JP2008147259A

JP2008147259A - 撮像素子及び撮像装置

Info

Publication number: JP2008147259A
Application number: JP2006329918A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Takubo; 洋介田窪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】低損失かつ高集光効率の撮像素子及びこれを用いた撮像装置を実現すること。
【解決手段】撮像素子１００は、光電変換部１６、１７と光電変換部１６、１７へ光を導く導光部とを有し、前記導光部は、周囲よりも屈折率の低い物質からなる構造体２１ａを複数備える。撮像素子１００内において構造体２１ａが占有する領域は、撮像素子１００内において不均一である。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等に用いる撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関する。

従来、光電変換を用いて、入射した光量に応じて電気信号を出力するＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに代表される撮像素子が２次元に配列された撮像部を有する撮像装置が知られている。近年では、鮮明な画像を撮像するために、撮像素子の高画素化が進められ、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどで用いられる撮像素子の画素数が数百万以上に及ぶものも登場している。

図１７は、従来の撮像素子１７００の概略構成を示す図である。図１７において、１１はマイクロレンズ、１２はカラーフィルタ、１３は平坦化層、１４は電気信号転送用の電極、１５は平坦化層、１６及び１７は光電変換を行う領域である。入射した光は、導光部を通過して光電変換部１６、１７に到達する。

光電変換を用いた撮像素子１７００においては、光電変換部１６、１７に到達した光に対応した電気信号が得られる。そのため、入射した光を効率よく対応する光電変換部１６、１７へ導くことが重要である。

すなわち、入射した光量と対応した光電変換部１６、１７に到達した光量との比を光利用効率とすると、光利用効率を向上させることが撮像素子１７００の性能向上に大きく寄与することが知られている。特に、入射した光の角度が大きくなる撮像素子１７００の周辺部にある画素において、光利用効率の低下による画像の悪化が大きな問題となっている。

撮像素子の光利用効率を向上させる技術として、撮像素子の導光部にマイクロレンズを単層又は多層設ける構造（特許文献１を参照）や撮像素子の導光部に屈折率の異なる物質からなる導光路を設ける構造（特許文献２を参照）が開示されている。

また、近年では、導光手段としてフォトニック結晶と呼ばれる構造を用いて導光性能を改善する構造が開示されている（特許文献３を参照）。
特開２００５−０７２３６４号公報特開２００２−２４６５７９号公報特開２００５−２６５６７号公報特開平６−２２４３９８号公報

しかしながら、近年では撮像装置の小型化に伴い、入射角の大きな光をも利用することが求められており、広範囲の入射角において、光利用効率の更なる向上が求められている。

また、撮像素子の縮小化及び画素の微細化に伴い、画素あたりの入射光量の減少、導光領域の構造物による迷光、隣接素子への光の漏れこみなど、対応する光電変換部へ到達する光量の低下による画像の悪化が知られている。そのため、光利用効率の更なる向上が求められている。

上述したような従来の技術では、入射光の光電変換部への導光は十分ではなく、更なる改善が求められている。

また、フォトニック結晶を用いた構造については、撮像素子における画素の位置による入射光の角度の違いが考慮されていないという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低損失かつ高集光効率の撮像素子及びこれを用いた撮像装置を実現することを目的とする。

本発明の第１の側面は、光電変換部と前記光電変換部へ光を導く導光部とを有する撮像素子に係り、前記導光部は、周囲と屈折率が異なる物質からなる構造体を複数備え、前記撮像素子内において前記構造体が占有する領域は、前記撮像素子内において不均一であることを特徴とする。

本発明の第２の側面は、撮像装置に係り、上記の複数の撮像素子が２次元に配列された撮像部を備え、前記撮像部の積層方向における前記複数の構造体の各々の長さが、前記撮像素子の面内方向の幅と同じ間隔で繰り返し段階的に長くなっており、かつ、前記複数の構造体の少なくとも１つは、他の前記構造体とは異なる撮像素子内に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、低損失かつ高集光効率の撮像素子及びこれを用いた撮像装置を実現することを目的とする。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態に係る撮像部について詳細に説明する。本発明の好適な実施の形態に係るデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置は、以下の各実施形態に係る撮像部を備える。ただし、例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更することができ、本発明がこれらの実施の形態のみに限定されない。

また、以下で例示する実施の形態においては、マイクロレンズなどの既知の技術と本発明とを組み合わせた例を示しているが、本発明はそれらの構造との組み合わせのみに限定されない。すなわち、本発明のみが用いられてもよいし、本発明と他の構造との組み合わせが用いられてもよい。

本願発明の好適な実施の形態では、撮像部に配置された撮像素子内に周囲よりも屈折率の低い物質からなる複数の構造体が配置されている。そして、このような複数の構造体の各構造体が占める領域が、撮像素子内で不均一であることを特徴としている。例えば、撮像素子内の各構造体の長さ、幅、形状、分布などが撮像素子内の積層方向及び面内方向の少なくとも一方において異なっている。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像部における撮像素子の概略的な構成を示す断面図である。図１に示す撮像素子１００は、撮像部の右側に配置された周辺部の撮像素子である。図１５を参照すると、撮像部１５００の左側を（ａ）、中央を（ｂ）、右側を（ｃ）とすれば、図１の撮像素子１００は、図１５の撮像部１５００の右側（ｃ）に位置する周辺部の撮像素子に対応する。また、入射角は、図１５において撮像部１５００の中心上方から右側（ｃ）に入射する光、すなわち図１の撮像素子１００において左側から入射する光を負にとることとする。ここで、入射角とは、図１６に示すように、撮像部１５００の表面（以下「撮像面」という。）に垂直な線１６０１と入射光とがなす角θとする。また、入射角が大きいことは、θの絶対値の大きいことを意味することとする。なお、上述した入射角は、後述する第２〜第１１の実施形態についても同様に適用される。

図１は、撮像部の中心と撮像素子の中心を結ぶ直線を通り、撮像面に垂直な面における撮像素子の断面図である。上述したように、図１において左側が撮像部の中心側に対応している。

１１はマイクロレンズ、１２はカラーフィルタ、１３は平坦化層、１４は電気信号転送用の配線、１５は平坦化層、１６及び１７は光電変換を行う領域である。２１は周囲よりも屈折率の低い物質からなる低屈折率層である。

マイクロレンズ１１、カラーフィルタ１２、平坦化層１３及び平坦化層１５は、対応する波長に対してほぼ透明であり、例えば、屈折率が約１．４５の誘電体材料である酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や樹脂材料などを用いることができる。配線１４は、例えば、アルミニウムや銅を用いることができる。光電変換部としては、例えば、半導体素子を用いることができ、例えば、１７としてｐ型Ｓｉ基板、１６としてｐ型Ｓｉ基板にイオン注入をすることによって形成されたｎ型領域を用いることができる。

構造２１ａは、対応する波長に対してほぼ透明で、周囲よりも屈折率の低い物質からなる複数の構造体により構成されている。各構造体は、例えば、空気や窒素等の不活性ガスにより形成された中空層や樹脂層を用いることができる。このような構造体の製造方法としては、周知の技術を適用すればよく、例えば、中空層の製造方法を開示した特許文献４の技術を適用することができる。また、構造２１ａは、入射光の波長程度又はそれ以下の長さの周期で各構造体が周期的に配置されている。

構造２１ａは、その屈折率が周囲の物質と異なればよい。例えば、構造２１の周囲を屈折率２．０程度の窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成し、構造２１を屈折率１．４程度の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成してもよい。

構造２１ａは、面内方向に幅０．１μｍ、構造体間隔０．１μｍをもつ周期構造となっており、屈折率は１．１である。左端での積層方向の構造体の長さは０．１μｍであり、図の左側から順に積層方向の長さが０．１μｍずつ長くなっている。構造体の上端は積層方向についてほぼ同じ位置にある。

図１３は、ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによる光利用効率の測定結果である。横軸は入射光の角度を示し、縦軸は光電変換部に入射した光の量、すなわち光利用効率を示している。

破線は、従来の撮像素子を用いたものであり、実線は、第１の実施形態に係る撮像素子を用いたものである。上述したように、撮像素子の位置によって左側から入射する光、すなわち負の入射角をもつ入射光が多くなる。第１の実施形態に係る撮像部は、負の入射角をもつほぼ全角度の入射光に対して、従来の撮像部よりも光利用効率が向上していることが分かる。特に、入射光の角度がマイナス２０度の場合においては、光利用効率が約５０パーセント増加していることが分かる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、周囲に対して屈折率の低い構造体を挿入した例を示したが、第２の実施形態では、周囲に対して屈折率の高い構造体を挿入する。

第１の実施形態と同様に、図２において撮像部の右側、すなわち負の入射角を持つ光が多く入射する周辺部の撮像素子２００を例に示す。図２に示した構造２１ｂは、面内方向に幅０．２μｍ、構造体間隔０．２μｍをもつ周期構造となっており、屈折率は１．８である。左端での積層方向の構造体の長さは１．４μｍであり、図の左側から順に積層方向の長さが０．１μｍずつ短くなっている。構造体の上端は積層方向についてほぼ同じ位置にある。

図１４は、ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによる光利用効率の測定結果である。横軸は入射光の角度を示し、縦軸は光電変換部に入射した光の量、すなわち光利用効率を示している。

破線は、従来の撮像素子を用いたものであり、実線は、第２の実施形態に係る撮像素子２００を用いたものである。第２の実施形態に係る撮像素子２００は、負の入射角をもつほぼ全角度の入射光に対して、従来の撮像部よりも光利用効率が向上していることが分かる。

（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態では、撮像素子の導光部に積層方向の幅が変化する周期構造を配置した場合の例を示したが、このような周期構造に代えて準周期構造を配置してもよい。図３は、その一例を示す図であり、撮像素子３００の導光部に場所によって面内方向の幅が異なる準周期構造２１ｃを配置した例を示している。準周期構造２１ｃの積層方向における長さはほぼ一定である。

ここで、準周期構造とは、繰り返される構造体の幅及び間隔がそれぞれ適時変化しており、一定ではない構造のことである。なお、積層方向とは撮像部において光軸に平行、撮像面に垂直な方向をさす。また、面内方向とは、積層方向に垂直、撮像面に平行な方向をさす。

（第４の実施形態）
第３の実施形態では、撮像素子の導光部に積層方向における長さがほぼ一定の準周期構造を配置した場合の例を示したが、準周期構造の積層方向における長さが変化してもよい。図４は、その一例を示す図であり、撮像素子４００の導光部に面内方向には左側から長さが長くなり、積層方向の長さも長くなるように形成された準周期構造２１ｃを配置した例を示している。なお、図４では、準周期構造２１ｃの構造体の長さが左側から２つの構造体ごとに長くなっているが、これに限定されず、準周期構造２１ｃの構造体の長さが左側から１つの構造体ごとに段階的に長くなってもよいし、３つ以上の構造体ごとに長くなってもよい。

（第５の実施形態）
第１〜第４の実施形態では、周期構造及び準周期構造が撮像素子のほぼ全体にわたって配置されている。これに対し、第５の実施形態では、導光部の構造及び入射光に応じて、周期構造又は準周期構造が、撮像素子の面内方向において局所的に配置されている。例えば、図５に示すように、撮像素子５００の面内方向において右側に局所的に周期構造又は準周期構造２１ｅが配置されている。図５では、入射角に対応して撮像素子５００の右側に局所的に周期構造又は準周期構造２１ｅを配置した例を示したが、撮像素子５００の左側や中央に局所的に配置してもよい。

（第６の実施形態）
第１〜第５の実施形態では、周期構造又は準周期構造の積層方向の長さがほぼ一定の割合で変化した。これに対し、第６の実施形態では、周期構造又は準周期構造の積層方向の長さが一定の割合で変化しておらず、導光部の構造及び入射光に応じて適時変化している。図６は、その一例を示す図であり、撮像素子６００内に周期構造又は準周期構造２１ｇが全体としてアーチ状の形状となるように配置されている。本実施形態では、一例として周期構造又は準周期構造２１ｇの形状が全体としてアーチ状となるものを示したが、本発明はこれに限定されず、周期構造又は準周期構造２１ｇが形状が全体として多角形、楕円形、放物線形状などとなってもよい。

（第７の実施形態）
第１〜第６の実施形態では、光電変換部の直上に周期構造又は準周期構造を配置した例を示した。これに対し、第７の実施形態では、導光部の構造及び入射光の構造に応じて、撮像素子内に周期構造又は準周期構造２１ｇが面内方向に偏心して配置されている。図７はその一例を示す図であり、撮像素子７００、７０１内に負の入射角で入射した光に対して周期構造又は準周期構造２１ｇが偏心して配置された例を示す。

（第８の実施形態）
第７の実施形態では、周期構造又は準周期構造２１ｇの上端の積層方向における位置が同一であった。これに対し、第８の実施形態では、周期構造又は準周期構造の積層方向における位置が同一ではなく、導光部の構造や入射光によって適時変化している。図８及び図９はその実施形態の一例を示す。図８は、撮像素子８００内で周期構造又は準周期構造２１ｈの積層方向の下端の位置が同一となるように配置された例を示す。図９は、撮像素子９００内で周期構造又は準周期構造２１ｉの積層方向の長さ左側から順に長くなり、その下端が全体としてアーチ状の形状となるように配置した例を示す。

（第９の実施形態）
第１〜第８の実施形態では、本発明の好適な実施の形態に係る周期構造又は準周期構造が平坦化層に配置されているが、カラーフィルタ層に配置されてもよい。また、例えば、図１０に示すように、撮像素子１０００内の下部の平坦化層１５やカラーフィルタよりも上層の部分など、周期構造又は準周期構造２１ｊを撮像素子１０００内の積層方向に移動させて、導光部の任意の層に配置してもよい。図１０では、下部の平坦化層１５に周期構造又は準周期構造２１ｊを配置しているが、第７の実施形態と組み合わせた構造を用いてもよい。

（第１０の実施形態）
周期構造又は準周期構造は、入射光の角度に対応した形状を持たせるため、撮像面を光が入射する側から見た場合、図１１に示すように、平行線、同心円、楕円、多角形などの形状であってもよい。図１１は、撮像部１１００の撮像面を光の入射方向から見た場合を示している。図１１では、撮像部１１００の右上に位置する領域１１０１において、撮像部１１００の中心から領域１１０１の中心に引いた直線Ａに垂直な平行線形状となるように周期構造又は準周期構造２１ｋが配置されている。他の例としては、撮像素子の左下の点を中心とする同心多角形形状となるように配置された周期構造又は準周期構造２１ｌや撮像素子の左下の点を中心とする同心円形状となるように配置された周期構造又は準周期構造２１ｍがある。

また、撮像部１１００の右側中段に位置する領域１１０２において、撮像部１１００の中心から領域１１０２の中心に引いた直線Ｂに垂直な平行線形状となるように周期構造又は準周期構造２１ｎが配置されてもよい。また、他の例としては、撮像素子の左側中段を中心とする同心多角形形状となるように配置された周期構造又は準周期構造２１ｏ撮像素子の左側中段を中心とする同心円形状となるように配置された周期構造又は準周期構造２１ｐがある。

（第１１の実施形態）
各撮像素子の周期構造又は準周期構造の積層方向の長さは、撮像部における撮像素子の位置によって変化する入射光により適時変化させてもよい。第１１の実施形態では、各撮像素子の積層方向の代表的な長さは、撮像素子の中心から周辺に向かって順に長く又は短くなるように変化している。例えば、図１２のような構造を一例として示す。

撮像部１２００の周辺の撮像素子１２０２内の周期構造又は準周期構造２１ｒは、撮像部１２００の中心に近い撮像素子１２０１内の周期構造又は準周期構造２１ｑよりも、撮像素子内の積層方向に長くなっている。また、撮像部１２００の更に周辺の撮像素子１２０３内の周期構造又は準周期構造２１ｓは、撮像部１２００のより中心に近い撮像素子１２０２内の周期構造又は準周期構造２１ｒよりも、撮像素子内の積層方向に長くなっている。

ここで、撮像素子の積層方向の代表的な長さとは、撮像素子ごとの積層方向の構造体の長さを示す特徴的な長さであればよく、例えば、撮像素子ごとの構造体の長さの平均、端の構造体の長さ、中心の構造体の長さなどであってもよい。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成を取りうる。

本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第２の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第３の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第４の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第５の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第６の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第７の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第８の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第８の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第９の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第１０の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第１１の実施形態に係る撮像部の概略的な構成を示す断面図である。本発明の好適な第１の実施形態に係る光利用効率測定の数値シミュレーション結果である。本発明の好適な第２の実施形態に係る光利用効率測定の数値シミュレーション結果である。撮像素子の位置における入射光の違いを示す概略図である。撮像素子面と入射光がなす入射角の定義を示す図である。従来の撮像素子の形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１１：マイクロレンズ
１２：カラーフィルタ
１３：平坦化層
１４：電気信号転送用の電極
１５：平坦化層
１６、１７光電変換部
２１：屈折率の異なる構造体

Claims

光電変換部と前記光電変換部へ光を導く導光部とを有する撮像素子であって、
前記導光部は、周囲と屈折率が異なる物質からなる構造体を複数備え、
前記撮像素子内において前記構造体が占有する領域は、前記撮像素子内において不均一であることを特徴とする撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体のうち少なくとも１つの構造体の長さは、他の前記構造体の長さと異なることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体の各々の長さは、前記撮像素子の面内方向において段階的に変化していることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体の各々の長さは、前記撮像素子の中央に近いほど短くなっていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
前記撮像素子の面内方向における前記複数の構造体のうち少なくとも１つの構造体の幅は、他の前記構造体の幅と異なることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体の上端の位置が同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体の下端の位置が同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記撮像素子の積層方向における前記複数の構造体の下端及び上端の位置の少なくとも一方が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記複数の構造体は、前記撮像素子の面内方向において局所的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
請求項１に記載の複数の撮像素子が２次元に配列された撮像部を備え、
前記撮像部の積層方向における前記複数の構造体の各々の長さが、前記撮像素子の面内方向で繰り返し段階的に長くなっており、かつ、前記複数の構造体の少なくとも１つは、他の前記構造体とは異なる前記撮像素子内に配置されていることを特徴とする撮像装置。
前記撮像素子の面内方向における前記複数の構造体のうち少なくとも１つの構造体の形状は、前記撮像素子の面内方向における他の前記構造体の形状と異なることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。