直線と皮膚の交点のまわりの数ｍｍの狭い範囲で撮影される。続いて散乱を受けた光が、到着が遅いほど中心から広がって表面に届く。

【0094】

こうした光を１０ｐｓごとに撮影した１０枚以上の画像を逆解析すれば、１回の撮影で空間分解能数ｍｍで乳がんを可視化できる。

【0095】

この技術は、Ｘ線ＣＴ等と空間分解能は同程度であるが、無害である。

【発明が解決しようとする課題】

【0096】

本発明の基本的な課題は、ブランチングイメージセンサ構造に対して、シリコン光電変換層内での垂直転送時間に基づく時間分解能の限界１１．１ｐｓを越える時間分解能を達成することである。

【0097】

このために、ＦＴＧを背の高いＶＴＧに代えて、信号電荷の垂直転送を実質的に排除して水平転送のみで転送すること（非特許文献４）や、シリコンを吸収係数が高い光電変換材料に代えて光電変換層の厚さを薄くし、垂直転送時間を短縮する（特許文献２、非特許文献５）ことが提案されている。

【0098】

本発明の課題は、これらの提案に伴って生じる不都合を解消することと、これらの組み合わせで新たなメリットを生み出すことである。

【0099】

例えば、背の高いＶＴＧと光電変換層まわりのディープトレンチは競合関係にあるので、背の高いＶＴＧの採用で、光電変換層から転送ゲートの外側への迷光や迷入電子が大きくなる。

【0100】

とくにブランチングメージセンサでは、１枚目の画像信号を保存した後、引き続き画素中心の光電変換層から他の複数個のメモリ要素に画像信号を転送するので、この間の迷光や迷入電子の抑制が、通常のイメージセンサの場合よりはるかに重要になる。

【0101】

一方、高い吸収係数の光電変換材料を用いると垂直転送時間の短縮による時間分解能の向上ができるだけでなく、光電変換層層の厚さが薄くなるので、厚さに逆比例して迷光や迷入電子が小さくなる。

【0102】

ただし、吸収係数の高いゲルマニウムやＩｎＧａＡｓ等の光電変換材料は低いエネルギーバンドのために暗電流が大きい。しかし超高速撮影では１フレーム当たりの暗電流は小さい。

【0103】

一方、ブランチングイメージセンサでは、撮影後の信号読出し時間は長い。従って光電変換層の外側領域はエネルギーバンドが高く暗電流が小さいシリコンやＩｎＰ等で作ることが望ましい。

【0104】

ただし、光電変換層と外部領域を別の半導体材料で作ると、結晶定数と結晶方位の関係によって、光電変換層形状等に制限が生じる。

【0105】

一方、ＶＴＧと高吸収係数の光電変換材料の併用で、それぞれを単一利用する場合では得られない新たな機能をブランチングゲートイメージセンサに付与することができる。
先行技術文献
特許文献

【0106】

【特許文献1】江藤剛治・山田哲生・ツルオン ソン ダオ、特願２０１４－５０２３６０、特許６１８８６７９

【特許文献2】志村考功・渡部平司・江藤剛治、特願２０２０－１０５０３７、特開２０２１―１９７５２３

【特許文献3】江藤剛治・松長誠之、特願２０１９―０７３８０８

【特許文献4】志村考功・渡部平司・江藤剛治・松長誠之・武藤秀樹 特願２０２１―０８２５９３

【特許文献5】江藤剛治・エドアルド シャルボン 特願 ２０１６―５０６４４０

【特許文献6】江藤剛治、特開 ２０１９―１６１２１１

非特許文献

【0107】

【非特許文献1】Ｔａｋｅｈａｒｕ Ｇｏｊｉ Ｅｔｏｈ，ｅｔ ａｌ．，Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｈｉｇｈｅｓｔ ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｖｏ．１７，Ｎｏ．３，２０１７．ＤＯＩ：１０．３３９０／ｓ１７０３０４８３

【非特許文献2】江藤剛治：「超高速カメラ開発の歴史と展望」，応用物理，Ｖｏｌ．９０，Ｎｏ．６，２０２１．

【非特許文献3】Ｔａｋｅｈａｒｕ Ｇｏｊｉ Ｅｔｏｈ，ｅｔ ａｌ．，Ｌｉｇｈｔ－Ｉｎ－Ｆｌｉｇｈｔ Ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ：Ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｈｉｇｈｅｓｔ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ，Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．１０，２０１９．ＤＯＩ：１０．３３９０／ｓ１９１０２２４７

【非特許文献4】武藤秀樹：縦型転送ゲートの電荷転送解析シミュレーションと高速イメージセンサへの適用，映像情報メディア学会技術報告，４６（１４），２０２２．

【非特許文献5】Ｎｇｕｙｅｎ Ｈｏａｉ Ｎｇｏ，ｅｔ ａｌ．，Ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒ Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｆｏｒ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ，Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２３，２０２０． ＤＯＩ：１０．３３９０／ｓ２０２３６８９５

【非特許文献6】Ｎｇｕｙｅｎ Ｈｏａｉ Ｎｇｏ，ｅｔ ａｌ．，Ａ ｐｉｘｅｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｂｒａｎｃｈｉｎｇ Ｕｌｔｒａ－Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．７，２０２１；ＤＯＩ：１０．３３９０／ｓ２１０７２５０６

【非特許文献7】川上淳：科研基盤研究Ｃ報告書課題番号１６Ｋ０５８０５ １６Ｋ０５８０５研究成果報告書（ｎｉｉ．ａｃ．ｊｐ）

【非特許文献8】曽我公平：ドージンニューズ ＤＯＪＩＮ ＮＥＷＳ／Ｒｅｖｉｅｗ（ｄｏｊｉｎｄｏ．ｃｏ．ｊｐ）

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0108】

ブランチングイメージセンサであって、前記の入射光で生じる全電荷数の内、電荷転送手段の周辺を通過するもの、及び光電変換デバイスと電荷転送手段での入射光の反射、回折及び屈折によって生じ、前記の電荷転送手段を通過する電荷を併せて迷入電荷と呼ぶとき、入射光で生じる全電荷数に対して、迷入電荷数が占める割合を抑制する手段を備えることにより、
隣接する保存要素に順次転送されて保存される電荷量の間のクロストークの増大による時間分解能の低下を防ぐことができる。

【0109】

前記の迷入電荷数の抑制手段を備えるブランチングイメージセンサであって、電荷転送手段の各々は、垂直な電極を１個もしくは２個と、その側面にあって、前記の電荷が通過する転送路とを備えるＶＴＧから成ることにより、
光電変換層における信号電荷の転送方向を実質的に垂直転送から水平転送に代えることによる時間分解の向上ができ、同時に、迷入電荷の抑制手段を備えているのでその欠点を補える。

【0110】

例えば、電極の表面にあって、入射光の反射を阻害する手段により、迷入電荷数が抑制される。

【0111】

また、隣接するＶＴＧの間の間隙にあって、光、もしくは電荷の通過を抑制する手段により、迷入電荷数が軽減される。

【0112】

また、裏面に開口部を備える光の入射防止層を備え、開口部の端部が光電変換デバイスの端部に比べて画素中心に近く、さらに縦型転送電極が光電変換デバイスの外側に位置することにより、迷入電荷数が軽減される。

【0113】

さらに、前記の光電変換デバイスの水平方向の最大距離が垂直方向の長さの２倍以上であることであることにより、
光電変換デバイスの端部への入射光の回折と、斜め入射光で生成する電荷の全生成電荷に占める割合を効果的に減らすことができ、端部で生成する電荷数に強く依存する迷入電子の割合を効果的に減らすことができる。

【0114】

また光電変換デバイスの水平方向の最大距離が垂直方向の長さの２倍以上であることであることもまた、迷入電子数の抑制に貢献する。
すなわち、全入射光の内、クロストーク要因となる入射光は、主として光電変換デバイスの開口部の端部に入射する光である。深さに対して開口部の口径の比（アスペクト比）が２倍以上になると、全開口面積に対する端部面積（端部の長さ×迷光の原因となる光の入射や回折幅）の比は１／２以下になり、端部への入射光で生成する電荷の全生成電荷に占める割合を１／２以下に減らすことができ、端部で生成する電荷数に実質的に比例する迷入電子数も１／２以下に減らすことができる。

【0115】

また、光電変換デバイスの可視光の吸収係数が実質的にシリコンの吸収係数の２倍以上であることにより、
同じ口径の光電変換デバイスに対してアスペクト比が２以上になり、端部で生成する電荷数に強く依存する迷入電子数の割合を、アスペクト比が１の場合に比べて１／２以下に減らすことができる。

【0116】

なお、ＶＴＧを備え、限界に近い撮影速度のシリコンブランチングイメージセンサのアスペクト比は１に近い。なぜなら光電変換層の厚さは光の平均侵入深さ程度であり、一方、ＶＴＧの採用で光電変換層での垂直転送による時間分解能の制限を超えるには、光電変換層の水平サイズは光の平均侵入深さ以下でなければならないからである。

【0117】

また、電荷転送手段の後段にあって電荷転送手段を延長した面外に位置する画像信号の保存手段を備えることにより、電荷転送手段を通る迷光が前記の画像信号保存手段に迷入する確率を効果的に下げることができる。

【0118】

さらに、前記の光電変換デバイスが、異なる種類の半導体を積層して成ることにより、例えばこれらが２００ｎｍ程度の薄いシリコンと１μｍ程度のゲルマニウムの組み合わせであると、近紫外光はシリコン部分で、近赤外光はゲルマニウムで光電変換でき、可視光から、生体の光の窓にわたる非常に広い波長幅で超高速撮影ができる。

【0119】

ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの組み合わせでも同じである。要は結晶定数が近く、バンドギャップが大きく異なる材料の組み合わせであれば良い。

【0120】

上記は垂直方向に積層した場合のメリットであるが、水平方向でも同じ組み合わせに効果がある。近赤外撮影を行うにはバンドギャップの小さいゲルマニウムやＩｎＧａＡｓ等を使う。周辺回路は読出し中の暗電流を抑制するために、バンドギャップの大きいＳｉやＩｎＰを使う。

【0121】

特に、光電変換デバイスがゲルマニウムで、外部の回路領域がシリコンの場合は、シリコンのエッチングプロセスとその後のゲルマニウム光電変換層の成長プロセスにおける結晶方位の整合性を保つために、ゲルマニウム光電変換層の平面形状は正方形が望ましい。

【0122】

また、正方形光電変換層の各辺には２個の転送ゲートを備えることが望ましい。

【0123】

３個以上であると、光電変換層の各辺から３個の転送ゲートまでの距離が異なるか、もしこの距離を同じにすると画素中心からの距離が異なる。

【0124】

いずれの場合でも、３個以上の転送路におけるポテンシャルプロファイルが異なり、転送時間が異なる。

【0125】

３個以上の転送路への不純物濃度分布を微妙に調整すれば計算上転送時間を合わせることができるが、多大な労力を必要とする上に、マスクの増加などでプロセス費用が増大する。

【0126】

各辺に対する転送ゲートの数が１個または２個であるとこの課題を回避できる。

【0127】

一般的にはメモリ数が多い２個（合計８個）が望ましいが、小さい画素や、距離レンジが小さくて良い間接ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）等への適用では１辺あたり１個（合計４個）でも良い。画素サイズが小さくなるので画素数を増やして交換解像力を上げることができる。

【0128】

またセンターゲートがレジスティブゲートであることにより、さらに短いフレームインタバルを達成できる。

【図面の簡単な説明】

【0129】

【図1】ブランチングイメージセンサの画素の例（立体図）

【図2】ＦＴＧを備えるブランチングイメージセンサの画素の例

【図3】ＶＴＧを備えるブランチングイメージセンサの画素の例

【図4】波長に対するシリコン、ゲルマニウム、ＩｎＧａＡｓの吸収係数

【図5】電界に対する真性シリコンと真性ゲルマニウムのドリフト速度と拡散係数

【図6】シリコン層のウェットエッチングでできた（１１１）面を持つ逆ピラミッド

【図7】正方形の光電変換層と６角形のセンターゲートを持つブランチングイメージセンサにおける転送経路の違いによるポテンシャルプロファイルの違い

【図8】通常のレジスティブゲートの説明図

【図9】ブランチングイメージセンサのセンターゲートにレジスティブゲートを適用したときの効果

【図10】ヘモグロビンと水の吸収係数から定義した生体の窓

【図11】生体の窓の最近の定義

【図12】本発明の第１の実施の形態の１画素の平面図と断面図

【図13】第１の実施の形態の３×３画素の平面図

【図14】第２の実施の形態の１画素の平面図

【図15】第３の実施の形態の１画素の平面図

【発明を実施するための形態】

（第１の実施の形態）
（第１の実施の形態の構造）

【0130】

図１２に本発明の第１の実施の形態の１画素の平面図２００とＸ－Ｘ‘とＹ－Ｙ’の断面図２０１，２０２を示す。

【0131】

実際には総画素数は１０００×１０００である。全画素（受光面）は描けない。描いても概念的なものとなり、画素間の接合関係を示すことはできない。そのため図１３に３×３画素２０３を示す。

【0132】

イメージセンサは一般的に受光面の外部に駆動回路の一部と撮影した信号の読出し回路を備えるが、一般的な技術であるので図は割愛している。

【0133】

本発明のイメージセンサは裏面照射型で、表面側に駆動回路の載った構造を持つ。このような構造は現在では一般的であり、特許文献５、特許文献６等でも接合構造の概念的な説明図を示しているので、本明細書では割愛する。

【0134】

画素サイズは５μｍである。中央の光電変換層２０４の水平サイズは２．５μｍである。

【0135】

また光電変換層部分の厚さ２０５は１μｍであるが、Ｘ－Ｘ‘断面図２０１に示す通り、上層（裏面側）が厚さ２００ｎｍのシリコン層２０６、下層が厚さ８００ｎｍのゲルマニウム層２０７からなる。

【0136】

また遮光層２０８を備えている。遮光層の中心側エッジ２０９は光電変換層層の端部２１０よりも中心側に張り出している。開口部（受光面）の辺長は２μｍである。

【0137】

ＶＴＧの中心側エッジ２１２は光電変換層領域のエッジより１００ｎｍ外側の正方形の辺上に位置している。

【0138】

各辺に２個づつで合計８個のＶＴＧ２１１を備える。

【0139】

各ＶＴＧの外部に信号電荷のメモリゲート２１３、以下、信号電荷の転送方向２１４に沿って、バリアゲート２１５、ＦＤ２１６、リセットゲート（以下「ＲＳ」と書く）２１７、ドレーン２１８が続く。

【0140】

各ＶＴＧは２枚の垂直電極２１９と酸化膜２２０の下の水平電極２２１から成る。

【0141】

また隣接するＶＴＧの間には、ＶＴＧと同じ高さの縦型遮光膜２２２が立てられている。

【0142】

またＶＴＧの平面電極部分の表面には厚さ１００ｎｍの酸化シリコンと窒化ケイ素の互層からなる反射防止膜２２３を成長させており、裏面からＶＴＧに斜めに入射した光の上方への反射による信号電荷のメモリゲートへの迷入を阻害している。
（第１の実施の形態の機能）

【0143】

ＶＴＧを備えるブランチングイメージセンサは、信号電子の運動を実質的に水平のみにすることで、光電変換層内の信号電子の垂直転送による限界時間分解能の条件を超えることができる。

【0144】

一方、シリコンイメージセンサでは信号電子の転送経路の高さが数μｍに及ぶので、対策を講じなければ中心から全方向への迷光や迷入電子が非常に大きい。

【0145】

まず、縦型遮光膜２２２により、迷光や迷入電子の外部への経路を転送ゲートの内側だけに限ることができ、光電変換層の辺長に対する８個のＶＴＧの開口部（転送路）の総延長の比から、迷光や迷入電子数を１／４程度に抑制することができることがわかる。

【0146】

また、裏面の遮光層２０８の開口部、光電変換層層の外縁、ＶＴＧの内縁が順次外側に広がっているので、斜め入射光により光電変換層内で生成する電荷を抑制できる。総迷入電荷数は、斜め入射光により生成する電荷数に大きく依存するので、総迷入電荷数をさらに抑制できる。

【0147】

さらに、光電変換層層の主要部分をゲルマニウムにすることにより、光電変換層層の厚さを１μｍ以下に抑えている。遮光層の開口部は２μｍであるから、遮光層の開口部は光電変換層層の厚さの２倍であり、全入射光で生じる電荷数に対して、遮光層の端部の近傍に入射する光によって生成する電荷数の割合が小さくなる。この割合は直接迷光に関係するので、迷光の抑制に効果がある。

【0148】

なお可視光だけを対象にするならば、ゲルマニウム層の厚さは１００ｎｍで良く、２μｍの開口があれば迷光の問題は実質的になくなる。

【0149】

光電変換層層を比較的厚いゲルマニウム層と、その上部のシリコン層にすることで、迷光等の負の効果の抑制に加えて、非常に大きな正の効果が生じる。

【0150】

すなわち迷入電子をある程度抑制しつつ、近紫外光はシリコン層で光電変換し、緑色光から１０００ｎｍを超える近赤外光はゲルマニウム層で光電変換することにより、非常に広い波長範囲でシリコンの理論限界を越えるスーパー時間分解イメージングができる。

【0151】

これにより、第１の生体の窓、第２の生体の窓での時間分解能１０ｐｓ以下（生体中での光の到達距離が約２ｍｍ）の連続撮影が可能になり、超短時間時空間データの逆解析により、全く新規な生体計測技術が開発される。
（第１の実施の形態の操作）

【0152】

特許文献１、特許文献３、特許文献５等でブランチングイメージセンサの操作方式について図を用いて説明している。第１の実施形態の操作方式もこれらと変わるところはほとんどないので操作様式全般については図示していない。

【0153】

ただし、図２や図３の例と違い図１２では、信号電荷の転送経路に画素内メモリゲート２１３を備えているので、撮影後、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ、相関２重サンプリング）を適用して低ノイズ読出しができる。これについて説明する。

【0154】

撮影中は８個のメモリゲート２１３にＶＨがかけられている。

【0155】

７個のＶＴＧにＶＬがかけられ、１個のＶＴＧにＶＨがかけられると、ＶＨがかけられているＶＴＧに接続するメモリに電荷が送られる。ＶＨをかけるＶＴＧを順次変えると７枚の画像信号が７個の画素内メモリに保存される。

【0156】

読出し中は７個のＶＴＧにＶＬをかけ、１個のＶＴＧとそれに続く全ゲートをＶＨにして撮影後に生成する電子をドレーンに導き、センサ外に排出する。

【0157】

残りの７グループの転送路についてはＣＤＳを適用して信号を読み出す。

【0158】

即ち、まずリセットゲート２１７にＶＨをかけ、ＦＤ２１６を空にするとともに、その時の電位を記録する。次にバリアゲート２１５にＶＨをかけ、メモリゲート２１３にＶＬをかけるとメモリゲートに保存されていた信号電子はＦＤに移り、ＦＤの電位が低下する（信号電子の場合）。ＦＤの電位の差から高精度で信号電荷量（数）を検出できる。

【0159】

なお、バリアゲートの電位は中電位で固定しておき、メモリゲートの電位がＶＬになる時、信号電荷がポテンシャルバリアを越えてＦＤに流れ込むようにしても良い。これにより、バリアゲートの電圧変化に伴うノイズが抑制される。
（第２の実施の形態）
（第２の実施の形態の平面構造）

【0160】

図１４に第２の実施の形態の１画素の平面図２２４を示す。断面構造は基本的に第１の実施の形態と同じである。

【0161】

第１の実施の形態と異なるのは以下の２点である。

【0162】

メモリゲート２２５がＶＴＧ２３６の幾何学的延長線上にない。

【0163】

第１方向選択ゲート２２７（以下「第１選択ゲート」と書く）、第２方向選択ゲート２２８（以下「第２選択ゲート」と書く）、及び第２ドレーン２２９が加えられている。
（第２の実施の形態の機能）

【0164】

第１の実施の形態が備える迷入電子の抑制手段に加えて、メモリゲートの遮蔽機能を加えることにより全迷入電子数を実質的に無視できるレベルに抑制できる。
（第２の実施の形態の操作）

【0165】

撮影中は第１選択ゲートにＶＨを、第２選択ゲートにＶＬをかける。ＶＴＧにＶＨをかけると信号電荷はメモリゲートに転送される。

【0166】

読出し中は第１選択ゲートにＶＬを、第２選択ゲートにＶＨをかける。ＶＬがかかっている７個のＶＴＧへの迷光で生成した電子は第２選択ゲートから第２ドレーンに排出される。

【0167】

すなわち、信号読出し中は、１個ではなく、全ての転送ゲートと第２選択ゲートを通して暗電流や迷光で生成した電子がドレーンに排出され、メモリゲートの遮蔽と併せて非常に効果の高い迷光、迷入電子の削減ができる。
（第３の実施の形態）
（第３の実施の形態の構造）

【0168】

図１５に第３の実施の形態の１画素２３０を示す。

【0169】

センターゲート２３１が８個のＦＴＧ２３８の前に８個のコンタクト２３２を備えるレジスティブゲートになっている。これにより、広いセンターゲート上の転送方向に沿う電界が直線化され、レジスティブゲート以外のセンターゲート構造の場合に比べ、同じ転送電界に対してフレームインタバルが数分の１になる。

【0170】

光電変換層はＩｎＧａＡｓ層２３３で周辺はＩｎＰ層２３４である。

【0171】

レジスティブゲートの濃度は１０＊＊１６／ｃｍ＊＊３で、光電変換層の底面はＩｎＰ層２３５であるが、濃度はレジスティブゲートの濃度と同オーダーの２＊１０＊＊１６／ｃｍ＊＊３である。

【0172】

ゲートの周辺領域はＰｗｅｌｌ２３６で覆われており、Ｐｗｅｌｌコンタクト２３７を通じて基盤電圧が与えられている。

【0173】

このケースでは転送ゲート２３８はＦＴＧである。

【0174】

周囲のＩｎＰでは撮影後の暗電流がシリコンの場合に比べて大きい。一方、ＩｎＧａＡｓの飽和電界はゲルマニウムのそれの２から３倍であるから、画素サイズが小さくなったときは、より高い電圧差をかけてより高速転送できる。
（その他の実施の形態）

【0175】

信号電荷はホールでも良い。その場合は、駆動電圧と半導体の極性は逆になる

【0176】

本発明の目的は迷光や迷入電子の抑制が目的であるので、駆動のための条件等の説明は割愛した。
本発明の撮影装置

【0177】

本発明の撮影装置はカメラ部分、撮影時の制御回路部分、撮影後の信号制御部分からなる。本発明になるデバイスはカメラ部分の中枢であるイメージセンサである。

【0178】

具体的な機器構成は、特許文献１、特許文献３、特許文献５に記載している。

【産業上の利用可能性】

【0179】

現在、ポンプ・プローブ法でしか観察できない超高速現象をワンショットの撮影で観察できるようになり、新規の材料開発、製薬開発等の基礎研究を進展させる。

【0180】

また距離測定に使われる間接ＴＯＦ計測の制度を各段に高める

【0181】

また光は１０ｐｓで生体中を約２ｍｍしか進まないので、時間と空間を含む４次元画像計測技術により、がん細胞等の生体内での蛍光材料の集積位置を高い精度で３次元空間上で可視化できる。

【0182】

非特許文献２で説明されているように、この時間分解能レベルの超高速撮影技術の多くは強い波長依存性がある。

【0183】

例えば少しづつ波長の異なる光の到着時間の差を利用している。従って、画素群へのカラーフィルタの装着や、異なる波長のフィルタを付けた複数のカメラによる多波長撮影（典型的にはカラー撮影）等ができない。

【0184】

またホログラフィ技術では、非常に幅の狭い干渉性の高い光以外は用いることができない。

【0185】

本発明の撮影装置はこのような制限を受けず、広い波長範囲の現象を一度に撮影できる。またカラーフィルタにより１度に多波長超高速度撮影ができる。

【0186】

従って、時空間４次元、波長１次元の５次元超高速撮影ができる。

【0187】

さらに迷光や迷入電子による連続フレーム間のクロストークによる時間分解能の低減を防ぐと同時に、ノイズとしてのこれらの電荷の加算によるＳＮ比の低下の抑制と、撮影後の低速読み出しによる読出しノイズの低下により、超高速であると同時に超高感度の撮像手段を提供する。

【符号の説明】

１００ ブランチングイメージセンサの画素の例
１０１ 光電変換層
１０２ センターゲート
１０３ 転送ゲート
１０４ 信号電荷保存要素
１０５ 光電変換層層の厚さＤ
１０６ 水平転送電極の狭い方の幅Ｗ
１０７ ＶＨがかかっている転送ゲート
１０８ ＶＬがかかっている転送ゲート
１０９ ＦＴＧにより電位が有効に変化する厚さＨ
１１０ ＶＨが加えられた転送路層
１１１ 絶縁酸化膜
１１２ ＶＨをかけた電極
１１３ ＶＬをかけた電極
１１４ ＶＨがかかる転送路
１１５ ＶＬがかかる転送路
１１６ 凹の字型の転送電極
１１７ ＦＤ
１１８ ドレーン
１１９ 信号電子の転送方向
１２０ シリコンの吸収係数
１２１ ゲルマニウムの吸収係数
１２２ ＩｎＧａＡｓの吸収係数
１２３ 電界による真性シリコン中の電子のドリフト速度
１２４ 電界による真性ゲルマニウム中の電子のドリフト速度
１２５ 電界による真性シリコン中の電子の拡散係数
１２６ 電界による真性ゲルマニウム中の電子の拡散係数
１２７ 正方形の光電変換層
１２８ ６角形のセンターゲート
１２９ 転送ゲート
１３０ 光電変換層のコーナーを通る電子の転送経路
１３１ 光電変換層の辺を通る電子の転送経路
１３２ 光電変換層のコーナーを通る電子の転送経路に沿うポテンシャル
１３３ 光電変換層の辺を通る電子の転送経路に沿うポテンシャル
１３４ ゲート電極
１３５ 通常のゲートの１個のコンタクト
１３６ レジスティブゲートの場合の２個のコンタクト
１３７ レジスティブゲート
１３８ 電子の移動経路
１３９ 通常のゲートのポテンシャルプロファイル
１４０ レジスティブゲートのポテンシャルプロファイル
１４１ センターゲート
１４２ レジスティブゲートの８個のコンタクト
１４３ センターレジスティブゲートを備えるブランチングイメージセンサの信号電子の軌跡の例
１４４ 通常のゲートの１個のコンタクト
１４５ 通常のゲートを備えるブランチングイメージセンサの信号電子の軌跡の例
１４６ ヘモグロビンの吸収係数
１４７ 水の吸収係数
１４８ 古典的な「生体の窓」の定義
１４９ 波長に対する生体（皮膚）の散乱
１５０、１５１、１５２ 第１の生体の窓、第２の生体の窓、第３の生体の窓
（２００以降は発明を実施するための形態）
２００ 第１の実施の形態の平面図
２０１ 第１の実施の形態のＸ－Ｘ‘断面図
２０２ 同Ｙ－Ｙ‘断面図
２０３ 同３×３画素の平面図
２０４ 光電変換層
２０５ 光電変換層の厚さ
２０６ 光電変換層のシリコン層
２０７ 同ゲルマニウム層
２０８ 遮光層
２０９ 遮光層の中心側エッジ
２１０ 光電変換層のエッジ
２１１ ＶＴＧ
２１２ ＶＴＧの中心側エッジ
２１３ 信号電荷のメモリゲート
２１４ 信号電荷の転送方向
２１５ バリアゲート
２１６ ＦＤ（フローティングディフュージョン）
２１７ ＲＳ（リセットゲート）
２１８ ドレーン
２１９ ＶＴＧの垂直電極部
２２０ 酸化膜
２２１ ＶＴＧの水平電極部
２２２ 縦型遮光膜
２２３ 反射防止膜
２２４ 第２の実施の形態の平面図
２２５ メモリゲート
２２６ ＶＴＧ
２２７ 第１（方向）選択ゲート
２２８ 第２（方向）選択ゲート
２２９ 第２ドレーン
２３０ 本発明の第３の実施の形態
２３１ レジスティブセンターゲート
２３２ レジスティブセンターゲートの８個のコンタクト
２３３ ＩｎＧａＡｓ光電変換層
２３４ ＩｎＰ層
２３５ 低濃度ＩｎＰ層
２３６ ＩｎＰのｐｗｅｌｌ層
２３７ ｐｗｅｌｌコンタクト
２３８ メモリゲート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】