JP2008103633A

JP2008103633A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2008103633A
Application number: JP2006286683A
Authority: JP
Inventors: Shizunami Ri; 静波李
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】固体撮像素子において、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出す。
【解決手段】ＣＣＤイメージセンサ２は、基板２０上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部１０と、受光部１０に光を導く導光路３０と、導光路３０の入射面３０ａに光を集光するマイクロレンズ３４とを備える。光の波長をλ_０、マイクロレンズ３４の開口数をＮＡ、マイクロレンズ３４の有効径をＤとして、入射面３０ａの幅の半分Ｘは、（λ_０／４ＮＡ）≦Ｘ＜（Ｄ／２）の範囲となるように形成されている。これにより、入射光が導光路３０に漏れなく導かれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子に関する。

デジタルカメラやビデオカメラに用いられるＣＣＤなどの固体撮像素子は、画質を向上させるために、高解像度化が求められている。また、デジタルカメラやビデオカメラなどの小型化と相俟って、さらなる小型化も要求されている。このため、解像度を高めるとともに小型化を実現するためには、画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くする必要がある。

画素数を増やして、且つ画素の配列密度を高くするためには、画素自体のサイズを小さくすればよいが、サイズを小さくすると画素に入射する光の量が減少し、感度が低下してしまう。このため、従来の固体撮像素子では、入射光を集光するマイクロレンズを設け、高感度化を図っていた。しかしながら、画素サイズが数百ｎｍ〜数μｍ程度まで微細化された現状の固体撮像素子では、マイクロレンズのみでは所望の感度を得ることができず、小型化が限界の域に達していた。

そこで、マイクロレンズのみではなし得なかった、高感度化、小型化を達成するために、画素を構成する受光部上に、入射光を受光部に導く導光路を形成した固体撮像素子が提案されている（特許文献１〜４参照）。
特開平６−２２４３９８号公報特開２００３−２９８０３４号公報特開２００５−２０９９６２号公報特開２００５−２５１８０４号公報

ところで、従来、マイクロレンズを作製する際には、マイクロレンズの原料となる熱変形樹脂を成膜し、これを一つの画素に一個のマイクロレンズが割り当てられるようにパターニングした後、リフロー熱処理して所望の凸レンズ形状を得るようにしているので、マイクロレンズのサイズを厳密に制御することが困難であった。このため、特許文献１〜４に記載される発明では、マイクロレンズで集光された光を効率よく受光部に導くための導光路のサイズを特に規定していない。しかしながら、マイクロレンズのサイズを厳密に制御することが可能となれば、受光効率を高めるためには、導光路のサイズの最適化が必要となる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に光を導く導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、前記光の波長をλ_０、前記マイクロレンズおよび前記導光路を含む光学系の開口数をＮＡ、前記マイクロレンズの有効径をＤ、前記入射面の幅の半分をＸとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする。
（λ_０／４ＮＡ）≦Ｘ＜（Ｄ／２）

前記導光路は、コア層と、前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層とから形成されていることが好ましい。

さらに、前記コア層の屈折率をｎ_１、前記マイクロレンズへの光の入射角をθとしたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
（λ_０／４ＮＡ）＋（Ｄ／２）×［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−ｎ_１ ^２］／［ＮＡ｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ^２］≦Ｘ＜（Ｄ／２）、但し、ｓｉｎα＝［ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝］／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２

前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、幅が略同一となるように形成されており、前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２としたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ

この場合、前記マイクロレンズへの光の入射角をθ、前記コア層に入射した光の前記受光部に垂直な線とのなす角をγ’としたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’、但し、ＮＡ’＝ｎ_１ｓｉｎγ’＝［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２

あるいは、前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、前記受光部に対して垂直に入射した光の前記コア層における前記受光部に垂直な線とのなす角をγ、前記コア層のテーパー角をφ、前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２としたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’、但し、ＮＡ’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ＋φ）＝ＮＡｃｏｓφ＋ｓｉｎφ（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２

この場合、前記マイクロレンズへの光の入射角をθ、前記コア層に入射した光の前記受光部に垂直な線とのなす角をγ’としたとき、下記の条件式を満たすことが好ましい。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’’、但し、ＮＡ’’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ’＋φ）＝［［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｃｏｓφ＋［｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ］ｓｉｎφ］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２

本発明の固体撮像素子によれば、光の波長をλ_０、マイクロレンズおよび導光路を含む光学系の開口数をＮＡ、マイクロレンズの有効径をＤ、入射面の幅の半分をＸとしたとき、（λ_０／４ＮＡ）≦Ｘ＜（Ｄ／２）を満たすので、マイクロレンズで集光された光を漏れなく導光路に入射させることができる。したがって、導光路による受光効率の向上の効果を最大限に引き出すことが可能となる。

図１において、ＣＣＤイメージセンサ２は、受光部１０、読み出し転送ゲート（以下、ＴＧと略す。）１１、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと略す。）１２、水平ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと略す。）１３、および出力アンプ１４から構成される。

受光部１０は、垂直方向（矢印Ａ方向）および水平方向（矢印Ｂ方向）に所定のピッチでマトリクス状に複数配列されている。受光部１０は、マイクロレンズ３４および導光路３０（ともに図２参照）を介して入射した光を受光して光電変換を行い、入射光の光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。ＴＧ１１は、各受光部１０に設けられており、受光部１０に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ１２に転送する。

ＶＣＣＤ１２は、受光部１０の垂直列間に設けられている。ＶＣＣＤ１２は、ＴＧ１１を介して受光部１０から転送された信号電荷を、ＨＣＣＤ１３に向けて一行ずつ垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ１３には、各ＶＣＣＤ１２の最終端が接続されている。ＨＣＣＤ１３は、ＶＣＣＤ１２の最終端から出力された信号電荷を一行ずつ受け取り、一行分の信号電荷を受け取るたびに、出力アンプ１４に向けて転送する。出力アンプ１４は、ＨＣＣＤ１３からの一行分の信号電荷を、その電荷量に応じた信号電圧に変換し、ＣＣＤイメージセンサ２の外部に撮像信号として出力する。

図１のａ−ａ’線に沿う断面を示す図２において、例えば、シリコンからなるｎ型半導体の基板２０上には、ｐ型ウェル層２１が形成されている。ｐ型ウェル層２１には、信号電荷を蓄積する第１ｎ型層２２が形成されている。第１ｎ型層２２の上には、正孔を蓄積するｐ^＋型層２３が形成されている。ｐ型ウェル層２１の表層には、第２ｎ型層２４が形成されている。第２ｎ型層２４は、ｐ型ウェル層２１またはｐ^＋型層２３によって、第１ｎ型層２２から分離されている。

受光部１０は、基板２０を含む各層のｐｎｐｎ接合により構成された、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。また、ＴＧ１１は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１によって構成され、ＶＣＣＤ１２は、第２ｎ型層２４によって構成されている。

第２ｎ型層２４の上方には、第１絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２５を介して、転送電極（例えば、多結晶シリコンからなる。）２６が形成されている。転送電極２６は、第１、第２ｎ型層２２、２４間のｐ型ウェル層２１上にも延在している。転送電極２６には、ＶＣＣＤ１２による信号電荷の垂直転送、およびＴＧ１１による第１ｎ型層２２から第２ｎ型層２４への信号電荷の読み出し転送を制御する駆動電圧が印加される。

転送電極２６の周囲を覆う第２絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）２７の上には、各受光部１０の開口２８を除く領域を遮光する遮光層（例えば、タングステンからなる。）２９が形成されている。また、開口２８上には、導光路３０が形成されている。

導光路３０は、入射光を開口２８に向けて導光するもので、高い屈折率を有する材料、例えば、窒化シリコン（屈折率１．９〜２．０）からなるコア層３１と、絶縁性で低い屈折率を有する材料、例えば、ＢＰＳＧ（Boron phosphorus silicate glass、屈折率１．４〜１．５）からなるクラッド層３２とから形成されている。

コア層３１は、略筒状に形成されており、開口２８の中心にその中心が一致するように配されている。クラッド層３２は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって、表面が平坦化されている。

クラッド層３２上には、カラーフィルタ３３、およびマイクロレンズ３４が設けられている。カラーフィルタ３３は、特定の色、例えば、赤、緑、青、あるいはシアン、マゼンタ、イエローの光を透過させる色素がそれぞれ含まれたレジスト材からなる。マイクロレンズ３４は、その中心を通る光軸Ｌが開口２８の中心を通り、且つ開口２８の面に垂直になるように配され、光軸Ｌに平行な入射光を効率よく導光路３０の入射面３０ａに向けて集光するような曲率を有する。なお、煩雑を避けるため、カラーフィルタ３３、およびマイクロレンズ３４のみにハッチングを施し、他の部分は省略する。

図３に示すように、マイクロレンズ３４により入射面３０ａに集光された光のスポット径をｄとすると、光軸Ｌに平行な入射光を導光路３０に漏れなく導くためには、入射面３０ａの幅の半分Ｘは、
（ｄ／２）≦Ｘ＜（Ｄ／２）（但し、Ｄはマイクロレンズ３４の有効径）・・・（１）
の範囲にあればよい。

ここで、スポット径ｄは、入射光の波長をλ_０、マイクロレンズ３４および導光路３０を含む光学系の開口数をＮＡとしたとき、
ｄ＝λ_０／２ＮＡ・・・（２）
で表されるので、式（１）は、式（２）より、
（λ_０／４ＮＡ）≦Ｘ＜（Ｄ／２）・・・（３）
となる。

また、光軸Ｌに平行でない斜め方向からの入射光を導光路３０に漏れなく導くためには、入射面３０ａの幅の半分Ｘは、マイクロレンズ３４への光の入射角をθ（図６参照）としたとき、
（λ_０／４ＮＡ）＋（Ｄ／２）×［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−ｎ_１ ^２］／［ＮＡ｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ^２］≦Ｘ＜（Ｄ／２）、
但し、ｓｉｎα＝［ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝］／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２・・・（４）
の範囲にあればよい。導光路３０は、入射面３０ａの幅の半分Ｘが、式（３）、より好ましくは式（４）で規定する範囲となるように形成されている。

また、導光路３０に導かれた入射光を漏れなく開口２８に向けて導くためには、入射光がコア層３１からクラッド層３２へ透過しない条件、つまり、コア層３１とクラッド層３２との界面で入射光が全反射する条件を求めればよい。

光軸Ｌに平行に光が入射するとき（入射角０°）、図４に示すように、マイクロレンズ３４の最周縁部から入射した光ａよりも、マイクロレンズ３４の中心部側から入射した光ｂのほうが、コア層３１とクラッド層３２との界面への入射角が大きいので、光ａが全反射されれば、導光路３０に導かれた全ての入射光が全反射される。したがって、最終的には、コア層３１とクラッド層３２との界面で光ａが全反射する条件を求めればよい。すなわち、図５に示すように、光軸Ｌに対して平行に入射した光のコア層３１における光軸Ｌとのなす角をγ、コア層３１、クラッド層３２の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２としたとき、スネルの法則より、
ｓｉｎ（π／２−γ）≧ｎ_２／ｎ_１・・・（５）
となる。この式（５）を変形すると、
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ｎ_１ｓｉｎγ
ここで、ｎ_１ｓｉｎγ＝ＮＡであるので、上式は、
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ・・・（６）
となる。

さらに、光軸Ｌに平行でない斜め方向から光が入射した場合に、導光路３０に導かれた入射光を漏れなく開口２８に向けて導くためには、光軸Ｌに平行に光が入射するときと同様に、図６に示すマイクロレンズ３４の最周縁部から入射した光ａ’が、コア層３１とクラッド層３２との界面で全反射する条件を求めればよい。すなわち、図７に示すように、光軸Ｌに対して斜めに入射した光のコア層３１における光軸Ｌとのなす角をγ’としたとき、
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’、
但し、ＮＡ’＝ｎ_１ｓｉｎγ’＝［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、
ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２・・・（７）
となる。導光路３０は、コア層３１、クラッド層３２の屈折率が式（６）、より好ましくは式（７）を満たすように形成されている。

次に、上記構成を有するＣＣＤイメージセンサ２の動作について説明する。ＣＣＤイメージセンサ２に入射された光は、マイクロレンズ３４により入射面３０ａに集光される。入射面３０ａに集光された光は、クラッド層３２よりもコア層３１の屈折率が高いことにより、導光路３０により開口２８へと導かれる。このとき、入射面３０ａの幅の半分Ｘが、式（３）、より好ましくは式（４）で規定する範囲となるように形成されているので、入射光が導光路３０に漏れなく導かれる。また、コア層３１、クラッド層３２の屈折率が式（６）、より好ましくは式（７）を満たすように形成されているので、導光路３０に導かれた入射光がコア層３１とクラッド層３２との界面で全反射され、漏れなく開口２８へと導かれる。

受光部１０で光が受光されると、受光部１０で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷が生成されて蓄積される。そして、転送電極２６に駆動電圧が印加されると、受光部１０に蓄積された信号電荷がＴＧ１１を介してＶＣＣＤ１２に転送される。ＶＣＣＤ１２に転送された信号電荷は、ＶＣＣＤ１２を垂直転送されて、ＨＣＣＤ１３に転送される。ＨＣＣＤ１３に転送された信号電荷は、ＨＣＣＤ１３を水平転送されて、出力アンプ１４により信号電圧に変換され、外部に撮像信号として出力される。

以上説明したように、導光路３０のサイズを規定することによって、光を効率よく受光部１０に入射させることができ、ＣＣＤイメージセンサ２の高感度化を促進させることができる。また、これに伴い、ＣＣＤイメージセンサ２の小型化、高解像度化に寄与することができる。

上記実施形態では、コア層３１を略筒状としているが、図８に示すように、受光部１０の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成したコア層４０、およびクラッド層４１からなる導光路４２を用いてもよい。

図８に示す系の場合、導光路４２の入射面４２ａの幅の半分Ｘは、入射光を導光路４２に漏れなく導くために、上記実施形態と同様に式（３）、より好ましくは式（４）で規定する範囲に形成されている。

一方、光軸Ｌに平行に光が入射した場合に、コア層４０とクラッド層４１との界面で入射光が全反射する条件は、コア層３１を略筒状とした場合と同様に、図９に示す光ａが、コア層４０とクラッド層４１との界面で全反射する条件を求めればよい。すなわち、図１０に示すように、コア層４０のテーパー角（コア層４０の断面の傾斜角）をφ、光軸Ｌに対して平行に入射した光のコア層３１における光軸Ｌとのなす角をγとしたとき、スネルの法則より、
ｓｉｎ｛π／２−（φ＋γ）｝≧ｎ_２／ｎ_１・・・（８）
となる。この式（８）を、開口数ＮＡを含む式に変形すると、
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’、
但し、ＮＡ’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ＋φ）＝ＮＡｃｏｓφ＋ｓｉｎφ（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２・・・（９）
となる。

さらに、光軸Ｌに平行でない斜め方向から光が入射した場合に、導光路４２に導かれた入射光を漏れなく開口２８に向けて導くためには、コア層３１を略筒状とした場合と同様に、図１１に示す光ａ’が、コア層４０とクラッド層４１との界面で全反射する条件を求めればよい。すなわち、図１２に示すように、光軸Ｌに対して斜めに入射した光のコア層４０における光軸Ｌとのなす角をγ’としたとき、
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’’、
但し、ＮＡ’’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ’＋φ）＝［［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｃｏｓφ＋［｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ］ｓｉｎφ］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、
ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２・・・（１０）
となる。導光路４２は、コア層４０、クラッド層４１の屈折率、およびコア層４０のテーパー角が式（９）、より好ましくは式（１０）を満たすように形成されている。

なお、図２に示す導光路３０を有するＣＣＤイメージセンサでは、受光部により構成される画素のサイズ（マイクロレンズの有効径Ｄ）と、導光路を設けない場合を１００％とした場合の入射光量の増大率との間には、図１３に示すような関係がある。すなわち、画素サイズ２．０５μｍのときに増大率が最大となり、以降は画素サイズが大きくなるにつれて増大率が減少する。

また、上記のようなＣＣＤイメージセンサにおいては、画素の配列ピッチと、平行入射光の光量を１とした場合の入射角１５°のときの入射光量との間には、図１４に示すような関係がある。すなわち、ピッチが広くなるにつれて入射光量も増大し、導光路なしの場合よりも導光路ありの場合の方が、全体的に入射光量が大きくなる。上記実施形態では、図１３、および図１４に示す特性を参考にして、画素サイズやピッチを設定する。なお、グラフ中の数値は、左側が画素サイズ、右側の括弧内が開口幅をそれぞれ示す。

上記実施形態では、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ２を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されず、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子に適用することも可能である。

ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。図１のａ−ａ’線に沿う断面図である。光軸に平行な入射光を導光路に漏れなく導くための条件式を説明するための図である。コア層とクラッド層との界面で、光軸に平行に入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。コア層とクラッド層との界面で、光軸に平行に入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。コア層とクラッド層との界面で、光軸に対して斜めに入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。コア層とクラッド層との界面で、光軸に対して斜めに入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。別の実施形態を示す断面図である。図８に示す系で、コア層とクラッド層との界面で、光軸に平行に入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。図８に示す系で、コア層とクラッド層との界面で、光軸に平行に入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。図８に示す系で、コア層とクラッド層との界面で、光軸に対して斜めに入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。図８に示す系で、コア層とクラッド層との界面で、光軸に対して斜めに入射した光が全反射するための条件式を説明するための図である。画素サイズと入射光量の増大率との関係を示すグラフである。画素の配列ピッチと入射角１５°の場合の入射光量との関係を示すグラフである。

符号の説明

２ＣＣＤイメージセンサ
１０受光部
２０基板
２８開口
３０、４２導光路
３０ａ、４２ａ入射面
３１、４０コア層
３２、４１クラッド層
３４マイクロレンズ

Claims

基板上に複数配列され、光を受光して光電変換を行う受光部と、前記受光部に光を導く導光路と、前記導光路の入射面に光を集光するマイクロレンズとを備える固体撮像素子において、
前記光の波長をλ_０、前記マイクロレンズおよび前記導光路を含む光学系の開口数をＮＡ、前記マイクロレンズの有効径をＤ、前記入射面の幅の半分をＸとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
（λ_０／４ＮＡ）≦Ｘ＜（Ｄ／２）
前記導光路は、コア層と、前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層とから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
さらに、前記コア層の屈折率をｎ_１、前記マイクロレンズへの光の入射角をθとしたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
（λ_０／４ＮＡ）＋（Ｄ／２）×［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−ｎ_１ ^２］／［ＮＡ｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ^２］≦Ｘ＜（Ｄ／２）、
但し、ｓｉｎα＝［ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝］／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側にかけて、幅が略同一となるように形成されており、
前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ
前記マイクロレンズへの光の入射角をθ、前記コア層に入射した光の前記受光部に垂直な線とのなす角をγ’としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’、
但し、ＮＡ’＝ｎ_１ｓｉｎγ’＝［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、
ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２
前記コア層は、前記受光部の側から光の入射する側に向かって、幅が漸増されるようにテーパー状に形成されており、
前記受光部に対して垂直に入射した光の前記コア層における前記受光部に垂直な線とのなす角をγ、前記コア層のテーパー角をφ、前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれｎ_１、ｎ_２としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像素子。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’、
但し、ＮＡ’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ＋φ）＝ＮＡｃｏｓφ＋ｓｉｎφ（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２
前記マイクロレンズへの光の入射角をθ、前記コア層に入射した光の前記受光部に垂直な線とのなす角をγ’としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）^１／２≧ＮＡ’’’、
但し、ＮＡ’’’＝ｎ_１ｓｉｎ（γ’＋φ）＝［［ＮＡ｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ｎ_１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２］ｃｏｓφ＋［｛（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２−１｝｛（ｎ_１／ｓｉｎα）^２−１｝^１／２＋ＮＡ］ｓｉｎφ］ｓｉｎα／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２、
ｓｉｎα＝ＮＡｃｏｓθ＋ｓｉｎθ｛１−（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２｝／｛ｎ_１ ^２−２（ｎ_１ ^２−ＮＡ^２）^１／２＋１｝^１／２