JP2022020502A - 光検出装置、及びカメラシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】光吸収効率がより向上した光検出装置、及びカメラシステムを提供する。【解決手段】光電変換部を内部に含む半導体基板と、前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズとを備える、光検出装置。【選択図】図１

Description

本開示は、光検出装置、及びカメラシステムに関する。
近年、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ又はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサなどの光検出装置では、光電変換部における入射光の光路長を長くすることで、入射光の検出感度を向上させることが提案されている。
例えば、光検出装置の画素の受光面に凹凸構造を設け、入射光を散乱させることで、光電変換部における入射光の光路長をより長くすることが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２０１９－４６９６０号公報
このような光検出装置では、入射光の検出感度のさらなる向上が望まれている。特に、長波長の入射光では、光吸収係数の波長依存性のために、光電変換部の単位厚み当たりの光吸収効率が低くなってしまう。そのため、光検出装置では、長波長の入射光をより効率的に光電変換部にて吸収させることが重要となる。
よって、光吸収効率がより向上した光検出装置、及びカメラシステムを提供することが望ましい。
本開示の一実施形態に係る光検出装置は、光電変換部を内部に含む半導体基板と、前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズとを備える。
本開示の一実施形態に係るカメラシステムは、光検出装置を含み、前記光検出装置は、光電変換部を内部に含む半導体基板と、前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズとを備える。
本開示の一実施形態に係る光検出装置、及びカメラシステムによれば、光電変換部を内部に含む半導体基板の光の入射面側に、周期的構造を有する散乱構造と、光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズとが設けられる。これにより、例えば、光検出装置は、柱体形状のオンチップレンズにて、散乱構造に入射する入射光の最大入射角度をより大きくすることができるため、散乱構造にて入射光の回折をより強く発生させることができる。
本開示の一実施形態に係る光検出装置の断面構成を示す縦断面図である。 図１の散乱構造の平面構成を示す上面図である。 図１のオンチップレンズの平面構成を示す上面図である。 オンチップレンズによる集光の原理を説明する説明図である。 散乱構造による回折条件を説明する説明図である。 球面形状のオンチップレンズを備える光検出装置における入射光の波面のパワー分布を見積もったヒートマップ図である。 柱体形状のオンチップレンズを備える光検出装置における入射光の波面のパワー分布を見積もったヒートマップ図である。 球面形状又は柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備える光検出装置の量子効率を見積もったグラフ図である。 球面形状又は柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置の量子効率を見積もったグラフ図である。 柱体形状のオンチップレンズの平面構成のバリエーションを示す上面図である。 四角柱形状又は八角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置の量子効率を見積もったグラフ図である。 四角柱形状のオンチップレンズのパターニングに用いられるマスクの一例を示す平面図である。 第１の変形例に係る光検出装置の断面構成を示す縦断面図である。 図１０の散乱構造の平面構成を示す上面図である。 第２の変形例に係る光検出装置の断面構成を示す縦断面図である。 赤外線フィルタの光透過率スペクトルの一例を示すグラフ図である。 本開示の一実施形態に係る光検出装置を含むカメラシステムの概要を示す説明図である。
以下、本開示における実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下で説明する実施形態は本開示の一具体例であって、本開示にかかる技術が以下の態様に限定されるわけではない。また、本開示の各構成要素の配置、寸法、及び寸法比等についても、各図に示す様態に限定されるわけではない。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．構成例
２．作用効果
３．変形例
３．１．第１の変形例
３．２．第２の変形例
４．適用例
＜１．構成例＞
まず、図１～図２Ｂを参照して、本開示の一実施形態に係る光検出装置１の構成例について説明する。図１は、本実施形態に係る光検出装置１の断面構成を示す縦断面図である。
図１に示すように、光検出装置１は、例えば、配線層１１０と、光電変換部１０１及び素子分離部１０２を含む半導体基板１００と、散乱構造１２１と、遮光膜１３２と、平坦化膜１３１と、オンチップレンズ１４０と、反射防止膜１４１とを備える。
半導体基板１００は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板である。半導体基板１００は、半導体基板１００の厚み方向に延在する素子分離部１０２と、半導体基板１００の面内に画素ごとに設けられた光電変換部１０１とを含む。
光電変換部１０１は、例えば、光検出装置１に入射する入射光Ｌを光電変換するフォトダイオードである。光電変換部１０１は、半導体基板１００に設けられたｎ型不純物領域と、ｎ型不純物領域を半導体基板１００の厚み方向に挟み込むように半導体基板１００にそれぞれ設けられたｐ型不純物領域とで構成される。
素子分離部１０２は、絶縁性材料にて設けられ、光電変換部１０１を画素ごとに電気的に分離する。具体的には、素子分離部１０２は、半導体基板１００の厚み方向に掘り込んだ溝構造を埋め込む絶縁性材料で構成されてもよい。例えば、素子分離部１０２は、半導体基板１００よりも屈折率が低い絶縁性材料（例えば、ＳｉＯ２など）で設けられてもよい。このような場合、素子分離部１０２は、光電変換部１０１から素子分離部１０２に向かう回折光を反射することで、光電変換部１０１の感度を向上させることができる。
または、素子分離部１０２は、半導体基板１００の厚み方向に掘り込んだ溝構造の内部表面を覆う絶縁性材料と、絶縁性材料の上から溝構造を埋め込む金属材料とで構成されてもよい。金属材料は、例えば、光電変換部１０１から素子分離部１０２に向かう回折光を遮蔽する能力が高いタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、又はこれらの金属合金などである。これによれば、素子分離部１０２は、光電変換部１０１から素子分離部１０２に向かう回折光を遮蔽することで、画素間での光学混色を抑制することができるため、光検出装置１の解像度を向上させることができる。
配線層１１０は、光電変換部１０１にて生成された電荷を画素信号に変換する回路又は配線を含み、半導体基板１００の光の入射面と反対側の面（すなわち、おもて面）に設けられる。具体的には、配線層１１０は、導電性材料で複数層に亘って設けられた配線と、配線を覆うように絶縁性材料で設けられた絶縁層とによる多層配線構造にて設けられてもよい。
これによれば、光電変換部１０１にて生成された電荷は、半導体基板１００の光の入射面と反対側の面に設けられた転送トランジスタ（図示せず）にて光電変換部１０１から取り出される。光電変換部１０１から取り出された電荷は、例えば、転送トランジスタを覆う配線層１１０に設けられたアンプトランジスタ（図示せず）にて画素信号に変換される。
散乱構造１２１は、半導体基板１００の光の入射面側に周期的に設けられた構造体であり、光検出装置１への入射光Ｌを散乱又は回折させる。具体的には、散乱構造１２１は、半導体基板１００の光の入射面側の面（すなわち、裏面）に形成された周期的な凹凸構造であってもよい。
散乱構造１２１の具体的な構造について図２Ａを参照して説明する。図２Ａは、図１の散乱構造１２１の平面構成を示す上面図である。
図１及び図２Ａに示すように、散乱構造１２１は、四角錐形状又は四角錐台形状の凹部（すなわち、逆ピラミッド型形状の凹部）が半導体基板１００の面内の二次元方向にそれぞれ周期的に配置された凹凸構造として設けられてもよい。例えば、画素が１．５μｍ四方の正方形である場合、散乱構造１２１の凹部は、４００ｎｍ周期で設けられてもよい。これによれば、散乱構造１２１は、画素内に３行３列の行列状に配列された合計９個の四角錐形状の凹部として設けられる。
このような四角錐形状の凹部を含む散乱構造１２１は、例えば、シリコン基板の結晶面を利用することで形成することができる。具体的には、Ｓｉの（１００）面を掘り込むようにシリコン基板をウェットエッチングした場合、シリコン基板に形成された開口は、表面再構成によってエネルギー的に安定な（７×７）構造（いわゆる、ＤＡＳモデル）を形成し、Ｓｉの（１１１）面を露出させる。したがって、リソグラフィによって周期的な開口を形成したレジストパターンをマスクとしてシリコン基板の（１００）面をウェットエッチングすることで、Ｓｉの（１１１）面を側面とし、四角錐形状となる凹部を形成することができる。
ただし、散乱構造１２１は、上記で例示した形状の凹凸構造に限定されない。散乱構造１２１は、略円柱形状のピラー又はホールを周期的に配置した凹凸構造であってもよい。
平坦化膜１３１は、透明な有機樹脂等で構成され、散乱構造１２１を埋め込んで半導体基板１００の光の入射面側に設けられる。平坦化膜１３１は、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン－アクリル共重合系樹脂、又はシロキサン系樹脂等にて構成されてもよい。
遮光膜１３２は、遮光性材料で構成され、素子分離部１０２に対応して半導体基板１００の光の入射面側に設けられる。遮光膜１３２は、画素の境界に設けられ、画素間を跨いで入射する入射光を遮光することで、画素間での光学混色を抑制することができる。遮光膜１３２は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、又はこれらの金属合金などで構成されてもよい。
オンチップレンズ１４０は、光の入射面が平面となる柱体形状で構成され、平坦化膜１３１の入射面側の面に設けられる。具体的には、オンチップレンズ１４０は、透明材料によって、半導体基板１００の光の入射側の面に垂直な方向に延伸する柱体形状で構成されてもよい。
詳しくは後述するが、入射光Ｌの波長と同じオーダーのサイズの柱体形状で設けられたオンチップレンズ１４０は、オンチップレンズ１４０の内部を通過する光の速度が空気中を通過する光の速度よりも低下することを利用して入射光Ｌを集光することができる。また、オンチップレンズ１４０は、柱体形状の高さをより高くすることで、オンチップレンズ１４０の内部を通過する光と、空気中を通過する光との位相差をより大きくすることができるため、入射光Ｌをより強く曲げることができる。
本実施形態に係る光検出装置１は、柱体形状のオンチップレンズ１４０にて入射光Ｌをより強く曲げることで、光電変換部１０１への入射光Ｌの入射角を大きくすることができる。これによれば、本実施形態に係る光検出装置１は、長波長の入射光Ｌであっても、散乱構造１２１の回折条件をより容易に満たすようにすることができる。よって、実施形態に係る光検出装置１は、光電変換部１０１における入射光の光路長を回折によってより長くすることができるため、光吸収効率をより高めることができる。
オンチップレンズ１４０のより具体的な構造について図２Ｂを参照して説明する。図２Ｂは、図１のオンチップレンズ１４０の平面構成を示す上面図である。
図２Ｂに示すように、オンチップレンズ１４０は、Ｓｉ３Ｎ４等の透明材料を用いて底面が四角形である四角柱形状にて設けられてもよい。例えば、画素が１．５μｍ四方の正方形である場合、オンチップレンズ１４０は、１．３μｍ四方の正方形を底面とする四角柱形状にて設けられてもよい。
反射防止膜１４１は、オンチップレンズ１４０の光の入射面側の表面に設けられる。反射防止膜１４１は、例えば、入射光の波長λの１／（４×ｎ）の厚みを有する膜（ただし、ｎは反射防止膜１４１を構成する材料の屈折率）、又は屈折率の異なる誘電体材料を交互に積層させた多層誘電体膜などで構成されてもよい。
＜２．作用効果＞
次に、図３～図９を参照して、本実施形態に係る光検出装置１の作用効果について説明する。
まず、図３を参照して、柱体形状のオンチップレンズ１４０による集光について具体的に説明する。図３は、オンチップレンズ１４０による集光の原理を説明する説明図である。
図３に示すように、オンチップレンズ１４０に入射する光は、それぞれ等位相面である＋面及び－面の波面を順次繰り返すことで進行する。ここで、媒質中を進む光の速度Ｃは、真空中の光速Ｃ０と、媒質の屈折率ｎとを用いて、Ｃ＝Ｃ０／ｎと表すことができる。したがって、屈折率が１よりも大きいオンチップレンズ１４０を進行する光の速度は、空気中（屈折率はおおよそ１）を進行する光の速度よりも遅くなり、オンチップレンズ１４０を進行する光は、空気中を進行する光に対して位相差を生じることになる。ここで、オンチップレンズ１４０の大きさが入射光の波長のオーダーに近づいた場合、入射光の波面は連続的につながるため、入射光の波面は、オンチップレンズ１４０の中心に向かって湾曲した形状となる。これにより、オンチップレンズ１４０は、入射光をオンチップレンズ１４０の中心に集光することができる。
柱体形状のオンチップレンズ１４０は、オンチップレンズ１４０の高さをより高くすることで、オンチップレンズ１４０の内外における入射光の位相差をより大きくすることができるため、入射光の波面をより大きく湾曲させ、入射光をより強く曲げることができる。したがって、オンチップレンズ１４０は、オンチップレンズ１４０の高さによって入射光を曲げる強さが変わるため、オンチップレンズ１４０の焦点距離も変動すると考えられる。すなわち、柱体形状のオンチップレンズ１４０は、オンチップレンズ１４０の高さをより高くすることで、焦点距離をより短くすることができるため、より高い開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ＮＡ）を実現することができる。
これによれば、柱体形状のオンチップレンズ１４０は、高開口数であるため、散乱構造１２１への入射光の最大入射角度をより大きくすることが可能である。また、柱体形状のオンチップレンズ１４０は、焦点位置におけるスポットサイズであるエアリーディスクの直径をより小さくすることができる。よって、柱体形状のオンチップレンズ１４０は、所望の画素に集光された入射光の一部が遮光膜１３２によって遮られてしまう（すなわち、ケラレが生じる）ことを抑制することも可能である。
次に、図４を参照して、散乱構造１２１による回折について具体的に説明する。図４は、散乱構造１２１による回折条件を説明する説明図である。
半導体基板１００の光の入射面に設けられた周期的な凹凸構造である散乱構造１２１は、散乱体が周期的に配列された回折格子として機能する。回折格子は、散乱体で散乱された光を干渉させ、強め合わせることで、回折を生じさせることができる。
具体的には、図４に示すように、散乱体１２０が周期ｗにて配列された回折格子の格子面の法線に対して入射角αで入射した光は、散乱体１２０の各々で散乱され、格子面の法線に対して出射角βで出射される。このとき、回折格子の入射面側では、散乱体１２０の各々に入射する光は、隣接する散乱体１２０に入射する光に対して、ｗ×ｓｉｎαの光路差を生じる。また、回折格子の出射面側では、散乱体１２０の各々で散乱された光は、隣接する散乱体１２０で散乱された光に対して、ｗ×ｓｉｎβの光路差を生じる。
したがって、回折格子は、以下の式１で表される回折条件が満たされる場合、回折を生じさせ、回折光を強め合わせることができる。式１において、ｍは次数であり、λは入射光の真空中での波長であり、ｎは媒質の屈折率である。

ｗ（ｓｉｎα±ｓｉｎβ）＝ｍλ／ｎ ・・・式１
回折格子の周期ｗを４００ｎｍとし、入射光の波長λを９４０ｎｍとし、媒質（例えば、ＳｉＯ２）の屈折率ｎを１．４とすると、1次（ｍ＝１）にて上記式１は、α≦４３°で解を持たない。すなわち、入射光が長波長である場合、式１の右辺の値がより大きくなるため、式１が成立するためには、式１の左辺のα又はβが大きくなることが重要となる。よって、長波長の入射光では、１次の回折条件を満たすには、入射光は、より大きな入射角で回折格子に入射することが重要となる。
本実施形態に係る光検出装置１では、同じ高さの球面形状のオンチップレンズと比較して入射光Ｌをより強く曲げることができる柱体形状のオンチップレンズ１４０が設けられる。したがって、本実施形態に係る光検出装置１は、長波長の入射光Ｌであっても散乱構造１２１にて回折条件を満たすことが容易になる。
これによれば、散乱構造１２１は、入射光を効率よく回折させることで、光電変換部１０１における入射光の光路長をより長くすることができる。よって、本実施形態に係る光検出装置１は、入射光を効率的に光電変換部１０１で光電変換することができるため、入射光Ｌの光吸収効率をより高めることが可能である。
続いて、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、本実施形態に係る光検出装置における入射光の散乱をシミュレーションで確認した結果について説明する。図５Ａは、球面形状のオンチップレンズを備える光検出装置における入射光の波面のパワー分布を３Ｄ－ＦＤＴＤ法で見積もったヒートマップ図である。図５Ｂは、柱体形状のオンチップレンズを備える光検出装置における入射光の波面のパワー分布を３Ｄ－ＦＤＴＤ法で見積もったヒートマップ図である。
図５Ａ及び図５Ｂでは、基本的に明度が低いほど波面のパワーが高い（すなわち、光が集光されている）ことを示す。また、図５Ａ及び図５Ｂは、光検出装置の画素中心を含む断面の入射光の波面のパワー分布を示し、図５Ａ及び図５ＢのＡ－ＡＡ線は、各々のオンチップレンズの下面に対応する。
図５Ａの左に示すように、球面形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置では、入射光は、平面波成分が最も残った波面形状を含み、半導体基板の厚み方向に直進する平行ビームに近い状態となっている。また、図５Ａの右に示すように、球面形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備える光検出装置では、入射光は、平面波成分が残った波面形状を含むものの、特有の乱れがある干渉パターンをも含む波面形状となっている。さらに、図５Ｂの左に示すように、柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置では、入射光は、図５Ａの右と同様に、特有の乱れがある干渉パターンを含む波面形状となっている。
一方、図５Ｂの右に示すように、柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備える光検出装置（本実施形態にかかる光検出装置に対応）では、入射光は、平面波をほとんど含まず、特有の乱れがある干渉パターンをより強く含む波面形状となっている。すなわち、柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備える光検出装置では、散乱構造による回折によって、斜め方向に進む入射光の成分が増加し、入射光の角度分散がより大きくなっていることがわかる。このような光検出装置では、入射光の角度分散をより大きくすることができるため、入射光の光路長が長くなり、入射光の光吸収効率が高くなることが予測される。
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本実施形態に係る光検出装置における光吸収効率の向上をシミュレーションで確認した結果について説明する。図６Ａは、球面形状又は柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備える光検出装置の量子効率（光吸収効率）を３Ｄ－ＦＤＴＤ法で見積もったグラフ図である。図６Ｂは、球面形状又は柱体形状のオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置の量子効率（光吸収効率）を３Ｄ－ＦＤＴＤ法で見積もったグラフ図である。図６Ａ及び図６Ｂでは、光検出装置の量子効率をオンチップレンズの高さ依存で見積もった。
３Ｄ－ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションでは、画素の形状は、１．５μｍ四方の正方形とし、画素の境界に配置される遮光膜の幅は、０．０８μｍとした。また、光電変換部の側面は、周期境界条件とし、光電変換部の上下面は、ＰＭＬ（Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｌａｙｅｒ）の吸収条件とした。さらに、入射光は、波長９４０ｎｍの近赤外線とし、散乱構造の構造周期は、４００ｎｍとした。
図６Ａの試験例１～３は、１．３μｍ四方の正方形を底面とする柱体形状のＳｉ３Ｎ４で構成されたオンチップレンズと、散乱構造とを備える光検出装置における量子効率を示す。試験例１～３では、平坦化膜の厚みが互いに異なり、試験例１では、平坦化膜の厚みが０．８２μｍであり、試験例２では、平化膜の厚みが０．５μｍであり、試験例３では、平坦化膜の厚みが０．３μｍである。
図６Ａの比較例１、２は、球面形状で構成されたオンチップレンズと、散乱構造とを備える光検出装置における量子効率を示す。比較例１、２では、球面形状のオンチップレンズの材質が互いに異なり、比較例１では、オンチップレンズの材質が有機樹脂であり、比較例２では、オンチップレンズの材質がＳｉ３Ｎ４である。
図６Ｂの比較例３、４は、球面形状で構成されたオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置における量子効率を示す。比較例３、４では、球面形状のオンチップレンズの材質が互いに異なり、比較例３では、オンチップレンズの材質が有機樹脂であり、比較例４では、オンチップレンズの材質がＳｉ３Ｎ４である。
図６Ｂの比較例５～７は、１．３μｍ四方の正方形を底面とする柱体形状のＳｉ３Ｎ４で構成されたオンチップレンズを備え、散乱構造を備えない光検出装置における量子効率を示す。比較例５～７では、平坦化膜の厚みが互いに異なり、比較例５では、平坦化膜の厚みが０．８２μｍであり、比較例６では、平化膜の厚みが０．５μｍであり、比較例７では、平坦化膜の厚みが０．３μｍである。
図６Ａ及び図６Ｂの試験例１～３、及び比較例１～７からわかるように、本実施形態に係る光検出装置に対応する試験例１～３は、柱体形状のオンチップレンズを備えない比較例１～２、及び散乱構造を備えない比較例５～７と比較して、量子効率をより向上させることができる。すなわち、本実施形態に係る光検出装置は、柱体形状のオンチップレンズ、及び散乱構造を組み合わせて備えることによって、特に長波長の入射光に対して量子効率を向上させることができる。
以上の説明からわかるように、本実施形態に係る光検出装置１は、柱体形状のオンチップレンズ１４０により、散乱構造１２１への入射光Ｌの最大入射角度をより大きくすることができるため、散乱構造１２１にて回折光をより効率的に発生させることが可能である。よって、本実施形態に係る光検出装置１は、光電変換部１０１での入射光Ｌの光吸収効率を向上させることができるため、より画質の良好な画像を取得することができる。
さらに、図７～図９を参照して、本実施形態に係る光検出装置１が備えるオンチップレンズ１４０のバリエーションについて説明する。図７は、柱体形状のオンチップレンズ１４０の平面構成のバリエーションを示す上面図である。
図２Ｂを参照して上述したようにオンチップレンズ１４０は、例えば、底面が四角形である柱体形状にて設けられてもよい。また、図７に示すように、オンチップレンズ１４０は、例えば、底面が八角形である柱体形状にて設けられてもよい。オンチップレンズ１４０は、半導体基板１００の光の入射面に対して、平行な１対の底面を備え、半導体基板１００の光の入射側の面に垂直な方向に延伸する柱体形状であれば、底面の形状は特に限定されない。
ただし、光電変換部１０１での光吸収効率をより高めるためには、オンチップレンズ１４０の底面の形状は、四角形であることが好ましい。
例えば、リソグラフィを用いてオンチップレンズ１４０が形成される場合、露光の際の回折によって、オンチップレンズ１４０の底面の多角形形状の角が精度良く形成されないことがあり得る。このような場合、オンチップレンズ１４０は、円形に近い多角形を底面とする柱体形状にて形成され得る。しかしながら、本実施形態に係る光検出装置１は、画素形状に近い四角形を底面とする柱体形状でオンチップレンズ１４０を設けることで、光電変換部１０１での光吸収効率をより向上させることできる。
ここで、四角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置の光吸収効率と、八角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置の光吸収効率とをシミュレーションで見積もった結果を図８に示す。図８は、四角柱形状又は八角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置の量子効率（光吸収効率）を３Ｄ－ＦＤＴＤ法で見積もったグラフ図である。図８では、光検出装置の量子効率をオンチップレンズの高さ依存で見積もった。
３Ｄ－ＦＤＴＤ法を用いたシミュレーションでは、画素の形状は、１．５μｍ四方の正方形とし、画素の境界に配置される遮光膜の幅は、０．０８μｍとした。また、光電変換部の側面は、周期境界条件とし、光電変換部の上下面は、ＰＭＬ（Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ Ｍａｔｃｈｅｄ Ｌａｙｅｒ）の吸収条件とした。さらに、入射光は、波長９４０ｎｍの近赤外線とし、散乱構造の構造周期は、４００ｎｍとした。
図８の試験例４は、１．３μｍ四方の四角形を底面とする四角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置における量子効率を示す。試験例５は、１．３μｍ四方の四角形から４隅を０．３７５μｍずつ切断した八角形を底面とする八角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置における量子効率を示す。
図８の試験例４及び５からわかるように、四角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置（試験例４）は、八角柱形状のオンチップレンズを備える光検出装置（試験例５）に対して、量子効率が向上していることがわかる。したがって、光検出装置は、画素形状に近い四角形を底面とする柱体形状のオンチップレンズを設けることで、光電変換部での光吸収効率をより向上させることできる。
このような四角柱形状のオンチップレンズ１４０は、例えば、図９に示すような一方向に延在するマスク３０１を用いた露光を、マスク３０１を９０度回転させて２回行うことで形成することができる。図９は、四角柱形状のオンチップレンズ１４０のパターニングに用いられるマスク３０１の一例を示す平面図である。
具体的には、リソグラフィの露光では、光近接効果のために、多角形の角などのパターンで回折が生じやすく、マスクに忠実なパターンが形成されにくい。そのため、多角形の角などのパターンを含まない一方向に延在するマスク３０１を用いて、互いに９０度回転した向きで２回露光を行うことで、四角形状にパターニングされたレジストを形成することができる。これによれば、より高い精度で四角柱形状のオンチップレンズ１４０を形成することができる。なお、マスク３０１のライン及びスペースのパターンは、レジストの特性によっては反転していてもよい。
＜３．変形例＞
（３．１．第１の変形例）
次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態の第１の変形例に係る光検出装置について説明する。図１０は、第１の変形例に係る光検出装置２の断面構成を示す縦断面図である。
図１０に示すように、光検出装置２は、例えば、配線層１１０と、光電変換部１０１及び素子分離部１０２を含む半導体基板１００と、散乱構造１２２と、遮光膜１３２と、平坦化膜１３１と、オンチップレンズ１４０と、反射防止膜１４１とを備える。
第１の変形例に係る光検出装置２は、図１に示す光検出装置１に対して、散乱構造１２２が複数の散乱体１２０を周期的に配列させた回折格子構造で設けられる点が異なる。その他の構成については、第１の変形例に係る光検出装置２と、図１に示す光検出装置１とで実質的に同様であるのでここでの説明は省略する。
散乱構造１２２は、平坦化膜１３１の内部に散乱体１２０を周期的に設けた回折格子構造である。散乱構造１２２は、半導体基板１００に形成された周期的な凹凸構造と同様に、光検出装置２への入射光Ｌを散乱又は回折させることができる。
散乱体１２０は、平坦化膜１３１と光の屈折率又は吸収率が異なる材料で構成される。例えば、平坦化膜１３１が有機樹脂等で構成される場合、散乱体１２０は、Ｓｉ３Ｎ４、ｐｏｌｙ－Ｓｉ、マイクロクリスタルＳｉ、アモルファスＳｉ、ＴｉＯ２、又はＡｌなどで構成されてもよい。
散乱構造１２２の具体的な構造について図１１を参照して説明する。図１１は、図１０の散乱構造１２２の平面構成を示す上面図である。
図１０及び図１１に示すように、散乱構造１２２は、四角形形状の散乱体１２０が半導体基板１００の面内の二次元方向にそれぞれ周期的に配置された回折格子構造として設けられてもよい。例えば、画素が１．５μｍ四方の正方形である場合、散乱体１２０は、４００ｎｍ周期で設けられてもよい。これによれば、散乱構造１２２は、画素内に３行３列の行列状に散乱体１２０を互いに離隔して配置した回折格子構造として設けられる。
第１の変形例に係る光検出装置２によれば、図１に示す光検出装置１と同様に、光電変換部１０１に入射する光を散乱構造１２２によって効率的に回折させることができる。したがって、第１の変形例に係る光検出装置２は、入射光を効率的に光電変換部１０１で光電変換することができるため、入射光Ｌの光吸収効率をより高めることが可能である。
ただし、散乱構造１２２は、上記で例示した形状の回折格子構造に限定されない。散乱構造１２２は、入射光Ｌに対して回折を生じさせることができれば、長手形状の散乱体１２０を一方向に周期的に配置した回折格子構造であってもよい。
（３．２．第２の変形例）
続いて、図１２及び図１３を参照して、本実施形態の第２の変形例に係る光検出装置について説明する。図１２は、第２の変形例に係る光検出装置３の断面構成を示す縦断面図である。
図１２に示すように、光検出装置３は、例えば、配線層１１０と、光電変換部１０１及び素子分離部１０２を含む半導体基板１００と、散乱構造１２１と、遮光膜１３２と、平坦化膜１３１と、赤外線フィルタ１５０と、オンチップレンズ１４０と、反射防止膜１４１とを備える。
第２の変形例に係る光検出装置３は、図１に示す光検出装置１に対して、赤外線フィルタ１５０が設けられる点が異なる。その他の構成については、第２の変形例に係る光検出装置３と、図１に示す光検出装置１とで実質的に同様であるのでここでの説明は省略する。
なお、第２の変形例に係る光検出装置３は、半導体基板１００に形成された周期的な凹凸構造である散乱構造１２１に替えて、複数の散乱体１２０を周期的に配列させた回折格子構造である散乱構造１２２を備えてもよい。
赤外線フィルタ１５０は、可視光線を吸収し、近赤外線（例えば、７００ｎｍ～２５００ｎｍの波長の光）を透過させる光学フィルタである。例えば、赤外線フィルタ１５０は、図１３に示す光透過率スペクトルを有する光学フィルタであってもよい。図１３は、赤外線フィルタ１５０の光透過率スペクトルの一例を示すグラフ図である。図１３に示す光透過率スペクトルを有する光学フィルタによれば、８５０ｎｍ以上の波長の近赤外線を選択的に透過させることができる。
これによれば、光検出装置３は、オンチップレンズ１４０と、平坦化膜１３１との間に、近赤外線を選択的に透過させる赤外線フィルタ１５０を設けることで、散乱構造１２１に可視光線が入射することを抑制することができる。したがって、光検出装置３は、近赤外線を検出する場合に、近赤外線の検出結果に含まれるノイズを低減することができる。よって、第２の変形例に係る光検出装置３は、近赤外線（例えば、７００ｎｍ～２５００ｎｍの波長の光）を検出する際のノイズを低減することができるため、良好な画質の近赤外線画像を取得することができる。
＜４．適用例＞
ここで、図１４を参照して、本実施形態に係る光検出装置１の適用例について説明する。図１４は、本実施形態に係る光検出装置１を含むカメラシステム５の概要を示す説明図である。
図１４に示すように、カメラシステム５は、例えば、光源２０と、撮像装置１０とを備える。光源２０は、例えば、被写体３０に近赤外線（特に、波長９４０ｎｍの光）の照射光ＬＬを照射する半導体レーザである。光源２０は、例えば、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザであってもよい。光源２０は、半導体レーザで構成されることで、被写体３０に指向性が高い光を効率的に照射することができる。撮像装置１０は、本実施形態に係る光検出装置１を含み、照射光ＬＬを照射された被写体３０からの反射光ＲＬを検出する撮像装置である。
これによれば、カメラシステム５は、例えば、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）又はパターン投影（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）によって、被写体３０との距離測定、又は被写体３０の形状把握を行うことができる。
具体的には、ＴｏＦとして用いられる場合、カメラシステム５は、まず、光源２０から被写体３０に照射光ＬＬを照射する。次に、カメラシステム５は、照射光ＬＬを照射された被写体３０からの反射光ＲＬを撮像装置１０で検出するまでの時間を計測する。これにより、カメラシステム５は、ｉＴｏＦ（Ｉｎｄｉｒｅｃｔ ＴｏＦ）又はｄＴｏＦ（Ｄｉｒｅｃｔ ＴｏＦ）にて被写体３０までの距離を算出することができる。
ｉＴｏＦによれば、カメラシステム５は、１つの画素にて２つ以上の分割された信号を時間差で読み出すことで、信号強度比（位相差）から被写体３０までの距離を算出することができる。また、ｄＴｏＦによれば、カメラシステム５は、照射光ＬＬが被写体３０で反射して反射光ＲＬとして戻ってくるまでの時間差から被写体３０までの距離を算出することができる。
パターン投影（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ）として用いられる場合、カメラシステム５は、まず、光源２０からパターンを含む照射光ＬＬを被写体３０に照射する。次に、カメラシステム５は、照射光ＬＬを照射された被写体３０から反射された反射光ＲＬに含まれるパターンを撮像装置１０で検出する。これにより、カメラシステム５は、照射光ＬＬにおけるパターンと、反射光ＲＬにおけるパターンとのずれから被写体３０までの距離、又は被写体３０の形状を算出することができる。
以上、実施形態及び変形例を挙げて、本開示にかかる技術を説明した。ただし、本開示にかかる技術は、上記実施形態等に限定されるわけではなく、種々の変形が可能である。
さらに、実施形態で説明した構成および動作の全てが本開示の構成および動作として必須であるとは限らない。たとえば、各実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素は、任意の構成要素として理解されるべきである。
本明細書および添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるとして記載された様態に限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するとして記載された様態に限定されない」と解釈されるべきである。
本明細書で使用した用語には、単に説明の便宜のために用いており、構成及び動作を限定する目的で使用したわけではない用語が含まれる。たとえば、「右」、「左」、「上」、「下」などの用語は、参照している図面上での方向を示しているにすぎない。また、「内側」、「外側」という用語は、それぞれ、注目要素の中心に向かう方向、注目要素の中心から離れる方向を示しているにすぎない。これらに類似する用語や同様の趣旨の用語についても同様である。
なお、本開示にかかる技術は、以下のような構成を取ることも可能である。以下の構成を備える本開示にかかる技術によれば、光検出装置は、柱体形状のオンチップレンズにて、散乱構造に入射する入射光の最大入射角度をより大きくすることができるため、散乱構造にて入射光の回折をより強く発生させることができる。よって、光検出装置は、入射光の回折によって、光電変換部における入射光の光路長をより長くすることができるため、光電変換部にて入射光をより効率的に吸収することができる。したがって、光検出装置は、入射光の光吸収効率をより向上させることができる。本開示にかかる技術が奏する効果は、ここに記載された効果に必ずしも限定されるわけではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
（１）
光電変換部を内部に含む半導体基板と、
前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、
前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズと
を備える、光検出装置。
（２）
前記散乱構造は、前記半導体基板に形成された周期的な凹凸構造である、上記（１）に記載の光検出装置。
（３）
前記凹凸構造の凹部は、四角錐形状又は四角錐台形状である、上記（２）に記載の光検出装置。
（４）
前記散乱構造は、複数の散乱体が周期的に配列された回折格子構造である、上記（１）に記載の光検出装置。
（５）
前記回折格子構造は、前記半導体基板と、前記オンチップレンズとの間の平坦化膜の内部に設けられ、
前記散乱体は、前記平坦化膜と前記光の屈折率、又は前記光の吸収率が異なる材料で設けられる、上記（４）に記載の光検出装置。
（６）
前記散乱構造の構造周期は、前記光の波長に対して回折条件を満たす、上記（１）～（５）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（７）
前記光は、近赤外線である、上記（１）～（６）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（８）
前記散乱構造は、前記半導体基板の面内の二次元方向にそれぞれ周期的に設けられる、上記（１）～（７）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（９）
前記オンチップレンズは、四角柱形状である、上記（１）～（８）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（１０）
前記半導体基板には、前記半導体基板の厚み方向に延在し、前記半導体基板の面内を画素ごとに分離する素子分離部が設けられる、上記（１）～（９）のいずれか一項に記載の光検出装置。
（１１）
前記素子分離部は、前記半導体基板よりも屈折率が小さい材料で設けられる、上記（１０）に記載の光検出装置。
（１２）
光検出装置を含み、
前記光検出装置は、
光電変換部を内部に含む半導体基板と、
前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、
前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズと
を備える、カメラシステム。
（１３）
被写体にレーザ光を照射する光源をさらに含み、
前記光検出装置は、前記被写体からの前記レーザ光の反射光を検出する、上記（１２）に記載のカメラシステム。
１，２，３…光検出装置、５…カメラシステム、１０…撮像装置、２０…光源、３０…被写体、１００…半導体基板、１０１…光電変換部、１０２…素子分離部、１１０…配線層、１２０…散乱体、１２１，１２２…散乱構造、１３１…平坦化膜、１３２…遮光膜、１４０…オンチップレンズ、１４１…反射防止膜、１５０…赤外線フィルタ

Claims (13)

  1. 光電変換部を内部に含む半導体基板と、
    前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、
    前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズと
    を備える、光検出装置。
  2. 前記散乱構造は、前記半導体基板に形成された周期的な凹凸構造である、請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記凹凸構造の凹部は、四角錐形状又は四角錐台形状である、請求項２に記載の光検出装置。
  4. 前記散乱構造は、複数の散乱体が周期的に配列された回折格子構造である、請求項１に記載の光検出装置。
  5. 前記回折格子構造は、前記半導体基板と、前記オンチップレンズとの間の平坦化膜の内部に設けられ、
    前記散乱体は、前記平坦化膜と前記光の屈折率、又は前記光の吸収率が異なる材料で設けられる、請求項４に記載の光検出装置。
  6. 前記散乱構造の構造周期は、前記光の波長に対して回折条件を満たす、請求項１に記載の光検出装置。
  7. 前記光は、近赤外線である、請求項１に記載の光検出装置。
  8. 前記散乱構造は、前記半導体基板の面内の二次元方向にそれぞれ周期的に設けられる、請求項１に記載の光検出装置。
  9. 前記オンチップレンズは、四角柱形状である、請求項１に記載の光検出装置。
  10. 前記半導体基板には、前記半導体基板の厚み方向に延在し、前記半導体基板の面内を画素ごとに分離する素子分離部が設けられる、請求項１に記載の光検出装置。
  11. 前記素子分離部は、前記半導体基板よりも屈折率が小さい材料で設けられる、請求項１０に記載の光検出装置。
  12. 光検出装置を含み、
    前記光検出装置は、
    光電変換部を内部に含む半導体基板と、
    前記半導体基板の光の入射面側に周期的に設けられた散乱構造と、
    前記散乱構造のさらに前記光の入射面側に設けられ、前記光の入射面が平面である柱体形状のオンチップレンズと
    を備える、カメラシステム。
  13. 被写体にレーザ光を照射する光源をさらに含み、
    前記光検出装置は、前記被写体からの前記レーザ光の反射光を検出する、請求項１２に記載のカメラシステム。
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