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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-05
(45)【発行日】2024-01-16
(54)【発明の名称】固体撮像素子
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20240109BHJP
H04N 25/70 20230101ALI20240109BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20240109BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 E
H04N25/70
H01L31/10 A
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2020021828
(22)【出願日】2020-02-12
(65)【公開番号】P2021128989
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2023-02-03
(73)【特許権者】
【識別番号】316005926
【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001357
【氏名又は名称】弁理士法人つばさ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】安藤 幸弘
【審査官】柴山 将隆
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１４３１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１５０９８９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１５０９７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－０８５４０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１５５８４１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１０７７９９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
Ｈ０４Ｎ ２５／７０
Ｈ０１Ｌ ３１／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体量子ドットの堆積層で構成され、堆積方向と垂直な方向において電位勾配を有する光電変換層と、
前記光電変換層で発生した電荷を読み出すための読み出し電極と、
前記読み出し電極に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷を前記光電変換層内に蓄積させるための蓄積電極と
を備え、
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する部分において、前記蓄積電極側から前記読み出し電極側に向かって電位勾配を有する
固体撮像素子。
【請求項2】
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が前記堆積方向と垂直な方向において異なる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項3】
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が互いに異なる
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項4】
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が前記堆積方向と垂直な方向において異なる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項5】
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が互いに異なる
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項6】
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが前記堆積方向と垂直な方向において異なる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項7】
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが互いに異なる
請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項8】
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が前記堆積方向と垂直な方向において異なる請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項9】
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が互いに異なる
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項10】
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成されたｎ型光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成されたｐ型光電変換層と
を有する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項11】
前記ｐ型光電変換層は、前記ｎ型光電変換層を覆うように形成される請求項１０に記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【0002】
波長選択性を有する半導体を用いる光電変換素子は、特定の波長帯の光を光電変換することが可能である。このような光電変換素子を固体撮像素子に用いる場合、互いに異なる波長選択性を有する複数の光電変換素子を積層した積層型光電変換素子を画素ごとに設けることが可能である（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－１２４３３８号公報
【文献】特表２０１１－５２８８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上述の固体撮像素子の分野では、光電変換素子内での電子の再結合や電荷の転送残りに起因する撮像画質の低下が起こり得る。従って、撮像画質を向上させることの可能な固体撮像素子を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子は、半導体量子ドットの堆積層で構成され、堆積方向と直交する方向において電位勾配を有する光電変換層を備える。この固体撮像素子は、光電変換層で発生した電荷を読み出すための読み出し電極と、読み出し電極に隣接して設けられ、光電変換層で発生した電荷を光電変換層内に蓄積させるための蓄積電極とを更に備える。光電変換層は、蓄積電極と対向する部分において、蓄積電極側から読み出し電極側に向かって電位勾配を有する。
【0006】
本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子では、半導体量子ドットの堆積層で構成された光電変換層において、堆積方向と直交する方向において電位勾配が形成される。これにより、光電変換層から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子の概略構成の一例を表す図である。
【図10】７の光電変換素子における電荷蓄積時のポテンシャルの一例を表す図である。
【図12】比較例に係る光電変換素子の断面構成の一例を表す図である。
【図18】撮像システムの概略構成の一例を表す図である。
【図19】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図20】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【図21】内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【図22】カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（固体撮像素子）…図１～図１４
２．変形例（固体撮像素子）…図１５～図１７
３．適用例（撮像システム）…図１８
４．応用例
移動体への応用例…図１９、図２０
内視鏡手術システムへの応用例…図２１、図２２
１．実施の形態（固体撮像素子）…図１～図１４
２．変形例（固体撮像素子）…図１５～図１７
３．適用例（撮像システム）…図１８
４．応用例
移動体への応用例…図１９、図２０
内視鏡手術システムへの応用例…図２１、図２２
【0009】
＜１．実施の形態＞
[構成]
図１は、本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子１の概略構成の一例を表す。固体撮像素子１は、複数の画素１１が行列状に配置された画素領域１０を備える。図１には、行方向を示す符号としてＤｒが、列方向を示す符号としてＤｃがそれぞれ示されている。図２は、画素１１の断面構成の一例を表す。
[構成]
図１は、本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子１の概略構成の一例を表す。固体撮像素子１は、複数の画素１１が行列状に配置された画素領域１０を備える。図１には、行方向を示す符号としてＤｒが、列方向を示す符号としてＤｃがそれぞれ示されている。図２は、画素１１の断面構成の一例を表す。
【0010】
固体撮像素子１は、画素信号を処理するロジック回路２０を備える。ロジック回路２０は、例えば、垂直駆動回路２１、カラム信号処理回路２２、水平駆動回路２３およびシステム制御回路２４を有する。ロジック回路２０は、各画素１１から得られた画素信号に基づいて出力電圧を生成し、外部に出力する。
【0011】
垂直駆動回路２１は、例えば、複数の画素１１を所定の単位画素行ごとに順に選択する。「所定の単位画素行」とは、同一アドレスで画素選択可能な画素行を指している。カラム信号処理回路２２は、例えば、垂直駆動回路２１によって選択された行の各画素１１から出力される画素信号に対して、相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling：ＣＤＳ）処理を施す。カラム信号処理回路２２は、例えば、ＣＤＳ処理を施すことにより、画素信号の信号レベルを抽出し、各画素１１の受光量に応じた画素データを保持する。カラム信号処理回路２２は、例えば、データ出力線ＶＳＬごとにカラム信号処理部を有する。カラム信号処理部は、例えば、シングルスロープＡ／Ｄ変換器を含む。シングルスロープＡ／Ｄ変換器は、例えば、比較器およびカウンタ回路を含んで構成される。水平駆動回路２３は、例えば、カラム信号処理回路２２に保持されている画素データを順次、外部に出力する。システム制御回路２４は、例えば、ロジック回路２０内の各ブロック（垂直駆動回路２１、カラム信号処理回路２２および水平駆動回路２３）の駆動を制御する。
【0012】
画素１１は、例えば、図２に示したように、互いに異なる波長選択性を有する３つの光電変換素子１１０，１２０，１３０が積層された積層型光電変換素子を有する。つまり、固体撮像素子１は、上記積層型光電変換素子を画素１１ごとに備える。画素１１は、さらに、例えば、上記積層型光電変換素子と対向する箇所にオンチップレンズ１６０を有する。つまり、固体撮像素子１は、オンチップレンズ１６０を画素１１ごとに備える。
【0013】
光電変換素子１１０は、例えば、半導体基板１４０上の絶縁層（絶縁層１１５，１１６および保護層１１７）内に形成され、例えば、電極１１１、光電変換層１１２および電極１１３を、半導体基板１４０側からこの順に積層して構成される。電極１１１は、本開示の「読み出し電極」の一具体例に相当する。半導体基板１４０は、例えば、シリコン基板によって構成される。光電変換素子１１０は、さらに、例えば、電極１１１と同一の層内に、電極１１１に隣接して設けられた電荷蓄積用の電極（蓄積電極１１４）を有する。電極１１１と蓄積電極１１４との間には、絶縁層１１６が設けられる。
【0014】
蓄積電極１１４は、光電変換層１１２で発生した電荷を光電変換層１１２内に蓄積させるための電極である。蓄積電極１１４は、絶縁層１１６を介して光電変換層１１２と対向して配置される。電極１１１および蓄積電極１１４は、絶縁層１１５，１１６によって覆われ、電極１１１は、絶縁層１１６の開口を介して光電変換層１１２に接する。電極１１３は、光電変換層１１２および絶縁層１１６を間にして、電極１１１および蓄積電極１１４と対向する位置に配置される。電極１１３は、例えば、光電変換層１１２および絶縁層１１６の表面に接して形成されたベタ膜であり、隣接する画素１１の電極１１３と共通の層によって構成される。
【0015】
光電変換素子１１０は、例えば、緑色の光（４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収する光電変換層１１２を有し、緑色の光に感度を有する。光電変換層１１２は、例えば、緑色の光を吸収する半導体量子ドットの堆積層によって構成される。絶縁層１１５，１１６および保護層１１７は、例えば、ＳｉＯ２や、ＳｉＮ等によって構成される。電極１１１，１１３は、例えば、透明導電材料によって構成される。透明導電材料としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）や、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）等が挙げられる。
【0016】
光電変換素子１１０は、例えば、半導体基板１４０に設けられたコンタクトホール１５３等を介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線１５６に接続される。配線１５６は、光電変換素子１１０の電極１１１と、光電変換素子１１０用の画素回路１２（例えば、画素回路１２内の増幅トランジスタのゲート電極１５７）とを電気的に接続する。
【0017】
光電変換素子１２０，１３０は，例えば、半導体基板１４０内に形成される。光電変換素子１２０は、例えば、半導体基板１４０の表面近傍に形成されたｎ型半導体領域１４１を光電変換層として有する。光電変換素子１２０は、例えば、青色の光（４２５ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収するｎ型半導体領域１４１を有しており、青色の光に感度を有する。光電変換素子１２０は、例えば、半導体基板１４０に設けられた転送トランジスタを介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線に接続される。この配線は、ｎ型半導体領域１４１と、光電変換素子１２０用の画素回路１２とを電気的に接続する。なお、図２には、光電変換素子１２０と電気的に接続された転送トランジスタのゲート電極１５８が例示される。
【0018】
光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板１４０の、ｎ型半導体領域１４１よりも深い領域に形成されたｎ型半導体領域１４２を光電変換層として有している。光電変換素子１３０は、例えば、赤色の光（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収するｎ型半導体領域１４２を有し、赤色の光に感度を有する。光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板１４０に設けられた転送トランジスタを介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線に接続される。この配線は、ｎ型半導体領域１４２と、光電変換素子１３０用の画素回路１２（例えば、画素回路１２内の増幅トランジスタのゲート電極１５９）とを電気的に接続する。
【0019】
半導体基板１４０は、ｎ型半導体領域１４１と半導体基板１４０の表面との間にｐ+層１４５を有する。ｐ+層１４５は暗電流の発生を抑制する。半導体基板１４０は、さらに、ｎ型半導体領域１４１とｎ型半導体領域１４２との間に、ｐ+層１４３を有する。ｐ+層１４３は、さらに、ｎ型半導体領域１４２の側面の一部（例えばゲート電極１５８近傍）を囲む。ｐ+層１４３は、ｎ型半導体領域１４１とｎ型半導体領域１４２とを分離する。半導体基板１４０は、半導体基板１４０の裏面近傍にｐ+層１４４を有する。ｐ+層１４４は暗電流の発生を抑制する。半導体基板１４０の裏面には、絶縁膜１５４が設けられ、半導体基板１４０の表面には、ＨｆＯ２膜１５１および絶縁膜１５２が積層される。ＨｆＯ２膜１５１は、負の固定電荷を有する膜であり、このような膜を設けることによって、暗電流の発生を抑制することができる。半導体基板１４０の裏面には、例えば、光電変換素子１１０，１２０，１３０と画素回路１２とを互いに電気的に接続する配線や、画素回路１２などを覆う絶縁層１５５が形成される。
【0020】
光電変換素子１１０，１２０，１３０の堆積方向における配置順は、光入射方向（オンチップレンズ１６０側）から光電変換素子１１０、光電変換素子１２０、光電変換素子１３０の順であることが好ましい。これは、より短い波長の光がより入射表面側において効率良く吸収されるからである。赤色は３色の中では最も長い波長であるので、光入射面から見て光電変換素子１３０を最下層に位置させることが好ましい。これらの光電変換素子１１０，１２０，１３０の積層構造によって、１つの積層型光電変換素子が構成される。
【0021】
図３は、画素１１（具体的には光電変換素子１１０）およびその周辺の回路構成の一例を表す。図４は、図３に記載の光電変換素子１１０の展開斜視構成の一例を表す。図５は、画素１１（具体的には光電変換素子１２０）およびその周辺の回路構成の一例を表す。図６は、画素１１（具体的には光電変換素子１３０）およびその周辺の回路構成の一例を表す。
【0022】
上述したように、各画素１１は、光電変換素子１１０，１２０，１３０を積層した構造となっており、かつ、複数の画素１１は画素領域１０において行列状に配置される。このことから、複数の光電変換素子１１０は、画素領域１０の光入射面寄りの層内において行列状に配置され、複数の光電変換素子１３０は、画素領域１０の、光入射面とは反対側の面寄りの層内において行列状に配置される。さらに、複数の光電変換素子１２０は、画素領域１０において、複数の光電変換素子１１０が配置される層と、複数の光電変換素子１３０が配置される層との間の層内において行列状に配置される。
【0023】
固体撮像素子１は、複数の画素回路１２と、複数の駆動配線ＶＯＡと、複数のデータ出力線ＶＳＬ（ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３）とを備える。画素回路１２は、画素１１から出力された電荷に基づく画素信号を出力する。駆動配線ＶＯＡは、画素１１に蓄積された電荷の出力を制御する制御信号が印加される配線であり、例えば、行方向Ｄｒに延在する。データ出力線ＶＳＬ（ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３）は、各画素回路１２から出力された画素信号をロジック回路２０に出力する配線であり、例えば、列方向Ｄｃに延在する。
【0024】
各光電変換素子１１０（具体的には電極１１１）には、画素回路１２Ｇが接続される。各光電変換素子１２０には、転送トランジスタＴＲ２を介して画素回路１２Ｂが接続される。各光電変換素子１３０には、転送トランジスタＴＲ３を介して画素回路１２Ｒが接続される。以下では、光電変換素子１１０を便宜的に光電変換部１１Ｇと称する場合がある。また、光電変換素子１２０および転送トランジスタＴＲ２からなる回路を光電変換部１１Ｂと称する場合がある。また、光電変換素子１３０および転送トランジスタＴＲ３からなる回路を光電変換部１１Ｒと称する場合がある。
【0025】
画素回路１２Ｇは、例えば、図３に示したように、フローティングディフュージョンＦＤ１と、リセットトランジスタＲＳＴ１と、選択トランジスタＳＥＬ１と、増幅トランジスタＡＭＰ１とを有する。フローティングディフュージョンＦＤ１は、光電変換部１１Ｇから出力された電荷を一時的に保持する。リセットトランジスタＲＳＴ１のソースがフローティングディフュージョンＦＤ１に接続され、リセットトランジスタＲＳＴ１のドレインが電源線ＶＤＤおよび増幅トランジスタＡＭＰ１のドレインに接続される。リセットトランジスタＲＳＴ１のゲートは制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。増幅トランジスタＡＭＰ１のソースが選択トランジスタＳＥＬ１のドレインに接続され、増幅トランジスタＡＭＰ１のゲートがフローティングディフュージョンＦＤ１に接続される。選択トランジスタＳＥＬ１のソースがデータ出力線ＶＳＬ１を介してカラム信号処理回路２２に接続され、選択トランジスタＳＥＬ１のゲートが制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。光電変換部１１Ｇの蓄積電極１１４は、駆動配線ＶＯＡを介して垂直駆動回路２１に接続される。光電変換部１１Ｇの電極１１３は、駆動配線ＶＯＵを介して垂直駆動回路２１に接続される。
【0026】
画素回路１２Ｂは、例えば、図５に示したように、フローティングディフュージョンＦＤ２と、リセットトランジスタＲＳＴ２と、選択トランジスタＳＥＬ２と、増幅トランジスタＡＭＰ２とを有する。フローティングディフュージョンＦＤ２は、光電変換部１１Ｂから出力された電荷を一時的に保持する。リセットトランジスタＲＳＴ２のソースがフローティングディフュージョンＦＤ２に接続され、リセットトランジスタＲＳＴ２のドレインが電源線ＶＤＤおよび増幅トランジスタＡＭＰ２のドレインに接続される。リセットトランジスタＲＳＴ２のゲートは制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。増幅トランジスタＡＭＰ２のソースが選択トランジスタＳＥＬ２のドレインに接続され、増幅トランジスタＡＭＰ２のゲートがフローティングディフュージョンＦＤ２に接続される。選択トランジスタＳＥＬ２のソースがデータ出力線ＶＳＬ２を介してカラム信号処理回路２２に接続され、選択トランジスタＳＥＬ２のゲートが制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。
【0027】
画素回路１２Ｒは、例えば、図６に示したように、フローティングディフュージョンＦＤ３と、リセットトランジスタＲＳＴ３と、選択トランジスタＳＥＬ３と、増幅トランジスタＡＭＰ３とを有する。フローティングディフュージョンＦＤ３は、光電変換部１１Ｒから出力された電荷を一時的に保持する。リセットトランジスタＲＳＴ３のソースがフローティングディフュージョンＦＤ３に接続され、リセットトランジスタＲＳＴ３のドレインが電源線ＶＤＤおよび増幅トランジスタＡＭＰ３のドレインに接続される。リセットトランジスタＲＳＴ３のゲートは制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。増幅トランジスタＡＭＰ３のソースが選択トランジスタＳＥＬ３のドレインに接続され、増幅トランジスタＡＭＰ３のゲートがフローティングディフュージョンＦＤ３に接続される。選択トランジスタＳＥＬ３のソースがデータ出力線ＶＳＬ３を介してカラム信号処理回路２２に接続され、選択トランジスタＳＥＬ３のゲートが制御線（図示せず）を介して垂直駆動回路２１に接続される。
【0028】
リセットトランジスタＲＳＴ１は、フローティングディフュージョンＦＤ１の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタＲＳＴ１がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ１の電位を電源線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＳＥＬ１は、画素回路１２からの画素信号の出力タイミングを制御する。増幅トランジスタＡＭＰ１は、画素信号として、フローティングディフュージョンＦＤ１に保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタＡＭＰ１は、ソースフォロア型のアンプを構成しており、光電変換部１１Ｇで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力する。増幅トランジスタＡＭＰ１は、選択トランジスタＳＥＬ１がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ１の電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、データ出力線ＶＳＬ１を介してカラム信号処理回路２２に出力する。リセットトランジスタＲＳＴ１、増幅トランジスタＡＭＰ１および選択トランジスタＳＥＬ１は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。
【0029】
転送トランジスタＴＲ２は、転送トランジスタＴＲ２がオン状態となると、光電変換部１１Ｂの電荷をフローティングディフュージョンＦＤ２に転送する。リセットトランジスタＲＳＴ２は、フローティングディフュージョンＦＤ２の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタＲＳＴ２がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ２の電位を電源線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＳＥＬ２は、画素回路１２からの画素信号の出力タイミングを制御する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、画素信号として、フローティングディフュージョンＦＤ２に保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、ソースフォロア型のアンプを構成しており、光電変換部１１Ｂで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力する。増幅トランジスタＡＭＰ２は、選択トランジスタＳＥＬ２がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ２の電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、データ出力線ＶＳＬ２を介してカラム信号処理回路２２に出力する。転送トランジスタＴＲ２、リセットトランジスタＲＳＴ２、増幅トランジスタＡＭＰ２および選択トランジスタＳＥＬ２は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。
【0030】
転送トランジスタＴＲ３は、転送トランジスタＴＲ３がオン状態となると、光電変換部１１Ｒの電荷をフローティングディフュージョンＦＤ３に転送する。リセットトランジスタＲＳＴ３は、フローティングディフュージョンＦＤ３の電位を所定の電位にリセットする。リセットトランジスタＲＳＴ３がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ３の電位を電源線ＶＤＤの電位にリセットする。選択トランジスタＳＥＬ３は、画素回路１２からの画素信号の出力タイミングを制御する。増幅トランジスタＡＭＰ３は、画素信号として、フローティングディフュージョンＦＤ３に保持された電荷のレベルに応じた電圧の信号を生成する。増幅トランジスタＡＭＰ３は、ソースフォロア型のアンプを構成しており、光電変換部１１Ｒで発生した電荷のレベルに応じた電圧の画素信号を出力する。増幅トランジスタＡＭＰ３は、選択トランジスタＳＥＬ３がオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤ３の電位を増幅して、その電位に応じた電圧を、データ出力線ＶＳＬ３を介してカラム信号処理回路２２に出力する。転送トランジスタＴＲ３、リセットトランジスタＲＳＴ３、増幅トランジスタＡＭＰ３および選択トランジスタＳＥＬ３は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。
【0031】
複数の画素回路１２は、例えば、半導体基板１４０の裏面に形成される。固体撮像素子１に設けられた複数の画素回路１２には、光電変換部１１Ｇに割り当てられた複数の画素回路１２Ｇと、光電変換部１１Ｂに割り当てられた複数の画素回路１２Ｂと、光電変換部１１Ｒに割り当てられた複数の画素回路１２Ｒとが含まれる。画素回路１２Ｇは、所定の波長選択性を有する光電変換部１１Ｇから出力された電荷に基づく画素信号を出力する。画素回路１２Ｂは、所定の波長選択性を有する光電変換部１１Ｂから出力された電荷に基づく画素信号を出力する。画素回路１２Ｒは、所定の波長選択性を有する光電変換部１１Ｒから出力された電荷に基づく画素信号を出力する。
【0032】
次に、光電変換層１１２について詳細に説明する。図７は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）の断面構成の一例を表す。光電変換層１１２は、例えば、図７に示したように、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂを有する。第１光電変換層１１２Ａは、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡って形成される。第２光電変換層１１２Ｂは、少なくとも第１光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成される。第２光電変換層１１２Ｂは、少なくとも、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、第１光電変換層１１２Ａの未形成領域に形成される。第２光電変換層１１２Ｂは、第１光電変換層１１２Ａを覆うように形成される。このとき、第２光電変換層１１２Ｂは、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１から離れた領域において、絶縁層１１６および電極１１３に接して形成される。第２光電変換層１１２Ｂは、さらに、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域において、第１光電変換層１１２Ａおよび電極１１３に接して形成される。
【0033】
第１光電変換層１１２Ａは、ｎ型の導電型を有する層であり、例えば、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットの堆積層で構成される。半導体量子ドットは、数ｎｍサイズの結晶構造を有する半導体物質であり、同一物質のバルク半導体と、不連続分子との間の特性を示す。量子ドットでは、量子拘束効果（quantum confinement effect）と、大きい表面と体積との比とによって、同一物質で、大きさを変化させることによって、物理的、化学的、電気的な特性の調整が可能である。第１光電変換層１１２Ａにおいて、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例１に示したように、ｎ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。リガンドとは、半導体量子ドットの表面を終端する有機材料を指している。第１光電変換層１１２Ａは、例えば、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットを溶媒に分散させたインクを絶縁層１１６上に塗布し、溶媒を揮発させた後、パターニングを行うことにより形成される。
【0034】
第２光電変換層１１２Ｂは、ｐ型の導電型を有する層であり、例えば、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットの堆積層で構成される。第２光電変換層１１２Ｂにおいて、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例１に示したように、ｐ型の導電型を有するＰｂＴｅ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。このとき、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットの組成が互いに異なる。つまり、光電変換層１１２（第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂ）において、半導体量子ドットの組成が堆積方向と直交する方向において異なる。第２光電変換層１１２Ｂは、例えば、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットを溶媒に分散させたインクを、第１光電変換層１１２Ａを含む表面全体に塗布し、溶媒を揮発させることにより形成される。
【0035】
図８の実施例１では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットのサイズは、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例１では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットを被覆するリガンドの組成は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例１では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。
【0036】
第１光電変換層１１２Ａにおいて、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例２に示したように、ｎ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これを、ＴＢＡＩ（Tetrabutylammonium Iodide）からなるリガンドで被覆した構成となる。
【0037】
第２光電変換層１１２Ｂにおいて、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例２に示したように、ｐ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これを、ＭＰＡ（3-mercaptopropionic acid）からなるリガンドで被覆した構成となる。このとき、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットにおけるリガンド組成が互いに異なる。つまり、光電変換層１１２（第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂ）において、半導体量子ドットにおけるリガンド組成が堆積方向と直交する方向において異なる。
【0038】
図８の実施例２では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットのサイズは、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例２では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットの組成は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例２では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。
【0039】
第１光電変換層１１２Ａにおいて、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例３に示したように、ｎ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。
【0040】
第２光電変換層１１２Ｂにおいて、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例３に示したように、ｐ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。このとき、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットサイズが互いに異なる。つまり、光電変換層１１２（第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂ）において、半導体量子ドットサイズが堆積方向と直交する方向において異なる。具体的には、第１光電変換層１１２Ａにおける半導体量子ドットサイズが、第２光電変換層１１２Ｂにおける半導体量子ドットサイズよりも大きくなっている。
【0041】
ここで、半導体量子ドットサイズ（粒径）が概ね１０ｎｍ以下になると、量子効果が顕著になり、粒径の減少と共にバンドギャップが小さくなる。例えば、図９に示したように、ＰｂＳバルクでは、バンドギャップは０．３７となる。一方、半導体量子ドットのコアがＰｂＳ超微粒子で構成されている場合、バンドギャップは、例えば、図９に示したように、粒径が１０ｎｍのときに０．６０ｅＶとなり、粒径が５ｎｍのときに０．９０ｅＶとなり、粒径が３ｎｍのときに１．３０ｅＶとなる。
【0042】
図８の実施例３では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットの組成は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例３では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットの組成は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例３では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。
【0043】
第１光電変換層１１２Ａにおいて、ｎ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例４に示したように、ｎ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。
【0044】
第２光電変換層１１２Ｂにおいて、ｐ型の導電型を有する半導体量子ドットは、例えば、図８の実施例４に示したように、ｐ型の導電型を有するＰｂＳ超微粒子をコアとし、これをリガンドで被覆した構成となる。このとき、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が互いに異なる。つまり、光電変換層１１２（第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂ）において、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が堆積方向と直交する方向において異なる。具体的には、第１光電変換層１１２Ａにおける、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が、第２光電変換層１１２Ｂにおける、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率よりも多くなっている。
【0045】
図８の実施例４では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットのサイズは、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例４では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットの組成は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。また、図８の実施例４では、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂの半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率は、互いに同一となってもよいし、互いに異なってもよい。
【0046】
[動作]
次に、図７、図９、図１０を参照して、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）の動作について説明する。図９は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における電荷蓄積時のポテンシャルの一例を表す。図１０は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における電荷転送時のポテンシャルの一例を表す。図９（Ａ)、図１０（Ａ）は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における横方向（堆積方向と直交する方向）のポテンシャルの一例を表す。図９（Ｂ)、図１０（Ｂ）は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における垂直方向（堆積方向と平行な方向）のポテンシャルの一例を表す。
次に、図７、図９、図１０を参照して、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）の動作について説明する。図９は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における電荷蓄積時のポテンシャルの一例を表す。図１０は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における電荷転送時のポテンシャルの一例を表す。図９（Ａ)、図１０（Ａ）は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における横方向（堆積方向と直交する方向）のポテンシャルの一例を表す。図９（Ｂ)、図１０（Ｂ）は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）における垂直方向（堆積方向と平行な方向）のポテンシャルの一例を表す。
【0047】
ここで、電極１１１の電位を電極１１３の電位よりも高くした。即ち、例えば、電極１１１を正の電位とし、電極１１３を負の電位とし、光電変換層１１２において光電変換され、電子が電極１１１に読み出される。なお、電極１１１を負の電位とし、電極１１３を正の電位とし、光電変換層１１２において光電変換に基づき生成した正孔が電極１１１に読み出される形態にあっては、以下の述べる電位の高低を逆にすればよい。
【0048】
図７、図１０、図１１中で使用している符号Ａ～Ｄは、以下のとおりである。
・Ａ：第２光電変換層１１２Ｂのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１から離れた領域
・Ｂ：第１光電変換層１１２Ａのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１寄りの領域
・Ｃ：第１光電変換層１１２Ａのうち、電極１１１と対向する領域
・Ｄ：第２光電変換層１１２Ｂのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１寄りの領域
・Ａ：第２光電変換層１１２Ｂのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１から離れた領域
・Ｂ：第１光電変換層１１２Ａのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１寄りの領域
・Ｃ：第１光電変換層１１２Ａのうち、電極１１１と対向する領域
・Ｄ：第２光電変換層１１２Ｂのうち、蓄積電極１１４と対向する領域であって、かつ電極１１１寄りの領域
【0049】
電荷蓄積時においては、垂直駆動回路２１から、電極１１１に電位Ｖ１が印加され、蓄積電極１１４に電位Ｖ２が印加される。光電変換層１１２に入射された光によって光電変換層１１２において光電変換が生じる。光電変換によって生成した正孔は、電極１１３から配線ＶＯＵを介して垂直駆動回路２１へ送出される。一方、電極１１１の電位を電極１１３の電位よりも高くしたので、すなわち、例えば、電極１１１に正の電位が印加され、電極１１３に負の電位が印加されるとしたので、Ｖ２≧Ｖ１、好ましくは、Ｖ２＞Ｖ１とする。これにより、光電変換によって生成した電子は、蓄積電極１１４に引き付けられ、光電変換層１１２のうち蓄積電極１１４に隣接する領域に止まる。即ち、光電変換層１１２に電荷が蓄積される。Ｖ２＞Ｖ１であるが故に、光電変換層１１２の内部に生成した電子が、電極１１１に向かって移動することはない。光電変換の時間経過に伴い、蓄積電極１１４と対向する光電変換層１１２の領域における電位は、より負側の値となる。
【0050】
このとき、光電変換層１１２には、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂが設けられている。これにより、光電変換層１１２は、横方向（堆積方向と直交する方向）において電位勾配を有する。光電変換層１１２は、例えば、図１０に示したように、蓄積電極１１４と対向する部分（Ａ，Ｂ）において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配を有する。この電位勾配は、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂが、図８の実施例１～４のいずれかに記載の半導体量子ドットの堆積層で構成されることにより生じる。ここで、Ｃ，Ｄの電位は、図１０に示したように、Ａ，Ｂの電位よりも低くなっている。そのため、光電変換層１１２のうち、蓄積電極１１４と対向する部分（Ａ，Ｂ）に蓄積させた電子の流出は、ＣおよびＤにおいて生じる電位障壁によって防止される。
【0051】
電荷蓄積の終了後において、リセット動作がなされる。これによって、電極１１１の電位がリセットされ、電極１１１の電位は電源の電位ＶＤＤとなる。
【0052】
リセット動作の完了後、電荷の読み出しを行う。即ち、電荷転送時において、垂直駆動回路２１から、電極１１１に電位Ｖ３が印加され、蓄積電極１１４に電位Ｖ４が印加される。ここで、Ｖ４＜Ｖ３とする。これによって、光電変換層１１２のうち蓄積電極１１４に隣接する領域に止まっていた電子は、電極１１１へ読み出される。即ち、光電変換層１１２に蓄積された電荷がカラム信号処理回路２２に読み出される。より具体的には、電荷転送時において、Ｖ４＜Ｖ３といった状態になると、光電変換層１１２から電極１１１への電荷の流れを、確実に確保することができる。
【0053】
このとき、光電変換層１１２には、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂが設けられている。これにより、光電変換層１１２は、横方向（堆積方向と直交する方向）において電位勾配を有する。光電変換層１１２は、例えば、図１１に示したように、蓄積電極１１４と対向する部分（Ａ，Ｂ）において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配を有する。この電位勾配は、第１光電変換層１１２Ａおよび第２光電変換層１１２Ｂが、図８の実施例１～４のいずれかに記載の半導体量子ドットの堆積層で構成されることにより生じる。ここで、Ｃの電位が、図１１に示したように、Ａ，Ｂの電位よりも高くなっている。そのため、光電変換層１１２のうち、蓄積電極１１４と対向する部分（Ａ，Ｂ）に蓄積させた電子は、Ｃを介して電極１１１へ確実に転送することができる。
【0054】
[効果]
次に、本実施の形態に係る固体撮像素子１の効果について説明する。
次に、本実施の形態に係る固体撮像素子１の効果について説明する。
【0055】
本実施の形態では、半導体量子ドットの堆積層で構成された光電変換層１１２において、横方向（堆積方向と直交する方向）において電位勾配が形成される。これにより、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0056】
本実施の形態では、光電変換層１１２において、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。これにより、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0057】
本実施の形態では、光電変換層１１２において、半導体量子ドットの組成が堆積方向と直交する方向において異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0058】
本実施の形態では、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡って光電変換層１１２Ａが形成され、光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成され、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、光電変換層１１２Ａの未形成領域に光電変換層１１２Ｂが形成される。さらに、本実施の形態では、光電変換層１１２Ａ，１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットの組成が互いに異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0059】
本実施の形態では、光電変換層１１２において、半導体量子ドットにおけるリガンド組成が堆積方向と直交する方向において異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0060】
本実施の形態では、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡って光電変換層１１２Ａが形成され、光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成され、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、光電変換層１１２Ａの未形成領域に光電変換層１１２Ｂが形成される。さらに、本実施の形態では、光電変換層１１２Ａ，１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットにおけるリガンド組成が互いに異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0061】
本実施の形態では、光電変換層１１２において、半導体量子ドットのサイズが堆積方向と直交する方向において異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0062】
本実施の形態では、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡って光電変換層１１２Ａが形成され、光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成され、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、光電変換層１１２Ａの未形成領域に光電変換層１１２Ｂが形成される。さらに、本実施の形態では、光電変換層１１２Ａ，１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットのサイズが互いに異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0063】
本実施の形態では、光電変換層１１２において、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が堆積方向と直交する方向において異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0064】
本実施の形態では、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡って光電変換層１１２Ａが形成され、光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成され、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、光電変換層１１２Ａの未形成領域に光電変換層１１２Ｂが形成される。さらに、本実施の形態では、光電変換層１１２Ａ，１１２Ｂにおいて、半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が互いに異なる。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0065】
本実施の形態では、蓄積電極１１４と対向する領域のうち電極１１１寄りの領域から、電極１１１と対向する領域に渡ってｎ型の光電変換層１１２Ａが形成され、光電変換層１１２Ａと同一の層内に形成され、蓄積電極１１４と対向する領域のうち、光電変換層１１２Ａの未形成領域にｐ型の光電変換層１１２Ｂが形成される。これにより、蓄積電極１１４と対向する部分において、蓄積電極１１４側から電極１１１側に向かって電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0066】
本実施の形態では、光電変換層１１２Ｂが光電変換層１１２Ａを覆うように形成される。これにより、横方向（堆積方向と直交する方向）だけでなく、垂直方向（堆積方向と平行な方向）にも電位勾配が形成される。その結果、光電変換層１１２から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りが抑制される。その結果、撮像画質を向上させることができる。
【0067】
＜２．変形例＞
以下に、上記実施の形態に係る固体撮像素子１の変形例について説明する。
以下に、上記実施の形態に係る固体撮像素子１の変形例について説明する。
【0068】
[[変形例Ａ]]
図１５は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態の光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）において、第２光電変換層１１２Ｂは、第１光電変換層１１２Ａと同一の層内にだけ形成されていてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
図１５は、光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態の光電変換素子１１０（光電変換部１１Ｇ）において、第２光電変換層１１２Ｂは、第１光電変換層１１２Ａと同一の層内にだけ形成されていてもよい。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
【0069】
[[変形例Ｂ]]
図１６は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１における画素１１の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態およびその変形例では、光電変換素子１２０が半導体基板１４０内に設けられていた。しかし、上記実施の形態およびその変形例において、光電変換素子１２０が半導体基板１４０の上方に設けられていてもよい。光電変換素子１２０は、例えば、図１６に示したように、光電変換素子１１０の上に設けられていてもよい。
図１６は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１における画素１１の断面構成の一変形例を表す。上記実施の形態およびその変形例では、光電変換素子１２０が半導体基板１４０内に設けられていた。しかし、上記実施の形態およびその変形例において、光電変換素子１２０が半導体基板１４０の上方に設けられていてもよい。光電変換素子１２０は、例えば、図１６に示したように、光電変換素子１１０の上に設けられていてもよい。
【0070】
光電変換素子１１０，１２０，１３０の垂直方向における配置順は、光入射方向（オンチップレンズ１６０側）から光電変換素子１２０、光電変換素子１１０、光電変換素子１３０の順となっている。これは、より短い波長の光がより入射表面側において効率良く吸収されるからである。なお、光電変換素子１１０，１２０，１３０の垂直方向における配置順は、光入射方向（オンチップレンズ１６０側）から光電変換素子１１０、光電変換素子１２０、光電変換素子１３０の順となってもよい。
【0071】
本変形例では、光電変換素子１２０は、例えば、光電変換素子１１０上の絶縁層（保護層１１７、絶縁層１２５および保護層１２６）内に形成されており、例えば、電極１２１、光電変換層１２２および電極１２３を、半導体基板１４０側からこの順に積層して構成される。
【0072】
光電変換素子１２０は、さらに、例えば、電極１２１と同一の層内に、電極１２１と離間して配置された蓄積電極１２４を有する。蓄積電極１２４は、絶縁層１２５を介して光電変換層１２２と対向して配置される。電極１２１および蓄積電極１２４は、保護層１１７、絶縁層１２５によって覆われており、電極１２１は、絶縁層１２５の開口を介して光電変換層１２２に接している。電極１２３は、光電変換層１２２および絶縁層１２５の表面に接して形成されたベタ膜であり、例えば、隣接する画素１１の電極１２３と共通の層によって構成されている。
【0073】
光電変換素子１２０は、例えば、青色の光（４２５ｎｍ以上４９５ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収する光電変換層１２２を有し、青色の光に感度を有している。光電変換層１２２は、例えば、青色の光を吸収する半導体量子ドットによって構成される。保護層１１７、絶縁層１２５および保護層１２６は、例えば、ＳｉＯ２や、ＳｉＮ等によって構成される。電極１２１，１２３は、例えば、透明導電材料によって構成される。透明導電材料としては、例えば、ＩＴＯや、ＩＺＯ等が挙げられる。
【0074】
光電変換素子１２０は、例えば、半導体基板１４０に設けられたコンタクトホール１６２等を介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線１６３に接続されている。配線１６３は、光電変換素子１２０の電極１２１と、光電変換素子１２０用の画素回路１２（例えば、画素回路１２内の増幅トランジスタのゲート電極１６４）とを電気的に接続している。光電変換素子１２０は、第１光電変換層１１２Ａと同様の構成を有する第１光電変換層と、第２光電変換層１１２Ｂと同様の構成を有する第２光電変換層とを有する。
【0075】
本変形例では、光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板１４０内に形成されたｎ型半導体領域１６１を光電変換層として有する。光電変換素子１３０は、例えば、赤色の光（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収するｎ型半導体領域１６１を有し、赤色の光に感度を有する。光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板１４０に設けられた転送トランジスタＴＲを介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線に接続されている。この配線は、ｎ型半導体領域１６１と、光電変換素子１３０用の画素回路１２（例えば、画素回路１２内の増幅トランジスタのゲート電極１６５）とを電気的に接続している。
【0076】
半導体基板１４０は、ｎ型半導体領域１６１と半導体基板１４０の表面との間にｐ+層１４５を有している。半導体基板１４０は、半導体基板１４０の裏面近傍にｐ+層１４４を有している。半導体基板１４０の裏面には、絶縁膜１５４が設けられており、半導体基板１４０の表面には、ＨｆＯ２膜１５１および絶縁膜１５２が積層されている。ＨｆＯ２膜１５１は、負の固定電荷を有する膜であり、このような膜を設けることによって、暗電流の発生を抑制することができる。半導体基板１４０の裏面には、例えば、光電変換素子１１０，１２０，１３０と画素回路１２とを互いに電気的に接続する配線や、画素回路１２などを覆う絶縁層１５５が形成されている。
【0077】
本変形例では、２つの光電変換素子１２０，１３０が半導体基板１４０の上方に設けられている。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0078】
[[変形例Ｃ]]
図１７は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１における画素１１の断面構成の一変形例を表す。本変形例では、３つの光電変換素子１１０，１２０，１３０全てが、半導体基板１４０の上方に設けられている。つまり、本変形例にかかる固体撮像素子１は、上記変形例Ｂに係る固体撮像素子１において、光電変換素子１３０を半導体基板１４０の上方に設けた装置に相当する。
図１７は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１における画素１１の断面構成の一変形例を表す。本変形例では、３つの光電変換素子１１０，１２０，１３０全てが、半導体基板１４０の上方に設けられている。つまり、本変形例にかかる固体撮像素子１は、上記変形例Ｂに係る固体撮像素子１において、光電変換素子１３０を半導体基板１４０の上方に設けた装置に相当する。
【0079】
光電変換素子１１０，１２０，１３０の垂直方向における配置順は、光入射方向（オンチップレンズ１６０側）から光電変換素子１２０、光電変換素子１１０、光電変換素子１３０の順となっている。これは、より短い波長の光がより入射表面側において効率良く吸収されるからである。なお、光電変換素子１１０，１２０，１３０の垂直方向における配置順は、光入射方向（オンチップレンズ１６０側）から光電変換素子１１０、光電変換素子１２０、光電変換素子１３０の順となってもよい。
【0080】
本変形例では、光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板４０の表面と光電変換素子１１０との間の絶縁層（絶縁層１２７，１２８，１１５）内に形成され、例えば、電極１３１、光電変換層１３２および電極１３３を、半導体基板１４０側からこの順に積層して構成される。
【0081】
光電変換素子１３０は、さらに、例えば、電極１３１と同一の層内に、電極１３１と離間して配置された蓄積電極１３４を有する。蓄積電極１３４は、絶縁層１２８を介して光電変換層１３２と対向して配置される。電極１３１および蓄積電極１３４は、絶縁層１２７，１２８によって覆われており、電極１３１は、絶縁層１２８の開口を介して光電変換層１３２に接する。電極１３３は、光電変換層１３２および絶縁層１２５の表面に接して形成されたベタ膜であり、例えば、隣接する画素１１の電極１３３と共通の層によって構成される。
【0082】
光電変換素子１３０は、例えば、赤色の光（６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の範囲内の波長域の光）を吸収する光電変換層１３２を有し、赤色の光に感度を有する。光電変換層１３２は、例えば、赤色の光を吸収する半導体量子ドットによって構成される。絶縁層１２７，１２８は、例えば、ＳｉＯ２や、ＳｉＮ等によって構成されている。電極１３，１３３は、例えば、透明導電材料によって構成されている。透明導電材料としては、例えば、ＩＴＯや、ＩＺＯ等が挙げられる。
【0083】
光電変換素子１３０は、例えば、半導体基板１４０に設けられたコンタクトホール１６６等を介して、半導体基板１４０の裏面に設けられた配線１６７に接続される。配線１６７は、光電変換素子１３０の電極１３１と、光電変換素子１３０用の画素回路１２（例えば、画素回路１２内の増幅トランジスタのゲート電極１６８）とを電気的に接続する。光電変換素子１３０は、第１光電変換層１１２Ａと同様の構成を有する第１光電変換層と、第２光電変換層１１２Ｂと同様の構成を有する第２光電変換層とを有する。
【0084】
本変形例では、３つの光電変換素子１１０，１２０，１３０全てが、半導体基板１４０の上方に設けられている。このようにした場合であっても、上記実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0085】
＜３．適用例＞
図１８は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１を備えた撮像システム２の概略構成の一例を表したものである。撮像システム２は、例えば、光学系２２０と、シャッタ装置２３０と、固体撮像素子１と、信号処理回路２４０と、表示部２５０とを備える。
図１８は、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１を備えた撮像システム２の概略構成の一例を表したものである。撮像システム２は、例えば、光学系２２０と、シャッタ装置２３０と、固体撮像素子１と、信号処理回路２４０と、表示部２５０とを備える。
【0086】
光学系２２０は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像素子１の撮像面上に結像させる。シャッタ装置２３０は、光学系２２０および固体撮像素子１の間に配置され、固体撮像素子１への光照射期間および遮光期間を制御する。固体撮像素子１は、固体撮像素子１から入射された像光（入射光）を受光し、受光した像光（入射光）に応じた画素信号を信号処理回路２４０に出力する。信号処理回路２４０は、固体撮像素子１から入力された画像信号を処理して、映像データを生成する。信号処理回路２４０は、さらに、生成した映像データに対応する映像信号を生成し、表示部２５０に出力する。表示部２５０は、信号処理回路２４０から入力された映像信号に基づく映像を表示する。
【0087】
本適用例では、上記実施の形態およびその変形例に係る固体撮像素子１が撮像システム２に適用される。これにより、固体撮像素子１を小型化もしくは高精細化することができるので、撮像画質の高い撮像システム２を提供することができる。
【0088】
＜４．応用例＞
[応用例１]
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
[応用例１]
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【0089】
図１９は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【0090】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図１９に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【0091】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【0092】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【0093】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【0094】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【0095】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【0096】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【0097】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【0098】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検出した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【0099】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図１９の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【0100】
図２０は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【0101】
車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【0102】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【0103】
なお、図２０には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【0104】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【0105】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【0106】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【0107】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【0108】
以上、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、撮像装置３は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、高画質な撮影画像を得ることができるので、移動体制御システムにおいて撮影画像を利用した高精度な制御を行うことができる。
【0109】
[応用例２]
図２１は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図２１は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【0110】
図２１では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
【0111】
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【0112】
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【0113】
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。
【0114】
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
【0115】
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
【0116】
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
【0117】
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
【0118】
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【0119】
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【0120】
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【0121】
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【0122】
【0123】
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
【0124】
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
【0125】
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
【0126】
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【0127】
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【0128】
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
【0129】
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
【0130】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
【0131】
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
【0132】
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
【0133】
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
【0134】
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
【0135】
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
【0136】
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
【0137】
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【0138】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
【0139】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、内視鏡１１１００のカメラヘッド１１１０２に設けられた撮像部１１４０２に好適に適用され得る。撮像部１１４０２に本開示に係る技術を適用することにより、高画質な撮影画像を得ることができるので、高画質な内視鏡１１１００を提供することができる。
【0140】
以上、実施の形態およびその変形例、適用例および応用例を挙げて本開示を説明したが、本開示は実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。なお、本明細書中に記載された効果は、あくまで例示である。本開示の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されるものではない。本開示が、本明細書中に記載された効果以外の効果を持っていてもよい。
【0141】
また、本開示は、以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
半導体量子ドットの堆積層で構成され、堆積方向と直交する方向において電位勾配を有する光電変換層を備えた
固体撮像素子。
（２）
前記光電変換層で発生した電荷を読み出すための読み出し電極と、
前記読み出し電極に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷を前記光電変換層内に蓄積させるための蓄積電極と
を更に備え、
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する部分において、前記蓄積電極側から前記読み出し電極側に向かって電位勾配を有する
（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が互いに異なる
（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が互いに異なる
（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが互いに異なる
（７）に記載の固体撮像素子。
（９）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が互いに異なる
（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成されたｎ型光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成されたｐ型光電変換層と
を有する
（２）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記ｐ型光電変換層は、前記ｎ型半導体層を覆うように形成される
（１１）に記載の固体撮像素子。
（１）
半導体量子ドットの堆積層で構成され、堆積方向と直交する方向において電位勾配を有する光電変換層を備えた
固体撮像素子。
（２）
前記光電変換層で発生した電荷を読み出すための読み出し電極と、
前記読み出し電極に隣接して設けられ、前記光電変換層で発生した電荷を前記光電変換層内に蓄積させるための蓄積電極と
を更に備え、
前記光電変換層は、前記蓄積電極と対向する部分において、前記蓄積電極側から前記読み出し電極側に向かって電位勾配を有する
（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットの組成が互いに異なる
（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットにおけるリガンド組成が互いに異なる
（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットのサイズが互いに異なる
（７）に記載の固体撮像素子。
（９）
前記光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が前記堆積方向と直交する方向において異なる
（２）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成された第１光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成された第２光電変換層と
を有し、
前記第１光電変換層および前記第２光電変換層において、前記半導体量子ドットを被覆するリガンドの比率が互いに異なる
（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記光電変換層は、
前記蓄積電極と対向する領域のうち前記読み出し電極寄りの領域から、前記読み出し電極と対向する領域に渡って形成されたｎ型光電変換層と、
第１光電変換層と同一の層内に形成され、前記蓄積電極と対向する領域のうち、前記第１光電変換層の未形成領域に形成されたｐ型光電変換層と
を有する
（２）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記ｐ型光電変換層は、前記ｎ型半導体層を覆うように形成される
（１１）に記載の固体撮像素子。
【0142】
本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子によれば、半導体量子ドットの堆積層で構成された光電変換層において、堆積方向と直交する方向において電位勾配を形成するようにしたので、光電変換層から電荷を排出したときに、電子の再結合や電荷の転送残りを抑制することができる。その結果、画素信号を効率的に出力、転送することができる。
【符号の説明】
【0143】
１…固体撮像素子、２…撮像システム、１０…画素領域、１１…画素、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ…光電変換部、１２，１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…画素回路、２０…ロジック回路、２１…垂直駆動回路、２２…カラム信号処理回路、２３…水平駆動回路、２４…システム制御回路、１１０，１２０，１３０…光電変換素子、１１１，１１３…電極、１１２…光電変換層、１１２Ａ…第１光電変換層、１１２Ｂ…第２光電変換層、１１４…蓄積電極、１１５，１１６…絶縁層、１１７…保護層、１２１，１２３…電極、１２２…光電変換層、１２４…蓄積電極、１２５…絶縁層、１２６…保護層、１２７，１２８…絶縁層、１３１，１３３…電極、１３２…光電変換層、１３４…蓄積電極、１４０…半導体基板、１４１，１４２…ｎ型半導体領域、１４３，１４４，１４５…ｐ+層、１５１…ＨｆＯ２膜、１５２…絶縁膜、１５３…コンタクトホール、１５４…絶縁膜、１５５…絶縁層、１５６…配線、１５７，１５８，１５９…ゲート電極、１６０…オンチップレンズ、１６２…コンタクトホール、１６３…配線、１６４，１６５…ゲート電極、２２０…光学系、２３０…シャッタ装置、２４０…信号処理回路、２５０…表示部、１１０００…内視鏡手術システム、１１１００…内視鏡、１１１０１…鏡筒、１１１０２…カメラヘッド、１１１１０…その他の術具、１１１１１…気腹チューブ、１１１１２…エネルギー処置具、１１１２０…支持アーム装置、１１２００…カート、１１２０１…カメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、１１２０２…表示装置、１１２０３…光源装置、１１２０４…入力装置、１１２０５…処置具制御装置、１１２０６…気腹装置、１１２０７…レコーダ、１１２０８…プリンタ、１１１３１…術者、１１１３２…患者、１１１３３…患者ベッド、１１４０１…レンズユニット、１１４０２…撮像部、１１４０３…駆動部、１１４０４…通信部、１１４０５…カメラヘッド制御部、１１４１１…通信部、１１４１２…画像処理部、１１４１３…制御部、１２０００…車両制御システム、１２００１…通信ネットワーク、１２０１０…駆動系制御ユニット、１２０２０…ボディ系制御ユニット、１２０３０…車外情報検出ユニット、１２０３１…撮像部、１２０４０…車内情報検出ユニット、１２０４１…運転者状態検出部、１２０５０…統合制御ユニット、１２０５１…マイクロコンピュータ、１２０５２…音声画像出力部、１２０５３…車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、１２０６１…オーディオスピーカ、１２０６２…表示部、１２０６３…インストルメントパネル、１２１００…車両、１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５…撮像部、１２１１１，１２１１２，１２１１３，１２１１４…撮像範囲、ＡＭＰ１，ＡＭＰ２，ＡＭＰ３…増幅トランジスタ、Ｄｃ…列方向、Ｄｒ…行方向、ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３…フローティングディフュージョン、ＲＳＴ１，ＲＳＴ２，ＲＳＴ３…リセットトランジスタ、ＳＥＬ１，ＳＥＬ２，ＳＥＬ３…選択トランジスタ、ＴＲ２，ＴＲ３…転送トランジスタ、ＶＤＤ…電源線、ＶＯＡ，ＶＯＵ…駆動配線、ＶＳＬ，ＶＳＬ１，ＶＳＬ２，ＶＳＬ３…データ出力線。
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】