WO2004113854A1 - 入射光の測定方法及びそれを用いた分光機構を有するセンサー - Google Patents

入射光の測定方法及びそれを用いた分光機構を有するセンサー Download PDF

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electrons
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Kazuaki Sawada
Makoto Ishida
Yuki Maruyama
Hideki Muto
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    • H10F39/80—Constructional details of image sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring incident light and a spectroscopic sensor using the same, and more particularly, to a method for measuring incident light for detecting the wavelength and intensity of light entering a semiconductor device and a sensor having a spectroscopic function using the same. It is about one. Background art
  • Image sensors used in single-panel video cameras mount red, green, and blue filters on each photodetector (eg, photodiode) to obtain a blank image.
  • photodetector eg, photodiode
  • an optical prism is used to divide incident light into three lights, red, green, and blue, and each light is detected by three image sensors.
  • spectroscopy is performed using a grating or the like, and the intensity distribution of each light is measured using a power meter or the like. The measurement was being performed.
  • the configuration of the device becomes large because a grating or the like is used.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for measuring incident light using a simple semiconductor structure and a sensor having a spectroscopic function using the same, provided with a single electron capturing unit corresponding to incident light.
  • the purpose is to do.
  • an electrode film that transmits the incident light and to which a gate voltage is applied and a diffusion layer that captures electrons generated by the incident light via an insulating film below the electrode film are provided.
  • the incident light can be measured. Is characterized by measuring the wavelength and intensity.
  • a semiconductor substrate In the spectroscopic sensor, a semiconductor substrate, a first diffusion layer formed on the semiconductor substrate, a second diffusion layer formed on a portion of the first diffusion layer, and the first diffusion layer An electrode film formed thereon via an insulating film, through which incident light is transmitted, and to which a gate voltage is applied, wherein the gate voltage is changed to generate the first diffusion layer by the incident light.
  • the first diffusion layer includes a p-type diffusion layer
  • the second diffusion layer includes an n + diffusion layer
  • the semiconductor substrate includes an n-type semiconductor substrate.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a partial cross section of a spectroscopic sensor 1 for measuring incident light according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram of the spectroscopic sensor when V g is ⁇ 1 V.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram of the spectral sensor 1 when V g is 0 V.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram of the spectral sensor 1 when V g is 1 V.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram of the spectral sensor 1 when V g is 2 V.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram of the spectral sensor 1 when V g is 3 V. .
  • FIG. 7 is a characteristic diagram of the spectroscopic sensor when V g is 4 V.
  • FIG. 8 is a characteristic diagram of the spectral sensor 1 when V g is 5 V.
  • FIG. 9 shows the depth of the p-type diffusion layer when the applied voltage to the substrate is 5 V and Vg is 0 V (corresponding to FIG. 3), which indicates the embodiment of the present invention, is 10 m (Z coordinate).
  • FIG. 7 is a characteristic diagram of the spectroscopic sensor 1 when (full scale) is set.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the present invention in which the applied voltage to the substrate is 10 V and Vg is 0 V.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram of the spectral sensor when the depth of the p-type diffusion layer is set to 10 ⁇ m (Z coordinate full scale).
  • FIG. 11 is a plan view of a single spectral sensor of the present invention.
  • FIG. 12 is an overall plan view of a spectroscopic sensor (4 ⁇ 4) of the present invention.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a color-filled colorless image sensor system showing an application example of the present invention.
  • the present invention focuses on the fact that if the depth (position) at which electrons generated by light can be collected and their current can be measured, the wavelength information of the incident light can be determined by the following method ( Of course, holes generated simultaneously with electrons may be stored). For example, suppose that light of two wavelengths ( ⁇ 1 and L 2) is incident simultaneously with intensity and A 2 . When the current generated by the electrons generated from the surface to the distance of the electron capture position Wi was measured, the current was I ,.
  • I 2 Measured current value when the electron capture position is W 2 [A]
  • c is the speed of light
  • S is the area of the light receiving part
  • h is the energy of light
  • q is the electron volt
  • all are known values except for the incident light intensities A i and A 2.
  • the incident light when the incident light is separated into three wavelengths, the current I 3 in the case of the electron capturing position W 3 in Equation (1) increases. After that, by performing calculations in the same way as for two wavelengths, the incoming light can be separated into three wavelengths.
  • Equation (1) expresses these equations separately for each wavelength.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a partial cross section of a spectroscopic sensor for measuring incident light according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is an n-type silicon substrate (n-type substrate)
  • 2 is a p-type diffusion layer formed in the n-type silicon substrate 1 (p-type layer (p-type we 1 1))
  • 3 is a p-type diffusion N + diffusion layer formed at the site of layer 2
  • 4 is a silicon oxide (Sio 2 ) film formed on p-type diffusion layer 2
  • 5 is connected to n + diffusion layer 3
  • 6 is an electrode connected to the p-type diffusion layer 2 and grounded
  • 7 is a polycrystalline silicon film (P) formed on the silicon oxide film 4 and doped with impurities.
  • 0 1 y—S i) and 8 are gate electrodes connected to the polycrystalline silicon film 7, and the polycrystalline silicon film 7 functions as an electrode that can transmit light through the silicon oxide film 4.
  • a p-type diffusion layer 2 is provided on an n-type silicon substrate 1 and a silicon oxide
  • the structure is such that a polycrystalline silicon film (poly-Si) 7 to which an impurity is added as an electrode capable of transmitting light through the film 4 is arranged.
  • an n + diffusion layer 3 is arranged to extract the captured electrons to the outside.
  • the p-type diffusion layer 2 and the n-type silicon substrate 1 are provided with contacts for taking out wiring in order to keep their potentials constant.
  • FIG. 2 to 8 are characteristic diagrams of the spectroscopic sensor shown in FIG. 1, FIG. 2 shows a case where Vg is one IV, FIG. 3 shows a case where Vg is 0 V, and FIG. 5 Vg is 2 V, Fig. 6 is Vg is 3 V, Fig. 7 is Vg is 4 V, Fig. 8 is Vg is 5 V Respectively.
  • Vg indicates a gate voltage (potential of the gate electrode 8).
  • 0.0 on the Z coordinate axis indicates the surface of the p-type diffusion layer
  • the solid line indicates the depth (capture position) W from the surface of the p-type diffusion layer that captures electrons
  • B indicates the p-pell portion
  • C indicates a pn junction with the substrate (shown in FIG.
  • the concentration of each impurity is as follows: p-type diffusion layer 2 has 2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 (junction depth 5 um), n-type silicon substrate 1 has 1.5 ⁇ 10 14 cm_ 3 , silicon oxide When the thickness of the oxide film 4 is 65 nm, the potential of the gate electrode 8 is changed from -1 V to 5 V (FIGS. 2 to 8) (applied voltage of 5 V to the n-type silicon substrate 1). ), The depth W at which electrons are captured from the surface of the P-type diffusion layer 2 varies from to 2.3 m.
  • FIG. 9 shows the embodiment of the present invention in which the depth of the p-type diffusion layer is 1 O wm (Z coordinate full) when the applied voltage to the substrate is 5 V and V g is 0 V (corresponding to FIG. 3).
  • FIG. 10 is a characteristic diagram of the spectroscopic sensor 1 in the case where the scale is set as FIG. 10.
  • FIG. 10 shows the depth of the p-type diffusion layer when the applied voltage to the substrate is 10 V and Vg is 0 V according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram of the spectroscopic sensor in the case of (a). In these figures,
  • Fig. 11 and Fig. 12 show the actual structures (photos) of this structure.
  • FIG. 11 shows a plan view of the single spectral sensor
  • FIG. 12 shows a plan view of the entire spectral sensor (4 ⁇ 4).
  • Table 1 shows the results of measurements using two types of light emitting diodes (blue and red) whose wavelengths are actually known in the device actually manufactured according to the present invention.
  • a gate voltage of, for example, 1 V is applied to the polycrystalline silicon film 7 to which an impurity to which a gate voltage is applied while transmitting incident light is applied, and a current flowing at that time is read.
  • a mechanical device such as a grating is conventionally required to decompose the wavelength of light.
  • the wavelength of the incident light can be plotted with a resolution of 100. It is now possible to divide light into wavelengths, and no grating is required.
  • the present invention has the following applications.
  • FIG. 13 is a block diagram of a color image sensor system without a color filter showing an application example of the present invention.
  • 11 is a spectroscopic sensor array
  • 12 is a vertical selector (V. Scanner)
  • 13 is a sound canceling circuit (column (Co 1 umn) CDS).
  • 14 is a horizontal selector (H. V s igl is optical signal output 1, V sig 2 is optical signal output 2, V sig 3 is optical signal output 3, and V bN and V bP are low current drive biases.
  • the spectroscopic sensors of the present invention are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the signals are read out by switching the spectroscopic sensor arrays 11 together with the shift register.
  • a noise removing circuit 13 is also incorporated in the output section of the signal. For example, the depth (position) at which electrons are captured is changed every 180th of a second, and the signal at that time is measured. From these signals, the intensity of each wavelength of red, green, and blue is calculated, and a color image signal is output.
  • a bioreaction utilizes a fluorescence reaction.
  • fluorescence is observed by irradiating short-wavelength light (excitation light) to generate fluorescence.
  • excitation light short-wavelength light
  • image sensors the fluorescence is hidden by the excitation light, so a band-pass filter that allows only the fluorescence without passing the excitation light is used. Therefore, the device becomes large.
  • the spectroscopic sensor of the present invention only the fluorescence excluding the excitation light can be It can be measured without a filter.
  • a color image sensor without a color filter can be provided as an application of the spectral sensor.
  • the method for measuring incident light of the present invention and a sensor having a spectroscopic mechanism using the same can be used for a spectroscopic sensor and a color image sensor without a color filter as an application thereof.

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Abstract

入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、簡単な半導体構造を用いた入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有するセンサーを提供する。分光センサーであって、半導体基板(1)と、この半導体基板(1)に形成される第1の拡散層(2)と、この第1の拡散層(2)の部位に形成される第2の拡散層(3)と、前記第1の拡散層(2)上に絶縁膜(4)を介して形成される、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜(7)とを備え、前記ゲート電圧を変化させ、第1の拡散層(2)中で入射光により発生した電子を捕獲する深さ(位置)を、前記ゲート電圧に対応させて変化させて、それらの電子の量を示す電流を測定することにより、入射光の波長と強度とを測定する。

Description

明 細 書 入射光の測定方法及びそれを用いた分光機構を有するセンサー 技術分野
本発明は、 入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサーに係り、 特に、 半 導体装置に入る光の波長とその強度を検出する入射光の測定方法及びそれを用い た分光機能を有するセンサ一に関するものである。 背景技術
単板式ビデオカメラに用いられているイメージセンサーは、 カラ一画像を得る ために赤、 緑、 青のフィルタを各光検出素子 （例えば、 フォトダイオード） の上 に取り付けるようにしている。
また、 三板式のビデオカメラにおいては、 光学プリズムを用いて、 入射光を赤、 緑、 青の 3つの光に分け、 それぞれの光を 3つのイメージセンサ一で検知するよ うにしていた。
また、 入射する光が、 いかなる波長であるか、 かつ、 それらの波長の強度を知 るためには、 現在はグレーティングなどを用いて分光を行い、 それぞれの光の強 度分布をパワーメータなどで測定を行っていた。
また、 1つのフォトダイオードにより、赤、 緑、 青のカラ一情報を取得する試 みがある （下記特許文献 1参照）。 この提案は、 シリコン基板に、 0 . 2 / m、 0 . 6 m、 2 の深さを持つ 3つの拡散層を、 重ねるように配置して、 それ ぞれの接合から得られる電流を検知するものであった。
〔特許文献 1〕
U S P N o . 5， 9 6 5 , 8 7 5号公報（第 4欄—第 5欄 図 6 ) 発明の開示
しかしながら、 上記した単板式のビデオカメラでは、 カラ一画像を得るために は 3つの光検出素子が必要であるため、 解像度が三分の一に低下する。 また、 こ のカラーフィルタによる光の吸収で感度の低下が起こっていた。
また、 三板式のビデオカメラでは、 光学プリズムの存在により、 カメラ自体が 大きくなる。
さらに、 光の分光装置では、 グレーティングなどを用いていたため装置の構成 が大きくなる。
上記特許文献 1に示されるトリプル井戸構造を有する能動画素イメージングァ レイによるカラー分離手法では、 青色を検知する一番手前の接合でも、 赤色を検 知してしまうことになり、 赤、 緑、 青のカラー情報の分解能は低い。 さらに、 ど の波長がどのような強度で存在するか知ることができないといった問題があった。 また、 上記特許文献 1の手法では、 捕獲する電子の深さ （位置） を変化させる ことができない。
本発明は、 上記状況に鑑みて、 入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、 簡単な半導体構造を用いた入射光の測定方法及びそれを用いた分光機能を有する センサーを提供することを目的とする。
本発明は、 上記目的を達成するために、
〔 1〕 入射光の測定方法において、 入射光を透過するとともに、 ゲート電圧が 印加される電極膜と、 その下部に絶縁膜を介して入射光により発生した電子を捕 獲する拡散層を設け、前記ゲート電圧を変化させ、前記拡散層中の電子を捕獲す るこの拡散層の表面からの深さを変ィヒさせて、 それらの電子の量を示す電流を測 定することにより、 入射光の波長と強度とを測定することを特徴とする。
〔 2〕 上記 〔 1〕 記載の入射光の測定方法において、前記入射光の種類に応じ て前記ゲ一ト電圧を変化させる回数を設定することを特徴とする。
〔3〕 分光センサーにおいて、 半導体基板と、 この半導体基板に形成される第 1の拡散層と、 この第 1の拡散層の部位に形成される第 2の拡散層と、 前記第 1 の拡散層上に絶縁膜を介して形成される、 入射光を透過するとともに、 ゲート電 圧が印加される電極膜とを備え、 前記ゲート電圧を変化させ、 第 1の拡散層中で 入射光により発生した電子を捕獲するこの第 1の拡散層の表面からの深さを、 前 記ゲート電圧に対応させて変ィヒさせて、 それらの電子の量を示す電流を測定する ことにより、 入射光の波長と強度とを測定することを特徴とする。 〔 4〕 上記 〔 3〕 記載の分光センサーにおいて、 前記第 1の拡散層が p型拡散 層、 前記第 2の拡散層が n +拡散層、 前記半導体基板が n型半導体基板を含むこ とを特徴とする。
〔 5〕 上記 〔 3〕 記載の分光センサーにおいて、 前記ゲート電圧が印加される 電極膜が、 不純物が添加された多結晶シリコン膜であることを特徴とする。
〔6〕 上記 〔3〕 記載の分光センサーを用いて、 1次元、 または 2次元に配置 した分光センサ一ァレイを設け、 この分光センサ一ァレイを一緒に作り込んだシ フトレジスタで切り替えて信号を読み出し、 前記電子を捕獲する深さを変化させ て、 そのときの信号を計測し、 それらの信号から赤、 緑、 青の各波長の強度を計 算し、 カラー画像信号を出力することを特徴とする。
〔7〕 上言己 〔6〕 言己載のカラ一フィル夕なしカラーイメージセンサーにおいて、 前記カラ一画像信号の出力部に雑音除去回路を設けることを特徴とする。
〔8〕 上言己 〔6〕 言己載のカラーフィルタなしカラーイメージセンサ一において、 前記電子を捕獲する深さを 1 8 0分の 1秒ごとに変化させることを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサ一の一部断面 を示す斜視図である。
第 2図は、 V gが— 1 Vの場合の分光センサーの特性図である。
第 3図は、 V gが 0 Vの場合の分光センサ一の特性図である。
第 4図は、 V gが 1 Vの場合の分光センサ一の特性図である。
第 5図は、 V gが 2 Vの場合の分光センサ一の特性図である。
第 6図は、 V gが 3 Vの場合の分光センサ一の特性図である。 .
第 7図は、 V gが 4 Vの場合の分光センサーの特性図である。
第 8図は、 V gが 5 Vの場合の分光センサ一の特性図である。
第 9図は、 本発明の実施例を示す基板への印加電圧が 5 Vで V gが 0 Vの場合 (第 3図に対応） の p型拡散層の深さを 1 0 m ( Z座標フルスケール） とした 場合の分光センサ一の特性図である。
第 1 0図は、本発明の実施例を示す基板への印加電圧が 1 0 Vで V gが 0 Vの 場合の p型拡散層の深さを 10〃m (Z座標フルスケール） とした場合の分光セ ンサ一の特性図である。
第 1 1図は、 本発明の単体の分光センサーの平面図である。
第 1 2図は， 本発明の分光センサ一 （4x4) の全体の平面図である。
第 1 3図は、本発明の応用例を示すカラーフィル夕なしカラ一イメージセンサ ーシステムの構成図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、 入射光の波長情報を得るための基本原理について説明する。
半導体装置に照射された光は、 半導体中に侵入して、 吸収されながら減衰して いく。 この減衰していく度合いは、 入射光の波長によって異なる。
そこで、 本発明では、 光により発生する電子を収集可能な深さ （位置） を変化 させて、 それらの電流を測定できれば、 以下の方法で、 入射する光の波長情報が 分かることに着目した （勿論、 電子と同時にできる正孔を蓄えてもよい） 。 例え ば、 2つの波長 （λ 1と； L 2) の光が、 強度 と A2 で同時に入射したとする。 表面から電子の捕獲位置 Wi の距離までに発生した電子による電流を測定したら、 電流 I , であった。
次に、電子の捕獲位置 W2 の距離までに発生した電子による電流を測定したら、 電流 I 2 であったとする。 このことは以下の式で表すことができる 〔補足説明 1 参照〕 。
【数 1】
I t = Α' ^ ¾ ( ι一 e-a,W, ) + A2 q ( 1— e - ' )
h v l h v 2
I 2 = 1 S q ( 1一 e-a 2 ) + Λΐ Λ ( 1 -e"«^ ) … （1) h v l h v 2 ここで、 各パラメ一夕は次の通りである。
A, . A2 ：入射光強度 CW/cm2 〕
S：センサ一面積 〔cm2 〕 Wi . W2 ：電子の捕獲位置 〔cm〕
α> . t ：それぞれの波長の吸収係数 [cm—1;]
I！ ：電子の捕獲位置を としたときの電流の実測値 〔A〕
I 2 ：電子の捕獲位置を W2 としたときの電流の実測値 〔A〕
振動数リ 1 = c/A 1
振動数 2 = c/ λζ
ここで、 cは光速、 Sは受光部の面積、 hリは光のエネルギー、 qは電子ボル 卜であり、 入射光強度 A i 、 A2 以外は全て既知の値であるから、 この 2式から 連立方程式を解くことにより、 入射光強度 A, 、 A2 を求めることができる。
例えば、
【数 2】
1 ιζ- ι 2χ
WZ-XY
I 2W- I】Y (2)
A2 =
WZ-XY
と書ける。
各パラメ 夕は次の通りである <
【数 3】
S q( 1 _e - a'w' ) S q( 1 -e' -a2W,
W X =
h v l hv
S q( 1— e—a ) 7一 S q( 1— e_a2W2 ) (3)
Y = 一 - h v l n v z
例えば、 入射光を 3つの波長に分離する場合は、 式 （1) に電子を捕獲する位 置 W3 の場合の電流 I 3 が増える。 その後は、 2波長の場合と同様に計算を行う ことで、 入ってきた光を 3波長に分離できる。
同様に 100の波長で入ってくる入射光を分光する場合は、電子を捕獲する位 置を 100回変ィヒさせて測定すればよい。
〔補足説明 1〕
単色光が入射している場合においては、 半導体内の深さ （位置） Wまでに発生 する電流を計算によって求めることができる。 半導体に光が入射すると光強度は 指数関数的に減衰する。 よって、 ある深さ Xにおける光強度 Φは、 【数 4】
Φ= 1) Q e—ax … （4) こで、 Φ。 ：入射光強度 CW/cm2 〕
：吸収係数 〔cmーリ
これより、 深さ Wまでに吸収される割合を求めると、
【数 5】
J0 e- αχ dx
となる。
これらより、深さ Wまでに発生する電流は次式で決まる。 【数 6】
I = ( l -e-«w) … （6) ここで、 S ：受光部の面積 〔cm2 〕
h v ：光のエネルギー 〔 J〕
q：電子ボル卜 〔 J〕
これらの式をそれぞれの波長に分けて表したのが式 （ 1 ) である。
以下、 本発明の実施の形態を詳細に説明する。
第 1図は本発明の実施例を示す入射光の測定を行う分光センサーの一部断面を 示す斜視図である。
この図において、 1は n型シリコン基板（n型基板） 、 2は n型シリコン基板 1中に形成される P型拡散層 〔p型ゥヱル （p型 we 1 1 ) 〕 、 3は p型拡散層 2の部位に形成される n+拡散層、 4は p型拡散層 2上に形成されるシリコン酸 化 （S i 02 )膜、 5は n+拡散層 3に接続されるとともに、 基準電圧が印加さ れる A 1電極、 6は p型拡散層 2に接続されるとともに接地される電極、 7はシ リコン酸化膜 4の上部に形成され、不純物が添加された多結晶シリコン膜 （P 0 1 y— S i ) 、 8はその多結晶シリコン膜 7に接続されるゲ一ト電極であり、 多 結晶シリコン膜 7はシリコン酸化膜 4を介して光を透過できる電極として機能す る。 そこで、 電子を捕獲する p型拡散層 2の表面からの深さ （位置） を変化させる ためには、 例えば、 n型シリコン基板 1に p型拡散層 2を設け、 その上部に配置 したシリコン酸化膜 4を介して光を透過できる電極としての不純物が添加された 多結晶シリコン膜 （p o l y— S i ) 7が配置された構造にする。 光を透過でき る不純物が添加された多結晶シリコン膜 7のすぐ横には、 捕獲した電子を外部に 取り出すため n+拡散層 3が配置されている。 p型拡散層 2、 n型シリコン基板 1には、 それらの電位を一定にするために配線を取り出すためのコンタクトが設 けられている。
第 2図〜第 8図は第 1図に示す分光センサ一の特性図であり、 第 2図は V gが 一 I Vの場合、 第 3図は Vgが 0 Vの場合、 第 4図は Vgが 1 Vの場合、 第 5図 は V gが 2 Vの場合、 第 6図は V gが 3 Vの場合、 第 7図は V gが 4 Vの場合、 第 8図は Vgが 5 Vの場合をそれぞれ示している。 なお、 ここで Vgはゲート電 圧（ゲート電極 8の電位） を示している。 各図において、 Z座標軸の 0. 0が p 型拡散層の表面を、 実線は電子を捕獲する p型拡散層の表面からの深さ （捕獲位 置） Wを、 Bは p—ゥエル部分、 Cは基板との p n接合部分- (第 2図において代 表して示しているが、 第 3図〜第 8図においても同様である） を示している。 例えば、 それぞれの不純物の濃度としては、 p型拡散層 2が 2 X 1 0 15cm-3 (接合深さ 5 um) 、 n型シリコン基板 1が 1. 5 x 1 014cm_3、 シリコン酸 化膜 4の膜厚が 6 5 nmのとき、 ゲート電極 8の電位を— 1 Vから 5 V (第 2図 〜第 8図） まで変化させる （n型シリコン基板 1には 5 Vの印加電圧を付与） と、 P型拡散層 2の表面からの電子の捕獲される深さ Wは、 から 2. 3 mま で変化する。
なお、 ここでは、 シリコン基板 1には 5 Vを印加した場合のシミュレ一シヨン 糸吉果を示しているが、 その基板への印加電圧は 5Vに固定されるものではなく可 変にすることができる。
第 9図は本発明の実施例を示す基板への印加電圧が 5 Vで V gが 0 Vの場合 (第 3図に対応） の p型拡散層の深さを 1 O wm (Z座標フルスケール） とした 場合の分光センサ一の特性図であり、 第 1 0図は本発明の実施例を示す基板への 印加電圧が 1 0 Vで Vgが 0 Vの場合の p型拡散層の深さを 1 O m (Z座標フ ルスケール） とした場合の分光センサーの特性図である。 これらの図において、
Z座標軸の 0 . 0は p型拡散層の表面、 1 0 . 0は p型拡散層の底面 （シリコン 基板面） を示している。 第 9図と第 1 0図を対比すると、 基板電圧の変化によつ て基板と p n接合部分 C、 p—ゥヱル部分 B、 p—ゥヱルの表面から電子の捕獲 深さ Wも若干の影響を受ける （主に、 基板と p n接合部分 Cの下がり具合が大き くなる） が、 大きな差は生じないので、 本発明においては、 基板電圧を一定にし て V gを変ィヒさせることによって、拡散層の表面からの電子の捕獲される深さ W を変化させることによって分光センサ一の機能を発揮させることができる。 また、 この構造を実際に製作したもの （写真） を第 1 1図、 第 1 2図に示す。 第 1 1図はその単体の分光センサ一の平面図を示し、 だい 1 2図はその分光セン サ一 （4 X 4 ) の全体の平面図を示している。
本発明により実際に作製した素子において、 実際に波長が分かっている 2種類 の発光ダイオード （青、 赤） を用いて測定した結果を表 1に示す。
【表 1】
Figure imgf000010_0001
この表 1からも分かるように、 実際に入射した光とその強度の絶対値はずれた が、 信号の比は変わらなかった。 光の反射を考慮すると正確に検出できる。
〔測定方法の例〕
3種類の入射光が入射されるような場合は、
( 1 ) 入射光を透過するとともに、 ゲート電圧が印加される不純物が添加され た多結晶シリコン膜 7に、 例えば、 ゲート電圧を 1 V印加して、 そのときに流れ る電流を読み取る。
( 2 ) 次に、前記多結晶シリコン膜 7にゲート電圧を 2 V印加して、 そのとき に流れる電流を読み取る。
( 3 ) 次に、前記多結晶シリコン膜 7にゲート電圧を 5 V印加して、 そのとき に流れる電流値を読み取る。 (4)それらの電流値に基づいて、 上記した式により、 入射光の各波長の強度 を計算する。
上記したように、 本発明の分光センサ一によれば、 従来までは、 光の波長を分 解するのにグレーティングなどの機械的な装置が必要であつたが、 本発明では、 拡散層中の電子を捕獲する深さ （位置） を、 複数回 （例えば、 100回） 変ィ匕さ せて測定することで、 入射してくる光の波長を 100の分解能でプロットできる。 これから光を波長に分けることが可能になり、 グレーティングなどが必要ではな くなる。
本発明は、 さらに、 次のような応用が考えられる。
〔実施例 1〕 カラーフィルタなしカラ一イメージセンサ一
第 1 3図は本発明の応用例を示すカラーフィルタなしカラーイメージセンサ一 システムの構成図である。
この図において、 1 1は分光センサ一アレイと、 12は垂直選択器 （V. S c anner) 、 13は維音除去回路 〔カラム （Co 1 umn) CDS) . 14は 水平選択器 (H. Sc anne r) . Vs i g lは光信号出力 1、 V s i g 2は 光信号出力 2、 Vs i g 3は光信号出力 3、 VbN, VbPは低電流駆動用バイアス である。
このように、 本発明の分光センサ一を、 1次元、 または 2次元に配置し、 それ らの分光センサ一アレイ 1 1を一緒に作り込んだシフトレジスタで切り替えて信 号を読み出す。 それぞれの切り替え時のノイズを抑えるために、 前記信号の出力 部に雑音除去回路 1 3も組み込む。 例えば、 180分の 1秒ごとに、 電子を捕獲 する深さ （位置） を変化させて、 そのときの信号を計測する。 それらの信号から 赤、 緑、 青の各波長の強度を計算し、 カラ一画像信号を出力する。
〔実施例 2〕 蛍光センサー
一般にバイオ反応は蛍光反応を利用している。 蛍光は一般に短波長の光 （励起 光） を照射することで、 蛍光を起こさせて観察している。 一般のイメージセンサ —では蛍光が励起光に隠れてしまうため、 励起光を通さず蛍光のみを通すバンド パスフィル夕を用いている。 そのために装置が大型になってしまう。
本発明の分光センサーを用いれば、 励起光を除いて蛍光のみを、 バンドパスフ ィルタなしで計測することができる。
なお、 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、 本発明の趣旨に基づい て種々の変形が可能であり、 これらを本発明の範囲から排除するものではない。 以上、詳細に説明したように、 本発明によれば、 以下のような効果を奏するこ とができる。
(A) 入射光に対応した単一の電子の捕獲部を備えた、 簡単な半導体構造を用 いた、 入射光の測定方法及びそれを用いた分光センサ一を提供する。
( B ) 分光センサーの応用として、 カラ一フィルタなしカラーイメージセンサ —を提供することができる。 産業上の利用可能性
本発明の入射光の測定方法及びそれを用いた分光機構を有するセンサ一は、 分 光センサ一やその応用としてのカラ一フィルタなしカラ一イメージセンサ一に利 用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 入射光を透過するとともに、 ゲー卜電圧が印加される電極膜と、 その下部 に絶縁膜を介して入射光により発生した電子を捕獲する拡散層を設け、 前記ゲ一 ト電圧を変化させ、 前記拡散層中の電子を捕獲する該拡散層の表面からの深さを 変化させて、 それらの電子の量を示す電流を測定することにより、 入射光の波長 と強度とを測定することを特徴とする入射光の測定方法。
2 . 請求項 1記載の入射光の測定方法において、 前記入射光の種類に応じて前 記ゲート電圧を変化させる回数を設定することを特徴とする入射光の測定方法。
3 ，
( a ) 半導体基板と、
( b ) 該半導体基板に形成される第 1の拡散層と、
( c ) 該第 1の拡散層の部位に形成される第 2の拡散層と、
( d ) 前記第 1の拡散層上に絶縁膜を介して形成される、 入射光を透過するとと もに、 ゲート電圧が印加される電極膜とを備え、
( e ) 前記ゲート電圧を変化させ、 第 1の拡散層中で入射光により発生した電子 を捕獲する該第 1の拡散層の表面からの深さを、前記ゲ一ト電圧に対応させて変 化させて、 それらの電子の量を示す電流を測定することにより、 入射光の波長と 強度とを測定することを特徴とする分光センサー。
4 . 請求項 3記載の分光センサ一において、 前記第 1の拡散層が p型拡散層、 前記第 2の拡散層が n +拡散層、 前記半導体基板が n型半導体基板を含むことを 特徴とする分光センサー。
5 . 請求項 3記載の分光センサ一において、 前記ゲ一ト電圧が印加される電極 膜が、 不純物が添加された多結晶シリコン膜であることを特徴とする分光センサ
6 . 請求項 3記載の分光センサ一を用いて、 1次元、 または 2次元に配置した 分光センサ一ァレイを設け、該分光センサ一ァレイを一緒に作り込んだシフトレ ジス夕で切り替えて信号を読み出し、 前記電子を捕獲する深さを変化させて、 そ のときの信号を計測し、 それらの信号から赤、 緑、 青の各波長の強度を計算し、 カラ一画像信号を出力することを特徴とするカラーフィルタなしカラーイメージ センサ一。
7 . 請求項 6記載のカラ一フィルタなしカラ一イメージセンサ一において、 前 記カラー画像信号の出力部に雑音除去回路を設けることを特徴とするカラーフィ ル夕なしカラーイメージセンサ一。
8 . 請求項 6記載のカラーフィル夕なしカラーイメージセンサ一において、 前 記電子を捕獲する深さを 1 8 0分の 1秒ごとに変ィ匕させることを特徴とするカラ 一フィルタなしカラ f メ一ジセンサー。
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