JP2022095086A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】受光領域への集光効率をより一層向上させることが可能な受光素子を提供する。【解決手段】受光素子は、少なくとも１つの受光領域１０を含み、光が入射する光入射面２ａを有する基板２と、基板２の光入射面２ａにおいて、光入射面２ａに入射する光を集光するように形成されたメタレンズ３と、を備える。基板２の厚さ方向（Ｚ軸方向）から見た場合に、メタレンズ３は、受光領域１０に隣接する隣接領域Ｒ１、及び隣接領域Ｒ１と連続しており且つ受光領域１０の外縁に沿った受光領域１０の内側の領域である周縁領域Ｒ２の両方と重なるように形成されている。Ｚ軸方向から見た場合に、光入射面２ａにおいて受光領域１０の中央領域と重なる領域には、メタレンズ３が形成されていない非形成領域Ｒ３が設けられている。【選択図】図２

Description

本開示は、受光素子に関する。

受光領域を含む光センサ基板の光入射面に屈折率変調構造であるグレーティング構造を設ける構成が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載されたグレーティング構造は、光入射面において光センサ基板の厚さ方向から見て受光領域と重ならない周辺領域に設けられており、上記厚さ方向から見て受光領域と重なる領域には設けられていない。

米国特許出願公開２０１８／０１３０９１４号明細書

特許文献１に記載された上記構成では、周辺領域に入射した光をグレーティング構造によって受光領域へと集光することにより、集光効率の向上が図られている。一方で、上記構成では、光センサ基板の厚さ方向から見て受光領域と重なる領域の全体にグレーティング構造が形成されていない。すなわち、光センサ基板の厚さ方向から見て、グレーティング構造が形成されていない開口領域が受光領域の全体を含んでいる。分析対象の光が光入射面に対して傾斜して入射する成分（斜入射光）を含む場合、開口領域を通過した斜入射光の多くの成分が、そのまま受光領域の外側へと抜けていく可能性がある。従って、特許文献１に記載された上記構成には、少なくともこのような斜入射光に関して、受光領域への集光効率の向上を図る上で改善の余地がある。

そこで、本開示の一側面は、受光領域への集光効率をより一層向上させることが可能な受光素子を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る受光素子は、少なくとも１つの受光領域を含み、光が入射する光入射面を有する基板と、基板の光入射面において、光入射面に入射する光を集光するように形成されたメタレンズと、を備え、基板の厚さ方向から見た場合に、メタレンズは、受光領域に隣接する隣接領域、及び隣接領域と連続しており且つ受光領域の外縁に沿った受光領域の内側の領域である周縁領域の両方と重なるように形成されており、厚さ方向から見た場合に、光入射面において受光領域の中央領域と重なる領域には、メタレンズが形成されていない非形成領域が設けられている。

上記受光素子によれば、メタレンズが隣接領域に形成されていることにより、隣接領域に入射した光を受光領域へと好適に導くことができる。また、非形成領域が形成されていることにより、受光領域の正面から受光領域に向かって直進する入射光をメタレンズを介さずに受光領域に入射させることができる。このため、光がメタレンズを通過することに起因する光損失を抑制することができる。さらに、メタレンズが受光領域の縁部と重なる周縁領域にも形成されている。これにより、分析対象の光が光入射面に対して傾斜して入射する斜入射光を含む場合であっても、上記斜入射光のうち周縁領域に設けられたメタレンズに入射した成分を、受光領域へと好適に導光することができる。以上により、受光領域への集光効率をより一層向上させることができる。

メタレンズは、周期的に配列された複数の凸部によって構成されていてもよい。上記構成によれば、メタレンズを物理的に堅牢な構造とすることができる。

メタレンズは、周期的に配列された複数の凹部によって構成されていてもよい。上記構成によれば、メタレンズをより一層物理的に堅牢な構造とすることができる。さらに、複数の凹部の各々の内部には、誘電体が充填されていてもよい。上記構成によれば、メタレンズをより一層効果的に物理的に堅牢な構造とすることができると共に、メタレンズ３の表面反射率を低減させることが可能となる。これにより、受光領域への集光効率をより一層向上させることができる。

メタレンズは、少なくとも、周縁領域のうち厚さ方向に直交する一方向において対向する第１周縁領域及び第２周縁領域と重なるように形成されていてもよい。上記構成によれば、少なくとも上記一方向において、１次元的に集光効率の向上を図ることができる。

メタレンズは、受光領域の全周に亘って形成される環状の周縁領域の全体と重なるように形成されていてもよい。上記構成によれば、２次元的に集光効率の向上を図ることができる。

非形成領域の幅は、非形成領域に入射する光の回折による拡がり幅に基づいて、非形成領域に入射した光のメインローブが受光領域に包含される範囲に設定されていてもよい。非形成領域の幅を小さくする程、非形成領域に入射する光の回折による拡がり幅が増大する。上記構成によれば、非形成領域の幅が、回折拡がりが生じた光のメインローブが受光領域に包含される範囲に設定されることにより、非形成領域に入射する光の大部分（メインローブ）を受光領域に入射させることができる。これにより、集光効率を効果的に向上させることができる。

非形成領域には、反射防止膜が設けられていてもよい。上記構成によれば、光入射面と外界（例えば空気）との界面における入射光の反射ロスを抑制することができる。

基板は、受光領域が設けられた第１面と第１面とは反対側の第２面とを有する第１基板と、第１基板の第２面と接着樹脂層を介して接合され、第１基板を支持する第２基板と、を有してもよく、光入射面は、第２基板における第１基板とは反対側に位置する面によって構成されていてもよい。また、第１基板は、シリコン基板であってもよく、第２基板は、ガラス基板であってもよい。上記構成によれば、受光部が設けられる第１基板と第１基板を支持する第２基板とで基板を構成することにより、基板の強度を適切に確保することができる。

第１基板と第２基板との間には、反射防止膜が設けられていてもよい。上記構成によれば、第１基板と第２基板との界面における入射光の反射ロスを抑制することができる。

第１基板と第２基板との間には、メタレンズ層が設けられていてもよい。上記構成によれば、受光領域へと向かう入射光を第１基板と第２基板との界面において更に集光することにより、集光効率の更なる向上を図ることができる。

基板は、受光領域が設けられた第１面と第１面とは反対側の第２面とを有する単一の基板部材からなってもよく、光入射面は、第２面によって構成されていてもよい。上記構成によれば、受光素子の構造の簡素化を図りつつ、上述した集光効率の向上効果を得ることができる。

本開示の一側面によれば、受光領域への集光効率をより一層向上させることが可能な受光素子を提供することができる。

本開示の実施形態に係る受光素子の平面図である。 （Ａ）は図１のIIa-IIa線に沿った断面図であり、（Ｂ）は図１のIIb-IIb線に沿った断面図である。 メタレンズの基本構成（単位セル）を示す図である。 メタレンズの製造工程を示す図である。 受光素子の効果について説明するための図である。 実施例及び比較例における斜入射光の集光効率について説明するための図である。 メタレンズの開口における回折拡がりについて説明するための図である。 受光素子が備える基板の第１変形例を示す図である。 受光素子が備える基板の第２変形例を示す図である。 受光素子が備える基板の第３変形例を示す図である。 メタレンズの基本構成の第１変形例を示す図である。 メタレンズの基本構成の第２変形例を示す図である。 第１変形例及び第２変形例の基本構成を有するメタレンズの製造工程を示す図である。 受光素子の第１変形例～第４変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

［実施形態に係る受光素子の構成］
図１及び図２に示されるように、受光素子１は、基板２と、メタレンズ３と、を備える。本実施形態では一例として、受光素子１は、１画素分の受光領域１０を含む長尺状の受光センサである。ただし、受光素子１は、複数の画素に対応する複数の受光領域１０を含んでいてもよい。例えば、受光素子１は、図１に示される１画素分の単位構造（基板２）をＸ軸方向又はＹ軸方向に１次元状に複数配列した構造を有してもよいし、上記単位構造をＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに２次元状（格子状）に複数配列した構造を有してもよい。なお、図１及び図２並びに後述する他の図面において、説明の便宜上、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる３次元直交座標を図示している。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向は、受光素子１（基板）の短手方向、長手方向、及び厚さ方向に対応している。

基板２は、少なくとも１つの受光領域１０を含み、分析対象である光が入射する光入射面２ａを有する。一例として、基板２は、矩形板状に形成されている。基板２の短手方向（Ｘ軸方向）の長さは、例えば２０μｍ程度である。基板２の長手方向（Ｙ軸方向）の長さは、例えば２０１．５μｍ程度である。基板２は、受光領域１０が設けられた半導体基板であるシリコン基板２１（第１基板）と、メタレンズ３が設けられたガラス基板２２（第２基板）と、を有する。

シリコン基板２１は、受光領域１０が設けられた主面２１ａ（第１面）と主面２１ａとは反対側の裏面２１ｂ（第２面）とを有する。シリコン基板２１の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば１０μｍ程度である。ガラス基板２２は、シリコン基板２１の裏面２１ｂと接着樹脂層２３を介して接合されており、シリコン基板２１を支持する。ガラス基板２２は、シリコン基板２１の主面２１ａに対向する面２２ａと、面２２ａとは反対側の面２２ｂと、を有する。基板２の光入射面２ａは、ガラス基板２２の面２２ｂによって構成されている。ガラス基板２２の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば３００μｍ程度である。

図１に示されるように、受光領域１０は、シリコン基板２１の主面２１ａの略中央部において、主面２１ａに沿って設けられている。一例として、受光領域１０は、矩形状に形成されている。受光領域１０の短手方向及び長手方向は、それぞれ基板２の短手方向及び長手方向と一致している。受光領域１０の短手方向（Ｘ軸方向）の長さは、例えば６．２μｍ程度である。受光領域１０の長手方向（Ｙ軸方向）の長さは、例えば５０μｍ程度である。また、受光領域１０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば３μｍ程度である。

メタレンズ３は、基板２の光入射面２ａ（本実施形態では、ガラス基板２２の面２２ｂ）に形成されている。メタレンズ３は、光入射面２ａに入射する光を集光するレンズとして機能するメタサーフェス構造体である。より具体的には、メタレンズ３は、図３に示される基本構成（単位格子）である単位セルＣ１がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子状に周期的に配列されたナノ構造体（微細凹凸構造）である。一例として、単位セルＣ１は、Ｚ軸方向から見て正方形状の領域である。単位セルＣ１毎に１つの柱状（本実施形態では一例として円柱状）のピラー３１（凸部）が形成されている。ピラー３１は、単位セルＣ１の中央部において、ガラス基板２２の面２２ｂに立設されている。すなわち、メタレンズ３は、格子状に周期的に配列された複数のピラー３１によって構成されている。ピラー３１の材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）等である。

ピラー３１の周期ａ（すなわち、隣接するピラー３１の中心間距離であり、単位セルＣ１の１辺の長さ）は、分析対象の光の波長よりも短くなるように設定される。すなわち、メタレンズ３は、分析対象の光のサブ波長構造を有する。一例として、分析対象の光の波長λが９４０ｎｍである場合、ピラー３１の周期ａは、例えば４００ｎｍに設定され得る。また、ピラー３１の高さｈは、例えば４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲から選択され得る。ピラー３１の幅ｄ（直径）は、例えば１００ｎｍ～３００ｎｍの範囲から選択され得る。一例として、メタレンズ３全体（すなわち、全ての単位セルＣ１）において、ピラー３１の高さｈは一定の値（例えば５００ｎｍ）に設定される。一方、各単位セルＣ１のピラー３１の幅ｄは、各単位セルＣ１の配置場所に応じて、上記範囲から選択される。このように、各単位セルＣ１のピラー３１の幅ｄが各単位セルＣ１の場所に応じて設定されることで、各単位セルＣ１の場所毎に位相変調量が制御され、集光レンズとして機能するメタレンズ３が得られる。例えば、メタレンズ３は、Ｚ軸方向から見た場合に、メタレンズ３の外側から中心（後述する非形成領域Ｒ３の中心）に向かう方向に沿って位相が連続的に２π分変化するように形成された１周期分の領域（複数の単位セルＣ１を含む領域）を、上記方向に沿って複数繰り返し配列した構造を有する。

上述したメタレンズ３の構造について補足する。メタレンズ構造（メタサーフェス構造）のタイプとして、いわゆる屈折率変調型及び共鳴型が知られている。メタレンズ３は、上記のいずれのメタサーフェス構造を有してもよい。屈折率変調型のメタサーフェス構造は、各単位セルＣ１におけるメタレンズ材料の充填率（占有率）により定まる実効屈折率を制御する方式である。共鳴型のメタサーフェス構造は、各単位セルＣ１の構造（すなわち、規則的に配列された複数の凹凸構造からなるナノ構造の形状及び大きさ）によって電気共鳴及び磁気共鳴を調整することで、位相及び透過率を制御する方式である。より具体的には、共鳴型のメタサーフェス構造は、下記式（１）により示される透過率係数ｔを調整することで、上述したレンズ機能を実現する方式である。なお、下記式（１）において、ω_ｅ,kはｋ次モードの電気共鳴に関する共鳴周波数を表し、ω_ｍ,kはｋ次モードの磁気共鳴に関する共鳴周波数を表す。また、ωは電子分極を記述するローレンツ振動子モデルにおける共鳴角周波数を表す。γ_ｅ，ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの電気共鳴に関する減衰係数を表し、γ_ｍ，ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの磁気共鳴に関する減衰係数を表す。ａ_ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの電気共鳴の寄与度を表すパラメータであり、ｂ_ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの磁気共鳴の寄与度を表すパラメータである。なお、共鳴型のメタサーフェス構造は、下記式（１）において「ｍ＝ｎ＝１」とする場合（すなわち、単一モードの電気双極子及び磁気双極子の共鳴を利用する場合）に対応するホイヘンス型（Nanodisk型）と、下記式（１）において「ｍ＝ｎ＝１」以外の場合（すなわち、高次モードの共鳴を利用する場合）に対応するＨＣＧ型（Micropost型）と、を含む。メタレンズ３を共鳴型のメタサーフェス構造によって構成する場合、上述のホイヘンス型及びＨＣＧ型のいずれのタイプが用いられてもよい。

メタレンズ３の構造として屈折率変調型を採用した場合には、共鳴型を採用する場合と比較して、分析対象の光の波長の変化に対するロバスト性を確保することができる。一方、共鳴型を採用した場合には、屈折率変調型と比較して位相変化をシャープにすることができると共に高い透過率を確保することができる。また、ホイヘンス型を採用した場合には、屈折率変調型及びＨＣＧ型と比較して、ピラー３１のアスペクト比を低くすること（すなわち、ピラー３１の高さを低くすること）ができるため、メタレンズ３の構造をより一層堅牢なものとすることができる。一方、ＨＣＧ型を採用した場合には、複数の高次モードの共鳴を利用することができるため、メタレンズ３の構造設計の自由度を高くすることができる。

図１及び図２に示されるように、Ｚ軸方向（基板２の厚さ方向）から見た場合に、メタレンズ３は、受光領域１０に隣接する隣接領域Ｒ１、及び隣接領域Ｒ１と連続しており且つ受光領域１０の外縁に沿った受光領域１０の内側の領域である周縁領域Ｒ２の両方と重なるように形成されている。また、Ｚ軸方向から見た場合に、光入射面２ａ（本実施形態では、ガラス基板２２の面２２ｂ）において受光領域１０の中央領域と重なる領域には、非形成領域Ｒ３が設けられている。非形成領域Ｒ３は、メタレンズ３が形成されていない領域である。

本実施形態では、メタレンズ３は、受光領域１０の全周に亘って形成される環状の周縁領域Ｒ２の全体と重なるように形成されている。すなわち、メタレンズ３は、Ｚ軸方向から見た場合に、非形成領域Ｒ３に対応する矩形状の開口３ａが中央部に形成された矩形環状を呈している。すなわち、非形成領域Ｒ３は、周縁領域Ｒ２の分だけ受光領域１０よりも一回り小さい大きさに形成されている。言い換えると、Ｚ軸方向から見た場合に、非形成領域Ｒ３は、受光領域１０の内側に完全に収まっている。更に言い換えると、Ｚ軸方向から見た場合に、非形成領域Ｒ３の外縁は、非形成領域Ｒ３の全周に亘って、受光領域１０の外縁よりも内側に位置している。

図４を参照して、メタレンズ３の製造工程の一例について説明する。まず、スパッタリング法によって、ガラス基板２２（石英基板）の面２２ｂ上に、メタレンズ３（すなわち、複数のピラー３１）になる予定の部分を含むシリコン層３０（アモルファスシリコン）が成膜される（ステップＳ１）。シリコン層３０の膜厚は、ピラー３１の高さｈの設計値（例えば、４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲から選択される値）に基づいて決定される。続いて、シリコン層３０の表面（ガラス基板２２側とは反対側の面）上に、３００ｎｍ程度の膜厚のＥＢ（電子線）レジスト１００が塗布される（ステップＳ２）。続いて、ＥＢリソグラフィ法によって、ＥＢレジスト１００に対して、予め設計されたパターンがＥＢ描画される（ステップＳ３）。具体的には、上述した隣接領域Ｒ１及び周縁領域Ｒ２に含まれる各単位セルＣ１のうちピラー３１が形成されない部分と、非形成領域Ｒ３と、に対応する開口１００ａが、ＥＢレジスト１００に形成される。本実施形態（図１の例）では、ＥＢ描画領域は、短辺が２０μｍであり長辺が２０１．５μｍの矩形領域である。続いて、ＥＢレジスト１００をマスクとして用いたエッチング（例えば、誘導結合型（ＩＣＰ－ＲＩＥ）エッチング等のドライエッチング）が実行されることにより、シリコン層３０のうちＥＢレジスト１００の開口１００ａに対応する部分（すなわち、露出部分）が除去される。その後、ＥＢレジスト１００が剥離される（ステップＳ４）。以上により、ガラス基板２２の面２２ｂ上に、メタレンズ３（すなわち、複数のピラー３１が周期的に配列された構造）が形成される。

［実施形態に係る受光素子の作用効果］
図５を参照しつつ、以上説明した受光素子１の効果について説明する。図５に示されるように、メタレンズ３が隣接領域Ｒ１に形成されていることにより、隣接領域Ｒ１に入射した光Ｌ１を受光領域１０へと好適に導くことができる。例えば、隣接領域Ｒ１において、光入射面２ａに直交する方向に直進する光Ｌ１（すなわち、そのままでは受光領域１０の外側に外れてしまう光）の進行方向を、メタレンズ３によって受光領域１０側に変更させることにより、当該光Ｌ１を受光領域１０に入射させることが可能となる。また、非形成領域Ｒ３が形成されていることにより、受光領域１０の正面から受光領域１０に向かって直進する入射光（光Ｌ３）をメタレンズ３を介さずに受光領域１０に入射させることができる。このため、光Ｌ３がメタレンズ３を通過することに起因する光損失を抑制することができる。

さらに、受光素子１においては、メタレンズ３が受光領域１０の縁部と重なる周縁領域Ｒ２にも形成されている。すなわち、Ｚ軸方向から見た場合に、非形成領域Ｒ３の外縁が受光領域１０の外縁よりも内側に位置している。これにより、分析対象の光Ｌが光入射面２ａに対して傾斜して入射する成分（斜入射光）を含む場合であっても、斜入射光のうち周縁領域Ｒ２に設けられたメタレンズ３に入射する成分を、受光領域１０へと好適に導光することができる。

図６を参照して、上記斜入射光に関する効果について詳細に説明する。図６の（Ａ）に示される受光素子２００は、メタレンズ３が周縁領域Ｒ２に形成されていることにより奏される効果を検証するために作成された簡易的な構成のシミュレーションモデルである。受光素子２００では、ガラス基板２２の面２２ａの全体に受光領域１０が形成されると共に、面２２ｂに上述したメタレンズ３が形成されている。メタレンズ３の中央部には、開口３ａ（上述した非形成領域Ｒ３に対応する開口）が設けられている。面２２ｂにおいてメタレンズ３が設けられた領域は、上述した周縁領域Ｒ２に相当する。ここで、ガラス基板２２の屈折率は「１．５１」であり、ガラス基板２２の厚さｄ１は４０μｍである。また、メタレンズ３の周期ａ（図３参照）は４００ｎｍであり、メタレンズ３の高さｄ２（すなわち、ピラー３１の高さ）は５００ｎｍである。また、受光素子２００は、１辺の長さｗ１が４０μｍの正方形板状に形成されている。開口３ａの幅ｗ２（１辺の長さ）は、１０μｍである。図６の（Ａ）の上側の図は、受光領域１０の中心（開口３ａの中心）を通り、受光素子２００の厚さ方向に沿った一断面を表している。ここで、分析対象の光Ｌは、上記一断面において、光入射面（面２２ｂ）に対して傾斜して光入射面の全体に入射する光である。また、光Ｌの波長λは９４０ｎｍである。光Ｌの光入射面に対する傾斜角度θは２０度に設定されている。一方、図６の（Ｂ）に示される受光素子３００は、比較例に対応するシミュレーションモデルである。受光素子３００は、メタレンズ３が形成されていない点で、受光素子２００と相違しており、その他の構成については、受光素子２００と同様である。

図６の（Ａ）の下側に示されるグラフの横軸は、上記一断面における受光素子２００の中心位置を「０」とした場合の当該中心位置からの距離（図示右方向を正方向、図示左方向を負方向として表した距離）を表している。グラフの縦軸は、受光素子２００の各位置に入射した光の強度を表している。図６の（Ｂ）の下側に示されるグラフは、上述した受光素子２００のグラフに対応する受光素子３００のグラフである。これらのグラフから以下のことがわかる。すなわち、図６の（Ｂ）の下側に示されるグラフに示されるように、メタレンズ３が形成されていない受光素子３００においては、光Ｌの進行方向側（この例では右側）へと光Ｌが受光領域１０よりも外側へと抜けてしまっていることが確認できる。これに対して、図６の（Ａ）の下側に示されるグラフに示されるように、受光素子２００においては、光量のピーク位置が、受光領域１０の中心位置よりも光Ｌの進行方向側に多少ずれているものの、受光領域１０内に位置していることが確認できる。すなわち、メタレンズ３（すなわち、周縁領域Ｒ２に形成されたメタレンズ３）によって、受光領域１０内に光Ｌの成分の大部分が効率的に集光されていることが確認できる。以上のことから、メタレンズ３を受光領域１０の縁部と重なる周縁領域Ｒ２に形成することにより、斜入射光を受光領域１０へと好適に集光することができる。

以上により、受光素子１によれば、受光領域１０への集光効率をより一層向上させることができる。また、例えば、受光素子１が、図１に示される１画素分の単位構造（基板２）をＸ軸方向に沿って複数配列した構造を有する場合においては、一の画素（すなわち、一の受光領域１０に対応する光入射面２ａ）に入射した斜入射光が、当該一の画素に隣接する画素に入射すること（いわゆるクロストーク）の発生を抑制することもできる。

また、メタレンズ３は、周期的に配列された複数のピラー３１によって構成されている。このような構成によれば、メタレンズ３を物理的に堅牢な構造とすることができる。

また、図５に示されるように、非形成領域Ｒ３（すなわち、メタレンズ３の開口３ａ）を通過する光は、開口３ａにおける光の回折によって、拡がりながら受光領域１０へと向かうことになる。このため、仮に、Ｚ軸方向から見て非形成領域Ｒ３と受光領域１０とが同一の大きさで完全に重なっている場合、回折光Ｌ２の一部が受光領域１０の外側へと漏れてしまうことになる。一方、本実施形態では、周縁領域Ｒ２にメタレンズ３が設けられていることにより、非形成領域Ｒ３が受光領域１０よりも一回り小さい大きさに形成されている。これにより、図５に示されるように、非形成領域Ｒ３を通過して拡がりながら受光領域１０へと向かう回折光Ｌ２を受光領域１０内に適切に収めることが可能となる。なお、周縁領域Ｒ２に配置されたメタレンズ３に入射した光は、メタレンズ３によって多少減衰することになるが、メタレンズ３の集光効果によって受光領域１０へと導光される。従って、上述した開口回折に起因する拡がりによって光が受光領域１０外に抜けてしまう場合と比較して、感度を向上させることができる。

より好ましくは、非形成領域Ｒ３の幅（すなわち、開口３ａの幅（１辺の長さ））は、非形成領域Ｒ３に入射する光Ｌの回折による拡がり幅に基づいて、以下のように設定され得る。すなわち、非形成領域Ｒ３の幅は、非形成領域Ｒ３に入射した光Ｌのメインローブが受光領域１０に包含される範囲に設定され得る。図７を参照して、上記について詳細に説明する。図７に示されるように、メタレンズ３の開口３ａにおける回折により生じる拡がり幅（受光領域１０が設けられた位置における光Ｌのメインローブの拡がり幅）は、下記式（２）により表される。ここで、λは光Ｌの波長を表し、Ｚは伝搬距離（すなわち、光入射面２ａから受光領域１０までの距離）を表し、ｎは伝搬媒質の屈折率を表し、Ｗは開口３ａの開口幅（直径）を表す。なお、本実施形態では、光入射面２ａから受光領域１０までの伝搬媒質として、ガラス基板２２、接着樹脂層２３、及びシリコン基板２１の３種類の媒質がある。この場合、屈折率ｎは、各媒質の屈折率及び厚さに基づいて算出される平均的な屈折率である。
メインローブの拡がり幅＝２λＺ／ｎＷ …（２）

従って、受光領域１０の幅をＤと表すと、下記式（３）を満たすように開口３ａの幅Ｗを設定することにより、非形成領域Ｒ３に入射した光Ｌのメインローブの全体を受光領域１０に入射させることが可能となる。これにより、集光効率を効果的に向上させることができる。なお、図７は、下記式（３）において等号（＝）が成立する場合（すなわち、幅Ｗがメインローブの全体を受光領域１０に集光するための下限値に設定されている場合）を示している。
２λＺ／ｎＤ≦Ｗ …（３）

非形成領域Ｒ３（開口３ａ）が矩形状ではなく円形状に形成されている場合（例えば、図１４の（Ｃ）参照）には、上記式（２）及び（３）は、下記式（４）及び（５）に置き換えられる。この場合、開口３ａの幅Ｗは、開口３ａの直径を意味する。なお、非形成領域Ｒ３（開口３ａ）が矩形及び円形のいずれでもない形状を有する場合（例えば、矩形状の角部が丸みを帯びるように面取りされた形状等の場合）等には、上記式（３）の左辺の値と上記式（５）の左辺の値との間の値（例えば中間値）が、開口３ａの幅Ｗの下限値として用いられてもよい。
メインローブの拡がり幅＝２．４４λＺ／ｎＷ …（４）
２．４４λＺ／ｎＤ≦Ｗ …（５）

また、メタレンズ３は、受光領域１０の全周に亘って形成される環状の周縁領域Ｒ２の全体と重なるように形成されている。上記構成によれば、２次元的に集光効率の向上を図ることができる。すなわち、本実施形態では、Ｘ軸方向に沿った平面及びＹ軸方向に沿った平面の両方において、上述した集光効率の向上効果が得られる。

また、基板２は、受光領域１０が設けられた主面２１ａ（第１面）と主面２１ａとは反対側の裏面２１ｂとを有するシリコン基板２１と、シリコン基板２１の裏面２１ｂと接着樹脂層２３を介して接合され、シリコン基板２１を支持するガラス基板２２と、を有しており、光入射面２ａは、ガラス基板２２の面２２ｂによって構成されている。上記構成によれば、受光領域１０が設けられる第１基板（本実施形態ではシリコン基板２１）と第１基板を支持する第２基板（本実施形態ではガラス基板２２）とで基板２を構成することにより、基板２の強度を適切に確保することができる。

［基板の第１変形例］
図８を参照して、受光素子１が備える基板の第１変形例（基板２Ａ）について説明する。図８に示されるように、基板２Ａは、反射防止膜４及び反射防止膜５を更に備える点において、基板２と相違しており、その他の点については基板２と同様である。

反射防止膜４は、光入射面２ａ（ここでは、ガラス基板２２の面２２ｂ）の非形成領域Ｒ３（開口３ａに対応する領域）に設けられている。反射防止膜４は、光入射面２ａと外界（空気）との界面における入射光の反射ロスを抑制する役割を果たす。反射防止膜４は、例えば、ガラス基板２２の面２２ｂに対する単層ＡＲコーティングによって成膜され得る。反射防止膜４によれば、非形成領域Ｒ３を通過する光の透過率を好適に向上させることができる。これにより、受光領域１０への集光効率を効果的に向上させることができる。

反射防止膜４の屈折率ｎ_ＡＲ及び膜厚ｄ_ＡＲは、反射防止膜４の両側に配置される各媒質の屈折率に基づいて設定され得る。具体的には、反射防止膜４の屈折率ｎ_ＡＲは、空気の屈折率ｎ_Ａｉｒとガラス基板２２（ＳｉＯ_２）の屈折率ｎ_ＳｉＯ２との間の値を有する。すなわち、下記式（６）が成立する。より好ましくは、反射抑制が可能な波長帯域を広くする観点から、反射防止膜４の屈折率ｎ_ＡＲは、下記式（７）に基づいて設定されてもよい。また、反射防止膜４の膜厚ｄ_ＡＲは、下記式（８）に基づいて設定される。ここで、λは分析対象の光の波長を表し、ｍは１以上の任意の整数を表す。
ｎ_Ａｉｒ＜ｎ_ＡＲ＜ｎ_ＳｉＯ２ …（６）
ｎ_ＡＲ＝（ｎ_Ａｉｒ・ｎ_ＳｉＯ２）^１／２ …（７）
ｄ_ＡＲ＝（２ｍ＋１）λ／４ｎ_ＡＲ …（８）

反射防止膜５は、シリコン基板２１とガラス基板２２との間（本実施形態では、シリコン基板２１と接着樹脂層２３との間）に設けられている。反射防止膜５は、シリコン基板２１とガラス基板２２との界面における入射光の反射ロスを抑制する役割を果たす。反射防止膜５は、例えば、シリコン基板２１の裏面２１ｂに対する単層ＡＲコーティングによって成膜され得る。反射防止膜５によれば、シリコン基板２１とガラス基板２２との界面を通過する光の透過率を好適に向上させることができる。これにより、受光領域１０への集光効率を効果的に向上させることができる。反射防止膜５の屈折率及び膜厚についても、反射防止膜４と同様に、反射防止膜５の両側に配置される各媒質の屈折率に基づいて設定され得る。

なお、ここでは一例として、反射防止膜４及び反射防止膜５の両方を備える構成について説明したが、反射防止膜４及び反射防止膜５のいずれか一方のみが設けられてもよい。また、反射防止膜５は、接着樹脂層２３とガラス基板２２との間に設けられてもよい。また、シリコン基板２１と接着樹脂層２３との間、及び接着樹脂層２３とガラス基板２２との間のそれぞれに反射防止膜が設けられてもよい。

［基板の第２変形例］
図９を参照して、受光素子１が備える基板の第２変形例（基板２Ｂ）について説明する。図９に示されるように、基板２Ｂは、メタレンズ層６を更に備える点において、基板２と相違しており、その他の点については基板２と同様である。

メタレンズ層６は、シリコン基板２１とガラス基板２２との間（本実施形態では、シリコン基板２１と接着樹脂層２３との間）に設けられている。メタレンズ層６は、上述したメタレンズ３と同様の微細凹凸構造（例えば、複数のピラー３１が周期的に配列された構造）を有し、ガラス基板２２側からシリコン基板２１側へと向かう光を受光領域１０へと更に集光する役割を果たす。これにより、受光領域１０への集光効率を効果的に向上させることができる。なお、基板２Ｂにおいて、基板２Ａと同様の反射防止膜４が更に設けられてもよい。

［基板の第３変形例］
図１０を参照して、受光素子１が備える基板の第３変形例（基板２Ｃ）について説明する。図１０に示されるように、基板２Ｃは、単一の基板部材（シリコン基板２１）からなり、光入射面２ａがシリコン基板２１の裏面２１ｂによって構成されている点において、基板２と相違しており、その他の点については基板２と同様である。すなわち、基板２Ｃを備える受光素子１は、裏面入射型の受光センサであり、受光センサの入射面（裏面２１ｂ）にメタレンズ３が形成された構成を有する。上記構成によれば、基板２が備える第２基板（ガラス基板２２）を省略することにより、受光素子１の構造の簡素化を図りつつ、上述した基板２と同様の集光効率の向上効果を得ることができる。なお、基板２Ｃにおいて、基板２Ａと同様の反射防止膜４が更に設けられてもよい。

［基板のその他の変形例］
基板２は、第１基板（シリコン基板２１）と第２基板（ガラス基板２２）とが接合された構造を有していたが、第１基板及び第２基板の組み合わせは上記例に限られない。例えば、第２基板として、ガラス基板２２の代わりに第１基板と同様のシリコン基板が用いられてもよい。また、この場合、第１基板及び第２基板（すなわち、シリコン基板同士）は、接着剤（接着樹脂層２３）を用いずに直接接合されてもよい。

［メタレンズの基本構成の第１変形例］
図１１を参照して、メタレンズ３の基本構成（単位格子）の第１変形例（単位セルＣ２）について説明する。単位セルＣ２は、ガラス基板２２の面２２ｂ上に成膜された無機材料層３２によって形成されている。無機材料層３２には、単位セルＣ２毎に１つの柱状（本実施形態では一例として円柱状）のホール３２ａ（凹部）が形成されている。ホール３２ａは、単位セルＣ２の中央部において、無機材料層３２の上面３２ｂ（面２２ｂに接する面とは反対側の面）からガラス基板２２の面２２ｂまで貫通している。無機材料層３２は、例えば、ピラー３１と同様の材料によって形成される。メタレンズ３は、上述した単位セルＣ１が格子状に周期的に配列されたピラー構造の代わりに、単位セルＣ２が格子状に周期的に配列されたホール構造を有してもよい。

メタレンズ３の基本構成として単位セルＣ２が採用される場合、ホール３２ａの周期ａ（すなわち、隣接するホール３２ａの中心間距離であり、単位セルＣ２の１辺の長さ）は、単位セルＣ１が採用される場合と同様に、分析対象の光の波長よりも短くなるように設定される。一例として、分析対象の光の波長λが９４０ｎｍである場合、ホール３２ａの周期ａは、例えば４００ｎｍに設定される。また、ホール３２ａの高さｈ（凹部の深さ）は、例えば３００ｎｍ～４００ｎｍの範囲から選択され得る。ホール３２ａの幅ｄ（直径）は、例えば１００ｎｍ～３００ｎｍの範囲から選択され得る。一例として、メタレンズ３全体（すなわち、全ての単位セルＣ２）において、ホール３２ａの高さｈは一定の値（例えば５００ｎｍ）に設定される。一方、各単位セルＣ２のホール３２ａの幅ｄは、各単位セルＣ２の配置場所に応じて、上記範囲から選択される。このように、各単位セルＣ２のホール３２ａの幅ｄが各単位セルＣ２の場所に応じて設定されることで、各単位セルＣ２の場所毎に位相変調量が制御され、集光レンズとして機能するメタレンズ３が得られる。例えば、メタレンズ３は、Ｚ軸方向から見た場合に、メタレンズ３の外側から中心（後述する非形成領域Ｒ３の中心）に向かう方向に沿って位相が連続的に２π分変化するように形成された１周期分の領域（複数の単位セルＣ２を含む領域）を、上記方向に沿って複数繰り返し配列した構造を有する。

メタレンズ３の基本構成として単位セルＣ２が採用される場合、すなわち、メタレンズ３を周期的に配列された複数のホール３２ａ（凹部）によって構成する場合、メタレンズ３をピラー構造（複数の単位セルＣ１）によって構成する場合と比較して、より一層物理的に堅牢な構造とすることができる。

［メタレンズの基本構成の第２変形例］
図１２を参照して、メタレンズ３の基本構成（単位格子）の第２変形例（単位セルＣ３）について説明する。単位セルＣ３は、ホール３２ａの内部に誘電体３３が充填されている点において、単位セルＣ２と相違しており、その他の点については単位セルＣ２と同様である。誘電体３３は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＨｆＯ_２等である。図１２に示されるように、誘電体３３は、各単位セルＣ３のホール３２ａ内に充填されると共に、無機材料層３２の上面３２ｂ上にも堆積されてもよい。無機材料層３２の上面３２ｂから誘電体３３の上面３３ａまでの距離（すなわち、無機材料層３２上に堆積される誘電体３３の高さ）は、例えば１５０ｎｍ程度である。

メタレンズ３の基本構成として単位セルＣ３が採用される場合、メタレンズをより一層効果的に物理的に堅牢な構造とすることができる。すなわち、誘電体３３が設けられる分だけ、単位セルＣ２よりも物理的に堅牢な構造とすることができる。また、誘電体３３をホール３２ａに埋設することにより、メタレンズ３の表面反射率を低減させることが可能となる。これにより、受光領域への集光効率をより一層向上させることができる。

図１３を参照して、上述した第１変形例及び第２変形例の単位セルＣ２，Ｃ３を有するメタレンズ３の製造工程の一例について説明する。まず、スパッタリング法によって、ガラス基板２２（石英基板）の面２２ｂ上に、無機材料層３２になる予定の部分を含むシリコン層３０（アモルファスシリコン）が成膜される（ステップＳ１１）。シリコン層３０の膜厚は、例えば、３００ｎｍ～４００ｎｍの範囲から選択され得る。続いて、シリコン層３０の表面（ガラス基板２２側とは反対側の面）上に、３００ｎｍ程度の膜厚のＥＢ（電子線）レジスト１００が塗布される（ステップＳ１２）。続いて、ＥＢリソグラフィ法によって、ＥＢレジスト１００に対して、予め設計されたパターンがＥＢ描画される（ステップＳ１３）。具体的には、上述した隣接領域Ｒ１及び周縁領域Ｒ２に含まれる各単位セルＣ２，Ｃ３のうちホール３２ａに対応する部分と、非形成領域Ｒ３と、に対応する開口１００ａが、ＥＢレジスト１００に形成される。本実施形態（図１の例）では、ＥＢ描画領域は、短辺が２０μｍであり長辺が２０１．５μｍの矩形領域である。続いて、ＥＢレジスト１００をマスクとして用いたエッチング（例えば、誘導結合型（ＩＣＰ－ＲＩＥ）エッチング等のドライエッチング）が実行されることにより、シリコン層３０のうちＥＢレジスト１００の開口１００ａに対応する部分（すなわち、露出部分）が除去される。その後、ＥＢレジスト１００が剥離される（ステップＳ１４）。ここまでの処理により、ガラス基板２２の面２２ｂ上に、単位セルＣ２を基本構成とするメタレンズ３が形成される。単位セルＣ３を基本構成とするメタレンズ３を形成する場合には、更に以下の処理が実行される。すなわち、原子層堆積法（ＡＬＤ）により、誘電体３３がホール３２ａ内及び無機材料層３２上に成膜（堆積）される（ステップＳ１５）。なお、ＡＬＤを実行する際には、非形成領域Ｒ３に誘電体３３が成膜されないように、非形成領域Ｒ３はマスキングされる。以上の処理により、ガラス基板２２の面２２ｂ上に、単位セルＣ３を基本構成とするメタレンズ３が形成される。

[その他の変形例]
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。例えば、図１４の（Ａ）～（Ｄ）に示されるように、基板の形状、受光領域の形状、及びメタレンズが形成される領域の形状は、上記実施形態に限られない。

図１４の（Ａ）に示される第１変形例の受光素子１Ａでは、基板２の長手方向（Ｙ軸方向）において受光領域１０を挟む両側の領域に、メタレンズ３Ａ（一対のメタレンズ３Ａ１，３Ａ２）が形成されている。言い換えると、基板２の短手方向（Ｘ軸方向）において受光領域１０の中央部（非形成領域Ｒ３に対応する領域）を挟む両側の領域には、メタレンズが形成されていない。メタレンズ３Ａは、周縁領域Ｒ２のうちＹ軸方向に対向する第１周縁領域Ｒ２１及び第２周縁領域Ｒ２２と重なるように形成されている。このような構成によっても、少なくとも基板２の長手方向（Ｙ軸方向）において、１次元的に集光効率の向上を図ることができる。また、受光素子１Ａにおいて、基板２の長手方向において受光領域１０を挟む両側の領域のうちの一方の領域のみにメタレンズ３Ａが形成されてもよい。すなわち、メタレンズ３Ａ１，３Ａ２の一方が省略されてもよい。このような構成によっても、メタレンズ３Ａが形成されている側の周縁領域Ｒ２に関して、上述したような効果が奏される。

図１４の（Ｂ）に示される第２変形例の受光素子１Ｂでは、基板２の短手方向（Ｘ軸方向）において受光領域１０を挟む両側の領域に、メタレンズ３Ｂ（一対のメタレンズ３Ｂ１，３Ｂ２）が形成されている。言い換えると、基板２の長手方向（Ｙ軸方向）において受光領域１０の中央部（非形成領域Ｒ３に対応する領域）を挟む両側の領域には、メタレンズが形成されていない。メタレンズ３Ｂは、周縁領域Ｒ２のうちＸ軸方向に対向する第１周縁領域Ｒ２１及び第２周縁領域Ｒ２２と重なるように形成されている。このような構成によっても、少なくとも基板２の短手方向（Ｘ軸方向）において、１次元的に集光効率の向上を図ることができる。また、受光素子１Ｂにおいて、基板２の短手方向において受光領域１０を挟む両側の領域のうちの一方の領域のみにメタレンズ３Ｂが形成されてもよい。すなわち、メタレンズ３Ｂ１，３Ｂ２の一方が省略されてもよい。このような構成によっても、メタレンズ３Ｂが形成されている側の周縁領域Ｒ２に関して、上述したような効果が奏される。

図１４の（Ｃ）に示される第３変形例の受光素子１Ｃは、正方形板状の基板２Ｃを有する。また、図１４の（Ｄ）に示される第４変形例の受光素子１Ｄは、基板２よりも短く、基板２Ｃよりも長尺な形状を有する。このように、受光素子が備える基板は、様々な形状に形成され得る。

また、受光素子１Ｃは、円形状の受光領域１０Ｃを有すると共に、受光領域１０Ｃの形状に応じた形状のメタレンズ３Ｃを有する。すなわち、メタレンズ３Ｃは、円形状の受光領域１０Ｃの中央部と重ならないように、受光領域１０Ｃよりも一回り小さい円形状の開口３ａを有している。また、受光素子１Ｄは、Ｘ軸方向を短径とし、Ｙ軸方向を長径とする楕円形状の受光領域１０Ｄを有すると共に、受光領域１０Ｄの形状に応じた形状のメタレンズ３Ｄを有する。すなわち、メタレンズ３Ｄは、楕円形状の受光領域１０Ｄの中央部と重ならないように、受光領域１０Ｄよりも一回り小さい楕円形状の開口３ａを有している。このように、受光素子が備える受光領域は、様々な形状に形成され得る。また、メタレンズが形成される領域の形状は、受光領域の形状に応じて、様々な形状に形成され得る。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…受光素子、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…基板、２ａ…光入射面、３，３Ａ，３Ａ１，３Ａ２，３Ｂ，３Ｂ１，３Ｂ２，３Ｃ，３Ｄ…メタレンズ、４，５…反射防止膜、６…メタレンズ層、１０，１０Ｃ，１０Ｄ…受光領域、２１…シリコン基板（第１基板）、２１ａ…主面（第１面）、２１ｂ…裏面（第２面）、２２…ガラス基板（第２基板）、２２ｂ…面、２３…接着樹脂層、３１…ピラー（凸部）、３２ａ…ホール（凹部）、３３…誘電体、Ｒ１…隣接領域、Ｒ２…周縁領域、Ｒ３…非形成領域、Ｒ２１…第１周縁領域、Ｒ２２…第２周縁領域。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの受光領域を含み、光が入射する光入射面を有する基板と、
   前記基板の前記光入射面において、前記光入射面に入射する前記光を集光するように形成されたメタレンズと、を備え、
   前記基板の厚さ方向から見た場合に、前記メタレンズは、前記受光領域に隣接する隣接領域、及び前記隣接領域と連続しており且つ前記受光領域の外縁に沿った前記受光領域の内側の領域である周縁領域の両方と重なるように形成されており、
   前記厚さ方向から見た場合に、前記光入射面において前記受光領域の中央領域と重なる領域には、前記メタレンズが形成されていない非形成領域が設けられている、受光素子。
2. 前記メタレンズは、周期的に配列された複数の凸部によって構成されている、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記メタレンズは、周期的に配列された複数の凹部によって構成されている、請求項１に記載の受光素子。
4. 前記複数の凹部の各々の内部には、誘電体が充填されている、請求項３に記載の受光素子。
5. 前記メタレンズは、少なくとも、前記周縁領域のうち前記厚さ方向に直交する一方向において対向する第１周縁領域及び第２周縁領域と重なるように形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の受光素子。
6. 前記メタレンズは、前記受光領域の全周に亘って形成される環状の前記周縁領域の全体と重なるように形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の受光素子。
7. 前記非形成領域の幅は、前記非形成領域に入射する光の回折による拡がり幅に基づいて、前記非形成領域に入射した光のメインローブが前記受光領域に包含される範囲に設定されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の受光素子。
8. 前記非形成領域には、反射防止膜が設けられている、請求項１～７のいずれか一項に記載の受光素子。
9. 前記基板は、
   前記受光領域が設けられた第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有する第１基板と、
   前記第１基板の前記第２面と接着樹脂層を介して接合され、前記第１基板を支持する第２基板と、を有し、
   前記光入射面は、前記第２基板における前記第１基板とは反対側に位置する面によって構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の受光素子。
10. 前記第１基板は、シリコン基板であり、
    前記第２基板は、ガラス基板である、請求項９に記載の受光素子。
11. 前記第１基板と前記第２基板との間には、反射防止膜が設けられている、請求項９又は１０に記載の受光素子。
12. 前記第１基板と前記第２基板との間には、メタレンズ層が設けられている、請求項９又は１０に記載の受光素子。
13. 前記基板は、前記受光領域が設けられた第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを有する単一の基板部材からなり、
    前記光入射面は、前記第２面によって構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の受光素子。

Images