CN105518870B - 光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

光电转换装置包括：由导电材料膜构成的第一光学滤光片(6a)，其包括周期性地具有多个结构(11)的第一图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在第一光电转换元件(A)之上；和由导电材料膜构成的第一光学滤光片(6b)，其包括周期性地具有多个结构(12)的第二图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在第二光电转换元件(B)之上。相互相邻的上述第一图案与第二图案的间隔(a)比第一图案的结构(11)的周期(P1)和第二图案的结构(12)的周期(P2)长。

Description

光电转换装置
技术领域
本发明涉及颜色传感器等光电转换装置。
背景技术
即使房间的照明的色温不同，人的眼睛也不太感觉到颜色的变化，通常该特性被称为颜色适应。例如，当从因色温高而看起来发蓝的荧光灯照明的房间进入因色温低而看起来发黄的白炽灯照明的房间时，房间的白色墙壁最初看起来发黄，但稍过一会，刚看起来发黄的墙壁会变得看起来发白。人的视觉具有颜色适应这样的特性，因此，当房间的照明的颜色不同时，即使电视机显示相同的图像，该图像看起来也会是不同的颜色。
近年来，伴随着液晶电视机的高画质化，对以下功能的期望高涨起来：通过根据房间的照明的种类来对图像的色感进行微调整，使得即使房间的照明的色温变化，看起来也是自然的图像。因此，对房间的色温进行检测的颜色传感器在液晶电视机上的装载逐步发展，使得能够对房间的色温进行检测，以与眼睛的颜色适应对应的方式自动地控制图像的色感。此外，在如智能手机和平板PC(计算机)等那样可移动的设备上装载的液晶屏幕的情况下，周围的照明随着观看场所的不同而时刻变化，因此，像颜色传感器那样自动地检测色温的传感器变得更加重要。
该颜色传感器构成为从环境光中分别感测可见光区域中的作为三原色的R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的光谱(以下，将颜色传感器称为RGB传感器)。
在该RGB传感器中，为了感测环境光，使用多个光电转换元件，作为该光电转换元件的器件一般由光电二极管构成。该光电二极管本身不能识别颜色，仅能够检测光的强度(光量)。因此，在将图像转换为电信号的情况下，为了识别颜色，在各光电二极管上覆盖彩色滤 光片，利用各光电二极管检测作为光的3原色的R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的光的光量，由此，从光电二极管取得颜色信号。
以往，在RGB传感器中，为了将环境光分成R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的三原色的光，使用通过由金属材料的吸收产生的遮光或光的干涉来仅使特定波长透射或反射的彩色滤光片的方法是通常的方法。
另一方面，数字静物摄像机、视频摄像机等利用由二维固体摄像元件构成的光电转换元件对被拍摄体进行拍摄而将被拍摄体图像化的二维固体摄像装置也逐渐增加。而且，在作为目前主流的固体摄像元件的CCD(电荷耦合元件：Charge Coupled Device)摄像元件、CMOS(互补型金属氧化膜半导体场效应晶体管：Complementary Metal OxideSemiconductor)摄像元件的各像素上，也装载有R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的彩色滤光片作为芯片上滤光片，为了除去这些彩色滤光片无法除去的红外光，在壳体上搭载有去红外滤光片。
但是，在上述以往的RGB传感器中，为了形成将RGB的三原色的光分开的彩色滤光片，需要3种光掩模，这样需要3种光掩模成为在制造工序中使时间和成本增加的主要原因。
为了减少这些时间和成本，提出了对金属薄膜实施纳米级的微细加工而形成周期性结构来作为代替上述彩色滤光片的光波长选择性滤光片，利用使光入射该结构而被激发的表面等离子体共振所引起的光的异常透射现象。
关于该利用表面等离子体共振的波长选择性滤光片(以下记载为等离子体滤光片)，在专利文献1中有详细说明。作为使该异常透射现象发生的手段，有各种方法，例如，如图9所示，有形成50～200nm左右的薄的金属膜501，在金属膜501以按每个透射波长决定的周期图案化形成微细的孔阵列502、502、502、……而形成光学滤光片层500的方法。在光入射该光学滤光片层500时透射的光谱波形在图10中示出。但是，表面等离子体共振因在某导电材料膜与电介质膜的界面产生的表面等离子体与由入射光产生的消逝场光(evanescentfield light)的共振而产生，因此，为了高效率地产生表面等离子体共振，优选导电材料膜、电介质膜为单一结构(材料、折射率等物性的均匀性、孔 周期和形状的均匀性)，优选电介质膜为无分散的光学特性。上述导电材料膜是指，以单体为导体、在任意波段具有70％以上的反射率且常温为固体的金属元素构成的膜以及它们的合金或氧化物(参照非专利文献1)。
例如，作为金属材料，使用选自铝、铜、银、金、氮化钛、氮化锆、镍、钴或它们的合金中的材料。
特别地，铝以及铝与铜的合金具有：
(i)等离子体频率为紫外线波长，因此在比可见光长的波长区域产生共振现象，
(ii)因为是通常的半导体工艺中使用的材料，所以即使在工艺整合时也不需要特殊的装置和材料，
(iii)材料廉价，
(iv)制作工艺简单，能够一并形成与各个波长对应的光学滤光片等优点，被采用的情况较多。
此外，等离子体频率比上述金属低，可见光下为透明，因而在可见光～近红外线具有等离子体频率的以ITO(Sn：In2O3)为代表的In2O3类、AZO(Al：ZnO)、GZO(Ga：ZnO)、BZO(B：ZnO)、以IZO(In：ZnO)为代表的ZnO类、IGZO类的金属氧化物透明导电材料，也用于表面等离子体滤光片的材料。
为了形成使用了上述这样的等离子体滤光片的RGB传感器，需要将以使R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的各色透射的方式设计的周期性结构彼此相邻地配置。
根据非专利文献2，在使用Al作为金属材料以膜厚150nm形成的具有圆形孔阵列的周期结构的滤光片的情况下，如图11所示，为了使B(蓝色、波长450nm)、G(绿色、波长550nm)、R(红色、波长650nm)的光透射，需要使孔间周期a分别为260nm、340nm、420nm。此外，透射的光的波长λ与孔间周期(光栅常数)a具有图12所示的线性关系。其中，上述孔间周期a根据金属材料及其周边的绝缘膜材料而变化。
此外，伴随CCD摄像元件等的高像素数化，各像素尺寸变小，到相邻的像素为止的距离也变小，如专利文献2所记载的那样，按照各 区域将不同周期的滤光片分离地形成，以使期望的波长的光透射。如果将这些滤光片重叠配置，则会产生多种波长的光透射而波长选择性下降、某波长的透射率下降等的问题。
此外，即使将这些滤光片分离配置，如果不使其距离合适，也会产生以下问题。图13中示出配置的一例进行说明。将使R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的不同的3波长的光透射的等离子体滤光片102、103、101如图13所示配置。等离子体滤光片101中以均匀的孔间周期P1配置有各孔，同样地等离子体滤光片102中以均匀的孔间周期P2配置有各孔，等离子体滤光片103中以均匀的孔间周期P3配置有各孔。
这些等离子体滤光片101、102、103单独存在的情况下，仅为透射各色的光的孔间周期，因此得到波长选择性良好的透射光谱波形。但是，如图13所示那样配置的情况下，在等离子体滤光片101与等离子体滤光片102之间，构成等离子体滤光片101的孔与构成等离子体滤光片102的孔的间隔a成为与上述周期P1、P2不同的周期a，与该周期a对应的波长的光会稍微透射一些。等离子体滤光片102与等离子体滤光片103之间的孔的周期b也是同样的。
在专利文献3中提出了解决该技术问题的现有技术之一。该专利文献3中，尽可能地使周期a与等离子体滤光片101的周期P1、等离子体滤光片102的周期P2接近，使非有意地透射的光的波长接近期望的波长。具体而言，将周期a规定为周期P1、P2各自的0.75～1.25倍(1.00±0.25)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3008931号公报
专利文献2：日本特开2007-187835号公报
专利文献3：日本特开2010-170085号公报
非专利文献
非专利文献1：Alexandra Boltasseva et al.，Sience，Vol.331，No.6015，pp.290-291(21 January 2011)
非专利文献2：Naoki Ikeda et al.，IEICE TRANSACTIONS on Electronics，Vol.E95-C No.2，pp.251-254(2012)
非专利文献3：NATURE COMMUNICATIONS|DOI：10.1038/ncomms1058
发明内容
发明要解决的技术问题
可是，在专利文献3的情况下，例如存在如下问题：假定P2>P1，P1和P2的尺寸被限定在满足下述的(式1)所述的周期a的存在条件的范围。
(式1)P2×0.75<周期a<P1×1.25
例如，相对于等离子体滤光片101的周期P1，作为相邻的等离子体滤光片102的周期，P1的2倍不满足上述(式1)，因此不能设定。等离子体滤光片通过任意改变掩模图案，能够同时在一个金属薄膜上形成包含RGB以外的波长的几种等离子体滤光片，这是一个很大的优点，但如上述那样配置、即周期受到很大的制约，会使上述优点减半。
因此，本发明的技术问题在于，提供一种具有不同周期结构的光学滤光片的配置不会受到大的制约，能够任意地配置，并且能够充分地确保波长选择性的光电转换装置。
解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的光电转换装置的特征在于，包括：第一光电转换元件；第二光电转换元件；由导电材料膜构成的第一光学滤光片，其包括周期性地具有多个结构的第一图案，并且隔着绝缘膜配置在上述第一光电转换元件之上；和由导电材料膜构成的第二光学滤光片，其包括周期性地具有多个结构的第二图案，并且隔着绝缘膜配置在上述第二光电转换元件之上，相互相邻的上述第一图案与上述第二图案的间隔为使大于上述第一光电转换元件和上述第二光电转换元件能够光电转换的光的最大波长的波长的光透射，不使上述第一光电转换元件和上述第二光电转换元件能够光电转换的光的最大波长以下的波长的光透射的间隔。
发明效果
根据本发明的光电转换装置，具有不同周期结构的等离子体滤光片的配置不会受到大的制约，能够任意地配置，并且能够充分确保精度高的波长选择性。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的剖视图。
图2是本发明的第一实施方式的俯视图。
图3是表示表面等离子体滤光片的开口图案周期和最大透射波长的曲线图。
图4是表示表面等离子体滤光片的开口图案周期和最大透射波长的曲线图。
图5是表示电介质材料的折射率的波长依存性的曲线图。
图6是表示Al的介电函数的图。
图7是表示Au的介电函数的图。
图8是本发明的第四实施方式的剖视图。
图9是表示专利文献1的实施方式的图。
图10是表示专利文献1的透射光谱波形的图。
图11是表示非专利文献1的波长选择性的图。
图12是表示非专利文献1的透射波长与孔间周期的关系的图。
图13是表示作为RGB传感器配置的等离子体滤光片的例子的图。
图14是本发明的第五实施方式的俯视图。
图15是本发明的第五实施方式的狭缝结构中的栅格宽度与最大透射波长的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，通过图示的实施方式详细地对本发明进行说明。
(第一实施方式)
用图1和图2具体地对本发明的第一实施方式的光电转换装置进行说明。
图1是表示本发明的第一实施方式的光电转换装置的剖面。该光电转换装置在P型硅半导体衬底1设置有第一光电转换元件A和第二 光电转换元件B。该第一光电转换元件A和第二光电转换元件B分别由硅光电二极管A、B构成。该硅光电二极管A、B是由P型硅半导体衬底1、该P型硅半导体衬底1上的N型半导体扩散层2、2和硅氧化膜3构成的PN结光电二极管A、B。该N型半导体扩散层2、2利用离子注入等方法在P型硅半导体衬底1上导入磷、砷等，通过实施1100℃左右的退火而形成。
另外，上述半导体衬底1和半导体扩散层2的PN极性当然即使相反也没有问题(即，形成在N型硅半导体衬底上的P型半导体扩散层的结构)。
在上述N型半导体扩散层2、2和P型硅半导体衬底1之上利用CVD(化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition)法等一般的方法形成作为绝缘膜的硅氧化膜3。并且，为了与该硅光电二极管A、B接触，在硅氧化膜3开口，利用溅射等方法由Al、AlCu等形成电极4。然后，在上述硅氧化膜3和电极4上利用CVD等方法形成作为绝缘膜的硅氧化膜5。
在形成该硅氧化膜5后，通过CMP(化学机械研磨：Chemical MechanicalPolishing)等充分进行平坦化。形成在该硅氧化膜5之上的第一光学滤光片和第二光学滤光片、即成为第一表面等离子体滤光片和第二表面等离子体滤光片的作为后述的导电材料膜的一例的第一金属膜6a和第二金属膜6b，需要进行200nm以下的微细加工，因此硅氧化膜5的平坦化是重要的。
作为上述第一光学滤光片和第二光学滤光片的第一金属膜6a和第二金属膜6b是等离子体滤光片6a、6b，分别具有作为透射期望的波长的光的周期性结构的一例的周期性开口11、12。具体而言，该第一金属膜6a和第二金属膜6b在进行了平坦化的硅氧化膜5上通过溅射以150nm的厚度形成Al膜，在其上涂敷抗蚀剂后，通过光刻形成周期不同的开口11、12。该开口11、12分别以一定周期由多个圆形的孔(贯通孔)11、12构成，形成开口图案。另外，代替孔(贯通孔)，开口也可以为凹部。
最后，在该第一金属膜6a、第二金属膜6b和硅氧化膜5之上形成作为钝化膜起作用的电介质膜的硅氧化膜7。此时需要用硅氧化膜7 来填埋在前工序中形成的第一金属膜6a和第二金属膜6b的作为多个开口的孔11、12，因此利用高密度等离子体CVD法形成该硅氧化膜7。
最后，将焊盘区域开口，但在图1中省略。
上述光电转换元件A、B在光电二极管以外，可以使用CCD摄像元件、CMOS摄像元件。
接着，图2示出图1所示的本发明的第一实施方式的从光电转换装置上方看的俯视图。例如，上述第一金属膜6a是作为使蓝色(λ＝420nm)的光透射的第一光学滤光片的表面等离子体滤光片，第二金属膜6b是作为使红色(λ＝630nm)的光透射的第二光学滤光片的表面等离子体滤光片。该第一金属膜6a的开口11的周期P1和第二金属膜6b的开口12的周期P2由作为第一光学滤光片和第二光学滤光片的第一金属膜6a和第二金属膜6b的金属材料及其周围的电介质膜7、5的折射率决定。此外，相反作为表面等离子体滤光片的特征，只要决定了表面等离子体滤光片的导电材料、其周围的电介质膜、周期性的结构，透射的光的波长在原理上是唯一决定的。在本发明的第一实施方式的情况下，上述导电材料是Al，电介质膜是由SiO2构成的表面等离子体滤光片，开口11、12的周期P1、P2分别为260nm、420nm。也就是说，在图2中，P1＝260nm、P2＝420nm。
图3示出图2的作为第一光学滤光片和第二光学滤光片的第一金属膜6a和第二金属膜6b的开口图案的周期与透射波长的依赖于电介质材料的关系。示出了导电材料膜使用Al，电介质膜分别使用折射率不同的材料(SiO2、Al2O4、Si3N4、TiO2)的结果。当使开口图案的周期增长时，透射最大波长以线性的关系变长。图4示出由图3求出的最大透射波长与电介质膜的折射率的关系。可知在同一最大透射波长，如果电介质膜的折射率增大，图案周期变小。也就是说，示出当电介质膜的折射率变高时，相邻的光学滤光片间的间隔变窄。
图5示出电介质材料的折射率的波长依存性。图5记载的电介质材料为作为表面等离子体滤光片的电介质膜的材料设想的材料的一例，在图示的波长区域中，为大致无分散的材料。由此，可知表面等离子体滤光片的电介质膜的折射率存在于1.0以上3.0以下的范围中。
因此，当将图2所示的表面等离子体滤光片6a、6b相邻配置时，作为第一金属膜6a的开口的孔11与作为第二金属膜6b的开口的孔12的间隔a，即第一光学滤光片6a的周期性的多个开口11的第一图案与第二光学滤光片6b的周期性的多个开口12的第二图案的间隔a小，例如只有340nm，以该周期，绿色(λ＝550nm)的光因表面等离子体共振而透射，因此本来应该在第一金属膜6a的区域仅蓝色透射，在第二金属膜6b的区域仅红色透射，但绿色从边界部透射出来。如果发生该现象，则各区域的颜色的识别发生偏差，因此即使想要利用例如RGB传感器等感测色温，也不能正确地检测出色温，会被实施错误的校正。
与此相对，在该第一实施方式中，作为光电转换元件A、B使用硅光电二极管A、B，着眼于硅的物性上仅能够吸收至1100nm左右的光，将因第一金属膜6a与第二金属膜6b的边界部的孔11、12间周期a而透射的光的波长设定为上述1100nm以上的尺寸。具体而言，第一光学滤光片6a的开口11的第一图案与第二光学滤光片6b的开口12的第二图案的间隔a，即孔11与孔12的间隔a为比周期P1和P2长的约600nm以上地分离配置，由此，由边界部的孔11、12引起的表面等离子体共振而透射的光的波长比1100nm长，因此利用由硅光电二极管A、B构成的光电转换元件A、B不能感知，不会发生例如色温偏差。
因此，根据该第一实施方式，能够确保精度高的波长选择性。
此外，根据该第一实施方式，如上所述，例如只要使孔11与孔12分离约600nm以上即可，具有不同周期的结构11、12的第一光学滤光片和第二光学滤光片、即表面等离子体滤光片6a，6b的配置不会受到大的限制，能够任意地配置。
(第二实施方式)
该第二实施方式的光电转换装置仅光电转换元件的材料与第一光学滤光片和第二光学滤光片、即第一金属膜和第二金属膜的导电材料不同。因此，该第二实施方式的说明中援引第一实施方式的图2。
如上所述，在本发明的第一实施方式中，光电转换元件A、B使用了硅光电二极管A、B，但当然也可以使用其它材料。在此情况下，根据下述的表1所示的各材料的物性(带隙)，各材料能够吸收的光的最大波长λmax和不使该光透射的孔间周期不同，大致由下述的(式2)求出。
[表1]
各结晶材料的物性(带隙)一览
结晶材料 带隙[eV] λmax[nm] 周期[nm]
Si 1.12 1100 600
Ge 0.7 1770 1350
GaAs 1.43 870 400
GaN 3.4 370 80
(式2)λmax[nm]≈1240/Ea
这里，Ea：带隙[eV]。
因此，Si只要将边界部的孔11、12间周期a隔开600nm以上地配置即可，在表1的材料中，例如带隙窄的Ge，最大透射波长为1770nm较长，因此需要使周期a分离1350nm以上地配置。另一方面，带隙宽的GaAs、GaN能够分别使边界部的孔11、12间周期a接近至400nm、80nm。如果隔开上述尺寸以上地配置，则特性上没有问题，但如果过于远离，则光学滤光片的间隔变宽，颜色传感器整体的尺寸变大，产生成本提高和难以小型化的问题。在此情况下，例如可以考虑以如果是Si则大致合适的孔间周期的最小值即600nm配置。
例如，作为其它材料，将GaAs用于光电转换元件的情况下，GaAs是III-V族的半导体，在GaAs中添加6价的硒等形成N型半导体层，在GaAs中添加2价的锌等形成P型半导体，形成GaAs的PN结而形成光电转换层。
在其上，在与第一实施方式同样地形成使用Al的孔阵列型的等离子体滤光片6a、6b的情况下，其边界的孔11、12间周期a优选为400nm左右。
由此，与第一实施方式同样地使分别独立的波长的光透射，在边界部透射的光不会被光电转换元件A、B吸收，因此能够得到能够确保精度高的波长选择性，并且能够使多个不同的波长透射，并且等离子体滤光片6a、6b的配置不会受到大的制约的光电转换装置。
本第二实施方式的光学滤光片、即表面等离子体滤光片6a、6b的导电材料是选自铝、铜、银、金、氮化钛、氮化锆、镍、钴或它们的合金的材料，但优选由选自以对于可见光是透明的而对于红外线表现出高反射特性(等离子体频率为380THz以下)的ITO(Sn：In2O3)为代表的In2O3类、AZO(Al：ZnO)、GZO(Ga：ZnO)、BZO(B：ZnO)、以IZO(In：ZnO)为代表的ZnO类、IGZO类的金属氧化物透明导电材料中的材料构成。
(第三实施方式)
在本发明的第一实施方式和第二实施方式中，对以等离子体滤光片的材料为Al、以光学滤光片的图案周围的电介质膜为硅氧化膜且圆形孔阵列的情况具体进行了说明，但滤光片材料也可以使用Al以外的Au、Ag、Cu及其它金属，电介质膜为以硅氮化膜为首的其它材料也没有问题。该第三实施方式的光电转换装置除了材料、尺寸的不同之外，援引第一实施方式的图1和2。
在本发明的第三实施方式中，对作为等离子体滤光片6a、6b的材料使用Al以外的Au的情况进行说明。已经对将等离子体滤光片采用Al系材料的优点进行了说明，但Al系材料的缺点是在几um的波长长的光的等离子体共振效应弱。表面等离子体共振的效应对于光学滤光片所使用金属材料的介电函数(由于是金属，为复介电函数)产生很大影响。特别是，介电函数的实部的绝对值越大，介电函数的虚部的绝对值越小越优选。特别是，介电函数的虚数部的绝对值是重要的。但是，在图6和图7中示出Al、Au的介电函数，已知与Au、Ag、Cu等相比，Al系材料在几um的长波长区域的介电函数的虚数部的绝对值大。已知如果介电函数的虚数部的绝对值大，则不容易发生表面等离子体共振效应，在几um程度的长波长区域，与Al系材料相比，优选使用Au、Ag。对于相邻的独立的等离子体滤光片6a、6b的间隔，如本发明的第一实施方式中说明的，如果以使得透射由Au形成的等离子体滤光片6a，6b的光的波长成为在其下形成的光电转换元件A、B的材料不能吸收的波长的间隔来配置，则能够得到与本发明的第一实施方式相同的效果。
(第四实施方式)
图8是第四实施方式的光电转换装置的剖视图。在图8中，对于与第一实施方式的图1相同的构成要素，标注同一参照编号，省略详细的说明，以下对于不同的构成要素进行说明。
在图8中，没有示出图1所示的第二光电转换元件B和第二金属膜6b，但它们配置在图8中比第一光电转换元件A和第一金属膜6a靠纸面的进深方向的位置。
如图8所示，在P型硅半导体衬底1上，对来自第一光电转换元件A和第二光电转换元件B的输出进行信号处理，例如设置判定环境光的色感的电路部50，将配线层51与该电路部50电连接。像这样，通过将对来自光电转换元件A、B的输出进行信号处理的电路部50与光电转换元件A、B设置成一体，实现低噪声化和小型化。
另外，上述电路部50包含静电保护元件50a。
此外，在与上述第一金属膜6a相同的层设置遮蔽金属部52，由该遮蔽金属部52覆盖电路部50和该电路部50与第一光电转换元件A之间的区域。由此，防止杂散光侵入到第一光电转换元件A和第二光电转换元件B、电路部50，防止伪信号的产生，防止误动作，提高耐久性。
此外，如图8所示，由上述第一金属膜6a构成的等离子体滤光片6a和遮蔽金属部52连接，使蚀刻时的沉积物的产生量减少。不过，虽然未图示，但等离子体滤光片6a和遮蔽金属部52可以不连接，可以分离。
此外，上述第一金属膜6a、第二金属膜6b和遮蔽金属部52通过未图示的配线接地，为接地电位。由此，第一金属膜6a、第二金属膜6b和遮蔽金属部52不仅进行光的遮断，而且对于电噪声也具有屏蔽效果。例如，在电噪声来到第一金属膜6a和第二金属膜6b或遮蔽金属部52的情况下，该电噪声能够逃逸到接地的电位，因此，电噪声不会对比第一金属膜6a、第二金属膜6b和遮蔽金属部52靠下的电路部50、静电保护元件50a产生不良影响。也就是说，遮蔽金属部52作为用于防止光的侵入的光学遮蔽物和保护电路部50等免受电噪声影响的电遮蔽物起作用。
在上述第一实施方式和第二实施方式中，使作为光学滤光片的第一金属膜6a和第二金属膜6b上设置的周期性结构为圆形的孔11、12的阵列，但除了圆形的孔的阵列之外，四边形、三角形等孔的阵列、线和空间的结构、局部利用了等离子体的凸型的周期性结构也能够产生表面等离子体共振现象。但是，按每个材料和结构，产生共振的波长不同，因此，需要考虑与各参数相应地使用的光电转换元件的物性(λmax)，使相邻的光学滤光片的周期性结构的配置最佳化。
此外，在上述第一实施方式和第二实施方式中，将第一光电转换元件A和第二光电转换元件B设置于半导体衬底1，但也可以除了第一光电转换元件A和第二光电转换元件B、第一金属膜6a和第二金属膜6b之外，设置未图示的第三光电转换元件，在该第三光电转换元件的上方隔着绝缘膜设置作为第三光学滤光片的第三金属膜，使R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的三原色的光或上述三原色的互补色的光透射上述第一光学滤光片、第二光学滤光片和第三光学滤光片，来检测光的三原色或上述三原色的互补色的光。
(第五实施方式)
图14是本发明的第五实施方式的光电转换装置的俯视图。
该第五实施方式的周期结构不是至今为止的第一实施方式～第四实施方式中说明的圆孔的孔阵列的结构，而是狭缝结构。
该第五实施方式的光电转换装置如图14的俯视图所示，将作为第一光学滤光片的导电材料膜即第一金属膜301与作为第二光学滤光片的导电材料膜即第二金属膜302相邻地配置，在该第一金属膜301和第二金属膜302的下侧隔着未图示的绝缘层设置有作为导电材料膜的第三金属膜400。
比上述第三金属膜400靠下侧的结构是与由图1所示的第一实施方式的硅窒化膜5等构成的结构相同的结构，因此这些结构援引图1，省略详细的说明。
如图14所示，在作为上述第一光学滤光片的第一金属膜301设置有形成第一图案的作为多个开口的一例的多个狭缝311、311、311……。该多个狭缝311、311、311……以一定间隔即一定周期(间距)P1在 横方向上排列，具有宽度S1。此外，该狭缝311的两侧的栅格312、312、312……也具有一定周期(间距)P1，具有宽度G1。
此外，在作为上述第二光学滤光片的第二金属膜302设置有形成第二图案的作为多个开口的一例的多个狭缝321、321、321……。该多个狭缝321，321，321……以一定间隔即一定周期(间距)P2在横方向上排列，具有宽度S2。此外，该狭缝321的两侧的栅格322、322、322……也具有一定周期(间距)P2，具有宽度G2。
作为该第一光学滤光片和第二光学滤光片的第一金属膜301和第二金属膜302为等离子体滤光片。
此外，作为上述第一光学滤光片的第一金属膜301的右端的狭缝311a与作为第二光学滤光片的第二金属膜302的左端的狭缝321a的间隔(狭缝311a的中心线与狭缝321a的中心线之间的距离)a比上述周期P1和P2长，由此，由边界部的狭缝311a、321a引起的表面等离子体共振而透射的光的波长成为图1所示的由硅光电二极管A、B构成的光电转换元件A、B无法感知的波长，不会发生色温偏差。
因此，根据该第五实施方式，能够确保精度高的波长选择性。
此外，在上述第一金属膜301和第二金属膜302的下侧隔着未图示的绝缘层设置的上述第三金属膜400大致具备具有2个矩形的开口的矩形的外周的轮廓，覆盖第一金属膜301的两端的狭缝311a、311a的所有区域、第二金属膜301的两端的狭缝321a，321a的所有区域、第一金属膜301与第二金属膜302之间的区域、第一金属膜301和第二金属膜302的两端以外的多个狭缝311、321……各自的长度方向的两端部311b、321b……。也就是说，上述第三金属膜400覆盖第一金属膜301和第二金属膜302的多个狭缝311、321、……的位于最外周的部分。
像这样，上述第三金属膜400覆盖第一金属膜301和第二金属膜302的多个狭缝311、321、……的位于最外周的部分，因此，能够由第三金属膜400遮断从形状容易因曝光时来自相邻开口部的干涉光的影响或蚀刻时的微负载效应而变得不均匀的两端的狭缝311a、321a和狭缝311、321……各自的长边方向的两端部311b、321b……透射的透 射光，即使是狭缝结构也能够形成确保了期望的波长选择性的等离子体滤光片。
因此，根据该第五实施方式的光电转换装置，能够防止本来不透射的波长的光的异常透射，能够使光谱波形的半值宽度减小。
此外，上述第一金属膜301和第二金属膜302通过未图示的配线接地，为接地电位。
像这样，上述第一金属膜301和第二金属膜302为接地电位，因此构成等离子体滤光片区域的第一金属膜301和第二金属膜302的电位稳定，电子的举动稳定，波长选择性变得良好。如果等离子体滤光片区域的第一金属膜301和第二金属膜302的电位变动，则会对波长选择性产生不良影响。
根据上述结构的光电转换装置，即使是狭缝结构，通过选择合适的周期(间距)P1、P2、狭缝宽度S1、S2和间隔a，也与第一实施方式～第四实施方式同样地观测到由等离子体效应带来的波长选择效应。
图15是狭缝型MIM(Metal-Insulator-Metal)结构，具体而言，示出使用40nm厚的Al膜、100nm厚的绝缘膜、40nm厚的Al膜，将狭缝宽度S固定在100nm的情况下的实验例。
从图15可知，即使是相同狭缝的宽度S(100nm)，通过改变栅格的宽度G，改变间距P，最大透射光的波长也不同。这是指，即使是使用相同的金属材料或绝缘材料的等离子体滤光片，在相邻地配置有多个等离子体滤光片的情况下，该相邻的多个等离子体滤光片互相不干涉的、两等离子体滤光片的狭缝间的距离a(参照图14)也变化。
更加具体而言，光电转换装置主要使用一般在半导体中使用的硅材料，利用作为通常方法的光刻或离子注入等，在硅基板上形成用于将入射光转换成电信号的光电转换元件，形成SiO2的层间膜后，利用CMP等的方法充分进行平坦化。然后，作为滤光片膜，参考非专利文献3(NATURE COMMUNICATIONS|DOI：10.1038/ncomms1058)示出的结构即由Al构成的厚度40nm的膜、由ZnSe构成的厚度100nm的绝缘膜、Al的厚度40nm的膜的层叠结构，将上述绝缘膜从由ZnSe构成的膜变更为由通常半导体工艺中使用的SiN构成的膜。图15中示出2种折射率(n＝1.95、n＝2.7)下的等离子体滤光片的透射波长依赖 于栅格宽度G的依赖性，例如在折射率n为2.7的情况下，为了作为RGB传感器使用，通过形成栅格宽度G分别为100nm、150nm、200nm(由于狭缝宽度S都为100nm，因此间距P为200nm、250nm、300nm)的狭缝结构，能够形成蓝色(B)、绿色(G)、红色(R)用的滤光片。
此外，在将这些等离子体滤光片相邻地配置时，隔开使硅能够吸收的光的最大波长λmax即1100nm的波长的光透射的滤光片间距即450nm以上地配置，由此与已经叙述的圆孔的孔阵列型滤光片同样地硅在相邻的边界进行吸收，不会透射成为噪声的多余的光，能够将具有优异的色分离性的透射任意波长的彩色滤光片相邻地配置。
上述中，对具有Al、SiN、Al的层叠结构的狭缝型滤光片进行了说明，层叠结构、周期结构为其它结构时，间距、最小隔开距离虽然改变，但可以说是同样的特征。本质是，由各材料、俯视时的周期结构决定的使期望的光透射的间距虽然改变，但都是比使采用的光电转换材料的最大透射波长的光透射的间距更远离地配置多个不同周期结构的滤光片。
上述第五实施方式的结构要素和第一实施方式～第四实施方式的结构要素可以适当组合。
总结本发明和实施方式如下。
本发明的光电转换装置的特征在于，包括：
第一光电转换元件A；
第二光电转换元件B；
由导电材料膜构成的第一光学滤光片6a、301，其包括周期性地具有多个结构11、311的第一图案，并且隔着绝缘膜5配置在上述第一光电转换元件A之上；和
由导电材料膜构成的第二光学滤光片6b、302，其包括周期性地具有多个结构12、321的第二图案，并且隔着绝缘膜5配置在上述第二光电转换元件B之上，
相互相邻的上述第一图案与第二图案的间隔a比上述第一图案的结构11、311的周期P1和上述第二图案的结构12、321的周期P2长。
另外，上述第一图案与第二图案的间隔a没有上限，即使长也没有问题，但从集成化的观点出发优选是符合上述条件的间隔的最小值，该间隔是2个光电转换元件A、B的至少一者能够吸收的波长范围的光实质上不透射的间隔。例如上述尺寸因电介质的折射率而变化，如果是由图4设想的电介质的折射率1.0～3.0，则上述间隔a为600～5000nm左右的范围。
根据上述结构的光电转换装置，上述第一光学滤光片6a的结构11、311的第一图案与上述第二光学滤光片6b的结构12、321的第二图案的间隔a比上述第一图案的结构11、311的周期P1和上述第二图案的结构12、321的周期P2长，因此上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B的至少一者能够吸收的波长范围内的光不会在第一光学滤光片6a、301的结构11、311与第二光学滤光片6b、302的结构12，321之间进行表面等离子体共振而透射，不会入射到第一光电转换元件A和第二光电转换元件B，在第一光学滤光片6a、301的结构11、311与第二光学滤光片6b、302的结构12、321之间进行等离子体共振而透射的波长范围内的光不会被上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B吸收。
像这样，从上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的边界部透射的波长范围内的光不被第一光电转换元件A和第二光电转换元件B吸收而不会被第一光电转换元件A和第二光电转换元件B检测到，因此作为传感器的特性没有影响。
因此，利用上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302、即第一等离子体滤光片6a、301和第二等离子体滤光片6b、302，能够任意地选择透射的光的波长，并且不会受到因在彼此相邻的等离子体滤光片6a、301、6b、302的边界部产生的结构11、311、12、321间的周期而透射的波长的光的影响，能够确保高的波长选择性。
换而言之，在相邻地配置多种等离子体滤光片6a、301、6b、302的情况下，通过使边界部的周期性结构11、311、12、321间的间隔为多个光电转换元件A、B能够吸收的最长波长的光不进行表面等离子体共振而透射的尺寸以上，能够得到装载了能够任意选择各个等离子体滤光片6a、301、6b、302的波长，并且多个光电转换元件A、B不 会受到因在相邻的等离子体滤光片6a、301、6b、302的边界部产生的周期而透射的波长的光的影响，确保了波长选择性的精度的多个等离子体滤光片6a、301、6b、302的光电转换装置。
此外，根据本发明，具有不同周期结构11、311、12、321的第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的配置不会受到很大制约，能够任意地配置。
上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B的材料可以相同，也可以不同，在制造上优选相同。此外，上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的材料也是可以相同可以不同，在制造上优选相同。
另外，该发明的光电转换装置具有上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B，以及上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302，当然只要具有这些第一光电转换元件A和第二光电转换元件B、第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302，即使具有第三光电转换元件和第三光学滤光片，也包含在本发明的技术范围中。
在1实施方式中，上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B至少包含硅和硅氧化膜3。
根据上述实施方式，上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B包含半导体装置中经常使用的材料即硅和硅氧化膜3，因此具有通常的半导体工艺中的处理容易，并且也能够应用于包含可见光(380nm～750nm)的RGB传感器的优点。
在1实施方式中，上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的导电材料膜由Al或Al合金(AlCu、AlSi等)构成。
上述实施方式中，上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302由Al或Al合金构成，因此在400nm左右的短波长产生表面等离子体共振，能够应用于RGB传感器。
此外，上述Al或Al合金是在通常的半导体工艺中使用的材料，因此在工艺整合时有利，此外，廉价，并且制作工艺简单，能够一并形成与各个波长对应的等离子体滤光片。
1实施方式还包括：
第三光电转换元件；和
由导电材料膜构成的第三光学滤光片，其包括周期性地具有多个结构的第三图案，并且隔着绝缘膜配置在上述第三光电转换元件之上，
上述第一光学滤光片、第二光学滤光片和第三光学滤光片使光的三原色或上述三原色的互补色的光透射。
根据上述实施方式，能够形成RGB传感器。
在1实施方式中，在同一基板1上形成有：上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B；和对来自该第一光电转换元件A和第二光电转换元件B的输出进行信号处理的电路部50。
根据上述实施方式，在同一基板1上形成上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B以及上述电路部50而一体化，因此能够实现低噪声化和小型化。
在1实施方式中，在与上述第一光学滤光片6a和第二光学滤光片6b相同的层设置有遮蔽金属部52，利用该遮蔽金属部52覆盖上述电路部50和该电路部50与第一光电转换元件A之间的区域。
根据上述实施方式，在与上述第一光学滤光片6a相同的层设置遮蔽金属部52，该遮蔽金属部52覆盖上述电路部50和该电路部50与第一光电转换元件A之间的区域，因此能够防止杂散光侵入到第一光电转换元件A或电路部50，能够防止产生伪信号，能够防止误动作，提高耐久性。
在1实施方式中，上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B至少包含硅和硅氧化膜3，
上述第一光学滤光片6a和第二光学滤光片6b的导电材料膜由Al或Al合金(AlCu、AlSi等)构成，
上述第一图案和第二图案的上述结构11、12为圆形的开口11、12，
上述第一图案与上述第二图案的间隔a至少为600nm。
在上述实施方式中，上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B至少包含硅和硅氧化膜3，上述第一图案与上述第二图案的间隔a至少为600nm。另一方面，硅的光吸收波长为300～1200nm左右。
因此，根据上述实施方式，上述第一光学滤光片6a的圆形的开口11与上述第二光学滤光片6b的圆形的开口12的间隔至少为600nm， 因此在上述第一光学滤光片6a的圆形的开口11与上述第二光学滤光片12的圆形的开口12之间进行表面等离子体共振而透射的波长范围内的光，不被包含光吸收波长为300～1200nm左右的硅和硅氧化膜的第一光电转换元件和第二光电转换元件吸收，不被第一光电转换元件A和第二光电转换元件B检测到，因此作为传感器的特性没有影响。
因此，根据该实施方式，利用上述第一光学滤光片6a和第二光学滤光片6b、即第一等离子体滤光片6a和第二等离子体滤光片6b，能够任意地选择透射的光的波长，并且不会受到因在相互相邻的等离子体滤光片6a、6b的边界部产生的开口11、12间的周期a而透射的波长的光的影响，能够确保精度高的波长选择性。
此外，在上述实施方式中，上述第一光电转换元件A和第二光电转换元件B至少包含硅和硅氧化膜3，因此通常的半导体工艺中的处理容易，并且也能够应用于包含可见光(380nm～750nm)的RGB传感器，此外，上述第一光学滤光片6a和第二光学滤光片6b是Al或Al合金(AlCu、AlSi等)，因此在工艺整合时有利，此外，廉价，制造工艺简单，能够一并形成与各个波长对应的光学滤光片6a、6b。
在1实施方式中，上述第一和第二图案的上述结构为狭缝311、321。
根据上述实施方式，即使是狭缝结构，也能够通过选择合适的周期(间距)P1、P2和狭缝宽度S1、S2，得到由等离子体效应带来的波长选择效应。
在1实施方式中，上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302接地。
根据上述实施方式，上述第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302接地，构成等离子体滤光片区域的第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的电位稳定，电子的举动稳定，波长选择性变得良好。如果构成等离子体滤光片区域的第一光学滤光片6a、301和第二光学滤光片6b、302的电位变动，则对波长选择性产生不良影响。
在1实施方式中，包括导电材料膜400，其覆盖上述第一图案和第二图案的多个狭缝311、321的位于最外周的部分。
根据上述实施方式，上述导电材料膜400覆盖第一图案和第二图案的多个狭缝311、321的位于最外周的部分，因此能够由导电材料膜400遮断从形状容易因曝光时来自相邻开口部的干涉光的影响或蚀刻时的微负载效应而变得不均匀的两端的狭缝311a、321a和狭缝311、321……各自的长边方向的两端部311b、321b……透射的透射光，即使是狭缝结构，也能够形成确保了期望的波长选择性的等离子体滤光片。
在第一实施方式～第五实施方式和变形例中叙述的结构要素可以适当组合，此外，自然可以适当地进行选择、置换或删除。
附图标记说明
1 P型硅半导体衬底
4 电极
3、5、7 硅氧化膜
6a、301 第一光学滤光片
6b、302 第二光学滤光片
11、12、301、302 开口
50 电路部
52 遮蔽金属部
400 导电材料膜(第三金属膜)
A 第一光电转换元件
B 第二光电转换元件。

Claims (8)

1.一种光电转换装置，其特征在于，包括：
第一光电转换元件(A)；
第二光电转换元件(B)；
由导电材料膜构成的第一光学滤光片(6a、301)，其包括周期性地具有多个结构(11、311)的第一图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在所述第一光电转换元件(A)之上；和
由导电材料膜构成的第二光学滤光片(6b、302)，其包括周期性地具有多个结构(12、321)的第二图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在所述第二光电转换元件(B)之上，
相互相邻的所述第一图案与所述第二图案的间隔(a)为使大于所述第一光电转换元件(A)和所述第二光电转换元件(B)能够光电转换的光的最大波长(λmax)的波长的光透射，不使所述第一光电转换元件(A)和所述第二光电转换元件(B)能够光电转换的光的最大波长(λmax)以下的波长的光透射的间隔。
2.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于：
所述第一光电转换元件和第二光电转换元件(A、B)至少包含硅和硅氧化膜(3)。
3.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于：
所述第一光学滤光片和第二光学滤光片(6a、301、6b、302)的导电材料膜由Al或Al合金构成。
4.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于：
在同一基板1上形成有所述第一光电转换元件和第二光电转换元件(A、B)以及对来自该第一光电转换元件和第二光电转换元件(A、B)的输出进行信号处理的电路部(50)，
在与所述第一光学滤光片(6a)和第二光学滤光片(6b)相同的层设置有遮蔽金属部(52)，利用该遮蔽金属部(52)覆盖所述电路部(50)和该电路部(50)与第一光电转换元件(A)之间的区域。
5.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于：
所述第一光电转换元件和第二光电转换元件(A、B)至少包含硅和硅氧化膜(3)，
所述第一光学滤光片和第二光学滤光片(6a、6b)的导电材料膜由Al或Al合金构成，
所述第一图案和第二图案的所述结构(11、12)为圆形的开口(11、12)，
所述第一图案与所述第二图案的间隔(a)至少为600nm。
6.如权利要求1所述的光电转换装置，其特征在于：
所述第一图案和第二图案的所述结构为狭缝(311、321)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光电转换装置，其特征在于：
所述第一光学滤光片和第二光学滤光片(6a、301、6b、302)接地。
8.一种光电转换装置，其特征在于，包括：
第一光电转换元件(A)；
第二光电转换元件(B)；
由导电材料膜构成的第一光学滤光片(6a、301)，其包括周期性地具有多个结构(11、311)的第一图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在所述第一光电转换元件(A)之上；和
由导电材料膜构成的第二光学滤光片(6b、302)，其包括周期性地具有多个结构(12、321)的第二图案，并且隔着绝缘膜(5)配置在所述第二光电转换元件(B)之上，
相互相邻的所述第一图案与所述第二图案的间隔(a)比所述第一图案的结构(11、311)的周期(P1)和所述第二图案的结构(12、321)的周期(P2)长，
所述第一图案和第二图案的所述结构为狭缝(311、321)，
所述光电转换装置包括导电材料膜(400)，该导电材料膜(400)覆盖所述第一图案和所述第二图案的多个狭缝(311、321)的位于最外周的部分。
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