JP5188107B2 - アレイ型受光素子 - Google Patents

Description

本発明は、アレイ型受光素子に関し、特に、受光効率を向上させたアレイ型受光素子に関する。

近年、デジタルカメラや携帯電話に採用されるカメラの高精細化に伴い、搭載されるアレイ型受光素子の微細化が進んでいる。ところが、微細化に伴って受光素子の画素ピッチ間隔が狭くなるため、レンズに入った入射光を効率よく受光部に導入できないという問題が発生している。
従来、アレイ型受光素子には球面形状の集光手段が用いられてきた。しかし、球面形状のみの集光手段は、アレイ型受光素子に垂直に入射した光を効率よく受光部に導入する効果はあったが、斜めに入射した光を効率よく受光部に導入する効果は小さかった。

例えば、カメラレンズからアレイ型受光素子へ光が入射すると、アレイ型受光素子の中央部では垂直入射光の成分が強く、アレイ型受光素子の周辺部では斜め入射光の成分が強い。そして、斜め入射光は素子内の配線に当たり、素子内の受光部に到達できないことがあり、周辺部の受光感度が低下する。そのため、２次元方向にアレイ型に配列された素子の中央部では受光効率が高いが、周辺部では受光効率が低くなり、その間で感度差（シェーディング）が生じる。また、斜めに入射した光は集光手段を用いて、素子の受光部に到達させなければ隣接する画素の受光部に入射し色ムラを起こす。

シェーディングの問題に対して、特許文献１には、アレイ型に配列された素子の中央部からの距離が離れるに従って、受光部の中心がシフトする手法が記載されている。この技術によればシェーディングを抑制することができるが、各画素での構造が異なるため製造プロセスが複雑になる。
また、特許文献２には、アレイ型に配列された素子の中央部からの距離が離れるに従って、多層配線の最上層の配線の開口径を徐々に大きくする手法が記載されている。この技術によれば、シェーディングを抑制することができるが、各画素での構造が異なるため製造プロセスが複雑になる。
さらに、特許文献３には、第１集光手段、第２集光手段の形状を球面とし、さらに各画素ごとに変える手法が記載されている。この技術によれば、シェーディング、色ムラを抑制することができるが、球面形状のみでは斜めに入射する光の受光効率の上昇が十分ではなく、さらに各画素での構造が異なるため製造プロセスが複雑になる。
特開２００６−３２４４３９ 特開２００６−２２９００４ 特開２００６−１１４５９２

本発明は、ピッチ間隔が狭くても斜めに入射した光に対して、高受光率であるアレイ型受光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、第１集光手段と、前記第１集光手段により集光された光を受ける第２集光手段と、前記第２集光手段により集光された光を受ける受光部と、を有する素子が等間隔で配列され、前記第１集光手段は、球面形状を有し、前記第２集光手段は、高屈折率部と低屈折率部とを有し、前記高屈折率部は、円柱形状または多角柱形状のいずれかを有し、複数の前記第２集光手段が等間隔で配列され、前記第２集光手段の高さＴは、前記高屈折率部と前記低屈折率部との屈折率差Δｎと入射光の波長λとを用いて、Ｔ＝λ／２Δｎで表され、前記第２集光手段の高さ方向と直交する方向の断面において、前記高屈折率部が占める面積と、前記低屈折率部が占める面積と、の比は、１：１であることを特徴とするアレイ型受光素子が提供される。

本発明によれば、ピッチ間隔が狭くても斜めに入射した光に対して、高受光率であるアレイ型受光素子を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るアレイ型受光素子を説明するための模式断面図である。
また、図２は、カメラレンズ１５０、アレイ型受光素子１６０で構成される受光器１４０の概要図とアレイ型受光素子拡大部１９０の拡大図である。ここで、アレイ型受光素子拡大部１９０のＲ、Ｇ、Ｂは、それぞれ赤、緑、青の各色の可視光フィルタを有する素子の配置を表す。
まず、図２を参照しつつ説明すると、カメラレンズ１５０からアレイ型受光素子１６０へ光が入射すると、アレイ型受光素子中央部１８０では垂直入射光の成分が強く、アレイ型受光素子周辺部１７０では斜め入射光の成分が強い。そして、斜め入射光は素子内の配線に当たり、素子内の受光部に到達できないことがあり、周辺部の受光感度が低下する。そのため、２次元方向にアレイ型に配列された素子の中央部では受光効率が高いが、周辺部では受光効率が低くなり、その間で感度差（シェーディング）が生じる。また、斜めに入射した光は集光手段を用いて、素子の受光部に到達させなければ隣接する画素の受光部に入射し色ムラを起こす。

図１には、本実施形態のアレイ型受光素子の２画素分の断面図と入射光の集光挙動が示される。１つの素子は、光の入射側から順に第１集光手段１０、カラーフィルタ３０、第２集光手段２０、金属配線部４０、酸化膜６０、光電変換手段５０から構成される。ここで、第１集光手段１０は、球面レンズであるが、第２集光手段２０は、例えば円柱または角柱形状である。そのため、第２集光手段２０は断面図において矩形で表されている。微細化が進み画素サイズが可視光波長に近づくと、第２集光手段２０は可視光に対し回折素子としての役割を持つに至る。
第１集光手段１０を用いて垂直入射光と斜め入射光を素子内の第２集光手段２０の位置に集光させる。図１では、垂直入射平面波（実線）と斜め入射平面波（破線）をそれぞれ矢印Ｖ、Ａで示した。

入射光は、第１集光手段１０により第２集光手段２０の位置に集光され、配列した第２集光手段２０の回折効果により、伝播方向が変化しない０次光と、伝播方向がθｍに変化する±ｍ次光（ｍ＝１、２．．．）に離散化する。図１には、０次光１００、＋ｍ次光１０１、−ｍ次光１０２を示す。受光効率をあげるためには、垂直入射光に関しては、±ｍ次光を受光可能とすることが望ましい。第２集光手段２０と光電変換手段５０の間の距離をＤ２としたとき、光電変換手段５０の幅をＬとして、Ｄ２＝Ｌ／（２ｔａｎθ）以下に設定することにより、ｍ次光を受光部である光電変換手段５０で受光することができる。

斜め入射光に関しては、入射角度が大きくなると０次光は光電変換手段５０に入らず、図１に示した右斜め上方からの斜め入射光の場合、−ｍ次光だけを受光することとなる。従って、斜め入射光については、−ｍ次光の回折効率が大きくなるように第２集光手段２０の形状を設計することにより、垂直入射光の受光効率を下げずに斜め入射光の受光効率を向上させることが可能である。

以下、第２集光手段２０の形状の設計及び設計された第２集光手段２０を用いた集光方法について説明する。０次光の回折効率を最小にして高次の回折効率を上げることが設計上のポイントとなる。第２集光手段が円柱状または角柱状及び球面状の各場合について、シミュレーションによる回折効率の計算を行い、第２集光手段２０が円柱状または角柱状の方が球面状よりも、回折効率が改善されることを見出した。

ここで、計算に用いた各パラメータを説明する。画素ピッチサイズＷは１．７５μｍ、受光部となる光電変換手段５０の幅Ｌは１．１５μｍ、第１集光手段１０の球面レンズの高さＳは０．４μｍ、カラーフィルタ３０の高さ、すなわち、第１、第２集光手段間距離Ｄ１は１．８μｍ、第２集光手段２０の高さＴは０．５８μｍ、第２集光手段２０と光電変換手段５０との距離はＤ２は１．８μｍとした。ただし、第２集光手段２０が球面レンズの場合は球面の高さ０．２μｍとし、隣接するレンズとは隙間無く並ぶとした。

さらに、波長λは０．５３μｍとした。また、第１集光手段１０及びカラーフィルタ３０には、樹脂を用いることができ、屈折率は例えば１．５５である。第２集光手段２０は、周囲より高屈折率の材料で構成され、屈折率は例えば１．９である。材料としては例えばＳｉＮを用いることができる。第２集光手段２０と光電変換手段５０の間は、例えばＳｉＯ２などの酸化膜を用いることができ、その場合屈折率は１．４５である。
なお、金属配線部４０は、データ転送部の役割を有し、例えばＡｌ、Ｗを用いることができる。光電変換手段５０には、Ｓｉからなる受光部を用いることができる。

シミュレーションは、ベクトル波動解析により行った。すなわち、マクスウェル方程式を時間領域で解く方法によった。受光効率及び回折効率の計算は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光で行い平均をとった。また、入射角は垂直入射から３０°入射まで変えて、各計算を行った。
図３は、第２集光手段２０を回折格子で表す模式図である。
第２集光手段２０が矩形状断面を有する回折格子であり、２次元断面でのシミュレーションを行う場合について示している。屈折率がｎ１＝１．９の高屈折率部とｎ２＝１．４５の低屈折率部の繰り返し単位により入射光は回折を起こす。０次光の回折効率を最小にして高次の回折効率を上げるためには、３次元の場合について後述することに対応して、２次元断面シミュレーションにおいても高屈折率部と低屈折率部の大きさの比に最適値が存在する。その最適値は１：１であるので、図３では、高屈折率部と低屈折率部の長さを、計算例としている画素ピッチサイズ１．７５μｍの１／２である１．７５／２μｍとした。
また、０次光が０になる理論的な理想条件は、Ｔ＝λ／（２（ｎ１−ｎ２））である。これは、高屈折率部と低屈折率部の光路長差がλ／２になる条件から導かれる。

ここで、第２集光手段２０の位置と低屈折率部の関係について述べる。画素ピッチサイズが１．７５μｍの場合、上述のようにＤ１とＤ２は１．８μｍと設定され、また第２集光手段２０の位置は第１集光手段１０の焦点位置であることが求められる。高屈折率部がすべて酸化膜６０内にある場合、上記の理想式に従えば、Ｔ＝０．５８８μｍが理想値となる。
一方、高屈折率部を全てカラーフィルタ３０内に設ける場合には、低屈折率部の屈折率は１．５５となり、Ｔ＝０．７５μｍとなる。ただし、実際上は高屈折率部は、カラーフィルタ３０と酸化膜６０にまたがることとなる。この場合正確には、カラーフィルタ側高さをＴ１、屈折率をｎｃ（＝１．５５）とし、酸化膜側高さをＴ２、屈折率をｎｏ（＝１．４５）として、Ｔ＝λ／（２×ｎ１）＋（ｎｃ×Ｔ１＋ｎｏ×Ｔ２）／ｎ１で表される。Ｔ１＝０及びＴ２＝０でそれぞれＴ＝０．５８８及び０．７５となる。

回折を利用してｍ次の回折光を光電変換部５０に有効に入射させ、斜め入射光の受光効率を向上させる観点からは、回折角度が大きくなるよう屈折率差が大きいことが望ましく、そのためには高屈折率部はすべて屈折率が１．４５の酸化膜内にあることが望ましい。また、垂直入射光については、図１に関して述べたように、第２集光手段２０と光電変換手段５０の距離Ｄ２は小さいことが望ましい。従って、第２集光手段２０の高屈折率部を酸化膜６０内に埋め込むことが、回折を利用した受光効率向上に有効あるが、カラーフィルタ３０内に埋め込む場合においても受光効率の向上を期待することができる。

図４は、垂直入射について、回折効率の第２集光手段２０の高さＴ依存性を２次元断面でシミュレーションした結果を示すグラフ図である。ｎ１＝１．９およびｎ２＝１．４５を用いてシミュレーションを行い、３次までの回折光、全透過率及び全反射率について記した。理想条件では、０次光が０になる高さＴは０．５８８μｍであるが、画素ピッチサイズＷが１．７５μｍであるため、Ｔ＝０．６５μｍで０次光の最小が得られている。画素ピッチサイズＷが小さくなれば理想条件の０．５８８μｍに近づく。

図５乃至図７は、第２集光手段の形状による回折効率の２次元断面シミュレーション計算結果を示す図である。
図５（ａ）は、第２集光手段２０が円柱または角柱など矩形の断面形状を有する回折格子となるアレイ型受光素子に光が垂直入射する場合を表し、図５（ｂ）は、光が垂直に入射した場合の回折効率の２次元断面シミュレーション結果を表す。０次光が最も弱く、±１次光の強度が最も大きい。ここでは、Ｔ＝０．６５μｍを用いている。これは、理想値とは異なるが、図４における回折効率の高さ依存性の検討から得られた結果に基づいている。

図６（ａ）は、第２集光手段２０が円柱または角柱など矩形の断面形状を有する回折格子となるアレイ型受光素子に光が斜め２０°の角度で入射する場合を表し、図６（ｂ）は、光が斜め２０°の角度で入射した場合の回折効率の２次元断面シミュレーション結果を表す。１次光が最も弱く、最大強度の−２次光がほぼ垂直の向きを得ている。

Ｄ２＝Ｌ／（２ｔａｎθ）の関係から、Ｄ２＝１．８μｍ及びＬ＝１．１５μｍを用いると、回折光が受光部に入射するために許される回折角はほぼ１７．５°と求められるので、２次元計算上では、垂直入射は、０次光と±１次光が受光部である光電変換手段５０に入射し、２０°入射では、−１次光から−３次光までが光電変換手段５０に入射することとなる。垂直入射、斜め入射ともに、最大強度を持つ回折光、すなわち垂直入射では±１次光が、斜め入射では−２次光が、受光部の光電変換手段５０に到達するので、アレイ型受光素子の周辺部において光が斜めに入射しても受光効率の低下は抑制されることが示唆される。

図７（ａ）は、第２集光手段２０が球面形状となるアレイ型受光素子に光が斜め２０°の角度で入射する場合を表し、図７（ｂ）は、光が斜め２０°の角度で入射した場合の回折効率を２次元断面でシミュレーションした結果を表す。０次光が最も強いが、回折角が大きく受光部である光電変換手段５０には入射できない。回折光が受光部に入射するために許される回折角はほぼ１７．５°と求められることを考慮すると、２次元計算上では、−１次光から−３次光までが光電変換手段５０に入射することとなる。
第２集光手段が球面形状の場合、アレイ型受光素子の周辺部では、強度の強い０次光と１次光が受光部の光電変換手段５０に入射できないため、受光効率が低下することが示唆される。

図８は、第２集光手段２０の形状による受光効率の入射角依存性を２次元断面でシミュレーションした結果を示すグラフ図である。
垂直入射では、第２集光手段２０が円柱または角柱形状の場合、入射回折の効果のため受光効率が下がり、第２集光手段２０が球面の方が僅かに受光効率は高いがその差は小さい。一方、斜め入射の広い角度範囲で、円柱または角柱形状の第２集光手段２０の方が受光効率は高い。従って、全入射角にわたる全体の受光効率は、円柱または角柱形状の第２集光手段２０の方が高く、円柱または角柱形状の第２集光手段２０を用いることにより、シェーディングを抑制することが可能である。

次に、角柱および円柱形状の第２集光手段２０について、回折効率の３次元シミュレーション結果を述べる。第２集光手段２０として、角柱または円柱がｘｙ平面上に１．７５μｍの一定間隔で無限に並んだ回折素子を仮定している。
３次元計算では、回折光は±（ｍ、ｎ）次光となる。また、第２集光手段２０は、高屈折率部と低屈折率部の周期的繰り返しからなる回折素子であり、回折効率は繰り返し単位中の高屈折率部と低屈折率部の面積比に依存する。
高屈折率部と低屈折率部の断面の面積比を最適化することにより、周辺部でのシェーディングを抑制したアレイ型受光素子を得ることが可能となる。
また、第２集光手段２０による回折光を利用して、斜め入射光を光電変換手段５０で受光できる方向に変えることが可能となる。

図９は、高屈折率部が角柱形状の場合の回折効率の面積比依存性を示す。画素ピッチサイズＷを１．７５μｍとし、高屈折率部の角柱の断面の１辺の長さを２ｒとして、回折効率のｒ依存性を示す。（０，０）次光が最小で高次の回折光が高くなるのは、高屈折率部と低屈折率部の面積比が１：１の時とされている。面積比が１：１となるのはｒ＝０．６２μｍの時である。ただし、実際にはｒ＝０．６２μｍより低い値で、（０，０）次光の回折効率が最小となっている。これは、回折格子のピッチ、すなわち、画素ピッチサイズや形状などの影響と考えられる。

図１０は、高屈折率部が円柱形状の場合の回折効率の面積比依存性を示す。画素ピッチサイズＷは１．７５μｍとし、高屈折率部の円柱の断面の円の半径をｒとし、回折効率のｒ依存性を示す。（０，０）次光が最小で高次の回折光が高くなるのは、高屈折率部と低屈折率部の面積比が１：１の時とされている。面積比が１：１となるのはｒ＝０．６９μｍの時である。ただし、実際にはｒ＝０．６９μｍより低い値で、（０，０）次光の回折効率が最小となっている。これは、回折格子のピッチ、すなわち、画素ピッチサイズや形状などの影響と考えられる。

図１１は、回折効率の第２集光手段形状依存性を３次元でシミュレーションした結果を示す図である。
図１１（ａ）は、球面形状の第２集光手段の場合を示す。図１１（ｂ）は、高屈折率部と低屈折率部の面積比が１：１で、且つ矩形第２集光手段の高さＴは入射光波長λ、高屈折率部と低屈折率部の屈折率差Δｎとしたとき、Ｔ＝λ／（２Δｎ）の円柱形状の集光手段の場合を示す。図１１（ｃ）は、高屈折率部と低屈折率部の面積比が１：１で、且つＴ＝λ／（２Δｎ）の角柱形状の集光手段の場合を示す。

高次の回折光は、それぞれ±５次の回折光まで計算に取り入れた。
球面の場合は０次光が強くなるが、円柱及び角柱の場合は０次光が弱くなり、±ｍ次光、特に（±１，０）次光が強くなっている。従って、球面形状とは異なり、円柱または角柱形状では、斜め入射光でも回折効果を利用して回折光を光電変換手段５０に入射させることができる。そのため、斜め入射光に対して受光効率を高くすることができる。

図１２は、本実施形態に係るアレイ型受光素子１６０を搭載する携帯電話２００を示す。
アレイ型受光素子の微細化に対応したシェーディング対策がさらに進めば、画素数がさらに向上する携帯電話用のカメラなどに適用可能となる。また、コンパクトデジタルカメラにおいては、小型化と高画質化を両立させるのに寄与することが可能となる。

以上、具体例を参照しながら、本発明の実施の形態を説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。例えば、第２集光手段２０に用いる材料としては、高屈折率材料のＨｆＯ_２（ｎ＝２．１５）やＴｉＯ_２（ｎ＝２．５２）が利用可能である。高屈折率部の屈折率が高ければ屈折率差を大きくできるため、Ｔ＝λ／（２（ｎ１−ｎ２））において第２集光手段２０の高さＴを小さくすることができる。

また、シミュレーションでは、角柱形状や円柱形状について検討したが、側面に傾斜がある形状も利用可能である。すなわち、第２集光手段２０の形状が球面形状と異なり、急峻に変化することにより波面が乱れることが、高次回折光強度の低下を引き起こしている。従って、波面の乱れを引き起こす程度の急峻な形状変化があれば、側面に傾斜があっても回折効率を高め受光効率を上げることが可能である。
第２集光手段２０の高屈折率部の高さＴが０．６〜０．７μｍ程度であれば、プロセスの関係で側面に傾斜がつく可能性はあるが、波面の乱れを引き起こす程度の急峻性を保つことは十分可能である。

高屈折率部の表面は、平坦であることが望ましいが、通常の加工プロセスで得られる程度の平坦性があれば十分である。
さらに、第２集光手段２０の高屈折率部の断面形状は、正方形や円に限られることはない。左右上下方向の配列間隔が極端に異なるなどの状況でなければ、回折素子としての周期性を保つ限り、正六角形などの正多角形や円の形状に近い多角形であってもよい。

図１は、本発明の実施形態に係るアレイ型受光素子の模式断面図である。 図２は、一般的な受光器の概要図とアレイ型受光素子の部分拡大図である。 図３は、第２集光手段を回折素子として示す模式図である。 図４は、垂直入射について、回折効率の第２集光手段の高さＴ依存性を２次元断面でシミュレーションした結果を示すグラフ図である。 図５は、矩形断面形状の第２集光手段による垂直入射光の回折効率の２次元断面シミュレーション計算結果を示す図である。 図６は、矩形断面形状の第２集光手段による２０°の斜め入射光の回折効率の２次元断面シミュレーション計算結果を示す図である。 図７は、球面断面形状の第２集光手段による２０°の斜め入射光の回折効率の２次元断面シミュレーション計算結果を示す図である。 図８は、第２集光手段の形状による受光効率の入射角依存性を２次元断面でシミュレーションした結果を示すグラフ図である。 図９は、回折効率の面積比依存性を角柱形状の第２集光手段について３次元シミュレーションした結果を示すグラフ図である。 図１０は、回折効率の面積比依存性を円柱形状の第２集光手段について３次元シミュレーションした結果を示すグラフ図である。 図１１は、回折効率の第２集光手段形状依存性を示す図である。 図１２は、本実施形態に係るアレイ型受光素子を搭載する携帯電話を表す模式図である。

符号の説明

１０ 第１集光手段、２０ 第２集光手段、３０ カラーフィルタ、４０ 金属配線部、５０ 光電変換手段、１００ ０次光、１０１ ｍ次光、１０２ −ｍ次光、１６０ アレイ型受光素子、２００ 携帯電話、Ｖ 垂直入射平面波、Ａ 斜め入射平面波

Claims (3)

1. 第１集光手段と、
   前記第１集光手段により集光された光を受ける第２集光手段と、
   前記第２集光手段により集光された光を受ける受光部と、
   を有する素子が等間隔で配列され、
   前記第１集光手段は、球面形状を有し、
   前記第２集光手段は、高屈折率部と低屈折率部とを有し、
   前記高屈折率部は、円柱形状または多角柱形状のいずれかを有し、
   複数の前記第２集光手段が等間隔で配列され、
   前記第２集光手段の高さＴは、前記高屈折率部と前記低屈折率部との屈折率差Δｎと入射光の波長λとを用いて、Ｔ＝λ／２Δｎで表され、
   前記第２集光手段の高さ方向と直交する方向の断面において、前記高屈折率部が占める面積と、前記低屈折率部が占める面積と、の比は、１：１であることを特徴とするアレイ型受光素子。
   
2. 前記第２集光手段の光入射面は、前記第１集光手段の焦点位置にあることを特徴とする請求項１記載のアレイ型受光素子。
3. 前記第２集光手段と前記受光部との距離は、垂直入射光の主回折光の回折角θと前記受光部の幅Ｌとを用いて、Ｌ／（２ｔａｎθ）以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のアレイ型受光素子。