JPH1079499A - 受光素子およびこれを用いたイメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、複数の波長帯を受光する受光素子
と、その受光素子を複数配列したイメージセンサとに関
し、種々の使用環境や広範囲の波長帯にわたって、良好
な検出性能を得ることを目的とする。 【解決手段】 半導体基板（１１）上に形成され、第１
の波長帯の光を検知する第１の受光部（１５）と、第１
の受光部の上方に空隙Ｓを隔てて支持され、かつ第２の
波長帯の光を検知する第２の受光部（２２）とを備えて
受光素子を構成する。また、第２の受光部は、第１の受
光部と対向する側に、第１の受光部を透過した光の少な
くとも一部を反射する反射膜（２４）を備えて構成す
る。さらに、上記の受光素子を線状もしくは面状に配置
して撮像部を構成し、画像読み出し部を付設してイメー
ジセンサを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の波長帯を受
光する受光素子と、その受光素子を複数配列したイメー
ジセンサとに関する。特に、従来の受光素子およびイメ
ージセンサとの構造上の相違点は、空隙を挟んで、２つ
の受光部を上下に層配置している点である。

【０００２】

【従来の技術】近年、光センサ技術の発展には、めざま
しいものがあり、種々の受光素子が開発されている。

【０００３】例えば、赤外線を検知する受光素子として
は、ボロメータその他の熱型赤外線センサが一般に知ら
れている。このような熱型赤外線センサの一種として、
受光部にショットキーバリアダイオードを形成し、接合
部の温度に応じて変化する逆方向飽和電流を電気的に検
出するショットキーバリアサーミスタが知られている
（特開平５−４００６４号公報）。

【０００４】また、３〜５μｍ帯の赤外線を光電変換に
より検知する受光素子としては、受光部にＰｔＳｉショ
ットキーバリアダイオードを形成したものが知られてい
る（テレビジョン学会誌Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ２，ｐｐ２
１９〜２２４，１９９５）。一方、１μｍ以下の可視光
を検知する受光素子としては、ホトダイオード、ホトト
ランジスタなどが一般に知られている。

【０００５】また、これらの受光素子を線状もしくは面
状に配列して、光像の撮像を行うイメージセンサも知ら
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、１μｍ以下
の可視光を検知する受光素子やイメージセンサは、太陽
光や照明光その他の明るい照明のもとで、対象物からの
光を鮮明に検知することができる。

【０００７】しかしながら、照明光や自発発光のない真
っ暗な環境下においては、可視光用の受光素子は、対象
物を一切検出することができない。また、３〜８μｍ帯
の赤外線を検知する受光素子やイメージセンサは、真っ
暗な環境下においても、常温付近の対象物が放つ赤外線
を検知することができる。しかし、太陽光やヘッドライ
トのような白色光が対象物の近くで照射されると、強い
近赤外線の周辺光が生じるため、常温付近の対象物を鮮
明に検出することが困難になる。

【０００８】さらに、８〜１２μｍ帯の赤外線を検知す
る受光素子やイメージセンサも、真っ暗な環境下におい
て、常温付近の対象物が放つ赤外線を検知することがで
きる。しかし、大気中の雨滴量が多くなると、８〜１２
μｍ帯の赤外線が減衰するため、Ｓ／Ｎが低下して対象
物を鮮明に検出することができない。以上説明したよう
に、従来の受光素子およびイメージセンサは、特定の環
境下において、特定の波長帯の光を検知する用途に適し
ている。

【０００９】しかしながら、これらの受光素子は、上述
したように、使用環境や波長帯が一旦変化すると、充分
な検出性能を得ることができなくなるという問題点があ
った。そのため、種々の使用環境や広範囲の波長帯にわ
たって充分な検出性能を得ることができる受光素子が要
望される。そこで、請求項１に記載の発明では、上述の
問題点を解決するために、種々の使用環境や広範囲の波
長帯にわたって、良好な検出性能を得ることができる受
光素子を提供することを目的とする。

【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１の目
的と併せて、第２の受光部（後述）における受光帯域の
弁別度を高めた受光素子を提供することを目的とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２の目的と併せて、
第１の受光部（後述）の受光効率を高めることができる
受光素子を提供することを目的とする。請求項４に記載
の発明では、請求項３の目的と併せて、第１の受光部の
受光効率を一層高めることができる受光素子を提供する
ことを目的とする。

【００１１】請求項５に記載の発明では、請求項１の目
的と併せて、第１の受光部における受光帯域の弁別度を
高めた受光素子を提供することを目的とする。請求項６
に記載の発明では、請求項５の目的と併せて、第２の受
光部の受光効率を高めることができる受光素子を提供す
ることを目的とする。請求項７に記載の発明では、請求
項６の目的と併せて、第２の受光部の受光効率を一層高
めることができる受光素子を提供することを目的とす
る。

【００１２】請求項８に記載の発明では、請求項１の目
的と併せて、強い近赤外線の周辺光、もしくは大気中の
雨滴の影響にかかわらず、対象物を的確に検出すること
ができる受光素子を提供することを目的とする。請求項
９に記載の発明では、請求項１の目的と併せて、明るい
環境下、または暗い環境下のどちらにおいても、対象物
を的確に検出することができる受光素子を提供すること
を目的とする。

【００１３】請求項１０に記載の発明では、請求項１の
目的と併せて、２つの受光部の検出出力を選択的に取り
出すことができる受光素子を提供することを目的とす
る。請求項１１に記載の発明では、請求項１の目的と併
せて、２つの受光部の検出出力を混合して取り出すこと
ができる受光素子を提供することを目的とする。請求項
１２に記載の発明では、請求項１乃至請求項１２のいず
れか１項に記載の受光素子を用いたイメージセンサを提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、半導体基板上に形成され、第１の波長帯の光を検知
する第１の受光部と、第１の受光部の上方に空隙を隔て
て支持され、かつ第２の波長帯の光を検知する第２の受
光部とを備えて構成する。請求項２に記載の発明は、請
求項１に記載の受光素子において、第１の受光部は、半
導体基板の裏面側から入射される光の内、第１の波長帯
の光を一部もしくは全部吸収して検知し、第２の受光部
は、第１の受光部を透過した光の内、第２の波長帯の光
を検知することを特徴とする。なお、第２の受光部は、
第２の波長帯の光と併せて、第１の受光部を透過した第
１の波長帯の光を吸収してもよい。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の受光素子において、第２の受光部は、第１の受光部と
対向する側に、第１の受光部を透過した光の少なくとも
一部を反射する反射膜を備えて構成する。

【００１６】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の受光素子において、反射膜と第１の受光部との間隔
を、第１の波長帯における波長のｎ／４倍（ｎは奇数）
とする。請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の受
光素子において、第２の受光部は、半導体基板の表面側
から入射される光の内、第２の波長帯の光を一部もしく
は全部吸収して検知し、第１の受光部は、第２の受光部
を透過した光の内、第１の波長帯の光を検知することを
特徴とする。なお、第１の受光部は、第１の波長帯の光
と併せて、第２の受光部を透過した第２の波長帯の光を
吸収してもよい。

【００１７】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の受光素子において、第１の受光部は、第２の受光部と
対向する側に、第２の受光部を透過した光の少なくとも
一部を反射する反射膜を備えて構成する。請求項７に記
載の発明は、請求項６に記載の受光素子において、反射
膜と第２の受光部との間隔を、第２の波長帯における波
長のｎ／４倍（ｎは奇数）とする。

【００１８】請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請
求項７のいずれか１項に記載の受光素子において、第１
の受光部は、８μｍ未満の赤外線を光電変換するショッ
トキーバリアダイオードからなり、第２の受光部は、赤
外線を熱エネルギーに変換して検知する熱型赤外線セン
サであることを特徴とする。請求項９に記載の発明は、
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の受光素子
において、第１の受光部は、可視光を光電変換する光電
変換素子であり、第２の受光部は、赤外線を熱エネルギ
ーに変換して検知する熱型赤外線センサであることを特
徴とする。

【００１９】請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至
請求項９のいずれか１項に記載の受光素子において、半
導体基板上に形成され、出力側に電気的に接続された電
荷読み出し拡散層と、第１の受光部に対し電気的に接続
された拡散層と、電荷読み出し拡散層との間に配置さ
れ、チャネルを制御する第１のトランスファゲートと、
第２の受光部に対し電気的に接続された拡散層と、電荷
読み出し拡散層との間に配置され、チャネルを制御する
第２のトランスファゲートとを備えて構成する。

【００２０】請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至
請求項９のいずれか１項に記載の受光素子において、半
導体基板上に形成され、出力側に電気的に接続された電
荷読み出し拡散層と、第１の受光部と第２の受光部とに
対し電気的に接続され、両方から蓄積される電荷を混合
する電荷混合拡散層と、電荷読み出し拡散層と電荷混合
拡散層との間に配置され、チャネルを制御するトランス
ファゲートとを備えて構成する。

【００２１】請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至
請求項１１のいずれか１項に記載の受光素子を線状もし
くは面状に複数配列してなる撮像部と、複数の受光素子
において検知される画素単位の電荷を、電荷転送方式も
しくはＸＹアドレス方式により逐次読み出す画像読み出
し部とを備えて、イメージセンサを構成する。

【００２２】（作用）請求項１にかかわる受光素子は、
空隙を挟んで、２つの受光部が上下に形成される。

【００２３】一般に、半導体基板に形成される受光部
は、膜厚が薄いため、光を一部透過する。したがって、
一方の受光部を透過した光を、他方の受光部で検知する
ことができる。また、２つの受光部は、検知する光の波
長帯が完全に一致しない。そのため、１つの受光部のみ
を備えた受光素子に比べ、種々の使用環境や広範囲の波
長帯をカバーすることができ、良好な検出性能を得るこ
とができる。

【００２４】さらに、２つの受光部が積層されるので、
２つの受光部を並置する場合に比べ、集積度を格段に高
くすることができる。請求項２にかかわる受光素子で
は、半導体基板の裏面側から入射された光を受光する。

【００２５】まず、裏面側から入射された光は、第１の
受光部に到達する。第１の受光部は、第１の波長帯の光
を電気エネルギー，熱エネルギーなどのエネルギーに変
換して検知する。したがって、第１の波長帯の光は、少
なくとも一部がエネルギー変換されて、第１の受光部に
吸収される。

【００２６】第２の受光部は、第１の受光部を透過した
光を受光する。したがって、第１の受光部は、第２の受
光部に対して、第１の波長帯の光を一部吸収する光フィ
ルタとして機能する。したがって、第２の受光部では、
到達する光がある程度弁別され、受光帯域の弁別度が高
められる。

【００２７】請求項３にかかわる受光素子では、第１の
受光部を透過した光は、第２の受光部の反射膜に到達す
る。反射膜は、少なくとも一部の光を反射して、第１の
受光部側に光を戻す。したがって、第１の受光部におけ
る受光効率が向上する。請求項４にかかわる受光素子で
は、反射膜と第１の受光部との間隔が、第１の波長帯に
おける波長のｎ／４倍（ｎは奇数）に設定される。

【００２８】このように間隔長を設定すると、反射膜と
第１の受光部との間に生じる光学的共振効果により、第
１の受光部は、第１の波長帯の光を効率よく受光するこ
とができる。請求項５にかかわる受光素子では、半導体
基板の表面側から光が入射される。このような光は、ま
ず、第２の受光部に到達する。第２の受光部は、第２の
波長帯の光を電気エネルギー，熱エネルギーなどのエネ
ルギーに変換して検知する。

【００２９】したがって、第２の波長帯の光は、少なく
とも一部がエネルギー変換されて、第２の受光部に吸収
される。第１の受光部は、第２の受光部を透過した光を
受光する。したがって、第２の受光部は、第１の受光部
に対して、第２の波長帯の光を一部吸収する光フィルタ
として機能する。

【００３０】したがって、第１の受光部では、到達する
光がある程度弁別され、受光帯域の弁別度が高められ
る。請求項６にかかわる受光素子では、第２の受光部を
透過した光は、第１の受光部の反射膜に到達する。反射
膜は、少なくとも一部の光を反射して、第２の受光部側
に光を戻す。したがって、第２の受光部における受光効
率が向上する。

【００３１】請求項７にかかわる受光素子では、反射膜
と第２の受光部との間隔が、第２の波長帯における波長
のｎ／４倍（ｎは奇数）に設定される。このように間隔
長を設定すると、反射膜と第２の受光部との間に生じる
光学的共振効果により、第２の受光部は、第２の波長帯
の光を効率よく受光することができる。

【００３２】請求項８にかかわる受光素子は、強い近赤
外線の周辺光、もしくは大気中の雨滴の影響にかかわら
ず、下記のように、対象物を鮮明に検出することができ
る。すなわち、太陽光や白色光などが対象物の近くで照
射されるような環境では、近赤外線の周辺光が強く生じ
る。このような近赤外線の周辺光は、対象物からの光と
共に、半導体基板の裏面側から入射して、まず第１の受
光部に到達する。

【００３３】第１の受光部は、８μｍ未満の赤外線を光
電変換するショットキーバリアダイオード（例えば、Ｐ
ｔＳｉショットキーバリアダイオード）から構成され
る。このような第１の受光部は、近赤外線（波長８μｍ
未満）の周辺光を専ら光電変換して吸収する。一方、常
温付近の対象物から生じた遠赤外線（波長８μｍ以上）
の光は、光エネルギーが小さいため、励起された電子は
ショットキーバリアを超えることができず、第１の受光
部をそのまま透過する。

【００３４】そのため、第２の受光部は、常温付近の対
象物から生じた遠赤外線（波長８μｍ以上）の光を中心
的に受光する。したがって、第２の受光部は、近赤外線
の周辺光の影響を強く受けず、対象物からの遠赤外線を
鮮明に検知することができる。一方、大気中の雨滴量が
増すと、大気中を透過する赤外線は減衰する。例えば、
大気１ｋｍ当たりの等化水分厚さを２００ｍｍとする
と、赤外線の透過率は、下表に示すようになる（久野治
義、「赤外線工学」（１９９４）ｐ．５８−６１）。

【００３５】 上記データに示されるように、第１の受光部により検知
される４μｍ近辺の波長帯は、雨や霧の状況下におい
て、大気中の透過率が特に高い。

【００３６】したがって、大気中の雨滴の影響にかかわ
らず、第１の受光部は、常温付近の対象物から発せられ
る波長４μｍ近辺の赤外線を高いＳ／Ｎで検知すること
ができる。請求項９にかかわる受光素子では、明るい環
境下、または暗い環境下のどちらにおいても、下記のよ
うに、対象物を的確に検出することができる。

【００３７】すなわち、明るい環境下では、可視光と赤
外線とが、まず第２の受光部に到達する。第２の受光部
は、熱型赤外線センサから構成されるので、赤外線を熱
エネルギーに変換して吸収する。

【００３８】このように第２の受光部は、赤外線カット
フィルタとして機能し、第１の受光部に到達する赤外線
を低減する。そのため、第１の受光部である光電変換素
子は、対象物から投射された可視光を中心に受光し、対
象物を鮮明に検出することができる。一方、暗い環境下
では、第２の受光部が、常温付近の対象物から発した赤
外線を検知し、対象物を的確に検出することができる。

【００３９】請求項１０にかかわる受光素子では、第１
のトランスファゲートを介してチャネルを開くと、第１
の受光部と電荷読み出し拡散層とが電気的に導通する。
この状態では、第１の受光部の出力を電荷読み出し拡散
層から読み出すことができる。また、第２のトランスフ
ァゲートを介してチャネルを開くと、第２の受光部と電
荷読み出し拡散層とが電気的に導通する。この状態で
は、第２の受光部の出力を電荷読み出し拡散層から読み
出すことができる。

【００４０】さらに、第１および第２のトランスファゲ
ートを介して両方のチャネルを開くと、第１および第２
の受光部と電荷読み出し拡散層が電気的に導通する。こ
の状態では、第１および第２の受光部の出力を電荷読み
出し拡散層で混合して読み出すことができる。請求項１
１にかかわる受光素子では、第１および第２の受光部か
ら蓄積される電荷が、電荷混合拡散層において混合され
る。

【００４１】トランスファゲートを介してチャネルを開
くと、電荷混合拡散層の電荷が電荷読み出し拡散層から
読み出される。請求項１２にかかわるイメージセンサで
は、撮像部の輝度分布に従って、各受光素子は、画素単
位の電荷を蓄積する。画像読み出し部は、これらの画素
単位の電荷を電荷転送方式もしくはＸＹアドレス方式に
より逐次読み出し、画像信号として出力する。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明にお
ける実施の形態を説明する。 （第１の実施形態）図１は、第１の実施形態（請求項１
〜４，８，１０，１２に対応）であるイメージセンサの
受光セルを示す図である。

【００４３】図１において、Ｐ型シリコンからなる半導
体基板１１の裏面側には、３〜５μｍ帯および８〜１２
μｍ帯の赤外線の透過率を高めるための反射防止膜１２
が形成され、表面側には、イメージセンサを受光セル１
０ごとに区切るためのＰ⁺ 分離層１３がパターン形成さ
れる。このＰ⁺ 分離層１３の区画内には、Ｎ拡散層であ
るガードリング１４がリング状に形成され、そのリング
内には、ＰｔＳｉショットキーバリアダイオード（以
下、「ＰｔＳｉ−ＳＢＤ」という）１５が形成される。

【００４４】このガードリング１４に隣接してトランス
ファゲート１６ａが配置され、このトランスファゲート
１６ａには、受光帯域の選択を行うための電極Ｘ１が電
気的に接続される。なお、ガードリング１４とトランス
ファゲート１６ａとの隣接部分には、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ
１５とガードリング１４との間のコンタクト抵抗を下げ
るためのＮ⁺ 拡散層１４ａが埋め込まれる。

【００４５】また、トランスファゲート１６ａの他側に
は、Ｎ⁺ 拡散層からなる電荷読み出し拡散層１７が配置
され、電荷読み出し拡散層１７には、電荷読み出し用の
電極Ｙが電気的に接続される。電荷読み出し拡散層１７
の他側には、トランスファゲート１６ｂおよび拡散層１
８が順に配置され、トランスファゲート１６ｂには、受
光帯域の選択を行うための電極Ｘ２が電気的に接続され
る。

【００４６】一方、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５の上方には、
空隙Ｓを挟んで架橋構造２０が形成される。この架橋構
造２０は、窒化シリコン膜などからなる橋状の支持体
（図示せず）により支持される。

【００４７】この支持体の上には、熱型赤外線センサで
あるショットキーバリアサーミスタ２２と、熱吸収膜２
３とが層状に形成される。ショットキーバリアサーミス
タ２２の一方の端子は、支持体の橋脚部２１上の配線を
介して、逆バイアスを印加するバイアス電源２５に接続
される。また、他方の端子は、支持体の橋脚部２１上の
配線を介して、拡散層１８に接続される。

【００４８】ショットキーバリアサーミスタ２２の裏側
には、金属薄膜からなる反射膜２４が形成される。この
反射膜２４とＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５との間隔は、３／４
〜５／４μｍ程度に設定される。ここで、このような架
橋構造２０は、例えば、次のように形成される。まず、
ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５の上に犠牲層を形成し、この犠牲
層の上に架橋構造２０を逐次形成する。最後に犠牲層を
除去することにより、架橋構造２０を半導体基板１１上
から浮かす。

【００４９】図２は、Ｘ−Ｙアドレス方式のイメージセ
ンサの構成を示す図である。図２において、撮像部３１
には、上述した受光セル１０（図１）が面状に複数配列
される。垂直方向に並んだ受光セル１０の電極Ｘ１，Ｘ
２は、水平走査信号発生部３２の端子ごとに一括接続さ
れ、水平走査信号発生部３２は、受光帯域選択部３３に
接続される。

【００５０】一方、水平方向に並んだ受光セル１０の電
極Ｙは、出力スイッチ群３５のドレイン端子ごとに一括
接続される。出力スイッチ群３５のゲート端子は、垂直
走査信号発生部３４の各端子に接続され、出力スイッチ
群３５のソース端子は一括接続されて画像信号の出力端
子となる。なお、請求項１，２に記載の発明と第１の実
施形態との対応関係については、第１の受光部はＰｔＳ
ｉ−ＳＢＤ１５に対応し、第２の受光部はショットキー
バリアサーミスタ２２に対応する。

【００５１】請求項３，４に記載の発明と第１の実施形
態との対応関係については、反射膜は反射膜２４に対応
する。請求項８に記載の発明と第１の実施形態との対応
関係については、ショットキーバリアダイオードはＰｔ
Ｓｉ−ＳＢＤ１５に対応し、熱型赤外線センサはショッ
トキーバリアサーミスタ２２に対応する。

【００５２】請求項１０に記載の発明と第１の実施形態
との対応関係については、電荷読み出し拡散層は電荷読
み出し拡散層１７に対応し、第１のトランスファゲート
はトランスファゲート１６ａに対応し、第２のトランス
ファゲートはトランスファゲート１６ｂに対応する。請
求項１２に記載の発明と第１の実施形態との対応関係に
ついては、撮像部は撮像部３１に対応し、画像読み出し
部は水平走査信号発生部３２，垂直走査信号発生部３
４，出力スイッチ群３５に対応する。

【００５３】図３は、第１の実施形態の動作を説明する
分解斜視図である。以下、これらの図を用いて、第１の
実施形態の動作を説明する。まず、半導体基板１１の裏
面側に光が照射されると、反射防止膜１２を透過して、
ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５に光が到達する。ＰｔＳｉ−ＳＢ
Ｄ１５は、３〜５μｍ帯の赤外線（図１中のＡ）を吸収
して光電変換を行う。しかし、ＰｔＳｉ膜の厚さは５０
Å以下と非常に薄いので、３〜５μｍ帯の赤外線の一部
（図１中のＢ）は、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５に吸収されず
に透過して極薄の反射膜２４に反射され、ＰｔＳｉ−Ｓ
ＢＤ１５に再び導かれる。

【００５４】ここで、反射膜２４とＰｔＳｉ−ＳＢＤ１
５との間隔ｄが、３／４〜５／４μｍ程度に設定される
ので、光学的共振効果により３〜５μｍ帯の赤外線がＰ
ｔＳｉ−ＳＢＤ１５に効率よく吸収される。なお、Ｐｔ
Ｓｉ−ＳＢＤ１５の周縁に配置されたガードリング１４
は、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５のエッジ部における電界集中
を緩和するとともに、光電変換により発生した電荷を蓄
積する。

【００５５】一方、半導体基板１１の裏面側から入射さ
れた８〜１２μｍ帯の赤外線（図１中のＣ）は、ＰｔＳ
ｉ−ＳＢＤ１５で吸収されずに、熱吸収膜２３に主とし
て吸収され、熱エネルギーに変換される。ここで、架橋
構造２０をとるので、熱吸収膜２３と半導体基板１１と
は効果的に断熱される。したがって、架橋構造２０の熱
容量は小さく、微弱な赤外線に対しても敏感な温度変化
を生じる。

【００５６】このような温度変化により、ショットキー
バリアサーミスタ２２の逆飽和電流の値が変化し、拡散
層１８に蓄積される電荷量が変化する。この状態で、電
極Ｘ１，Ｘ２のいずれかに電圧を印加すると、ＰｔＳｉ
−ＳＢＤ１５もしくはショットキーバリアサーミスタ２
２のいずれか一方の信号電荷を電極Ｙ側に読み出すこと
ができる。

【００５７】また、電極Ｘ１，Ｘ２の両方に電圧を印加
すると、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５およびショットキーバリ
アサーミスタ２２の両方の信号電荷を混合して電極Ｙ側
から読み出すこともできる。実際には、図２に示したよ
うに、水平走査信号発生部３２および垂直走査信号発生
部３４を介して、走査パルスが順次与えられる。このよ
うな走査パルスの印加により、Ｘ−Ｙアドレス方式によ
る信号電荷の読み出しが行われる。

【００５８】以上説明した動作により、第１の実施形態
では、２種類の受光部を備えるので、種々の使用環境や
広範囲の波長帯を確実にカバーして、良好な検出性能を
得ることができる。すなわち、太陽光や白色光などによ
り近赤外線（８μｍ未満）の周辺光が強く生じるような
場合、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５は、これらの周辺光を吸収
する。したがって、ショットキーバリアサーミスタ２２
は、周辺光に妨害されることなく、常温付近の対象物か
ら生じた遠赤外線（波長８μｍ以上）の光を鮮明に検知
することができる。

【００５９】一方、大気中の雨滴量が増すと、８〜１２
μｍ程度の遠赤外線は大きく減衰する。しかし、４μｍ
近辺の近赤外線はそれほど減衰せず、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ
１５に到達する。したがって、大気中の雨滴の影響にか
かわらず、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５は、常温付近の対象物
から発せられる波長４μｍ近辺の赤外線を高Ｓ／Ｎで検
知することができる。

【００６０】また、２つの撮像面が重複して配置される
ので、撮像面ごとに結像光学系を並置する必要がなく、
装置全体の小型化を実現することができる。さらに、上
下２層に受光部が積層されるので、同一面内に２つの受
光部を配置する場合に比べ、受光セル１０の集積度を格
段に高めることができる。したがって、空間解像度が優
れたイメージセンサを実現することができる。

【００６１】また、反射膜２４とＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５
との間隔が、３／４〜５／４μｍに設定されるので、光
学的共振効果により、ＰｔＳｉ−ＳＢＤ１５は、３〜５
μｍ帯の赤外線を効率的に受光することができる。さら
に、電極Ｘ１，Ｘ２の電圧操作を行うことにより、２つ
の受光部の出力を適宜に読み出すことができる。

【００６２】次に、別の実施形態について説明する。 （第２の実施形態）図４は、第２の実施形態（請求項
１，５〜７，９，１０，１２に対応）であるイメージセ
ンサの受光セルを示す図である。第２の実施形態におけ
る構造上の特徴点は、（１）ガードリング１４およびＰ
ｔＳｉ−ＳＢＤ１５の代わりに、ホトダイオード４４を
配置し、（２）反射防止膜１２の代わりに、光吸収膜４
２を配置し、（３）反射膜２４の代わりに、ホトダイオ
ード４４の上面に反射膜４５を配置して、反射膜４５と
熱吸収膜２３との間隔を８／４〜１２／４μｍに設定し
た点である。

【００６３】また、図１に示す構成要件と同じ構成要件
については、同一の参照番号を付与して図４に示し、こ
こでの重複説明を省略する。なお、請求項１，２に記載
の発明と第２の実施形態との対応関係については、第１
の受光部はホトダイオード４４に対応し、第２の受光部
はショットキーバリアサーミスタ２２に対応する。

【００６４】請求項６，７に記載の発明と第２の実施形
態との対応関係については、反射膜は反射膜４５に対応
する。請求項９に記載の発明と第２の実施形態との対応
関係については、光電変換素子はホトダイオード４４に
対応し、熱型赤外線センサはショットキーバリアサーミ
スタ２２に対応する。

【００６５】請求項１０に記載の発明と第２の実施形態
との対応関係については、電荷読み出し拡散層は電荷読
み出し拡散層１７に対応し、第１のトランスファゲート
はトランスファゲート１６ａに対応し、第２のトランス
ファゲートはトランスファゲート１６ｂに対応する。以
下、第２の実施形態の動作を説明する。

【００６６】まず、半導体基板１１の表面側から光が照
射されると、８〜１２μｍ帯の赤外線（図４中のＡ）は
熱吸収膜２３に到達して、熱エネルギーに変換される。
しかし、ショットキーバリアサーミスタ２２などの厚さ
は１０００Å程度と非常に薄いので、８〜１２μｍ帯の
赤外線の一部（図４中のＢ）は、そのまま透過して反射
膜４５に反射され、熱吸収膜２３に再び導かれる。

【００６７】ここで、熱吸収膜２３と反射膜４５との間
隔ｄが、８／４〜１２／４μｍ程度に設定されるので、
光学的共振効果により８〜１２μｍ帯の赤外線が熱吸収
膜２３に効率よく吸収される。

【００６８】熱吸収膜２３の温度変化により、ショット
キーバリアサーミスタ２２の逆飽和電流の値が変化し、
拡散層１８に蓄積される電荷量が変化する。一方、半導
体基板１１の表面側から入射された可視光の大部分（図
４中のＣ）は、熱吸収膜２３および反射膜４５を透過し
て、ホトダイオード４４に到達する。ホトダイオード４
４は可視光を光電変換して電荷を蓄積する。

【００６９】なお、ホトダイオード４４を透過した光
は、光吸収膜４２に吸収されるため、迷光の発生は防止
され、画質が劣化する心配はない。この状態で、電極Ｘ
１，Ｘ２に電圧を適宜に印加することにより、２つの受
光部の信号電荷を電極Ｙ側に読み出すことができる。以
上説明した動作により、第２の実施形態では、２種類の
受光部を備えるので、種々の使用環境や広範囲の波長帯
をカバーし、良好な検出性能を得ることができる。

【００７０】すなわち、明るい環境では、熱吸収膜２３
が赤外線カットフィルタとして機能し、ホトダイオード
４４に到達する赤外線を低減する。そのため、第１の受
光部は、赤外線に妨害されず、対象物を鮮明に撮像する
ことができる。一方、暗い環境下では、ショットキーバ
リアサーミスタ２２が、常温付近の対象物から発した赤
外線を検知し、対象物を鮮明に撮像することができる。

【００７１】また、２つの撮像面が重複して配置される
ので、撮像面ごとに結像光学系を並置する必要がなく、
装置全体の小型化を実現することができる。さらに、上
下２層に受光部が積層されるので、同一面内に２つの受
光部を配置する場合に比べ、受光セル１０の集積度を格
段に高めることができる。したがって、空間解像度が優
れたイメージセンサを実現することができる。

【００７２】また、反射膜４５と熱吸収膜２３との間隔
が、８／４〜１２／４μｍに設定されるので、光学的共
振効果により、熱吸収膜２３は、８〜１２μｍ帯の赤外
線を効率的に受光することができる。なお、上述した実
施形態では、２つの受光部から信号電荷を選択的に読み
出す場合について説明したが、その構成に限定されるも
のではない。例えば、図５に示すように、電荷混合拡散
層５４ａにおいて２つの受光部からの信号電荷を予め混
合し、混合後の信号電荷を読み出してもよい。このよう
な構成では、受光帯域の広いイメージセンサを簡易に実
現することができる。

【００７３】また、上述した実施形態では、Ｘ−Ｙアド
レス方式により画素単位の信号電荷を読み出している
が、その構成に限定されるものではない。例えば、電荷
読み出し拡散層１７に転送電極を設けてＣＣＤを構成し
てもよい。このような構成では、電荷転送方式により信
号電荷を読み出すことができる。さらに、上述した実施
形態では、熱型赤外線センサとしてショットキーバリア
サーミスタ２２を採用しているが、その構成に限定され
るものではない。例えば、ＰＮ接合ダイオード，ボロメ
ータ，焦電型センサ，熱電対その他の熱型赤外線センサ
を使用してもよい。

【００７４】また、第１の実施形態では、ＰｔＳｉ−Ｓ
ＢＤ１５を第１の受光部として採用しているが、その構
成に限定されるものではない。例えば、その他の金属，
金属シリサイドと組み合わせたショットキーバリアダイ
オードなどを採用してもよい。このように接合部の組み
合わせを換えることにより、波長８μｍ程度の赤外光を
検出することが可能となる。

【００７５】さらに、上述した実施形態では、第１の受
光部を光電変換素子により構成しているが、その構成に
限定されるものではない。例えば、熱型赤外線センサに
より構成してもよい。なお、この構成では、第１の受光
部と半導体基板とを熱的に遮断するために、第１の受光
部の下の基板に空隙を設けるなどの断熱構造をとること
が特に好ましい。このように、第１および第２の受光部
を熱型赤外線センサとすることにより、光電変換型の赤
外線センサに必要な冷却装置を一切不要とすることがで
きる。

【００７６】また、上述した実施形態では、断熱構造を
形成するために、空隙を設けているが、例えば、断熱性
に優れた光透過材を、空隙部分の一部もしくは全部に配
してもよい（これは、本発明に光透過材を構成要件とし
て付加したものである）。このような構成により、断熱
構造の機械的強度を高める効果がある。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
受光素子は、２種類の受光部を備えるので、種々の使用
環境や広範囲の波長帯を確実にカバーし、良好な検出性
能を得ることができる。したがって、環境の変化によっ
ては、対象物の存在すら検出できなくなるという従来の
問題点が解決される。

【００７８】また、第２の受光部は、半導体基板の上方
に空隙を隔てて配置されるので、断熱性が高く、熱容量
が小さくなる。したがって、赤外線による温度変化率が
高くなり、微弱な赤外線を高感度に検知することができ
る。さらに、２つの受光部が上下に積層されるので、２
つの受光部を同一面内に並置する場合に比べ、半導体素
子の集積度を高くすることができる。

【００７９】一般に、２つの受光部を並置する場合に
は、受光部ごとに集光光学系を配置したり、光路を分岐
するための専用プリズムなどを別途配置する必要があっ
た。しかし、請求項１の受光素子は、受光部が上下に積
層されるので、一つの光学系を備えればよく、光学系の
占める実装スペースを格段に小型化することができる。

【００８０】請求項２に記載の受光素子では、第１の受
光部が、第１の波長帯の光を吸収する光フィルタとして
機能するので、第２の受光部に到達する光を予め弁別
し、第２の受光部における受光帯域の弁別度を高めるこ
とができる。請求項３に記載の受光素子では、反射膜
が、第１の受光部側に光を戻すので、第１の受光部にお
ける受光効率を高めることができる。

【００８１】請求項４に記載の受光素子では、反射膜と
第１の受光部との間隔が、第１の波長帯における波長の
ｎ／４倍（ｎは奇数）に設定されるので、光学的共振効
果により、第１の受光部は、第１の波長帯の光を効率よ
く受光することができる。請求項５に記載の受光素子で
は、第２の受光部は、第２の波長帯の光を吸収する光フ
ィルタとして機能するので、第１の受光部に到達する光
を弁別し、第１の受光部における受光帯域の弁別度を高
めることができる。

【００８２】請求項６に記載の受光素子では、反射膜
が、第２の受光部側に光を戻すので、第２の受光部にお
ける受光効率を高めることができる。請求項７に記載の
受光素子では、反射膜と第２の受光部との間隔が、第２
の波長帯における波長のｎ／４倍（ｎは奇数）に設定さ
れるので、光学的共振効果により、第２の受光部は、第
２の波長帯の光を効率よく受光することができる。

【００８３】請求項８に記載の受光素子では、第１の受
光部が、太陽光などに含まれる近赤外線の周辺光（波長
８μｍ未満）を吸収するので、第２の受光部は、周辺光
に妨害されることなく、常温付近の対象物から生じた遠
赤外線（波長８μｍ以上）の光を鮮明に検知することが
可能となる。一方、大気中の雨滴量が増すと、８〜１２
μｍ程度の遠赤外線は減衰する。しかし、４μｍ近辺の
近赤外線は減衰せず、第１の受光部に強く到達する。し
たがって、大気中の雨滴の影響にかかわらず、第１の受
光部は、常温付近の対象物から発せられる波長４μｍ近
辺の赤外線を高Ｓ／Ｎで検知することができる。

【００８４】したがって、上述した悪環境のどちらにお
いても、対象物からの赤外線を鮮明に検知することがで
きる。請求項９に記載の受光素子では、明るい環境下に
おいて、第２の受光部が赤外線カットフィルタとして機
能し、第１の受光部に到達する赤外線を低減する。その
ため、光電変換素子からなる第１の受光部は、赤外線に
妨害されず、対象物からの可視光を鮮明に検知すること
ができる。

【００８５】一方、暗い環境下では、第２の受光部が、
常温付近の対象物から発した赤外線を検知し、対象物を
的確に検出することができる。したがって、周囲の明る
さなどにかかわらず、対象物からの光を的確に検知する
ことができる。請求項１０に記載の受光素子では、第１
および第２のトランスファゲートを操作することによ
り、第１の受光部の出力と、第２の受光部の出力とを選
択的に読み出すことができる。

【００８６】したがって、使用環境や対象物に適応した
受光部を容易に選択することができる。請求項１１に記
載の受光素子では、トランスファゲートを操作すること
により、第１の受光部の出力と、第２の受光部の出力と
を混合して読み出すことができる。したがって、異なる
受光部を適宜に組み合わせて受光素子を構成することに
より、受光帯域が広い受光素子を簡便に実現することが
できる。

【００８７】請求項１２に記載のイメージセンサでは、
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の受光素
子を複数配列して、撮像部を構成する。したがって、２
つの波長帯について、光像を撮像することができるの
で、種々の使用環境や広範囲の波長帯を確実にカバーし
て、良好な撮像性能を得ることができる。

【００８８】また、２種類の受光部が縦方向に積層され
るので、２種類の受光部を同一面内に並置する場合に比
べ、受光セルの集積度を格段に高めることができる。し
たがって、空間解像度が優れたイメージセンサを実現す
ることができる。一般に、２つの撮像面を並置する場合
には、撮像面ごとに結像光学系を配置したり、光路を分
岐するための専用プリズムなどを別途配置する必要があ
った。しかし、請求項１２のイメージセンサは、撮像面
が上下に積層されるので、一つの結像光学系を備えれば
よく、光学系の占める実装スペースを格段に小型化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態（請求項１〜４，８，１０，１
２に対応）であるイメージセンサの受光セルを示す図で
ある。

【図２】Ｘ−Ｙアドレス方式のイメージセンサの構成を
示す図である。

【図３】第１の実施形態の動作を説明する分解斜視図で
ある。

【図４】第２の実施形態（請求項１，５〜７，９，１
０，１２に対応）であるイメージセンサの受光セルを示
す図である。

【図５】請求項１１に対応する受光セルを示す図であ
る。

【符号の説明】

１０ 受光セル １１ 半導体基板 １２ 反射防止膜 １３ Ｐ⁺ 分離層 １４ ガードリング １４ａ Ｎ⁺ 拡散層 １５ ＰｔＳｉ−ＳＢＤ １６ａ トランスファゲート １６ｂ トランスファゲート １７ 電荷読み出し拡散層 １８ 拡散層 ２０ 架橋構造 ２１ 橋脚部 ２２ ショットキーバリアサーミスタ ２３ 熱吸収膜 ２４ 反射膜 ２５ バイアス電源 ３１ 撮像部 ３２ 水平走査信号発生部 ３３ 受光帯域選択部 ３４ 垂直走査信号発生部 ３５ 出力スイッチ群 ４２ 光吸収膜 ４４ ホトダイオード ４５ 反射膜

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成され、第１の波長帯
   の光を検知する第１の受光部と、 第２の波長帯の光を検知する第２の受光部とを備え、 前記第２の受光部は、前記第１の受光部の上方に空隙を
   隔てて支持されることを特徴とする受光素子。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の受光素子において、 前記第１の受光部は、 前記半導体基板の裏面側から入射される光の内、前記第
   １の波長帯の光を一部もしくは全部吸収して検知し、 前記第２の受光部は、 前記第１の受光部を透過した光の内、前記第２の波長帯
   の光を検知することを特徴とする受光素子。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の受光素子において、 前記第２の受光部は、 前記第１の受光部と対向する側に、前記第１の受光部を
   透過した光の少なくとも一部を反射する反射膜を備えた
   ことを特徴とする受光素子。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の受光素子において、 前記反射膜と前記第１の受光部との間隔は、 前記第１の波長帯における波長のｎ／４倍（ｎは奇数）
   であることを特徴とする受光素子。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の受光素子において、 前記第２の受光部は、 前記半導体基板の表面側から入射される光の内、前記第
   ２の波長帯の光を一部もしくは全部吸収して検知し、 前記第１の受光部は、 前記第２の受光部を透過した光の内、前記第１の波長帯
   の光を検知することを特徴とする受光素子。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の受光素子において、 前記第１の受光部は、 前記第２の受光部と対向する側に、前記第２の受光部を
   透過した光の少なくとも一部を反射する反射膜を備えた
   ことを特徴とする受光素子。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の受光素子において、 前記反射膜と前記第２の受光部との間隔は、 前記第２の波長帯における波長のｎ／４倍（ｎは奇数）
   であることを特徴とする受光素子。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に
   記載の受光素子において、 前記第１の受光部は、 波長８μｍ未満の赤外光を光電変換するショットキーバ
   リアダイオードからなり、 前記第２の受光部は、 赤外光を熱エネルギーに変換して検知する熱型赤外線セ
   ンサであることを特徴とする受光素子。
9. 【請求項９】 請求項５乃至請求項７のいずれか１項に
   記載の受光素子において、 前記第１の受光部は、 可視光を光電変換する光電変換素子であり、 前記第２の受光部は、 赤外光を熱エネルギーに変換して検知する熱型赤外線セ
   ンサであることを特徴とする受光素子。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項９のいずれか１項
    に記載の受光素子において、 前記半導体基板上に形成され、出力側に電気的に接続さ
    れた電荷読み出し拡散層と、 前記第１の受光部に対し電気的に接続された拡散層と、
    前記電荷読み出し拡散層との間に配置され、チャネルを
    制御する第１のトランスファゲートと、 前記第２の受光部に対し電気的に接続された拡散層と、
    前記電荷読み出し拡散層との間に配置され、チャネルを
    制御する第２のトランスファゲートとを備えたことを特
    徴とする受光素子。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項９のいずれか１項
    に記載の受光素子において、 前記半導体基板上に形成され、出力側に電気的に接続さ
    れた電荷読み出し拡散層と、 前記第１の受光部と前記第２の受光部とに対し電気的に
    接続され、両方から蓄積される電荷を混合する電荷混合
    拡散層と、 前記電荷読み出し拡散層と前記電荷混合拡散層との間に
    配置され、チャネルを制御するトランスファゲートとを
    備えたことを特徴とする受光素子。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１のいずれか１
    項に記載の受光素子を線状もしくは面状に複数配列して
    なる撮像部と、 前記複数の受光素子において検知される画素単位の電荷
    を、電荷転送方式もしくはＸＹアドレス方式により逐次
    読み出す画像読み出し部とを備えたことを特徴とするイ
    メージセンサ。