JP2014209625A - イメージセンサ用の２つ組又は４つ組のシリコンナノワイヤを備えるフルカラー単一ピクセル - Google Patents

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Abstract

【課題】ナノワイヤに特有の光学特性を利用するイメージセンサを提供する。
【解決手段】イメージセンサ１００は、基板１１０及びその上にある一又は複数のピクセル１５０を備える。ピクセル１５０の各々は、異なる色の光への露出に敏感なナノワイヤ１５１ａ，１５２ａを備えるサブピクセル１５１、１５２を有する。ナノワイヤは、自らが敏感な色の光りを電気信号に変換することができる。
【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許出願第１２／２０４，６８６号（米国特許第７，６４６，９４３号）、第１２／６４８，９４２号、第１２／２７０，２３３号、第１２／４７２，２６４号、第１２／４７２，２７１号、第１２／４７８，５９８号、第１２／５７３，５８２号、第１２／５７５，２２１号、第１２／６３３，３２３号、第１２／６３３，３１８号、第１２／６３３，３１３号、第１２／６３３，３０５号、第１２／６２１，４９７号、第１２／６３３，２９７号、第６１／２６６，０６４号、第６１／３５７，４２９号、第６１／３０６，４２１号、第６１／３０６，４２１号、第１２／９４５，４９２号、第１２／９１０，６６４号、第１２／９６６，５１４号、第１２／９６６，５３５号及び第１２／９６６，５７３号に関連する。これらの特許出願の開示内容は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
イメージセンサは、一般には、（デカルト）正方格子に一般に１００万個以上もの多くのセンサ素子（ピクセル）を有するように製造される。このピクセルは、電磁放射（光）を電気信号に変換するように動作するフォトダイオードやそれ以外の受光素子であってもよい。
近年における半導体技術の発展によって、ナノチューブ、ナノキャビティ、ナノワイヤといったナノ構造の製造が可能になっている。ナノ構造の光学特性は、近年注目されている研究の１つである。利用可能なナノ構造のうち、ナノワイヤは、オプトエレクトロニクスセンサ素子として使用できるため、関心を集めている。そこで、ナノワイヤに特有の光学特性を利用するイメージセンサが望まれている。
本明細書においては、基板及び基板上にある一又は複数のピクセルを備えるイメージセンサが説明される。各々のピクセルは、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備える。当該第１のサブピクセルは、第１の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備える。当該第２のサブピクセルは、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備える。前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して、本質的に垂直に延びる。「イメージセンサ」という語は、本明細書において、光学イメージを電気信号に変換する装置を意味する。イメージセンサは、デジタルカメラ等の画像装置に用いることができる。イメージセンサの例には、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）アクティブセンサが含まれる。「ピクセル」という語は、イメージセンサの最小のアドレス指定可能な光検出素子を意味する。各ピクセルは、個別にアドレス指定可能である。イメージセンサにおけるピクセルは、２次元格子に配置されてもよい。各ピクセルは、イメージセンサに投影された画像の小さい領域の明度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）及び色相等の特性を標本化する。ピクセルによって標本化された色相は、赤、緑、及び青又はシアン、マゼンダ、黄、及び黒という３つ又は４つの成分の明度によって表すことができる。多くのイメージセンサでは、様々な理由により、同じ場所にある異なる色を検出することができない。そこで、各ピクセルは、「サブピクセル」と言われる領域に分割される。この各領域は、単一の色を検出することができる。ピクセルによって標本化される色は、当該ピクセル内のサブピクセルによって検出された単一色から計算される。本明細書における「基板から本質的に垂直に延びる」ナノワイヤという語は、ナノワイヤと基板との間の角度
が８５度から９０度の間にあることを意味する。本明細書における「ナノワイヤ」という語は、２次元方向における寸法が最大でも１０００ｎｍに制限されるが、残りの次元における寸法には制限がない構造を意味する。
一実施形態において、イメージセンサの各ピクセルは、基板とナノワイヤとの間に配置される一又は複数のフォトダイオードをさらに備えることができる。本明細書における「フォトダイオード」という語は、光を電流又は電圧に変換することができるタイプのフォトダイオードを意味する。フォトダイオードは、ｐｎ接合を有していてもよいし、ｐｉｎ接合を有していても良い。十分なエネルギーを有する光子がフォトダイオードに衝突すると、電子が励起され、自由電子及び正孔が生成される。電子及び正孔は、フォトダイオードの電極に、電流又は電圧として集められる。
一実施形態において、基板は、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ化物、硫化鉛、及び／又はこれらの混合物を含む。
一実施形態において、イメージセンサの少なくとも１つのピクセルはクラッドを備え、当該少なくとも１つのピクセルの第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルが当該クラッドに埋め込まれる（ｅｍｂｅｄｅｄ）。本明細書における「クラッド」という語は、サブピクセルを囲む物質の層を意味する。本明細書における「埋め込む（ｅｍｂｅｄ）」という語は、何かを密に囲うことや覆うことを意味する。一実施形態において、イメージセンサは、ピクセル間に物質をさらに含む。
一実施形態において、クラッドは、窒化ケイ素、酸化ケイ素、及び／又はこれらの混合物を含む。
一実施形態において、クラッドは可視光に対して実質的に透明である。
一実施形態において、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記クラッドの屈折率と同じ屈折率を有する。
一実施形態において、前記物質は、前記クラッドの屈折率よりも小さな屈折率を有する。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤは、異なる吸収スペクトルを有する。本明細書における「吸収率」という語は、特定の波長で吸収される光の一部分を意味する。本明細書における「吸収スペクトル」という語は、波長の関数としての吸収率を意味する。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤは、少なくとも１００ｎｍは離れている。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤ及び前記ナノワイヤの各々は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する。本明細書における「ｐｉｎ接合」という語は、ｐ型の半導体領域とｎ型の半導体領域との間に挟まれた、低濃度ドープされた又は真性の半導体領域の構造を意味する。「ｎ型」領域及び「ｐ型」領域は、オーミック接触のために高濃度にドープされていてもよい。本明細書における「ｐｎ接合」という語は、互いに接するｐ型半導体領域とｎ型半導体領域を有する構造を意味する。
一実施形態において、電気信号には、電圧、電流、電気伝導度又は電気抵抗、及び／又
はこれらの変化が含まれる。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤ及び／又は前記第２のナノワイヤは、表面不動態化層（ｓｕｒｆａｃｅ ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を備える。本明細書における「不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）」及び「不動態化する（ｐａｓｓｉｖａｔｅ）」という語は、ダングリングボンド（すなわち、原子の不飽和原子価）を除去する処理を意味する。一実施形態において、イメージセンサは、衝突してくる可視光（約３９０ｎｍから７５０ｎｍの波長を有する光）を実質的に全て（例えば、５０％超、７０％超、又は９０％超）吸収するように動作する。本明細書において、全可視光の５０％超、７０％超、又は９０％超を吸収することは、イメージセンサが、それぞれ、全スペクトル（約３９０ｎｍから７５０ｎｍの波長）にわたって、５０％より大きい、７０％より大きい、又は９０％より大きい吸収率を有することを意味する。
一実施形態において、前記イメージセンサは、前記第１及び第２のナノワイヤによって生成された電気信号を検知するように動作する電子回路をさらに備える。
一実施形態において、前記第１及び第２のナノワイヤは、ケイ素を含む。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤは、約２５ｎｍ（例えば２３ｎｍから２７ｎｍ）の半径を有し、前記第２のナノワイヤは、約４０ｎｍ（３８ｎｍから４２ｎｍ）の半径を有する。
一実施形態において、前記クラッドは、約３００ｎｍ（例えば２８０ｎｍから３２０ｎｍ）の直径を有する円柱形状を有する。
一実施形態において、前記ピクセルは、異なる向きを有する。本明細書における「異なる向き」は、図１Ｂ及び図２Ｂに示されており、隣接するピクセルに対して回転し横方向にオフセットしている。
一実施形態において、前記フォトダイオードは、前記第１及び第２のナノワイヤの吸収スペクトルとは異なる吸収スペクトルを有している。本明細書において、２つのスペクトルが「異なる」とは、当該吸収スペクトルが一又は複数の波長において異なる吸収率を有することを意味する。
一実施形態において、前記ピクセルの各々は、第３のサブピクセルを有し、当該第３のサブピクセルは、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長への露出により電気信号を生成するように動作する第３のナノワイヤを備え、当該第３のナノワイヤは前記基板から本質的に垂直に延びている。
一実施形態において、前記第３のナノワイヤは、ケイ素を含む。
一実施形態において、前記第３のナノワイヤは、約４５ｎｍ（例えば４２ｎｍから４８ｎｍ）の半径を有する。
一実施形態において、前記イメージセンサは、前記ピクセルの各々の上にカプラを備え、このカプラは、凸状の表面を有し、衝突してきた可視光の実質的に全てを前記クラッドに集める。
一実施形態において、前記カプラの各々は、下部のピクセルの設置面積と同じ設置面積を有する。本明細書における「設置面積」という語は、ピクセルやカプラ等の構造によっ
て基板上に垂直に投影された面積を意味する。
一実施形態において、前記イメージセンサは、赤外線が前記ピクセルに到達することを妨げる赤外線フィルタをさらに備える。本明細書における「赤外線」という語は、０．７から３００マイクロメータの波長を有する電磁波を意味する。本明細書における「赤外線フィルタ」という語は、可視光を通過させる一方で赤外線を反射又は遮断する装置を意味する。
一実施形態において、前記イメージセンサは赤外線フィルタを備えない。
一実施形態において、前記第１のナノワイヤ及び／又は前記第２のナノワイヤは、その内部に又はその表面にトランジスタを備える。本明細書における「トランジスタ」という語は、電気信号を増幅及び切り替える半導体デバイスを意味する。トランジスタは、半導体材料の固体片から成り、外部回路に接続される少なくとも３つの端子を有する。トランジスタの端子ペアに加えられる電圧又は電流は、他の端子ペアに流れる電流を変化させる。
一実施形態において、前記イメージセンサは、前記フォトダイオードからの電気信号を検知する電子回路をさらに備える。
一実施形態において、イメージセンサの製造方法は、ドライエッチング又はＶＬＳ成長法を行う。前記イメージセンサは、基板及び前記基板上にある一又は複数のピクセルを備え、前記ピクセルの各々は、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備え、当該第１のサブピクセルは、第１の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備え、当該第２のサブピクセルは、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備え、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して、本質的に垂直に延びる。ＶＬＳ成長法は、化学気相成長による、ナノワイヤのような一次元構造の成長法である。固体表面への気相の直接的な吸収を通じて行う結晶成長は一般的に非常に遅いものである。ＶＬＳ成長法は、触媒液体合金相を導入することによって、この点を回避することができる。触媒液体合金相は、ガスを過飽和レベルまで急速に吸収し、その後液相と固相との界面において核となるシードから結晶成長が起こる。この方法によるナノワイヤ成長の物理的性質は、制御可能な方法で、液体合金のサイズ及び物理的特性に依存する。
一実施形態におけるイメージ検出方法は、イメージセンサにイメージを投影する。前記イメージセンサは、基板及び前記基板上にある一又は複数のピクセルを備え、前記ピクセルの各々は、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備え、当該第１のサブピクセルは、第１の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備え、当該第２のサブピクセルは、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光への露出により電気信号を生成するように動作する第１のナノワイヤを備え、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して、本質的に垂直に延び、前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤからの電気信号を検出する。このイメージ検出方法においては、前記電気信号に基づいて当該各ピクセルの色を計算する。
以下、添付した図面を参照して、本発明の様々な実施形態を例示として説明する。図面においては、類似の参照符号は、類似の構成要素を示す。
一実施形態におけるイメージセンサの概略断面図を示す。 図１Ａのイメージセンサの上面図を示す。 図１Ａのイメージセンサのピクセルにおける２つのサブピクセル内の２つのナノワイヤ及び図１Ａのイメージセンサの基板上のフォトダイオードの例示的な吸収スペクトルを示す。 一実施形態におけるイメージセンサの概略断面図を示す。 図２Ａのイメージセンサの上面図を示す。 図２Ａのイメージセンサのピクセルにおける３つのサブピクセル内の３つのナノワイヤ及び図２Ａのイメージセンサの基板上のフォトダイオードの例示的な吸収スペクトルを示す。 図２Ａのイメージセンサのピクセルにおける３つのサブピクセル内の３つのナノワイヤ及び図２Ａのイメージセンサの基板上のフォトダイオードの例示的な吸収スペクトルを示す。 カプラ及び赤外線フィルタの概略図を示す。 イメージセンサ内の３つのサブピクセルの例示的な等色関数及びＣＩＥ標準観測者の等色関数を示す。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成する添付図面を参照する。図面においては、文脈上別に解される場合を除き、類似の記号は一般に類似のコンポーネントを示す。詳細な説明で説明された実施形態、図面、及びクレームは、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本明細書において提示される発明主題の趣旨や範囲を逸脱しない限り、詳細な説明で説明されていない実施形態を適用することも可能であり、詳細な説明で説明されていない変更をなすことも可能である。
人間の目は、中輝度や高輝度の色覚のための光受容体（錐体細胞と呼ばれる）を有しており、短波長のピーク感度（Ｓ、４２０〜４４０ｎｍ）、中波長のピーク感度（Ｍ、５３０〜５４０ｎｍ）、長波長のピーク感度（Ｌ、５６０〜５８０ｎｍ）を有する（桿体細胞と呼ばれ、４９０〜４９５ｎｍにピーク感度を有する単色性の「暗視」受容体も存在する）。このように、原理的には、３つのパラメータで色覚を説明できる。色の三刺激値は、テスト色をマッチさせるために必要な３成分加色モデル（ｔｈｒｅｅ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｃｏｌｏｒ ｍｏｄｅｌ）における３原色の量である。三刺激値は、ＣＩＥ１９３１色空間において、最も頻繁に与えられ、Ｘ、Ｙ、及びＺで示される。
ＣＩＥのＸＹＺ色空間において、三刺激値は、人間の目のＳ、Ｍ、Ｌ応答ではなく、それぞれ概して赤、緑、及び青であるＸ、Ｙ及びＺと呼ばれる三刺激値の組である（Ｘ値、Ｙ値、Ｚ値は、物理的に観測される赤色、緑色、青色ではなく、むしろ、赤色、緑色、青色から「抽出された」パラメータと考えられる）。様々な波長の異なる混合で構成される２つの光源が同じ色に見えることがある。この効果はメタメリズムと呼ばれる。２つの光源は、同じ三刺激値を有するときに、観測者にとって同じく見える色を有する。これは、その三刺激値を生成するためにどのようなスペクトル分布を用いたかによらない。
目の錐体細胞の分布の性質により、三刺激値は、観測者の視野に依存する。この変化を除去するために、ＣＩＥは、標準（測色）観測者を定義している。これは、元々は、２度の視角で視る標準的な人間の光学応答と考えられていた。色を感じ取る錐体は窩の２度の弧の中に存在すると思われていたためである。このようにＣＩＥ１９３１標準観測者は、ＣＩＥ１９３１・２度標準観測者とも呼ばれる。より新しいが用いられることは多くない代替物として、Ｓｔｉｌｅｓ及びＢｕｒｃｈ並びにＳｐｅｒａｎｓｋａｙａの測定結果から得られたＣＩＥ１９６４標準観測者がある。
上述のように、等色関数は、光学応答の数学的記述である。
ＣＩＥは、以下の３つの等色関数を定義している。
これらは、ＣＩＥ・ＸＹＺ三刺激値Ｘ、Ｙ、及びＺを生成する線形の光検出器の分光感度曲線と考えることができる。これらの関数は、全体として、ＣＩＥ標準観測者として知られている。光の三刺激値は、分光分布Ｉ（λ）を用いて、標準観測者について以下の式で表される。
ここで、λは、等価な単色光の波長（ナノメータで測定）である。
実施例
図１Ａは、一実施形態におけるイメージセンサの概略的な部分断面図を示す。イメージセンサ１００は、基板１１０及び一又は複数のピクセル１５０を備える。少なくとも１つのピクセル１５０は、クラッド１４０及び当該クラッド１４０に埋め込まれた複数のサブピクセルを備える。図１Ａにおいては、サブピクセル１５１及び１５２を例示している。サブピクセルの各々は、基板１１０から本質的に垂直に延びるナノワイヤ（例えば、サブ
ピクセル１５１内のナノワイヤ１５１ａ、及びサブピクセル１５２内のナノワイヤ１５２ａ）を備える。ピクセル間の空間は、好ましくは、物質１６０によって満たされている。各ピクセル１５０は、基板１１０とナノワイヤ１５１ａ及び１５２ａとの間に、一又は複数のフォトダイオード１２０をさらに備えていてもよい。
基板１１０は、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ化物、硫化鉛、及び／又はこれらの混合物等の任意の好適な物質を含む。
フォトダイオード１２０は、任意の好適なフォトダイオードであってもよい。フォトダイオード１２０は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合及び任意の好適な回路を有することができる。フォトダイオード１２０は、好ましくは、クラッド１４０の設置面積を完全に含む設置面積を有する。
クラッド１４０は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、及び／又はこれらの組み合わせ等の任意の好適な物質を含むことができる。クラッド１４０は、好ましくは、可視光に対して実質的に透明であり、少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％の透過率を有する。一例において、クラッド１４０は、約３００ｎｍの直径を有する円柱形状を有する窒化シリコンである。
物質１６０は、二酸化ケイ素等の任意の好適な物質を含む。物質１６０の屈折率は、好ましくは、クラッド１４０の屈折率よりも小さい。
サブピクセル（例えば１５１及び１５２）中のナノワイヤ（例えば１５１ａ及び１５２ａ）は、クラッド１４０の屈折率と同じかそれよりも大きい屈折率を有する。ナノワイヤ及びフォトダイオード１２０は、異なる吸収スペクトルを有する。例えば、ナノワイヤ１５１ａは、図１Ｃの例示的な吸収スペクトル１８１に示されているように、青色の波長において強い吸収率を有し、ナノワイヤ１５２ａは、図１Ｃの例示的な吸収スペクトル１８１に示されているように、緑色の波長において強い吸収率を有し、フォトダイオード１２０は、図１Ｃの例示的な吸収スペクトル１８１に示されているように、赤色の波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤは、様々な直径及び／又は材料を有する。１つのピクセル１５０における各ナノワイヤは、同じピクセルの隣接するナノワイヤまで、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、好ましくは少なくとも２００ｎｍだけ離れている。ナノワイヤは、クラッド内の任意の位置に配置することができる。サブピクセル（例えば１５１及び１５２）中のナノワイヤ（例えば１５１ａ及び１５２ａ）は、光を受光すると電気信号を生成するように動作する。ナノワイヤの１つの例は、内部にｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有するフォトダイオードである。その詳細は、米国特許出願第１２／５７５，２２１号及び第１２／６３３，３０５号に記載されている。これらの出願の開示内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。電気信号には、電圧、電流、電気伝導度又は電気抵抗、及び／又はこれらの変化を含むことができる。ナノワイヤは、表面不動態化層を備えていてもよい。
イメージセンサ１００に衝突する実質的に全ての可視光（例えば、５０％超、７０％超、又は９０％超）は、サブピクセル（例えば１５１及び１５２）及びフォトダイオード１２０によって吸収される。サブピクセル及びフォトダイオードは、異なる波長の光を吸収する。
イメージセンサ１００は、サブピクセル及びフォトダイオード１２０からの電気信号を検出するように動作する電子回路１９０をさらに備えていてもよい。
１つの具体例において、各ピクセル１５０は、２つのサブピクセル１５１及び１５２を備える。各サブピクセル１５１及び１５２はそれぞれ、１つのナノワイヤ１５１ａ及び１５２ａのみを有する。ナノワイヤ１５１ａはケイ素を含み、約２５ｎｍの半径を有し、青色の波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ１５２ａはケイ素を含み、約４０ｎｍの半径を有し、シアンの波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ１５１ａ及び１５２ａは、約２００ｎｍ離れているが、同じクラッド１４０に埋め込まれている。ピクセル１５０の各々は、一実施形態においては、２つ以上のサブピクセルを有していてもよい。これらのナノワイヤは、水銀カドミウムテルル等の他の好適な物質を含んでもよい。
これらのナノワイヤは、１０ｎｍから２５０ｎｍの間の他の好適な半径を有していてもよい。
図１Ｂは、図１Ａのイメージセンサの概略的な部分上面図を示す。例示的な図１Ｂに示すように、ピクセル１５０は、異なる向きを有し、入射光の方向の影響を減少させ又は除去する。
一実施形態において、イメージセンサ１００の各ピクセル１５０のサブピクセル１５１及び１５２並びにフォトダイオード１２０は、ＣＩＥ１９３１・２度視野標準観測者又はＣＩＥ１９６４・１０度視野標準観測者の等色関数と実質的に同じ等色関数を有する。
図２Ａは、一実施形態におけるイメージセンサの概略的な部分断面図を示す。イメージセンサ２００は、基板２１０及び一又は複数のピクセル２５０を備える。基板２１０は、好ましくは、フォトダイオードを備えていない。少なくとも１つのピクセル２５０は、クラッド２４０及び当該クラッド２４０に埋め込まれた複数のサブピクセルを備える。図２Ａには、サブピクセル２５１、２５２及び２５３を例示している。サブピクセルの各々は、基板２１０から本質的に垂直に延びるナノワイヤ（例えば、サブピクセル２５１内のナノワイヤ２５１ａ、サブピクセル２５２内のナノワイヤ２５２ａ、及びサブピクセル２５３内のナノワイヤ２５３ａ）を備える。ピクセル２５０間の空間は、好ましくは、物質２６０によって満たされている。
基板２１０は、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ化物、硫化鉛、及び／又はこれらの混合物等の任意の好適な物質を含む。
クラッド２４０は、窒化ケイ素、酸化ケイ素等の任意の好適な物質を含み、好ましくは、可視光に対して実質的に透明であり、少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、より好ましくは少なくとも９０％の透過率を有する。一例において、クラッド２４０は、約３００ｎｍの直径を有する円柱形状を有する窒化シリコンである。
物質２６０は、二酸化ケイ素等の任意の好適な物質を含む。物質２６０の屈折率は、好ましくは、クラッド２４０の屈折率よりも小さい。
サブピクセル（例えば２５１、２５２及び２５３）中のナノワイヤ（例えば２５１ａ、２５２ａ及び２５３ａ）は、クラッド２４０の屈折率と同じかそれよりも大きい屈折率を有する。ナノワイヤ及び基板１２０は、異なる吸収スペクトルを有する。例えば、ナノワイヤ２５１ａは、図２Ｃの例示的な吸収スペクトル２８１に示されているように、青色の波長において強い吸収率を有し、ナノワイヤ２５２ａは、図２Ｃの例示的な吸収スペクトル２８２に示されているように、緑色の波長において強い吸収率を有し、ナノワイヤ２５３ａは、図２Ｃの例示的な吸収スペクトル２８３に示されているように、可視光スペクトル全体にわたって強い吸収率を有し、基板２１０は、図２Ｃの例示的な吸収スペクトル２８０に示されているように、赤色の波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤは、様
々な直径及び／又は材料を有する。１つのピクセル２５０における各ナノワイヤは、同じピクセルの隣接するナノワイヤまで、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、好ましくは少なくとも２００ｎｍだけ離れている。クラッド２４０内のナノワイヤは、クラッド２４０内の任意の位置に配置することができる。ナノワイヤは、表面不動態化層を備えていてもよい。これらのナノワイヤは、水銀カドミウムテルル等の他の好適な物質を含んでもよい。これらのナノワイヤは、１０ｎｍから２５０ｎｍの間の他の好適な半径を有していてもよい。
サブピクセル（例えば２５１、２５２及び２５３）中のナノワイヤ（例えば２５１ａ、２５２ａ及び２５３ａ）は、光を受光すると電気信号を生成するように動作する。ナノワイヤの１つの例は、内部にｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有するフォトダイオードである。その詳細は、米国特許出願第１２／５７５，２２１号及び第１２／６３３，３０５号に記載されている。これらの出願の開示内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。電気信号には、電圧、電流、電気伝導度又は電気抵抗、及び／又はこれらの変化を含むことができる。
イメージセンサ２００に衝突する可視光は、実質的に全て、サブピクセル（例えば２５１、２５２、及び２５３）によって吸収される。これらのサブピクセルは、異なる波長の光を吸収する。
イメージセンサ２００は、サブピクセルからの電気信号を検出するように動作する電子回路２９０をさらに備えていてもよい。
１つの具体例において、各ピクセル２５０は、３つのサブピクセル２５１、２５２及び２５３を備える。
各サブピクセル２５１、２５２及び２５３はそれぞれ、１つのナノワイヤ２５１ａ、２５２ａ、及び２５３ａのみを有する。ナノワイヤ２５１ａはケイ素を含み、約２５ｎｍの半径を有し、青色の波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５２ａはケイ素を含み、約４０ｎｍの半径を有し、シアンの波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５３ａはケイ素を含み、約４５ｎｍの半径を有し、可視光の全波長にわたって強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５１ａ、２５２ａ、及び２５３ａは、約２００ｎｍ離れているが、同じクラッド２４０に埋め込まれている。クラッド１４０は、約４００ｎｍの直径を有する円柱形状である。ピクセル２５０の各々は、一実施形態においては、３つ以上のサブピクセルを有していてもよい。
１つの具体例において、各ピクセル２５０は、４つのサブピクセル２５１、２５２、２５３及び２５４を備える。各サブピクセル２５１、２５２、２５３及び２５４はそれぞれ、１つのナノワイヤ２５１ａ、２５２ａ、２５３ａ、２５４ａのみを有する。ナノワイヤ２５１ａはケイ素を含み、約２５ｎｍの半径を有し、青色の波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５２ａはケイ素を含み、約４０ｎｍの半径を有し、シアンの波長において強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５３ａはケイ素を含み、約４５ｎｍの半径を有し、可視光の全波長にわたって強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５４ａはケイ素を含み、約３５ｎｍの半径を有し、青緑色の波長（例えば４００ｎｍから５５０ｎｍ）において強い吸収率を有する。ナノワイヤ２５１ａ、２５２ａ、２５３ａ、及び２５４ａは、約２００ｎｍ離れているが、同じクラッド２４０に埋め込まれている。クラッド１４０は、約４００ｎｍの直径を有する円柱形状である。図２Ｄは、ナノワイヤ２５１ａ、２５２ａ、２５３ａ、及び２５４ａの例示的な吸収スペクトル２９１、２９２、２９３、及び２９４をそれぞれ示す。
図２Ｂは、イメージセンサ２００の概略的な部分上面図を示す。例示的な図２Ｂに示す
ように、ピクセル２５０は、異なる向きを有し、入射光の方向の影響を減少させ又は除去する。
一実施形態において、図３に示すように、イメージセンサ１００又は２００は、各ピクセル１５０又は２５０の上に、カプラ３５０をさらに備える。カプラ３５０の各々は、好ましくは、下方のピクセルと実質的に同じ設置面積を有し、凸状の表面を有する。カプラ３５０は、衝突してくる可視光の実質的に全てをクラッド１４０又は２４０に集めることができる。
一実施形態において、図３に示すように、イメージセンサ１００又は２００は、赤外線フィルタ３６０をさらに備える。この赤外線フィルタ３６０は、赤外線、例えば波長が６５０ｎｍ以上ある光がピクセルに到達しないようにする。一実施形態においては、イメージセンサ１００又は２００は赤外線フィルタを備えない。
一実施形態において、ナノワイヤは、ドライエッチング処理又は蒸気−液体−固体（ＶＬＳ）成長法によって作られる。
本発明の範囲から逸脱せずに、他の物質や製造技術を用いてナノワイヤを製造することができるのは当然である。
例えば、インジウムヒ化物（ＩｎＡｓ）や関連物質から製造されるナノワイヤは、ＩＲ用途として用いられる。
このナノワイヤは、紫外線（ＬＴＶ）スペクトルや赤外線（ＩＲ）スペクトル等の可視光以外の波長において強い吸収率を有するように作ることもできる。一実施形態において、各ナノワイヤは、その内部又は表面にトランジスタを備える。
一実施形態において、イメージセンサ２００の各ピクセル２５０のサブピクセル２５１、２５２、及び２５３は、ＣＩＥ１９３１・２度視野標準観測者又はＣＩＥ１９６４・１０度視野標準観測者の等色関数と実質的に同じ等色関数を有する。図４は、サブピクセル２５１、２５２、及び２５３の例示的な等色関数４５１、４５２、及び４５３をそれぞれ示す。等色関数４６１、４６２、及び４６３は、以下の式のとおりである。
イメージセンサ１００又は２００は、イメージを検出し取得するために用いられ得る。
イメージを検出する方法は、レンズや鏡等の任意の好適な光学系を用いて当該イメージをセンサ１００又は２００に投影すること、好適な回路を用いて各ピクセル内の各サブピクセルにおけるナノワイヤからの電気信号を検知すること、各ピクセル内の当該サブピクセルからの電気信号に基づいて当該各ピクセルの色を計算すること、を含む。
上記の詳細な説明によって、図、フローチャート、及び／又は実施例を使用することによって、デバイスや工程の様々な実施形態を説明した。かかる図、フローチャート、及び／又は実施例が一又は複数の機能や動作を含む場合、かかる図、フローチャート、及び／又は実施例に含まれる各機能や動作は、様々なハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの実質的に任意の組み合わせによって、個別に及び／又は共同して、実現され得る。
当業者であれば、本明細書において説明された方法でデバイスや工程を説明すること、そして、エンジニアリングの慣用手法により、そのようにして説明されたデバイスや工程をデータ処理システムに組み込むことが、当該技術分野において一般的であることを理解するであろう。つまり、本明細書において説明されたデバイスや工程の少なくとも一部は、合理的な量の実験によって、データ処理システムに統合できる。
本明細書における発明主題は、他の構成要素内にある、又は、他の構成要素と結合された、異なる構成要素を説明することがある。説明された構造は例示に過ぎず、同じ機能を実現するために他の多くの構造を用いることもできる。概念的な意味においては、同じ機能を実現するための構成要素の任意の構成は、その所望の機能が実現されるように、効果的に「関連付けられ（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ）」る。したがって、本明細書において特定の機能を実現するために組合わされた２つの構成要素は、構成や介在する構成要素とは関係なく、その所望の機能が実現されるように互い「に関連付けられ（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ）」ていると理解できる。本明細書における実質的に任意の複数形や単数形の語の使用について、当業者であれば、文脈上又は本出願に適切な場合、単数形を複数形に置き換え、複数形を単数形に置き換えることができる。本明細書においては、明確さのために、様々な単数形と複数形との置換を明示的に説明する場合がある。
全ての引用文献（特許、特許出願、及び非特許文献を含むがこれらには限られない）は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
本明細書においては、様々な態様や実施形態が開示されているが、当業者にはそれ以外の態様や実施形態も明らかであろう。本明細書に開示された様々な態様や実施形態は、説明のためのものに過ぎず、特許請求の範囲に示される本発明の範囲や趣旨を限定することを意図するものではない。

Claims (20)

  1. 基板及びその上にある一又は複数のピクセルを備え、前記ピクセルの各々は、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備え、当該第１のサブピクセルは、第１のナノワイヤを備え、当該第２のサブピクセルは、第２のナノワイヤを備え、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して本質的に垂直に延び、前記ピクセルの各々は、一又は複数のフォトダイオードをさらに備える、イメージセンサ。
  2. 前記基板は、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ゲルマニウム、インジウムガリウムヒ化物、硫化鉛、及び／又はこれらの混合物を含む、請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記イメージセンサの少なくとも１つのピクセルはクラッドを備え、前記第１のサブピクセル及び前記第２のサブピクセルが当該クラッドに埋め込まれる、請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記クラッドは可視光に対して実質的に透明である、請求項３に記載のイメージセンサ。
  5. 前記イメージセンサは、前記ピクセルの各々の上にカプラを備え、当該カプラは、凸状の表面を有し、衝突してきた可視光の実質的に全てを前記クラッドに集める、請求項３に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤは、異なる吸収スペクトルを有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
  7. 前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤの各々は、ｐｎ接合又はｐｉｎ接合を有する請求項１に記載のイメージセンサ。
  8. 衝突してくる可視光の少なくとも５０％を吸収するように動作する、請求項１に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第１及び第２のナノワイヤによって生成された電気信号を検知するように動作する電子回路をさらに備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
  10. 前記ピクセルは異なる方向を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
  11. ドライエッチング又はＶＬＳ成長法を行うイメージセンサの製造方法であって、前記イメージセンサは、基板及び前記基板上にある一又は複数のピクセルを備え、前記ピクセルの各々は、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備え、当該第１のサブピクセルは、第１のナノワイヤを備え、当該第２のサブピクセルは、第２のナノワイヤを備え、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して、本質的に垂直に延び、前記ピクセルの各々は、一又は複数のフォトダイオードをさらに備える、
    イメージセンサの製造方法。
  12. 前記ピクセルの各々は、第３のサブピクセルを有し、当該第３のサブピクセルは、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長への露出により電気信号を生成するように動作する第３のナノワイヤを備え、当該第３のナノワイヤは前記基板から本質的に垂直に延びている、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ピクセルの各々は、第４のサブピクセルを有し、当該第４のサブピクセルは、前記第１、第２及び第３の波長とは異なる第４の波長への露出により電気信号を生成するように動作する第４のナノワイヤを備え、当該第４のナノワイヤは前記基板から本質的に垂直に延びている、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記フォトダイオードは、前記第１及び第２のナノワイヤの吸収スペクトルとは異なる吸収スペクトルを有する、請求項１１に記載の方法。
  15. 赤外線が前記ピクセルに到達しないように動作する赤外線フィルタをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
  16. イメージセンサにイメージを投影し、前記イメージセンサは、基板及び前記基板上にある一又は複数のピクセルを備え、前記ピクセルの各々は、第１のサブピクセル及び第２のサブピクセルを備え、当該第１のサブピクセルは、第１のナノワイヤを備え、当該第２のサブピクセルは、第２のナノワイヤを備え、前記第１及び第２のナノワイヤは、前記基板に対して、本質的に垂直に延び、前記ピクセルの各々は、一又は複数のフォトダイオードをさらに備えており、
    前記第１のナノワイヤ及び前記第２のナノワイヤからの電気信号を検出し、前記電気信号に基づいて当該各ピクセルの色を計算する、
    イメージ検出方法。
  17. 前記第１のナノワイヤ及び／又は前記第２のナノワイヤは、その内部に又はその表面にトランジスタを備える、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記第１及び第２のナノワイヤは赤外光（ＩＲ）を吸収するように構成される、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記一又は複数のピクセルのうちの異なるピクセルが、空間的に隔離されたクラッドを備える、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記一又は複数のフォトダイオードが、前記基板と前記第１及び第２のナノワイヤの間に配置される、請求項１６に記載の方法。
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