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JP6541313B2 - 光電変換装置、及び撮像システム - Google Patents

光電変換装置、及び撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、光電変換装置、及び、光電変換装置を用いた撮像システムに関する。
半導体基板の上に設けられた光電変換層を用いた光電変換装置が知られている。特許文献１には、画素毎に設けられ、上部電極と下部電極に挟まれている光電変換層を有する光電変換装置が記載されている。特許文献１に記載の上部電極と光電変換層は、画素境界部まで延在しており、１つの画素における光電変換可能な領域の面積占有率が高い（開口率が高い）。
特開２０１２−０６４８２２号公報
特許文献１の下部電極は、上部電極と光電変換層と同様に、画素境界部から画素境界部まで設けられている。しかし、下部電極は、光電変換層の容量の一部を構成するため、その形状によって光電変換層の容量が変わってしまう。光電変換装置において、光電変換層の電荷を蓄積する容量が増大すると、光電変換された信号に重畳するノイズ（ｋＴＣノイズ）が増大しうる。
そこで、本発明は、光電変換層の開口率を維持しつつ、光電変換層で生じた信号のノイズを低減することを目的とする。
本発明の光電変換装置の１つは、半導体基板と、第１の電極と、前記第１の電極よりも光入射面側に配された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配された光電変換層と、を含み、前記半導体基板に対して光入射面側に配された光電変換部と、前記第１の電極に接続された少なくとも１つの配線層と層間絶縁膜とを含み、第１の電極と前記半導体基板との間に配された配線構造体と、前記光電変換層と接する絶縁部材と、を有し、前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の、前記光入射面に平行な第１の面の面積は、前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の、前記第１の面と前記第２の電極の間に配された第２の面の面積よりも小さく、前記第１の電極の前記光入射面への正射影の面積は、前記第２の面の前記光入射面への正射影の面積よりも小さく、前記第１の面の前記光入射面への正射影の面積は、前記第１の電極の前記光入射面への正射影の面積よりも小さい。
本発明によって、光電変換層の開口率を維持しつつ、信号のノイズを低減することが可能となる。
第１の実施形態を説明するための平面模式図である。 第１の実施形態を説明するための断面模式図である。 第２の実施形態を説明するための断面模式図である。 第３の実施形態を説明するための断面模式図である。 第４の実施形態を説明するための断面模式図である。 第５の実施形態を説明するための断面模式図である。 第１の実施形態を説明するための平面模式図である。
（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１及び図２を用いて説明する。なお、本明細書で図示または記載されない部分に関しては、当該技術分野の周知または公知技術を適用する。また、説明を簡単にするため、各構成の面積について、各構成の断面の幅を用いて説明する場合がある。
図１に、光電変換装置１００の平面レイアウト図を示す。光電変換装置１００は、受光領域１０を含む領域１０１と、被遮光領域２０と周辺回路領域３０を含む領域１０２と、を含む。領域１０２は、領域１０１以外の、領域１０１の外側に設けられた領域である。受光領域１０および被遮光領域２０には、複数の画素が２次元アレイ状に配列されている。画素は、少なくとも１つの光電変換部と、光電変換部にて生じた信号を読み出すための読み出し回路を含む。読み出し回路は、例えば、光電変換部と電気的に接続した転送トランジスタや、光電変換部と電気的に接続したゲート電極を有する増幅トランジスタや、光電変換部をリセットするためのリセットトランジスタを含む。周辺回路領域３０は、受光領域１０の動作の制御や受光領域１０から読み出された信号の処理を行う周辺回路が配される領域であり、例えば、増幅回路、水平走査回路、垂直走査回路等の処理回路を含む。被遮光領域２０と周辺回路領域３０は、半導体基板の表面に対して垂直な方向から見た場合に、遮光膜によって覆われている。一方、受光領域１０は、半導体基板の表面に対して垂直な方向から見た場合に、遮光膜が設けられていないか、画素毎に開口されている遮光膜が設けられており、光が光電変換部に到達する領域である。被遮光領域２０に配された画素の少なくとも一部はオプティカルブラック画素（ＯＰＢ画素）であり、ＯＰＢ画素にて得られた信号は黒基準として利用される。つまり、各領域は２つに分けることが出来る。１つの領域１０１は、受光領域１０を含み、もう１つの領域１０２は非遮光領域２０と周辺回路領域３０を含む。領域１０２は領域１０１の外側に設けられている。
図２は、図１に示した平面レイアウト図におけるＡ−Ａ’部分の断面を示す図である。Ａ−Ａ’部分は、領域１０１と、領域１０２に渡る部分である。領域１０１には、複数の光電変換部２１８が半導体基板（以下、単に基板ともいう）２０１の上に設けられている。ここでは、２つの光電変換部を図示している。２つの光電変換部２１８は、基板２０１の表面２０２に平行な方向に沿って配列している。ここで、表面２０２に対して垂直な方向であって、表面２０２から離れる方向を上方向とし、表面２０２に対して垂直な方向であって、基板内部に向かう方向を下方向とする。また、表面２０２を基準とした場合、上方向の距離は高さとも言える。
光電変換部２１８は、電極２１９と、光電変換層２２０と、電極２２１とを有し、光入射面を有する。電極２１９（第１の電極）は、下部電極とも称し、アルミニウムや銅を主成分とする導電体からなる。電極２１９は下面２１９ａと上面２１９ｂを有する。電極２２１（第２の電極）は、上部電極とも称し、電極２１９よりも光入射面側に位置する。電極２２１は、透明導電材料からなることが望ましく、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やポリイミドを主成分とする導電体からなる。電極２２１は、下面２２１ａと上面２２１ｂを有する。電極２２１は、導電体２２４を介して、配線層２１０に電気的に接続される。導電体２２４は、例えば電極２２１と同一の材料からなる。光電変換層２２０は、無機材料あるいは有機材料からなる光電変換可能な材料からなる。光電変換層２２０として、例えば、無機材料の場合には、アモルファスシリコン層、アモルファスセレン層、量子ドット層、化合物半導体層等を適宜選択できる。光電変換層２２０の材料として、有機材料を用いることができる。有機材料の例としては、金属錯体色素、シアニン系色素等の色素等を用いることができる。その他には、アクリジン、クマリン、トリフェニルメタン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェンなどの誘導体を用いることができる。また、その他の光電変換層２２０の例として、量子ドット層を用いることができる。例えば、量子ドット層は、ＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓのバッファ材と、ＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓの量子ドットからなる。ここで、光電変換部２１８の光入射面は、例えば、電極２２１の上面２２１ｂである。
そして、光電変換装置は、光電変換層２２０と導光路を構成する部材２２５を有する。部材２２５の材料は、光電変換層２２０よりも屈折率の低い材料であればよく、本実施形態では、酸化シリコンである。
本実施形態の導光路の形状について説明する。導光路は、少なくとも電極２１９の上面２１９ａを含む面と、電極２２１の下面２２１ｂを含む面の間に設けられている。そして、導光路は、光電変換層２２０の側面２２０ｃ、２２０ｄと部材２２５との界面における反射もしくは屈折を用いて導光する。本実施形態では、部材２２５が開口を有し、開口の内部に光電変換層２２０が設けられており、光電変換層２２０は、部材２２５に囲まれる部分２２６を有する。ここで、光電変換部２１８は、電極２２１の上面２２１ｂが光入射面となる。部分２２６の、光入射面に平行な１つの面（第１の面）の面積は、部分２２６の、光入射面に平行で、第１の面と電極２２１との間に配された１つの面（第２の面）の面積よりも小さい。そして、電極２１９の光入射面への正射影の面積は、第２の面の光入射面への正射影の面積よりも小さい。つまり、電極２１９側の光電変換層２２０の面積よりも光入射側の光電変換層２２０の面積が大きいことで開口率を維持することが出来る。そして、電極２１９の面積が小さいことで、電極２１９のノードに生じる寄生容量を低減することが可能となるため、ノイズ（ｋＴＣノイズ）を低減することが可能となる。よって、開口率を維持したまま、ノイズを低減することが可能となる。ここで、ｋＴＣノイズは、ノイズとなる電荷数Ｑとしたときに、Ｑ＝（ｋＴＣ）０．５で与えられる（ｋ：定数、Ｔ：温度、Ｃ：光電変換層の容量）。
本実施形態において、第１の面をとった時の面積とは、例えば、部分２２６の下面２２０ａの面積であり、第２の面をとった時の面積とは、例えば、部分２２６の上面２２０ｂの面積である。電極２１９の光入射面への正射影の面積とは、ここでは、下面２１９ａの面積と一致する。図２に示すように、上面２２０ｂは長さｄ２３の幅を有し、下面２２０ａは長さｄ２４の幅を有し、下面２１９ａは長さｄ２５の幅を有する。これらの関係は、長さｄ２３＞長さｄ２４、且つ、長さｄ２３＞長さｄ２５となっている。ここで、幅とは、例えば、部材や開口における基板２０１の表面２０２に水平な方向に沿った長さである。以降の説明において、これらの幅を説明する際には、図７（ａ）と同様の平面構造を有するものとする。ここで、部材の各面の面積の幅と電極の幅は、最大長さである。
更に、各面を平面視した時の関係を、図７（ａ）に示している。図７（ａ）は、光入射面へ任意の構成の外縁を投影して示した模式図である。各構成の投影像を正射影とも称する。上面２２０ｂが最も大きな外縁を有し、下面２２０ａ、及び下面２１９ａは上面２２０ｂの外縁に内包される。本実施形態においては、下面２２０ａ、及び下面２１９ａは同一の面積の場合を示しており、更に、電極２１９の上面２１９ｂも同一の面積を有している場合を示した。この光電変換層２２０の下面２２０ａ、電極２１９の上面２１９ｂ、及び下面２１９ａの面積は、いずれも異なっていてもよいが、下面２２０ａの面積が電極２１９の上面２１９ｂの面積と等しいか、それよりも小さいことが望ましい。つまり、図７（ｂ）に示すように、下面２２０ａの外縁が、電極２１９の上面２１９ａの外縁に内包されていることが望ましい。このような構成によれば、光電変換層にて生じた信号を電気的に効率よく収集することが可能となる。更に、下面２２０ａの面積が、電極２１９の上面２１９ｂの面積よりも小さい場合には、開口形成時に電極２１９がエッチングストップとして機能することが可能となるため、ダメージの少ない光電変換装置が提供可能となる。
以下、図２のその他の構成について、簡単に説明を行う。領域１０１の基板２０１には、複数のトランジスタ２１６が配されている。領域１０２の基板２０１には、複数のトランジスタ２１７が配されている。複数のトランジスタ２１７は、上述の読み出し回路や周辺回路を構成する。基板２０１の表面２０２の上には、配線構造体２０３が設けられている。配線構造体２０３は、領域１０１と領域１０２に連続して設けられた絶縁膜２０４〜２０６と、領域１０２に設けられた絶縁膜２０７、２０８を有する。配線構造体２０３は、領域１０１と領域１０２の両方に設けられた配線層２０９、２１０と、領域１０２に設けられ、領域１０１に設けられていない配線層２１１、２１２、２１３を有する。各配線層は、互いに異なる高さに位置し、複数の配線パターンを有する。配線層２１２は、例えば、領域１０２において、領域１０２の少なくとも一部において、基板２０１へ入射する光を低減するための遮光膜として機能する。また、配線層２１３は、外部との接続のための端子（パッド部）となる。保護膜２１４は、領域１０１の光電変換部２１８の上から配線層２１３を覆い、配線層２１３の上面の一部を露出させる開口２１５を有する。領域１０１の保護膜２１４の上には、カラーフィルタ層２２２とマイクロレンズ層２２３が設けられている。カラーフィルタ層２２２は、複数のカラーフィルタを含み、マイクロレンズ層２２３は複数のマイクロレンズを含む。
なお、本実施形態において、光電変換層２２０は、上面２２０ｅを有し、部材２２５の上面２２５ｂと電極２２１の下面２２１ａの間に、上面２２５ｂと下面２２１ａに接して設けられている。つまり、光電変換層２２０は、図２においてＴ字のような形状を有している。この場合でも、導光路は、光電変換層２２０の部分２２６によって構成されており、導光路の高さは、長さｄ２１−長さｄ２２などで表すことが出来る。ここで、高さとは、例えば、基板２０１の表面２０２に垂直な方向に沿った部材や開口の長さ（最大長）である。なお、光電変換層２２０がＴ字のような形状を有していなくてもよく、部分２２６の上面２２０ｂが部材２２５の上面２２５ｂと同一面内に存在してもよい。つまり、電極２２１は、部材２２５の上面２２５ｂと部分２２６の上面２２０ｂに接して設けられ、電極２２１の下面２２１ａが平坦であってもよい。また、光電変換層２２０の部分２２６の上面２２０ｂと上面２２０ｅとの間の部分が別の材料からなる膜によって構成されていてもよい。
本実施形態において、導光路は、いわゆるテーパー形状を有する構成であるが、テーパー形状に限らない。また、本実施形態において、第１の面と第２の面として導光路の下面と上面の面積を用いて説明したが、第１の面と第２の面は導光路の上面下面に限らない。また、本実施形態では、読み出し回路のトランジスタとして転送トランジスタの例を説明し、光電変換部２１８の電極２１９は転送トランジスタのソースに接続される構成を示した。転送トランジスタのドレインは、信号線や増幅回路に接続されうる。光電変換部２１８の電極２１９が接続される部分は、例えば、ソースフォロワ回路を構成する増幅トランジスタのゲート電極と接続してもよく、これらの構成に限らない。
また、本実施形態において、光入射面として、電極２２１の上面２２１ｂを当てはめたが、上面２２１ｂが凹凸を有する場合には、上面２２１ｂの任意の一点を含む面であって、光電変換装置へ垂直に入射する光に対して垂直である面を光入射面とみなす。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図３を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と導光路の幅を変えた点が異なる。本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、本実施形態において、第１の実施形態と対応する構成については、下二桁が同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の光電変換部３１８は、電極２１９と、電極２１９の上に設けられた光電変換層３２０と、光電変換層３２０の上に設けられた電極２２１とを有する。そして、本実施形態の光電変換装置は、電極２１９の上面の一部を露出する開口を有し、開口に設けられた光電変換層３２０の部分３２６と導光路を構成する部材３２５を有する。そして、部分３２６の第１の面をとった時の幅は、長さｄ３２を有し、第２の面をとった時の幅は、長さｄ３１を有し、電極２１９の幅は、長さｄ３３である。これらは、長さｄ３１＞長さｄ３２、且つ、長さｄ３１＞長さｄ３３の関係を満たす。また、別の部分３２６においても、第１の面をとった時の幅は、長さｄ３５を有し、第２の面をとった時の幅は、長さｄ３４を有し、電極２１９の幅は、長さｄ３６である。これらは、長さｄ３４＞長さｄ３５、且つ、長さｄ３４＞長さｄ３６の関係を満たす。
そして、本実施形態において、カラーフィルタ層３２２は、第１の色に対応する第１カラーフィルタ３２２ａと、第１の色と異なる第２の色に対応する第２カラーフィルタ３２２ｂとを含む。ここで、第１カラーフィルタ３２２ａと、第２カラーフィルタ３２２ｂは、互いに異なる分光透過率プロファイルを有する。このような構成において、第１のカラーフィルタ３２２ａに対応する光電変換部３１８は、部材３２５の上面３２５ｂにおける開口の幅として長さｄ３１を有する。そして、第２のカラーフィルタ３２２ｂに対応する光電変換部３１８は、部材３２５の上面３２５ｂの高さにおける開口の幅として長さｄ３４を有する。ここで、長さｄ３１と長さｄ３４は互いに異なり、例えば、長さｄ３１＞長さｄ３４である。
これら幅の関係について説明する。例えば、可視光に対応したカラーフィルタ層３２２において、白色光を入射したときに感度をそろえたい場合には次のようにする。第１のカラーフィルタ３２２ａを透過する光が、第２のカラーフィルタ３２２ｂを透過する光よりも少ない場合には、長さｄ３１を長さｄ３４よりも長くする。カラーフィルタの分光特性に応じて幅を変えることで、光電変換層３２０にて生じる電荷の量のばらつきを低減することが可能となる。また、例えば、可視光に対応したカラーフィルタ層３２２において、光の回折による混色を低減したい場合には次のようにする。第２のカラーフィルタ３２２ｂを透過する光の波長が第１のカラーフィルタ３２２ａを透過する光の波長よりも長い場合には、長さｄ３１を長さｄ３４よりも長くする。カラーフィルタの分光特性に応じて幅を変えることで、混色を低減することが可能となる。このように、カラーフィルタ層３２２の特性に応じて、開口の幅を変えることが可能である。
ここで、開口の幅とは、導光路の幅であり、表面２０２に垂直な断面において、光電変換層３２０の２つの側面３２０ｃ、３２０ｄの距離である。また、平面視した時の開口の幅を基準としてもよい。部材３２５の上面３２５ａを含む面における幅を基準にしたが、それ以外の位置における部分３２６の幅を基準としてもよい。また、本実施形態において、開口の幅を変える際に、電極２１９の大きさ（幅）も変更しているが、変えなくてもよい。
（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図４を用いて説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態と導光路の高さを変えた点が異なり、第２の実施形態と導光路の幅ではなく高さを変えた点で異なる。本実施形態において、他の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、本実施形態において、第１の実施形態と対応する構成については、下二桁が同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態の光電変換部４１８は、電極４１９と、電極４１９の上に設けられた光電変換層４２０と、光電変換層４２０の上に設けられた電極２２１とを有する。そして、光電変換装置は、電極４１９の上面の一部を露出する開口を有する部材４２５を有する。この部材４２５と光電変換層４２０は、第１の実施形態と同様に導光路として機能し得る。ここで、カラーフィルタ層４２２は、第１の色に対応する第１カラーフィルタ４２２ａと、第１の色と異なる第２の色に対応する第２カラーフィルタ４２２ｂとを含む。ここで、第１カラーフィルタ４２２ａと、第２カラーフィルタ４２２ｂは、互いに異なる分光透過率プロファイルを有する。
このような構成において、第１のカラーフィルタ４２２ａに対応する光電変換部４１８の電極の下には、部材４２６が設けられている。部材４２６は、例えば、部材４２５と同一の材料である。第１のカラーフィルタ４２２ａに対応する光電変換層４２０は、電極４１９の上面４１９ｂから部材４２５の上面４２５ｂの高さまでの長さｄ４１だけの厚みを有する。一方、第２のカラーフィルタ４２２ｂに対応する光電変換部４１８は、部材４２６の上には設けられていない。第２のカラーフィルタ４２２ｂに対応する光電変換層４２０は、電極４１９の上面４１９ｂから部材４２５の上面４２５ｂの高さまでの長さｄ４２だけの厚みを有する。長さｄ４２は長さｄ４１よりも大きい。このようにカラーフィルタ層４２２の特性に応じて、導光路の高さを変えることが可能である。
導光路の高さの関係について説明する。例えば、カラーフィルタ層４２２が含む各カラーフィルタと、光電変換層における光の吸収とに応じて、深さを変えることが望ましい。例えば、第２のカラーフィルタ４２２ｂが、第１のカラーフィルタ４２２ａよりも波長の長い光を透過するために設けられ、光電変換層４２０が、例えばアモルファスシリコン層の場合には、長さｄ４２は長さｄ４１よりも長くすることが望ましい。このように、カラーフィルタ層４２２の特性に応じて、導光路の高さを変えることが可能である。
なお、本実施形態の製造方法は、部材４２６を形成した後に、電極４１９を形成し、部材４２５を形成することで製造可能である。また、本実施形態と第２の実施形態とを組み合わせてもよい。
（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。第４の実施形態は、他の実施形態とは、光電変換層の厚みが異なる。本実施形態において、他の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、本実施形態において、第１の実施形態と対応する構成については、下二桁が同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図５（ａ）は、特に、第２の実施形態に対応しており、カラーフィルタ層３２２のカラーフィルタの色に応じて導光路の幅が異なっている。図５（ａ）において、光電変換部５１８は、電極２１９と、光電変換層５２０と、電極５２１とを含む。ここで、光電変換層３２０は、部材３２５の上面３２５ｂから、部材３２５の開口の側面を覆い、電極２１９の上を覆っている。光電変換層３２０は、部材３２５の形状を踏襲した上面を有するコンフォーマルな膜である。更に、電極５２１も同様に、光電変換層５２０の上面の形状を踏襲した上面を有するコンフォーマルな膜として形成されている。そして、保護膜５１４が、電極５２１の上面に沿って、電極５２１の上面の窪みを埋め、領域１０１において平坦化膜として機能している。
このような構成においても、第１のカラーフィルタ３２２ａに対応する部分５２６の第１の面をとった時の幅は、長さｄ５２を有し、第２の面をとった時の幅は、長さｄ５１を有し、電極２１９の幅は、長さｄ５３である。これらは、長さｄ５１＞長さｄ５２、且つ、長さｄ５１＞長さｄ５３の関係を満たす。また、第２のカラーフィルタ３２２ｂに対応する部分５２６においても、第１の面をとった時の幅は、長さｄ５５を有し、第２の面をとった時の幅は、長さｄ５４を有し、電極２１９の幅は、長さｄ５６である。これらは、長さｄ５４＞長さｄ５５、且つ、長さｄ５４＞長さｄ５６の関係を満たす。
図５（ｂ）は、特に、第３の実施形態に対応しており、カラーフィルタ層４２２のカラーフィルタの色に応じて導光路の高さが異なっている。光電変換部１５１８は、電極４１９と、光電変換層１５２０と、電極１５２１とを含む。ここで、光電変換層１５２０は、部材４２５の上面４２５ｂから、部材４２５の開口の側面を覆い、電極４１９の上を覆っている。光電変換層１５２０は、部材４２６の形状を踏襲した上面を有するコンフォーマルな膜である。更に、電極１５２１も同様に、光電変換層１５２０の上面の形状を踏襲した上面を有するコンフォーマルな膜として形成されている。そして、保護膜１５１４が、電極１５２１の上面に沿って、電極１５２１の上面の窪みを埋め、領域１０１において平坦化膜として機能している。
このような構成においても、カラーフィルタ４２２ａに対応した導光路の高さは、長さｄ５７を有し、カラーフィルタ４２２ｂに対応した導光路の高さは、長さｄ５８を有し、長さｄ５７＜長さｄ５８となっている。
このように、光電変換層が薄く、コンフォーマルな膜によって構成されていてもよい。なお、光電変換層が、第２、第３の実施形態の光電変換層よりも薄いため、部材３２５と部材４２５の開口は平面視したときに円や、楕円や、角のとれた矩形が好ましい。
（第５の実施形態）
第５の実施形態について、図６を用いて説明する。本実施形態において、他の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。また、本実施形態において、第１の実施形態と対応する構成については、下二桁が同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図６において、光電変換部６１８は、電極６１９と、その上に設けられた光電変換層６２０と、光電変換層６２０の上に設けられた電極６２１と、部材６０４と、を有する。ここで、電極６１９の下面６１９ａは、基板２０１の表面２０２に直接接して設けられており、半導体領域６０１と電気的に接続している。そして、部材６０４は、表面２０２の上に設けられ、領域１０１と領域１０２に渡って設けられている。光電変換層６２０は、部材６０４に設けられた開口を埋め、電極６１９と電気的に接続し、領域１０１において部材６０４の開口以外の上を覆っている。電極６２１は、光電変換層６２０を覆い、領域１０２に設けられた配線層６０９と電気的に接続する。保護膜２１４は、領域１０１から領域１０２に渡って、電極６２１の上から配線層６０９の上に延在する。保護膜２１４は開口２１５を有し、配線層６０９の上面６０９ｂの一部を露出させており、配線層６０９は端子として機能する。ここで、部材６０４と光電変換層６２０は、第１の実施形態と同様に導光路を構成している。
このような構成においても、断面視した場合に、部分６２６の上面６２０ｂは、長さｄ６１の幅を有し、上面６２０ｂと電極６１９との間のある面は、長さｄ６２の幅を有し、電極６１９の最大幅である下面６１９ａの長さは、長さｄ６３を有する。これらの関係は、長さｄ６１＞長さｄ６２、且つ、長さｄ６１＞長さｄ６３となっている。つまり、部分６２６において、光入射面に平行な第１の面をとった時の面積は、光入射面に平行で、第１の面と電極６２１との間に位置する第２の面をとった時の面積よりも小さい。そして、電極６１９の光入射面への正射影の面積は、第２の面の光入射面への正射影の面積よりも小さい。
以下、上記の各実施形態に係る光電変換装置の応用例として、該光電変換装置が組み込まれた撮像システムについて例示的に説明する。撮像システムの概念には、撮影を主目的とするカメラなどの装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。撮像システムは、上記の実施形態として例示された本発明に係る光電変換装置と、該光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。該信号処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。
各実施形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。例えば、各実施形態において、基板として半導体基板を例に説明を行ったが、回路が形成されたガラス基板やフレキシブル基板等であってもよい。少なくとも１つの電極と光電変換層との間に、電極から光電変換層へ電荷が注入されるのを抑制する電荷ブロッキング層などの機能層を設けてもよい。また、少なくとも１つの電極と光電変換層との間に、絶縁膜を設けた構成（ＭＩＳ型構造）であってもよい。また、光電変換層は、部材の上面の上にも延在しているが、開口の中のみ、すなわち光電変換層が、部材の上面と面一の上面を有する構成でもよい。また、絶縁膜や保護膜は単層でも多層でもよく、各層が異なる材料からなっていてもよい。その他、各実施形態は、適宜変更、組み合わせが可能である。また、各実施形態は公知の半導体製造技術によって製造可能である。
１０１ 領域
１０２ 領域
２０１ 基板
２０２ 表面
２１８ 光電変換部
２１９ 電極
２２０ 光電変換層
２２１ 電極
２２５ 部材
２２６ 部分
２１９ａ、２２０ａ、２２１ａ 下面
２１９ｂ、２２０ｂ、２２１ｂ、２２５ｂ 上面
２２０ｃ、２２０ｄ 側面
２１４ 保護膜
２０３ 配線構造体
２０４〜２０８ 絶縁膜
２０９〜２１３ 配線層

Claims (18)

  1. 半導体基板と、
    第１の電極と、前記第１の電極よりも光入射面側に配された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配された光電変換層と、を含み、前記半導体基板に対して光入射面側に配された光電変換部と、
    前記第１の電極に接続された少なくとも１つの配線層と層間絶縁膜とを含み、第１の電極と前記半導体基板との間に配された配線構造体と、
    前記光電変換層と接する絶縁部材と、を有し、
    前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の、前記光入射面に平行な第１の面の面積は、前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の、前記第１の面と前記第２の電極の間に配された第２の面の面積よりも小さく、
    前記第１の電極の前記光入射面への正射影の面積は、前記第２の面の前記光入射面への正射影の面積よりも小さく、
    前記第１の面の前記光入射面への正射影の面積は、前記第１の電極の前記光入射面への正射影の面積よりも小さいことを特徴とする光電変換装置。
  2. 前記部分はテーパー形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
  3. 前記光電変換装置は、前記光電変換部とは別の第１の光電変換部を有し、
    前記別の光電変換部は、第３の電極と、前記第３の電極よりも前記光入射面側に配された第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配された第１の光電変換層と、を含み、
    前記光電変換装置は、前記第１の光電変換層と接し、前記第１の光電変換層と共に第１の導光路を構成する第１の部材を有し、
    前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の前記光入射面に垂直な方向に沿った最大長さは、前記第１の光電変換層の前記第１の部材に囲まれた部分の前記光入射面に垂直な方向に沿った最大長さよりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
  4. 前記光電変換装置は、前記光電変換部とは別の第１の光電変換部を有し、
    前記別の光電変換部は、第３の電極と、前記第３の電極よりも前記光入射面側に配された第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配された第１の光電変換層と、を含み、
    前記光電変換装置は、前記第１の光電変換層と接し、前記第１の光電変換層と共に第１の導光路を構成する第１の部材を有し、
    前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分の前記光入射面に平行な方向に沿った最大長さは、前記第１の光電変換層の前記第１の部材に囲まれた部分の前記光入射面に水平な方向に沿った最大長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  5. 前記第２の電極は、前記絶縁部材の前記光入射面側の上面と前記光電変換層の前記光入射面側の上面に接して設けられる
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  6. 前記光電変換層は、前記絶縁部材の前記光入射面側の上面と前記第２の電極の前記半導体基板側の下面に接して設けられる
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  7. 前記光電変換層は、量子ドット層である
    ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  8. 前記光電変換部は、前記第１の電極と前記光電変換層との間に、絶縁膜を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  9. 前記光電変換層と前記絶縁部材とが導波路を構成する
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  10. 半導体基板と、
    光入射面を有する第１の電極と、前記第１の電極と前記半導体基板との間に配された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配された光電変換層と、を含み、前記半導体基板に対して光入射面側に配された光電変換部と、
    前記第２の電極に接続された少なくとも１つの配線層と層間絶縁膜とを含み、第２の電極と前記半導体基板との間に配された配線構造体と、
    前記光電変換層と接する絶縁部材と、を有し、
    前記光電変換部の断面において、前記光電変換層は前記絶縁部材の第１部分と第２部分との間に配され、
    前記断面において、前記半導体基板からの第１の位置での前記第１部分と前記第２部分との第１の距離は、前記第１の位置より前記半導体基板に近い第２の位置での前記第１部分と前記第２部分との第２の距離より長く、
    前記断面において、前記第２の電極の幅は、前記第１の距離より小さく、かつ、前記第２の距離より大きい
    ことを特徴とする光電変換装置。
  11. 前記光電変換層の前記絶縁部材に囲まれた部分はテーパー形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。
  12. 前記光電変換装置は、前記光電変換部とは別の第２の光電変換部を有し、
    前記第２の光電変換部は、第３の電極と、前記第３の電極と前記半導体基板との間に配された第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配された第２の光電変換層と、
    を含み、
    前記絶縁部材は前記光電変換層と前記第２の光電変換層との間に配される
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の光電変換装置。
  13. 前記第１の電極は、前記絶縁部材の前記光入射面側の上面と前記光電変換層の前記光入射面側の上面に接する
    ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  14. 前記光電変換層は、前記絶縁部材の前記光入射面側の上面と前記第２の電極の前記半導体基板側の下面に接する
    ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  15. 前記光電変換層は、量子ドット層である
    ことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  16. 前記光電変換部は、前記第２の電極と前記光電変換層との間に、絶縁膜を有する
    ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  17. 前記光電変換層と前記絶縁部材とが導波路を構成する
    ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
    前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理部と、を有する撮像システム。
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