JP2008103634A - Solid-state imaging element - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a solid-state imaging device such as a CCD used in a digital camera or a video camera.
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。 Solid-state imaging devices such as CCDs used for digital cameras and video cameras are required to have high resolution in order to improve image quality. In addition, along with miniaturization of digital cameras and video cameras, further miniaturization is required. Therefore, in order to increase the resolution and reduce the size, it is necessary to increase the number of pixels and increase the pixel arrangement density.
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。 In order to increase the number of pixels and increase the pixel arrangement density, the size of the pixels itself can be reduced. However, if the size is reduced, the amount of light incident on the pixels is reduced and the sensitivity is lowered. . For this reason, in the conventional solid-state image sensor, the microlens which condenses incident light was provided and the high sensitivity was aimed at. However, in the current solid-state imaging device in which the pixel size is miniaturized to about several hundred nm to several μm, a desired sensitivity cannot be obtained with only a microlens, and miniaturization has reached the limit.
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、2参照)。
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、2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。
By the way, conventionally, when manufacturing a microlens, a heat-deformable resin as a raw material of the microlens is formed, patterned so that one microlens is assigned to one pixel, and then subjected to a reflow heat treatment. Since a desired convex lens shape is obtained, it is difficult to strictly control the size of the microlens. For this reason, in the invention described in
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of maximizing the effect of improving the light receiving efficiency by the light guide path.
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、前記受光部に向けて光を導くコア層、および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からなる導光路と、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、前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれn1、n2としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA
In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of light receiving units arranged on a substrate that receive light and perform photoelectric conversion, and have substantially the same width from the light receiving unit side to the light incident side. A core layer that guides light toward the light receiving portion, a light guide path that has a lower refractive index than the core layer and that surrounds the core layer, and an incident surface of the light guide path condensing light to the solid-state imaging device and a microlens, the microlens and the numerical aperture of the optical system including the light guide NA, n 1 the refractive index of the core layer and the cladding layer respectively, n 2 The following conditional expression is satisfied.
(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が好ましい。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’、但し、NA’=n1sinγ’=[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2
When the incident angle of light to the microlens is θ and the angle between the light incident on the core layer and a line perpendicular to the light receiving portion is γ ′, the following conditional expression is preferably satisfied.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′, where NA ′ = n 1 sin γ ′ = [NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + n 1 − (n 1 2 − NA 2 ) 1/2 ] sin α / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 , sin α = NA cos θ + sin θ {1− (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 } / {N 1 2 -2 (n 1 2 -NA 2 ) 1/2 +1} 1/2
また、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、前記受光部に向けて光を導くコア層、および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からなる導光路と、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n1、n2としたとき、下記の条件式を満たすことを特徴とする。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’、但し、NA’’=n1sin(γ+φ)=NAcosφ+sinφ(n1 2−NA2)1/2
Further, the present invention provides a plurality of light receiving portions arranged on a substrate, receiving light and performing photoelectric conversion, and tapered so that the width gradually increases from the light receiving portion side toward the light incident side. A light guide path formed of a core layer that guides light toward the light receiving portion, a light guide path that has a lower refractive index than the core layer and that surrounds the core layer, and light incident on an incident surface of the light guide path In a solid-state imaging device including a microlens that collects light, an angle formed by a line perpendicular to the light receiving portion in the core layer of light incident perpendicularly to the light receiving portion is γ, the microlens, and the light guide When the numerical aperture of the optical system including the optical path is NA, the taper angle of the core layer is φ, and the refractive indices of the core layer and the cladding layer are n 1 and n 2 , respectively, the following conditional expressions are satisfied: And
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ″, where NA ″ = n 1 sin (γ + φ) = NA cos φ + sin φ (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が好ましい。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’’、但し、NA’’’=n1sin(γ’+φ)=[[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]cosφ+[{(n1 2−NA2)1/2−1}{(n1/sinα)2−1}1/2+NA]sinφ]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2
When the incident angle of light to the microlens is θ and the angle between the light incident on the core layer and a line perpendicular to the light receiving portion is γ ′, the following conditional expression is preferably satisfied.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′ ″, where NA ′ ″ = n 1 sin (γ ′ + φ) = [[NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1 / 2 + n 1 − (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 ] cos φ + [{(n 1 2 −NA 2 ) 1/2 −1} {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + NA] sin φ ] Sin α / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 , sin α = NA cos θ + sin θ {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、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コア層が形成されている場合は、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、コア層とクラッド層の屈折率をそれぞれn1、n2としたとき、(n1 2−n2 2)1/2≧NAを満たし、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コア層が形成されている場合は、前記マイクロレンズへの光の入射角をθ、コア層のテーパー角をφとしたとき、(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’、NA’’=n1sin(θ+φ)=NAcosφ+sinφ(n1 2−NA2)1/2を満たすので、導光路に導かれた入射光を漏れなく受光部に導くことができる。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。 According to the solid-state imaging device of the present invention, when the core layer is formed so that the width is substantially the same from the light receiving unit side to the light incident side, the optical system including the microlens and the light guide path When the numerical aperture is NA and the refractive indexes of the core layer and the cladding layer are n 1 and n 2 , respectively, (n 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA is satisfied and light enters from the light receiving unit side. When the core layer is formed in a tapered shape so that the width gradually increases toward the side, when the incident angle of light to the microlens is θ and the taper angle of the core layer is φ, (n 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ″, NA ″ = n 1 sin (θ + φ) = NAcosφ + sinφ (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 is satisfied, so that incident light guided to the light guide Can be guided to the light receiving section without leakage. Therefore, it is possible to maximize the effect of improving the light receiving efficiency by the light guide path.
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。
In FIG. 1, a
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。
A plurality of
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。
The
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。
In FIG. 2 showing a cross section taken along the line aa ′ in FIG. 1, for example, a p-
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。
The
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。
A transfer electrode (for example, made of polycrystalline silicon) 26 is formed above the second n-
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。
On the second insulating layer (for example, made of silicon oxide) 27 covering the periphery of the
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。
The
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。
The
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。
On the
ここで、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。
Here, in order to guide the incident light guided to the
光軸Lに平行に光が入射するとき(入射角0°)、図3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4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n1、n2としたとき、スネルの法則より、
sin(π/2−γ)≧n2/n1・・・(1)
となる。この式(1)を変形すると、
(n1 2−n2 2)1/2≧n1sinγ
ここで、n1sinγ=NAであるので、上式は、
(n1 2−n2 2)1/2≧NA・・・(2)
となる。導光路30は、コア層31、クラッド層32の屈折率が式(2)を満たすように形成されている。
When light is incident in parallel to the optical axis L (
sin (π / 2−γ) ≧ n 2 / n 1 (1)
It becomes. When this equation (1) is transformed,
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ n 1 sin γ
Here, since n 1 sin γ = NA, the above equation is
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA (2)
It becomes. The
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、コア層31、クラッド層32の屈折率が式(2)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。
Next, the operation of the
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。
When light is received by the
以上説明したように、式(2)を満たすように導光路30を形成するので、導光路30に導かれた入射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。
As described above, since the
なお、上記実施形態では、光軸Lに平行な入射光のみを対象に説明しているが、光軸Lに平行な入射光だけでなく、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5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6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、
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’
但し、NA’=n1sinγ’=[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、
sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2・・・(3)
を満たすことが好ましい。
In the above embodiment, only incident light parallel to the optical axis L is described. However, not only incident light parallel to the optical axis L but also light is incident from an oblique direction not parallel to the optical axis L. In this case, in order to guide the incident light guided to the
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′
However, NA ′ = n 1 sin γ ′ = [NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + n 1 − (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 ] sin α / {n 1 2 −2 ( n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 ,
sin α = NA cos θ + sin θ {1- (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 } / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 (3)
It is preferable to satisfy.
上記実施形態では、コア層31を略筒状としているが、四角柱状でもよい。また、図7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。
In the said embodiment, although the
図7に示す系の場合、光軸Lに平行に光が入射したときに、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8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9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)}≧n2/n1・・・(4)
となる。この式(4)を、開口数NAを含む式に変形すると、
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’、
但し、NA’’=n1sin(θ+φ)=NAcosφ+sinφ(n1 2−NA2)1/2・・・(5)
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(5)を満たすように形成されている。
In the case of the system shown in FIG. 7, the condition that the incident light is totally reflected at the interface between the
sin {π / 2− (φ + γ)} ≧ n 2 / n 1 (4)
It becomes. When this equation (4) is transformed into an equation including the numerical aperture NA,
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ″,
However, NA ″ = n 1 sin (θ + φ) = NA cos φ + sin φ (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 (5)
It becomes. The
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10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11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、
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’’、
但し、NA’’’=n1sin(θ+φ)=[[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]cosφ+[{(n1 2−NA2)1/2−1}{(n1/sinα)2−1}1/2+NA]sinφ]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、
sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2・・・(6)
を満たすことが好ましい。
Further, in the case where the
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′ ″,
However, NA ′ ″ = n 1 sin (θ + φ) = [[NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + n 1 − (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 ] cos φ + [{( n 1 2 −NA 2 ) 1/2 −1} {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + NA] sin φ] sin α / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 ,
sin α = NA cos θ + sin θ {1- (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 } / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 (6)
It is preferable to satisfy.
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12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。
In the CCD image sensor having the
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13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12、および図13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。 Further, in the CCD image sensor as described above, between the pixel arrangement pitch and the incident light amount at an incident angle of 15 ° when the light amount of parallel incident light is 1, as shown in FIG. There is a relationship. That is, the amount of incident light increases as the pitch becomes wider, and the amount of incident light is larger overall when the light guide is present than when the light guide is not present. In the above embodiment, the pixel size and pitch are set with reference to the characteristics shown in FIGS. The numerical values in the graph indicate the pixel size on the left side and the opening width in the parenthesis on the right side.
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。
In the above embodiment, the interline transfer type
2 CCDイメージセンサ
10 受光部
20 基板
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
2
Claims (4)
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、前記コア層と前記クラッド層の屈折率をそれぞれn1、n2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。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA A plurality of light receiving units arranged on the substrate and receiving light to perform photoelectric conversion are formed to have substantially the same width from the light receiving unit side to the light incident side, toward the light receiving unit. Solid comprising: a core layer that guides light; a light guide that has a lower refractive index than the core layer, and that includes a clad layer that surrounds the core layer; and a microlens that collects light on an incident surface of the light guide In the image sensor,
Solids satisfying the following conditional expression, where NA is the numerical aperture of the optical system including the microlens and the light guide path, and n 1 and n 2 are the refractive indexes of the core layer and the cladding layer, respectively. Image sensor.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’、
但し、NA’=n1sinγ’=[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、
sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2 The following conditional expression is satisfied, where θ is an incident angle of light to the microlens and γ ′ is an angle between a light incident on the core layer and a line perpendicular to the light receiving portion. Item 2. The solid-state imaging device according to Item 1.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′,
However, NA ′ = n 1 sin γ ′ = [NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + n 1 − (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 ] sin α / {n 1 2 −2 ( n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2 ,
sin α = NA cos θ + sin θ {1- (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 } / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2
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n1、n2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。
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’、
但し、NA’’=n1sin(γ+φ)=NAcosφ+sinφ(n1 2−NA2)1/2 A plurality of light receiving units arranged on a substrate, receiving light and performing photoelectric conversion, and tapered so that a width is gradually increased from the light receiving unit side toward a light incident side. A core layer that guides light toward a portion, a light guide path that has a lower refractive index than the core layer and that includes a cladding layer that surrounds the core layer, and a microlens that collects light on an incident surface of the light guide path In a solid-state imaging device comprising:
The angle between the light incident perpendicularly to the light receiving portion and the line perpendicular to the light receiving portion in the core layer is γ, the numerical aperture of the optical system including the microlens and the light guide is NA, and the core layer A solid-state imaging device, wherein the following conditional expression is satisfied, where φ is a taper angle, and n 1 and n 2 are refractive indexes of the core layer and the cladding layer, respectively.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ″,
However, NA ″ = n 1 sin (γ + φ) = NA cos φ + sin φ (n 1 2 −NA 2 ) 1/2
(n1 2−n2 2)1/2≧NA’’’、
但し、NA’’’=n1sin(γ’+φ)=[[NA{(n1/sinα)2−1}1/2+n1−(n1 2−NA2)1/2]cosφ+[{(n1 2−NA2)1/2−1}{(n1/sinα)2−1}1/2+NA]sinφ]sinα/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2、
sinα=NAcosθ+sinθ{1−(n1 2−NA2)1/2}/{n1 2−2(n1 2−NA2)1/2+1}1/2 The following conditional expression is satisfied, where θ is an incident angle of light to the microlens and γ ′ is an angle between a light incident on the core layer and a line perpendicular to the light receiving portion. Item 6. The solid-state imaging device according to Item 3.
(N 1 2 −n 2 2 ) 1/2 ≧ NA ′ ″,
However, NA ′ ″ = n 1 sin (γ ′ + φ) = [[NA {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + n 1 − (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 ] cos φ + [ {(N 1 2 −NA 2 ) 1/2 −1} {(n 1 / sin α) 2 −1} 1/2 + NA] sinφ] sin α / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1 / 2 +1} 1/2 ,
sin α = NA cos θ + sin θ {1- (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 } / {n 1 2 −2 (n 1 2 −NA 2 ) 1/2 +1} 1/2
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JP2005302884A (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-27 | Canon Inc | Solid-state imaging device, and design support method and device |
-
2006
- 2006-10-20 JP JP2006286684A patent/JP2008103634A/en not_active Abandoned
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