JP2015152739A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる固体撮像素子の提供を目的とする。
【解決手段】 固体撮像素子１００内の周辺領域１００ａに配置された測距画素１１０ａにおいて、マイクロレンズ１０１は、その中心軸１が測距画素１１０ａの中心軸２に対して偏心して配置され、複数の光電変換部は、第１の光電変換部１２３と第２の光電変換部１２２とを有し、第１の光電変換部１２３は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を第１の光電変換部１２３の中心と第２の光電変換部１２２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向（射影偏心方向）とは反対方向に配置され、第２の光電変換部１２２は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に配置され、第１の光電変換部１２３の断面積は、第２の光電変換部１２２の断面積よりも大きくなっている。
【選択図】 図２
【解決手段】 固体撮像素子１００内の周辺領域１００ａに配置された測距画素１１０ａにおいて、マイクロレンズ１０１は、その中心軸１が測距画素１１０ａの中心軸２に対して偏心して配置され、複数の光電変換部は、第１の光電変換部１２３と第２の光電変換部１２２とを有し、第１の光電変換部１２３は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を第１の光電変換部１２３の中心と第２の光電変換部１２２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向（射影偏心方向）とは反対方向に配置され、第２の光電変換部１２２は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に配置され、第１の光電変換部１２３の断面積は、第２の光電変換部１２２の断面積よりも大きくなっている。
【選択図】 図２
Description
本発明は、固体撮像素子及びそれを用いた撮像装置に関する。
近年、デジタルカメラの小型化の観点から、バックフォーカスの短いカメラレンズに対応するような固体撮像素子が求められている。また、デジタルカメラのダイナミックレンジ拡大化の観点から、小型のデジタルカメラにおいても、サイズの大きい固体撮像素子を用いることが求められている。このような要求を満たすデジタルカメラでは、固体撮像素子の周辺領域の画素に対して光束が大きく傾いた角度で入射するため、光束が画素の光電変換部からずれた位置に入射するため、光束の利用効率が下がり、周辺領域の画素の感度が低下する。
この課題に対し、特許文献１では、画素表面に設けたマイクロレンズを固体撮像素子の中央方向に偏心させ、画素に対して傾いた角度で入射する光束を効率良く検出することができる固体撮像素子が開示されている。
一方、デジタルカメラにおいて、焦点検出技術が知られている。この技術に関し、特許文献２では、固体撮像素子の一部の画素に位相差方式によって焦点検出するための構成を持たせた固体撮像素子が開示されている。位相差方式とは、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光の像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて焦点から被写体までの距離を検出する方法である。特許文献２では、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光束を、マイクロレンズを用いて異なる層間膜上に結合させた後、層間膜中に設けられた間隙によって分割して異なる光電変換部に導き、光電変換部からの電気信号を基に距離を測定している。
特許文献２のような固体撮像素子に対しても、バックフォーカスを短くしたりダイナミックレンジを拡大したりするためには、周辺領域の画素感度の低下と言う課題が発生する。この課題に対応するために、特許文献１に開示されているような、マイクロレンズを固体撮像素子の中心方向に偏心する手法を適用することが考えられる。
しかし、単に特許文献２に特許文献１を適用した場合、以下のような課題が発生する。すなわち、マイクロレンズが偏心している場合、異なる導波路に入射する主光線の角度の大きさが異なるため、画素に入射した光束の、複数の導波路に対する結合効率が異なる。そのため、画素中の異なる導波路に対応する光電変換部の感度に差異が生じ、位相差方式による測距精度が悪化してしまう。
本発明は、上記課題に鑑み、固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる固体撮像素子の提供を目的とする。
本発明は、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、前記複数の光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、前記第１の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の光電変換部の中心と前記第２の光電変換部の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、前記第２の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、前記第１の光電変換部の断面積は、前記第２の光電変換部の断面積よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明は、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、前記複数の光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、前記第１の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の光電変換部の中心と前記第２の光電変換部の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、前記第２の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、前記第１の光電変換部に蓄えられるキャリアに対して引力となるバイアスを印加する第１の電極、及び、前記キャリアに対して斥力となるバイアスを印加する第２の電極のうち、少なくとも一方の電極を有することを特徴とする。
本発明によれば、固体撮像素子にある周辺領域においても、高精度な測距を行うことができる。
以下、図を用いて、本発明の実施形態における固体撮像素子について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態に示す固体撮像素子１００内の測距画素の配置を示した図である。測距画素１１０ａは、固体撮像素子１００中の−Ｘ方向の周辺領域１００ａに配置された測距画素である。一方、測距画素１１０ｂは、固体撮像素子１００中の＋Ｘ方向の周辺領域１００ｂに配置された測距画素である。なお、１１０ａ、１１０ｂの符号が付けられていない画素は、測距画素であってもよいし、通常の撮像画素であってもよい。測距画素、撮像画素については後述する。また、図１において、Ｘ方向は固体撮像素子１００の長手方向であり、Ｙ方向は固体撮像素子１００の短手方向である。そして、Ｚ方向は、Ｘ方向とＹ方向に垂直な方向である。
図１は、本実施形態に示す固体撮像素子１００内の測距画素の配置を示した図である。測距画素１１０ａは、固体撮像素子１００中の−Ｘ方向の周辺領域１００ａに配置された測距画素である。一方、測距画素１１０ｂは、固体撮像素子１００中の＋Ｘ方向の周辺領域１００ｂに配置された測距画素である。なお、１１０ａ、１１０ｂの符号が付けられていない画素は、測距画素であってもよいし、通常の撮像画素であってもよい。測距画素、撮像画素については後述する。また、図１において、Ｘ方向は固体撮像素子１００の長手方向であり、Ｙ方向は固体撮像素子１００の短手方向である。そして、Ｚ方向は、Ｘ方向とＹ方向に垂直な方向である。
図２は、一点破線で囲んだ、図１の固体撮像素子の周辺領域１００ａに配置された３つの測距画素１１０ａの構成を示した図である。図２（ａ）は、３つ分の測距画素１１０ａのＸＺ断面模式図である。測距画素１１０ａは、光の入射側より、マイクロレンズ１０１と、複数の導波路１０２、１０３と、基板１２１内に形成された複数の光電変換部１２２、１２３と、を有している。図２（ｂ）は、図１のＸＹ面内における測距画素１１０ａ３つ分の平面模式図である。導波路１０３、１０２は、＋Ｘ方向にこの順で配列されて配置されている。また、光電変換部１２３、１２２も同様に、＋Ｘ方向にこの順で配列されて配置されている。
マイクロレンズ１０１は、不図示の結像光学系の射出瞳の異なる領域の光束をそれぞれ導波路１０２、１０３に選択的に導いている。各導波路１０２、１０３に入射した光束は、各導波路１０２、１０３それぞれに対応した光電変換部１２２、１２３に導かれ、電気信号に変換される。電気信号は、測距画素を囲む配線１０８によって信号処理部（不図示）に送られる。そして、光電変換部１２２で変換された電気信号から取得した像と光電変換部１２３で変換された電気信号から取得した像の位置ずれ量を求めることで、三角測量の原理から被写体までの距離を算出することができる。
図２（ａ）、（ｂ）で示すように、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１は、その中心軸１が測距画素１１０ａの中心軸２に対して偏心して配置されている。具体的には、マイクロレンズ１０１の中心軸１が、測距画素１１０ａの中心軸２に対して＋Ｘ方向にずれている。ここで、マイクロレンズの中心軸とは、マイクロレンズの光軸のことである。また、測距画素の中心軸とは、測距画素の中心を通る、Ｚ軸に平行な軸のことをいう。測距画素の中心とは、光電変換部で変換した電気信号を信号処理部に送る配線を基板の表面のＸＹ断面に射影し、その射影した部分で囲まれてかつ、光電変換部のＸＹ断面を含む領域の重心をいう。また、以下では、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して偏心した方向をマイクロレンズの偏心方向という。なお、固体撮像素子１００の周辺領域１００ａの測距画素１１０ａにおいて、マイクロレンズ１０１が偏心しているのは、特許文献１と同じ理由である。
光電変換部１２３は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を光電変換部１２３の中心と光電変換部１２２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置されている。一方、光電変換部１２２は、測距画素１１０ａの中心軸２に対して、マイクロレンズ１０１の偏心方向を光電変換部１２３の中心と光電変換部１２２の中心とを結ぶ直線上に射影した方向と同じ方向に配置されている。ここで、光電変換部の中心とは、光電変換部の導波路側に位置する端面のＸＹ断面における領域の重心をいう。また、以下では、マイクロレンズの偏心方向を２つの光電変換部の中心同士を結ぶ直線上に射影した方向をマイクロレンズの射影偏心方向という。なお、図２（ａ）の軸３、４はそれぞれ、Ｚ軸に平行な光電変換部１２３の中心を通る軸、光電変換部１２２の中心を通る軸である。
本実施形態においては、光電変換部１２２の断面積よりも、光電変換部１２３の断面積の方が大きい構成になっている。より具体的には、マイクロレンズ１０１の偏心した偏心方向（＋Ｘ方向）における光電変換部の幅において、光電変換部１２２の幅よりも光電変換部１２３の幅の方が大きい構成となっている。また、マイクロレンズ１０１の偏心方向と直交する方向（Ｙ方向）の光電変換部の幅においては、光電変換部１２２の幅と光電変換部１２３の幅とは同じである。
ここで、光電変換部の断面積は、ＸＹ断面における導波路側に位置する端面における断面積をいう。また、光電変換部の幅とは、導波路側に位置する端面のＸＹ断面における光電変換部の幅のことをいう。
なお、図示しないが、測距画素１１０ａと同様に、測距画素１１０ｂにおいては、マイクロレンズは、その中心軸が測距画素１１０ｂの中心軸に対して偏心して配置されている。具体的には、測距画素１１０ｂのマイクロレンズは、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１とは反対に、その中心軸が測距画素１１０ｂの中心軸に対して−Ｘ方向にずれている。また、測距画素１１０ｂにおいても、測距画素１１０ｂの中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置された光電変換部の断面積の方が、射影偏心方向と同じ方向に配置された光電変換部の断面積よりも大きい構成になっている。
このような測距画素１１０ａ、１１０ｂの構成とすることで、固体撮像素子１００の周辺領域１００ａ、１００ｂにおいても、高精度な測距を行うことができる。以下でその理由について、複数の光電変換部の断面積が等しい場合と比較して説明を行う。
図１１（ａ）は、比較例の測距画素１０１０の模式図を示している。測距画素１０１０は、光入射側より、マイクロレンズ１００１と、複数の導波路１００２、１００３と、複数の光電変換部１０２２、１０２３と、を有している。具体的には、マイクロレンズ１００１の中心軸が、測距画素１０１０の中心軸に対して＋Ｘ方向にずれている。光電変換部１０２３は、測距画素１１０ａの中心軸に対して、マイクロレンズ１００１の射影偏心方向とは反対方向に配置されている。一方、光電変換部１０２２は、測距画素１１０ａの中心軸に対して、マイクロレンズ１００１の射影偏心方向と同じ方向に配置されている。ただし、上述した測距画素１１０ａとは異なり、光電変換部１０２２と光電変換部１０２３の断面積が等しくなっている。なお、図１１（ａ）の矢印は、光束の伝搬の様子を示している。これについては後述する。
図１１（ｂ）に、測距画素１０１０の感度特性を示した。図１１（ｂ）からわかるように、光電変換部１０２３の感度の最大値が、光電変換部１０２２の感度の最大値よりも小さい。その結果、光電変換部１０２２で取得した電気信号と、光電変換部１０２３で取得した電気信号の強度に差が生じてしまう。電気信号間に強度差がある場合、像の位置ずれ量の読み取り誤差が大きくなり、測距精度が低下してしまう。
次に、光電変換部１０２３の感度が、光電変換部１０２２の感度よりも低い原因について説明を行う。図１１（ａ）に、測距画素１０１０に対してマイクロレンズ１００１が偏心している場合の、光束（矢印）の伝搬の様子を示した。図１１（ａ）で示すように、マイクロレンズ１００１に入射する光束の一部がマイクロレンズ１００１の偏心方向（＋Ｘ方向）と反対方向（−Ｘ方向）に位置する導波路１００３に入射する光束１０３３となる。また、マイクロレンズ１００１に入射する光の別の一部がマイクロレンズ１００１の偏心方向と同じ方向（＋Ｘ方向）に位置する導波路１００２に入射する光束１０３２となる。そして、導波路１００３に入射する際の光束１０３３の入射角が、導波路１００２に入射する際の光束１０３２の入射角よりも大きくなっている。
一般に、導波路に入射する光束の入射角が大きいほど、導波路の低次の導波モードよりも導波路の高次の導波モードと結合しやすくなり、導波路から射出された光束は広がりやすくなる。従って、導波路１００３から射出された光束１０３３は、導波路１００２から射出された光束１０３２よりも広がって射出される。そのため、光電変換部１０２３に入射する光の割合が小さくなる。このため、光束１０３２の光電変換部１０２２への入射効率よりも、光束１０３３の光電変換部１０２３への入射効率が低くなる。その結果、光電変換部１０２３の感度が光電変換部１０２２の感度よりも低くなる。
このように、固体撮像素子１００の周辺領域１００ａの測距画素１０１０では、マイクロレンズ１００１を偏心したことにより、光束１０３２の光電変換部１０２２への入射効率と光束１０３３の光電変換部１０２３への入射効率とに差が生じる。その結果、光電変換部１０２２、１０２３の間で感度の差が生じ、周辺領域において測距精度の低下を招いてしまう。
これに対して、本実施形態の固体撮像素子１００の周辺領域１００ａに配置されている測距画素１１０ａは、上述したように図２で示す構成を採っている。具体的には、射出角が相対的に大きい光束を射出する導波路１０３に対応する光電変換部１２３の断面積を、射出角が相対的に小さい光束を射出する導波路１０２に対応する光電変換部１２２の断面積よりも大きくしている。このため、導波路１０３から光束が広がって射出されても、光電変換部１２３の断面積が相対的に大きくなっているため、広がって射出された光束を、効率よく受光することができる。
図３は、本実施形態に示す測距画素１１０ａの感度特性を示している。なお、図３（ａ）には比較のために、図１１（ｂ）の測距画素１０１０の感度特性も示している。実線は、測距画素１１０ａの光電変換部１２２の感度特性を表している。破線は、測距画素１１０ａの光電変換部１２３の感度特性を表している。一点破線は、測距画素１０１０の光電変換部１０２２の感度特性を表している。二点破線は、測距画素１０１０の光電変換部１０２３の感度特性を表している。
図３で示すように、測距画素１０１０の光電変換部１０２２、１０２３の最大感度の差に対し、測距画素１１０の光電変換部１２２、１２３の最大感度の差が低減している。その結果、光電変換部１２２で取得した電気信号と、光電変換部１２３で取得した電気信号の強度差が低減され、像の位置ずれ量の読み取り精度が上昇するため、測距精度を向上させることができる。
導波路１０２は、コア１０４とクラッド１０６で構成されており、マイクロレンズ１０１から入射した光の一部を、主にコア１０４内を伝搬させて光電変換部１２２まで導いている。一方、各導波路１０３は、コア１０５とクラッド１０７で構成されており、マイクロレンズ１０１から入射した光の一部を、主にコア１０５内を伝搬させて、光電変換部１２３まで導いている。
導波路１０２、１０３を構成する、コア１０４、１０５およびクラッド１０６、１０７は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、ＢＰＳＧなどの無機物、ポリマーや樹脂等の有機物を使用することができる。ただし、コア１０４の屈折率がクラッド１０６の屈折率よりも大きく、コア１０５の屈折率がクラッド１０７よりも大きくなるように、材料の組み合わせは選択される。ここで、屈折率の比較は、測距画素に入射する光の波長（例えば、デジタルカメラ用の固体撮像素子の緑画素では５３０ｎｍ）における屈折率で比較を行う。また、クラッド１０６、１０７内には、光電変換部１２２、１２３で発生した電荷を信号処理回路に転送するための配線１０８が設けられている。
光電変換部１２２、１２３は、検出する波長帯域で吸収を有するシリコンなどの材料で形成された基板１２１に、イオン打ち込みなどでポテンシャル分布を形成することによって形成される。そして、光電変換部１２２、１２３は光を電荷に変換する機能を有する。また、導波路１０２、１０３と光電変換部１２２、１２３の間には入射光の反射防止と光電変換部の汚染防止のためのゲッタリング層１０９が形成されている。
マイクロレンズ１０１は、検出する波長帯域で透明な酸化シリコンや有機物などの材料で形成されており、光電変換部１２２、１２３にまたがって配置されている。測距画素１１０とマイクロレンズ１０１とは１対１で対応している。つまり、マイクロレンズ１０１の焦点位置が測距画素１１０の導波路１０２、１０３内に位置するように構成されている。この条件を満たせば、マイクロレンズ１０１の一部は隣の画素の上にも配置されていてもよい。マイクロレンズ１０１と導波路１０２、１０３の間には、下地層１３０が形成されている。下地層１３０はカラーフィルタを有していてもよい。
＜変形例＞
図２では、光電変換部１２２の断面積と光電変換部１２３の断面積とを変えるために、各光電変換部のＸ方向の幅を変えていた。この他に、図４（ａ）のように各光電変換部のＹ方向の幅を変えてもよいし、図４（ｂ）のように各光電変換部Ｘ方向の幅とＹ方向の幅の両方を変えてもよい。ただし、配線レイアウトの対称性の観点から、導波路の並置方向（図２の場合は、Ｘ方向）の幅のみを変えることが好ましい。光電変換部１２２、１２３の平面視形状は、図２（ａ）、図４（ａ）、（ｂ）に示すような矩形等の多角形でもよいし、円や楕円等でもよい。
図２では、光電変換部１２２の断面積と光電変換部１２３の断面積とを変えるために、各光電変換部のＸ方向の幅を変えていた。この他に、図４（ａ）のように各光電変換部のＹ方向の幅を変えてもよいし、図４（ｂ）のように各光電変換部Ｘ方向の幅とＹ方向の幅の両方を変えてもよい。ただし、配線レイアウトの対称性の観点から、導波路の並置方向（図２の場合は、Ｘ方向）の幅のみを変えることが好ましい。光電変換部１２２、１２３の平面視形状は、図２（ａ）、図４（ａ）、（ｂ）に示すような矩形等の多角形でもよいし、円や楕円等でもよい。
固体撮像素子１００の中心（重心位置）から離れる画素ほど、画素に入射する主光線の入射角が大きい。特に、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域では入射角が大きい。それに伴い、この領域では、同一の測距画素内の異なる導波路に入射する入射角の差も大きくなり、導波路から射出される光束の広がりの差も大きくなるため、光束の光電変換部への入射効率の差が大きくなり、上述した課題が大きくなる。そのため、本実施形態では、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域を周辺領域１００ａ、１００ｂとし、この領域にある測距画素を上記構成の測距画素とする。さらに、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．３倍以上離れた領域にある測距画素が上記構成の測距画素とすることが好ましい。
上述したように、固体撮像素子の中心から離れる画素ほど、画素に入射する主光線の入射角が大きいため、固体撮像素子の中心から離れる測距画素ほど、マイクロレンズの偏心方向における偏心量を大きくすることが好ましい。つまり、２つの測距画素のうち固体撮像素子の中心から遠い測距画素のマイクロレンズの偏心量が、固体撮像素子の中心に近い測距画素のマイクロレンズの偏心量に比べて大きいことが好ましい。この構成により、固体撮像素子内の画素ごとの感度のばらつきを抑制する効果を有する。なお、２つの測距画素のうち、固体撮像素子の中心から遠い測距画素は、固体撮像素子の中心に近い測距画素よりも、測距画素の重心と固体撮像素子の中心との間の距離が大きい。
複数の導波路１０２、１０３が並置された方向（Ｘ方向）に沿ったマイクロレンズ１０１の射影偏心方向における偏心量が大きいほど、複数の導波路からの射出光の広がりの差は大きくなる。つまり、測距画素１１０ａ内の光電変換部１２２、１２３への入射効率の差が大きくなる。そのため、導波路が並置された方向に沿ったマイクロレンズ１０１の射影偏心方向における偏心量が大きいほど、光電変換部１２２の断面積と光電変換部１２３の断面積の差を大きくした方が好ましい。
その構成について、図５（ａ）に一例を示した。図５（ａ）は図１の一点破線の領域にある３つの測距画素１１０ａについて表している。なお、図５（ａ）では測距画素１１０ａの間を離して図示している。また、３つの測距画素１１０ａの配置の順番は図１の一点破線の領域にある３つの測距画素１１０ａの配置の順番と同じである。最も左側にある測距画素１１０ａは、３つの測距画素１１０ａの中で最も固体撮像素子の中心から遠い測距画素１１０ａであり、最も右側にある測距画素１１０ａは、３つの測距画素１１０ａの中で最も固体撮像素子の中心に近い測距画素１１０ａである。これに対応して、測距画素１１０ａの位置が左側ほど、マイクロレンズ１０１の偏心量が大きく、光電変換部１２２の断面積と光電変換部１２３の断面積との差が大きくなっている。
このように、マイクロレンズの偏心量に応じて光電変換部の断面積を変えることで、マイクロレンズ１０１の偏心量によらず、光電変換部１２２、１２３の間の感度差が低減するため、更に測距精度を向上させることができる。
図５（ａ）では、マイクロレンズ１０１の偏心量に応じて、光電変換部１２２と光電変換部１２３の断面積の双方を変化させた例を示したが、光電変換部１２２、光電変換部１２３の断面積のいずれか一方だけを変化させてもよい。ただし、測距画素に入射した光の利用効率を向上させるために、光電変換部１２２と光電変換部１２３の断面積の和が、異なる測距画素どうしで一定になるように、各測距画素の光電変換部の断面積の差を変化させることが好ましい。
また、マイクロレンズの偏心方向は、必ずしもＸ方向でなくてもよく、斜めに偏心していてもよい。固体撮像素子１００の周辺領域１００ａ、１００ｂに位置する画素に入射する光束は、固体撮像素子１００の中心に向かって傾いているため、固体撮像素子１００の中心に向かって斜め方向に偏心している方が、効率良く光束を取り込むことができるため好ましい。図５（ｂ）にその構成の一例を示した。図５（ｂ）は、図１の二点破線の領域にある３つの測距画素について表している。なお、図５（ｂ）では測距画素１１０ａの間を離して図示している。このように、測距画素１１０ａのマイクロレンズ１０１の偏心方向を測距画素の配置位置によって変えてもよい。
マイクロレンズ１０１の偏心方向が斜め方向である場合も、導波路１０３に入射する光束の入射角は、導波路１０２に入射する光束の入射角よりも大きい。そのため、光電変換部１２３の断面積を、光電変換部１２２の断面積よりも大きくすることで、複数の光電変換部間の感度差を抑えることができ、測距精度が向上する。
固体撮像素子１００の中央領域では、画素に入射する主光線の入射角が小さい。具体的には、固体撮像素子１００の中心から、固体撮像素子１００の対角線の長さの０．２倍未満の位置よりも固体撮像素子１００の中心に近い中央領域では主光線の入射角が小さい。そのため、この中央領域に測距画素が配置されている場合、その測距画素では、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して偏心していなくてもよい。
また、固体撮像素子１００のＹ方向の周辺領域に位置する測距画素においては、測距画素に入射する主光線がＹ方向に傾いているため、マイクロレンズをＹ方向に偏心させることが好ましい。
このように、マイクロレンズの中心軸が測距画素の中心軸に対して、導波路１０２、１０３が配列された配列方向であるＸ方向にずれていない場合は、導波路１０２と導波路１０３に結合する主光線の入射角は等しくなる。そのため、光電変換部の断面積は等しい方が好ましい。すなわち、マイクロレンズが偏心していないか、または、マイクロレンズの偏心方向が複数の光電変換部が並置された配列方向と直交する場合には、複数の光電変換部の断面積が等しい方が好ましい。
固体撮像素子１００の全ての画素が測距画素１１０であってもよいし、一部だけが測距画素１１０であり、その他が通常の撮像画素であってもよい。全ての画素が測距画素１１０の場合、複数の光電変換部で取得した電気信号の和を取ることで、撮影画像を取得することができる。なお、撮像画素とは、単一の光電変換部と、単一の光電変換部の上に配置されたコアとクラッドを有する単一の導波路と、単一の導波路の上に配置されたマイクロレンズと、を有した画素をいう。
固体撮像素子１００の一部の画素が測距画素１１０ａの場合、測距画素１１０ａにおける撮影画像を、上述した手法で取得してもよいし、測距画素１１０ａの周辺に設けられた通常の撮像画素で取得した撮影画像により補完して取得してもよい。周辺領域１００ａ、１００ｂに位置する撮像画素についても、マイクロレンズが固体撮像素子の中心に向かって偏心している方が、撮影画像の画質が向上するため、好ましい。
（実施形態２）
実施形態１では、光電変換部１２２、１２３の断面積を異ならせていた形態について説明した。それに対して、本実施形態では、光電変換部の近傍に制御電極を設け、その制御電極にバイアスを印加することにより、光電変換部の実効的な断面積を制御している形態である。
実施形態１では、光電変換部１２２、１２３の断面積を異ならせていた形態について説明した。それに対して、本実施形態では、光電変換部の近傍に制御電極を設け、その制御電極にバイアスを印加することにより、光電変換部の実効的な断面積を制御している形態である。
図６は、図１の周辺領域１００ａに配置される、本実施形態に示す測距画素２１０の断面模式図である。測距画素２１０は、光の入射側より、マイクロレンズ１０１と、複数の導波路１０２、１０３と、基板２２１内に形成された複数の光電変換部２２２、２２３と、を有している。さらに、導波路１０２、１０３と基板２２１との間にゲッタリング層１０９と絶縁層２２６が配置されている。そして、ゲッタリング層１０９中には、複数の制御電極２２４、２２５が設けられている。つまり、複数の制御電極２２４、２２５は、光電変換部２２２、２２３に対して導波路１０２、１０３と同じ側に配置されている。光電変換部２２２は、測距画素２１０の中心軸に対してマイクロレンズ１０１の射影偏心方向と同じ方向に配置された光電変換部である。また、光電変換部２２３は、測距画素２１０の中心軸に対してマイクロレンズ１０１の射影偏心方向とは反対方向に配置された光電変換部である。
制御電極２２４は、測距画素２１０の中心軸に対して光電変換部２２２側に配置されており、より具体的には、光電変換部２２２の周辺のポテンシャル分布に影響を与える位置に形成されている。また、制御電極２２４は、光電変換部２２２、２２３に蓄えられるキャリアに対して斥力となるバイアスを印加する電極である。一方、制御電極２２５は、測距画素２１０の中心軸に対して光電変換部２２３側に配置されており、より具体的には、光電変換部２２３の周辺のポテンシャル分布に影響を与える位置に形成されている。また、制御電極２２５は、光電変換部２２２、２２３に蓄えられるキャリアに対して引力となるバイアスを印加する電極である。制御電極２２４、２２５の材料はＡｌやＣｕなどの金属、ＩＴＯ等の酸化物導電体、ポリシリコンなどの半導体を使用することができる。
そして、制御電極２２４、２２５それぞれに上述した型のバイアスを印加することにより、光電変換部２２３の実効的な断面積が、光電変換部２２２の実効的な断面積よりも大きくすることができる。このように、実効的に光電変換部２２２、２２３の断面積を変えることで、実施形態１と同様にマイクロレンズ１０１を偏心させたことによって生じる光電変換部の感度差を低減させ、測距精度を向上させることができる。
次に、制御電極２２４、２２５によって光電変換部２２２、２２３の実効的な断面積が変わる原理について説明する。なお、以下では簡単のためにＮ型のキャリア（電子）を信号とする測距画素を例にとって説明するが、Ｐ型のキャリア（正孔）を信号とする測距画素にも適用できることは明らかである。その場合、制御電極２２４、２２５に印加するバイアスの符号を反対にすればよい。
制御電極２２４、２２５に印加するバイアスが共にゼロの場合、基板２２１内の電子のポテンシャル分布は、光電変換部２２２、２２３の製造時のイオン注入による不純物分布で決定される。例えば、イオン注入分布が測距画素２１０の中心軸に対して対称な場合、制御電極２２４、２２５へのバイアス印加がない場合には、光電変換部２２２、２２３の断面積は等しい（図６（ａ））。図６（ａ）に対応する、基板２２１内の電子のポテンシャル分布と空乏層に蓄えられる電子量は、図６（ｂ）に示している。図６（ｂ）で示されるように、光電変換部２２２、２２３に対応した空乏層のＸ方向の幅は、断面積と同様に等しくなっている。実施形態１でも述べたように、導波路１０３からの射出される光束の広がりの影響により、その一部の光束は光電変換部２２３で受光されなくなる。そのため、光電変換部２２３に対応した空乏層に蓄えられる電子量の方が、光電変換部２２２に対応した空乏層に蓄えられる電子量よりも少なくなる。これが、光電変換部２２２、２２３の感度の差として現れる。
そこで、本実施形態では、制御電極２２４に負バイアスを印加し、制御電極２２５に正バイアスを印加する。そのため、導波路１０３から射出されて、光電変換部２２２、２２３の間の領域に入射された光によって発生した電子には、制御電極２２４との間では斥力が働き、制御電極２２５との間では引力が働く。この結果、その電子は、光電変換部２２３側に移動し、制御電極２２５によって光電変換部２２３側に形成された空乏層に蓄えられるようになる。つまり、電子にとっては、制御電極２２４に対応した基板２２１の領域では、電子のポテンシャルエネルギーがあたかも増大し、制御電極２２５に対応した基板２２１の領域では電子のポテンシャルエネルギーがあたかも低下したように感じる。つまり、上述したバイアスを制御電極２２４，２２５に印加した場合には、図８（ｃ）のような電子のポテンシャル分布が基板２２１の表面に形成されていると考えられる。つまり、見かけ上、光電変換部２２３に対応した空乏層のＸ方向の幅が、光電変換部２２２に対応した空乏層のＸ方向の幅より大きくなり、見かけ上の光電変換部２２３の断面積が光電変換部２２３の断面積より大きくなったと考えられる。そして、図８（ｃ）で示すように、光電変換部２２２、２２３に対応する空乏層に閉じ込められる電子量の差を軽減することが可能となる。よって、光電変換部２２２、２２３の感度の差を低減することができる。
なお、図６（ａ）では制御電極２２４、２２５の２つを設ける構成を示したが、いずれか１つでもよい。例えば、図７（ａ）で示すように、制御電極２２４のみを設けて、制御電極２２４に負バイアスを印加してもよいし、図７（ｂ）で示すように、制御電極２２５のみを設けて、制御電極２２５に正バイアスを印加してもよい。
また、制御電極２２４、２２５は、それぞれに対応する光電変換部２２２、２２３よりも測距画素２１０の中心軸側に設けられているが、中心軸側とは反対側に設けられていてもよい。ただし、測距画素２１０に入射する光束は、主に光電変換部２２２、２２３およびその間の領域に入射するため、測距画素２１０の中心軸側に設けられていた方が好ましい。また、制御電極２２４、２２５は、それぞれに対応する光電変換部２２２、２２３を囲むように設けられていてもよい。
また、制御電極が３つ以上の場合は、上述した場合と同様に、測距画素２１０の中心軸に対して、光電変換部２２３側の制御電極には正バイアスを、光電変換部２２２側の制御電極には負バイアスを印加する構成とすればよい。
また、図７（ｃ）で示すように、制御電極２２４、２２５が光の入射側と反対側に配置されていてもよい。つまり、制御電極２２４、２２５は、光電変換部２２２、２２３に対して導波路１０２、１０３とは反対側に配置されてもよい。この場合、制御電極２２４、２２５による光の散乱や吸収が無くなるため好ましい。
本実施形態では、制御電極に印加するバイアスの大きさによって、光電変換部２２２、２２３の実効的な断面積を動的に制御することができる。そして、制御電極２２４、２２５に印加するバイアスの絶対値が大きいほど、光電変換部２２２、２２３の実効的な断面積の差を大きくすることができる。
一般に、望遠側の結像レンズを用いた場合は、測距画素に入射する主光線の角度が小さく、広角側の結像レンズを用いた場合は、測距画素に入射する主光線の角度が大きい。測距画素に入射する主光線の傾きが大きいほど、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置された導波路に入射する光束の入射角が大きくなる。そのため、結像レンズを取り換え交換可能な構成において、広角側の結像レンズを用いた場合と望遠側の結像レンズを用いた場合とで制御電極２２４、２２５の印加するバイアスを異なるように制御することが好ましい。具体的には、望遠側の結像レンズを用いる場合は、制御電極２２４、２２５に印加するバイアスの絶対値を小さくして、光電変換部２２２、２２３の実効的な断面積の差を小さくすればよい。また、広角側の結像レンズを用いる場合には、制御電極２２４、２２５に印加するバイアスの絶対値を大きくして、光電変換部２２２、２２３の実効的な断面積の差を大きくすればよい。
（実施形態３）
実施形態１及び２に示す固体撮像素子中の測距画素では、複数の導波路が並置された方向がＸ方向であった。すなわち、測距画素に入射した光束をＸ方向に分割して取得することで測距を行う固体撮像素子を示してきた。しかし、入射方向をＸ方向以外の方向に分割する測距画素を有する固体撮像素子に本発明を適用してもよい。
実施形態１及び２に示す固体撮像素子中の測距画素では、複数の導波路が並置された方向がＸ方向であった。すなわち、測距画素に入射した光束をＸ方向に分割して取得することで測距を行う固体撮像素子を示してきた。しかし、入射方向をＸ方向以外の方向に分割する測距画素を有する固体撮像素子に本発明を適用してもよい。
図８は、本実施形態の固体撮像素子４００の一部を示している。なお、本実施形態においても実施形態１と同様、Ｘ方向は固体撮像素子４００の長手方向に、Ｙ方向は短手方向に対応している。この固体撮像素子４００は、入射光束をＹ方向に分割して測距を行う測距画素４１０が配置されている。固体撮像素子４００の−Ｙ方向の周辺領域４００ａには測距画素４１０ａが配置されている。また、固体撮像素子４００の＋Ｙ方向の周辺領域４００ｂには測距画素４１０ｂが配置されている。
図９は、図８の一点破線で囲んだ３つ分の測距画素４１０ａの構成を示した図である。図９（ａ）は、３つ分の測距画素４１０ａのＹＺ断面模式図である。測距画素４１０は、光の入射側より、マイクロレンズ４０１ａと、複数の導波路４０２、４０３と、複数の光電変換部４２２、４２３と、を有している。図９（ｂ）は、３つ分の測距画素４１０のＸＹ方向の平面模式図である。
マイクロレンズ４０１は、測距画素４１０の中心軸に対して固体撮像素子の中心に向かう方向（＋Ｙ方向）に偏心している。また、複数の導波路４０２、４０３、複数の光電変換部４２２、４２３はＹ方向に並置されている。測距画素４１０の中で、光電変換部４２３は、測距画素４１０の中心軸に対してマイクロレンズ４０１の射影偏心方向とは反対方向に配置されている。一方、光電変換部４２２は、測距画素４１０の中心軸に対してマイクロレンズ４０１の射影偏心方向と同じ方向に配置されている。
そして、マイクロレンズ４０１の偏心方向とは反対の方向（−Ｙ方向）に配置された光電変換部４２３のＹ方向の幅が、マイクロレンズ４０１の偏心方向と同じ方向（＋Ｙ方向）に配置された光電変換部４２２のＹ方向の幅よりも大きい。つまり、光電変換部４２３の断面積が光電変換部４２２の断面積よりも大きくなっている。この構成により、実施形態１と同様、光電変換部４２２と光電変換部４２３の最大感度の差を抑制することができるため、測距精度が向上する。
なお、固体撮像素子は、入射光束をＸ方向に分割する測距画素１１０と、入射光束をＹ方向に分割する測距画素４１０の双方を有するように構成してもよい。このような構成とすることで、被写体のコントラストの方向に依存せず、測距を行うことができる。この場合でも、マイクロレンズの偏心方向と複数の導波路および光電変換部が並置される方向に応じて、光電変換部の断面積を決定すればよい。
（実施形態４）
図１０は、実施形態１に示す固体撮像素子１００を備えたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置１９０の概略図である。撮像装置１９０は、固体撮像素子１００の他に、固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系１９１、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、信号処理部１９４を有する。ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４の動作を制御する。光電変換部１２２、１２３で取得した信号を転送回路１９３によって信号処理部１９４に転送し、信号処理部１９４で測距像を形成し、各々の測距像を信号処理部１９４で比較することで測距を行っている。また、同様に光電変換部１２２、１２３で取得した信号は、信号処理部１９４で処理され、撮影画像用の信号としても使用される。
図１０は、実施形態１に示す固体撮像素子１００を備えたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置１９０の概略図である。撮像装置１９０は、固体撮像素子１００の他に、固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系１９１、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、信号処理部１９４を有する。ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４の動作を制御する。光電変換部１２２、１２３で取得した信号を転送回路１９３によって信号処理部１９４に転送し、信号処理部１９４で測距像を形成し、各々の測距像を信号処理部１９４で比較することで測距を行っている。また、同様に光電変換部１２２、１２３で取得した信号は、信号処理部１９４で処理され、撮影画像用の信号としても使用される。
（その他の実施形態）
以上の実施形態１から４において、いずれも導波路および光電変換部が２つである場合を示したが、導波路および光電変換部が３つ以上あってもよい。導波路および光電変換部が３つ以上ある場合でも、そのうちの少なくとも２つの導波路において、以下の構成を満たしていればよい。すなわち、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている光電変換部よりも、断面積が大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている光電変換部よりも、実効的に大きくするための制御電極を設ける構成とすればよい。このような構成とすることで、複数の光電変換部の感度差を低減することができるため、測距精度が向上する。
以上の実施形態１から４において、いずれも導波路および光電変換部が２つである場合を示したが、導波路および光電変換部が３つ以上あってもよい。導波路および光電変換部が３つ以上ある場合でも、そのうちの少なくとも２つの導波路において、以下の構成を満たしていればよい。すなわち、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている光電変換部よりも、断面積が大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている光電変換部よりも、実効的に大きくするための制御電極を設ける構成とすればよい。このような構成とすることで、複数の光電変換部の感度差を低減することができるため、測距精度が向上する。
また、１つの測距画素内で、入射光束をＸ方向に分割する複数の光電変換部と入射光束をＹ方向に分割する複数の光電変換部とを有する構成であってもよい。この場合も、測距画素の中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置された光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置された光電変換部よりも、断面積が大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている光電変換部の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている光電変換部よりも、実効的に大きくするための制御電極を設ける構成とすればよい。
また、上述した各実施形態は、可能であれば適宜組み合わせてもよい。
１００、４００ 固体撮像素子
１０１、４０１ マイクロレンズ
１０２、１０３、４０２、４０３ 導波路
１０４、１０５ コア
１０６、１０７ クラッド
１１０、２１０、３１ ０測距画素
１２２、１２３、２２２、２２３、４２２、４２３ 光電変換部
１０１、４０１ マイクロレンズ
１０２、１０３、４０２、４０３ 導波路
１０４、１０５ コア
１０６、１０７ クラッド
１１０、２１０、３１ ０測距画素
１２２、１２３、２２２、２２３、４２２、４２３ 光電変換部
Claims (16)
- 複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、
前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、
前記複数の光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とを有し、
前記第１の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の光電変換部の中心と前記第２の光電変換部の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、
前記第２の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、
前記第１の光電変換部の断面積は、前記第２の光電変換部の断面積よりも大きいことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とが配列された配列方向における前記第１の光電変換部の幅が、前記配列方向における前記第１の光電変換部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域に、マイクロレンズの偏心量が異なる少なくとも２つの測距画素が配置され、
前記マイクロレンズの偏心量が大きい測距画素の方が、前記マイクロレンズの偏心量が小さい測距画素よりも、前記第２の光電変換部の断面積に対する前記第１の光電変換部の断面積の比の値が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。 - 複数の測距画素を有し、
前記複数の測距画素において、各測距画素内の前記複数の光電変換部の断面積の和が等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する測距画素を備えた固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子にある周辺領域に配置された少なくとも１つの測距画素において、
前記マイクロレンズは、その中心軸が前記測距画素の中心軸に対して偏心して配置され、
前記複数の光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部と、を有し、
前記第１の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第１の光電変換部の中心と前記第２の光電変換部の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、
前記第２の光電変換部は、前記測距画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、
前記第１の光電変換部に蓄えられるキャリアに対して引力となるバイアスを印加する第１の電極、及び、前記キャリアに対して斥力となるバイアスを印加する第２の電極のうち、少なくとも一方の電極を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第１の電極と前記第２の電極の両方を有することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
- 前記少なくとも一方の電極が、前記複数の光電変換部に対して前記複数の導波路と同じ側に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体撮像素子。
- 前記少なくとも一方の電極が、前記複数の光電変換部に対して前記複数の導波路とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体撮像素子。
- 前記マイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に向かって偏心していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域が、前記固体撮像素子の中心から前記固体撮像素子の対角線の長さの０．２倍以上離れた領域であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域に、少なくとも２つの測距画素が配置され、
前記２つの測距画素のうち前記固体撮像素子の中心から離れた位置にある測距画素のマイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に近い測距画素のマイクロレンズに比べて偏心量が大きいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - さらにマイクロレンズが偏心していない測距画素を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- さらにマイクロレンズが偏心する偏心方向と複数の導波路が配列された配列方向とが直交する測距画素を有し、
前記偏心方向と配列方向とが直交する測距画素において、複数の光電変換部の断面積が等しいことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子の中央領域に、さらに測距画素を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- さらに、単一の光電変換部と、前記単一の光電変換部の上に配置されたコアとクラッドを有する単一の導波路と、前記単一の導波路の上に配置されたマイクロレンズと、を有する撮像画素を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系と、を有することを特徴とする撮像装置。
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