JP5254392B2 - Image sensor - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、イメージセンサに関する。 Embodiments described herein relate generally to an image sensor.
イメージセンサは、光を電気信号に変換し、画像を取得する装置であり、フォトダイオードや半導体デバイスとの組み合わせで構成された素子である。近年の開発方針は、高画素数化、高感度化、小型化である。画素数は数１００万画素クラスまでとなっており、２ｋ×４ｋ（２０００×４０００）の画素数も開発の目標となってきている。搭載アプリケーションは主に携帯電話に搭載のカメラが中心となっている。 An image sensor is a device that converts light into an electrical signal and obtains an image, and is an element configured in combination with a photodiode or a semiconductor device. The recent development policy is to increase the number of pixels, increase the sensitivity, and reduce the size. The number of pixels is up to several million pixel class, and the number of pixels of 2k × 4k (2000 × 4000) has become a development target. The installed applications are mainly cameras mounted on mobile phones.
イメージセンサはＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサの二種類に分類される。イメージセンサは、高画素数化、１画素の面積の微細化が進んでいる。微細化に関しては、微細化すると感度が低下する傾向にあり、画質のノイズが多くなる。これにより、画像間の境界が曖昧になる。この画像間の境界の曖昧さを画像処理で行うことが考えられる。この画像処理はデジタル回路で行われるが、画素数が多くなると情報処理量は指数関数的に多くなる。例えば、オートフォーカスは画像処理の結果により集光レンズの位置が決められるが、画素数が多くなれば、オートフォーカスの速度が遅くなるという問題がある。また、当然ながら、記録デバイスに書き込まれる時間が長くなり、連写等に影響を与える。 Image sensors are classified into two types, CCD and CMOS image sensors. In the image sensor, the number of pixels is increasing and the area of one pixel is miniaturized. As for miniaturization, sensitivity tends to decrease when miniaturization occurs, and noise in image quality increases. Thereby, the boundary between images becomes ambiguous. It is conceivable to perform the ambiguity of the boundary between images by image processing. This image processing is performed by a digital circuit, but the amount of information processing increases exponentially as the number of pixels increases. For example, although the position of the condenser lens is determined by the result of image processing in autofocus, there is a problem that the speed of autofocus becomes slow as the number of pixels increases. Of course, the time for writing to the recording device becomes longer, which affects continuous shooting and the like.
イメージセンサは高画素数化が開発の傾向であるが、画素数が多くなると画像処理速度が遅くなり、オートフォーカスや連写機能に悪影響を与える。特に画像間の境界線に影響を与え易く、画像間の境界が曖昧になり易い。 Image sensors have a tendency to develop with a higher number of pixels, but as the number of pixels increases, the image processing speed decreases, which adversely affects autofocus and continuous shooting functions. In particular, the boundary line between images tends to be affected, and the boundary between images tends to be ambiguous.
本発明が解決しようとする課題は、画像処理速度が速いとともに、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することのできるイメージセンサを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an image sensor that has a high image processing speed and can prevent the boundary between images from becoming ambiguous.
本実施形態のイメージセンサは、入射された伝播光を電気信号に変換する複数の画素と、前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素間を接続するように設けられ、入射された伝播光を近接場光に変換するとともに前記近接場光を伝播する近接場光導波路と、を備えていることを特徴とする。 The image sensor of the present embodiment is provided so as to connect a plurality of pixels that convert incident propagation light into an electrical signal and at least some of the plurality of pixels, and the incident propagation light. And a near-field optical waveguide for propagating the near-field light.
実施形態を説明する前に、本実施形態に至った経緯について説明する。 Before describing the embodiment, the background to the present embodiment will be described.
まず、図１（ａ）に示すように、光が照射されたときに近接場光を発生する断面が台形状の複数の変換部２ａと、発生された近接場光を伝播する導波路２ｂとを有する金からなる近接場光導波路２を用意する。複数の変換部２ａは、各変換部２ａの幅が２００ｎｍで、５６０ｎｍの間隔で、導波路２ｂの一方の面に配置されている。 First, as shown in FIG. 1A, a plurality of converters 2a having a trapezoidal cross section that generates near-field light when irradiated with light, and a waveguide 2b that propagates the generated near-field light, A near-field optical waveguide 2 made of gold having is prepared. The plurality of conversion units 2a are arranged on one surface of the waveguide 2b with the width of each conversion unit 2a being 200 nm and an interval of 560 nm.
この近接場光導波路２に対して複数の変換部２ａが設けられた側と反対側の面に近接して近接場光学顕微鏡のプローブ４を配置するとともに、凸部２ａが設けられた側から光６を照射し、近接場光導波路２内を近接場光が伝播する様子を近接場光顕微鏡で観察した。その結果、隣接する変換部２ａ間から近接場光が発生したことが観察された。 The probe 4 of the near-field optical microscope is disposed close to the surface opposite to the side on which the plurality of conversion portions 2a are provided with respect to the near-field optical waveguide 2, and the light from the side on which the convex portions 2a are provided. 6 and the state of near-field light propagating in the near-field optical waveguide 2 was observed with a near-field light microscope. As a result, it was observed that near-field light was generated between adjacent converters 2a.
これに対して、図１（ｂ）に示すように比較例として、両面が平坦な金からなる部材３を用意し、この部材３の一方の面に近接して近接場光学顕微鏡のプローブ４を配置するとともに、他方の面側から円形パターンの光６を照射し、近接場光の発生の有無を近接場光顕微鏡で観察した。この比較例においては、近接場光は発生しなかった。 On the other hand, as shown in FIG. 1B, as a comparative example, a member 3 made of gold having flat surfaces is prepared, and the probe 4 of the near-field optical microscope is placed close to one surface of the member 3. While arranging, the circular pattern light 6 was irradiated from the other surface side, and the presence or absence of near-field light generation was observed with a near-field light microscope. In this comparative example, no near-field light was generated.
そして、近接場光導波路２の場合には、図２（ａ）に示すように、第１組となる隣接する２つの変換部２ａ１と、この第１組の変換部２ａ１に隣接し第２組となる隣接する２つの変換部２ａ２とを選び、これらの二組の変換部２ａ１、２ａ２のみに円形状の光を照射した。すると、第１組の変換部２ａ１間から近接場光８ａ１が発生するとともに、第２組の変換部２ａ２間から近接場光８ａ２が発生することが近接場光顕微鏡で観察された。その後、図２（ｂ）に示すように、これらの近接場光８ａ１、８ａ２は導波路２ｂを伝播し、第１組の変換部２ａ１と、第２組の変換部２ａ２との間にも近接場光８ｂが伝播された。この近接場光８ｂは、近接場光８ａ１、８ａ２がそれぞれ半分ずつ伝播したものであり、近接場光８ａ１、８ａ２に比べてわずかに広がりを有することが近接場光顕微鏡で観察された。 In the case of the near-field optical waveguide 2, as shown in FIG. 2A, two adjacent converters 2 a 1 forming the first set, and adjacent to the first set of converters 2 a 1 , Two adjacent conversion units 2a 2 in two sets were selected, and only these two sets of conversion units 2a 1 and 2a 2 were irradiated with circular light. Then, it was observed with a near-field light microscope that near-field light 8a 1 was generated from between the first set of conversion units 2a 1 and near-field light 8a 2 was generated from between the second set of conversion units 2a 2 . . Thereafter, as shown in FIG. 2B, these near-field lights 8a 1 and 8a 2 propagate through the waveguide 2b, and the first set of conversion units 2a 1 and the second set of conversion units 2a 2 Near-field light 8b was also propagated between them. The near-field light 8b is for near-field light 8a 1, 8a 2 is propagated halves respectively, were observed in the near-field light microscope to have a slightly spread compared to the near-field light 8a 1, 8a 2 It was.
以上の実験結果から、本発明者達は、イメージセンサの画素のそれぞれに対応して、伝播光を近接場光に変換する変換部と、これらの変換部を接続し近接場光を導波させる導波路と、を有する近接場光導波路を設ければ、信号が入った画素の間に信号が入らない画素があった場合でも、信号が入らない画素にも両側の画素から半分ずつの信号が入り、画素が埋まり、境界面がはっきりした画像が得られると考えた。 From the above experimental results, the inventors of the present invention correspond to each pixel of the image sensor, and convert the propagation light into near-field light, and connect these conversion parts to guide the near-field light. If a near-field optical waveguide having a waveguide is provided, even if there is a pixel that does not receive a signal between pixels that receive a signal, half of the signals from both sides of the pixel that do not receive a signal are also received. I thought that an image with a clear boundary surface could be obtained.
以下に、実施形態を説明する。 Embodiments will be described below.
（第１実施形態）
第１実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを図３に示す。この第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１０は、単色の画素が正方格子状に配列した裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサであり、層間絶縁膜１２ａに形成された配線１２ｂが多層に積層された多層配線１２を備えている。この多層配線１２上には、複数の画素１４と、画素１４からの信号の読み出し等の処理を行うトランジスタを含む処理回路１６が設けられている。各画素１４上には近接場光導波路１８が設けられている。この近接場光導波路１８は、各画素１４上に設けられ照射された光を近接場光に変換する変換部１８ａと、変換部１８ａによって変換された近接場光を伝播する導波路１８ｂとを有している。この近接場光導波路１８の上方には各画素１４に対応してマイクロレンズ２８が設けられている。この近接場光導波路１８とマイクロレンズ２８との間には、マイクロレンズ２８によって集光された光を、より効率的に対応する画素に入射させるバッファ層２０が設けられている。このバッファ層２０は、各画素１４に対応して、各画素１４上に設けられファーフィールド光が隣接する画素へ到達しにくいようにする高屈折率部２２と、この高屈折率部２２を取り囲むように設けられ、光を透過する材料、例えばＳｉＯ２からなるＳｉＯ２膜２４と、このＳｉＯ２膜２４を取り囲むように設けられ、光を遮光する遮光部２６とを備えている。
(First embodiment)
A CMOS image sensor according to the first embodiment is shown in FIG. The CMOS image sensor 10 according to the first embodiment is a back-illuminated CMOS image sensor in which monochrome pixels are arranged in a square lattice pattern, and a multilayer wiring in which wirings 12b formed in an interlayer insulating film 12a are stacked in multiple layers. 12 is provided. On the multilayer wiring 12, a plurality of pixels 14 and a processing circuit 16 including a transistor that performs processing such as reading of signals from the pixels 14 are provided. A near-field optical waveguide 18 is provided on each pixel 14. The near-field optical waveguide 18 includes a conversion unit 18a that is provided on each pixel 14 and converts irradiated light into near-field light, and a waveguide 18b that propagates the near-field light converted by the conversion unit 18a. doing. Microlenses 28 are provided above the near-field optical waveguide 18 so as to correspond to the respective pixels 14. A buffer layer 20 is provided between the near-field optical waveguide 18 and the microlens 28 so that the light condensed by the microlens 28 is incident on the corresponding pixel more efficiently. The buffer layer 20 corresponds to each pixel 14 and is provided on each pixel 14 so as to make it difficult for far-field light to reach adjacent pixels, and surrounds the high refractive index portion 22. It provided as a material that transmits light, for example, a SiO 2 film 24 made of SiO 2, provided so as to surround the SiO 2 film 24, and a light blocking portion 26 for blocking light.
次に、第１実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１の製造方法について図４乃至図９を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the CMOS image sensor 1 of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、濃度が１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３〜１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３程度のｎ型シリコン層を有するＳＯＩ基板４０を用意し、上記ｎ型シリコン層上に濃度が１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ３〜１０１７ａｔｏｍ／ｃｍ３程度のｎ型シリコン層４２を形成する（図４）。 First, an SOI substrate 40 having an n-type silicon layer having a concentration of about 10 15 atoms / cm 3 to 10 17 atoms / cm 3 is prepared, and the concentration is 10 15 atoms / cm 3 to 10 17 on the n-type silicon layer. An n-type silicon layer 42 of about atoms / cm 3 is formed (FIG. 4).
次に、ｎ型シリコン層４２に公知の方法でＣＭＯＳ構造を有するセンサ部を形成する。このセンサ部は、複数の画素１４と、画素１４からの信号の読み出し等の処理を行うトランジスタを含む処理回路１６とを有している（図５）。続いて、公知の技術を用いて、層間絶縁膜１２ａに設けられた配線１２ｂが多層に積層された多層配線１２を形成する（図６）。 Next, a sensor portion having a CMOS structure is formed on the n-type silicon layer 42 by a known method. The sensor unit includes a plurality of pixels 14 and a processing circuit 16 including a transistor that performs processing such as reading of signals from the pixels 14 (FIG. 5). Subsequently, a multilayer wiring 12 in which wirings 12b provided in the interlayer insulating film 12a are laminated in a multilayer manner is formed using a known technique (FIG. 6).
次に、ＳＯＩ基板４０を研磨することにより削除し（図７）、上記センサ部上に、リソグラフィ技術を用いて、画素１４間を接続する近接場光導波路１８を形成する（図８）。近接場光導波路１８は、センサ部に近接させる必要があり、密着しているとなお良い。近接場光導波路１８は金属細線や、金属−エアギャップ構造、金属や半導体の粒子配列、またはナノ粒子分散型構造等があり、これらのいずれでも良い。近接場光導波路１８の材質としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体を用いることができる。近接場光導波路１８は干渉させて導波させた方が、信号が入らない画素の信号を効率よく補うことができる。また、伝播光と近接場光との変換の効率が向上させるために、本実施形態においては、近接場光導波路１８は金で形成し、近接場光導波路１８の変換部１８ａの形状を楔形とした。なお、変換部１８ａの材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができる。また変換部１８ａの形状は三角錐（楔）、球、台形であることが好ましい。なお、変換部１８ａは、伝播光を近接場光に効率良く変換させるものであって、設けなくともよい。 Next, the SOI substrate 40 is removed by polishing (FIG. 7), and the near-field optical waveguide 18 that connects the pixels 14 is formed on the sensor portion using a lithography technique (FIG. 8). The near-field optical waveguide 18 needs to be close to the sensor unit, and it is more preferable that the near-field optical waveguide 18 is in close contact. The near-field optical waveguide 18 has a fine metal wire, a metal-air gap structure, a metal / semiconductor particle arrangement, a nanoparticle-dispersed structure, or the like. The material of the near-field optical waveguide 18 includes Cu, Au, Ag, Fe, Ni, Co, Zn, Cr, W, Ti, Al, In, Ir, Mn, Mo, Bi, Pt, Si, Ge, Sn, Pb, II-VI group semiconductor, and III-V group semiconductor can be used. If the near-field optical waveguide 18 is guided by interference, it can efficiently compensate for the signal of a pixel that does not receive a signal. In order to improve the efficiency of conversion between propagating light and near-field light, in the present embodiment, the near-field optical waveguide 18 is formed of gold, and the shape of the conversion portion 18a of the near-field optical waveguide 18 is a wedge shape. did. In addition, as a material of the conversion part 18a, Cu, Au, Ag, Fe, Ni, Co, Zn, Cr, W, Ti, Al, In, Ir, Mn, Mo, Bi, Pt, Si, Ge, Sn, Pb II-VI group semiconductors, III-V group semiconductors, graphene, or carbon nanotubes (CNT) can be used. The shape of the conversion unit 18a is preferably a triangular pyramid (wedge), a sphere, or a trapezoid. Note that the conversion unit 18a efficiently converts propagating light to near-field light, and may not be provided.
次に、図９に示すように、近接場光導波路１８上に、マイクロレンズの焦点距離を調整するバッファ層２０を形成する。このバッファ層２０には、ファーフィールド光が隣接する画素へ到達しにくいように各画素１４の上部に透明性の高い材料の高屈折部２２と、この高屈折部２２を取り囲むように設けられるＳｉＯ２膜２４と、このＳｉＯ２膜２４を取り囲むように設けられ例えばＳｉからなる遮光部２６と、を備えている。なお、高屈折部２２は設けなくともよく、この場合、代わりにＳｉＯ２膜を設ける。また、遮光部２６を形成すると伝播光による画像の境界面でのにじみを低減することができる。続いて、バッファ層２０上に、各画素に対応してマイクロレンズ２８を形成する（図９）。 Next, as shown in FIG. 9, the buffer layer 20 for adjusting the focal length of the microlens is formed on the near-field optical waveguide 18. In the buffer layer 20, a high refractive part 22 made of a highly transparent material and an SiO 2 provided so as to surround the high refractive part 22 are provided above each pixel 14 so that far-field light does not easily reach adjacent pixels. Two films 24 and a light shielding portion 26 made of, for example, Si, are provided so as to surround the SiO 2 film 24. Note that the high refractive portion 22 need not be provided. In this case, a SiO 2 film is provided instead. Further, when the light shielding portion 26 is formed, it is possible to reduce blurring at the boundary surface of the image due to the propagating light. Subsequently, a microlens 28 is formed on the buffer layer 20 corresponding to each pixel (FIG. 9).
このように構成された第１実施形態のイメージセンサにおいては、マイクロレンズ２８を通過した伝播光が近接場光導波路１８に照射し、近接場光に変換される。変換されない成分は、直接画素に入力される。変換された近接場光は、一部が隣接する画素に伝わり、画像の境界面における「ぼやけ」または「曖昧さ」を塗りつぶすように働く。 In the image sensor of the first embodiment configured as described above, the propagating light that has passed through the microlens 28 irradiates the near-field optical waveguide 18 and is converted into near-field light. The component that is not converted is directly input to the pixel. A part of the converted near-field light is transmitted to adjacent pixels, and works so as to fill in “blurring” or “ambiguity” in the boundary surface of the image.
近接場光導波路１８は、その特性により伝播距離を制御することができる。例えば、金属ナノ粒子分散系では金属種や金属ナノ粒子間の距離を変えることにより、近接場相互作用の強さが変化し、導波距離を制御することができる。金属細線では、金属種や線幅で制御が可能である。本実施形態の場合、金属ナノ粒子に平均粒径約１０ｎｍの金を用い、粒間距離に約５ｎｍの距離を開けて分散させているが、構造は、オレイルアミンをリガンドとするコアシェル型金ナノ粒子である。シェル厚を２ｎｍ〜３ｎｍにすることにより、粒子間隔を５ｎｍ程度にすることができているが、粒子間隔を広げると、伝播長を短くすることができる。金属細線では、幅を広げると伝播長が短くなる。 The propagation distance of the near-field optical waveguide 18 can be controlled by its characteristics. For example, in the metal nanoparticle dispersion system, the strength of the near-field interaction is changed by changing the metal species and the distance between the metal nanoparticles, and the waveguide distance can be controlled. In the case of a thin metal wire, it can be controlled by the metal type and the line width. In the case of the present embodiment, gold having an average particle diameter of about 10 nm is used for the metal nanoparticles and the distance between the grains is about 5 nm and dispersed, but the structure is a core-shell type gold nanoparticle having oleylamine as a ligand. It is. By setting the shell thickness to 2 nm to 3 nm, the particle spacing can be reduced to about 5 nm. However, if the particle spacing is increased, the propagation length can be shortened. In a thin metal wire, if the width is increased, the propagation length becomes shorter.
以上説明したように、第１実施形態によれば、近接場光を利用して画像間の境界が曖昧になるのを抑制することができる。このため、画像間の境界が曖昧になるのを抑制する画像処理を近接場光で補っているので、画像処理速度を早く行うことができる。これにより、フォーカシングの時間を短くすることが可能となり、動画でも単焦点動作ではなく、対象物の動きに合わせてフォーカス動作を行うことができる。なお、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することが可能となるので、暗く、曖昧な画像の境界をくっきりさせることができ、画像を見やすくすることができる。また、近接場光の導波速度は真空中の光の速度の数分の１程度である。したがって、画素間を導波する時間は、１０−１５秒程度であるので、デジタル回路による画像処理速度に比べると処理時間はほとんどゼロと言ってよい。このため、近接場光で処理する量だけ全体の処理速度が速くなる。 As described above, according to the first embodiment, it is possible to prevent the boundary between images from becoming ambiguous using near-field light. For this reason, since the image processing which suppresses that the boundary between images becomes ambiguous is supplemented by near-field light, the image processing speed can be increased. Thereby, it is possible to shorten the focusing time, and it is possible to perform a focusing operation in accordance with the movement of an object, not a single-focus operation even in a moving image. In addition, since it becomes possible to suppress that the boundary between images becomes ambiguous, the boundary of a dark and ambiguous image can be clarified and it can be made easy to see an image. The waveguide speed of near-field light is about a fraction of the speed of light in vacuum. Therefore, since the time for wave guiding between the pixels is about 10 −15 seconds, it can be said that the processing time is almost zero compared to the image processing speed by the digital circuit. For this reason, the entire processing speed is increased by the amount processed by the near-field light.
（第２実施形態）
次に、第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサについて図１０乃至図１３を参照して説明する。
(Second Embodiment)
Next, a CMOS image sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、第２実施形態のＣＭＯＳイメージセンサについて説明する前に、図１０に示すように、近接場光導波路２の光が入射する側にＧ（緑）のカラーフィルタ５０を形成し、近接場光導波路２のカラーフィルタ５０が形成され側と反対側の面に近接して近接場光顕微鏡のプローブ４を配置した模擬的な撮像素子を用意する。なお、近接場光導波路２は、薄い部分２ｂの厚みが５０ｎｍ、幅（紙面に対して直交する方向のサイズ）が１００ｎｍ、突起２ａの周期が約８００ｎｍ、その高さが５０ｎｍ、突起２ａの長さ（紙面に平行な方向のサイズ）が１００ｎｍとした。そして、この撮像素子にカラーフィルタ５０側から白色光を入射し、近接場光顕微鏡により、近接場光の伝播の様子を観察した。この観察結果によれば、近接場光の広がりによりが画像の境界がはっきりすることが分かった。 First, before describing the CMOS image sensor of the second embodiment, as shown in FIG. 10, a G (green) color filter 50 is formed on the light incident side of the near-field optical waveguide 2, and the near-field light is guided. A simulated imaging device is prepared in which the color filter 50 of the waveguide 2 is formed and the probe 4 of the near-field light microscope is arranged close to the surface opposite to the side. The near-field optical waveguide 2 has a thin portion 2b having a thickness of 50 nm, a width (size in a direction perpendicular to the paper surface) of 100 nm, a period of the protrusion 2a of about 800 nm, a height of 50 nm, and a length of the protrusion 2a. The thickness (size in the direction parallel to the paper surface) was 100 nm. Then, white light was incident on the image sensor from the color filter 50 side, and the state of propagation of near-field light was observed with a near-field light microscope. According to this observation result, it was found that the boundary of the image becomes clear due to the spread of near-field light.
第２実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサを図１１に示す。この第２実施形態のＣＭＯイメージセンサは、裏面照射型のカラーイメージセンサであって、図３に示す第１実施形態のイメージセンサにおいて、バッファ層２０とマイクロレンズ２８との間に、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）からなるカラーフィルタ２７Ｇ、２７Ｂ、２７Ｒを設けた構成となっている。なお、図１１においては、近接場光導波路１８の変換部を表示していないが、図３に示す第１実施形態の場合と同様に、変換部となる突起部を設けてもよい。なお、第２実施形態においては、近接場光導波路１８は、入射された光を近接場光に変換する機能を有している。 A CMOS image sensor according to the second embodiment is shown in FIG. The CMO image sensor according to the second embodiment is a back-illuminated color image sensor. In the image sensor according to the first embodiment shown in FIG. 3, G (green) is interposed between the buffer layer 20 and the microlens 28. ), B (blue), and R (red) color filters 27G, 27B, and 27R are provided. In FIG. 11, the conversion part of the near-field optical waveguide 18 is not displayed, but similarly to the case of the first embodiment shown in FIG. 3, a projection part serving as the conversion part may be provided. In the second embodiment, the near-field optical waveguide 18 has a function of converting incident light into near-field light.
また、第２実施形態においては、図１２（ａ）に示すように、Ｇのカラーフィルタ２７Ｇは、ＢおよびＲのカラーフィルタ２７Ｂ、２７Ｒのそれぞれの個数よりも２倍の個数となるように、カラーフィルタが構成されている。この第２実施形態においては、Ｇのカラーフィルタは図１２（ａ）に示すように斜めに隣接した構成である。一つの色の画素のサイズは、縦、横が約７８０ｎｍであり、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇからなる４画素で１組のカラーフィルタのセルを構成している。また、図１２（ｂ）に示すように、Ｇの画素間を５０ｎｍ幅の金の細線からなる近接場光導波路１８で結合させている。 In the second embodiment, as shown in FIG. 12A, the number of the G color filters 27G is twice the number of each of the B and R color filters 27B and 27R. A color filter is configured. In the second embodiment, the G color filter is configured to be adjacent obliquely as shown in FIG. The size of one color pixel is about 780 nm in length and width, and one pixel of a set of color filters is composed of four pixels of G, B, R, and G. Further, as shown in FIG. 12B, the G pixels are coupled by a near-field optical waveguide 18 made of a thin gold wire having a width of 50 nm.
近接場光導波路１８は、金属−エアギャップ構造、金属や半導体の細線やナノ粒子分散構造、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかで構成することができる。近接場光導波路１８に変換部を設ける場合は、この変換部の材料として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、II−VI族半導体、III−Ｖ族半導体、グラフェン、またはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いることができる。 The near-field optical waveguide 18 can be composed of any one of a metal-air gap structure, a metal or semiconductor thin wire or a nanoparticle dispersion structure, graphene, or a carbon nanotube (CNT). When providing the conversion part in the near-field optical waveguide 18, as a material of this conversion part, Cu, Au, Ag, Fe, Ni, Co, Zn, Cr, W, Ti, Al, In, Ir, Mn, Mo, Bi, Pt, Si, Ge, Sn, Pb, II-VI group semiconductor, III-V group semiconductor, graphene, or carbon nanotube (CNT) can be used.
第２実施形態のイメージセンサに、円形の光を、焦点をややずらして照射した結果を図１３（ａ）乃至１３（ｄ）に示す。図１３（ａ）はＲの画素またはＢの画素の境界における原画像を示し、図１３（ｂ）は上記原画像に対して第２実施形態によって撮像した、上記境界における画像を模式的に示す図である。図１３（ｃ）はＧの画素の境界における原画像を示し、図１３（ｄ）は上記原画像に対して第２実施形態によって撮像した、上記境界における画像を模式的に示す図である。図１３（ａ）乃至１３（ｄ）からわかるように、Ｇの画素では、円形界面形状がくっきりし、Ｒ、Ｂの画素画像では、元のややぼやけた画像が得られた。 FIGS. 13A to 13D show the results of irradiating the image sensor of the second embodiment with circular light with the focus slightly shifted. FIG. 13A shows the original image at the boundary between the R pixel and the B pixel, and FIG. 13B schematically shows the image at the boundary captured by the second embodiment with respect to the original image. FIG. FIG. 13C shows an original image at the boundary of G pixels, and FIG. 13D is a diagram schematically showing an image at the boundary captured by the second embodiment with respect to the original image. As can be seen from FIGS. 13A to 13D, the circular interface shape is clear in the G pixel, and the original slightly blurred image is obtained in the R and B pixel images.
以上説明したように、本実施形態のイメージセンサにおいては、Ｇ画像の境界面をくっきりさせることができた。 As described above, in the image sensor according to the present embodiment, the boundary surface of the G image can be sharpened.
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、近接場光を利用して画像間の境界が曖昧になるのを抑制することができる。このため、画像間の境界が曖昧になるのを抑制する画像処理を近接場光で補っているので、画像処理速度を早く行うことができる。これにより、フォーカシングの時間を短くすることが可能となり、動画でも単焦点動作ではなく、対象物の動きに合わせてフォーカス動作を行うことができる。なお、画像間の境界が曖昧になるのを抑制することが可能となるので、暗く、曖昧な画像の境界をくっきりさせることができ、画像を見やすくすることができる。また、近接場光で処理する量だけ全体の処理速度を速くすることができる。なお、本実施形態は、ＣＭＯＳイメージセンサーに限ったことではなく、ＣＣＤにて適用できる。 Similarly to the first embodiment, the second embodiment can also suppress the ambiguity between images using near-field light. For this reason, since the image processing which suppresses that the boundary between images becomes ambiguous is supplemented by near-field light, the image processing speed can be increased. Thereby, it is possible to shorten the focusing time, and it is possible to perform a focusing operation in accordance with the movement of an object, not a single-focus operation even in a moving image. In addition, since it becomes possible to suppress that the boundary between images becomes ambiguous, the boundary of a dark and ambiguous image can be clarified and it can be made easy to see an image. In addition, the overall processing speed can be increased by the amount processed with near-field light. The present embodiment is not limited to a CMOS image sensor, but can be applied to a CCD.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, they are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.
２ 近接場光導波路
２ａ 変換部
２ａ１、２ａ２ 変換部
２ｂ 導波路
３ 部材
４ 近接場光学顕微鏡のプローブ
６ 光
８ａ１、８ａ２ 近接場光
８ｂ 近接場光
１０ ＣＭＯＳイメージセンサ
１２ 多層配線
１２ａ 配線
１２ｂ 層間絶縁膜
１４ 画素
１６ 処理回路
１８ 近接場光導波路
１８ａ 変換部
１８ｂ 導波路
２０ バッファ層
２２ 高屈折率部
２４ ＳｉＯ２膜
２６ 遮光部
２７Ｇ 緑色フィルタ
２７Ｂ 青色フィルタ
２７Ｒ 赤色フィルタ
２８ マイクロレンズ
４０ ＳＯＩ基板
４２ ｎ型Ｓｉ層
2 near-field optical waveguide 2a converting unit 2a 1, 2a 2 conversion unit 2b waveguide 3 members 4 near-field optical microscope probe 6 light 8a 1, 8a 2 near-field light 8b near field light 10 CMOS image sensor 12 multilayer wiring 12a interconnection 12b Interlayer insulating film 14 Pixel 16 Processing circuit 18 Near-field optical waveguide 18a Converter 18b Waveguide 20 Buffer layer 22 High refractive index part 24 SiO 2 film 26 Light-shielding part 27G Green filter 27B Blue filter 27R Red filter 28 Microlens 40 SOI substrate 42 n-type Si layer
Claims (6)
前記複数の画素のうちの少なくとも一部の画素間を接続するように設けられ、入射された伝播光を近接場光に変換するとともに前記近接場光を伝播する近接場光導波路と、
を備えていることを特徴とするイメージセンサ。 A plurality of pixels that convert incident propagating light into an electrical signal;
A near-field optical waveguide that is provided so as to connect at least some of the plurality of pixels and that converts incident propagation light into near-field light and propagates the near-field light;
An image sensor comprising:
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