JP2010212625A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 反射光の発生を抑制しつつ、各画素への集光効率の向上を図る手段を提供する。
【解決手段】 固体撮像素子は、二次元的に配列された複数の画素を備えている。画素上には、各々の平面方向の長さが入射波長λよりも小さい複数のサブ波長構造が入射波長λよりも小さな配置間隔で形成されている。また、複数のサブ波長構造は異なる位相差を持ち、画素への入射光束を集光する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像素子に関する。

従来から、固体撮像素子の各画素には、入射光の集光効率を高めるためにマイクロレンズが配置されている。かかるマイクロレンズの表面で反射が生じると、反射損により入射光の集光効率が低下してしまう。一般的なマイクロレンズは、加工の容易な有機系樹脂を用いて形成されるため、表面に反射防止膜を形成することができない。

なお、特許文献１には、無機系材料でマイクロレンズを構成するとともに、マイクロレンズの表面に反射防止膜を形成した固体撮像素子の例が開示されている。

特開２００２−６１１１

しかし、特許文献１のように無機系材料でマイクロレンズを構成しようとする場合、所望のレンズ形状に加工することが困難であって、集光性能が低くなる点が指摘されている。

そこで、本発明は、固体撮像素子において、反射光の発生を抑制しつつ、各画素への集光効率の向上を図る手段を提供することを目的とする。

一の態様の固体撮像素子は、二次元的に配列された複数の画素を備えている。画素上には、各々の平面方向の長さが入射波長λよりも小さい複数のサブ波長構造が入射波長λよりも小さな配置間隔で形成されている。また、複数のサブ波長構造は異なる位相差を持ち、画素への入射光束を集光する。

上記の一の態様において、各々のサブ波長構造の平面方向の長さが、画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていてもよい。

上記の一の態様において、サブ波長構造の配置間隔が、画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていてもよい。あるいは、上記の一の態様において、サブ波長構造の配置間隔が一定であってもよい。

上記の一の態様において、サブ波長構造の高さは、３００ｎｍ以上で、かつサブ波長構造の高さと幅との比を示すアスペクト比が２０以下となる値に設定されていてもよい。

上記の一の態様において、複数のサブ波長構造は、正方格子配列、最密格子状配列またはｒθ座標系に基づく配列のうちのいずれかの配列で配置されていてもよい。

上記の一の態様において、サブ波長構造は、ホールまたはピラーであってもよい。

上記の一の態様において、各々のサブ波長構造の高さが、画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていてもよい。

上記の一の態様において、入射波長λは、可視光の波長域から選択されてもよい。

上記の一の態様において、画素には、複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが配置されていてもよい。また、カラーフィルタの種類に応じて、サブ波長構造のパターンを各々の画素で変化させてもよい。

本発明によれば、複数のサブ波長構造の形成により、反射光の発生を抑制しつつ、各画素への集光効率の向上を図ることができる。

一の実施形態における固体撮像素子の回路構成例を示す概要図 一の実施形態における集光光学素子の一例を示す断面図 一の実施形態における集光光学素子の一例の平面図 集光光学素子の有効屈折率の変化を示す図 本発明の実施例に係る集光光学素子を示す断面図 本発明の実施例に係る集光光学素子を示す断面図 サブ波長構造の配置例を示す図 一の実施形態における集光光学素子の別例を示す断面図 一の実施形態における集光光学素子の別例を示す断面図

＜固体撮像素子の回路構成の説明＞
図１は、一の実施形態における固体撮像素子の回路構成例を示す概要図である。固体撮像素子は、複数の画素１と、垂直デコーダ２と、水平デコーダ３と、信号読み出し回路４とを有している。

画素１は、固体撮像素子の受光面においてマトリクス状に配列されている。各画素１は、入射光束を光電変換する受光素子と、受光素子により生成された信号電荷を蓄積する蓄積部と、蓄積された信号電荷に応じて画像信号を出力する増幅部などを含んでいる（受光素子、蓄積部、増幅部などの図示は省略する）。

また、固体撮像素子の受光面には、横方向に延長する複数の走査線５と、縦方向に延長する複数のデータ読み出し線６とがマトリクス状に配線されている。そして、各画素は、走査線５およびデータ読み出し線６にそれぞれ接続されている。なお、簡単のため、図１の例では受光面に８×８個の画素を示すが、実際の固体撮像素子の受光面にはさらに多数の画素が配列されている。

また、各々の画素１の前面には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応するカラーフィルタが配置されている。そのため、各々の画素１はカラーフィルタの色に対応する画像信号を出力する。図１では、各画素にカラーフィルタの色も併せて表記する。

一の実施形態では、上記のカラーフィルタは公知のベイヤ配列に従って配列されている。すなわち、画素１の配列の奇数行にはＲ，Ｇのフィルタが交互に並ぶとともに、偶数行にはＧ，Ｂのフィルタが交互に並んでいる。そして、受光面全体ではＧのフィルタが市松模様をなしている。図１では水平方向にＲと交互に並ぶＧのフィルタをＧｒで示すとともに、水平方向にＢと交互に並ぶＧのフィルタをＧｂで示す。

垂直デコーダ２には、各走査線５の一端がそれぞれ接続されている。垂直デコーダ２は、読み出し対象の行を指定するパルスを走査線５から各画素に与える。

水平デコーダ３は、信号読み出し回路４に対して、読み出し対象の列を指定するパルスを出力する。

信号読み出し回路４には、データ読み出し線６の下端が接続されている。この信号読み出し回路４は、データ読み出し線６を介して各画素から画像信号を読み出すとともに、読み出した画像信号を信号線ＯＵＴから外部に出力する。

＜各画素の集光光学素子の説明＞
また、一の実施形態における固体撮像素子の各画素は、複数のサブ波長構造が配列された集光光学素子を有している。以下、図面を参照しつつ、集光光学素子の構成例を説明する。

図２は、一の実施形態における集光光学素子の一例を示す断面図である。また、図３は、一の実施形態における集光光学素子の一例の平面図である。一の実施形態での集光光学素子１１は、透光性の光学樹脂で構成されており、各画素のカラーフィルタ１２の上面側に配置されている。集光光学素子１１とカラーフィルタ１２との間と、カラーフィルタ１２と受光素子との間には、透光性の平坦化膜１３，１４がそれぞれ形成されている。なお、簡単のため、図２では、カラーフィルタ１２の下面側に存在する画素（受光素子）の図示は省略する。

集光光学素子１１の上面には、上方に向けて直立する円柱状のサブ波長構造１５（ピラー）が複数形成されている。各々のサブ波長構造１５の平面方向の幅ｗ（直径）は、固体撮像素子に入射する光束の入射波長λ以下に設定されている。また、サブ波長構造１５の配置間隔ｐ（例えば隣接するサブ波長構造１５の中心間の距離）も、入射波長λ以下に設定されている。

上記の入射波長λは、例えば、固体撮像素子の用途に応じて適宜設定される。一例として、可視光のカラー画像を撮像する撮像素子の場合には、入射波長λは可視光の波長域から選択される。この場合、例えば、ｄ線を基準波長として入射波長λを決定してもよい。あるいは、ＲＧＢのいずれかのカラーフィルタ１２の分光感度に着目し、分光感度のピーク波長、分光感度の中心波長、分光感度の形に合わせた重心波長のうちから入射波長λを決定してもよい。

一の実施形態の集光光学素子１１では、サブ波長構造１５の直径が、画素の中心から外側に向けて段階的に小さくなっている。また、一の実施形態の集光光学素子１１では、サブ波長構造１５の配置間隔ｐが、画素の中心から外側に向けて段階的に狭くなっており、画素の外側にいくほどサブ波長構造１５が密に配置されている。これらの構成により、集光光学素子１１の半径方向において、サブ波長構造１５を透過する光に異なる位相差が生じることとなる。

また、一の実施形態では、各々のサブ波長構造１５の高さｈは一定の高さに揃えられている。ここで、サブ波長構造１５の高さｈは、入射光の反射損を抑制する観点からは３００ｎｍ以上であることが好ましい。一方、サブ波長構造１５の高さｈを大きくすると、サブ波長構造１５が折れやすくなって固体撮像素子の歩留まりが低下する。そのため、一の実施形態でのサブ波長構造１５の高さｈは、３００ｎｍ以上であって、かつサブ波長構造１５の高さｈと幅ｗとの比を示すアスペクト比（ｈ／ｗ）が２０以下となる範囲で設定される。

ここで、一の実施形態の集光光学素子１１は、以下の方法で生成することができる。一例として、レジストを塗布した光学樹脂にリソグラフィによってサブ波長構造１５のパターンを露光し、その後にエッチングを行って集光光学素子１１を形成してもよい。あるいは、ナノインプリントによって、型材のサブ波長構造１５のパターンを光学樹脂層に転写して集光光学素子１１を形成してもよい。

以下、一の実施形態の作用効果について述べる。一の実施形態の集光光学素子１１には、各々の平面方向の直径（ｗ）が入射波長λよりも小さい複数のサブ波長構造１５が、入射波長λよりも小さな配置間隔ｐで形成されている。よって、入射波長λよりもサブ波長構造１５のサイズが小さいため、回折する成分はなく０次光のみが入射されることとなる。

また、一の実施形態の集光光学素子１１では、サブ波長構造１５の先端部から基端部（集光光学素子１１の高さ方向）にかけて、サブ波長構造１５（例えば屈折率１．５）と空気（屈折率１．０）との界面での実効屈折率ｎｅｆｆの勾配が緩やかになり、反射光の発生を抑制できる（図４参照）。これに対し、一般的なマイクロレンズでは、図４において破線で示すように、レンズと空気との界面（図４では、マイクロレンズの場合はサブ波長構造の先端部にレンズ面があると考える）で屈折率に大きなギャップが生じる。そのため、入射光束がレンズの界面で反射しやすくなることから、大きな反射損が発生することが分かる。

また、一の実施形態の集光光学素子１１では、サブ波長構造１５の直径（ｗ）や配置間隔（ｐ）を調整することで、集光光学素子１１の半径方向においてサブ波長構造を透過する光に異なる位相差が生じ、画素への入射光束を集光することができる。

＜実施例＞
図５、図６は、本発明の実施例に係る集光光学素子１１を示す断面図である。図５に示す実施例では、１画素の画素ピッチが２μｍであって、サブ波長構造１５（ピラー）の配置間隔ｐを２５０ｎｍに固定し、１画素の断面方向に８個のピラーを配列した。このとき、ピラーの高さｈを１μｍとすると、シミュレーションでの反射損は約２％となった。また、ピラーの高さｈを０．５μｍとすると、シミュレーションでの反射損は約２．５％となった。

図６に示す実施例では、１画素の画素ピッチが１．９６μｍであって、サブ波長構造１５（ピラー）の配置間隔ｐを２８０ｎｍに固定し、１画素の断面方向に７個のピラーを配列した。このとき、ピラーの高さｈを１μｍとすると、シミュレーションでの反射損は約１．６％程度となった。

一方、従来のマイクロレンズにおける入射光の反射損は約４％から約５％であるので、本発明の構成によれば、入射光の反射損を半分以下に抑制できることが分かる。

＜集光光学素子の構成の変形例＞
（１）上記実施形態の固体撮像素子において、サブ波長構造１５の配置間隔ｐは一定に設定してもよい（図５、図６参照）。この場合において、サブ波長構造１５の配置間隔ｐを画素ピッチの数分の１に設定すれば、画素上にサブ波長構造１５を効率よく配置することができる。

（２）図７は、集光光学素子１１でのサブ波長構造１５の配置例を示している。図７（ａ）は、サブ波長構造１５を正方格子配列で配置した例を示している。図７（ｂ）は、正方格子配列の中心にさらにサブ波長構造を配置した最密格子状の配列を示している。また、図７（ｃ）は、ｒθ座標系に基づいて画素の中心からサブ波長構造１５を同心円状に配列した例を示している。なお、サブ波長構造１５の配置例は、上記の例に限定されず、例えば、集光光学素子１１の中央部では正方格子配列でサブ波長構造１５を配置し、集光光学素子１１の周縁部では最密格子状の配列でサブ波長構造１５を配置してもよい（この場合の図示は省略する）。

（３）上記実施形態の固体撮像素子において、サブ波長構造１５の形状は円柱状に限定されず、例えば、平面の形状が多角形をなす角柱状であってもよい（この場合の図示は省略する）。なお、サブ波長構造１５を角柱状に形成する場合、アスペクト比を求めるときの幅ｗは、平面方向で幅が一番短くなる部分を基準にするものとする。

また、サブ波長構造１５の形状は角錐や円錐であってもよい（この場合の図示は省略する）。この場合には、集光光学素子１１の高さ方向にかけて、サブ波長構造１５と空気との界面での実効屈折率ｎｅｆｆの勾配がさらに緩やかとなるので、反射損をより抑制できる。なお、サブ波長構造１５を角錐や円錐の形状にする場合、アスペクト比を求めるときの高さｈは、サブ波長構造１５の斜辺の長さを基準とするものとする。

（４）図８は、集光光学素子１１の別例であって、上面側に開口した円柱状の空間（ホール）を集光光学素子１１に形成した例を示している（図８に対応する平面図は、図３とほぼ同様となるので省略する）。なお、ホールの配置間隔およびホールの幅は、入射波長λ以下に設定されている。このように、ホールによってサブ波長構造１５を構成した場合にも、上記の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。

（５）図９は、集光光学素子１１の別例であって、各々のサブ波長構造１５の高さを、画素の中心から外側に向けて段階的に異なるように設定した例を示している。この場合にも、集光光学素子１１の半径方向においてサブ波長構造１５を透過する光に異なる位相差が生じ、画素への入射光束を集光することができる。

（６）上記実施形態の固体撮像素子において、カラーフィルタ１２の分光感度特性に合わせて複数のサブ波長構造１５のパターンを設定し、カラーフィルタ１２の色毎に異なる集光光学素子１１を配置してもよい。これにより、ＲＧＢの各画素でそれぞれ入射光の光量をより増加させることが可能となる。

なお、上記実施形態および変形例の構成はあくまで一例にすぎず、上述の実施形態および変形例に示す構成についてあらゆる組み合わせをとることができる。

＜実施形態の補足事項＞
上記実施形態では、ＸＹアドレス方式で読み出しを行う固体撮像素子（ＣＭＯＳなど）の例を説明したが、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、順次走査方式で読み出しを行う固体撮像素子（ＣＣＤなど）にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、ＲＧＢのカラーフィルタをベイヤ配列で配置した例を説明したが、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、ＲＧＢのカラーフィルタをストライプ配列で配置した固体撮像素子や、あるいは、補色系（例えば、マゼンタ、グリーン、シアン及びイエローを用いる系）のカラーフィルタアレイを有する固体撮像素子にも本発明を適用することができる。

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

１…画素、１１…集光光学素子、１２…カラーフィルタ、１５…サブ波長構造

Claims (10)

1. 二次元的に配列された複数の画素を備え、
   前記画素上には、各々の平面方向の長さが入射波長λよりも小さい複数のサブ波長構造が前記入射波長λよりも小さな配置間隔で形成されており、
   複数の前記サブ波長構造に異なる位相差を持たせて、前記画素への入射光束を集光させることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   各々の前記サブ波長構造の平面方向の長さが、前記画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記サブ波長構造の配置間隔が、前記画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記サブ波長構造の配置間隔が一定であることを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記サブ波長構造の高さは、３００ｎｍ以上で、かつ前記サブ波長構造の高さと幅との比を示すアスペクト比が２０以下となる値に設定されることを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   複数の前記サブ波長構造は、正方格子配列、最密格子状配列またはｒθ座標系に基づく配列のうちのいずれかの配列で配置されることを特徴とする固体撮像素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記サブ波長構造は、ホールまたはピラーであることを特徴とする固体撮像素子。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   各々の前記サブ波長構造の高さが、前記画素の中心から外側に向けて段階的に異なる値に設定されていることを特徴とする固体撮像素子。
9. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
   前記入射波長λは、可視光の波長域から選択されることを特徴とする固体撮像素子。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の固体撮像素子において、
    前記画素には、複数種類のカラーフィルタのうちのいずれかが配置され、
    前記カラーフィルタの種類に応じて、前記サブ波長構造のパターンを各々の前記画素で変化させたことを特徴とする固体撮像素子。

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