CN105280655B - 光电转换装置与成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电转换装置与成像系统。一种光电转换装置具有布置于成像平面上的光接收元件。该光接收元件包含在与成像平面平行的第一方向上排列的跨隔离部分的多个光电转换部分，以及在该多个光电转换部分之上延伸的光导部分。在与成像平面平行且横切光导部分的第一平面内，光导部分在第一方向上的最大宽度大于光导部分在与成像平面平行且与第一方向正交的第二方向上的最大宽度。

Description

光电转换装置与成像系统
技术领域
本发明涉及具有光导单元的光电转换装置。
背景技术
已知存在使用具有多个光电转换部分的像素、通过相位差检测来执行焦点检测的光电转换装置。其中单个像素具有多个光电转换部分的配置不仅在焦点检测方面是有利的，而且在与改进的成像系统性能相关的多个点(诸如因改进的传输效率所致的更快速度、更宽的动态范围等)上也是有利的。
日本专利公开No.2009-158800公开了其中在层间膜中设置有包围着两个光电二极管的有效光接收区域的间隙的形式。日本专利公开No.2009-158800还公开了其中在层间膜内除了设置有包围着两个光电二极管的有效光接收区域的间隙外还设置有紧随光电二极管之间的间隙之后的间隙的形式。
日本专利公开No.2009-158800中的形式具有光无法被精确地分给两个光电二极管的问题。
发明内容
本发明提供了具有沿成像平面排列的光接收元件的光电转换装置，其中该光接收元件包括在与成像平面平行的第一方向上排列的跨隔离部分的多个光电转换部分，以及被布置为在该多个光转换部分之上延伸的光导部分，并且其中在与成像平面平行且横切光导部分的第一平面内，光导部分在第一方向上的最大宽度大于光导部分在与成像平面平行且与第一方向正交的第二方向上的最大宽度。
根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1是示例性地示出光电转换装置的示意图。
图2是示例性地示出光接收元件的示意图。
图3是示例性地示出光接收元件的示意图。
图4是示例性地示出光接收元件的示意图。
图5是示例性地示出光接收元件的示意图。
图6是示例性地示出光电转换装置的示意图。
图7是示例性地示出光接收元件的示意图。
图8是示例性地示出光接收元件的示意图。
图9是示例性地示出成像系统的示意图。
图10是用于描述最大宽度的示意图。
具体实施方式
实施例
以下是用于实施本发明的实施例的描述。但是，应当注意，下面的描述只是本发明的一个实施例，而并非是限制性的。在下面的描述和附图中以相同的附图标记来表示多个附图中共同的结构。将参照多个附图来描述共同的结构，并且关于以相同的附图标记表示的结构的描述将被适当地省略。此外，任何合适的技术都可以应用于下文未描述的部分。
图1A示出了作为像素放大型图像传感器的光电转换装置10的示意图。图1A所示的光电转换装置10具有作为由单点虚线包围的区域的接收区域21，以及在单点虚线与双点虚线之间的且为在光接收区域21的外围的区域的外围区域22。多个光接收元件1按照矩阵形式或列形式排列在光接收区域21中。通过成像而形成图像时来自光接收元件的信号构成像素，所以光接收区域可以被称为成像区域或像素区域。在相邻的光接收元件的中心轴之间的间隙(像素间距(pitch))典型地为10μm或更小，优选为5.0μm或更小，并且特别优选地为2.0μm或更小。
外围区域22具有包含垂直扫描电路26、两个读取电路23、两个水平扫描电路24和两个输出放大器25的外围电路。在外围区域22处的读取电路23由列放大器、相关双采样(CDS)电路、加法电路等组成。读取电路23执行对经由垂直信号线从由垂直扫描电路26选定的行的像素读出的信号的放大、相加等。每个像素列或者每多个像素列地布置列放大器、CDS电路、加法电路等。水平扫描电路24生成用于按顺序从读取电路23读出信号的信号。输出放大器25放大并输出由水平扫描电路24选定的列的信号。上述结构只是光电转换装置10的一个结构示例，并不是限制性的。虽然读取电路23、水平扫描电路24和输出放大器25构成两个输出路径系统，并且在光接收区域21上方和下方各布置有一个，但是这并不是限制性的。
图1B是示出光接收元件1的示例的示意图，并且图1C是沿图1B中的线IC-IC截取的光接收元件1的截面示意图。单个光接收元件1具有设置在由半导体制成的基板100内的多个光电转换部分101和102。隔离部分109被布置于该多个光电转换部分101和102之间，用于隔离它们的信号电荷。隔离部分109可以是通过绝缘体的绝缘隔离(诸如硅的局部氧化(LOCOS)或浅沟槽隔离(STI)等)，或者可以是通过导电类型与光电转换部分101和102的积累区域相反的半导体区域的结隔离。在本例中使用结隔离。隔离部分109的隔离能力可以是不完美的，只要可以作出光电转换部分101和102生成的信号电荷中的哪个更大的确定的地点存在隔离性质即可。因此，光电转换部分101处生成的信号电荷的一部分被作为光电转换部分102处生成的信号电荷来检测是允许的。
该多个光接收元件1的光电转换部分101和102被排列于共同的基板100内，沿着作为成像平面的基板100的主表面。这两个光电转换部分101和102跨越隔离部分109所排列的、与成像平面平行的方向是X方向。这两个光电转换部分101和102所排列的方向可以被定义为如下的方向，即与连接当以俯视视角观察光电转换部分101时的几何重心G1与当以俯视视角观察光电转换部分102时的几何重心G2的直线平行的方向。与成像平面平行且与X方向正交的方向是Y方向。与成像平面正交的方向是Z方向。Z方向正交于X方向和Y方向。典型地，X方向可以是按矩阵形式排列于光接收区域21内的光接收元件1的行方向(一行延伸的方向)和列方向(一列延伸的方向)中的一个。同样典型地，Y方向可以是按矩阵形式排列于光接收区域21内的光接收元件1的行方向(沿着行的方向)和列方向(沿着列的方向)中的另一个。
光电转换部分101和102是通过在由半导体形成的基板100内引入杂质而形成的光电二极管。用作光电二极管的光电转换部分101和102采用大量的信号电荷作为载流子，并且被确认为用于积累信号电荷的第一导电类型的半导体区域(积累区域)和第二导电类型的半导体区域的PN结。光电转换部分101和102的其他示例包括光栅，以及具有形成于绝缘体(诸如玻璃等)的基板上的金属-绝缘体-半导体(MIS)型结构或P-本征-N(PIN)型结构的半导体薄膜。除了光接收元件1外，光电转换装置10的光接收区域21还可以包含仅具有一个光电转换部分101的光接收元件。
在光电转换部分101处获取的信号电荷经由具有金属-氧化物-半导体(MOS)结构的传输栅103传输至检测单元105，并且在光电转换部分102处获取的信号电荷经由具有MOS结构的传输栅104传输至检测单元106。例如，检测单元105和106是形成静电电容的浮置扩散部分。检测单元105和106各自连接至放大晶体管107和复位晶体管108。虽然这里已经示出了其中向每个光电转换部分101和102都提供检测单元以便并行地传输来自分离的光电转换部分的信号电荷的结构，但是在串行地传输来自分离的光电转换部分的信号电荷的情况下可以使用共同的检测单元。
将多个光接收元件1排列于图1A所示的光电转换装置10的光接收区域21处使得能够通过相位差检测在成像区域内执行焦点检测。这可以进一步应用于使用相位差检测来执行距离测量的成像系统(相机)。还可以使用从光接收元件1输出的作为成像信号的多个光电转换部分101和102的信号来执行成像。例如，光电转换部分101和102的信号可以被结合以用作成像信号。因而，根据本实施例的光电转换装置10可以使用场相位差来实现自动聚焦(AF)。
绝缘膜110被布置于基板100之上。典型地，绝缘膜110是透明的。绝缘膜110可以是由一种类型的材料形成的单层膜，但是典型地，绝缘膜110是其中已经分层形成不同材料的多个层的多层膜。绝缘膜110的一个层由氧化硅(SiO2)形成。此外，一个层可以是硅酸盐玻璃，诸如硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)和硼硅酸盐玻璃(BSG)等。此外，构成绝缘膜110的多层膜中的一个层可以是氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)。布线120可以被设置于绝缘膜110内。布线120可以是其中多个布线层经由插头来连接的多层布线。虽然图1B示出了其中布线120为两层的示例，但是也可以使用三层或更多层的多层布线。诸如铜、铝、钨、钽、钛、多晶硅等的导电材料可以被用于布线120。典型的布线120是透明的，并且具有金属光泽。
光接收元件1具有至少一个光导部分111，单个光导部分111被形成为在多个光电转换部分101和102之上延伸。光导部分111起作用以将入射光限定于光导部分111，以便其被传播至光电转换部分101和102。光导部分111具有其中在光电转换部分101和102所排列的X方向上的最大宽度大于在与X方向正交的Y方向上的最大宽度的截面形状，这将在后面详细地描述。
光导部分111由绝缘膜110包围。也就是说，绝缘膜110位于X-Y平面内的光导部分111的周界处。通过使得光导部分111的折射率与光导部分110的折射率不同，进入光导部分111的入射光可以由于光导部分111和绝缘膜110的界面处的反射而被引导至光电转换部分101和102。使光导部分111的折射率高于绝缘膜110的折射率使得能够全反射，所以可以提高反射效率。
由具有比光导部分111和绝缘膜110低的折射率的低折射率区域(例如，气隙)来包围光导部分111使得进入光导部分111的入射光能够通过光导部分111与低折射率区域的界面处的全反射而被引导至光电转换部分101和102。此外，由诸如金属等反射部件来包围光导部分111的侧面使得进入光导部分111的入射光能够通过金属反射而被引导至光电转换部分101和102。在设置低折射率区域或反射部件的情况下，光导部分111的折射率可以与绝缘膜110的折射率不同，或者可以相同。
光导部分111的材料可以是有机材料(树脂)，或者可以是无机材料。树脂的实例包括硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂等。无机材料的合适实例包括氮化硅(SixNy)、氧氮化硅(SixOyNz)和氧化钛(TiO2)。可以使用单种材料来配置光导部分111，或者可以使用多种材料来配置光导部分111。
这里将列出作为光导部分111和绝缘膜110的材料的示例的折射率的一般值。氧化硅的折射率为1.4～1.5，氧氮化硅的折射率为1.6～1.9，氮化硅的折射率为1.8～2.3，氧化钛的折射率为2.5～2.7，而BSG、PSG和BPSG的折射率为1.4～1.6。上述值只是示例性的，并且通过改变膜形成方法，相同的材料将具有不同的非化学计量组成和不同的材料密度，所以可以适当地设定折射率。注意，树脂的折射率一般为1.3～1.6，甚至是高折射率树脂为1.6～1.8。但是，包含诸如金属氧化物等高折射率无机材料使得能够提高有效折射率。待被包含于树脂内的高折射率无机材料的示例包括氧化钛、氧化钽、氧化铌、氧化钨、氧化锆、氧化锌、氧化铟、氧化铪等。
尽管将描述光接收元件1的另一结构，但是光接收元件1的结构可以适当改变。高折射率膜113被布置为覆盖光导部分111和绝缘膜110。高折射率膜113具有比绝缘膜110的折射率更高的折射率。高折射率膜113可以由与光导部分111相同的材料形成。在这种情况下，高折射率膜113与光导部分111的界面可以被认为位于与绝缘膜110的上面相同的高度处。
低折射率膜114被布置于高折射率膜113之上，并且层内透镜115被布置为从高折射率膜113横跨低折射率膜114。低折射率膜114具有比层内透镜115和高折射率膜113(或光导部分111)中的至少一个的折射率低的折射率。低折射率膜114可以具有调整层内透镜115与光导部分111之间的距离的功能、平坦化功能以及因光的折射所致的聚光功能中的至少一项。波长选择部分117被布置为从层内透镜115横跨平坦化膜116。波长选择部分117是滤色器、二向色镜等，光接收区域21的每个光接收元件1根据拜耳(Bayer)阵列等具有不同的波长透过属性。聚光部分118被形成为在波长选择部分117之上的微透镜。单个光导部分111、单个层内透镜115、单个波长选择部分117和单个聚光部分118被提供给该多个光电转换部分101和102，并且与它们对应。
注意，在下面的描述中，“绝缘膜110的折射率”将被描述为制成绝缘膜110的较大部分的材料的折射率。此外，“光导部分111的折射率”将被描述为制成光导部分111的较大部分的材料的折射率。光导部分111的折射率大于绝缘膜110的折射率。术语“折射率”在本发明中指的是绝对折射率。虽然折射率根据波长而改变，但是折射率至少为关于可以在光电转换部分101处生成信号电荷的光的波长的折射率。典型地，基准优选为关于在光电转换部分处执行大部分光电转换的光的波长。在光电转换装置10具有诸如滤色器等波长选择部分的情况下，优选使用已经透过波长选择部分的光的波长，并且特别是主要透过波长。波长选择部分的选择性可能是不完美的。也就是说，由波长选择部分选择的波长的透射率可以小于100％，并且未在波长选择部分选择的波长的透射率不一定为0％。
将参照图2A详细地描述光导部分111的形式。在图2A中，由[XZ]指示的图是光接收元件1在X-Z平面的截面图，而由[YZ]指示的图是光接收元件1在Y-Z平面的截面图。由[XY1]指示的图是光接收元件1在X-Y平面上于Z(高度)方向上的Z1高度处的截面图，而由[XY3]指示的图是光接收元件1在X-Y平面上于Z(高度)方向上的Z3高度处的截面图。注意，为了方便起见，X-Y平面内的[XY1]和[XY3]处的截面图已经位于光电转换部分101和102和隔离部分109之上的光导部分111上。如前所述，X方向是多个光电转换部分101和102排列的方向。位置Z2是例如沿光导部分111于Z方向上的一半长度处的位置，并且位置Z2是例如在第一布线层与第二布线层之间的位置。位置Z1比位置Z2离基板100更远，而位置Z3比位置Z2更接近基板100。
根据本实施例的光导部分111在与基板100平行的平面(X-Y平面)上具有其中X方向的最大宽度与Y方向的最大宽度不同的截面形状。为评估光导部分111的截面形状而截取的与基板100平行的平面(X-Y平面)可以是在Z方向上的任意位置(高度)处截取的平面，只要平面横切光导部分111即可。在横切光导部分111的三个X-Y平面当中，比位置Z2离基板100更远且位于光输入的那一侧的X-Y平面的位置是Z1，而比位置Z2更接近基板100且位于光输出的那一侧的X-Y平面的位置是Z3。
将参照图10来描述光导部分111在某个方向上的“最大宽度”。光导部分111在某个方向上的“最大宽度”是在预定方向上相互平行且其一端和另一端(两端)都位于光导部分111的周界上的线段的长度的最大值(上限)。图10通过箭头P示出了在Z方向上的某个高度处与Z方向正交的预定方向，并且通过实线C示出了光导部分111的周界。四个线段S1、S2、S3和S4被示出作为其一端和另一端都位于光导部分111的周界上的线段。线段S1是具有与该特定方向P平行且其一端和另一端位于光导部分111的周界上的线段的最大长度的线段。因此，光导部分111在该特定方向P上的最大宽度由S1的长度表示。线段S2不是具有其一端和另一端位于光导部分111的周界上的线段的最大长度的线段，并且因此不与光导部分111在该特定方向上的最大宽度对应。线段S3是具有其一端和另一端位于光导部分111的周界上的线段的最大长度的线段，但是不平行于该特定方向P，并且因此不与光导部分111在该特定方向P上的最大宽度对应。长度D不是其一端和另一端位于光导部分111的周界上的线段的长度，并且因此不与光导部分111在该特定方向P上的最大宽度对应。按照同样的思路，与线段S1正交且具有两端均位于周界C上的线段的最大长度的线段S4的长度对应于光导部分111在与该特定方向P正交的方向上的最大宽度。
在图2A中，光导部分111在X方向上的最大宽度在位置Z1处为WX1，在位置Z2处为WX2，并且在位置Z3处为WX3。光导部分111在Y方向上的最大宽度在位置Z1处为WY1，在位置Z2处为WY2，并且在位置Z3处为WY3。光导部分111具有这样的截面形状，即在与基板100平行的平面(X-Y平面)内的X方向上的最大宽度大于Y方向上的最大宽度。例如，在位置Z1处，最大宽度WX1大于最大宽度WY1(WX1>WY1)。按照同样的方式，在位置Z2处，最大宽度WX2大于最大宽度WY2(WX2>WY2)，并且在位置Z3处，最大宽度WX3大于最大宽度WY3(WX3>WY3)。
光导部分111在X-Y平面上的截面形状可以根据与基板100的距离而不同。根据本示例的光导部分111具有其中在与基板100平行的平面(X-Y平面)上的X方向上的最大宽度与Y方向上的最大宽度不同的截面形状。例如，对于光导部分111在X方向上的最大宽度，在位置Z3处的最大宽度WX3小于在位置Z2处的最大宽度WX2(WX2>WX3)，并且在位置Z1处的最大宽度WX1大于在位置Z2处的最大宽度WX2(WX1>WX2)。此外，对于光导部分111在Y方向上的最大宽度，在位置Z1处的最大宽度WY1大于在位置Z2处的最大宽度WY2(WY1>WY2)，并且在位置Z3处的最大宽度WY3小于在位置Z2处的最大宽度WY2(WY2>WY3)。如果在Z方向上的某个位置处，光导部分111在X方向上的最大宽度比光导部分111在Y方向上的最大宽度大±1％，则可以认为最大宽度是不同的。为了获得足够大的优势，在Z方向上的每个位置处，光导部分111在X方向上的最大宽度优选为光导部分111在Y方向上的最大宽度的1.05倍或更大，并且更优选地为1.10倍或更大。在Z方向的每个位置处，光导部分111在X方向上的最大宽度111可以是光导部分111在Y方向上的最大宽度的1.50倍或更小，并且可以是1.20倍或更小。
如可以根据[XY1]和[XY2]的比较以及[XZ]和[YZ]了解地，在图2A中，光导部分111的X-Y平面的截面积远离光输入的方向朝光电转换部分101和102逐渐变小。也就是说，光导部分111朝基板100逐渐变细。此外，在该形状中，在光导部分111于位置Z1、位置Z2及位置Z3处的每个截面处，X方向的最大宽度WX1、WX2和WX3各自大于Y方向的最大宽度WY1、WY2和WY3。
例如，在位置Z1处，光导部分111在X方向上的最大宽度WX1约为0.30μm～10μm，并且光导部分111在Y方向上的最大宽度WY1约为0.25μm～9μm。在位置Z3处，光导部分111在X方向上的最大宽度WX3约为0.25μm～9μm，而光导部分111在Y方向上的最大宽度WY3约为0.20μm～8μm。在位置Z1处的最大宽度与位置Z3处的最大宽度之间的值可以被用于位置Z2。
光导部分111对在光电转换部分101和102处进行光电转换的光的波长λ的折射率将被表示为n1，并且作为位于光导部分111的周界上的部件的绝缘膜110的折射率将被表示为n0。其中光导部分111为核心并且绝缘膜110为覆层(cladding)的波导结构的有效折射率将被表示为ne。注意，有效折射率ne以式(1)表示，并且在一般的波导结构中为0.5～1.5。
光导部分111在位置Z1、Z2和Z3处的Y方向上的最大宽度WY1、WY2和WY3优选为3×λ/ne或更小，并且更优选地为2×λ/ne或更小。特别地，光导部分111在Y方向上的最大宽度WY优选为3×λ/ne或更小，并且更优选地为2×λ/ne或更小。Y方向上的最大宽度WY通常被实现于光导部分111在Y方向上的上面(upper face)。将光导部分111在Y方向上的最大宽度限制于上述范围限制了Y方向上的波导模式的数量，这在限制光在光导部分111内的Y方向上传播是有效的。如果光导部分111在Y方向上的最大宽度被设置为800nm或更小，那么可以在所有实用中针对可见光的几乎全部波长(400～800)实现3×λ/ne或更小。原因是：即使有效折射率ne极低(为0.5)或者即使有效折射率ne极高(为1.5)，3×λ/ne或更小也被实现。
图2A和2B示出了光导部分111的在Z方向上与隔离部分109重叠的中间部分119。中间部分119在Z方向上的某个位置处的平面内的Y方向上的长度(宽度)优选地小于光导部分111在X方向上的最大宽度。中间部分119在Y方向上的宽度是在决定将光导部分111的入射光分给该多个光电转换部分101和102中的哪个时的关键因素。充分减小中间部分119在Y方向上的宽度在提高分光的精度方面是有效的。
此外，位置Z3处的光导部分111在X方向上的最大宽度WX3被布置为短于两个排列的光电转换部分101和102在X方向上的最大宽度之和。因而，光导部分111的入射光可以在小损失的情况下输入光电转换部分101或光电转换部分102。
图2B示出了以图2A中的形式以斜角(箭头)输入光导部分111的光L传播穿过光导部分111的方式。图2B中的[XZ]和[YZ]通过虚线示出了位置Z1、Z2和Z3处的电场强度分布。图2B中的[XY1]和[XY3]示出了位置Z1和Z3处的电场强度的等高线。图2B中用作电场强度分布的模型的波导结构将光导部分111的折射率设置为1.82，将绝缘膜110的折射率设置为1.46，将Z1处的Y方向上的最大宽度设置为1.0μm，并且将X方向上的最大宽度设置为1.6μm。此外，Z3处的Y方向上的最大宽度被设置为0.95μm，并且X方向的最大宽度被设置为1.55μm。但是，注意，可以通过满足以上描述的X方向的和Y方向的最大宽度之间的关系而获得相似的电场强度分布，不受这些条件所限制。
在波动光学中，光导部分111的入射光以波的形式传播，所以电场强度分布出现于光导部分111中。电场强度强的地方表示存在大量光的概率高的地方。此时，传播穿过光导部分111的光的形状(电场强度分布的形状)取决于光导部分111的形状。光导部分111的最大宽度越宽，光存在的可能性变得越大，所以在最大宽度较大的方向上传播的光量增加。光导部分111在Z1、Z2和Z3处的截面是X方向上的最大宽度大于Y方向上的最大宽度的形状，所以X方向比Y方向传播相对更多的光。
因此，在具有+X分量和-Z分量的矢量的入射光L如图2B所示斜向输入的情况下，光在接近位于光导部分111的入口附近的位置Z1的X-Y平面处偏向+X侧。根据波动光学，已经斜向输入的光除了与偶次模式(诸如0次和二次)耦合外，还与奇次模式(诸如一次和三次)耦合，并从而传播。此处，奇次模式是具有由相对于与X-Z平面的Z轴平行的穿过光导部分111的中心的轴的奇函数描述的电场振幅的波导模式。在偶函数的情形中，这被称为偶次模式。光导部分111的最大宽度越大，耦合模式的数量就越大。因此，具有X方向分量的入射光倾向于在X方向上偏斜。在光导部分111的入口处已经在+X方向上偏斜的光在维持偏向+X侧的同时传播，并且该光从而到达基板100。在图2B中的X方向上的两个排列的光电转换部分101和102当中，来自例如具有+X分量和-Z分量的矢量的角度的入射光L主要被输入位于+X侧的光电转换部分102。按照同样的方式，在来自具有-X分量和-Z分量的矢量(该矢量与图2A中的矢量关于X方向相反)的角度的入射光L的情况下，大量的光被输入光电转换部分102。结果，可以以良好的精度将光分给这两个光电转换部分101和102，同时维持灵敏度。
根据本示例的光导部分111的X-Y平面截面面积具有随着光的传播而逐渐变小的形状。在光L被输入光导部分111的位置Z1处，截面面积被配置为大于位置Z2处的截面面积，由此更大量的光L可以被输入光导部分111。在光L从光导部分111输出的位置Z3处，截面面积被配置为小于位置Z2处的截面面积，由此可以减小因形成于基板100的表面上的传输栅和晶体管等所致的光L的损失。因此，可以以精确的方式将光分给这两个光电转换部分101和102，同时还提高了灵敏度。
现在，在本实施例中，光导部分111在多个光电转换部分101和102之上延伸，所以可以改善分光精度，同时维持足够的灵敏度。相反地，在将要提供多个光导部分，每个光导部分仅对应于该多个光导部分中的相应一个的情况下，出现下列问题。一个问题是：由于在该多个光导部分之间的反射而发生损失。另一个问题是：接收光的光电转换部分的划分受光的入射位置支配，而不是入射角度。这指的是在接收光的光电转换部分与光的入射角度之间的相关性下降，这在提高焦点检测的精度方面是不利的。
已经在图2A和2B中描述了其中在Z方向上的任何高度处X方向上的最大宽度均大于Y方向上的最大宽度的光导部分111的示例。但是，只要光导部分111在Z方向的部分高度处具有比Y方向上的最大宽度大的X方向上的最大宽度就足够了。相反地，可以采用其中在Z方向上的至少一部分中X方向上的最大宽度等于或小于Y方向上的最大宽度的光导部分111。除了光导部分111在X-Z平面、Y-Z平面和X-Y平面上的截面不同于图2A和2B中的那些截面之外，图3A和3B示出了与图2B和2B中相同的项。图3A和3B中的[XY1]和[XY3]按照与图2B所示的那些方式等价的方式来示出电场强度分布。除了光导部分111在X-Z平面、Y-Z平面和X-Y平面上的截面以及电场强度分布不同于图2B中的那些截面和电场强度分布之外，图3A示出了与图2B的那些特征等价的特征。
在图3A中，WX1＝WY1，WX2>WY2以及WX3>WY3成立。此外，WX1>WX2>WX3以及WY1>WY2>WY3成立。例如，WX1和WY1被设置为1.6μm，WX3被设置为1.55μm，并且WY3被设置为0.95μm。
在图3A中，输入到位置Z1的光L在X方向上和Y方向上偏斜。随着光L从Z1向Z2以及从Z2向Z3传播，光在Y方向上的偏斜量减小，而在X方向上的偏斜变得显著。因此，在光电转换部分102处接收光L的大部分。按照同样的方式，在光电转换部分101处接收从与光L相反的方向输入的光。因此可以提高分光精度。
在图3B中，WX1>WY1，WX2>WY2以及WX3＝WY3成立。此外，WX1>WX2>WX3以及WY1>WY2>WY3成立。例如，WX1被设置为1.5μm，WY1被设置1.0μm，并且WX3和WY3被设置0.95μm。
在图3B的形式中，输入到位于光导部分111的入口附近的位置Z1的光L在X方向上偏斜。随着光L从Z1向Z2以及从Z2向Z3传播，光在X方向上的偏斜量减小。根据波动光学，已经斜向输入的光在位置Z1处除了与偶次模式(诸如0次和二次)耦合外，还与许多奇次模式(诸如一次和三次)耦合，并从而变成在X方向上偏斜的光。这些奇次模式在不改变的情况下作为奇次模式传播穿过光导部分111。因此，即使光导部分111在位置Z3处的最大宽度在X方向上和Y方向上是相同的，在位置Z3处光也在X方向上偏斜。因此，在光电转换部分102处接收光L的最重要部分。按照同样的方式，在光电转换部分101处接收从与光L相反的方向输入的光。因此可以提高分光的精度。
图4示出了其中截面在光导部分111于Z方向上的任何部分处的X方向上和Y方向上都具有相同的最大宽度的情形，以进行比较。在图4的情形中，WX1＝WY1，WX2＝WY2以及WX3＝WY3成立。在这种情况下，传播穿过光导部分111的光倾向于在Y方向上传播，并且在X方向上的偏斜较小。因此，在X方向上排列的光电转换部分101和102的隔离部分109附近输入的光量增加，并且无法按照精确的方式来划分光L。根据图4中的形式可以理解，[YX3]处表示电场强度的等高线的虚线的偏斜小于[XY1]处的偏斜。
例如，从含有具有+X分量和-Z分量的矢量的角度输入的光L以微小的差别输入到光电转换部分101和光电转换部分102。因此，从而不可以执行光L到光电转换部分101和光电转换部分102的合适划分。
在不脱离本发明基本的发明概念的情况下，在本实施例中可以将其他形状应用于光导部分111于X-Y平面的截面形状，不限定于如图3A所示的已经使矩形的四个角变为圆角的形状。
光导部分111于X-Y平面的截面面积是在+Z方向上逐渐增大的形状。因而，可以提高光收集效率，同时避免布线120和栅电极103和104(见图1C)处光的反射等。但是，注意，形状可以在+Z方向上变小，或者可以使用在Z方向上Y-Y平面的截面面积不改变的形状。可以以良好的精度将光分给这两个光电转换部分，只要在与基板100平行的给定平面(X-Y平面)上，光导部分111在X方向上的最大宽度大于在Y方向上的最大宽度即可。本示例还具有其中光导部分111的截面的尺寸逐渐且连续地改变的结构。这使得能够减少在光导部分111内的光损失。但是，可以使用截面的尺寸非连续地并且在某个高度处突然改变的形状。
图5A至5O示出了光导部分111在Z1和/或Z3处的X-Y平面上的截面形状的示例。如图5A所示，光导部分111的截面形状可以是椭圆形。如图5B所示，光导部分111的截面形状的纵向可以被包含于排列多个光电转换部分的方向(X方向)上。如图5C所示，光导部分111的没有位于隔离部分109之上而是位于光电转换部分101和102之上的部分可以具有使得Y方向上的最大宽度大于X方向上的最大宽度的形状。如图5D所示，光导部分111可以具有多个光导部分已经结合的形状。如图5E所示，光导部分111的截面形状可以是多边形。例如，可以形成其中在输入光的Z1处的X-Y平面上的形状为图5A所示的形状以及在基板100侧的Z3处的X-Y平面上的形状为图5D所示的形状的布局。
如图5F至5J所示，光导部分111可以具有如下的截面形状：该截面形状使得在Z方向上的某个位置处，X-Y平面上的截面Y方向上的最大宽度大于X方向上的最大宽度。具体地，如图5F所示，光导部分111的截面形状可以是圆形。如图5G所示，光导部分111的截面形状可以是具有圆角的四边形，其中Y方向上的最大宽度大于X方向上的最大宽度。如图5H所示，光导部分111的截面形状可以是十字形。如图5I所示，可以提供不在多个光电转换部分101和102之上延伸的多个光导部分1121和1122。例如，Z方向上的某个位置处的截面可以是诸如图5D中的截面，并且不同位置处的截面可以是诸如图5I中的截面。如图5J所示，光导部分111的截面形状可以是方形。例如，Z方向上的某个位置处的截面可以是诸如图5E中的截面，并且不同位置处的截面可以是诸如图5F中的截面。在这种情况下，Y方向的最大宽度可以是恒定的，与Z方向上的高度无关，如图5E和5F所示。
如图5K所示，单个光导部分111可以被设置为在三个或更多个光电转换部分101、1021和1022之上延伸。如图5L所示，可以针对一个光接收元件1设置各自在多个光电转换部分101和102之上延伸的多个光导部分1111和1112。如图5M所示，单个光导部分111可以被设置为在四个或更多个光电转换部分1011、1021、1012和1022之上延伸。在这种情况下，可以想到选自这四个光电转换部分的两个光电转换部分的六种组合。但是，不一定全部六种组合都必须满足如下的关系，其中光导部分111在排列光电转换部分的方向上的最大宽度大于光导部分111在与排列光电转换部分的方向正交的方向上的最大宽度。
在一个光接收元件1具有四个光电转换部分的情况下，如果以将光分给在行方向上排列的光电转换部分为重，那么光导部分111的截面可以具有其中行方向上的最大宽度大于列方向上的最大宽度的形状。此外，如果以将光分给在列方向上排列的光电转换部分为重，那么光导部分111的截面可以具有其中列方向上的最大宽度大于行方向上的最大宽度的形状。
如图5N所示，一个光接收元件1可以被设置具有在两个光电转换部分1011和1021之上延伸的光导部分1111，以及在两个光电转换部分1012和1022之上延伸的光导部分1112。如图5O所示，光接收元件1具有被设置为在多个光电转换部分1011和1021之上延伸的单个光导部分111。除此之外，光接收元件1还具有仅布置于单个光电转换部分1021的单个光导部分1121，以及仅布置于单个光电转换部分1022的单个光导部分1122。
如图5P所示，从光电转换部分101和102到检测单元105和106的传输方向可以是非平行的。如图5Q所示，从光电转换部分101和102到检测单元105和106的传输方向可以是彼此相反的。如图5R所示，单个传输栅103可以被设置为与多个光电转换部分101和102对应的多个检测单元105和106所共用。如图5S所示，单个检测单元105可以被设置为与多个光电转换部分101和102对应的多个传输栅103和104所共用。
如本示例中地，在将聚光部分118布置于光导部分111之上(于+Z侧)的情况下，在光电转换装置10的光接收区域附近，聚光部分118的光轴可以关于隔离部分109偏移。该示例被示于图6中。图6中的[0]示出了光接收区域21。图6中的[1]、[2]和[3]示出了在光接收区域21的垂直及水平中部、在垂直中部且在右边缘处以及在对角线方向上的边缘处的聚光部分118、光导部分111以及光电转换部分101和102之间的位置关系。从光电转换装置10的中间附近到周界部分，入射光L的角度变钝。其中聚光部分118的布置逐渐移向光电转换装置10的中心方向的结构使得能够在从光电转换装置10的中间附近到周界的全部区域提高灵敏度。此外，可以以更高的精度将光分给两个光电转换部分101和102中的每一个。在固态成像装置具有焦点检测能力的情况下，同样可以提高焦点检测能力。
例如，多个光接收元件1具有位于光接收区域21的中间部分的第一光接收元件1A，以及位于光接收区域21的周界处的第二光接收元件1B和第三光接收元件1C。在光接收区域21被划分成3行乘3列的9个部分的布局中，中间部分是在第二行和第二列的部分，而中间部分之外的其余8个部分为周界。第二光接收元件1B位于例如第二行和第三列，而第三光接收元件1C位于例如第一行和第三列。第一光接收元件1A的聚光部分118的光轴O1与第二光接收元件1B的聚光部分118的光轴O2之间的距离DO小于第一光接收元件1A的光导部分111的重心M1与第二光接收元件1B的光导部分111的重心M2之间的距离DM(DO<DM)。第一光接收元件1A与第三光接收元件1C之间同样如此。也就是说，第一光接收元件1A的聚光部分118的光轴与第三光接收元件1C的聚光部分118的光轴之间距离小于第一光接收元件1A的光导部分111的重心M1与第三光接收元件1B的光导部分111的重心之间的距离。
虽然图6示出了其中聚光部分118移向光电转换装置10的中间部分的结构，但是也可以形成其中全部均平行于同一方向(例如，+Y方向)移动的结构。例如，为了远离传输栅而移动使得能够减小传输栅处的损失百分比，从而进一步提高灵敏度。其中不仅聚光部分118还有光导部分111都移动的结构可以得到相似的优点。此外，其中光电转换部分与光导部分111一起移动的结构可以得到相似的优点。
光导部分111可以在其内具有折射率分布，如图7所示。在图7中，光导部分111包含第一部分121和第二部分122。在X方向上，第二部分122位于第一部分121的-X侧和+X侧。也就是说，在X方向上，第一部分121被第二部分122夹在其间。第一部分121具有位于隔离部分109之上的至少一个部分，并且第二部分122具有位于光电转换部分101和102之上的至少一个部分。
第一部分121和第二部分122具有不同的折射率。第一部分121的折射率可以高于第二部分122的折射率，或者第一部分121的折射率可以低于第二部分122的折射率。可以通过将光导部分111中的平均折射率用作标准来确定第一部分121和第二部分122之间的边界。即，基于折射率111中的对象部分的折射率是高于还是低于光导部分111的平均折射率来确定折射率111中的部分是属于第一部分121还是属于第二部分122。特别地，其中外侧的第二部分122的折射率高于内侧的第一部分121的折射率的布局可以提高分光至光电转换部分101和102的精度。从波动光学的角度来看，可以想得到，光倾向于集中在具有高折射率的区域。在该结构中的X方向上，光导部分111的周界处的折射率大于中心周围的折射率。因此，光导部分111的入射光容易在X方向上偏斜。在光导部分111的入口附近的位置Z1处已经在X方向上偏斜的光向光导部分111的出口附近的位置Z3传播，保持在X方向上偏斜的形状。因此，光被精确地分给排列在X方向上的光电转换部分101和102。
第一部分121的宽度和第二部分122的宽度中的至少一个可以根据Z方向上的位置的不同而不同。如图7中的[XY1]所示，在位置Z1处，第一部分121在X方向上的宽度为WX11，而第二部分122的宽度为WX12。相反地，如图7中的[XY3]所示，在位置Z3处，第一部分121在X方向上的宽度为WX31，而第二部分122的宽度为WX32。WX11<WX31以及WX12>WX32的关系成立。如图7中的[XY1]所示，在位置Z1处，第一部分121在Y方向上的宽度为WY11，而第二部分122的宽度为WY12。相反地，如图7中的[XY3]所示，在位置Z3处，第一部分121在Y方向上的宽度为WY31，而第二部分122的宽度为WY32。WY11<WY31以及WY12>WY32的关系成立。注意，第一部分121在X或Y方向上的宽度被限定为其折射率基本相等且连续的部分的宽度。由于在X或Y方向上第二部分122被分离地(间断地)布置，第一部分121介于其间，因而在X方向上光导部分111的宽度可以被表示为WX11+(WX12*2)，而在Y方向上光导部分111的宽度可以被表示为WY11+(WY12*2)。在图7的示例中，在X方向和Y方向二者上，第一部分121的宽度朝光电转换部分101和102连续地增大。此外，第二部分122的宽度朝光电转换部分101和102连续地减小。但是，第一部分121和第二部分122的宽度可以随阶段不同而改变。
可以使用具有不同的化学计量组成的材料来配置第一部分121和第二部分122，或者可以使用具有相同的化学计量组成的材料来配置第一部分121和第二部分122。光导部分111的材料可以是有机材料(树脂)，或者可以是无机材料。树脂的示例包括硅氧烷树脂、聚酰亚胺树脂等。无机材料的合适示例包括氮化硅(Si3N4)、氧氮化硅(SiOXNY)和氧化钛(TiO2)。例如，可以形成如下的布局：使用树脂来配置第一部分121，并且使用氮化硅来配置第二部分122。此外，还可以形成如下的布局：使用低密度氮化硅来配置第一部分121，并且使用高密度氮化硅来配置第二部分122。
注意，术语“具有相同的化学计量组成的材料”包括相对该化学计量组成有偏差的材料，以及在结晶度、材料密度、添加剂(少于主材料)的浓度以及其不同的杂质(1wt％或更小)和浓度方面不同的材料。例如，氮化硅的化学计量组成为3份的Si对4份的N，但是在其中化学计量组成相同的范围内Si与N的实际比彼此不同的材料也被认为是相同的材料。此外，例如单晶硅和多晶硅也被认为是相同的材料。注意，具有不同的化学计量组成的材料不是相同的材料。例如，一氧化钛(TiO)和二氧化钛(TiO2)两者均是氧和钛的化合物(氧化钛)，但是在化学计量上是不同的材料。
存在其中在折射率分布中可以清楚地观察到第一部分121和第二部分122之间的边界的情况，但是同样存在其中该边界不可以被清楚地观察到的情况。例如，在折射率从光导部分111的中心轴向绝缘膜110逐渐变化的情况下，有可能不可以清楚地观察到第一部分121和第二部分122之间的边界。在这种情况下，可以如下决定第一部分121和第二部分122之间的边界。也就是说，获得光导部分111中的折射率的最高值与最低值之间的中值((最高值+最低值)/2)。在光导部分111中的折射率分布中，连接处于该中值的点的线可以被确定为第一部分121和第二部分122之间的边界。此外，该中值可以被认为是光导部分111的折射率。在第二部分122的折射率高于第一部分121的折射率的情况下，第一部分121包含折射率最小的部分，而第二部分122包含折射率最大的部分。
将参照图8A至8J来说明光导部分111所具有的折射率分布的示例。虽然第一部分121将被描述为低折射率部分，并且第二部分122将被描述为高折射率部分，但是折射率的高低关系可以是相反的。在图8A的形式中，第二部分122在Z方向上的底部，位于第一部分121与光电转换部分101和102之间，光导部分111的下面(lower face)(光发射面)完全由第二部分122来配置。在图8B的形式中，第二部分122没有达到光导部分111的下端，并且光导部分111的下端面完全由第一部分121来配置。在图8C的形式中，第一部分121的宽度随着接近光电转换部分101和102而减小。此外，第二部分122的宽度是恒定的。在图8D的形式中，第二部分122的宽度随着接近光电转换部分101和102而增大。在图8E的形式中，第一部分121在Z方向上的顶部，位于第二部分122与光电转换部分101和102之间，光导部分111的上端面(光入射面)完全由第二部分122来配置。
如图8F所示，第一部分121在Y方向上的宽度可以大于在X方向上的宽度，或者如图8G所示，第一部分121在X方向上和Y方向上的宽度可以是相同的。如图8H的形式所示，光导部分111可以具有通过第二部分122彼此分离的充当低折射率部分的多个第一部分121，其中第二部分122充当高折射率部分。第一部分121并不被限制为由第二部分122所包围，而是可以仅在X方向上被夹于其间，如图8I所示的形式，或者可以仅在Y方向上被夹于其间，如图8J所示的形式。
图9A示出了诸如数字照相机、摄像机、具有成像功能的信息终端等成像系统1000的结构。成像系统1000被安装具有充当成像光学系统11的成像透镜以对被摄体像成像。包含成像透镜的该成像光学系统11的焦点位置由透镜控制单元12来控制。光圈快门13被连接至光圈快门控制单元14，具有通过改变孔径直径(可变孔径值)来执行光量调节的光圈功能、以及通过在执行静止摄像时执行开/关操作来控制曝光时间的快门功能。成像光学系统11的像空间包括执行已经通过成像光学系统11对焦的被摄体图像的光电转换的光电转换装置10的成像表面。光电转换装置10具有在水平方向上排列的各自具有一个或多个光电转换部分的m个光接收元件，以及在垂直方向上排列的n个光接收元件。具有拜耳阵列的原色马赛克滤色器被布置于这些固态成像元件，由此构成二维的单面板颜色传感器。
控制器15是照相机中央处理单元(CPU)，管理对照相机的各种动作的控制。照相机CPU具有计算单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、A/D转换器和D/A转换器以及通信接口电路等。照相机CPU遵循存储于ROM中的计算机程序来控制照相机的各部分的动作，并且执行AF的一系列摄影动作，包括检测摄影光学系统的对焦状态(焦点检测)、成像、图像处理、记录等。照相机CPU等同于计算器件。
成像元件控制单元16控制光电转换装置10的动作，并且还执行从光电转换装置10输出的像素信号(成像信号)的A/D转换，并将这些信号传输给照相机CPU。图像处理单元17通过对A/D转换的成像信号执行图像处理(诸如γ校正和颜色插值等)来生成图像信号，并且还对图像信号执行诸如JPEG压缩等的处理。诸如液晶显示器(LCD)等的显示单元18显示与照相机的拍摄模式、拍摄前的预览图像、拍摄后的配置图像、执行焦点检测时的对焦状态等相关的信息。操作开关19由电源开关、释放(摄影触发)开关、变焦操作开关、拍摄模式选择开关等组成。记录介质20用于记录拍摄的图像，并且可以可拆卸地被安装。
下面是关于在具有两个光电转换部分101和102的光接收元件1处的焦点检测方法(光瞳分割)的描述。图9B所示的成像光学系统的出射光瞳31是在X方向的方向上的光瞳分割，所分割的出射光瞳的区域是光瞳区域32和33。穿过光瞳区域32和33的光束被分别分配给两个光电转换部分101和102。本例所示出的在X方向上具有两个光电转换部分101和102的光接收元件1具有在X方向上执行光瞳分割的光瞳分割功能。具体地，在图9B中，位于-X侧的光电转换部分101接收已经穿过+X侧的光瞳区域33的光束W2(由双点虚线指示)。此外，在图9B中，位于+X侧的光电转换部分102接收已经穿过-X侧的光瞳区域32的光束W1(由单点虚线指示)。
虽然已经描述了用于对在X方向上具有亮度分布的被摄体执行焦点检测的结构，但是其中在Y方向上排列光电转换部分101和102的固态成像元件也可以使用将在Y方向上应用的相同结构，并且可以在Y方向上执行焦点检测。
在不脱离本发明的思想的情况下，可以对以上所描述的实施例适当地进行修改。
根据本发明，可以改善分光至多个光电转换部分的精度。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限定于所公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围应当被给予最宽泛的解释，以便涵盖所有此类修改以及等效的结构和功能。

Claims (11)

1.一种光电转换装置，其特征在于，
所述光电转换装置包括沿第一平面布置的多个光接收元件，其中所述多个光接收元件中的光接收元件包含：
多个光电转换部分，所述多个光电转换部分沿所述第一平面排列，从而在光电转换部分之间布置有隔离部分，以及
布置在所述多个光电转换部分上的光导部分，
其中，至少在与所述第一平面平行且横切所述光导部分的第二平面中，所述光导部分被绝缘膜包围，并且所述光导部分的折射率高于所述绝缘膜的折射率，以及
其中，在所述第二平面中，所述光导部分在第一方向上的宽度大于所述光导部分在与第一方向正交的第二方向上的宽度，所述多个光电转换部分在所述第一方向上排列。
2.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中所述光导部分在第三平面内在第二方向上的宽度小于所述光导部分在第二平面内在第二方向上的宽度，并且
其中，所述第三平面与所述第一平面平行，所述第三平面横切所述光导部分，并且所述第三平面位于多个光电转换部分之间。
3.根据权利要求2所述的光电转换装置，
其中所述光导部分在第三平面内在第一方向上的宽度大于所述光导部分在第三平面内在第二方向上的宽度。
4.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中在第二平面内，所述光电转换部分在第二方向上的宽度大于所述光导部分在第二方向上的宽度。
5.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，光接收元件进一步包括布置在多个光电转换部分之上的单个滤色器，
其中，满足或
其中n1代表第二平面内所述光导部分的折射率，n0代表包围所述光导部分的绝缘部件的折射率，λ代表滤色器的主要透过波长，并且WY代表所述光导部分在第二平面内在第二方向上的宽度。
6.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中光接收元件进一步包括：
对应于光电转换部分的第一透镜；以及
布置在第一透镜和光导部分之间的第二透镜。
7.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中所述光接收元件进一步包括被布置在多个光电转换部分之上的聚光部分，并且光导部分在第二平面中的形状为椭圆形或具有圆角的矩形。
8.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中光接收元件包括微透镜，
其中，在第二平面中，所述微透镜在第二方向上的宽度大于光导部分在第一方向上的宽度，
其中，在第二平面中，所述多个光电转转部分中的一个光电转换部分在第一方向上的宽度小于所述多个光电转转部分中的所述一个光电转换部分在第二方向上的宽度，以及
其中，在第二平面中，所述多个光电转换部分的各宽度与所述多个光电转换部分之间的在第一方向上的距离的总和大于光导部分在第一方向上的宽度。
9.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中所述光导部分在第二平面内在第一方向上的宽度为所述光导部分在第二平面内在第二方向上的宽度的1.20倍或更小，
其中，多个光接收元件在行方向和列方向上排列，第一方向是行方向和列方向之一，而第二方向是行方向和列方向中的另一个，
其中，在与第一方向和第二方向正交的第三方向上的任何位置处满足某一关系，该关系是横切光导部分的平面中的关系，
其中，光导部分在第一方向上的宽度大于光导部分在第二方向上的宽度，以及
其中，光导部分在横切多个光导部分的平面中的面积从光导部分的入口到光导部分的出口逐渐变大。
10.根据权利要求1所述的光电转换装置，
其中，光接收元件进一步包括被布置在多个光电转换部分之上的聚光部分，
其中光接收元件包含位于光接收区域的中间部分的第一光接收元件，以及位于所述光接收区域的周界部分的第二光接收元件，其中光接收元件排列于所述光接收区域中，以及
其中第一光接收元件的聚光部分的重心与第二光接收元件的聚光部分的重心之间的距离小于第一光接收元件的光导部分的重心与第二光接收元件的光导部分的重心之间的距离。
11.一种成像系统，其特征在于，包含：
根据权利要求1至10中的任一项所述的光电转换装置，以及
被配置为基于从光接收元件获取的信号来执行成像以及通过相移检测法进行的焦点检测。
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