JP2004246053A - Optical shutter and solid image element, and manufacturing methods therefor - Google Patents

Optical shutter and solid image element, and manufacturing methods therefor Download PDF

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Hajime Sakota
元 迫田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide solid image element using an optical shutter whose shutter mechanism is made small-sized and long in life and which is capable of fast shutter operation. <P>SOLUTION: The optical shutter comprises at least 1st and 2nd refractive index material parts 3 and 4 and electrodes 2 and 5 for applying a voltage to the 2nd refractive index material part 4; and border surfaces between the 1st and 2nd refractive index material parts 3 and 4 are formed of mutually opposite slopes 6, those 1st and 2nd refractive index material parts 3 and 4 are stacked, and the 2nd refractive index material part 4 is made of a material having electrooptic effect. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光シャッター、固体撮像素子及びこれらの製造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】
ビデオカメラ、デジタルカメラ等に用いられる各種固体撮像素子(CCD)においては、その撮像特性向上のため入射光制御の機構として、機械的なシャッター(メカニカルシャッター)が設けられている。
例えば受光領域を比較的広く形成することが可能なフレームトランスファー(FT)転送方式の固体撮像素子などにおいて特に、その電荷転送中、転送部に光が漏れこむことにより画像信号に不要な電荷信号が混じるいわゆるスミア現象を回避するため、メカニカルシャッターを用いることが必要となる(例えば特許文献1参照。)。
【0003】
また各種転送方式のCCDに限らずCMOSセンサなどにおいても、画素毎の光電変換時間が異なることにより発生する残像の問題改善のために、メカニカルシャッターの遮光特性が重要となる。
【0004】
しかしながら、メカニカルシャッターを用いる場合は、受光検出部であるCCDとメカニカルシャッターとの両者の占める空間を縮小し難く、ビデオカメラ等の製品の小型化を図ることが難しい。
また、メカニカルシャッターを構成する部品の磨耗等によりシャッターの寿命、ひいては製品の寿命の長期化を図り難いという問題がある。
更に、機械的に部品を回転させる動作原理を用いるメカニカルシャッターの場合は、シャッター動作の速度をある程度以上に高速化することが困難であり、撮像特性の向上を図ることが難しい。
【0005】
一方、電気光学材料を用いた高速反応の可能な光シャッターが報告されている(例えば非特許文献1参照。)。
【0006】
この光シャッターの構成としては、電気光学材料としてPLZT(PbZrOとPbTiOの固溶体にLaを添加した材料)を用いるもので、特にその組成比が、[Pb1−x La][(ZrTi1−y 1−x/4 ]Oとしてx/y/z=9/65/35とする材料、すなわちLa9mol%、Zr65mol%、Ti35mol% を含むPLZTは、電気光学効果が大きい材料として挙げられている。
このPLZTに電極を被着して、直交偏光板間に挟みこむことにより、高速応答の光シャッターを構成することができ、例えば閃光保護メガネ、光シャッターを一列に配列したプリンターなどが提案されている(例えば非特許文献1参照。)。
【0007】
これら従来のPLZTを利用した光シャッターは、メカニカルシャッターのような部品の磨耗のないこと、また高速応答性を有することなど、数々の優位性をもつ。しかしながらその動作原理上、直交偏光板を利用する必要があるため、この光シャッターを透過する光量が著しく制限されるという理由から、上述の従来構成の光シャッターが固体撮像素子等の光学精密機器に適用された例は過去にない。
【0008】
【特許文献1】
特開2001− 148809号公報
【非特許文献1】
村野寛治、「透明セラミックスPLZT」、固体物理、アグネ技術センター、1986年、Vol.2、No.9、p.65〜71
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述したメカニカルシャッターの問題に鑑みて、シャッター機構の小型化及び寿命の長期化を図り、また高速なシャッター動作が可能な光シャッター及びこれを用いた固体撮像素子を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも第1及び第2の屈折率材料部と、この第2の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成し、第1及び第2の屈折率材料部の境界面を、相対向する斜面により構成して、これら第1及び第2の屈折率材料部を積層し、第2の屈折率材料部を、電気光学効果を有する材料より構成する。
【0011】
また本発明による固体撮像素子は、少なくとも受光部の上部に、上述の構成による光シャッターを設けるものである。
更に本発明による固体撮像素子は、上述の構成とするフレームトランスファー型転送方式においては、第1及び第2の屈折率材料部に電圧を印加する電極のうち一方の電極を、垂直転送レジスタの電極と兼用する構成とする。
【0012】
また本発明による光シャッターの製造方法は、基材上に、電極を形成する工程と、この第1の電極上に第1の屈折率材料層を形成し、この第1の屈折率材料層上に、感光層を被着する工程と、相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を感光層の表面に押圧し、光照射して感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、感光層及び第1の屈折率材料層のエッチングを行って相対向する斜面を有する第1の屈折率材料部を形成する工程と、この第1の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第2の屈折率材料層を、エッチングにより形成された第1の屈折率材料層の斜面を埋め込むように被着して第2の屈折率材料部を形成する工程と、第2の屈折率層上に電極を形成する工程とを有する。
【0013】
更にまた本発明による固体撮像素子の製造方法は、上述の構成による光シャッターを有する固体撮像素子の受光部上に形成するものである。
【0014】
上述したように、本発明においては、光シャッターとして、第1の屈折率材料部と第2の屈折率材料部とより構成し、その境界面を、相対向する斜面により構成する。そして更に、第2の屈折率材料部を電気光学材料より構成することによって、電気光学材料である第2の屈折率材料部への電圧印加による屈折率の変化によって、入射光を効率よく、また速い応答速度をもって遮光又は透過させることができる。以下これを説明する。
【0015】
上述の本発明構成による光シャッターにおいて、第2の屈折率材料部の上部から光が入射されると、入射光は第1及び第2の屈折率材料部の境界面である斜面によって反射するか、または所定の角度をもって第1の屈折率材料部に入射する。
ここで、比較的屈折率の大なる材料から、比較的屈折率の小なる材料に光が入射するとき、その界面における全反射の臨界角θc は、第1及び第2の屈折率材料の屈折率をn及びnとすると、
θc=sin−1(n/n
で表される(但しn>n)。
【0016】
そこで、上述の光シャッターにおいて、第2の屈折率材料部に印加する電圧を制御し、その屈折率を変化させて全反射の臨界角を制御することによって、すなわち電圧印加により屈折率が低下する材料である場合は、例えば電圧を印加しないことにより屈折率を大として全反射の臨界角を比較的小さくするか、又は電圧印加により屈折率を小として全反射の臨界角を比較的大とするかの制御を行って、第1及び第2の屈折率材料部の境界面において、光の入射角がこの臨界角度θcを超える角度となるか、または臨界角度θc内の入射角となるかを制御することができる。
【0017】
例えば屈折率を制御して境界面で入射光が全反射するようにし、更に、この全反射した光が、この斜面と相対向する他方の斜面においても、同様に全反射の臨界角をほぼ超える角度で入射され、この面においても全反射される構成とすることにより、光は第1の屈折率材料部に入射されることなく、光シャッターの外部にほぼ全反射される構成とすることができる。
また同様に屈折率を制御することによって、光の入射角が全反射の臨界角内となるようにする場合は、第1の屈折率材料部に入射させることができる。
【0018】
電圧印加により屈折率が増加する電気光学材料を用いる場合も同様に、印加電圧の調整により臨界角度θcの制御によって境界面での入射光量を制御することができる。
このような本発明による光シャッターは、電気光学効果を有する材料を用いることから、応答速度に優れ、メカニカルシャッターのような磨耗の問題がなく、且つ小型の光シャッターが実現できる。
【0019】
また、特にこの本発明構成による光シャッターを固体撮像素子の受光部上に設ける場合は、小型で応答速度に優れた遮光機構を有する固体撮像素子を提供することができる。
なお、固体撮像素子においては、通常入射光はレンズの絞りを通過するため、その入射角度は絞りの開口率に依存する値に限定される。従って、後段の実施の形態において詳細に説明するように、この開口率により限定される入射角の範囲の光を、第2の屈折率材料部の屈折率を制御することによって、全反射又は透過させることによって、従来のメカニカルシャッターと比較して特段に小型化が可能で、また部品の劣化等の恐れがなく、寿命の長期化が可能な固体撮像素子を提供することができる。特に、PLZT等の電気光学材料を用いることにより、応答速度に優れた遮光機構を有する固体撮像素子を提供することができる。
これにより、固体撮像素子の小型化、寿命の長期化、更に高速遮光により撮像特性の向上をはかることができる。
【0020】
また、上述の本発明による光シャッターの製造方法によれば、光透過性の型の押圧、感光硬化及び異方性エッチングによって、簡単に第1の屈折率材料部を相対向する斜面を有する第1の屈折率材料部を形成することができ、この後、第2の屈折率材料部を構成する材料を通常のスパッタリングにより被着するか、または材料を溶融してスピンコート法等により塗布するなどの方法により、境界面が相対向する斜面より成る第1及び第2の屈折率材料部が積層された本発明構成による光シャッターを簡単且つ確実に製造することができる。
【0021】
更に、この光シャッターの製造方法を用いて固体撮像素子の受光部上に光シャッターを形成することによって、簡単且つ確実に、小型で応答速度の高い、また寿命の低下を回避し得る遮光機構を有する固体撮像素子を製造することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の各例を、図面を参照して説明するが、本発明は以下の各例に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【0023】
(1)第1の実施の形態
この例においては、本発明構成による光シャッターの一例について説明する。
図1は、光シャッターの一例の模式的な構成を示す略線的斜視図である。図1において、本発明による光シャッター10は、第1及び第2の屈折率材料部3及び4と、この第2の屈折率材料部4に電圧を印加する電極2及び5より構成される。そして、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の境界面は、相対向する斜面6とされて、第1及び第2の屈折率材料部3及び4が積層される。
第2の屈折率材料部5は、PLZT等の電気光学材料であって、且つその屈折率が、第1の屈折率材料部3の屈折率に比して大なる材料より構成する。
また、電極2及び5は、光透過性導電材料の例えばITOにより構成する。
【0024】
更にまた、図1において一点鎖線aは入射光の入射する基準軸を示し、入射光の主たる入射方向は、矢印Lで示すようにこの基準軸に沿う方向となる。具体的にはこの基準軸は、例えば撮像装置等においては、光シャッターの上部に設けられる集光レンズの光軸とほぼ平行となる。この場合入射光は、この光軸に沿う基準軸から、開口絞りにより限定される入射角をもって光シャッターに入射されることとなる。
【0025】
この例においては、この基準軸aと直交する基準面7に沿って電極2を形成し、この基準面7と斜面6との成す角度αがそれぞれほぼ等しくなるように各斜面6を形成し、且つこの斜面6が基準面に沿って一方向に延在し、この延在方向と直交する断面においては、第1及び第2の屈折率材料部3及び4がそれぞれ二等辺三角形状とされる三角柱が複数個並置配列される構成としたものである。
【0026】
このような構成における入射光の反射態様の一例を、図2を参照して説明する。図2において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。破線bは、相対向する斜面6の一方の斜面6Aの法線方向を示す。また、角度θcは、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の屈折率により決定される全反射の臨界角を示し、その境界線を実線cで示す。
【0027】
例えば、第1の屈折率材料部3をSiO、第2の屈折率材料部4をLa9mol%、Zr65mol%、Ti35mol%を含むPLZTより構成すると、SiOの屈折率は1.46であり、また上述の組成のPLZTの屈折率は、前述の特許文献1に記載されているように、電圧を印加しない場合は約2.5であることから、全反射の臨界角θcは35.7°となる。
すなわち、破線bで示す斜面6Aの法線方向から35.7°を超える角度で入射される光は全反射させることができることとなる。
【0028】
ここで、光シャッターに入射する光の集光系において、例えばF値が2.8とすると、入射角は基準軸aに対して±10°程度となる。図2の紙面において入射角が±10°となる入射角範囲の光を矢印d1及びd2で示す。斜面6Aの基準面との成す角度αが45°とすると、基準軸aと、全反射の臨界角の境界である実線cとの成す角度は、9.3°となる。つまり、この図2に沿う断面においては、基準軸方向から、斜面6Aの傾斜方向下側にずれる矢印d1で示す光は、0.7°程度の漏れ込みが生じることとなるが、実際にはこの入射光は立体角をもって広がるものであること、一方この斜面6は、図2の紙面に直交する方向に延在する平面であることから、この場合その漏れ込み率は比較的低く、殆どの光は確実に反射させることができる。
【0029】
なお、この例においては第1の屈折率材料部をSiOとした場合であるが、これと比較して屈折率の低い光透過性材料を第1の屈折率材料部として用いる場合には、全反射の臨界角をより小とすることができて、このような一部漏れ込みを回避することができることはいうまでもない。同様に、集光系の調整により入射角を制限できる場合においても同様に光の漏れ込みを回避ないしは抑制し、より確実に遮光を行うことができることとなる。
【0030】
一方、この斜面6Aを一旦反射した光は、この斜面6Aと相対向するもう一方の斜面6Bにおいて反射される。この斜面6Bの法線方向(破線dで示す)からの角度が全反射の臨界角より大きい場合は、この面6Bにおいても全反射されることとなる。
この場合、斜面6A及び6Bの基準面との成す角度をα、矢印d2で示す入射光の基準軸からの角度をβ、この光が斜面6Aで反射されて、これと相対向する斜面6Bへの入射光(矢印d3で示す)の入射角をγとすると、
γ=3α+β―90°
となる。
ここで、先ほどの屈折率材料を用いて、斜面6A及び6Bの傾斜角度αが45°、集光レンズのF値が2.8で入射角βが10°とする場合は、この入射角γは55°となる。すなわち、この反射の際にも図2の紙面に沿う断面において、多少の漏れ込みは生じるが、殆どの光を反射させることができる。
【0031】
次に、光を透過させる場合について説明する。図3は、一例として、上述の組成によるPLZTの屈折率の印加電圧依存性を示す図である。ここで、図3を求めるに際しては、前述の非特許文献1より、カー定数Rを1×10−15 /Vとし、PLZTの無電圧印加時の屈折率をn=2.5、膜厚tを1μmとして、下記の式より屈折率変化量Δnを計算した。
Δn=−(1/2t)・n・R・V
【0032】
図3より、厚さ1μmのPLZTに例えば11Vの電圧を印加した際には、その屈折率が約0.95減少することがわかる。このとき、全反射の起こる臨界角を算出すると、約70°となる。ここで、上述の屈折率材料、入射角の条件による光は、殆どが第1及び第2及び屈折率材料部の界面において反射されることなく、光シャッターの下部に透過されることとなる。
従って、このような本発明構成によれば、従来に比して高速の応答性を有する小型の光シャッターを提供することができることとなる。
【0033】
尚、上述の例においては、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の境界面である斜面を、基準面に対してほぼ同じ角度をもつ構成とし、その角度αを45°として計算したものであるが、各斜面がほぼ等しい傾斜角を有する場合は、その設計が容易となるという利点を有する。また、入射角範囲、全反射の臨界角などは、光シャッターを用いる装置によって随時調整されるものであり、傾斜角度の良好な範囲は一概には規定できないものであるが、この角度αを40°〜50°の範囲とする場合に、一方の面で反射された光をほぼ同様の条件をもってこれとは相対向する斜面において反射させ、良好な反射特性を得ることができる。
例えば上述の屈折率材料、入射角範囲の場合に、傾斜角度αを40°とするときは、最大5.7°の漏れ込み、50°とする場合は最大15.7°の漏れ込みに抑えることができる。このように、光の漏れ込みが多少生じることを抑制する場合は、傾斜角度αはほぼ45°近傍とすることが望ましいことがわかる。
【0034】
また、上述の例においては、第2の屈折率材料部4の材料として、電圧印加により屈折率が減少する電気光学材料を用いた場合であるが、その他、電圧印加によって屈折率が増加する電気光学材料を用いる場合においても、その印加電圧を調整し、臨界角度を制御することによって、同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
更にまた、図1及び図2に示す例においては、光シャッター10は例えば光透過性材料より成る基材1上に形成された例を示すが、基材1としては、光透過性材料の単体構造に限定されることなく、入射光を制御する種々の構造の光学装置の上部に、光透過性の絶縁層等を介して光シャッター10を形成することもでき、または既存の特定のパターンの配線構造を電極2として兼用して、その上に第1及び第2の屈折率材料部3及び4、電極5を形成して光シャッター10を構成することもできる。
【0035】
また上述の例においては、電極2を単層構成としているが、特に下側の電極2は、第2の屈折率材料部4に電圧を印加する形状であれば、図1の紙面に直交する方向に延在するストライプ状パターンなど、各種のパターン形状とすることもできる。
【0036】
次に、固体撮像素子への入射光制御に本発明による光シャッターを用いた固体撮像素子の各例について説明する。
(2)第2の実施の形態
図4に示す例においては、フレームトランスファー転送方式のCCD(FT−CCD型固体撮像素子)に本発明を適用した例を示す。このFT−CCD型固体撮像素子は、その一例の模式的な構成図を図5に示すように、受光領域16と蓄積領域17とが分離され、垂直転送レジスタ18により受光領域16において光電変換された電荷信号を蓄積領域17に素早く転送し、蓄積領域17から水平転送レジスタ19に順次蓄積電荷信号を転送する構成とされる。21はアンプを示す。
【0037】
このようなFT−CCD型固体撮像素子20においては、図4に示すように、受光部12の上に光透過性導電材料のITO等より成る例えば第1及び第2の転送電極13及び14が、垂直転送レジスタの転送方向と直交する方向に延在して設けられる。
【0038】
そしてこの例においては、この第1及び第2の転送電極13及び14のうち、第1の転送電極13を、光シャッター10の下側電極として兼用した場合を示す。すなわち、本実施の形態における光シャッター10は、これら第1及び第2の転送電極13及び14上を覆うように、断面二等辺三角形の三角柱状の第1及び第2の屈折率材料部3及び4が形成され、この上に第2の屈折率材料部4の上部に電圧を印加する電極5が形成される。そして特に、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の斜面6が衝合するいわば三角柱の稜線に対応する衝合部のうち、受光部12側の衝合部15が、第1の転送電極13に接するように形成される。第1及び第2の屈折率材料部3及び4は、前述の第1の実施の形態と同様に、それぞれSiO、上述の組成比によるPLZT等を用いることができる。また、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の境界面の斜面6の基準面に対する角度も、前述の例と同様に、ほぼ45°とすることができる。電極5は例えばITO等の光透過性導電材より構成する。
【0039】
このような第1及び第2の転送電極と、第2の屈折率材料部4上の電極5とに印加する電圧を適切に選定することによって、光シャッター10による反射ないしは透過を行って、受光部12において光信号を受光する場合には、光を透過させ、信号の転送動作には、光シャッターによる遮光を行って、光の漏れ込みによるノイズの発生を抑制した受光及び転送を行うことができる。以下これについて説明する。
【0040】
図6A及びBは、図4において説明したFT−CCD型固体撮像素子の受光時及び転送時における、転送電極13及び14への電圧印加による基材内部のポテンシャルの変化態様を模式的に示した説明図である。
【0041】
先ず、受光時には、図6Aに示すように、第1及び第2の転送電極13及び14にそれぞれ10V、5Vを印加する。一方、第2の屈折率材料部4上の電極5には、−1Vの電圧を印加する。このとき、第2の屈折率材料部4への印加電圧は11Vとなり、前述の第1の実施の形態において詳細に説明したように、入射光が、屈折率の差によって生じる全反射の臨界角以内の範囲で入射されることから、光シャッター10を透過して、受光部12に入射される。
受光部12を例えばn型のSiで構成し、各転送電極13及び14の下部に、図示のように部分的に例えばp型の不純物拡散領域22を設けることによって、転送電極下のポテンシャルは実線eで示すように階段状となり、第1の電極13の下部において信号電荷26が蓄積される。
【0042】
一方、転送時には、図6Bに示すように、第1及び第2の転送電極13及び14に、それぞれ5Vと10Vの電圧を交互に印加し、転送電極下のポテンシャルを実線f及びgで示すように変化させ、矢印tで示すように、図6の紙面において右方向に電荷を転送する。
このとき、第2の屈折率材料部4上の電極5には、7.5Vの一定電圧を印加することにより、第2の屈折率材料部4には差し引き2.5V程度のわずかな電圧が印加され、前述の図3からわかるように、屈折率変化量は0.05°程度となり、全反射の臨界角は36.6°程度となる。したがって、電圧が印加されない場合と比較して0.9°程度の差異が生じるのみとなり、殆どの光を全反射させ、遮光することができることとなる。
【0043】
このような構成による固体撮像素子においては、メカニカルシャッターが不要であることから、この素子を組み込む装置の大幅な小型化を図ることができる。また、メカニカルシャッターを設けない場合には、その機械的部品の劣化による寿命の低下を回避することができる。更には、PLZTを用いる場合は応答速度に優れた遮光機能を有する小型の固体撮像素子を提供することができる。
特に上述の例においては、転送電極を下部電極として兼用して光シャッターを設ける構成とすることから、製造工程数の低減化、装置の小型薄型化に有利となる。
【0044】
尚、上述の実施の形態においては、FT−CCD型固体撮像素子において、受光部上に第1及び第2の転送電極13及び14が設けられる場合を示したが、本発明は、上述の構成に限定されることなく、その他例えば3相以上の転送電極が設けられる場合など、種々の変形、変更が可能であり、この場合においても、同様の効果を得ることができることはいうまでもない。
【0045】
(3)第3の実施の形態
次に、インターライントランスファー転送方式のCCD固体撮像素子(IT−CCD型固体撮像素子)に本発明を適用した場合を示す。
図7はIT−CCD型固体撮像素子25の一例の模式的な構成図である。図7において、18及び19はそれぞれ垂直転送レジスタ及び水平転送レジスタ、23は各受光部、24は読み出しゲート部である。21はアンプである。各受光部23において受光された信号電荷は、読み出しゲート部24を介して垂直転送レジスタ18に転送され、更に水平転送レジスタ19に転送されて、電荷信号として読み出される。
【0046】
このようなIT−CCD型固体撮像素子25の一例のAA‘線上の断面構成の一例を図8に示す。図8において、51はSi等の基体で、52は第1p型ウェル、53は第2p型ウェル、54はn型不純物領域、55はチャンネルストップ領域、56は絶縁層、57は電極、58及び59はそれぞれn型及びp型不純物領域で、受光部23を構成する。そして、受光部23以外の領域は、絶縁層60を介してAl等より成る遮光膜61が形成される。そして例えばSiO等より成る絶縁層62によって平坦化され、カラーフィルター63、オンチップレンズ64が形成される。
【0047】
この例においては、この上に、平坦化絶縁層65を介して、ITO等の光透過性導電材より成る電極2、SiO等より成る第1の屈折率材料部3、PLZT等より成る第2の屈折率材料部4、ITO等より成る電極5が設けられ、また第1及び第2の屈折率材料部3及び4は、断面二等辺三角形の三角柱状として、その相対向する斜面が、光の入射基準軸と直交する基準面からの角度が例えばほぼ45°となるように構成する。
【0048】
このような構成とすることによって、電極2及び5間に電圧を印加しない場合は入射光を殆ど反射させ、また11V程度の電圧を印加する場合は殆どの光を透過させて受光部23に光を入射させる光シャッターを、IT−CCD型固体撮像素子に設けることができる。
【0049】
このような本発明構成の固体撮像素子においては、メカニカルシャッターを設ける場合に比して装置の小型化を図ることができ、また応答速度に優れた遮光機能を有する固体撮像素子を提供することができる。更に、メカニカルシャッターを設けない場合は、機械部品の損傷等による寿命の低下を回避することができる。
【0050】
尚、上述の例においては、カラーフィルター、オンチップレンズ上に光シャッターを設ける構成とした場合について説明したが、その他光シャッター上にカラーフィルター、オンチップレンズを設けることもでき、また絶縁層中には受光部上の導波路部など他の機構を設ける構成とすることもできるなど、種々の変形、変更が可能である。
更に、この場合においては、第1及び第2の屈折率材料部3及び4の斜面6が延在する方向は、垂直転送レジスタの延在方向に平行でなくてもよく、水平転送レジスタに沿う方向に延在するとか、各レジスタに対し斜め方向などとすることもできる。オンチップのレンズ形状も種々の変形が可能であり、例えば絶縁層内凹レンズ状とすることもできる。
【0051】
(4)第4の実施の形態
次に、図9を参照してCMOSセンサ型固体撮像素子に本発明を適用した場合について説明する。図9において、71は基体を示し、72は素子分離領域、73は受光部、74は絶縁層、75は受光部で光電変換された電荷を転送する転送ゲートを示す。そしてこの上に、絶縁層76が被着され、この上に第1の配線層78が例えばX走査方向に延在して設けられる。77は第1の配線層78を接続する第1の導電プラグである。そしてこの上に、同様に中間絶縁層79を介して、例えばY走査方向に延在する第2の配線層81が設けられる。80は第2の配線層を接続する第2の導電プラグを示す。この配線層81上を絶縁層82が設けられ、その表面が平坦化される。
【0052】
そして、この例においては、絶縁層82上に、光透過性導電材の例えばITO等より成る電極2、SiO等より成る第1の屈折率材料部3、PLZT等より成る第2の屈折率材料部4、ITO等より成る電極5が設けられる。この例においても、第1及び第2の屈折率材料部3及び4は、断面二等辺三角形の三角柱状として設けることができ、その境界面である相対向する斜面6が、光入射方向の基準軸と直交する基準面に対し、ほぼ等しい例えば45°となるように形成される。
【0053】
この場合においても、第2の屈折率材料部3に対し、電圧を印加しない場合は殆どの光を全反射させ、11V程度の電圧を印加する場合は光を透過させ、CMOSセンサ上に光シャッターを構成することができる。
そして、上述の本発明構成によるCMOSセンサ型固体撮像素子においては、前述の各実施の形態と同様に、メカニカルシャッターを設ける場合と比較してその小型化を図ると共に、応答速度に優れた遮光機構を構成することができる。またメカニカルシャッターを設けないことから、寿命の低下を回避することができる。
【0054】
(5)第5の実施の形態
次に、本発明による光シャッターの製造方法の一例について図10A〜Dの工程図を参照して説明する。この例においては、基材1上に光シャッターを構成する場合について説明するが、基材1に限定されることなく、FT−CCD型固体撮像素子においては、第1及び第2の転送電極上を覆うように電極2を形成して、同様にこの上に光シャッターを形成することができ、また他の撮像素子においては、表面が平坦化された光透過性の絶縁層上に電極2を形成し、この上に同様に光シャッターを形成することができることはいうまでもない。
【0055】
先ず、図10Aに示すように、例えば光透過性のPC等より成る基材1の上に、光透過性のITO等より成る電極2を全面的に被着する。この上に、SiO等より成る第1の屈折率材料層3aを全面的に被着し、更にこの上にフォトレジスト等の感光層91を全面的に被着する。そして、例えば断面二等辺三角形上の三角柱が並置配列された表面形状の光透過性の型92を持ち来たして、矢印hで示すように、感光層91上に押圧する。
【0056】
図10Bに示すように、光透過性の型の押圧により感光層91の表面には、相対向する斜面93が形成される。この斜面93は、光透過性の型92の形状、その押圧方向を調整することによって、入射光の基準軸方向とは直交する基準面に対する角度を調整することができ、例えばほぼ45°の角度を有する斜面として形成することができる。
【0057】
感光層91に光照射し、硬化させる工程を経て、次に、図10Cに示すように、例えばRIE(反応性イオンエッチング)等の異方性ドライエッチングによって、矢印iで示すように、各層の積層方向に直交する方向にエッチングを行う。このとき、感光層91の表面形状を保持してエッチングが進行し、第1の屈折率材料部3aに感光層91の表面に形成した斜面93と同様の傾斜角度をもった斜面が形成されて、相対向する斜面を有する第1の屈折率材料部3を形成することができる。
【0058】
次に、この上にPLZT等より成る第2の屈折率材料部を、この斜面6を埋め込むように、スパッタリング法、またはスピンコート法による塗布等によって被着形成し、更にこの上にITO等より成る電極5をスパッタリング法等により被着して、本発明構成の光シャッターを製造することができる。
【0059】
このような製造方法によれば、光透過性の型を用いることによって、安価で簡単に所望の傾斜角度の相対向する斜面が境界面に設けられた光シャッター、更にこれを用いた固体撮像素子を製造することができる。
【0060】
尚、本発明は、上述の各実施の形態において説明した例に限定されることなく第1及び第2の屈折率材料部の形状として、例えば四角錐型の第1の屈折率材料部が複数個垂直転送方向及び水平転送方向に並置配列され、その上にこれを覆うように第2の屈折率材料部が被着された形状として、その境界面を相対向する斜面として構成するなど、種々の変形が可能である。
【0061】
更に、固体撮像素子に本発明を適用する場合には、上述の第2〜第4の実施の形態に限定されることなく、その他各種の固体撮像素子に適用し得ることはいうまでもない。
【0062】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、電気光学材料を利用した光シャッターを構成することから、応答速度に優れ、小型の光シャッター及びこれを用いた固体撮像素子を提供することができる。特に、メカニカルシャッターを設けない場合は、その部品の劣化等による寿命の低下を回避することができる。
【0063】
また、本発明において、第1及び第2の屈折率材料部の境界面である斜面を、その傾斜角度を基準面に対しほぼ等しく構成する場合は、その設計を容易にし、入射光の殆どを確実に全反射ないしは透過させる構成とすることができる。
更に、第1及び第2の屈折率材料部の相対向する斜面と基準面との成す角度を40°以上50°以下程度とするときに、入射光の漏れ込みを抑えたシャッターを構成することができる。
【0064】
また本発明による光シャッターの製造方法及び固体撮像素子の製造方法によれば、本発明構成の光シャッター及び固体撮像素子を簡単に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光シャッターの一例の模式的な構成図である。
【図2】光シャッターの光の反射態様の説明図である。
【図3】PLZTの屈折率変化量の印加電圧依存性を示す図である。
【図4】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図5】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図6】Aは固体撮像素子の一例の受光時のポテンシャルの説明図である。Bは固体撮像素子の一例の転送時のポテンシャルの説明図である。
【図7】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図8】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図9】固体撮像素子の一例の模式的な構成図である。
【図10】Aは光シャッターの一製造工程図である。
Bは光シャッターの一製造工程図である。
Cは光シャッターの一製造工程図である。
Dは光シャッターの一製造工程図である。
【符号の説明】
1 基材、2 電極、3 第1の屈折率材料部、4 第2の屈折率材料部、5 電極、6 斜面、6A 斜面、6B 斜面、7 基準面、10 光シャッター、11 基体、12 受光部、13 第1の転送電極、14 第2の転送電極、15 衝合部、18 垂直転送レジスタ、19 水平転送レジスタ、20 FT転送型固体撮像素子、22 不純物拡散領域、23 受光部、24 読み出しゲート部、25 IT転送型固体撮像素子、26 信号電荷、51 基体、52 第1p型ウェル、53 第2p型ウェル、54 n型不純物領域、55 チャンネルストップ領域、56 絶縁層、57 電極、58 p型不純物領域、59 n型不純物領域、60 絶縁層、61 遮光膜、62 絶縁層、63 カラーフィルター、64 オンチップレンズ、65 絶縁層、71 基体、72 素子分離領域、73 受光部、74 絶縁層、75 転送ゲート、76 絶縁層、77 第1の導電プラグ、78 第1の配線層、79 中間絶縁層、80 第2の導電プラグ、81 第2の配線層、82 絶縁層、91 感光層、92 型
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical shutter, a solid-state imaging device, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In various solid-state imaging devices (CCDs) used for video cameras, digital cameras, and the like, a mechanical shutter (mechanical shutter) is provided as a mechanism for controlling incident light in order to improve imaging characteristics.
For example, in a frame transfer (FT) transfer type solid-state imaging device capable of forming a light receiving region relatively wide, in particular, during the charge transfer, light leaks into the transfer unit, causing unnecessary charge signals in the image signal. It is necessary to use a mechanical shutter in order to avoid so-called smearing phenomenon (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Further, not only CCDs of various transfer systems, but also CMOS sensors and the like, the light-shielding characteristics of the mechanical shutter are important in order to improve the problem of an afterimage caused by a difference in photoelectric conversion time for each pixel.
[0004]
However, when a mechanical shutter is used, it is difficult to reduce the space occupied by both the CCD, which is the light receiving detection unit, and the mechanical shutter, and it is difficult to reduce the size of products such as video cameras.
Another problem is that it is difficult to prolong the life of the shutter and, consequently, the life of the product due to wear of components constituting the mechanical shutter.
Further, in the case of a mechanical shutter using the operation principle of mechanically rotating components, it is difficult to increase the speed of the shutter operation to a certain speed or more, and it is difficult to improve the imaging characteristics.
[0005]
On the other hand, an optical shutter capable of performing a high-speed reaction using an electro-optical material has been reported (for example, see Non-Patent Document 1).
[0006]
As a configuration of this optical shutter, PLZT (PbZrO) is used as an electro-optical material.3And PbTiO3(A material in which La is added to a solid solution of the above), and the composition ratio is particularly [Pb1-xLax] [(ZryTi1-y)1-x / 4] O3A material having x / y / z = 9/65/35, that is, PLZT containing La 9 mol%, Zr 65 mol%, and Ti 35 mol% is listed as a material having a large electro-optic effect.
By attaching an electrode to this PLZT and sandwiching it between orthogonal polarizers, a high-speed response optical shutter can be configured. For example, flash protection glasses, printers in which optical shutters are arranged in a line, and the like have been proposed. (For example, see Non-Patent Document 1).
[0007]
These conventional optical shutters using PLZT have various advantages such as no wear of parts such as a mechanical shutter and high-speed response. However, because of the operating principle, it is necessary to use an orthogonal polarizing plate, and the amount of light transmitted through the optical shutter is significantly limited. No examples have been applied in the past.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-148809 A
[Non-patent document 1]
K. Murano, “Transparent Ceramics PLZT”, Solid State Physics, Agne Technology Center, 1986, Vol. 2, No. 9, p. 65-71
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the mechanical shutter, and has been made to provide an optical shutter capable of shortening the size and extending the life of the shutter mechanism and performing a high-speed shutter operation, and a solid-state imaging device using the optical shutter. Aim.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises at least a first and a second refractive index material portion and an electrode for applying a voltage to the second refractive index material portion, and defines a boundary surface between the first and second refractive index material portions, The first and second refractive index material portions are laminated by forming slopes facing each other, and the second refractive index material portion is formed of a material having an electro-optic effect.
[0011]
The solid-state imaging device according to the present invention is provided with the optical shutter having the above-described configuration at least above the light receiving unit.
Further, in the solid-state imaging device according to the present invention, in the frame transfer type transfer system having the above-described configuration, one of the electrodes for applying a voltage to the first and second refractive index material portions is connected to the electrode of the vertical transfer register. The configuration is also used.
[0012]
Further, in the method for manufacturing an optical shutter according to the present invention, a step of forming an electrode on a base material, a step of forming a first refractive index material layer on the first electrode, Then, a step of applying a photosensitive layer and pressing a light-transmitting mold having a shape with opposed slopes against the surface of the photosensitive layer, and irradiating light to cure the photosensitive layer, followed by anisotropic A step of performing etching of the photosensitive layer and the first refractive index material layer by dry etching to form a first refractive index material portion having opposing inclined surfaces; and forming an electric current on the first refractive index material layer. Forming a second refractive index material portion by applying a second refractive index material layer made of a material having an optical effect so as to fill the slope of the first refractive index material layer formed by etching; Forming an electrode on the second refractive index layer.
[0013]
Furthermore, a method for manufacturing a solid-state imaging device according to the present invention is to form a solid-state imaging device on a light receiving portion of a solid-state imaging device having an optical shutter having the above-described configuration.
[0014]
As described above, in the present invention, the optical shutter is constituted by the first refractive index material portion and the second refractive index material portion, and the boundary surface is constituted by opposing inclined surfaces. Further, by forming the second refractive index material portion from an electro-optic material, the incident light can be efficiently emitted by a change in the refractive index by applying a voltage to the second refractive index material portion, which is an electro-optic material, and Light can be shielded or transmitted with a fast response speed. This will be described below.
[0015]
In the optical shutter according to the above-described configuration of the present invention, when light is incident from above the second refractive index material portion, whether the incident light is reflected by the slope that is the boundary surface between the first and second refractive index material portions. Alternatively, the light enters the first refractive index material portion at a predetermined angle.
Here, when light enters from a material having a relatively large refractive index to a material having a relatively small refractive index, the critical angle θc of total reflection at the interface is determined by the refraction of the first and second refractive index materials. Rate n1And n2Then
θc = sin-1(N2/ N1)
(Where n1> N2).
[0016]
Therefore, in the above-mentioned optical shutter, the voltage applied to the second refractive index material portion is controlled, and the refractive index is changed to control the critical angle of total reflection, that is, the refractive index is reduced by applying a voltage. In the case of a material, for example, the critical angle of total reflection is made relatively small by increasing the refractive index by applying no voltage, or the critical angle of total reflection is made relatively large by reducing the refractive index by applying a voltage. Is controlled to determine whether the angle of incidence of light at the interface between the first and second refractive index material portions exceeds the critical angle θc or falls within the critical angle θc. Can be controlled.
[0017]
For example, the refractive index is controlled so that the incident light is totally reflected at the boundary surface, and the totally reflected light substantially exceeds the critical angle of the total reflection also on the other slope facing the slope. By being configured to be incident at an angle and totally reflected also on this surface, light can be substantially totally reflected outside the optical shutter without being incident on the first refractive index material portion. it can.
Similarly, when the refractive index is controlled so that the incident angle of light is within the critical angle of total reflection, the light can be incident on the first refractive index material portion.
[0018]
Similarly, when an electro-optic material whose refractive index increases by applying a voltage is used, the amount of incident light at the boundary surface can be controlled by controlling the critical angle θc by adjusting the applied voltage.
Since such an optical shutter according to the present invention uses a material having an electro-optical effect, the optical shutter is excellent in response speed, does not have a problem of abrasion unlike a mechanical shutter, and can realize a small optical shutter.
[0019]
In particular, when the optical shutter according to the configuration of the present invention is provided on the light receiving portion of the solid-state imaging device, it is possible to provide a small-sized solid-state imaging device having a light-shielding mechanism with excellent response speed.
In a solid-state imaging device, normally, incident light passes through a stop of a lens, and thus the incident angle is limited to a value depending on the aperture ratio of the stop. Therefore, as will be described in detail in a later embodiment, by controlling the refractive index of the second refractive index material portion, the light in the range of the incident angle limited by the aperture ratio is totally reflected or transmitted. By doing so, it is possible to provide a solid-state imaging device that can be particularly reduced in size as compared with a conventional mechanical shutter, has no risk of component deterioration, and has a longer life. In particular, by using an electro-optic material such as PLZT, it is possible to provide a solid-state imaging device having a light-shielding mechanism with excellent response speed.
As a result, it is possible to improve the imaging characteristics by reducing the size and extending the life of the solid-state imaging device, and furthermore, by performing high-speed light shielding.
[0020]
According to the above-described method for manufacturing an optical shutter according to the present invention, the first refractive index material portion can be easily formed by pressing the light-transmitting mold, photosensitive curing, and anisotropic etching. The first refractive index material portion can be formed, and thereafter, the material constituting the second refractive index material portion is applied by ordinary sputtering, or the material is melted and applied by spin coating or the like. By such a method, it is possible to easily and reliably manufacture the optical shutter according to the present invention in which the first and second refractive index material portions each having the inclined surfaces whose boundary surfaces are opposed to each other are laminated.
[0021]
Further, by forming an optical shutter on the light receiving portion of the solid-state imaging device using this method of manufacturing an optical shutter, a light-shielding mechanism that is simple, reliable, small, has a high response speed, and can avoid a shortened life is provided. A solid-state imaging device having the same can be manufactured.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and it goes without saying that various modifications and changes are possible. Absent.
[0023]
(1) First embodiment
In this example, an example of an optical shutter according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a schematic configuration of an example of an optical shutter. In FIG. 1, an optical shutter 10 according to the present invention includes first and second refractive index material portions 3 and 4, and electrodes 2 and 5 for applying a voltage to the second refractive index material portion 4. Then, a boundary surface between the first and second refractive index material portions 3 and 4 is an inclined surface 6 facing each other, and the first and second refractive index material portions 3 and 4 are laminated.
The second refractive index material portion 5 is made of an electro-optical material such as PLZT and has a refractive index larger than that of the first refractive index material portion 3.
The electrodes 2 and 5 are made of a light-transmitting conductive material, for example, ITO.
[0024]
Further, in FIG. 1, a dashed line a indicates a reference axis on which the incident light is incident, and a main incident direction of the incident light is a direction along the reference axis as indicated by an arrow L. Specifically, for example, in an image pickup apparatus or the like, the reference axis is substantially parallel to the optical axis of a condenser lens provided above the optical shutter. In this case, the incident light enters the optical shutter from the reference axis along the optical axis at an incident angle limited by the aperture stop.
[0025]
In this example, the electrode 2 is formed along a reference plane 7 orthogonal to the reference axis a, and each slope 6 is formed such that the angle α between the reference plane 7 and the slope 6 is substantially equal to each other. The slope 6 extends in one direction along the reference plane, and in a cross section orthogonal to the extending direction, the first and second refractive index material portions 3 and 4 each have an isosceles triangle shape. In this configuration, a plurality of triangular prisms are arranged side by side.
[0026]
An example of a reflection mode of incident light in such a configuration will be described with reference to FIG. 2, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The broken line b indicates the normal direction of one slope 6A of the slopes 6 facing each other. The angle θc indicates a critical angle of total reflection determined by the refractive indices of the first and second refractive index material portions 3 and 4, and a boundary line thereof is indicated by a solid line c.
[0027]
For example, the first refractive index material portion 3 is made of SiO.2When the second refractive index material portion 4 is made of PLZT containing La 9 mol%, Zr 65 mol%, and Ti 35 mol%, SiO 22Has a refractive index of 1.46, and the refractive index of PLZT having the above-described composition is about 2.5 when no voltage is applied, as described in Patent Document 1 described above. The critical angle θc of reflection is 35.7 °.
That is, light incident at an angle exceeding 35.7 ° from the normal direction of the slope 6A indicated by the broken line b can be totally reflected.
[0028]
Here, in the light condensing system of the light incident on the optical shutter, for example, when the F value is 2.8, the incident angle is about ± 10 ° with respect to the reference axis a. Arrows d1 and d2 indicate light in the incident angle range where the incident angle is ± 10 ° on the paper surface of FIG. Assuming that the angle α between the slope 6A and the reference plane is 45 °, the angle between the reference axis a and the solid line c, which is the boundary of the critical angle of total reflection, is 9.3 °. That is, in the cross section along FIG. 2, the light indicated by the arrow d <b> 1 shifted from the reference axis direction to the lower side of the slope 6 </ b> A in the inclination direction leaks by about 0.7 °, but actually, it leaks. This incident light spreads at a solid angle, while the slope 6 is a plane extending in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2. Light can be reliably reflected.
[0029]
In this example, the first refractive index material portion is made of SiO.2However, when a light transmissive material having a lower refractive index is used as the first refractive index material part, the critical angle of total reflection can be made smaller. Needless to say, such partial leakage can be avoided. Similarly, even when the angle of incidence can be limited by adjusting the light-collecting system, the leakage of light can be avoided or suppressed in the same manner, and light can be blocked more reliably.
[0030]
On the other hand, the light once reflected on the slope 6A is reflected on the other slope 6B opposite to the slope 6A. If the angle of the inclined surface 6B from the normal direction (indicated by the broken line d) is larger than the critical angle of total reflection, the surface 6B is also totally reflected.
In this case, the angle formed by the slopes 6A and 6B with the reference plane is α, the angle of the incident light indicated by the arrow d2 from the reference axis is β, and this light is reflected by the slope 6A to the opposite slope 6B. Let γ be the angle of incidence of the incident light (indicated by arrow d3)
γ = 3α + β-90 °
Becomes
Here, when the inclination angle α of the inclined surfaces 6A and 6B is 45 °, the F-number of the condenser lens is 2.8, and the incident angle β is 10 ° using the above-described refractive index material, the incident angle γ Is 55 °. In other words, even at the time of this reflection, most of the light can be reflected in the cross section along the paper surface of FIG.
[0031]
Next, a case where light is transmitted will be described. FIG. 3 is a diagram showing, as an example, the applied voltage dependence of the refractive index of PLZT with the above composition. Here, when obtaining FIG. 3, the Kerr constant R is set to 1 × 10-15m2/ V2Assuming that the refractive index of the PLZT when no voltage is applied is n = 2.5 and the film thickness t is 1 μm, the refractive index change Δn was calculated from the following equation.
Δn = − (1 / 2t2) ・ N3・ R ・ V2
[0032]
FIG. 3 shows that when a voltage of, for example, 11 V is applied to the PLZT having a thickness of 1 μm, the refractive index decreases by about 0.95. At this time, when the critical angle at which total reflection occurs is calculated, it is about 70 °. Here, most of the light based on the above-described conditions of the refractive index material and the incident angle is transmitted to the lower portion of the optical shutter without being reflected at the interface between the first, second, and refractive index material portions.
Therefore, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide a small optical shutter having high-speed response compared to the related art.
[0033]
In the above-described example, the slope which is the boundary between the first and second refractive index material portions 3 and 4 is configured to have substantially the same angle with respect to the reference plane, and the angle α is set to 45 °. However, when each slope has substantially the same inclination angle, there is an advantage that the design becomes easy. Further, the incident angle range, the critical angle of total reflection, and the like are adjusted as needed by an apparatus using an optical shutter, and a favorable range of the inclination angle cannot be specified unconditionally. When the angle is in the range of 50 ° to 50 °, light reflected on one surface is reflected on a slope facing the same under substantially the same conditions, and good reflection characteristics can be obtained.
For example, in the case of the refractive index material and the incident angle range described above, when the inclination angle α is set to 40 °, the leakage is suppressed to a maximum of 5.7 °, and when the inclination angle α is set to 50 °, the leakage is suppressed to a maximum of 15.7 °. be able to. As described above, in order to suppress the occurrence of light leakage to some extent, it is understood that the inclination angle α is desirably set to approximately 45 °.
[0034]
Further, in the above-described example, the electro-optic material whose refractive index decreases by applying a voltage is used as the material of the second refractive index material portion 4. Even when an optical material is used, it is needless to say that the same effect can be obtained by adjusting the applied voltage and controlling the critical angle.
1 and 2, the optical shutter 10 is formed on a substrate 1 made of, for example, a light-transmitting material. Without being limited to the structure, the optical shutter 10 can be formed on an optical device having various structures for controlling incident light through a light-transmitting insulating layer or the like, or an existing specific pattern can be formed. The optical shutter 10 can also be configured by using the wiring structure as the electrode 2 and forming the first and second refractive index material portions 3 and 4 and the electrode 5 thereon.
[0035]
Further, in the above-described example, the electrode 2 has a single-layer structure, but the lower electrode 2 is orthogonal to the paper surface of FIG. 1 if it is shaped to apply a voltage to the second refractive index material portion 4. Various pattern shapes, such as a stripe pattern extending in the direction, can also be used.
[0036]
Next, each example of the solid-state imaging device using the optical shutter according to the present invention for controlling the incident light to the solid-state imaging device will be described.
(2) Second embodiment
FIG. 4 shows an example in which the present invention is applied to a frame transfer transfer type CCD (FT-CCD type solid-state imaging device). This FT-CCD type solid-state imaging device has a light receiving area 16 and a storage area 17 which are separated from each other and photoelectrically converted in the light receiving area 16 by a vertical transfer register 18 as shown in FIG. The stored charge signal is quickly transferred to the storage region 17, and the stored charge signal is sequentially transferred from the storage region 17 to the horizontal transfer register 19. 21 indicates an amplifier.
[0037]
In such an FT-CCD type solid-state imaging device 20, as shown in FIG. 4, for example, first and second transfer electrodes 13 and 14, which are made of a light-transmitting conductive material such as ITO, are formed on the light receiving portion 12. , Extending in a direction orthogonal to the transfer direction of the vertical transfer register.
[0038]
In this example, a case is shown in which the first transfer electrode 13 of the first and second transfer electrodes 13 and 14 is also used as the lower electrode of the optical shutter 10. That is, the optical shutter 10 in the present embodiment covers the first and second transfer electrodes 13 and 14 so as to cover the first and second refractive index material portions 3 and 3 having an isosceles triangular cross section. 4 is formed thereon, and an electrode 5 for applying a voltage is formed on the second refractive index material section 4. In particular, among the abutting portions corresponding to the so-called triangular prism ridges where the slopes 6 of the first and second refractive index material portions 3 and 4 abut, the abutting portion 15 on the light receiving unit 12 side is the first abutting portion. It is formed so as to be in contact with the transfer electrode 13. The first and second refractive index material parts 3 and 4 are made of SiO 2, respectively, as in the first embodiment.2Alternatively, PLZT or the like having the above composition ratio can be used. Further, the angle of the slope 6 with respect to the reference plane of the boundary surface between the first and second refractive index material portions 3 and 4 can be set to approximately 45 ° as in the above-described example. The electrode 5 is made of a light-transmitting conductive material such as ITO.
[0039]
By appropriately selecting the voltage to be applied to the first and second transfer electrodes and the electrode 5 on the second refractive index material section 4, the light is reflected or transmitted by the optical shutter 10 to receive light. When an optical signal is received in the unit 12, the light is transmitted, and in the signal transfer operation, light is blocked by an optical shutter to perform light reception and transfer in which noise generation due to light leakage is suppressed. it can. This will be described below.
[0040]
FIGS. 6A and 6B schematically show how the potential inside the substrate changes due to voltage application to the transfer electrodes 13 and 14 during light reception and transfer of the FT-CCD type solid-state imaging device described in FIG. FIG.
[0041]
First, at the time of light reception, as shown in FIG. 6A, 10 V and 5 V are applied to the first and second transfer electrodes 13 and 14, respectively. On the other hand, a voltage of -1 V is applied to the electrode 5 on the second refractive index material section 4. At this time, the applied voltage to the second refractive index material section 4 is 11 V, and as described in detail in the first embodiment, the incident light is converted into the critical angle of total reflection caused by the difference in the refractive index. Therefore, the light passes through the optical shutter 10 and enters the light receiving unit 12.
The light receiving portion 12 is made of, for example, n-type Si, and a portion under the transfer electrodes 13 and 14 is partially provided with, for example, a p-type impurity diffusion region 22 as shown in FIG. As shown by e, the signal charge 26 is accumulated below the first electrode 13.
[0042]
On the other hand, at the time of transfer, as shown in FIG. 6B, voltages of 5 V and 10 V are alternately applied to the first and second transfer electrodes 13 and 14, respectively, and the potential under the transfer electrodes is indicated by solid lines f and g. , And the charges are transferred rightward on the paper surface of FIG. 6 as indicated by the arrow t.
At this time, by applying a constant voltage of 7.5 V to the electrode 5 on the second refractive index material 4, a slight voltage of about 2.5 V is subtracted to the second refractive index material 4. As can be seen from FIG. 3, the refractive index change amount is about 0.05 °, and the critical angle of total reflection is about 36.6 °. Therefore, a difference of only about 0.9 ° occurs as compared with the case where no voltage is applied, and almost light can be totally reflected and shielded.
[0043]
Since the solid-state imaging device having such a configuration does not require a mechanical shutter, the size of a device incorporating the device can be significantly reduced. In addition, when the mechanical shutter is not provided, it is possible to avoid a reduction in the life due to deterioration of the mechanical parts. Furthermore, when using PLZT, it is possible to provide a small-sized solid-state imaging device having a light blocking function with excellent response speed.
Particularly, in the above-described example, since the optical shutter is provided by also using the transfer electrode as the lower electrode, it is advantageous in reducing the number of manufacturing steps and in reducing the size and thickness of the device.
[0044]
In the above-described embodiment, the case where the first and second transfer electrodes 13 and 14 are provided on the light receiving section in the FT-CCD type solid-state imaging device has been described. The present invention is not limited to this, and various modifications and changes can be made, for example, when three or more transfer electrodes are provided. Needless to say, the same effect can be obtained in this case.
[0045]
(3) Third embodiment
Next, a case where the present invention is applied to a CCD solid-state imaging device (IT-CCD solid-state imaging device) of an interline transfer transfer system will be described.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an example of the IT-CCD type solid-state imaging device 25. In FIG. 7, reference numerals 18 and 19 denote a vertical transfer register and a horizontal transfer register, 23 denotes each light receiving section, and 24 denotes a read gate section. 21 is an amplifier. The signal charge received by each light receiving unit 23 is transferred to the vertical transfer register 18 via the read gate unit 24, further transferred to the horizontal transfer register 19, and read as a charge signal.
[0046]
FIG. 8 shows an example of a cross-sectional configuration on an AA line of an example of such an IT-CCD type solid-state imaging device 25. In FIG. 8, 51 is a substrate made of Si or the like, 52 is a first p-type well, 53 is a second p-type well, 54 is an n-type impurity region, 55 is a channel stop region, 56 is an insulating layer, 57 is an electrode, 58 and Reference numeral 59 denotes n-type and p-type impurity regions, which constitute the light receiving unit 23. In a region other than the light receiving section 23, a light shielding film 61 made of Al or the like is formed via an insulating layer 60. And for example SiO2The color filter 63 and the on-chip lens 64 are formed by flattening with an insulating layer 62 made of the same.
[0047]
In this example, an electrode 2 made of a light-transmitting conductive material such as ITO,2The first and second refractive index material portions 3 and 4 are provided. The first and second refractive index material portions 3 and 4 are provided with an electrode 5 made of ITO or the like. The cross section is formed as a triangular prism having an isosceles triangular cross section so that the opposite slopes have an angle of, for example, approximately 45 ° from a reference plane orthogonal to the light incident reference axis.
[0048]
With such a configuration, when no voltage is applied between the electrodes 2 and 5, almost all incident light is reflected, and when a voltage of about 11 V is applied, most of the light is transmitted and light is transmitted to the light receiving portion 23. Can be provided in the IT-CCD type solid-state imaging device.
[0049]
In the solid-state imaging device having such a configuration of the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device having a light-shielding function with excellent response speed, in which the size of the device can be reduced as compared with the case where a mechanical shutter is provided. it can. Further, when the mechanical shutter is not provided, it is possible to prevent the life from being shortened due to damage to mechanical parts and the like.
[0050]
In the above-described example, the case where the optical shutter is provided on the color filter and the on-chip lens has been described. However, the color filter and the on-chip lens may be provided on the other optical shutter, Various modifications and changes are possible, such as a configuration in which another mechanism such as a waveguide section on the light receiving section can be provided.
Furthermore, in this case, the direction in which the slopes 6 of the first and second refractive index material portions 3 and 4 extend does not have to be parallel to the direction in which the vertical transfer register extends, but extends along the horizontal transfer register. It may be extended in the direction or oblique to each register. The on-chip lens shape can be variously modified, for example, a concave lens shape in an insulating layer.
[0051]
(4) Fourth embodiment
Next, a case where the present invention is applied to a CMOS sensor type solid-state imaging device will be described with reference to FIG. In FIG. 9, reference numeral 71 denotes a base, 72 denotes an element isolation region, 73 denotes a light receiving portion, 74 denotes an insulating layer, and 75 denotes a transfer gate for transferring charges photoelectrically converted by the light receiving portion. Then, an insulating layer 76 is adhered thereon, and a first wiring layer 78 is provided thereon, for example, extending in the X scanning direction. Reference numeral 77 denotes a first conductive plug for connecting the first wiring layer 78. Then, a second wiring layer 81 extending in, for example, the Y-scanning direction is similarly provided via the intermediate insulating layer 79 on this. Reference numeral 80 denotes a second conductive plug for connecting the second wiring layer. An insulating layer 82 is provided on the wiring layer 81, and its surface is planarized.
[0052]
In this example, the electrode 2 made of a light-transmitting conductive material, such as ITO,2A first refractive index material portion 3 made of a material such as PLZT, a second refractive index material portion 4 made of a material such as PLZT, and an electrode 5 made of ITO or the like are provided. Also in this example, the first and second refractive index material portions 3 and 4 can be provided as triangular prisms having an isosceles triangular cross section. It is formed so as to be substantially equal to, for example, 45 ° with respect to a reference plane orthogonal to the axis.
[0053]
Also in this case, almost no light is totally reflected when no voltage is applied to the second refractive index material portion 3, and light is transmitted when a voltage of about 11 V is applied. Can be configured.
Further, in the CMOS sensor type solid-state imaging device according to the above-described configuration of the present invention, similarly to the above-described embodiments, the light-shielding mechanism which is smaller in size than the case where the mechanical shutter is provided and which has an excellent response speed. Can be configured. Further, since the mechanical shutter is not provided, it is possible to prevent the life from being shortened.
[0054]
(5) Fifth embodiment
Next, an example of a method for manufacturing an optical shutter according to the present invention will be described with reference to the process charts of FIGS. In this example, a case where an optical shutter is formed on the base material 1 will be described. However, the present invention is not limited to the base material 1, and in the FT-CCD type solid-state imaging device, the first and second transfer electrodes may be formed. An electrode 2 can be formed on the electrode 2 so as to cover the surface of the electrode 2. Similarly, an optical shutter can be formed on the electrode 2. It is needless to say that the optical shutter can be formed on the optical shutter similarly.
[0055]
First, as shown in FIG. 10A, an electrode 2 made of light-transmissive ITO or the like is entirely coated on a base material 1 made of, for example, light-transmissive PC. On top of this, SiO2Then, a first refractive index material layer 3a made of, for example, is entirely applied, and a photosensitive layer 91 such as a photoresist is entirely applied thereon. Then, for example, a light-transmitting mold 92 having a surface shape in which triangular prisms having an isosceles cross section are arranged side by side is brought, and is pressed onto the photosensitive layer 91 as shown by an arrow h.
[0056]
As shown in FIG. 10B, opposing slopes 93 are formed on the surface of the photosensitive layer 91 by pressing of a light transmitting mold. By adjusting the shape of the light-transmitting mold 92 and the pressing direction thereof, the angle of the inclined surface 93 can be adjusted with respect to a reference plane orthogonal to the reference axis direction of the incident light. Can be formed.
[0057]
The photosensitive layer 91 is irradiated with light and cured, and then, as shown in FIG. 10C, by anisotropic dry etching such as RIE (reactive ion etching), as shown by an arrow i, Etching is performed in a direction perpendicular to the laminating direction. At this time, the etching proceeds while maintaining the surface shape of the photosensitive layer 91, and a slope having the same slope angle as the slope 93 formed on the surface of the photosensitive layer 91 is formed in the first refractive index material portion 3a. The first refractive index material portion 3 having the slopes facing each other can be formed.
[0058]
Next, a second refractive index material portion made of PLZT or the like is formed thereon by sputtering or spin coating so as to embed the slope 6, and is further formed thereon by ITO or the like. The optical shutter having the configuration of the present invention can be manufactured by depositing the electrode 5 formed by a sputtering method or the like.
[0059]
According to such a manufacturing method, by using a light-transmitting mold, an inexpensive and simple optical shutter in which opposing inclined surfaces having a desired inclination angle are provided at a boundary surface, and a solid-state imaging device using the same. Can be manufactured.
[0060]
Note that the present invention is not limited to the examples described in the above embodiments, and the first and second refractive index material portions may have a plurality of first pyramid-shaped first refractive index material portions, for example. The second refractive index material portion is arranged side by side in the vertical transfer direction and the horizontal transfer direction, and the second refractive index material portion is applied so as to cover the vertical transfer direction and the horizontal transfer direction. Is possible.
[0061]
Further, when the present invention is applied to a solid-state imaging device, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described second to fourth embodiments, but can be applied to various other solid-state imaging devices.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since an optical shutter using an electro-optical material is configured, it is possible to provide a small optical shutter having excellent response speed and a solid-state imaging device using the same. In particular, when the mechanical shutter is not provided, it is possible to prevent the life from being shortened due to the deterioration of the component or the like.
[0063]
Further, in the present invention, when the slope, which is the boundary surface between the first and second refractive index material portions, is configured so that the slope angle is substantially equal to the reference plane, the design is facilitated and most of the incident light is reduced. A configuration in which total reflection or transmission is ensured can be achieved.
Further, when the angle between the opposed slopes of the first and second refractive index material portions and the reference surface is set to be about 40 ° or more and about 50 ° or less, a shutter that suppresses leakage of incident light is configured. Can be.
[0064]
Further, according to the method for manufacturing an optical shutter and the method for manufacturing a solid-state image sensor according to the present invention, the optical shutter and the solid-state image sensor according to the present invention can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of an optical shutter.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a light reflection mode of an optical shutter.
FIG. 3 is a diagram showing the applied voltage dependence of the amount of change in the refractive index of PLZT.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an example of a solid-state imaging device.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an example of a solid-state imaging device.
FIG. 6A is an explanatory diagram of a potential at the time of receiving light of an example of a solid-state imaging device. B is an explanatory diagram of the potential at the time of transfer of an example of the solid-state imaging device.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an example of a solid-state imaging device.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an example of a solid-state imaging device.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an example of a solid-state imaging device.
FIG. 10A is a manufacturing process diagram of the optical shutter.
B is a manufacturing process diagram of the optical shutter.
C is a manufacturing process diagram of the optical shutter.
D is a manufacturing process diagram of the optical shutter.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 base material, 2 electrodes, 3 first refractive index material section, 4 second refractive index material section, 5 electrodes, 6 slopes, 6A slope, 6B slope, 7 reference plane, 10 optical shutter, 11 base, 12 light reception Unit, 13 first transfer electrode, 14 second transfer electrode, 15 abutment unit, 18 vertical transfer register, 19 horizontal transfer register, 20 FT transfer type solid-state imaging device, 22 impurity diffusion region, 23 light receiving unit, 24 reading Gate part, 25 IT transfer type solid-state imaging device, 26 signal charge, 51 base, 52 first p-type well, 53 second p-type well, 54 n-type impurity region, 55 channel stop region, 56 insulating layer, 57 electrode, 58 p -Type impurity region, 59 n-type impurity region, 60 insulating layer, 61 light shielding film, 62 insulating layer, 63 color filter, 64 on-chip lens, 65 insulating layer , 71 base, 72 element isolation region, 73 light receiving section, 74 insulating layer, 75 transfer gate, 76 insulating layer, 77 first conductive plug, 78 first wiring layer, 79 intermediate insulating layer, 80 second conductive plug , 81 second wiring layer, 82 insulating layer, 91 photosensitive layer, 92 type

Claims (9)

少なくとも第1及び第2の屈折率材料部と、上記第2の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成され、
上記第1及び第2の屈折率材料部の境界面は、相対向する斜面により構成されて、上記第1及び第2の屈折率材料部が積層されて成り、
上記第2の屈折率材料部は、電気光学効果を有する材料より成ることを特徴とする光シャッター。
At least a first and a second refractive index material portion, and an electrode for applying a voltage to the second refractive index material portion;
A boundary surface between the first and second refractive index material portions is formed by opposed slopes, and the first and second refractive index material portions are laminated,
The optical shutter, wherein the second refractive index material portion is made of a material having an electro-optic effect.
上記第1及び第2の屈折率材料部の境界面である上記斜面は、光入射方向の基準軸と直交する基準面と該斜面との成す角度がほぼ等しくされて成ることを特徴とする請求項1に記載の光シャッター。The slope, which is a boundary surface between the first and second refractive index material portions, is formed such that an angle formed between the reference surface orthogonal to a reference axis in a light incident direction and the slope is substantially equal. Item 2. The optical shutter according to item 1. 上記第1及び第2の屈折率材料部の上記斜面と上記基準面との成す角度が、40°以上50°以下とされることを特徴とする請求項2に記載の光シャッター。3. The optical shutter according to claim 2, wherein an angle formed between the inclined surface of the first and second refractive index material portions and the reference surface is in a range of 40 to 50 degrees. 少なくとも受光部の上部に、光シャッターが設けられて成り、
上記光シャッターは、少なくとも第1及び第2の屈折率材料部と、上記第2の屈折率材料部に電圧を印加する電極より構成され、
上記第1及び第2の屈折率材料部の境界面が、相対向する斜面により構成されて、上記第1及び第2の屈折率材料部が積層されて成り、
上記第2の屈折率材料部は、電気光学効果を有する材料より成ることを特徴とする固体撮像素子。
An optical shutter is provided at least above the light receiving section,
The optical shutter includes at least first and second refractive index material portions and an electrode that applies a voltage to the second refractive index material portion,
A boundary surface between the first and second refractive index material portions is formed by opposed slopes, and the first and second refractive index material portions are stacked,
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second refractive index material portion is made of a material having an electro-optic effect.
上記第1及び第2の屈折率材料部の境界面である上記斜面は、光入射方向の基準軸と直交する基準面と該斜面との成す角度がほぼ等しくされて成ることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。The slope, which is a boundary surface between the first and second refractive index material portions, is formed such that an angle formed between the reference surface orthogonal to a reference axis in a light incident direction and the slope is substantially equal. Item 5. A solid-state imaging device according to item 4. 上記第1及び第2の屈折率材料部の上記斜面と上記基準面との成す角度が、40°以上50°以下とされることを特徴とする請求項5に記載の固体撮像素子。The solid-state imaging device according to claim 5, wherein an angle formed between the slope and the reference surface of the first and second refractive index material portions is set to be equal to or greater than 40 ° and equal to or less than 50 °. フレームトランスファー型転送方式とされ、
上記第1及び第2の屈折率材料部に電圧を印加する電極のうち一方の電極が、垂直転送レジスタの電極と兼用されることを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
Frame transfer type transfer method,
5. The solid-state imaging device according to claim 4, wherein one of electrodes for applying a voltage to the first and second refractive index material portions is also used as an electrode of a vertical transfer register.
一方の電極を形成する工程と、
該電極上に第1の屈折率材料層を形成する工程と、
上記第1の屈折率材料層上に、感光層を被着する工程と、
相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を上記感光層の表面に押圧し、光照射して上記感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、上記感光層及び上記第1の屈折率材料層のエッチングを行って、相対向する斜面を有する第1の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第1の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第2の屈折率材料層を、上記エッチングにより形成された上記第1の屈折率材料層の上記斜面を埋め込むように被着して第2の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第2の屈折率層上に他方の電極を形成する工程とを有することを特徴とする光シャッターの製造方法。
Forming one of the electrodes;
Forming a first refractive index material layer on the electrode;
Depositing a photosensitive layer on the first refractive index material layer;
A light transmissive mold having a shape provided with opposed slopes is pressed against the surface of the photosensitive layer, and the photosensitive layer is cured by irradiating light, and then the photosensitive layer and the photosensitive layer are anisotropically dry-etched. Etching the first refractive index material layer to form a first refractive index material portion having opposing slopes;
A second refractive index material layer made of a material having an electro-optical effect is coated on the first refractive index material layer so as to bury the slope of the first refractive index material layer formed by the etching. Forming a second refractive index material portion by attaching
Forming the other electrode on the second refractive index layer.
光シャッターを有する固体撮像素子の製造方法であって、
少なくとも受光部上に一方の電極を形成する工程と、
上記電極上に第1の屈折率材料層を形成する工程と、
上記第1の屈折率材料層上に第1の感光層を被着する工程と、
相対向する斜面が設けられた形状の光透過性の型を上記感光層の表面に押圧し、光照射して上記感光層を硬化させた後、異方性ドライエッチングにより、上記感光層及び上記第1の屈折率材料層のエッチングを行って、相対向する斜面を有する第1の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第1の屈折率材料層上に、電気光学効果を有する材料より成る第2の屈折率材料層を、上記エッチングにより形成された上記第1の屈折率材料層の上記斜面を埋め込むように被着して第2の屈折率材料部を形成する工程と、
上記第2の屈折率層上に他方の電極を形成する工程とを有することを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
A method for manufacturing a solid-state imaging device having an optical shutter,
Forming at least one electrode on the light receiving section,
Forming a first refractive index material layer on the electrode;
Depositing a first photosensitive layer on the first refractive index material layer;
A light transmissive mold having a shape provided with opposed slopes is pressed against the surface of the photosensitive layer, and the photosensitive layer is cured by irradiating light, and then the photosensitive layer and the photosensitive layer are anisotropically dry-etched. Etching the first refractive index material layer to form a first refractive index material portion having opposing slopes;
A second refractive index material layer made of a material having an electro-optical effect is coated on the first refractive index material layer so as to bury the slope of the first refractive index material layer formed by the etching. Forming a second refractive index material portion by attaching
Forming the other electrode on the second refractive index layer.
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