專利名稱：固態(tài)成像裝置及其制造方法以及成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固態(tài)成像裝置，制造固態(tài)成像裝置的方法以及成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著像素?cái)?shù)目的增加，已經(jīng)在像素尺寸減小的發(fā)展上有了進(jìn)展。同時(shí)，已經(jīng)在通過 高速成像改善動(dòng)態(tài)圖像性能的發(fā)展上有了進(jìn)展。以此方式，高速成像和像素尺寸減小使得 入射到一個(gè)像素上的光子數(shù)目減少，由此減小了靈敏度。對(duì)于監(jiān)視用攝像機(jī)，存在能夠在黑暗的地方拍攝圖像的攝像機(jī)的需要。即，需要高 靈敏度傳感器。在具有通常的Bayer格式的圖像傳感器中，像素對(duì)于每種顏色分離。因此，執(zhí)行去 馬賽克，由此不利地導(dǎo)致偽色，其中去馬賽克是根據(jù)該像素周圍的像素來對(duì)該像素的顏色 進(jìn)行插值的算法處理。在這種情況下，報(bào)導(dǎo)了作為具有高光吸收系數(shù)的光電轉(zhuǎn)換層的CulnGaSe2層 被用到圖像傳感器中，由此實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度(例如，見日本未審查專利申請(qǐng)公報(bào) No. 2007-123720 禾口 Japan Society of Applied Physics, Spring Meeting,2008, Conference Proceedings,29p_ZC_12(2008))。然而，光電轉(zhuǎn)換層基本上生長在電極上并且因此是多晶的，由于晶體缺陷而導(dǎo)致 暗電流顯著發(fā)生。此外，在這種狀態(tài)下，光不被分離。同時(shí)，報(bào)導(dǎo)了用于使用硅的、由波長決定的吸收系數(shù)來分離光的方法。該方法不包 括去馬賽克，因此消除了偽色(例如，見美國專利No. 5，965，875)。這種方法提供了高度的顏色混合和差的顏色再現(xiàn)性。即，關(guān)于在美國專利 5，965，875中描述的使用由波長決定的吸收系數(shù)的機(jī)制，所檢測到的光的量理論上不減少。 然而，在紅光和綠光穿過對(duì)于藍(lán)色成分敏感的層時(shí)，在層中吸收小特定量的紅色成分和綠 色成分，因此這些成分被檢測為藍(lán)色成分。因此，即使在藍(lán)色信號(hào)不存在的情況下，綠色和 紅色信號(hào)的通過導(dǎo)致藍(lán)色信號(hào)的誤檢測，引起偽信號(hào)并且難以提供充分的顏色再現(xiàn)性。為了防止出現(xiàn)偽信號(hào)，通過使用所有三原色進(jìn)行計(jì)算來執(zhí)行信號(hào)處理以進(jìn)行校 正。因此，額外地設(shè)置了用于計(jì)算的電路，增加電路的電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和規(guī)模并導(dǎo)致成本 增加。此外，如果三原色中的一者飽和了，那么飽和的顏色信號(hào)的實(shí)際值不能確定，由此導(dǎo) 致計(jì)算錯(cuò)誤。因此，將信號(hào)作為與其真實(shí)顏色不同的顏色而進(jìn)行處理。此外，利用插頭來讀 取信號(hào)，所以設(shè)置了插頭區(qū)域。這使得光電二極管的趨于減小。即，該方法不適合于減小像 素尺寸。同時(shí)，參照?qǐng)D46，大部分半導(dǎo)體對(duì)于紅外光具有吸收靈敏度。因此，在例如使用硅 (Si)半導(dǎo)體材料的固態(tài)成像裝置(圖像傳感器)中，作為減色濾波器的示例的紅外截止濾 波器通常設(shè)置在傳感器的光入射側(cè)上。傳感器被報(bào)導(dǎo)為克服了使用由波長決定的吸收系數(shù) 的機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)的傳感器。傳感器利用帶隙，而不使用減色濾波器。傳感器具有好的光電轉(zhuǎn) 換效率和顏色分離度。所有的三個(gè)原色都在一個(gè)像素位置處檢測(例如，見日本未審查專
5利公報(bào)No. 1-151262、3-289523和6-209107)。在文件中公開的每個(gè)圖像傳感器都具有其中
帶隙沿著深度方向變化的結(jié)構(gòu)。在日本未審查專利公報(bào)No. 1-151262中，由具有不同帶隙Eg的材料構(gòu)成的層沿著 深度方向順序地堆疊在玻璃襯底上，以進(jìn)行顏色分離。然而，例如，為了分離藍(lán)色(B)、綠色 (G)和紅色(R)，文件僅陳述了堆疊這些層，使得Eg(B) > Eg(G) > Eg(R)。沒有提到具體材 料。相反，日本未審查專利公報(bào)3-289523公開了利用SiC材料分離顏色。日本未審查 專利公報(bào)6-209107公開了 AlGaInAs和AlGaAs材料。然而，在日本未審查專利公報(bào)3-289523和6-209107中，沒有提到在不同材料的異
質(zhì)結(jié)處的結(jié)晶性。在具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料被彼此結(jié)合時(shí)，晶格常數(shù)的不同導(dǎo)致失配位錯(cuò)，由此 減小了結(jié)晶性。因此，被束縛在形成在帶隙中的缺陷能級(jí)處的電子被噴出，導(dǎo)致產(chǎn)生暗電 流。作為解決上述問題的方法，報(bào)導(dǎo)了通過控制硅(Si)襯底上的帶隙來分離光(例 如，見日本未審查專利申請(qǐng)公報(bào)No. 2006-245088)。在這種情況下，晶格失配的SiCGe基混 晶和Si/SiC超結(jié)構(gòu)形成在Si襯底上，而沒有晶格匹配。為了分離光，由于硅(Si)的低吸 收系數(shù)而理想地形成厚膜。不利地，傾向于產(chǎn)生晶體缺陷，因此，傾向于產(chǎn)生暗電流。也報(bào) 道了使用砷化鎵(GaAs)襯底的裝置。然而，相比于硅(Si)襯底來說，GaAs襯底昂貴并且 對(duì)于普通的傳感器具有低的親和力。增加靈敏度的嘗試的示例是通過雪崩倍增來放大信號(hào)。例如，嘗試了通過施加 高電壓來執(zhí)行光電子的倍增(例如，見IEEE Transactions Electron Devices Vol. 44, No. 10,October 1997)。這里，施加用于光電子的倍增的高達(dá)40V的電壓由于諸如串?dāng)_的問 題而使得難以減小像素尺寸。這種傳感器具有11. 5 μ mX 13. 5 μ m的像素尺寸。關(guān)于另一種雪崩倍增圖像傳感器(例如，見IEEE J. Solid-State Circuits,40, 1847 (2005))，施加25. 5V的電壓來進(jìn)行倍增。為了避免串?dāng)_，例如布置了寬的保護(hù)環(huán)層。此 外，像素尺寸有58 μ mX 58 μ m那么大。

發(fā)明內(nèi)容
期望隨著像素?cái)?shù)目的增加而減小像素的尺寸，實(shí)現(xiàn)高速拍攝并且在黑暗的地方拍 攝圖像，并且防止由于入射到一個(gè)像素上的光子數(shù)目的減小而使得靈敏度降低。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種包括光電轉(zhuǎn)換層的高靈敏度固態(tài)成像裝置，該 光電轉(zhuǎn)換層在抑制了暗電流的產(chǎn)生的同時(shí)，具有良好的結(jié)晶性并且具有高的光學(xué)吸收系 數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置包括硅襯底以及光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換 層設(shè)置在硅襯底上并且與硅襯底晶格匹配，光電轉(zhuǎn)換層由基于銅_鋁-鎵-銦-硫-硒 (CuAlGaInSSe)的混晶或基于銅_鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒(CuAlGaInZnSSe)的混晶的基 于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)成像裝置包括硅襯底以及設(shè)置在硅襯底上并且與硅襯底晶格 匹配的光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換層由基于CuAlGalnSSe的混晶或基于CuAlGalnZnSSe的混晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。因此，抑制了暗電流的產(chǎn)生并且增加了靈敏度。因此，有利地獲得了具有優(yōu)秀圖像質(zhì)量的圖像以及高靈敏度。用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的方法包括將光電轉(zhuǎn)換 層設(shè)置在硅襯底上并同時(shí)保持其與硅襯底晶格匹配的步驟，該光電轉(zhuǎn)換層由基于 銅-鋁-鎵-銦-硫-硒(CuAlGalnSSe)的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒 (CuAlGaInZnSSe)的混晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。在用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的方法中，將光電轉(zhuǎn)換層設(shè)置在 硅襯底上并同時(shí)保持其與硅襯底晶格匹配，該光電轉(zhuǎn)換層由基于CuAlGalnSSe的混晶或基 于CuAlGalnZnSSe的混晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。因此，抑制了暗電流的產(chǎn)生 并且增加了靈敏度。因此，有利地獲得了具有優(yōu)秀圖像質(zhì)量的圖像以及高靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備包括構(gòu)造為會(huì)聚入射光的聚光光學(xué)系統(tǒng)、構(gòu)造 為接收由聚光光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚的光并且執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的固態(tài)成像裝置以及構(gòu)造為處理通過 光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)的信號(hào)處理單元，其中，該固態(tài)成像裝置包括設(shè)置在硅襯底上并 且與所述硅襯底晶格匹配的光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換層由基于銅_鋁-鎵-銦-硫-硒 (CuAlGalnSSe)的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒(CuAlGalnZnSSe)的混晶的基 于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備中，固態(tài)成像裝置包括設(shè)置在硅襯底上并 且與硅襯底晶格匹配的光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換層由基于CuAlGalnSSe的混晶或基于 CuAlGalnZnSSe的混晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。因此，抑制了暗電流的產(chǎn)生，由 此抑制了圖像質(zhì)量由于亮斑二降低。此外，固態(tài)成像裝置具有高靈敏度并且以高靈敏度拍 攝圖像。因此，以高靈敏度拍攝圖像并抑制了圖像質(zhì)量的下降有利地使得即使在黑暗的環(huán) 境下(例如，在夜間)也可以拍攝高質(zhì)量的圖像。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第一示例的概略截面圖；圖2示出了基于黃銅礦的混晶的概略結(jié)構(gòu)；圖3示出了基于黃銅礦的材料的帶隙與晶格常數(shù)之間的關(guān)系；圖4示出了基于黃銅礦的材料的帶隙與晶格常數(shù)之間的關(guān)系；圖5是由基于黃銅礦的材料構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層的示例的概略截面圖；圖6是由使用超晶格的基于黃銅礦的材料構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層的示例的概略截面 圖；圖7是示出了通過帶隙預(yù)測的吸收系數(shù)α與波長之間的關(guān)系的圖；圖8是其中測量的光譜靈敏度特性的、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的示 例的概略截面圖；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的光譜靈敏度特性的圖；圖10是其中測量的光譜靈敏度特性的、現(xiàn)有技術(shù)中的固態(tài)成像裝置的示例的概 略截面圖；圖11是示出了現(xiàn)有技術(shù)中的固態(tài)成像裝置的光譜靈敏度特性的圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第二示例的概略截面圖13是示出了讀出電路的示例的概略電路圖；圖14是根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的能帶圖15是在讀取R信號(hào)時(shí)的能帶圖；圖16是在讀取G信號(hào)時(shí)的能帶圖；圖17是在讀取B信號(hào)時(shí)的能帶圖；圖18是包括讀出電極的、根據(jù)第二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的修改例的概略截面 圖；圖19是在零偏壓下的、根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的能帶圖；圖20是在反向偏壓下的、根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的能帶圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第三示例的概略截面圖；圖22是示出了讀出電路的示例的概略電路圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的能帶圖；圖24是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第四示例的概略截面圖；圖25是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的能帶圖；圖26是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第五示例的概略截面圖；圖27是示出了根據(jù)第五實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的光譜靈敏度特性的圖；圖28是示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的帶隙與晶格常數(shù)之間 的關(guān)系的圖；圖29是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第六示例的概略截面圖；圖30是根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第七示例的概略截面圖；圖31是示出了讀出電路的示例的概略電路圖；圖32是固態(tài)成像裝置的第七示例的第一修改例的概略截面圖；圖33是固態(tài)成像裝置的第七示例的第二修改例的概略截面圖；圖34是示出了固態(tài)成像裝置所使用的CMOS圖像傳感器的電路框圖；圖35是示出了固態(tài)成像裝置所使用的CXD的框圖；圖36是示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的第十二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的方法的第 五示例的概略截面圖；圖37是示出了根據(jù)本發(fā)明的第十二實(shí)施例的帶隙與晶格常數(shù)之間的關(guān)系的圖；圖38是構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的示例的概略截面圖；圖39是構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的示例的概略截面圖；圖40是構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的示例的概略截面圖；圖41是構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的示例的概略截面圖；圖42是構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的示例的概略截面圖；圖43是示出了金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的示例的框圖；圖44是示出了分子束外延(MBE)設(shè)備的示例的該略圖；圖45是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備的框圖；以及圖46示出了半導(dǎo)體材料的光學(xué)吸收譜。
具體實(shí)施例方式1.第一實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第一示例將要參照?qǐng)D1的概略截面圖描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第
一示例。如圖1所示，第一電極層12形成在硅襯底11中。第一電極層12例如由形成在 硅襯底11中的η型硅區(qū)域制成。光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在第一電極層12上，其中光電轉(zhuǎn)換 層13由基于晶格匹配的銅-鋁-鎵-銦-硫-硒(下文中稱作“CuAKialnSk”)的混 晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成?；阢~-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒(下文中稱作 "CuAlGaInZnSSe")的混晶也可以被用作上述基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體。光學(xué)透明的第 二電極層14設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由透明電極材料構(gòu)成，例如，氧化銦 錫(ITO)、氧化鋅或氧化銦鋅。固態(tài)成像裝置1(圖像傳感器)具有上述基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。由基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體形成的光電轉(zhuǎn)換層13被構(gòu)造為將光沿著深度方向 分為紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)成分并且形成為使其與硅襯底11晶格匹配。在保持與襯底晶格匹配的狀態(tài)下，將具有高光吸收系數(shù)的基于黃銅礦的混晶外延 生長在Si(IOO)襯底上，由此實(shí)現(xiàn)滿意的結(jié)晶性并導(dǎo)致具有低的暗電流的高度靈敏的固態(tài) 成像裝置1。在圖2中示出黃銅礦結(jié)構(gòu)。圖2示出了作為黃銅礦材料的示例的Cdr^e2的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，CuInSe2基本具有與硅(Si)相同的鉆石結(jié)構(gòu)。硅原子部分地由例如 銅(Cu)、銦an)、鎵(Ga)等替代，以形成黃銅礦結(jié)構(gòu)。因此，可以基本上執(zhí)行在硅襯底上的 外延生長。外延生長方法的示例包括分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和 液相外延(LPE)。即，只要執(zhí)行外延生長，就可以基本上采用任何沉積方法。在圖3中示出了基于黃銅礦的材料的帶隙和晶格常數(shù)。如圖3所示，硅(Si)的晶格常數(shù)a是5.431A (由圖中的虛線表示)。可以對(duì)于該 晶格常數(shù)形成晶格匹配的混晶的示例是基于CuAWalnSk的混晶。基于CuAWalnSk的混 晶可以外延生長在硅(100)襯底上。如圖4所示，在晶格常數(shù)a=5.43lA (由圖中的虛線表示)的情況下，可以通過改變 成分來控制帶隙。因此可以生長構(gòu)造為將光分離為紅色、綠色和藍(lán)色成分的層。下文中，R表 示紅色光，G表示綠色光并且B表示藍(lán)色光。例如，CuGatl.52Ιηα48&被用作分離R成分的光電轉(zhuǎn) 換材料。CuAla 24Ga0.23In0.53S2被用作分離G成分的光電轉(zhuǎn)換材料。CuAla 36Ga0.64SL 28Se0.72被用 作分離B成分的光電轉(zhuǎn)換材料。在這種情況下，它們的帶隙分別是2. 00eV、2. 20eV和2. 51eV。 在這種情況下，如圖5所示，用于R成分的光電轉(zhuǎn)換材料、用于G成分的光電轉(zhuǎn)換材料和用于 B成分的光電轉(zhuǎn)換材料按順序堆疊在硅襯底11上，使得光沿著深度方向分離為這些成分?？紤]到紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)成分的光子能量，在下文中描述了可以沿著深度 方向分離光的帶隙區(qū)域。即，圖1中示出的光電轉(zhuǎn)換層13包括構(gòu)造為從光分離紅色成分的 第一光電轉(zhuǎn)換子層21、構(gòu)造為從光分離綠色成分的第二光電轉(zhuǎn)換子層22和構(gòu)造為從光分 離藍(lán)色成分的第三光電轉(zhuǎn)換子層23。第一光電轉(zhuǎn)換子層21可以具有2. OOeV士0. IeV的帶 隙(波長590nm到650nm)。第二光電轉(zhuǎn)換子層22可以具有2. 20eV士0. 15eV的帶隙(波長 530nm到605nm)。第三光電轉(zhuǎn)換子層23可以具有2. 51eV士0. 2eV的帶隙(波長460nm到535nm)。在這種情況下，第一光電轉(zhuǎn)換子層21的成分是ΟιΑ1 Λ，其中0彡χ彡0. 12、
0.38彡y彡0.52,0. 48彡ζ彡0. 50并且x+y+z = 1。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是 CuAlxGaJnzS2，其中 0. 06 彡 χ 彡 0. 41,0. 01 ^ y ^ 0. 45,0. 49 彡 ζ 彡 0. 58 并且 x+y+z = 1。 第三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是CuAlxGaySJev，其中0. 31彡χ彡0. 52,0. 48 ^ y ^ 0. 69、
1.33 彡 u 彡 1. 38、0· 62 彡 ν 彡 0. 67 并且 x+y+u+v = 3 (或者 x+y = 1 并且 u+v = 2)。圖 1示出了這些子層的示例成分。固態(tài)成像裝置的修改例(超晶格的應(yīng)用)同時(shí)，在一些情況下，根據(jù)外延生長設(shè)備和外延生長條件的限制，基于黃銅礦的、 構(gòu)造為分離RGB成分的光電轉(zhuǎn)換子層中的一些或者全部不能夠以固溶的形式生長。在這種情況下，如圖6所示，在每個(gè)子層的厚度都等于或小于臨界厚度的情況下， 可以使用超晶格來生長每個(gè)子層。例如，在生長CuGMrvA的情況下，交替地生長可以在 硅襯底11上生長的01( 層32和01 層，使其都具有等于或小于臨界厚度的厚度。在這種情況下，通過控制每個(gè)層的厚度，而進(jìn)行使得每個(gè)子層的整體成分與目標(biāo) 成分相同的設(shè)計(jì)，由此導(dǎo)致擬似混晶(pseudo-mixed crystal) 0超晶格中的每個(gè)子層的厚 度被設(shè)置為使其等于或小于臨界厚度h。的原因是大于臨界厚度h。的厚度引起失配位錯(cuò)缺 陷，由此減小結(jié)晶性。臨界厚度由在圖中示出的Matthews-Blakeslee表達(dá)式限定。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換層使用寬帶隙材料抑制了由于熱產(chǎn)生載流子，由此減小了熱噪聲并 產(chǎn)生良好的圖像。關(guān)于生長晶體的方法，晶體管、讀出電路、布線等所定位的部分預(yù)先由材料層覆 蓋，其中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換層13可以選擇地生 長在硅襯底部分地暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換層13可以橫向生長在例如由氧化硅或氮 化硅構(gòu)成的材料層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。在這種情況下，RGB成分被良好的分離，并且顏色混合的程度較低。圖7示出了通 過每個(gè)材料的帶隙能量預(yù)測的吸收系數(shù)α對(duì)波長的依存性。圖7描繪了在比相應(yīng)的帶隙能量更低的光子能量處每個(gè)吸收系數(shù)α急劇下降。特性的比較下文中將要描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性固態(tài)成像裝置的光譜靈敏度特 性。固態(tài)成像裝置具有其中光如圖8所示沿著深度方向分離的結(jié)構(gòu)。S卩，將0.8μπι厚 的Cufeia52Ina4i^2子層用作光電轉(zhuǎn)換層13的第一光電轉(zhuǎn)換子層21。將0. 7 μ m厚的 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2 子層用作第二光電轉(zhuǎn)換子層 22。將 0. 3μπι厚的 CuAla36GEia64Sui^ea72 子層用作第三光電轉(zhuǎn)換子層23。圖9示出了關(guān)于光電轉(zhuǎn)換層13的光譜靈敏度特性，紅、綠和藍(lán)的顏色良好地分離 并且實(shí)現(xiàn)低程度的顏色混合。相反，如圖10所示，在美國專利No. 5，965，875中描述的、其中光沿著深度方向分 離的結(jié)構(gòu)中，構(gòu)造為對(duì)紅色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層121形成為2. 6μπι厚的Si層。 構(gòu)造為對(duì)綠色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層122形成為1.7μπι厚的Si層。構(gòu)造為對(duì)藍(lán) 色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層123形成為0. 6 μ m厚的Si層。即，光電轉(zhuǎn)換層113具有 4. 9μπι的厚度。
圖11示出了關(guān)于光電轉(zhuǎn)換層113的光譜靈敏度特性，紅、綠和藍(lán)的顏色的分離較 差并且顏色混合程度較高。固態(tài)成像裝置1將光分離為具有良好顏色分離的成分，而不使用芯片上濾光片 (OCCF)，并且因?yàn)榕c芯片上濾光片(OCCF)不同，光沒有被截?cái)啵跃哂懈叩墓馐褂眯?和高靈敏度。在每個(gè)像素位置處獲得紅、綠和藍(lán)的三種顏色的信息組，使得可以不執(zhí)行去馬賽 克。因此，理論上不產(chǎn)生偽色，導(dǎo)致高分辨率。此外，可以不使用低通濾波器，有利地導(dǎo)致成本減小。此外，光電轉(zhuǎn)換層13與硅(Si)襯底晶格匹配，使得即使光電轉(zhuǎn)換層被生長為使其 具有更厚的厚度，膜也沒有晶體缺陷，由此導(dǎo)致低的暗電流。日本未審查專利申請(qǐng)公報(bào)No. 2006-245088公開了基于SiCGe的混晶和硅(Si)襯 底上的Si/SiC的超晶格的產(chǎn)生。為了分離光，在這種結(jié)構(gòu)中，由于硅(Si)的低吸收系數(shù)， 所以理想地形成厚膜，使得傾向于產(chǎn)生晶體缺陷。也提到了在GaAs襯底上生長晶體。然而 由于( 元素資源的量較少，GaAs襯底的成本較高。此外，襯底由于其毒性而不利地影響環(huán)
^Mi ο2.第二實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第二示例將要在下文中參照?qǐng)D12的概略截面圖、圖13的概略電路圖、構(gòu)造為讀取信號(hào)的電 路和在零偏壓下的能帶圖的圖14，來描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第二 示例。這里，將會(huì)描述其中允許同時(shí)地發(fā)生信號(hào)讀出和雪崩倍增的結(jié)構(gòu)。如圖12和圖13所示，硅襯底11是P型硅襯底。第一電極層12形成在硅襯底11中。 第一電極層12例如由形成在硅襯底11中的η型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWaInSk 的混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13被設(shè)置在第一電極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照以下順 序堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn) 換子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由I-CuGiia52Ina4i^2構(gòu)成，第二光電轉(zhuǎn)換子層22由 I-CuAl0 24Ga0 23In0 53S2 構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層 23 由 p_CuAl0. ^5Ga0.64SL28Se0.72 構(gòu)成。光 學(xué)透明的第二電極層14設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由光透明電極材料構(gòu)成， 例如，氧化銦錫(ITO)、氧化鋅或氧化銦鋅。光電轉(zhuǎn)換層13整體具有p-i-i結(jié)構(gòu)。讀出電極15設(shè)置在第一電極層12上。利用柵極MOS晶體管41沿著由箭頭示出 的方向讀取信號(hào)的讀出電路51設(shè)置在硅襯底11上。柵極MOS晶體管41具有其中柵電極 設(shè)置在柵極絕緣膜上的結(jié)構(gòu)。下文描述的柵極MOS晶體管具有相同的結(jié)構(gòu)。在讀出電路51中，重置晶體管Ml的擴(kuò)散層和放大晶體管M2的柵電極連接到與光 電轉(zhuǎn)換層13連接的浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD。放大晶體管M2連接到選擇晶體管M3，并且放大晶體管 M2的擴(kuò)散層在放大晶體管M2與選擇晶體管M3之間共享。選擇晶體管M3的擴(kuò)散層連接到 輸出線。固態(tài)成像裝置2 (圖像傳感器)具有上述構(gòu)造。如圖14的能帶圖中所示，由于光電轉(zhuǎn)換層13的p-i-i結(jié)構(gòu)，能帶通過內(nèi)電場而傾 斜。由于這種傾斜，通過光照射而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)與電子和空穴而空間分離。
此外，規(guī)定 ^BG^BE>kT( = 26meV)，通過連續(xù)的成分控制，釘狀屏障形成在 三個(gè)子層之間的界面附近的部分的寬帶隙那一側(cè)上，使得光電子可以被限制并且對(duì)于RGB 中的每一者聚集(光電子的聚集)，其中k表示波爾茲曼常數(shù)，并且kT對(duì)應(yīng)于室溫下的熱 能。如果屏障不存在，載流子自發(fā)地從高帶隙子層傳遞到低帶隙子層。因此，光電子對(duì) 于RGB中的每一者不聚集。如圖15所示，在固態(tài)成像裝置2中，首先可以通過施加Vr的反向偏壓而讀取R信 號(hào)。通過釘狀屏障而限制G信號(hào)和B信號(hào)。在這種情況下，在作為第一電極層12的η型硅層與作為第一光電轉(zhuǎn)換子層21的 I-CuGaa52Ina4i^2之間的傳導(dǎo)帶中存在內(nèi)在的不連續(xù)性。因此，即使低電壓的施加引起沖 突，也能將高動(dòng)能施加到晶格。這導(dǎo)致了離子化，以產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，導(dǎo)致雪崩倍增。為了讀取信號(hào)，電荷臨時(shí)地聚集在作為第一電極層12的η型硅層中。之后，讀出 電路51利用柵極MOS晶體管41讀取信號(hào)。如圖16和17所示，規(guī)定Vb > Ve > VE, VG和VB 的電壓按照順序施加，以讀取G信號(hào)和B信號(hào)。也在這種情況下，通過在作為第一電極層12 的η型硅層與作為第一光電轉(zhuǎn)換子層21的i-Cufe^. 52^ια4焱之間的傳導(dǎo)帶中的不連續(xù)性以 及基于黃銅礦的材料之間的傳導(dǎo)帶中的不連續(xù)性的效果而產(chǎn)生的雪崩倍增。在這種讀出方法中，可以不使用如美國專利No. 5，965，875中描述的插頭結(jié)構(gòu)。因 此，可以形成每個(gè)都具有大面積的光電二極管，改善靈敏度、簡化了處理并且減小了成本。在上文中已經(jīng)描述了使用柵極MOS晶體管來讀取信號(hào)的方法?？蛇x擇的，如圖18 所示，讀出電極15可以形成在作為第一電極層12的η型硅層上，以讀取信號(hào)。在上述的固態(tài)成像裝置2中，通過改變成分而控制帶隙導(dǎo)致光沿著深度方向分離 為RGB成分、聚集光電子、通過施加三階段電壓而讀出信號(hào)并且減小電壓以導(dǎo)致雪崩倍增。3.第三實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第三示例在上文中已經(jīng)描述了使得光沿著深度方向分離的結(jié)構(gòu)和同時(shí)地使得光分離以及 雪崩倍增的結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的第三實(shí)施例，也可以使用只發(fā)生雪崩倍增的簡單結(jié)構(gòu)。將 要參照?qǐng)D19和圖20描述示例結(jié)構(gòu)，其中圖19是在零偏壓下的能帶圖并且圖20是在反向 偏壓下的能帶圖。如圖19和圖20所示，帶隙的連續(xù)或步進(jìn)變化導(dǎo)致高度的不連續(xù)性。在這種情況 下，傳導(dǎo)帶不連續(xù)性的程度高于圖14到圖17中示出的情況。因此可以在低驅(qū)動(dòng)電壓下實(shí) 現(xiàn)高雪崩倍增增益。在這種情況下，可以利用與裝置的表面相鄰布置的諸如芯片上濾光片 (OCCF)的濾光片執(zhí)行顏色分離。此外，用于讀取信號(hào)的方法不限于其中電壓沿著深度方向施加的方法。例如，可以 通過將電壓施加到具有p-i-i結(jié)構(gòu)或pn結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換部分來讀取信號(hào)。將要參照?qǐng)D21 和圖22描述其示例。如圖21所示，硅襯底11由ρ型硅襯底制成。第一電極層12形成在硅襯底11中。 第一電極層12例如由形成在硅襯底11中的η型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAKialnSk 的混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13被設(shè)置在第一電極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照以下 順序堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由CuGiia52Ina4i^2構(gòu)成、第二光電轉(zhuǎn)換子層22由 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層23由CuAla36GEta64Su8Si5a72構(gòu)成。第一光 電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23中的每一者具有i傳導(dǎo)性中 央部分、P傳導(dǎo)性的一端部分和η傳導(dǎo)性的另一端部分。因此，每個(gè)子層具有p-i-n結(jié)構(gòu)?？蛇x地，未示出，第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子 層23中的每一者具有ρ型半導(dǎo)體的一端部分和η型半導(dǎo)體的另一端部分。因此，每個(gè)子層 具有Pn結(jié)構(gòu)。此外，ρ型電極14ρ (第二電極層)設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13的第二光電轉(zhuǎn)換子層22 的P型端部分上和第三光電轉(zhuǎn)換子層23的P型端部分上。此外，η型電極14n (第二電極 層)設(shè)置在第二光電轉(zhuǎn)換子層22的η型端部分上和光電轉(zhuǎn)換子層13的第三光電轉(zhuǎn)換子層 23的η型端部分上。可以不設(shè)置P型電極14ρ。構(gòu)造為利用柵極MOS晶體管41、沿著由箭頭示出的方向讀取信號(hào)的讀出電路51形 成在硅襯底11中。如圖22所示，在讀出電路51中，重置晶體管Ml的擴(kuò)散層和放大晶體管Μ2的柵電 極連接到與光電轉(zhuǎn)換層13連接的浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD。放大晶體管Μ2連接到選擇晶體管Μ3，并 且放大晶體管Μ2的擴(kuò)散層在放大晶體管Μ2與選擇晶體管Μ3之間共享。選擇晶體管Μ3的 擴(kuò)散層連接到輸出線。固態(tài)成像裝置3 (圖像傳感器)具有上述構(gòu)造。也在光電轉(zhuǎn)換層13具有如上所述的p-i-n結(jié)構(gòu)或pn結(jié)構(gòu)的情況下，不一定施加 反向偏壓來讀取信號(hào)。在圖23中示出了圖21中示出的固態(tài)成像裝置3的能帶圖。S卩，規(guī)SB>kT( = ^meV)，通過成分控制，屏障形成在第二光電轉(zhuǎn)換子層22與第三光電轉(zhuǎn)換子層23之間的界 面附近的部分的寬帶隙側(cè)上。因此，可以束縛和聚集由藍(lán)色成分產(chǎn)生的光電子。類似地，規(guī) SB > kT( = 26meV)，通過成分控制，屏障形成在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電轉(zhuǎn)換子 層22之間的界面附近的部分的寬帶隙側(cè)上。因此，可以束縛和聚集由綠色成分產(chǎn)生的光電 子。關(guān)于紅色成分，電子被傳遞到作為第一電極層12的η型硅層并且之后通過柵極MOS晶 體管41讀取。4.第四實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第四實(shí)施例此外，固態(tài)成像裝置3可以具有下述結(jié)構(gòu)。下文中該結(jié)構(gòu)將要被描述為本發(fā)明的 第四實(shí)施例。如圖M所示，硅襯底11由P型硅襯底制成。由基于晶格匹配的CuAlGaInSk的混 晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13被設(shè)置在硅襯底11上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照以下順序堆疊在 硅襯底11上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23，其中， 第一光電轉(zhuǎn)換子層21由CuGEta52Ina4i^2構(gòu)成、第二光電轉(zhuǎn)換子層22由CuAla24GEia23InaraS 構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層23由CuAla36GEia MS^ka72構(gòu)成。第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二 光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23中的每一者具有本征中央部分、ρ型半導(dǎo)體的一 端部分和η型半導(dǎo)體的另一端部分。因此，每個(gè)子層具有p-i-n結(jié)構(gòu)?？蛇x地，未示出，第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23中的每一者具有ρ型半導(dǎo)體的一端部分和η型半導(dǎo)體的另一端部分。因此，每個(gè)子層 具有Pn結(jié)構(gòu)。此外，ρ型電極14ρ (第二電極層)設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13的第一光電轉(zhuǎn)換子層21 的P型端部分、第二光電轉(zhuǎn)換子層22的P型端部分和第三光電轉(zhuǎn)換子層23的P型端部分 上。此外，η型電極14η(第二電極層)設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13的第一光電轉(zhuǎn)換子層21的η 型端部分、第二光電轉(zhuǎn)換子層22的η型端部分和第三光電轉(zhuǎn)換子層23的η型端部分上?？?以不設(shè)置P型電極14ρ。第一電極層12形成在硅襯底11中并且例如定位在第一光電轉(zhuǎn)換子層21的一側(cè) 上。第一電極層12例如由形成在硅襯底11中的η型硅層制成。第一光電轉(zhuǎn)換制成21上的 η型電極Hn用導(dǎo)線18連接到設(shè)置在第一電極層12上的電極17。柵極MOS晶體管41設(shè) 置在硅襯底11上并且與第一電極層12相鄰。硅襯底11包括與在圖22的概略電路圖中描 述的讀出電路相同的讀出電路，并且讀出電路被構(gòu)造為利用柵極MOS晶體管41讀取信號(hào)。固態(tài)成像裝置4 (圖像傳感器)具有上述構(gòu)造。將要在下文中參照?qǐng)D25描述固態(tài)成像裝置4的能帶圖。如圖25所示，規(guī)定B > kT( = 26meV)，通過成分控制，屏障形成在第二光電轉(zhuǎn)換子層22與第三光電轉(zhuǎn)換子層23之 間的界面附近的部分的寬帶隙側(cè)上。因此，可以束縛和聚集由藍(lán)色成分產(chǎn)生的光電子。類 似地，規(guī)定B > kT ( = 26meV)，通過成分控制，屏障形成在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電 轉(zhuǎn)換子層22之間的界面附近的部分的寬帶隙側(cè)上。因此，可以束縛和聚集由綠色成分產(chǎn)生 的光電子。類似地，規(guī)定B > kT( = 26meV)，通過成分控制，屏障形成在第一光電轉(zhuǎn)換子層 21與硅襯底11之間的界面附近的部分的寬帶隙側(cè)上。因?yàn)棣切碗姍C(jī)Hn設(shè)置在第一光電 轉(zhuǎn)換子層21上，所以可以直接地讀取聚集在第一光電轉(zhuǎn)換子層21中的電子?？蛇x擇地，每個(gè)RGB成分的光電子可以臨時(shí)地聚集在硅襯底11中并且之后通過柵 極MOS晶體管41讀取。雖然ρ型電極14p構(gòu)造為提取空穴，可以通過將ρ型電極14p直接 連接接地而消除充電。此外，具有更高的P型摻雜濃度的硅襯底11的使用允許將空穴傳輸 到硅襯底11中。在這種情況下，可以不使用P型電極14p。在這種結(jié)構(gòu)中，由于傳導(dǎo)帶的不 連續(xù)性，在低電壓驅(qū)動(dòng)下除了讀出紅色成分之外，不一定發(fā)生雪崩倍增。然而，這種結(jié)構(gòu)具 有不是如上所述連續(xù)地讀出信號(hào)而是可以同時(shí)讀出信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。5.第五實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第五示例在上述描述中，第一到第三光電轉(zhuǎn)換子層沿著深度方向堆疊。然而，子層不一定堆 疊。將要在下文中參照?qǐng)D沈的概略截面圖描述其中第一到第三光電轉(zhuǎn)換子層不堆疊的、根 據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第五示例。如圖沈所示，可以橫向地設(shè)置構(gòu)造為分離紅色成分的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、構(gòu)造 為分離綠色成分的第二光電轉(zhuǎn)換子層22和構(gòu)造為分離藍(lán)色成分的第三光電轉(zhuǎn)換子層23。將要在下文中具體描述。硅襯底11由ρ型硅襯底制成。第一電極層12形成在硅 襯底11中并且位于形成將光分離為RGB成分的光電轉(zhuǎn)換子層的位置。第一電極層12中的 每個(gè)例如由形成在硅襯底11中的η型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWalnSk的混晶構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換子層21設(shè)置在位于 紅色成分被分離的部分處的第一電極層12上。第一光電轉(zhuǎn)換子層21例如由CuGiia52Ina4i^2構(gòu)成。由基于晶格匹配的CuAKialnSk的混晶構(gòu)成的第二光電轉(zhuǎn)換子層22設(shè)置在 位于綠色成分被分離的部分處的的第一電極層12上。第二光電轉(zhuǎn)換子層22例如由 CuAl0 24Ga0 23In0 53S2 構(gòu)成。由基于晶格匹配的CuAWaInSk的混晶構(gòu)成的第三光電轉(zhuǎn)換子層23設(shè)置 在位于藍(lán)色成分被分離的部分處的第一電極層12上。第三光電轉(zhuǎn)換子層23例如由 CuAl0. S6Ga0.64Si.28Se0.72 構(gòu)@。第一光電轉(zhuǎn)換子層21具有例如0. 8 μ m的厚度。第二光電轉(zhuǎn)換子層22具有例如 0. 7 μ m的厚度。第三光電轉(zhuǎn)換子層23具有例如0. 7 μ m的厚度。第二電極層14設(shè)置在第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換子層21、22和23中的每一者上。 第二電極層14由與第一實(shí)施例中的描述相同的光學(xué)透明電極制成。形成第一光電轉(zhuǎn)換部分M，其中第一光電轉(zhuǎn)換部分M包括堆疊在硅襯底11上的 第一電極層12、第一光電轉(zhuǎn)換層21和第二電極層14。類似地，形成第二光電轉(zhuǎn)換部分25， 其中第二光電轉(zhuǎn)換部分25包括堆疊在硅襯底11上的第一電極層12、第二光電轉(zhuǎn)換層22和 第二電極層14。形成第三光電轉(zhuǎn)換部分沈，其中第三光電轉(zhuǎn)換部分沈包括堆疊在硅襯底 11上的第一電極層12、第三光電轉(zhuǎn)換層23和第二電極層14。即，第一到第三光電轉(zhuǎn)換部分 24到沈橫向設(shè)置在硅襯底11上。在具有上述結(jié)構(gòu)的固態(tài)成像裝置5中，因?yàn)槭褂昧?ρ型的基于黃銅礦的材料，所以 即使在沒有施加反向偏壓時(shí)，光電子也通過能量差而自發(fā)地朝向硅襯底11傳遞?？梢岳?硅襯底11上的柵極MOS晶體管41來讀取光電子。柵極MOS晶體管41中的每一者都設(shè)置 在硅襯底11上并且相鄰第一電極層12中相應(yīng)的一者定位。在這種結(jié)構(gòu)中，可以同時(shí)讀取 RGB信號(hào)。與Bayer格式類似，綠色像素的數(shù)目可以增加，以改善綠色成分的分辨率。圖27 示出了在這種結(jié)構(gòu)中的光譜靈敏度特性。如圖27所示，更短的波長沒有被裁減掉。因此，舉例來說，在去馬賽克之后執(zhí)行下 文中描述的顏色算法處理。R = r-g、G = g-b 和 B = b其中，r、g和b是原始數(shù)據(jù)。上文中描述的基于黃銅礦的材料是基于CuAWaInSk的混晶。6.第六實(shí)施例固態(tài)成像裝置的構(gòu)造的第六示例作為根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的固態(tài)成像裝置的第六示例，將要描述其中基于 CuGaInZnSSe的混晶被用作基于黃銅礦材料的結(jié)構(gòu)?；贑ufe^naiSSe的混晶的使用使得 有可能執(zhí)行如上所述的帶隙的相同控制，由此提供與上述的固態(tài)成像裝置相同的效果。圖28示出了基于CufeJnaiSk材料的帶隙與晶格常數(shù)之間的關(guān)系。圖28描繪了在保持與硅襯底11晶格匹配的同時(shí)，基于Cufe^naiSk的混晶生長 在硅(100)襯底上。例如，使用圖四中示出的截面結(jié)構(gòu)使得能夠?qū)⒐夥蛛x為RGB成分。作為圖四中示出的結(jié)構(gòu)的示例，第一電極層12形成在硅襯底11中。第一電極
15層12例如由形成在硅襯底11中的η型硅區(qū)域制成。光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在第一電極層12 上，其中由基于晶格匹配的CuAWalnZnSk的混晶的基于黃銅礦的混合半導(dǎo)體構(gòu)成光電轉(zhuǎn) 換層13。光學(xué)透明的第二電極層14設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由透明電極 材料構(gòu)成，諸如，氧化銦錫(ITO)、氧化鋅或氧化銦鋅。固態(tài)成像裝置6 (圖像傳感器)具有 上述基本結(jié)構(gòu)。由基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13構(gòu)造為將光沿著深度方向分 離為紅、綠和藍(lán)(RGB)成分，并且形成為使其與硅襯底11晶格匹配。都具有高光學(xué)吸收系數(shù)的、基于黃銅礦的混晶在保持與襯底晶格匹配的同時(shí)，被 外延生長在硅(100)襯底上，由此實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)晶性和產(chǎn)生具有低的暗電流的高度靈敏的 固態(tài)成像裝置6 (圖像傳感器)。光電轉(zhuǎn)換層13按照以下順序從底部開始包括構(gòu)造為分離紅色成分的第一光電 轉(zhuǎn)換子層21、構(gòu)造為分離綠色成分的第二光電轉(zhuǎn)換子層22和構(gòu)造為分離藍(lán)色成分的第三 光電轉(zhuǎn)換子層23。例如，CuGEia52Ina4i^2被用作用于分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換材料。CufeJn1.㈤^^被 用作用于分離綠色成分的光電轉(zhuǎn)換材料。CuGiici.Maia26S1Jka51被用作用于分離藍(lán)色成分 的光電轉(zhuǎn)換材料。以此方式，在硅襯底11上按照以下順序堆疊的用于分離紅色成分的光電 轉(zhuǎn)換材料、用于分離綠色成分的光電轉(zhuǎn)換材料和用于分離藍(lán)色成分的光電轉(zhuǎn)換材料允許沿 著深度方向分離光?？紤]到紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)成分的光子能量，在下文中描述了可以沿著深度 方向分離光的帶隙區(qū)域。第一光電轉(zhuǎn)換子層21可以具有2. OOeV士0. IeV的帶隙(波長 590nm到650nm)。第二光電轉(zhuǎn)換子層22可以具有2. 20eV士0. 15eV的帶隙(波長530nm到 605nm)。第三光電轉(zhuǎn)換子層23可以具有2. 51eV士0. 2eV的帶隙(波長460nm到5;35nm)。在這種情況下，第一光電轉(zhuǎn)換子層21的成分是CUGiiyhzS》ev，其中 0. 52 彡 y 彡 0. 76、0· 24 彡 ζ 彡 0. 48、1. 70 彡 u 彡 2. 00、0 彡 u 彡 0. 30 并且 y+z+u+v = 3 (或 者 y+z = 1 并且 u+v = 2)。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是CuGE^nzZnwSuSev,其中0. 64彡y彡0. 88、 0 彡 ζ 彡 0. 36、0 彡 w 彡 0. 12、0· 15 彡 u 彡 1. 44、0· 56 彡 ν 彡 1. 85 并且 y+z+w+u+v = 3 (或 者 y+z+w = 1 并且 u+v = 2) ο第三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是CuGEtyZnJuSev,其中0. 74彡y彡0. 91、 0. 09 ^ w ^ 0. 26、1. 42 彡 u 彡 1. 49,0. 51 ^ ν ^ 0. 58 并且 y+w+u+v = 3。上述基于CuAWaInSk的成分可以部分或全部由這些成分替代。圖四示出了這 些子層的示例性成分。7.第七實(shí)施例將要參照?qǐng)D30的概略截面圖和圖31的概略電路圖來描述根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施 例的固態(tài)成像裝置的第七示例。圖30示出了示例性背面照射式圖像傳感器，其中光入射到 與形成有晶體管和布線的前面?zhèn)认喾吹谋趁鎮(zhèn)壬?。背面照射式圖像傳感器也具有與其中光 入射到形成晶體管和布線的前面上的前面照射的圖像傳感器相同的優(yōu)點(diǎn)。如圖30所示，硅襯底11由ρ型硅襯底制成。第一電極層12形成在硅襯底11中 并且延伸到硅襯底11的背面?zhèn)鹊母浇５谝浑姌O層12例如由形成在硅襯底11中的η型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWalnSk的混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13被設(shè)置在第一電 極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二 光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由I-CuGiia52Ina4i^2 構(gòu)成、第二光電轉(zhuǎn)換子層22由I-CuAla24GEta23Ina53S構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層23由 P-CuAl0136Ga0.64SL 28Se0.72 構(gòu)成。之后，光電轉(zhuǎn)換層13整體具有p-i-i結(jié)構(gòu)。光電轉(zhuǎn)換層13可以由在上述成分范圍內(nèi)的材料構(gòu)成。此外，可以使用上述基于 CuGaInZnSSe 的混晶。光學(xué)透明的第二電極層14設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由光學(xué)透明 的電極材料構(gòu)成，例如，氧化銦錫(ITO)、氧化鋅或氧化銦鋅。此外，從第一電極層12讀取信號(hào)的讀出電極15形成在硅襯底11的前側(cè)上(在附 圖中，硅襯底11的下側(cè))。利用柵極MOS晶體管41沿著由箭頭所示的方向讀取信號(hào)的讀出 電路51形成在硅襯底11的前側(cè)上。參照?qǐng)D31，在讀出電路51中，重置晶體管Ml的擴(kuò)散層和放大晶體管M2的柵電極 連接到與光電轉(zhuǎn)換層13相連接的浮動(dòng)擴(kuò)散結(jié)FD。放大晶體管M2連接到選擇晶體管M3，并 且放大晶體管M2的擴(kuò)散層在放大晶體管M2與選擇晶體管M3之間共享。選擇晶體管M3的 擴(kuò)散層連接到輸出線。固態(tài)成像裝置7 (圖像傳感器)具有上述構(gòu)造。在固態(tài)成像裝置7中，可以將光沿著深度方向分離為RGB成分、聚集光電子、通過 施加三階段電壓而讀出信號(hào)并且實(shí)現(xiàn)更低電壓以引起雪崩倍增。諸如讀出電極15的電極、諸如柵極MOS晶體管41的晶體管以及布線等形成在硅 襯底11的前側(cè)上。光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在硅襯底11的背側(cè)上(在附圖中，硅襯底11的上 側(cè))。因此，除了相鄰的光電轉(zhuǎn)換層13之間的間隙之外，可以將光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在硅襯 底11的整個(gè)表面上。因此，高的孔徑導(dǎo)致入射光的量的增加，由此顯著地改善靈敏度。固態(tài)成像裝置的第七示例的第一修改例參照?qǐng)D32，在圖30中示出的固態(tài)成像裝置7中，可以使用其中成分從硅襯底11那 一側(cè)從 n-CuAlSuSe^ 或 I-CuAlS1Wea8 變化為 P-CuGEta52Ina4i^2 的光電轉(zhuǎn)換層 13。在這 種固態(tài)成像裝置8(圖像傳感器)中，可以以更低的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)更高的雪崩倍增增益。固態(tài)成像裝置的第七示例的第二修改例將要參照?qǐng)D33描述固態(tài)成像裝置(圖像傳感器)。參照?qǐng)D33，在圖沈中示出的 固態(tài)成像裝置5中，諸如讀出電極15的電極、諸如柵極MOS晶體管41的晶體管以及布線等 形成在硅襯底11的前側(cè)上(在附圖中，硅襯底11的下側(cè))。即，在圖30中示出的固態(tài)成像 裝置7中，構(gòu)造為從光分離出RGB成分的光電轉(zhuǎn)換子層的每一者都分離地形成為光電轉(zhuǎn)換 層13。換言之，構(gòu)造為分離紅色成分的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、構(gòu)造為分離綠色成分的第二 光電轉(zhuǎn)換子層22和構(gòu)造為分離藍(lán)色成分的第三光電轉(zhuǎn)換子層23沒有堆疊而是分離地設(shè)置 在硅襯底11的背側(cè)上(在附圖中，硅襯底11的上側(cè))。這種固態(tài)成像裝置9具有其中構(gòu)造為分離RGB成分的光電轉(zhuǎn)換子層橫向地設(shè)置的 結(jié)構(gòu)。此外，構(gòu)造為讀取光電子(未示出)的讀出電路、讀出電極15、柵極MOS晶體管41、 布線和其他部分(未示出)設(shè)置在硅襯底11的前側(cè)上(在附圖中，硅襯底11的下側(cè))。
在這種結(jié)構(gòu)中，除了相鄰的光電轉(zhuǎn)換層13之間的間隙之外，可以將光電轉(zhuǎn)換層13 設(shè)置在硅襯底11的整個(gè)表面上。因此，高的孔徑導(dǎo)致入射光的量的增加，由此顯著地改善 靈敏度。8.第八實(shí)施例用于制造固態(tài)成像裝置的方法的第一示例下文中將要描述根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法的第
一示例。例如，圖12中示出的固態(tài)成像裝置2可以被用作圖34中示出的CMOS圖像傳感器 中的光電二極管。固態(tài)成像裝置2的能帶圖在圖14中示出。固態(tài)成像裝置2可以在硅襯底11上例如通過普通的CMOS處理而制造。將會(huì)在下 文中參照?qǐng)D12詳細(xì)描述。硅(100)襯底被用作硅襯底11。首先，包括晶體管和電極的外圍電路(未示出) 形成在硅襯底11上。之后，第一電極層12形成在硅襯底11中。第一電極層12由η型硅層制成，其中η 型硅層例如由離子注入而形成。在離子注入過程中，離子注入?yún)^(qū)域被光刻膠掩膜限定。在 完成離子注入之后移除光刻膠掩膜。作為構(gòu)造成對(duì)紅色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第一光電轉(zhuǎn)換子層21形 成在設(shè)置在硅襯底11中的第一電極層12上。例如通過分子束外延(MBE)來形成由 I-CuGa0.52In0.48S2混晶構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換子層21。這里，規(guī)定 > kT = 26meV,屏障形成 在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與硅襯底11之間的界面處。例如，在生長I-CuAlaci6Giia45Ina4i^2之 后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲得i-CuG、52Ina48S2。由此，堆 疊了釘狀屏障。屏障的能量 是50!11^以下，這比室溫下的熱能高得多。屏障具有IOOnm 的厚度。構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層整體具有0. 8 μ m的厚度。之后，作為構(gòu)造成對(duì)綠色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第二光電轉(zhuǎn)換子層22 形成在第一光電轉(zhuǎn)換子層21上。例如通過MBE而形成例如具有0. 7μπι厚度的第二光電轉(zhuǎn) 換子層22。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是I-CuAla24GEia23Ina53S2tj在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長I-CuAla33Giia之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 得I-CuAla24GEia23Ina53S2tj由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是8細(xì)^以下，這比室溫 下的熱能高得多并且比上述能量 更高。作為構(gòu)造成對(duì)藍(lán)色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第三光電轉(zhuǎn)換子層23形成在 第二光電轉(zhuǎn)換子層22上。例如通過MBE而形成例如具有0. 3 μ m厚度的第三光電轉(zhuǎn)換子層 23。第三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是P-CuAla ^5GEia64S1.28SeQ.72。在第三光電轉(zhuǎn)換子層23與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長P-CuAla 42Ga0.58SL 36Se0.64之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 H P-CuAl0.36Ga0.64SL28Se0.72O由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是IOOmeV以下，這比室 溫下的熱能高得多并且比上述能量 和 更高。銅與第13組元素的1以下的比率導(dǎo)致ρ 型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0. 98到0. 99的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)ρ型傳導(dǎo)性。關(guān)于上述晶體生長，在一些情況下，取決于條件，難以生長固溶體。在這種情況下，可以生長具有超晶格的擬似混晶。例如，關(guān)于構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層，可以以 使得層的整體成分是I-CuGiia52Ina4i^2的方式，來交替地層疊每個(gè)層的厚度等于或小于臨 界厚度的i-CuhS層和層。例如，可以通過X射線衍射等來確定諸如在保持與Si(IOO)晶格匹配的同時(shí)交替 地層疊1-0! 層和1-01( 層的生長條件。之后，可以以使得整體成分與目標(biāo)成分相同 的方式來執(zhí)行層疊。在上述晶體生長過程中，晶體管、讀出電路、布線等所在的位置預(yù)先由材料層覆 蓋，其中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換子層可選擇地生長在 硅襯底11局部暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換子層橫向生長在例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成的材料 層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。此外，通過濺射沉積將由氧化銦錫(ΙΤ0，其為光學(xué)透明材料)構(gòu)成的層形成為第 二電極層14。金屬布線形成在ITO層上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而產(chǎn)生的 充電。期望通過使用光刻膠掩膜進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理，以使得信號(hào)電隔離的方式 將像素分離。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換子層與光學(xué)透明電極都被分離。此外，為了增加光收 集效率，可以對(duì)于每個(gè)像素形成芯片上透鏡(OCL)。在通過上述過程制造的固態(tài)成像裝置2 (圖像傳感器)中，規(guī)SVk > Vg> Vb，在 反向偏壓模式下連續(xù)施加電壓\、\和Vb導(dǎo)致雪崩倍增和放大的RGB信號(hào)。通過該方法獲 得的圖像相比于通常的芯片上濾光片裝置(0CCF裝置)表現(xiàn)出顏色再現(xiàn)性并且具有高靈敏度。9.第九實(shí)施例制造固態(tài)成像裝置的方法的第二示例將要在下文中描述根據(jù)本發(fā)明的第九實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法的
第二示例。例如，圖21中示出的固態(tài)成像裝置3可以被用作圖34中示出的CMOS圖像傳感器 中的光電二極管。固態(tài)成像裝置3的能帶圖在圖23中示出。固態(tài)成像裝置3可以在硅襯底11上例如通過普通的CMOS處理而制造。將會(huì)在下 文中參照?qǐng)D21詳細(xì)描述。硅(100)襯底被用作硅襯底11。首先，包括晶體管和電極的外圍電路形成在硅襯 底11上。之后，第一電極層12形成在硅襯底11中。第一電極層12由η型硅層制成，其中η 型硅層例如由離子注入而形成。在離子注入過程中，離子注入?yún)^(qū)域被光刻膠掩膜限定。在 完成離子注入之后移除光刻膠掩膜。作為構(gòu)造成對(duì)紅色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第一光電轉(zhuǎn)換子層21形成在 設(shè)置在硅襯底11中的第一電極層12上。由I-CuGiia52Ina4i^2混晶構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換子 層21例如通過MBE來形成并且例如具有0. 8 μ m的厚度。作為構(gòu)造成對(duì)綠色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第二光電轉(zhuǎn)換子層22形成在 第一光電轉(zhuǎn)換子層21上。例如通過MBE而形成例如具有0. 7 μ m厚度的第二光電轉(zhuǎn)換子層 22。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是i-CuAlQ.24G￡ia23In(1.53S2。
在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長具有 50nm 厚度的 i-CuAla層之后，生長 I-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2,由此，提供 屏障。屏障的能量 是S^ieV以下，這比室溫下的熱能高得多并且比上述能量 更高。作為對(duì)藍(lán)色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第三光電轉(zhuǎn)換子層23形成在第二光 電轉(zhuǎn)換子層22上。例如通過MBE而形成例如具有0.3μπι厚度的第三光電轉(zhuǎn)換子層23。第 三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是P-CuAla36GEia64SL28Sea7^在第三光電轉(zhuǎn)換子層23與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長具有 50nm 厚度的 P-CuAl0.42Ga0.58SL36Se0.64 之后，生長 I-CuAl0.36Ga0.64SL28Se0.72,由此提供 了屏障。屏障的能量 是IOOmeV以下，這比室溫下的熱能高得多并且比上述能量 和 更高。為了沿著橫向方向改變第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電 轉(zhuǎn)換子層23的傳導(dǎo)性，通過光刻技術(shù)形成掩膜，并且之后選擇性地將摻雜物離子注入?？?以通過作為P型摻雜物的13族元素的離子注入，形成P型區(qū)域。例如，離子注入鎵(Ga)。 可以使用作為η型摻雜物的12族元素形成η型區(qū)域。例如，離子注入鋅(Zn)。在離子注入 之后的退火使得摻雜物被激活，由此形成p-i-n結(jié)構(gòu)。在如上所述生長的晶體中，晶體管、讀出電路、布線等所在的位置預(yù)先由材料層覆 蓋，其中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換子層可選擇地生長在 硅襯底11局部暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換子層橫向生長在例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成的材料 層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。此外，通過濺射沉積將由氧化銦錫(ΙΤ0，其為光學(xué)透明材料)構(gòu)成的層形成為第 二電極層14。金屬布線形成在ITO層上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而產(chǎn)生的 充電。這里，高P型摻雜濃度導(dǎo)致空穴朝向硅襯底11傳遞。因此，可以不設(shè)置第二電極層 14。期望通過以使信號(hào)電隔離的方式使用光刻膠掩膜進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的處 理，將像素分離。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換子層與光學(xué)透明電極都被分離。此外，為了增加 光收集效率，可以對(duì)于每個(gè)像素形成芯片上透鏡(OCL)。在通過上述過程制造的固態(tài)成像裝置3 (圖像傳感器)中，關(guān)于構(gòu)造為分離紅色成 分的第一光電轉(zhuǎn)換子層21，電子被傳遞到作為第一電極層12的η型硅層并且之后由柵極 MOS晶體管41讀取。與構(gòu)造為分離綠色成分的第二光電轉(zhuǎn)換子層22和構(gòu)造為分離藍(lán)色成 分的第三光電轉(zhuǎn)換子層23類似，通過在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與硅襯底11之間的界面處形 成屏障并且將η型電極設(shè)置在第一光電轉(zhuǎn)換子層21上，可以直接讀取聚集在子層中的電 子。通過該方法獲得的圖像相比于通常的芯片上濾光片裝置(0CCF裝置)表現(xiàn)出顏色再現(xiàn) 性并且具有高靈敏度。10.第十實(shí)施例制造固態(tài)成像裝置的方法的第三示例將要在下文中描述根據(jù)本發(fā)明的第十實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法的
第三示例。例如，圖12中示出的固態(tài)成像裝置2可以被用作圖35中示出的CXD中的光電二極管。固態(tài)成像裝置2的能帶圖在圖14中示出。固態(tài)成像裝置2可以在硅襯底11上例如通過普通的CXD處理而制造。將會(huì)在下 文中參照?qǐng)D12詳細(xì)描述。硅(100)襯底被用作硅襯底11。首先，諸如傳遞柵極和垂直寄存器的外圍電路形 成在硅襯底11上。之后，第一電極層12形成在硅襯底11中。第一電極層12由η型硅層制成，其中η 型硅層例如由離子注入而形成。在離子注入過程中，離子注入?yún)^(qū)域被光刻膠掩膜限定。在 完成離子注入之后移除光刻膠掩膜。作為對(duì)紅色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第一光電轉(zhuǎn)換子層21形成在設(shè)置在 硅襯底11中的第一電極層12上。例如通過分子束外延(MBE)來形成由I-CuGiia52Ina4i^2 混晶構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換子層21。這里，規(guī)定 > kT = ^meV,屏障形成在第一光電轉(zhuǎn)換 子層21與硅襯底11之間的界面處。例如，在生長I-CuAlaci6GEta45Ina4i^i后，在Al和h 含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲得i-CuGa(l.52I%48S2。由此，堆疊了釘狀屏障。 屏障的能量 是50!11^以下，這比室溫下的熱能高得多。屏障具有IOOnm的厚度。構(gòu)造為 分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層整體具有0. 8 μ m的厚度。之后，作為對(duì)綠色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第二光電轉(zhuǎn)換子層22形成在 第一光電轉(zhuǎn)換子層21上。例如通過MBE而形成例如具有0. 7 μ m厚度的第二光電轉(zhuǎn)換子層 22。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是i-CuAlQ.24G￡ia23In(1.53S2。在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長I-CuAla33Giia之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 得I-CuAla24GEia23Ina53S2tj由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是8細(xì)^以下，這比室溫 下的熱能高得多并且比上述能量 更高。作為對(duì)藍(lán)色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第三光電轉(zhuǎn)換子層23形成在第二光 電轉(zhuǎn)換子層22上。例如通過MBE而形成例如具有0.3μπι厚度的第三光電轉(zhuǎn)換子層23。第 三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是P-CuAla36GEia64SL28Sea7^在第三光電轉(zhuǎn)換子層23與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長P-CuAla 42Ga0.58SL 36Se0.64之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 H P-CuAl0.36Ga0.64SL28Se0.72O由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是IOOmeV以下，這比室 溫下的熱能高得多并且比上述能量 和 更高。銅與第13組元素的1以下的比率導(dǎo)致ρ 型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0. 98到0. 99的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)ρ型傳導(dǎo)性。關(guān)于上述晶體生長，在一些情況下，取決于條件，難以生長固溶體。在這種情況下， 可以生長具有超晶格的擬似混晶。例如，關(guān)于構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層，可以以 使得層的整體成分是I-CuGiia52Ina4i^2的方式，來交替地層疊每個(gè)層的厚度等于或小于臨 界厚度的i-CuhS層和層。例如，可以通過X射線衍射等來確定諸如在保持與Si(IOO)晶格匹配的同時(shí)交替 地層疊1-0! 層和1-01( 層的生長條件。之后，可以以使得整體成分與目標(biāo)成分相同 的方式來執(zhí)行層疊。在上述晶體生長過程中，晶體管、讀出電路、布線等所在的位置預(yù)先由材料層覆 蓋，其中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換子層可選擇地生長在硅襯底11局部暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換子層橫向生長在例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成的材料 層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。此外，通過濺射沉積將由氧化銦錫(ΙΤ0，其為光學(xué)透明材料)構(gòu)成的層形成為第 二電極層14。金屬布線形成在ITO層上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而產(chǎn)生的 充電。期望通過以使信號(hào)電隔離的方式使用光刻膠掩膜進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理，將 像素分離。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換子層與光學(xué)透明電極都被分離。此外，為了增加光收集 效率，可以對(duì)于每個(gè)像素形成芯片上透鏡(OCL)。在通過上述過程制造的固態(tài)成像裝置2 (圖像傳感器)中，規(guī)定Vk > Ve > Vb,在反 向偏壓模式下連續(xù)施加電壓\、Vg和Vb導(dǎo)致雪崩倍增和放大的RGB信號(hào)。利用傳遞柵極將所得到的信號(hào)傳遞到垂直(XD、傳遞到水平CXD并且像是在通常 CCD中那樣輸出。由此，可以讀取信號(hào)。通過該方法獲得的圖像相比于通常的芯片上濾光片 裝置(0CCF裝置)表現(xiàn)出顏色再現(xiàn)性并且具有高靈敏度。11.第—^一實(shí)施例用于制造固態(tài)成像裝置的方法的第四示例將要在下文中描述根據(jù)本發(fā)明的第十一實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法 的第四示例。例如，圖沈中示出的固態(tài)成像裝置5可以被用作圖34中示出的CMOS圖像傳感器 中的光電二極管。固態(tài)成像裝置5具有其中分離地設(shè)置構(gòu)造為對(duì)RGB成分進(jìn)行分離的光電 轉(zhuǎn)換子層的結(jié)構(gòu)。固態(tài)成像裝置5可以在硅襯底11上例如通過普通的CMOS處理而制造。將會(huì)在下 文中參照?qǐng)D26詳細(xì)描述。硅(100)襯底被用作硅襯底11。首先，包括晶體管和電極的外圍電路形成在硅襯 底11上。第一電極層12形成在硅襯底11中并且位于形成將光分離為RGB成分的光電轉(zhuǎn)換 子層的位置處。第一電極層12由η型硅層制成，其中η型硅層例如通過將η型摻雜物離子 注入到硅襯底11中而形成。以除了形成構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的區(qū)域的表面之外的面積都被 覆蓋的方式，通過光刻技術(shù)和RIE處理技術(shù)，將由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的氧化物膜(未示出) 形成在硅襯底11上。例如通過MBE將作為構(gòu)造分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的第一光電 轉(zhuǎn)換子層21形成在硅襯底11上。例如通過生長P-CuGiia52Ina4i^2混晶而形成第一光電轉(zhuǎn) 換子層21。在這種情況下，為了僅將晶體選擇性地生長在對(duì)于紅色成分靈敏的光電二極管 的表面上，晶體以遷移增強(qiáng)模式生長，以使其具有約0. 8 μ m的厚度。銅與第13組元素的1 以下的比率導(dǎo)致P型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0. 98的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)ρ型傳導(dǎo)性。之后，移除氧化物膜。以除了形成構(gòu)造為分離綠色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的區(qū)域的表面之外的面積都被 覆蓋的方式，通過光刻技術(shù)和RIE處理技術(shù)，將由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的氧化物膜(未示出) 形成在硅襯底11上。例如通過MBE將作為構(gòu)造分離綠色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的第二光電 轉(zhuǎn)換子層22形成在硅襯底11上。例如通過生長P-CuAla24GEta23Ina53S混晶而形成第二光電轉(zhuǎn)換子層22。在這種情況下，為了僅將晶體選擇性地生長在對(duì)于綠色成分靈敏的光電二 極管的表面上，晶體以遷移增強(qiáng)模式生長，以使其具有約0. 7 μ m的厚度。銅與第13組元素 的1以下的比率導(dǎo)致P型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0.98的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)ρ型傳導(dǎo)性。之后，移除氧化物膜。以除了形成構(gòu)造為分離藍(lán)色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的區(qū)域的表面之外的面積都被 覆蓋的方式，通過光刻技術(shù)和RIE處理技術(shù)，將由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的氧化物膜(未示出) 形成在硅襯底11上。例如通過MBE將作為構(gòu)造分離藍(lán)色成分的光電轉(zhuǎn)換子層的第三光電 轉(zhuǎn)換子層23形成在硅襯底11上。例如通過生長P-CuAla36GEta64Su8Sea72混晶而形成第三 光電轉(zhuǎn)換子層23。在這種情況下，為了僅將晶體選擇性地生長在對(duì)于藍(lán)色成分靈敏的光電 二極管的表面上，晶體以遷移增強(qiáng)模式生長，以使其具有約0. 7 μ m的厚度。銅與第13組元 素的1以下的比率導(dǎo)致P型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0.98到0.99的比率進(jìn)行生長而實(shí) 現(xiàn)P型傳導(dǎo)性。之后，移除氧化物膜。關(guān)于上述晶體生長，在一些情況下，取決于條件，難以生長固溶體。在這種情況下， 可以生長具有超晶格的擬似混晶。例如，關(guān)于構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層，可以以使得層的整體成分是 P-CuGa0.52In0.48S2的方式，來交替地層疊每個(gè)層的厚度等于或小于臨界厚度的層 和P-Cufe^2層。例如，可以通過X射線衍射等來確定諸如在保持與Si(IOO)晶格匹配的同 時(shí)交替地層疊P-Cdr^2層和P-Cufe^2層的生長條件。之后，可以以使得整體成分與目標(biāo)成 分相同的方式來執(zhí)行層疊。第二電極層14設(shè)置在第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換子層21、22和23中的每一者上。 每個(gè)第二電極層14都由如上所述的光學(xué)透明電極制成。金屬布線形成在每個(gè)第二電極層 14上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而引起充電。期望通過以使信號(hào)電隔離的方式進(jìn)行RIE的處理，將像素分離。在這種情況下，光 電轉(zhuǎn)換子層和第二電極層14都被分離。此外，為了增加光收集效率，可以對(duì)于每個(gè)像素形 成芯片上透鏡(OCL)。在通過上述過程制造的圖像傳感器中，反向偏壓的施加產(chǎn)生RGB信號(hào)r、g和b (原 始數(shù)據(jù))。之后，可以在去馬賽克之后進(jìn)行下文描述的彩色算法處理。R = r-g、G = g_b 禾口 B = b其中，r、g和b是原始數(shù)據(jù)。通過該方法獲得的圖像相比于通常的芯片上濾光片裝置(0CCF裝置)表現(xiàn)出顏色 再現(xiàn)性并且具有高靈敏度。12.第十二實(shí)施例制造固態(tài)成像裝置的方法的第五示例將要在下文中描述根據(jù)本發(fā)明的第十二實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法 的第五示例。例如，圖36中示出的固態(tài)成像裝置10可以被用作圖34中示出的CMOS圖像傳感器 中的光電二極管。如圖37所示，在固態(tài)圖像裝置10中，在晶格匹配的系統(tǒng)中成分變化到使得實(shí)現(xiàn)帶隙的變化最大的程度。這這種結(jié)構(gòu)在低的驅(qū)動(dòng)電壓下導(dǎo)致最大的雪崩倍增增益， 由此顯著地增加靈敏度。硅(100)襯底被用作硅襯底11。首先，包括晶體管和電極的外圍電路形成在硅襯 底11上。第一電極層12形成在硅襯底11中，并且位于形成將光分離為RGB成分的光電轉(zhuǎn) 換子層的位置處。第一電極層12由η型硅層制成，其中η型硅層例如通過將η型摻雜物離 子注入到硅襯底11中而形成。光電轉(zhuǎn)換子層13形成在硅襯底11上。例如，首先，通過MBE生長Ii-CuAlS1Wea8 晶體或i-CuAlSu^u晶體。之后，在Al和Se含量逐漸地減小的同時(shí)逐漸地增加( 和h 含量，以實(shí)現(xiàn)P-CuGEta52Ina48S215膜的整體厚度可以是約2 μ m。注意，膜的導(dǎo)電類型在生長過程中從η型或i型傳導(dǎo)性改變?yōu)棣研蛡鲗?dǎo)性。為了 實(shí)現(xiàn)η型傳導(dǎo)性，可以利用12族元素對(duì)膜進(jìn)行摻雜。例如，可以在晶體生長過程中增加跡 量的鋅(Zn)。在i型傳導(dǎo)性的情況下，膜沒有被摻雜。銅與第13組元素的1以下的比率導(dǎo)致ρ型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0. 98到0. 99 的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)P型傳導(dǎo)性。在上述生長過程中，晶體管、讀出電路、布線等所在的位置預(yù)先由材料層覆蓋，其 中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換子層可選擇地生長在Si襯 底局部暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換子層橫向生長在例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN) 構(gòu)成的材料層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。此外，通過濺射沉積將由氧化銦錫(ΙΤ0，其為光學(xué)透明材料)構(gòu)成的層形成為第 二電極層14。金屬布線形成在ITO層上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而產(chǎn)生的 充電?？梢詫⑿酒蠟V光片(OCCF)固定到每個(gè)像素上以進(jìn)行顏色分離。為了增加光收集 效率，可以設(shè)置芯片上透鏡。如圖19和圖20所示，上述的這種大帶隙變化在施加低的反向偏壓時(shí)導(dǎo)致高度的 能量不連續(xù)性，由此提供高雪崩倍增增益以實(shí)現(xiàn)高靈敏度。13.第十三實(shí)施例用于制造固態(tài)成像裝置的方法的第六示例下文中將要描述根據(jù)本發(fā)明的第十三實(shí)施例的用于制造固態(tài)成像裝置的方法的 第六示例。例如，圖30中示出的固態(tài)成像裝置7可以被用作圖34中示出的CMOS圖像傳感器 中的光電二極管。固態(tài)成像裝置7可以在硅襯底11上例如通過普通的CMOS處理而制造。將會(huì)在下 文中參照?qǐng)D30詳細(xì)描述。通過CMOS處理將包括晶體管和電極的外圍電路(未示出)形成在SOI襯底的硅 層(對(duì)應(yīng)于圖30中示出的硅襯底11)上。此外，形成氧化硅膜(未示出)以覆蓋包括晶體 管和電極和外圍電路。之后，SOI襯底的硅層接合到玻璃襯底上。在這種情況下，襯底的電路側(cè)接合到玻 璃襯底上，并且硅(100)層的背側(cè)暴露到外側(cè)。
第一電極層12形成在硅層中。第一電極層12由η型硅層制成，其中η型硅層例 如由離子注入而形成。在離子注入過程中，離子注入?yún)^(qū)域被光刻膠掩膜限定。在完成離子 注入之后移除光刻膠掩膜。作為對(duì)紅色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第一光電轉(zhuǎn)換子層21形成在設(shè)置在 硅層中的第一電極層12上。例如通過分子束外延(MBE)來形成由I-CuGiia52Ina4i^2混晶構(gòu) 成的第一光電轉(zhuǎn)換子層21。這里，規(guī)定 > kT = ^meV,屏障形成在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與硅襯底11之間 的界面處。例如，在生長i-CuAla 06Ga0.45In0.49S2之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含 量逐漸增加，從而獲得I-CuGiia52Ina4i^y由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是50!11^ 以下，這比室溫下的熱能高得多。屏障具有IOOnm的厚度。構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn) 換子層整體具有0. 8 μ m的厚度。之后，作為對(duì)綠色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第二光電轉(zhuǎn)換子層22形成在 第一光電轉(zhuǎn)換子層21上。例如通過MBE而形成例如具有0. 7 μ m厚度的第二光電轉(zhuǎn)換子層 22。第二光電轉(zhuǎn)換子層22的成分是i-CuAlQ.24G￡ia23In(1.53S2。在第一光電轉(zhuǎn)換子層21與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長I-CuAla33Giia之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 得I-CuAla24GEia23Ina53S2tj由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是8細(xì)^以下，這比室溫 下的熱能高得多并且比上述能量 更高。作為對(duì)藍(lán)色成分進(jìn)行分離的光電轉(zhuǎn)換子層的第三光電轉(zhuǎn)換子層23形成在第二光 電轉(zhuǎn)換子層22上。例如通過MBE而形成例如具有0.3μπι厚度的第三光電轉(zhuǎn)換子層23。第 三光電轉(zhuǎn)換子層23的成分是P-CuAla ^5GEta64Su8Sea7P在第三光電轉(zhuǎn)換子層23與第二光電轉(zhuǎn)換子層22之間的界面處堆疊出屏障。在生 長P-CuAla 42Ga0.58SL 36Se0.64之后，在Al和h含量逐漸減小的同時(shí)( 含量逐漸增加，從而獲 H P-CuAl0.36Ga0.64SL28Se0.72O由此，堆疊了釘狀屏障。屏障的能量 是IOOmeV以下，這比室 溫下的熱能高得多并且比上述能量 和 更高。銅與第13組元素的1以下的比率導(dǎo)致ρ 型傳導(dǎo)性。例如，可以通過以0. 98到0. 99的比率進(jìn)行生長而實(shí)現(xiàn)ρ型傳導(dǎo)性。關(guān)于上述晶體生長，在一些情況下，取決于條件而難以生長固溶體。在這種情況 下，可以生長具有超晶格的擬似混晶。例如，關(guān)于構(gòu)造為分離紅色成分的光電轉(zhuǎn)換子層，可以以使得層的整體成分是 I-CuGa0.52In0.48S2的方式，來交替地層疊每個(gè)層的厚度等于或小于臨界厚度的層 禾口 i-CuGaS2 層。例如，可以通過X射線衍射等來確定諸如在保持與Si(IOO)晶格匹配的同時(shí)交替 地層疊1-0! 層和1-01( 層的生長條件。之后，可以以使得整體成分與目標(biāo)成分相同 的方式來執(zhí)行層疊。在上述晶體生長過程中，晶體管、讀出電路、布線等所在的位置預(yù)先由材料層覆 蓋，其中材料層例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換子層可選擇地生長在 硅襯底11局部暴露的部分上。之后，光電轉(zhuǎn)換子層橫向生長在例如由氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)構(gòu)成的材料 層的表面上，使其基本覆蓋整個(gè)表面。
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此外，通過濺射沉積將由氧化銦錫(ΙΤ0，其為光學(xué)透明材料)構(gòu)成的層形成為第 二電極層14。金屬布線形成在ITO層上并且連接到接地，由此防止由于空穴聚集而產(chǎn)生的 充電。期望通過以使信號(hào)電分離的方式使用光刻膠掩膜進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的處理， 將像素分離。在這種情況下，光電轉(zhuǎn)換子層與光學(xué)透明電極都被分離。此外，為了增加光收 集效率，可以對(duì)于每個(gè)像素形成芯片上透鏡(OCL)。在通過上述過程制造的固態(tài)成像裝置7 (圖像傳感器)中，規(guī)定Vk > Ve > Vb，在反向偏壓模式下連續(xù)施加電壓VK、Ve和Vb導(dǎo)致雪崩倍增和放 大的RGB信號(hào)。通過該方法獲得的圖像相比于通常的芯片上濾光片裝置(0CCF裝置)表現(xiàn) 出顏色再現(xiàn)性并且具有高靈敏度。14.第十四實(shí)施例固態(tài)成像裝置的結(jié)構(gòu)的第十示例如上所述，全部的上述固態(tài)成像裝置具有其中電子作為信號(hào)被讀取的結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，可以使用其中空穴作為信號(hào)被讀取的結(jié)構(gòu)。將要在下文中描述這種結(jié)構(gòu) 的示例。將要在下文中參照?qǐng)D38的概略截面圖描述構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，其中，該固態(tài)成像裝置對(duì)應(yīng)于圖12中示出的固態(tài)成像裝置。如圖38所示，硅襯底11是η型硅襯底。第一電極層12形成在硅襯底11中。第 一電極層12例如由形成在硅襯底11中的ρ型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWaInSk 混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在第一電極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照以下順序 堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換 子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由I-CuGiia52Ina4i^2構(gòu)成，第二光電轉(zhuǎn)換子層22由 I-CuAl0.24Ga0.23In0.53S2 構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層 23 由 I-CuAl0.36Ga0.64SL28Se0.72 構(gòu)成。光 學(xué)透明的第二電極層14在由硫化鎘(CcK)構(gòu)成的中間層16設(shè)置在其間的狀態(tài)下堆疊在光 電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由諸如氧化鋅的η型光透明電極材料構(gòu)成。設(shè)置由硫化鎘 構(gòu)成的中間層16的原因是減小了電子朝向光學(xué)透明電極的轉(zhuǎn)移的電勢屏障減小了驅(qū)動(dòng)電 壓。光電轉(zhuǎn)換層的黃銅礦子層具有i型傳導(dǎo)性?；蛘?，可以使用輕度摻雜的P型子層。在固態(tài)成像裝置71中，規(guī)定在價(jià)電子帶中 彡 彡 > kT( = ^neV)，通過連 續(xù)的成分控制，可以將釘狀屏障形成在第一、第二和第三光電轉(zhuǎn)換子層21、22和23之間的 界面附近的部分的寬帶隙那一側(cè)上。由此，使得空穴可以被限制并且對(duì)于RGB中的每一者 聚集，其中k表示波爾茲曼常數(shù)，并且kT對(duì)應(yīng)于室溫下的熱能。在這種情況下，相比于其中 讀取電子的結(jié)構(gòu)，所施加電壓的極性反轉(zhuǎn)。即，規(guī)定Vb < Vg < Ve ^ _kT，按照以下順序連續(xù) 施加VK、Vg和Vb的負(fù)電壓導(dǎo)致讀出R信號(hào)、G信號(hào)和B信號(hào)。將要在下文中參照?qǐng)D39的概略截面圖描述構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，其中，該固態(tài)成像裝置對(duì)應(yīng)于圖21中示出的固態(tài)成像裝置。如圖39所示，硅襯底11是η型硅襯底。第一電極層12形成在硅襯底11中。第 一電極層12例如由形成在硅襯底11中的ρ型硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWaInSk 的混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13設(shè)置在第一電極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括按照以下順 序堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由CuGiia52Ina4i^2構(gòu)成，第二光電轉(zhuǎn)換子層22由 CuAl0.24Ga0.23In0.53S2構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層23由CuAla36GEta64Su8Si5a72構(gòu)成。第一光 電轉(zhuǎn)換子層21、第二光電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23中的每一者都具有i傳導(dǎo)型 中央部分、P傳導(dǎo)型的一端部分和η傳導(dǎo)型的另一端部分。因此，每個(gè)子層具有p-i-n結(jié)構(gòu)。此外，ρ型電極14p (第二電極層)設(shè)置在光電轉(zhuǎn)換層13的第二光電轉(zhuǎn)換子層22 的P型端部上和第三光電轉(zhuǎn)換子層23的P型端部上。此外，η型電極14n (第二電極層)設(shè) 置在光電轉(zhuǎn)換層13的第二光電轉(zhuǎn)換子層22的η型端部上和第三光電轉(zhuǎn)換子層23的η型 端部上。也可以不設(shè)置P型電極14ρ。構(gòu)造為利用柵極MOS晶體管41讀取信號(hào)的讀出電路(未示出)形成在硅襯底11中。固態(tài)成像裝置72具有上述結(jié)構(gòu)。將要在下文中參照?qǐng)D40的概略截面圖描述構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，其中，該固態(tài)成像裝置對(duì)應(yīng)于圖26中示出的固態(tài)成像裝置。如圖40所示，硅襯底11是η型硅襯底。第一電極層12形成在硅襯底11中，并且 位于將光分離為RGB成分的光電轉(zhuǎn)換子層所形成的位置處。第一電極層12中的每一者例 如由形成在硅襯底11中的P型硅層而制成。由基于晶格匹配的CuAKialnSk的混晶構(gòu)成的第一光電轉(zhuǎn)換子層21設(shè)置 在位于紅色成分被分離的部分處的第一電極層12上。第一光電轉(zhuǎn)換子層21例如由 P-CuGa0 S2In0^sS2由基于晶格匹配的CuAKialnSk的混晶構(gòu)成的第二光電轉(zhuǎn)換子層22設(shè)置在 位于綠色成分被分離的部分處的第一電極層12上。第二光電轉(zhuǎn)換子層22例如由ρ型 CuAl0 24Ga0 23In0 53S2 構(gòu)成。 由基于晶格匹配的CuAWaInSk的混晶構(gòu)成的第三光電轉(zhuǎn)換子層23設(shè)置 在位于藍(lán)色成分被分離的部分處的第一電極層12上。第三光電轉(zhuǎn)換子層23例如由 P-CuAl0 36Ga0_ 64SL 28Se0_ 72 構(gòu)成。第一光電轉(zhuǎn)換子層21具有例如0. 8 μ m的厚度。第二光電轉(zhuǎn)換子層22具有例如 0. 7 μ m的厚度。第三光電轉(zhuǎn)換子層23具有例如0. 7 μ m的厚度。光學(xué)透明的第二電極層14隔著由硫化鎘(CdS)構(gòu)成的中間層16堆疊在第一、第 二和第三光電轉(zhuǎn)換子層21、22和23中的每一者上。每個(gè)第二電極層14由諸如氧化鋅的η 型光學(xué)透明電極材料構(gòu)成。形成第一光電轉(zhuǎn)換部分Μ，其中第一光電轉(zhuǎn)換部分M包括堆疊在硅襯底11上的 第一電極層12、第一光電轉(zhuǎn)換層21和第二電極層14。類似地，形成第二光電轉(zhuǎn)換部分25， 其中第二光電轉(zhuǎn)換部分25包括堆疊在硅襯底11上的第一電極層12、第二光電轉(zhuǎn)換層22和 第二電極層14。形成第三光電轉(zhuǎn)換部分沈，其中第三光電轉(zhuǎn)換部分沈包括堆疊在硅襯底 11上的第一電極層12、第三光電轉(zhuǎn)換層23和第二電極層14。即，第一到第三光電轉(zhuǎn)換部分 24到沈橫向設(shè)置在硅襯底11上。固態(tài)成像裝置73具有上述結(jié)構(gòu)。將要在下文中參照?qǐng)D41的概略截面圖描述構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，其中，該固態(tài)成像裝置對(duì)應(yīng)于圖30中示出的固態(tài)成像裝置。
如圖41所示，硅襯底11由η型硅襯底制成。第一電極層12形成在硅襯底11中 并且延伸到硅襯底11的背面?zhèn)鹊母浇?。第一電極層12例如由形成在硅襯底11中的P型 硅層制成。由基于晶格匹配的CuAWalnSk的混晶構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換層13被設(shè)置在第一電 極層12上。光電轉(zhuǎn)換層13包括堆疊在第一電極層12上的第一光電轉(zhuǎn)換子層21、第二光 電轉(zhuǎn)換子層22和第三光電轉(zhuǎn)換子層23，其中，第一光電轉(zhuǎn)換子層21由P-CuGiia52Ina4i^2 構(gòu)成、第二光電轉(zhuǎn)換子層22由I-CuAla24GEta23Ina53S構(gòu)成并且第三光電轉(zhuǎn)換子層23由 P-CuAl0136Ga0.64SL 28Se0.72 構(gòu)成。之后，光電轉(zhuǎn)換層13整體具有p-i-p結(jié)構(gòu)。光電轉(zhuǎn)換層13可以由在上述成分范圍內(nèi)的材料構(gòu)成。此外，可以使用上述基于 CuGaInZnSSe 的混晶。光學(xué)透明的第二電極層14在由硫化鎘(CdS)構(gòu)成的中間層16置于其間的狀態(tài)下 堆疊在光電轉(zhuǎn)換層13上。第二電極層14由η型光學(xué)透明的電極材料構(gòu)成，例如，氧化鋅。此外，從第一電極層12讀取信號(hào)的讀出電極(未示出)形成在硅襯底11的前側(cè) 上(在附圖中，硅襯底11的下側(cè))。利用柵極MOS晶體管41讀出信號(hào)的讀出電路51形成 在硅襯底11的前側(cè)上。固態(tài)成像裝置74具有上述構(gòu)造。將要在下文中參照?qǐng)D42的概略截面圖描述構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置的結(jié) 構(gòu)，其中，該固態(tài)成像裝置對(duì)應(yīng)于圖32中示出的固態(tài)成像裝置。參照?qǐng)D42，在圖32中示出的固態(tài)成像裝置8中，可以使用其中成分從硅襯底11那 一側(cè)開始從 P-CuAlS1.2%。.8或 I-CuAlS1Wea8 變化為 i-CuG￡tQ.52In(1.48& 的光電轉(zhuǎn)換層 13。在 固態(tài)成像裝置75中，可以以更低的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)更高的雪崩倍增增益。在構(gòu)造為讀取空穴的固態(tài)成像裝置中，用于讀取信號(hào)的全部所施加電壓的極性相 對(duì)于構(gòu)造為讀取電子的固態(tài)成像裝置中的極性反轉(zhuǎn)。將會(huì)在下文中描述光電轉(zhuǎn)換層13的具體制造方法和原始材料。在用于通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)制造晶體的方法中，利用如圖43所示 的MOCVD設(shè)備來執(zhí)行晶體生長。下文中描述的有機(jī)金屬材料被用作原材料。銅的有機(jī)金屬材料的示例是乙酰丙酮 銅(Cu(C5H7O2)2)。鎵的有機(jī)金屬材料的示例是三甲基鎵(Ga(CH3)3)。鋁的有機(jī)金屬材料的 示例是三甲基鋁(Al (CH3) 3)。銦的有機(jī)金屬材料的示例是三甲基銦(In(CH3)3)。硒的有機(jī) 金屬材料的示例是二甲基硒(Se(CH3)2)。硫的有機(jī)金屬材料的示例是二甲基硫(S(CH3)2)。 鋅的有機(jī)金屬材料的示例是二甲基鋅(Zn (CH3) 2)。原材料不限于有機(jī)金屬材料。任何有機(jī)金屬材料可以被用作用于通過MOCVD生長 晶體的原材料?？梢允褂玫脑牧系氖纠ㄈ一?Ga(C2H5)3)、三乙基鋁(Al (C2H5)3)、三乙 基銦 Gn(C2H5)3)、二乙基硒 Ge(C2H5)2)、二乙基硫(S(C2H5)2)和二乙基鋅(Zn (C2H5) 2)。此外，氣體材料也可以用作有機(jī)金屬材料。例如，可以使用作為He源的硒化氫 (H2Se)和作為S源的硫化氫(H2S)。在圖43中示出的MOCVD設(shè)備中，利用氫氣對(duì)于有機(jī)金屬材料中的每個(gè)進(jìn)行起泡， 使得氫氣具有飽和的相應(yīng)的有機(jī)金屬材料蒸汽。因此，可以將每種材料的分子傳輸?shù)椒磻?yīng)室。通過質(zhì)流控制器(MFC)來控制對(duì)于材料的氫氣流速率，以確定每單位時(shí)間饋送的材料 的摩爾量。通過熱分解硅襯底上的有機(jī)金屬材料以形成晶體來執(zhí)行晶體生長。此時(shí)，可以 使用所傳輸?shù)牟牧吓c晶體成分的摩爾比率之間相關(guān)性來控制晶體的成分。硅襯底位于碳基座上。利用高頻率加熱器(RF線圈)來加熱基座并且基座具有熱 偶和溫度控制系統(tǒng)，以控制襯底的溫度。通常的襯底范圍在400°C到1000°C的范圍內(nèi)，材料 在該溫度范圍內(nèi)被熱分解。為了減小襯底溫度，舉例來說，可以通過利用從汞燈等發(fā)射的光 來照射襯底的表面來促進(jìn)材料的熱分解。例如，乙酰丙酮銅(Cu(C5H7O2)2)和三甲基銦(In(CH3)3)在室溫下是固體材料。這 種材料可以被加熱到液相?；蛘撸@種材料可以被加熱，以增在保持固態(tài)的同時(shí)增加蒸汽壓 并且之后被使用。之后，將要描述通過分子束外延(MBE)制造晶體的方法。在MBE生長中，例如利用圖44中示出的MBE設(shè)備來執(zhí)行晶體生長。銅、鎵(Ga)、鋁(Al)、銦(In)、硒(Se)和硫(S)的單體設(shè)置在獨(dú)立的Knudsen室 中。它們被加熱到適當(dāng)?shù)臏囟纫岳梅肿邮鴣碚丈湟r底、生長晶體。在使用諸如硫(S)的 具有特別高的蒸汽壓的物質(zhì)的情況下，物質(zhì)的分子通量(molecular flux)會(huì)不穩(wěn)定。在此 情況下，可以利用閥破裂室(valved cracker cell)來穩(wěn)定物質(zhì)的分子通量。與氣體源MBE 類似，部分原材料可以是氣體源。即，可以使用作為He源的硒化氫(H2Se)和作為S源的硫 化氫(H2S)。15.第十五實(shí)施例成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)的示例將要在下文中參照?qǐng)D45的框圖來描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備。成像設(shè) 備包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置。如圖45所示，成像設(shè)備200包括具有固態(tài)成像裝置(未示出)的成像單元201。構(gòu) 造為形成圖像的聚光光學(xué)系統(tǒng)202設(shè)置在成像單元201的光入射側(cè)上。成像單元201連接 到包括驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路的信號(hào)處理部分，其中驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)造為驅(qū)動(dòng)成像單元201， 并且在信號(hào)處理部分中，對(duì)于通過由固態(tài)成像裝置使得光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)進(jìn)行 處理而形成圖像。由信號(hào)處理單元203處理的圖像信號(hào)可以被存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)單元(未示 出)中。在前述實(shí)施例中描述的固態(tài)成像裝置1到10和71到75中的任何一者可以被用 作成像設(shè)備200的固態(tài)成像裝置。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備200包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像裝置1 到10和71到75中的任何一者。因此，抑制了暗電流的產(chǎn)生，由此防止了由于白點(diǎn)而引起 的圖像質(zhì)量減小。此外，固態(tài)成像裝置具有高靈敏度并且以高靈敏度來拍攝圖像。因此，利 用高靈敏度拍攝圖像并且抑制圖像質(zhì)量的下降有利地使得即使在暗環(huán)境中也有可能以高 質(zhì)量拍攝圖像，例如，在夜間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像設(shè)備200不限于上述構(gòu)造，并且可以應(yīng)用到包括固態(tài) 成像裝置的成像設(shè)備的任何構(gòu)造。固態(tài)成像裝置1到10和71到75中的任何一者可以形成為一個(gè)芯片或者可以是 具有拍攝圖像的功能并且其中封裝了成像單元和信號(hào)處理單元或光學(xué)系統(tǒng)的模塊的形式。成像設(shè)備200例如指的是具有拍攝圖像的功能的攝像機(jī)或便攜裝置。術(shù)語“成像”不僅包括利用攝像機(jī)拍攝的通常的圖像，并且廣義地還包括指紋檢測。本申請(qǐng)含有涉及2009年1月21日遞交給日本專利局的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)JP 2009-010787、2009年12月18日遞交給日本專利局的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)2009-288145以 及2010年1月18日遞交給日本專利局的日本優(yōu)先權(quán)專利申請(qǐng)2010-008186中公開的主題 的主題，并通過引用將它們?nèi)拷Y(jié)合在這里。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注意可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要和其他因素進(jìn)行各種修改、結(jié)合、子 結(jié)合和替換，只要它們?cè)跈?quán)利要求或其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像裝置，包括 硅襯底；以及光電轉(zhuǎn)換層，其設(shè)置在所述硅襯底上并且與所述硅襯底晶格匹配，所述光電轉(zhuǎn)換層由 基于銅-鋁-鎵-銦-硫-硒的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒的混晶的基于黃 銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述光電轉(zhuǎn)換層由超晶格層形成，所述 超晶格層的厚度等于或小于臨界厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述光電轉(zhuǎn)換層包括 第一光電轉(zhuǎn)換子層，其構(gòu)造為分離紅色光并具有2. OOeV士0. IeV的帶隙； 第二光電轉(zhuǎn)換子層，其構(gòu)造為分離綠色光并具有2. 20eV士0. 15eV的帶隙；以及 第三光電轉(zhuǎn)換子層，其構(gòu)造為分離藍(lán)色光并具有2. 51eV士0. 2eV的帶隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中，從所述硅襯底那一側(cè)按照順序堆疊所 述第一光電轉(zhuǎn)換子層、所述第二光電轉(zhuǎn)換子層和所述第三光電轉(zhuǎn)換子層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)成像裝置，其中，載流子的屏障形成在所述第一光電轉(zhuǎn)換子層與所述第二光電轉(zhuǎn)換子層之間以及 所述第二光電轉(zhuǎn)換子層與所述第三光電轉(zhuǎn)換子層之間的界面的寬帶隙那一側(cè)上，或者其中，載流子的屏障形成在所述硅襯底與所述第一光電轉(zhuǎn)換子層之間的界面的寬帶隙 那一側(cè)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述光電轉(zhuǎn)換層具有逐漸地或步進(jìn)地變化的帶隙并具有能量不連續(xù)性，并且 其中，通過施加反向偏壓而引起雪崩倍增。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像裝置，其中，按照順序?qū)、\、和Vb的反向偏壓順序地施加到所述光電轉(zhuǎn)換層，以順序地讀 取R信號(hào)、G信號(hào)和B信號(hào)，其中，Vk表示用于讀取對(duì)應(yīng)于紅色的R信號(hào)的反向偏壓，Vg表示用于讀取對(duì)應(yīng)于綠色的G信號(hào)的反向偏壓，并且Vb表示用于讀取對(duì)應(yīng)于藍(lán)色的B信號(hào)的反向偏壓，并且規(guī)定Vb > Ve > VK。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像裝置， 其中，所述光電轉(zhuǎn)換層具有電勢不連續(xù)性，所述第一光電轉(zhuǎn)換子層、所述第二光電轉(zhuǎn)換子層和所述第三光電轉(zhuǎn)換子層將光沿著深 度方向分離為紅光、綠光和藍(lán)光成分，通過所述載流子的屏障來使得光電子聚集，按照順序分三步施加VK、Ve、和Vb的反向偏壓，以讀取所述R信號(hào)、所述G信號(hào)和所述B 信號(hào)，并且通過所述電勢不連續(xù)性引起雪崩倍增。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，還包括 支撐襯底；布線部分，其設(shè)置在所述支撐襯底上；像素部分，所述像素部分設(shè)置在所述布線部分上并且包括光電轉(zhuǎn)換部分，所述光電轉(zhuǎn)換部分構(gòu)造為將入射光光電轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以及硅層，其包括設(shè)置在所述像素部分周圍的外圍電路，其中，所述光電轉(zhuǎn)換部分設(shè)置在所述硅層的入射光側(cè)最上方的表面上，并且包括設(shè)置 在所述硅襯底中的第一電極層、所述光電轉(zhuǎn)換層和設(shè)置在所述光電轉(zhuǎn)換層上的第二電極層。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，還包括 沿著所述硅襯底的水平方向延伸的PIN結(jié)構(gòu)或PN結(jié)構(gòu)；以及形成在所述第二光電轉(zhuǎn)換子層與所述第三光電轉(zhuǎn)換子層之間、所述第一光電轉(zhuǎn)換子層 與所述第二光電轉(zhuǎn)換子層之間或者所述第一光電轉(zhuǎn)換子層與所述硅襯底之間的界面附近 的部分的寬帶隙那一側(cè)上的屏障，所述屏障具有超過26meV的能量。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像裝置，還包括 包括光電轉(zhuǎn)換層的第一光電轉(zhuǎn)換部分；包括光電轉(zhuǎn)換層的第二光電轉(zhuǎn)換部分；包括光電轉(zhuǎn)換層的第三光電轉(zhuǎn)換部分；所述第一到第三光電轉(zhuǎn)換部分沿著所述硅襯底 的平面方向設(shè)置，其中，所述第一光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離紅色光的第一光電轉(zhuǎn) 換子層，所述第二光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離綠色光的第二光電轉(zhuǎn)換子 層，并且所述第三光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離藍(lán)色光的第三光電轉(zhuǎn)換子層。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述第一光電轉(zhuǎn)換子層由CuAlxGiiyIr^2構(gòu)成，其中，0彡χ彡0. 12， 0. 38 ^ y ^ 0. 52，0. 48 彡 ζ 彡 0. 50 并且 x+y+z = 1，其中，所述第二光電轉(zhuǎn)換子層由CuAlxGi^nzS2構(gòu)成，其中，0. 06 ^ χ ^ 0.41， 0. 01 ^ y ^ 0. 45,0. 49 ^ ζ ^ 0. 58 并且 x+y+z = 1，并且其中，所述第三光電轉(zhuǎn)換子層由CuAlxGapuSev構(gòu)成，其中，0. 31彡χ彡0. 52， 0. 48 彡 y 彡 0. 69，1. 33 彡 u 彡 1. 38，0. 62 彡 ν 彡 0. 67，并且 x+y+u+v = 3 或者 x+y = 1 和 u+v = 2o
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述第一光電轉(zhuǎn)換子層由CuGaa521%4品構(gòu)成， 所述第二光電轉(zhuǎn)換子層由CuAla24GEia23InaraS構(gòu)成，并且 所述第三光電轉(zhuǎn)換子層由CuAla36GEta64SL28Si5a72構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像裝置，其中，所述第一光電轉(zhuǎn)換子層由CuGi^nzSuSev構(gòu)成，其中，0. 52彡y彡0. 76， 0. 24 ^ ζ ^ 0. 48,1. 70 ^ u ^ 2. 00,0 ^ ν ^ 0. 30 并且 y+z+u+v = 3 或者 y+z = 1 和 u+v =2，所述第二光電轉(zhuǎn)換子層由CuGE^nzZnwSuSev構(gòu)成，其中，0. 64彡y彡0. 88， 0 彡 ζ 彡 0. 36，0 彡 w 彡 0. 12，0. 15 彡 u 彡 1. 44，0. 56 彡 ν 彡 1. 85 并且 y+z+w+u+v = 2，并且所述第三光電轉(zhuǎn)換子層由CuGEtyZnJuSev構(gòu)成，其中，0. 74彡y彡0. 91， 0. 09 ^ w ^ 0. 26，1. 42 彡 u 彡 1. 49，0. 51 ^ ν ^ 0. 58 并且 y+w+u+v = 3。
15.一種制造固態(tài)成像裝置的方法，包括以下步驟將光電轉(zhuǎn)換層設(shè)置在硅襯底上并同時(shí)保持其與所述硅襯底晶格匹配，所述光電轉(zhuǎn)換層 由基于銅-鋁-鎵-銦-硫-硒的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒的混晶的基于 黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括以下步驟以使得第一到第三光電轉(zhuǎn)換部分沿著所述硅襯底的平面方向設(shè)置的方式，形成包括所 述光電轉(zhuǎn)換層的第一光電轉(zhuǎn)換部分、包括所述光電轉(zhuǎn)換層的第二光電轉(zhuǎn)換部分以及包括所 述光電轉(zhuǎn)換層的第三光電轉(zhuǎn)換部分，其中，所述第一光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離紅色光的第一光電轉(zhuǎn) 換子層，所述第二光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離綠色光的第二光電轉(zhuǎn)換子 層，并且所述第三光電轉(zhuǎn)換部分中的所述光電轉(zhuǎn)換層是構(gòu)造為分離藍(lán)色光的第三光電轉(zhuǎn)換子層。
17.一種成像設(shè)備，包括聚光光學(xué)系統(tǒng)，其構(gòu)造為會(huì)聚入射光，固態(tài)成像裝置，其構(gòu)造為接收由所述聚光光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚的光并且執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，以及 信號(hào)處理單元，其構(gòu)造為處理通過光電轉(zhuǎn)換而獲得的信號(hào)， 其中，所述固態(tài)成像裝置包括光電轉(zhuǎn)換層，其設(shè)置在硅襯底上并且與所述硅襯底晶格匹配，所述光電轉(zhuǎn)換層由基于 銅-鋁-鎵-銦-硫-硒的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒的混晶的基于黃銅礦 的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供了固態(tài)成像裝置及其制造方法以及成像設(shè)備。一種固態(tài)成像裝置，包括硅襯底以及光電轉(zhuǎn)換層，該光電轉(zhuǎn)換層設(shè)置在硅襯底上并且與硅襯底晶格匹配，光電轉(zhuǎn)換層由基于銅-鋁-鎵-銦-硫-硒的混晶或基于銅-鋁-鎵-銦-鋅-硫-硒的混晶的基于黃銅礦的化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L27/148GK102130141SQ20101059908
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者戶田淳 申請(qǐng)人:索尼公司