近赤外センサの高感度化と 色フィルタ無しでのカラー撮像 九州工業大学 マイクロ化総合技術センター 助教 有吉 哲也 1 本日のご紹介技術内容 ○高感度化近赤外シリコンCMOSセンサ ○カラーフィルタを用いない新たなカラー撮像 2 前半：高感度化近赤外シリコンCMOSセンサについて 従来技術とその問題点 既に実用化されている近赤外CMOSセンサには裏 面照射型や化合物半導体を用いたもの等があるが、 ・表面照射型と比べて高々2倍の感度改善 ・化合物半導体は材料そのものが高価 ・化合物半導体では高度な結晶育成技術を必要 等の感度と価格面の問題がある。 3 新技術の特徴 PN接合長 (Ｌ)： 近赤外線の侵入長程度 （W） センサ側面は 切り落とす SiO2 N-type Si 近赤外光 空乏層 P-type Si 提案する側面照射型近赤外線センサの画素構造図 4 新技術における試作チップ 近赤外線 センサ側面 L=120 μm センサ A L=90 μm センサ B A B D C L=60 μm センサ C L=30～160 μm センサ D センサ側面 近赤外線 チップサイズ: 4.20mm × 3.33mm 5 測定結果 0.025 30 0.020 25 量子効率の改善比 雑音電圧[V] 固定パターン雑音(側面切り落とし後) 固定パターン雑音(側面切り落とし前) ランダム雑音(側面切り落とし後) ランダム雑音(側面切り落とし前) 0.015 0.010 0.005 照射光波長 970nm 870nm 780nm 690nm 20 15 10 5 0.000 0 0 50 100 150 PN接合長(L) [μm] 200 0 50 100 150 PN接合長(L) [μm] 200 6 イメージセンサ化 Proposed Sensor Substrate Image Sensor Line Sensor Light Photodiode ・提案するセンサ（ラインセンサ）を積層してイメージセンサ化 その他のイメージセンサ化の方法として、 ・マイクロミラーによるスキャンを利用してイメージセンサ化 7 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術の問題点であった、近赤外線に対す る感度を一桁程度改善することに成功した。 • 高感度化により、従来よりも短露光時間で済 むので、近赤外線による高速撮像が可能とな る。 • 本技術の適用により、照射する近赤外線の光 源の消費電力を抑えることができる。 8 想定される用途 • 近赤外線は性質が可視光に似ているので、 CCDやCMOS撮像素子で検知可能 • 霧中や夜間、近赤外線を前方に照射して、見 えにくい歩行者、障害物などを映像化するナ イトビュー（暗視カメラ） • 医療応用にも有効。（近赤外線を用いてうつ 病を診断する光トポグラフィーなど） 9 実用化に向けた課題 • 現在、近赤外線ラインセンサについて高感度 化を実証済み。しかし、イメージセンサ化の点 が未解決である。 • 今後、物体のラインセンサ上での近赤外線撮 像について実験データの取得を行っていく。 • 実用化に向けて、側面切り落としの高精度化 とイメージセンサ化と後処理回路の技術を確 立する必要もあり。 10 企業への期待 • 未解決の積層化によるイメージセンサ化につ いては、TSV技術により克服できると考えてい る。 • 既存技術であるマイクロミラーでも二次元イ メージの取得が可能と思われる。 • また、撮像素子を開発中の企業、近赤外線応 用分野への展開を考えている企業には、本技 術の導入が有効と思われる。 11 後半：カラーフィルタを用いない新たなカラー撮像について 従来技術とその問題点 既に実用化されているカラーセンサ： Bayer型： ・カラーフィルタを使うので使用する光量の低下 ・偽色やモアレが発生 Foveon型： ・３層のNPNシリコン層を的確に形成する 特別な製造プロセスが必要 等の問題がある。 12 新技術の特徴(1) 空乏層 N-type Si ホール 電子 r センサ側面は 切り落とす SiO2 光 近赤外光 赤色 緑色 青色 4th area 3rd area 2nd area 1st area d P-type Si 提案する側面照射型カラーセンサの画素構造図 13 新技術の特徴(2) センサ側面は 切り落とす N-type Si 1 画素 well contact X’ X 4th area 3rd area 2nd area 光 1st area well contact P-type Si 提案する側面照射型カラーセンサの上面図（X-X’断面は前スライド） 14 新技術における試作チップ(1) 5.0mm 1.0mm センサ側面 F G H 5.0mm D A 1.0mm E B C センサ側面 光 チップサイズ: 5.0mm × 5.0mm センサA～Hは、側面残渣シリコン幅を 0.0μm～2.0μmと割り振ったもの 0.35μmシリコンCMOSプロセスで作製 15 新技術における試作チップ(2) 画素ピッチ幅: 9.0μm L4=40μm (4th area) 画素レイアウト図 PD4 ※それぞれの光検出 領域間隔：0.6μm L3=2.0μm (3rd area) PD3 L2=0.7μm (2nd area) PD2 PD1 L1=0.7μm (1st area) 光 残渣シリコン（幅1.0μm） 遮光金属層 16 色分離特性の測定結果 400 500 600 700 BB GG RR IR IR Photosenseitivity [arb. unit] Photosensitivity [arb. unit] B G R IR 800 900 1000 1100 wavelength [nm] 0.35μm CMOSプロセス（実測） 400 500 600 700 800 900 1000 1100 wavelength [nm] 0.18μm CMOSプロセス （シミュレーション） 17 イメージセンサ化 proposed sensor substrate image sensor line sensor light 4th area 3rd area 2nd area 1st area ・提案するセンサ（ラインセンサ）を積層してイメージセンサ化 その他のイメージセンサ化の方法として、 ・マイクロミラーによるスキャンを利用してイメージセンサ化 18 新技術の特徴・従来技術との比較 • カラーフィルタなしで四色を分離することに成 功した。 • 通常のシリコンCMOSプロセスにてカラーセン サを作製できた。 • 0.35μmCMOSプロセスで実証。より細かいプ ロセスの0.18μmCMOSでさらに良い色分離 特性が得られると予想。 19 実用化に向けた課題 • 現在、カラーラインセンサについて色情報の 取得を実証済み。しかし、イメージセンサ化の 点が未解決である。 • 今後、物体のラインセンサ上でのカラー撮像 について実験データの取得を行っていく。 • 実用化に向けて、側面切り落としの高精度化 とイメージセンサ化と後処理回路の技術を確 立する必要もあり。 20 企業への期待 • 未解決の積層化によるイメージセンサ化につ いては、TSV技術により克服できると考えてい る。 • 既存技術であるマイクロミラーでも二次元イ メージの取得が可能と思われる。 • また、撮像素子を開発中の企業、カラーイメー ジング分野への展開を考えている企業には、 本技術の導入が有効と思われる。 21 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：撮像素子 • 出願番号 ：特願2012-057683 特願2011-044671 特願2010-049364 • 出願人 ：九州工業大学 • 発明者 ：有吉哲也、有馬裕 22 お問い合わせ先 国立大学法人九州工業大学 産学連携推進センター知的財産部門 ＴＥＬ 093-884-3499 ＦＡＸ 093-884-3531 e-mail [email protected] 23
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