JP5274678B2 - 光電変換素子、およびこれを用いた光電変換装置、撮像システム - Google Patents

Description

本発明は導光路構造を有する光電変換装置に関する。

複数の光電変換素子を備えた光電変換装置において、光電変換部の数を増やすため、及び／又は光電変換装置を小型化するためには、受光面の幅を小さくする必要がある。そのため、光電変換部自体の感度が低下する場合がある。そこで、入射光の利用効率を高めることで光電変換素子の感度を向上することができる。
入射光の利用効率を高めるためには、特許文献１に記載されているように、光電変換部（受光部）の受光面上に光導波路を設けることが有効である。

特開２００８−１６６６７７号公報

本発明は、入射光の利用効率を向上することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１は、光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、前記光路部材は、第１部分と、前記第１部分と化学量論的組成が同じであり、かつ、前記第１部分の屈折率よりも高い屈折率を有する第２部分と、を含んでおり、前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内および前記受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、かつ、前記第１部分の屈折率が前記絶縁膜の屈折率よりも高く、前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする。

また、上記課題を解決するための本発明の第２は、光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、前記光路部材は、窒化シリコンを材料とする第１部分と、窒化シリコンを材料とし、かつ、前記第１部分よりも窒化シリコンの密度が高い第２部分と、を含み、前記絶縁膜は、各々が酸化シリコンまたは珪酸塩ガラスを材料とする第１の絶縁層および第２の絶縁層を含み、前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第１の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、前記光電変換部の受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第２の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする。

上記課題を解決するための本発明の第３は、光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、前記光路部材は、窒化シリコンを材料とする第１部分と、窒化シリコンを材料とし、かつ、前記第１部分よりも窒素に対するシリコンの比が高い第２部分と、を含み、前記絶縁膜は、各々が酸化シリコンまたは珪酸塩ガラスを材料とする第１の絶縁層および第２の絶縁層を含み、前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第１の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、前記光電変換部の受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分と第２の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする。

本発明によれば、入射光の利用効率を向上することができる。

光電変換素子の一例を説明する、光電変換素子の断面模式図である。 第１実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 第１実施形態を説明する模式図である。 第２実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 第３実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 第４実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 第５実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 第６実施形態の一例を説明する光電変換素子の一部の断面模式図である。 光電変換装置および撮像システムの一例を説明する模式図である。

まず、図１を用いて光電変換素子１の概要を説明する。図１は光電変換素子の一例を表す断面模式図である。

光電変換素子１は、光電変換部１１０を備えている。光電変換素子１を１次元状あるいは２次元状に複数（多数）配列することで光電変換装置を成すことができる。光電変換装置については図９を用いて後述するが、光電変換装置は光電変換素子１から得られた信号を制御するための周辺回路をさらに含んでいてもよい。

光電変換部１１０は基板１００に設けられている。光電変換装置では、１つの基板１００は複数の光電変換部１１０を有しており、複数の光電変換部１１０の各々が別々の光電変換素子１の一部を成す。

光電変換部１１０の、図面上で上側の面が受光面１１１である。受光面１１１を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第１平面１００１と呼ぶことにする。典型的には、光電変換部１１０は半導体基板１００の主面１０１より深部に、不純物を導入することによって形成される。そのため、光電変換部１１０の受光面１１１は、典型的には基板１００の主面１０１の少なくとも一部と実質的に一致し、第１平面１００１は基板１００の主面１０１を含む。

ただし、光電変換部１１０は、半導体基板１００の主面１０１に凹みを設けて、該凹みの底面より深部に形成されていてもよい。あるいは、ガラス板等の主面上にＭＩＳ型構造あるいはＰＩＮ型構造を有する薄膜として形成されていてもよい。これらの場合には、基板１００の主面１０１と光電変換部１１０の受光面１１１は必ずしも同一平面内には存在しない。

基板１００上（主面１０１上）には、少なくとも基板１００の、光電変換部１１０が配された一主面１０１を覆う絶縁膜２００が設けられている。すなわち、絶縁膜２００の下面は基板１００の主面１０１に接している。

図１の例では、絶縁膜２００は基板１００の主面１０１と、光電変換部１１０の受光面１１１を覆っている。絶縁膜２００は、複数の光電変換部１１０同士が導通しない程度の絶縁性（基板１００の導電率よりも低い導電率）を有する。典型的には、絶縁膜２００は透明である。絶縁膜２００は一種類の材料からなる単層膜であってもよいが、典型的には絶縁膜２００は互いに異なる材料からなる複数の層が積層された多層膜である。

多層膜である場合の絶縁膜２００の一例を説明する。絶縁膜２００は、主面１０１側から順に、第１絶縁層２０５、第２絶縁層２０６、第３絶縁層２０７、第４絶縁層２０８、第５絶縁層２０９、第６絶縁層２１０、第７絶縁層２１１、第８絶縁層２１２、第９絶縁層２１３、第１０絶縁層２１４、第１１絶縁層２１５が順次積層されてなる。また絶縁膜２００は、第２絶縁層２０６の一部と第３絶縁層２０７の一部との間に位置した第１２絶縁層２１６を含んでいる。

これらの絶縁層のうち、第２絶縁層２０６、第５絶縁層２０９、第７絶縁層２１１、第９絶縁層２１３、および、第１１絶縁層２１５は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。第３絶縁層２０７はＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）からなるが、ＢＰＳＧに代えて、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）でもよいし、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）でもよい。これらの絶縁層のうち、第１絶縁層２０５、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４、第１２絶縁層２１６は窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる。

絶縁膜２００の内部には配線２１７を設けてもよい。配線２１７は多層配線であってもよく、図１では、配線２１７が、第１配線層２１７１と、第２配線層２１７２と、プラグ層２１７３とで構成された例を示している。プラグ層２１７３は、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２との間に位置しており、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２同士を接続している。配線層を２層とした例を示したが、第１配線層２１７１と第２配線層２１７２との間にさらに配線層を設けて３層以上の配線層としてもよい。配線２１７には銅やアルミニウム、タングステン、タンタル、チタン、ポリシリコンなどの導電材料を用いることができる。典型的な配線２１７は不透明であり、金属光沢を有している。半導体基板１００の主面１０１上にＭＯＳ構造を有する転送ゲートのゲート電極２１８が設けられている。ゲート電極２１８はポリシリコンからなり、不図示のプラグを介して第１配線層２１７１に接続されている。

配線２１７について、一例を挙げる。不図示のプラグはタングステンを主成分とし、シングルダマシン法によって形成することができる。第１配線層２１７１は銅を主成分とし、シングルダマシン法によって形成することができる。プラグ層２１７３および第２配線層２１７２は銅を主成分とし、デュアルダマシン法によって一体的に形成することができる。この際、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２はエッチング制御層および銅の拡散防止層として、第１０絶縁層２１４は銅の拡散防止層として用いることができる。なお、第１配線層２１７１、第２配線層２１７２、コンタクト層２１７３、プラグは、絶縁膜２００との界面近傍に、タンタル等を主成分とするバリアメタルを有することができる。

絶縁膜２００は開口部（穴部）２０１を有している。開口部２０１は貫通穴もしくは凹部とすることができるが、図１では、開口部２０１を凹部とした場合の構成を示している。絶縁膜２００は、実質的に平坦で基板１００の主面１０１に平行な上面２０２を有している。ここでは、第１１絶縁層２１５が絶縁膜２００の上面２０２を成す。上面２０２を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第２平面１００２と呼ぶことにする。第２平面１００２は第１平面１００１に平行であって、第１平面１００１と第２平面１００２は実質的に絶縁膜２００の厚み分だけ離れている。開口部２０１は上面２０２に連続している。詳細には、開口部２０１は、底面２０３と側面２０４とで構成されている。ここでは、第１２絶縁層２１６が底面２０３を成す。底面２０３を含む仮想的（幾何学的な）な平面を第３平面１００３と呼ぶことにする。底面２０３は受光面１１１に対応した領域に位置している。詳細には、底面２０３は主面１０１に平行な方向（第１平面１００１および第３平面１００３に平行な方向）において、受光面１１１からの正射影に入るように位置している。このようにして、受光面１１１と底面２０３とは絶縁膜２００の一部を介して対向している。第３平面１００３は第２平面１００２（及び第１平面１００２）に平行であって、第２平面１００２と第３平面１００３は実質的に開口部２０１の深さ分だけ離れている。側面２０４は上面２０２及び底面２０３に連続している。そのため、側面２０４は実質的に第２平面１００２と第３平面１００３との間に延在している。なお、開口部２０１の断面形状がＵ字型を呈していて、実際には底面２０３と側面２０４の境界が明確でない場合がある。その場合でも、第３平面１００３は、少なくとも、絶縁膜２００の基板１００側とは反対側の表面において基板１００に最も近い点（開口部２０１の底）を含む。上記したように、「絶縁膜２００の基板１００側とは反対側の表面」は上面２０２、底面２０３、側面２０４を有している。絶縁膜２００の基板１００側の表面は、絶縁膜２００の下面である。これまでの説明から明らかなように、第１平面１００１と第３平面１００３の距離は、実質的に、絶縁膜２００の厚みと開口部２０１の深さとの差に相当する。

開口部２０１の深さは、絶縁膜２００の厚みの１／４以上であることが好ましく、絶縁膜２００の厚みの１／２以上であることがより好ましい。また、開口部２０１の深さは、入射光の波長よりも長いことが好ましい。典型的な入射光の波長は緑色の０．５５μｍであり、開口部２０１の深さに相当する、第２平面１００２と第３平面１００３との距離は０．５５μｍ以上であることが好ましい。したがって、絶縁膜２００の厚みは０．５５μｍより厚いことが好ましい。より好ましくは、絶縁膜２００の厚みを１．０μｍ以上とする。絶縁膜２００を極端に厚くすると応力が大きくなったり、製造に時間がかかったりするため、実用的には、絶縁膜２００の厚みＴ_Ｉは１０μｍ以下、好ましくは５．０μｍ以下とする。

開口部２０１の側面２０４の平面形状（第１平面１００１に平行な平面内での開口部２０１の形状）は閉ループ状であり、円形や、楕円形、角丸四角形、四角形、六角形とすることができる。ここでは、円形である。なお、底面２０３も円形である。開口部２０１の開口端（第２平面１００２内での側面２０４）の幅（直径）は、典型的には１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。開口端の幅が、２．０μｍ以下である場合に本発明は特に顕著な効果を奏する。

開口部２０１の断面形状（中心軸を通り、第１平面１００１に垂直な平面内での開口部２０１の形状）は、図１に示す様な逆台形や、正台形、長方形、正方形、あるいはこれらを組み合わせた階段形とすることができる。

開口部２０１内には光路部材２２０が位置している。光が光路部材２２０を通過するために、光路部材２２０は透明である。なお、ここでいう透明とは実質的に光電変換を行う波長域の光に対して十分な透明性を有していればよく、波長選択性を有していてもよい。

光路部材２２０は開口部２０１の内側に位置しているため、光路部材２２０は、光電変換部１１０上に位置しており、絶縁膜２００で囲まれている。詳細には、光路部材２２０は開口部２０１の側面２０４に囲まれており、絶縁膜２００の側面２０４に接している。また、光路部材２２０は開口部２０１の底面２０３にも接している。さらに詳細には、光路部材２２０は、絶縁膜２００の第３絶縁層２０７、第４絶縁層２０８、第５絶縁層２０９、第６絶縁層２１０、第７絶縁層２１１、第８絶縁層２１２、第９絶縁層２１３、第１０絶縁層２１４および、第１１絶縁層２１５で囲まれている。そして、光路部材２２０は、開口部２０１の底面２０３を成す第１２絶縁層２１６と接している。このようにして、光路部材２２０は、光電変換部１１０に対応する領域（受光面１１１の正射影の領域）に位置している。なお、開口部２０１を凹部ではなく、貫通穴とした場合には、受光面１１１が開口部２０１の底面２０３を成す。換言すれば、光路部材２２０は光電変換部１１０と接する。そして、開口部２０１の深さは実質的に絶縁膜２００の厚みと等しくなる。

光路部材２２０の形状は実質的に開口部２０１の形状と略一致する。本実施形態では、光路部材２２０は円錐台形状を呈するが、開口部２０１の形状に応じて、角錐台形状でもよいし、角柱形状、円柱形状でもよい。光路部材２２０は中心軸に対して回転対称であることが好ましい。光路部材２２０の幅（直径）は、典型的には１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましい。開口端の幅が、２．０μｍ以下である場合に本発明は特に顕著な効果を奏する。

光路部材２２０の少なくとも一部の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高い。なお、以下の説明では、「絶縁膜２００の屈折率」を絶縁膜２００の大部分を成す材料の屈折率として説明する。光路部材２２０の一部の屈折率が絶縁膜２００の屈折率以下であってもよい。本発明において単に屈折率という場合には絶対屈折率を意味している。屈折率は波長によって異なるが、少なくとも光電変換部１１０で信号電荷を生成し得る光の波長に対する屈折率である。さらに、光電変換素子１がカラーフィルタ等の波長選択部を有している場合には、当該波長選択部を透過した光の波長を用いる。しかしながら、実用的には、入射光の波長を人間の眼が敏感な緑色の波長である０．５５μｍとみなしても差支えなく、以下の説明では、０．５５μｍに対する屈折率として説明する。

光路部材２２０の最外層の屈折率が絶縁膜２００の屈折率よりも高く、光路部材２２０と絶縁膜２００とが界面を成す場合には、幾何光学的には当該界面で全反射を生じ、光路部材２２０内に入射光を導き、結果として受光面１１１に導くことができる。

なお、導波路構造として、光路部材と絶縁膜の側面との間に、光路部材と絶縁膜とが接しないように不透明膜を設ける構成が知られている（例えば、特開２００２−１１８２４５号公報）。不透明膜を設けると、迷光の原因となる、側面２０４から漏れ出す光の量を低減できる。さらに、不透明膜が金属光沢を有する膜（金属膜等）であると、当該不透明膜で金属反射を生じ、光路部材内に入射光を受光面に導くことができる。しかしながら、不透明膜が光路部材２２０と側面２０４との間に位置すると、光路部材２２０に入射せずに絶縁膜２００に入射した光は、光路部材２２０には入射しないために、光利用効率が著しく低下してしまう。一方、不透明膜を設けずに、光路部材２２０が絶縁膜２００の側面２０４と接していると、絶縁膜２００に入射した光を、絶縁膜２００から光路部材２２０に入射させることが可能となり、光利用効率を向上することができる。

光路部材２２０の材料（透明材料）は、有機材料（樹脂）でもよいし無機材料でもよい。しかしながら、無機材料は化学的に安定であるために好ましい。樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド等が挙げられる。無機材料としては、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適である。光路部材２２０は単一の材料で構成されていてもよいし、複数の材料で構成されていてもよい。光路部材２２０、絶縁膜２００の材料として例示した材料の屈折率の大まかな値を挙げる。酸化シリコンは１．４〜１．５、酸窒化シリコンは１．６〜１．９、窒化シリコンは１．８〜２．３、酸化チタンは２．５〜２．７、ＢＳＧ、ＰＳＧ、ＢＰＳＧは１．４〜１．６である。なお、ここで述べた屈折率の値の有効数字は２桁であり、小数点２桁目は四捨五入している。上記した値は一例であって、同じ材料であっても、成膜方法を変更することによって、非化学量論的組成比や、材料密度が変化するため、屈折率を適宜設定することが可能である。なお、一般的な樹脂の屈折率は１．３〜１．６、高屈折率樹脂でも１．６〜１．８であるが、金属酸化物等の高屈折率無機材料を含有させることにより、実効的な屈折率を高くすることができる。樹脂に含有させる高屈折率無機材料としては、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化ハフニウム等が挙げられる。

詳細は実施形態を用いて後述するが、本発明では、光路部材２２０は、第１高屈折率領域と、第１高屈折率領域の屈折率よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域とで構成されるような屈折率分布を有している。そして、この屈折率分布は、光路部材２２０の少なくとも一部を成す、同じ材料（同一の材料）で占められた部分（中心部分及び周辺部分）内に形成することができる。実用的には、光路部材２２０の屈折率は１．６以上であることが好ましい。また、実用的には、上記１つの材料で占められた部分が有する屈折率分布における、屈折率の最大値と最小値との差は０．０２５以上であることが好ましく、０．０５０以上であることがより好ましい。なお、典型的には、屈折率の最大値と最小値との差は０．５０以下であり、実用的には０．２５以下である。屈折率分布において、第１高屈折率領域と第２高屈折率領域の境界を明確に観察できる場合もあるが、明確に観察できない場合もある。例えば、中心軸から絶縁膜２００へ向かって、屈折率が緩やかに変化している場合には、第１高屈折率領域と第２高屈折率領域の境界は明確に観察できないであろう。このような場合には、次のようにして、第１高屈折率領域と第２高屈折率領域の境界を決めることができる。すなわち、光路部材２２０中の同一材料からなる部分の屈折率の最大値と最小値の中間値（（最大値＋最小値）／２）を求める。そして、光路部材２２０内の屈折率分布において、当該中間値となる点を結んだ線を、第１高屈折率領域と第２高屈折率領域の境界に定めることができる。当然、第１高屈折率領域は屈折率が最小である部分を含み、第２高屈折率領域は屈折率が最大である部分を含む。

なお、「同じ材料」とは、化学量論的組成が同じである材料を意味している。そのため、化学量論的組成からずれた（すなわち、非化学量論的組成が異なっている）材料や、結晶性、材料密度、添加物（主材料より少ない）の濃度、不純物（１ｗｔ％以下）およびその濃度が異なっている材料も「同じ材料」とみなすことができる。例えば、窒化シリコンの化学量論的組成比はＳｉ：Ｎ＝３：４であるが、化学量論的組成比が同じである範囲内において、実際のＳｉとＮの比が互いに異なる材料同士も同じ材料とみなす。また、例えば、単結晶シリコンとポリシリコン（多結晶シリコン）は同じ材料とみなす。なお、化学量論的組成が異なる材料は同じ材料ではない。例えば、一酸化チタン（ＴｉＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ_２）はいずれも酸素とチタンの化合物（チタン酸化物）ではあるが、化学量論的には異なる材料である。上記したように、窒化シリコンは酸化シリコンよりもかなり高い屈折率を有するとともに、酸窒化シリコンに比べて有し得る屈折率の範囲が広いことから、光路部材２２０の上記屈折率分布を有する材料として好適である。光路部材２２０に窒化シリコンを用いる場合には、窒化シリコンの成膜方法を成膜途中で変えることによって、上記した屈折率分布を形成することが可能である。また、光路部材２２０に、金属酸化物粒子が分散した樹脂を用いる場合には、樹脂に含有させる金属酸化物粒子などの高屈折率無機材料の濃度を変化させることによっても、上記した屈折率分布を形成することが可能である。光路部材２２０の屈折率分布は、互いに異なる材料で形成することもできる。しかしながら、上述したような手法により、同じ材料で屈折率分布を形成することで本発明は顕著な効果を奏し得る。 光路部材２２０および絶縁膜２００の形成方法は特に限定されない。典型的には、開口部２０１のない絶縁膜にエッチング加工を施して開口部２０１を有する絶縁膜２００を形成した後に、開口部２０１内に光路部材２２０の材料を堆積させて光路部材２２０を形成する第１の形成方法を採用することができる。他には、絶縁膜２００を構成する各絶縁層を形成するごとに、各絶縁層をエッチングして開口を設ける工程と、光路部材２２０の材料を開口内に堆積させる工程とを繰り返す第２の形成方法を採用してもよい。また、先に光路部材２２０を配置した後に、光路部材２２０の周囲に絶縁膜２００の一部の絶縁層を配置する第３の形成方法を採用してもよい。また、開口部２０１のない絶縁膜を形成した後に、光路部材２２０に対応する絶縁膜の一部を改質することによって光路部材２２０を形成する第４の形成方法を採用してもよい。

図１の例では、第１の形成方法を採用した例を示している。第１２絶縁層２１６は、絶縁膜２００の一部を構成し、開口部２０１の底面２０３を構成している。第１２絶縁層２１６は、受光面１１１の上部及びゲート電極２１８の一部の上部に配置されている。平面方向における第１２絶縁層２１６の面積は、底面２０３の面積よりも大きい。また、平面方向における第１２絶縁層２１６の面積は、第１絶縁層２０５、第２絶縁層２０６の面積よりも小さい。ここでは、第３絶縁層２０７が存在する範囲内に開口部２０１の底面２０３が位置している。換言すれば、第３平面１００３内に第３絶縁層２０７が位置している。開口部２０１の底面（第３平面１００３）は、第１配線層２１７１よりも半導体基板１００の近くに位置していることが好ましい。

第１２絶縁層２１６は多層絶縁膜２００に開口部２０１を形成する際のエッチングストッパーとして機能することができる。エッチングストッパーとして機能させる上では、第１２絶縁層２１６の上面と接する層（ここでは、ＢＰＳＧからなる第３絶縁層２０７）と異なる材料を用いる。図１では開口部２０１の形成時に、第１２絶縁層２１６がわずかにエッチングされた結果、底面２０３が第１２絶縁層２１６の上面よりも光電変換部１１０側に位置している形態を示している。その結果、第１２絶縁層２１６は、底面２０３のごく近傍で側面２０４のごく一部を成している。エッチングストッパーとしての第１２絶縁層２１６は全くエッチングされなくてもよく、その場合には、第１２絶縁層２１６は、底面２０３のみを成す。

第２絶縁層２０６と光電変換部１１０との間に、第２絶縁層２０６の屈折率と光電変換部１１０の屈折率との間の屈折率を有する層（ここでは、窒化シリコンからなる第１絶縁層２０５）を設けると、光路部材２２０から光電変換部１１０への透過率が向上する。

以上説明したように、少なくとも光路部材２２０と絶縁膜２００とが導波路構造をなし、光電変換素子１に入射した光は、主に光路部材２２０を介して光電変換部１１０へ伝搬される。

光路部材２２０及び絶縁膜２００の上には、透明膜３１９が設けられている。

透明膜３１９に対して受光面１１１側とは反対側には、透明膜３１９側から順に、第２中屈折率層３２０、低屈折率層３２１、第１中屈折率層３２２、第２レンズ基体層３２３、第２レンズ体層３２４、第２レンズ体コーティング層３２５、平坦化膜３２６、カラーフィルタ層３２７、第１レンズ基体層３２８、第１レンズ体層３２９が積層されている。これらの層の詳細は後述するが、この構成に限定されることはなく、様々な改変をしてもよい。例えば、第１レンズ体層３２９（及び第１レンズ基体層３２８）と、第２レンズ体層３２４（及び第２レンズ基体層３２３）の少なくとも一方を省略してもよい。第２レンズ体層３２４（及び第２レンズ基体層３２３）を省略する場合には、平坦化膜３２６を省略してもよい。また、カラーフィルタ層３２７を省略してもよいし、カラーフィルタ層３２７が平坦化膜３２６の機能を兼ねていてもよい。

透明膜３１９は、光電変換素子１の最外面（ここでは第１レンズ体層３２９の表面）から絶縁膜２００および光路部材２２０までの距離（光路長）を制御している。典型的な透明膜３１９の厚みは、０．０８０μｍ以上である。一方、透明膜３１９を極端に厚くすると光路部材２２０への入射光量が減少する。透明膜３１９の厚みは開口部２０１の深さ以下であることが好ましく、開口部２０１の深さの半分以下であることがより好ましい。典型的な透明膜３１９の厚みは０．５０μｍ以下である。

透明膜３１９の材料は、光路部材２２０の材料と異なっていてもよいが、同じ材料であることが好ましい。透明膜３１９の材料が光路部材２２０の材料と同じである場合、光路部材２２０と透明膜３１９とが一体となって、光路部材２２０と透明膜３１９との境界が明確に観察できない場合がある。上述したように、光路部材２２０は開口部２０１の内側（第２平面１００２と第３平面１００３との間）に位置し、透明膜３１９は開口部２０１の外側に存在する。したがって、透明材料が、開口部２０１の内側に存在するか、開口部２０１の外側に存在するかを判断することにより、光路部材２２０と透明膜３１９を区別することができる。開口部２０１の内側と外側の区分は、光電変換素子１の断面の観察画像において、絶縁膜２００の上面２０２を開口部２０１上まで仮想的に延長する（側面２０４の上端同士を仮想的に直線で結ぶ）ことにより可能である。

以上が、光電変換素子１の概要である。次に、図２〜８を用いて、光路部材２２０が有する屈折率分布の実施形態を説明する。なお、図２、図４〜８は、図１の基板１００、第１平面１００１から第２平面１００２までの部分、および、透明膜３１９のみを示している。透明膜３１９より上の部分の構成に関しては共通であり、また適宜変更することができるので、説明を省略する。また、各図面において、同様の機能を奏する部材あるいは部分には、同じ符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図２（ａ）は第１実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図２（ｂ）は第１実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

図２（ａ）には、図１を用いて説明した第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３に加えて、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６を示している。第４平面１００４は、第２平面１００２と第３平面１００３との間に位置しており、第２平面１００２及び第３平面１００３から等距離に位置する平面である。すなわち、第４平面１００４は、第２平面１００２と第３平面１００３との中間に位置している。第５平面１００５は、第２平面１００２と第４平面１００４との間に位置しており、第６平面１００６は、第３平面１００３と第４平面１００４との間に位置している。すなわち、第５平面１００５は、光路部材２２０の上部（入射側の半分）を代表する平面であり、ここでは便宜的に第２平面１００２と第４平面１００４から等距離に位置する平面としている。同様に、第６平面１００６は、光路部材２２０の下部（出射側の半分）を代表する平面であり、ここでは便宜的に第３平面１００３と第４平面１００４から等距離に位置する平面としている。

図２（ｂ）のＳ１は第２平面１００２における断面、Ｓ２は第５平面１００５における断面、Ｓ３は第４平面１００４における断面、Ｓ４は第６平面１００６における断面を示している。Ｓ５は第３平面１００３の光路部材２２０側近傍、具体的には、側面２０４の第３絶縁層２０７が成す部分の下端における断面を示している。

光路部材２２０は、少なくとも中心部分２２２と周辺部分２２１とを有している。周辺部分２２１は中心部分２２２と絶縁膜２００との間に位置している。

そして、周辺部分２２１は中心部分２２２を囲んでいる。周辺部分２２１は中心部分２２２と同じ材料からなる。少なくとも周辺部分２２１の一部と中心部分２２２の一部との間には、周辺部分２２１および中心部分２２２の材料と異なる材料からなる部分が存在しておらず、中心部分２２２から周辺部分２２１にかけては、同じ材料が連続している。したがって、周辺部分２２１は中心部分２２２に連続していると云うことができる。周辺部分２２１の全体と中心部分２２２の全体との間に、両者の材料と異なる材料からなる部分が存在しないことが望ましい。図２に示した例のように、周辺部分２２１は絶縁膜２００と接していることが好ましい。

本実施形態では、中心部分２２２の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高い。そして、周辺部分２２１の屈折率は中心部分２２２の屈折率よりも高い。そのため、周辺部分２２１の屈折率も絶縁膜２００の屈折率よりも高い。

このように、光路部材２２０は、絶縁膜２００の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈率材料からなる。そして、高屈折率材料は、第１高屈折率領域と、第１高屈折率領域の屈折率よりも高い屈折率を有する第２の高屈折率領域とで構成されるような屈折率分布を有している。本実施形態では、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が第２高屈折率領域である。図２（ａ）では、中心部分２２２と周辺部分２２１との間で、屈折率が顕著に異なっている様子を示している。例えば、中心部分２２２の屈折率が１．８３、周辺部分２２１の屈折率が１．９０である場合、電子顕微鏡で観察した主面１０１に垂直な方向における光路部材２２０の断面観察画像では、中心部分２２２と周辺部分２２１とで、画像にコントラストがあることを確認することができる。

窒化シリコンを用いて屈折率分布を形成するには、例えば次のような方法が挙げられる。第１の方法としては、まず、側面２０４上に、成膜材料の窒素成分の量に対するシリコン成分の量を比較的多くして第１の窒化シリコン膜を成膜する。その後に、第１の窒化シリコン膜上に、成膜材料の窒素成分の量に対するシリコン成分の量を、第１の窒化シリコン膜を成膜する際よりも少なくして第２の窒化シリコン膜を成膜する。このとき、第１の窒化シリコン膜を成膜する時と第２の窒化シリコン膜を成膜する時とで、窒素成分の量およびシリコン成分の量の一方が同じであってもよいし、両方が異なっていてもよい。この第１の方法により、第１の窒化シリコン膜が周辺部分２２１をなし、第２の窒化シリコン膜が中心部分２２２をなす、光路部材２２０を形成することができる。これは、化学量論的組成比がＳｉ：Ｎ＝３：４であっても、非化学量論的組成に関して、窒素（Ｎ）に対するシリコン（Ｓｉ）の比（Ｓｉ／Ｎ）が比較的高い窒化シリコンは、窒素に対するシリコンの比が比較的低い窒化シリコンよりも、屈折率が高くなるからである。ＣＶＤ法などの慣用的な成膜法で形成される窒化シリコン膜の、窒素に対するシリコンの比は一般的には１／２〜３／２であり、３／５〜１が典型的である。窒化シリコン膜の窒素に対するシリコンの比が３／４となる、実際の組成が化学量論的組成に一致する窒化シリコンの屈折率は２．０になり得る。

第２の方法としては、まず、側面２０４上に、成膜材料の入射エネルギーを低くして、密着性および材料密度の高い第１の窒化シリコン膜を成膜する。その後に、上記第１の窒化シリコン膜上に、成膜材料の入射エネルギーを高くして、埋め込み性が高く材料密度の低い第２の窒化シリコン膜を成膜する。これにより、第１の窒化シリコン膜が周辺部分２２１をなし、第２の窒化シリコン膜が中心部分２２２をなす、光路部材２２０を形成することができる。これは、窒化シリコンの密度が比較的高い、密な窒化シリコン膜は、窒化シリコンの密度が比較的低い、粗な窒化シリコン膜よりも、屈折率が高くなるからである。

周辺部分２２１の厚みは受光面１１１に近づくにつれて薄くなっている。図２（ｂ）を用いて詳細に説明する。ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＳ３、ＤＳ４、ＤＳ５は、各断面Ｓ１〜Ｓ５における開口部２０１の幅（直径）を表している。本実施形態では、側面２０４が受光面１１１に対して順テーパー形状を呈しており、ＤＳ１＞ＤＳ２＞ＤＳ３＞ＤＳ４＞ＤＳ５の関係となっている。

ＤＬ１、ＤＬ２、ＤＬ３、ＤＬ４、ＤＬ５は、各断面Ｓ１〜Ｓ５における中心部分２２２の幅（直径）を表している。中心軸は中心部分２２２を通り、中心部分２２２は中心軸に沿って、途切れることなく連続的に延在している。本実施形態では、中心部分２２２が円錐台形状を呈しており、中心部分２２２の外面（周辺部分２２１側の面）が受光面１１１に対して順テーパー形状を呈している。中心部分２２２の外面は中心軸と同心円であり、中心軸に対して回転対称となっている。そして、ＤＬ１＜ＤＬ２＜ＤＬ３＜ＤＬ４＜ＤＬ５の関係となっている。なお、ＤＬ５は、ＤＳ５よりも小さい値であるが、極めてＤＳ５に近い値である。

ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４は、各断面Ｓ１〜Ｓ４における周辺部分２２１の厚み（幅）を表している。本実施形態では、周辺部分２２１の内面（中心部分２２２側の面）および、周辺部分２２１の外面（絶縁膜２００側の面）が受光面１１１に対して逆テーパー形状を呈している。そして、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４＞ＴＨ５の関係となっている。ここで、ＴＨ５（不図示）は、断面Ｓ５における周辺部分２２１の厚みを表しており、（ＤＳ５−ＤＬ５）／２に相当する値であり、極めて０に近い値である。このように、周辺部分２２１は、絶縁膜２００の側面２０４に沿って、途切れることなく連続的に延在している。

ここでは、周辺部分２２１の厚みの最大値（ＴＨ１）と最小値（ＴＨ５）との比（ＴＨ１／ＴＨ５）はほぼ無限大であるが、少なくとも、周辺部分２２１の厚みの最小値は、最大値の１／２以下である（最大値／最小値≧２）ことが好ましい。光路部材２２０に入射する光の波長をλ、絶縁膜２００の屈折率をｎ_０、周辺部分２２１の屈折率をｎ_１として、周辺部分２２１の厚みの最大値がλ／２√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）よりも大きいことが好ましい。また、周辺部分２２１の厚みの最小値がλ／４√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）よりも小さいことが好ましい。周辺部分２２１の厚みは、光路部材２２０の上部（第２平面１００２から第４平面１００４まで）で最大値となることが好ましい。また、周辺部分２２１の厚みは、光路部材２２０の下部（第４平面１００４から第３平面１００３まで）で最小値となることが好ましい。

周辺部分２２１の厚みが、最小値と最大値の間である部分においても、受光面１１１により近い平面における厚みが１／２以下となっていることが好ましい。図２（ａ）、（ｂ）に示した例では、第４平面１００４における周辺部分２２１の厚み（ＴＨ３）が、第２平面１００２における周辺部分２２１の厚み（ＴＨ１）の１／２となっている。また、第６平面１００６における周辺部分２２１の厚み（ＴＨ４）が、第５平面１００５における周辺部分２２１の厚み（ＴＨ２）の１／２未満となっている。

図３（ａ）は、本実施形態において、光路部材２２０の中心軸と平行な光が光路部材２２０に入射した際の電界強度分布を示している。詳細には、３つの電界強度分布は、光路部材２２０中で高さの異なる３つの位置における電界強度の、受光面１１１に平行な面内での分布である。横軸の位置が、光路部材２２０中での高さを示している。

波動光学的には、光は屈折率の高い領域に集中しやすいと考えることができる。そのため、中心部分２２２よりも屈折率の高い周辺部分２２１の、厚みが大きい位置では、周辺部分２２１の電界強度が中心部分２２２の電界強度に比べて高くなる。また、周辺部分２２１よりも屈折率の低い絶縁膜２００には光路部材２２０から光がほとんど漏れ出さない。そのため、光の損失が抑制されると考えられる。

本実施形態では、周辺部分２２１の厚みが、光電変換部１１０に近づくにつれて徐々に小さくなっている。そのため、周辺部分２２１の、厚みが小さい位置では、厚みが大きい位置と同じ程度の量の光が周辺部分２２１を伝搬することが困難となる。したがって、周辺部分２２１を伝搬しきれなくなった光は中心部分２２２に遷移する。本実施形態では、周辺部分２２１と中心部分２２２は同じ材料が連続しているために、この遷移における光の損失が抑制される。これは、通常、異なる材料同士の界面では、屈折率が不連続に変化する。一方、周辺部分２２１と中心部分２２２が同じ材料からなることによって、周辺部分２２１と中心部分２２２との境界で、屈折率が連続的に変化するためと考えることができる。

幅の広い中心部分２２２から出射した光は、厚み（幅）の狭い周辺部分２２１から出射する場合に比べて、光路部材２２０と光電変換部１１０との間での回折を生じにくい。そのため、光路部材２２０から出射した光が回折して、光電変換部１１０に入射しないことによる損失が抑制されると考えられる。

以上のように、本実施形態では、光路部材２２０と絶縁膜２００との間、光路部材２２０内、そして光路部材２２０と光電変換部１１０との間での光の損失が抑制しつつ、光が伝搬するために、感度が向上すると考えられる。

本実施形態で示したように、周辺部分２２１の厚みは、受光面１１１に近づくにしたがって連続的に薄くなることが好ましい。すなわち、受光面１１１までの距離の短縮に対して、周辺部分２２１の厚みが狭義単調減少していることが好ましい。周辺部分２２１の厚みが、受光面１１１に近づくにつれて断続的に薄くなる、すなわち、受光面１１１までの距離の短縮に対して周辺部分２２１の厚みが広義単調減少していてもよい。しかしながら、断続的に薄くなると、周辺部分２２１の厚みが一定である部分では、上記した中心部分２２２への遷移は比較的小さいと考えられる。そのため、周辺部分２２１が急激に薄くなると、中心部分２２２への遷移に加えて絶縁膜２００への遷移も生じやすくなり、損失が生じてしまうと考えられる。

図３（ｂ）には、本実施形態において、光路部材２２０の中心軸に対して入射角を変えた際の感度を示している。なお、比較例として示したものは、光路部材２２０が屈折率分布を有しない形態である。図３（ｂ）から理解されるように、本実施形態によれば、斜め入射光に対する感度が向上する。その結果、Ｆ値比例性を向上させることができる。なお、光電変換素子１の中心軸に平行に入射する光は、光路部材２００の内部に焦点を結ぶことの好ましく、第２平面１００２と第４平面１００４との間に焦点を結ぶことがより好ましい。典型的には、光電変換素子１の中心軸に平行に入射する光は、中心部分２２２内に焦点を結ぶ。一方、光電変換素子１の中心軸に斜めに入射する光は、主に周辺部分２２１内に焦点を結ぶ。

絶縁膜２００が多層膜である場合、多層膜の一部の層の屈折率が光路部材２２０の中心部分２２２の屈折率以上、さらには周辺部分２２１の屈折率以上であってもよい。このような、第１高屈折率領域以上の屈折率を有する層を高屈折率絶縁層と呼ぶ。一方、光路部材２２０の中心部分２２２の屈折率よりも低い屈折率を有する、換言すれば、第１高屈折率領域の屈折率未満の屈折率を有する、多層膜の残りの層を低屈折率絶縁層と呼ぶ。高屈折率絶縁層の屈折率は低屈折率絶縁層の屈折率よりも高い。

本実施形態の場合、絶縁膜２００のうちの、酸化シリコンあるいは珪酸塩ガラスからなり開口部２０１の側面２０４を成す、第３絶縁層２０７、第５絶縁層２０９、第７絶縁層２１１、第９絶縁層２１３、および、第１１絶縁層２１５は低屈折率絶縁層である。これらの低屈折率絶縁層は、光路部材２２０を囲んでいる。例えば、中心部分２２２の屈折率が１．８３、周辺部分２２１の屈折率が１．９０である場合、第３絶縁層２０７、第５絶縁層２０９、第７絶縁層２１１、第９絶縁層２１３、および、第１１絶縁層２１５の屈折率が１．４６であると、これらの絶縁層は、低屈折率絶縁層である。なお、第２絶縁層２０６も低屈折率絶縁層であるが、開口部２０１の側面２０４を成していない。

図２（ｂ）には各平面での断面における側面２０４を示しているが、詳細には、図２（ａ）から理解されるように、各断面における側面２０４は、それぞれ異なる絶縁層によって形成されている。具体的には、断面Ｓ１における側面２０４は第１１絶縁層２１５によって、断面Ｓ２における側面２０４は第９絶縁層２１３によって、断面Ｓ３における側面２０４は第７絶縁層２１１によって、断面Ｓ４および断面Ｓ５における側面２０４およびは第３絶縁層２０７によって、それぞれ形成されている。

一方、周辺部分２２１および中心部分２２２が窒化シリコンであるから、絶縁膜２００のうちの、窒化シリコンからなり開口部２０１の側面２０４を成す、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４は高屈折率絶縁層である。これらの高屈折率絶縁層は、光路部材２２０を囲んでいる。例えば、中心部分２２２の屈折率が１．８３、周辺部分２２１の屈折率が１．９０である場合、第４絶縁層２０８、第６絶縁層２１０、第８絶縁層２１２、および、第１０絶縁層２１４の屈折率が２．０３であると、これらの絶縁層は、高屈折率絶縁層である。なお、第１絶縁層２０５も高屈折率絶縁層であるが、開口部２０１の側面２０４を成していない。本例では、高屈折率絶縁層は周辺部分２２１および中心部分２２２の材料と同じ材料からなり、低屈折率絶縁層は周辺部分２２１および中心部分２２２の材料と異なる材料からなる。

しかしながら、このような光路部材２２０の屈折率以上の層（高屈折率絶縁層）が開口部２０１の側面２０４の大部分を形成することは好ましくない。これは、光路部材２２０に入射した光が高屈折率絶縁層内を伝搬して、開口部２０１から漏れる可能性があるためである。そのため、高屈折率絶縁層が成す開口部２０１の側面２０４は、開口部２０１の側面２０４全体の面積の半分未満とすること好ましく、１／４未満とすることがより好ましい。換言すれば、多層膜のうちの光路部材２２０の屈折率より低い層（低屈折率絶縁層）が、開口部２０１の側面２０４全体の面積の半分以上、好ましくは３／４以上を成すことが好ましい。各層が成す側面２０４の面積は、各層の厚みや側面２０４の角度を適宜設定することで調整できる。１つの低屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．１０μｍ以上０．６０μｍ以下である。１つの高屈折率絶縁層の厚みは、光路部材２２０に入射する光の波長をλ、高屈折率絶縁層の屈折率をｎ_０Ｈとして、λ／２ｎ_０Ｈ以下であることが好ましく、λ／４ｎ_０Ｈ以下であることがより好ましい。高屈折率絶縁層の厚みは、典型的には０．０１０μｍ以上０．１０μｍ以下である。

＜第２実施形態＞
図４（ａ）は第２実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図４（ｂ）は第２実施形態に係る光電変換素子１の一部の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

本実施形態でも、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６、Ｓ１〜Ｓ５、ＤＳ１〜５、ＤＬ１〜５、ＴＨ１〜５の定義は図２（ａ）、（ｂ）と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、側面２０４は順テーパー形状を呈している。一方、中心部分２２２が円柱形状を呈しており、中心部分２２２の外面（周辺部分２２１側の面）が受光面１１１に対して垂直になっている。そして、ＤＬ１＝ＤＬ２＝ＤＬ３＝ＤＬ４＝ＤＬ５の関係となっている。また、周辺部分２２１の内面（中心部分２２２側の面）は、受光面１１１に対して垂直になっているが、周辺部分２２１の外面（絶縁膜２００側の面）が受光面１１１に対して逆テーパー形状を呈している。そして、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４＞ＴＨ５の関係となっている。

本実施形態の変形例（不図示）を説明する。絶縁膜２００の側面２０４がテーパー形状を呈しておらず、受光面１１１に対して垂直（ＤＳ１＝ＤＳ２＝ＤＳ３＝ＤＳ４＝ＤＳ５）となっていてもよい。その場合には、中心部分２２２の外面を受光面１１１に対して順テーパー形状（ＤＬ１＜ＤＬ２＜ＤＬ３＜ＤＬ４＜ＤＬ５）とすればよい。また、絶縁膜２００の側面２０４が逆テーパー形状を呈して、ＤＳ１＜ＤＳ２＜ＤＳ３＜ＤＳ４＜ＤＳ５となっていてもよい。その場合には、中心部分２２２の外面を受光面１１１に対して、側面２０４よりも傾斜の小さい順テーパー形状とすればよい。すなわち、ＤＳ１−ＤＬ１＞ＤＳ２−ＤＬ２＞ＤＳ３−ＤＬ３＞ＤＳ４−ＤＬ４＞ＤＳ５−ＤＬ５とすることで、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４＞ＴＨ５の関係を実現することができる。

＜第３実施形態＞
図５（ａ）は第３実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図５（ｂ）は第３実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

本実施形態でも、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６、Ｓ１〜Ｓ５、ＤＳ１〜５、ＤＬ１〜５、ＴＨ１〜５の定義は図２（ａ）、（ｂ）と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、側面２０４は順テーパー形状を呈している。一方、中心部分２２２の上部の一部分（第２平面１００２から第５平面１００５までの部分）が円柱形状を呈している。中心部分２２２の上部の残りの部分（第５平面１００５から第４平面１００４までの部分）と中心部分２２２の下部が正円錐台形状を呈している。そして、ＤＬ１＝ＤＬ２＜ＤＬ３＜ＤＬ４＜ＤＬ５の関係となっている。また、周辺部分２２１の外面（絶縁膜２００側の面）が受光面１１１に対して逆テーパー形状を呈している。そして、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４＞ＴＨ５の関係となっている。

＜第４実施形態＞
図６（ａ）は第４実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図６（ｂ）は第４実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

本実施形態でも、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６、Ｓ１〜Ｓ５、ＤＳ１〜５、ＤＬ１〜３、ＴＨ１〜３の定義は図２（ａ）、（ｂ）と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、側面２０４は順テーパー形状を呈しており、ＤＳ１＞ＤＳ２＞ＤＳ３＞ＤＳ４＞ＤＳ５の関係となっている。一方、本実施形態は、周辺部分２２１および中心部分２２２が、第２平面１００２と第６平面１００６との間に位置して、第６平面１００６と第３平面１００３との間には位置しない点が、第１〜第３実施形態とは異なる。本実施形態では、光路部材２２０は、周辺部分２２１より低い屈折率を有する出射部分２２２１を有している。出射部分２２２１の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高く、典型的には、中心部分２２２と同程度の屈折率を有している。したがって、本実施形態では、中心部分２２２および出射部分２２２１が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

出射部分２２２１は、第３平面１００３と第６平面１００６との間に位置している。すなわち、出射部分２２２１は、中心部分２２２と光電変換部１１０との間、詳細には、図１で示した底面２０３と中心部分２２２との間に位置している。出射部分２２２１は、中心部分２２２（および周辺部分２２１）と同じ材料からなり、中心部分２２２に連続している。図６（ｂ）に示したＤＬ４，ＤＬ５は出射部分２２２１の幅（直径）を表している。出射部分２２２１は逆円錐台形状を呈している。

本実施形態では、第３実施形態と同様に、中心部分２２２の上部の一部分（第２平面１００２から第５平面１００５までの部分）が円柱形状を呈している。また、中心部分２２２の上部の残りの一部分と中心部分２２２の下部の一部分（第４平面１００４から第６平面１００６までの部分）が正円錐台形状を呈している。

中心部分２２２の上部の残りの部分（第５平面１００５から第４平面１００４までの部分）と中心部分２２２の下部（第４平面１００４から第６平面１００６までの部分）が正円錐台形状を呈している。そして、ＤＬ１＝ＤＬ２＜ＤＬ３＜ＤＬ４＜ＤＬ５の関係となっている。なお、出射部分２２２１は、絶縁膜２００と接しており、ＤＬ４＝ＤＳ４、ＤＬ５＝ＤＳ５の関係となっている。そして、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４の関係となっている。

＜第５実施形態＞
図７（ａ）は第５実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図７（ｂ）は第５実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

本実施形態でも、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６、Ｓ１〜Ｓ５、ＤＳ１〜５、ＤＬ３〜５、ＴＨ３〜５の定義は図２（ａ）、（ｂ）と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、側面２０４は順テーパー形状を呈しており、ＤＳ１＞ＤＳ２＞ＤＳ３＞ＤＳ４＞ＤＳ５の関係となっている。一方、本実施形態は、周辺部分２２１および中心部分２２２が、第５平面１００５と第３平面１００３との間に位置して、第２平面１００２と第５平面１００５との間には位置しない点が、第１〜第４実施形態とは異なる。

本実施形態では、光路部材２２０は、中心部分２２２より高い屈折率を有する入射部分２２１２を有している。入射部分２２１２の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高く、典型的には、周辺部分２２１と同程度の屈折率を有している。したがって、本実施形態では、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１および入射部分２２１２が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

入射部分２２１２は、第２平面１００２と第５平面１００５との間に位置している。すなわち、入射部分２２１２は、透明膜３１９と周辺部分２２１との間に位置している。入射部分２２１２は、周辺部分２２１（および中心部分２２２）と同じ材料からなり、周辺部分２２１に連続している。図７（ｂ）に示したＤＬ１，ＤＬ２は入射部分２２１２の幅（直径）を表している。入射部分２２１２は逆円錐台形状を呈している。

本実施形態では、中心部分２２２が円錐形状を呈しているが、円錐台形状であってもよい。そして、ＤＬ３＜ＤＬ４＜ＤＬ５の関係となっている。なお、入射部分２２１２は、絶縁膜２００と接しており、ＤＬ４＝ＤＳ４、ＤＬ５＝ＤＳ５の関係となっている。そして、ＴＨ１＞ＴＨ２＞ＴＨ３＞ＴＨ４の関係となっている。このような、円錐形状あるいは円錐台形状の中心部分２２２は、ｓｐｉｎｄｔ型の電子放出素子の製法（例えば回転蒸着法）を応用して形成することも可能である。

＜第６実施形態＞
図８（ａ）は第６実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に垂直な方向の断面図であり、図８（ｂ）は第６実施形態に係る光電変換素子１の一部の、主面１０１（および受光面１１１）に平行な方向の断面図である。

本実施形態でも、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。

第１平面１００１、第２平面１００２、第３平面１００３、第４平面１００４、第５平面１００５、第６平面１００６、Ｓ１〜Ｓ５、ＤＳ１〜５、ＤＬ１〜４、ＴＨ１〜４の定義は図２（ａ）、（ｂ）と同様であるから、説明を省略する。

本実施形態では、光路部材２２０は、出射部分２２１１を有している。出射部分２２１１は周辺部分２２１に連続しており、出射部分２２１１は周辺部分２２１と同じ材料からなる。そして、出射部分２２１１の屈折率は中心部分２２２の屈折率よりも高い。出射部分２２１１の厚みは薄いことが好ましい。本実施形態では、中心部分２２２が第１高屈折率領域であり、周辺部分２２１および出射部分２２１１が、第１高屈折率領域（中心部分２２２）よりも高い屈折率を有する第２高屈折率領域である。図８（ｂ）のＴＨ５は出射部分２２１１の幅（直径）を表しており、ここでは、ＴＨ５＝ＤＳ５となっている。

以上説明した第１〜第６実施形態では、周辺部分２２１が絶縁膜２００の側面２０４と接する形態を説明してきた。しかしながら、周辺部分２２１が絶縁膜２００の側面２０４と接さずに、周辺部分２２１と絶縁膜２００の側面２０４との間に、光路部材２２０の一部を成す１層以上の層が介在していてもよい。

例えば、光路部材２２０は、周辺部分２２１と絶縁膜２００との間に、周辺部分２２１の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層（不図示）を有していてもよい。この低屈折率層の屈折率は、絶縁膜２００の屈折率よりも高いことが好ましく、中心部分２２２の屈折率よりも低いことがより好ましい。なお、低屈折率層の材料は周辺部分２２１（および中心部分２２２）の材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。このような低屈折率層を設けると、光の損失を低減することができる。また、この低屈折率層は周辺部分２２１を囲んでいてもよい。

また、例えば光路部材２２０は、周辺部分２２１と絶縁膜２００との間に、周辺部分２２１の材料と異なる材料からなる、周辺部分２２１の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層（不図示）を有していてもよい。しかしながら、このような高屈折率層の屈折率を、周辺部分２２１の屈折率よりも極端に高くすると、及び／又は、高屈折率層の厚みを極端に厚くすると、光路部材２２０に入射する光は当該高屈折率層に集中すると考えられる。そのため、本実施形態による効果が十分に得られない可能性がある。したがって、周辺部分２２１と高屈折率層との屈折率差は、周辺部分２２１と中心部分２２２との屈折率差よりも小さくすることが好ましい。また、任意の断面において、高屈折率層の厚みは、周辺部分２２１の厚みよりも薄くすることが好ましい。上記したような高屈折率層あるいは低屈折率層は、周辺部分２２１の形状を規定したり、光路部材２２０の開口部２０１への密着性を向上したりする機能を果たすことができる。また、周辺部分２２１および中心部分２２２の材料に有機材料（樹脂）を用いる場合には、上記高屈折率層あるいは低屈折率層は、有機材料に対する保護層（パッシベーション層）として機能する。このような保護層の材料に窒化シリコンを用いることが好ましい。

なお、中心部分２２２の内側に、中心部分２２２に囲まれた、中心部分２２２とは異なる材料からなる領域、あるいは空隙（ボイド）が存在することもある。しかしながら、かかる領域の屈折率が中心部分２２２の屈折率よりも低い場合、あるいはこの領域の屈折率が周辺部分２２１の屈折率よりも高い場合には、これらの領域は極力無くすることが望ましい。

第１〜６実施形態に共通する透明膜３１９について説明する。図２、図４〜８に示す様に、絶縁膜２００の上面２０２上には透明膜３１９が設けられている。透明膜３１９は、周辺部分２２１および中心部分２２２と同じ材料からなり、絶縁膜２００（ここでは第１１絶縁層２１５）の屈折率よりも高い屈折率を有する。透明膜３１９の屈折率は、中心部分２２２の屈折率より高いことが好ましく、周辺部分２２１の屈折率と同程度であることがより好ましい。すなわち、透明膜３１９の屈折率をｎ_３、中心部分２２２の屈折率をｎ_２、周辺部分２２１の屈折率ｎ_１として、（ｎ_１＋ｎ_２）／２＜ｎ_３＜（３ｎ_１−ｎ_２）／２であることが好ましい。

透明膜３１９についてより詳細に説明する。第１実施形態（図２）、第２実施形態（図４）、第３実施形態（図５）、第４実施形態（図６）、第６実施形態（図８）に示すように、透明膜３１９は、第１領域３１９１と第２領域３１９２を有している。透明膜３１９の第２領域３１９２は第１高屈折率領域である中心部分２２２に連続している。透明膜３１９の第１領域３１９１は第２高屈折率領域である周辺部分２２１に連続しており絶縁膜２００上に位置している。そして、第１領域３１９１の屈折率は第２領域３１９２の屈折率よりも高く、透明膜３１９は屈折率分布を有している。第１領域３１９１は第２領域３１９２を囲んでいる。仮に開口部２０１ではなく、絶縁膜２０１の上面２０２へ入射しようとする方向に伝搬してきた光が存在していたとしても、透明膜３１９が光路部材２２０に光を導くことができる。すなわち、絶縁膜２０１に入射する前に、透明膜３１９の第１領域３１９１に入射するために、光は、屈折率の低い絶縁膜２０１よりも屈折率の高い透明膜３１９（第１領域３１９１）内を伝搬しようとする。透明膜３１９を伝搬する光は、透明膜３１９の第１領域３１９１と同じ材料からなる周辺部分２２１へ低損失で入射する。そのため、光の利用効率を向上することができる。このような効果を得るうえでは、光路部材２２０に入射する光の波長をλ、透明膜３１９の屈折率をｎ_３として、透明膜３１９の厚みがλ／４ｎ_３以上２λ／ｎ_３以下であることが好ましい。図７に示した第５実施形態では、透明膜３１９は入射部分２２１２に連続しており、透明膜３１９は、入射部分２２１２と同程度の屈折率を有している。そして、透明膜３１９は実質的に屈折率分布を有していない。上記のように第１領域３１９１と第２領域３１９２とを有していると、周辺部分２２１に連続する第１領域３１９１に光を集中させることができるため好ましい。

＜光電変換素子の詳細＞
図１を用いて、光電変換素子１の一例を詳細に説明する。

Ｎ型シリコンからなる半導体基板１００の中にＮ^＋型半導体領域１１２が設けられている。Ｎ^＋型半導体領域１１２の下部を含む周囲にはＮ型半導体領域１１３が設けられている。Ｎ型半導体領域１１３の下部にはＰ型半導体領域１１４が設けられている。Ｎ^＋型半導体領域１１２が主に電荷蓄積領域として機能することができる。Ｎ^＋型半導体領域１１２とＮ型半導体領域１１３とＰ型半導体領域１１４とが光電変換部１１０の一部を構成することができる。

第１レンズ基体層３２８の入射側表面（図１における上面）は、入射側に向かって凸の理想球面、略球面、あるいは非球面（以下、これらを合わせて曲面と呼ぶ）を成している、すなわち凸レンズ形状を有している。これにより、レンズ体層３２９に入射した光は中心軸に近づき、集光される。レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は互いに同じ有機材料（樹脂）からなり、レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は互いに接している。つまり、レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９は実質的に一体として設けられている。レンズ基体層３２８とレンズ体層３２９の境界を観察することは困難な場合が多い。その場合には、レンズ体層３２９の曲面領域の端同士を結んだ平面を仮想的な境界に設定することができる。なお、第１レンズ基体層３２８を省略して、第１レンズ体層３２９とカラーフィルタ層３２７が接する構成としてもよい。

第１レンズ体層３２９の材料の物性（特に屈折率）、曲面の形状（特にその曲率、高さ、幅）は焦点の位置に大きく影響する。概して、曲率を大きくするほど、焦点の位置は第１平面１００１から遠くなる。レンズ基体層３２８の材料の物性（特に屈折率）および厚みは、集光された光がレンズ基体層３２８内で中心軸に近づく距離に影響するため、焦点を決定する要因の一つとなる。典型的な第１レンズ体層３２９の屈折率は、１．６〜２．０である。

カラーフィルタ層３２７は、色材を含有する有機材料（樹脂）からなる。色材としては染料を用いることができるが、顔料を用いてもよい。カラーフィルタ層３２７の材料の物性（特に屈折率）および厚みは、レンズ基体層３２８とカラーフィルタ層３２７との界面で屈折した光がカラーフィルタ層３２７中で中心軸に近づく距離に影響するため、焦点５００を決定する要因の一つとなる。典型的なカラーフィルタ層３２７の厚みは０．１〜１．０μｍ、屈折率は１．４〜１．６である。

平坦化膜３２６は有機材料（樹脂）からなり、第１レンズ体層３２９と第２レンズ体層３２４との距離を調整する機能を有している。また、第２レンズ体層３２４の曲面形状に対して平坦化されており、カラーフィルタ層３２７や第１レンズ基体層３２８、第１レンズ体層３２９での光路の傾きを抑制する機能も有している。平坦化膜３２６の最薄部の厚みは、典型的には０．１〜０．５μｍである。平坦化膜３２６の屈折率は１．４〜１．５である。

第２レンズ基体層３２３及び第２レンズ体層３２４は窒化シリコンからなり、第２レンズ体層３２４は凸レンズ形状（平凸レンズ形状）を有している。なお、第２レンズ体層３２４の屈折率は、平坦化膜３２６の屈折率よりも高い。そのため、第１レンズ体層３２９で集光された光をさらに集光することができる。

第２レンズ体コーティング層３２５は酸化シリコンからなり、第２レンズ体層３２４の屈折率と平坦化膜３２６の屈折率の間の屈折率を有している。このように、第２レンズ体コーティング層３２５が第２レンズ体層３２４の屈折率と平坦化膜３２６の屈折率の間の屈折率を有すると、平坦化膜３２６から第２レンズ体層３２４への入射光が増加する。これは、第２レンズ体コーティング層３２５を設けない場合に生じ得る平坦化膜３２６と第２レンズ体層３２４との界面での反射を抑制し、透過率を高くできるためである。

第２レンズ体コーティング層３２５の厚みは、第２レンズ体層３２４の厚みより小さく、第２レンズ体層３２４の厚みの１／２以下であることが好ましい。第２レンズ体コーティング層３２５の厚みを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎ_３２５倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎ_３２５倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎ_３２５倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎ_３２５は第２レンズ体コーティング層３２５の屈折率である。Ｍは１又は３が好ましく、１がより好ましい。第２レンズ体コーティング層３２５の厚みをこのように設定すると、第２レンズ体層３２４の表面での反射光と、第２レンズ体コーティング層３２５の表面での反射光との干渉を弱めることができ、波動光学的な視点での反射抑制機能を奏する。

第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との間に第１中屈折率層３２２が設けられており、低屈折率層３２１と透明膜３１９との間に第２中屈折率層３２０が設けられている。第１中屈折率層３２２および第２中屈折率層３２０の材料は酸窒化シリコンからなり、低屈折率層３２１の材料は酸化シリコンである。

第１中屈折率層３２２の上面は第２レンズ基体層３２３の下面と界面を成しており、第１中屈折率層３２２の屈折率は、第２レンズ基体層３２３の屈折率よりも低い。低屈折率層３２１の上面は第１中屈折率層３２２の下面と界面を成しており、低屈折率層３２１の屈折率は、第１中屈折率層３２２の屈折率よりも低い。そのため、第１中屈折率層３２２は、第２レンズ基体層３２３の屈折率と低屈折率層３２１の屈折率の間の屈折率を有している。第２中屈折率層３２０の上面は低屈折率層３２１の下面と界面を成しており、第２中屈折率層３２０の屈折率は、低屈折率層３２１の屈折率より高い。第２中屈折率層３２０の下面は透明膜３１９の上面と界面を成しており、第２中屈折率層３２０の屈折率は、透明膜３１９の屈折率よりも低い。そのため、第２中屈折率層３２０は、低屈折率層３２１の屈折率と、透明膜３１９の屈折率の間の屈折率を有している。このように、第１中屈折率層３２２、低屈折率層３２１、第２中屈折率層３２０はいずれも、第２レンズ基体層３２３および第２レンズ体層３２４の屈折率より低いため、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１と第２中屈折率層３２０を合わせて、低屈折率膜ということができる。なお低屈折率膜から第１中屈折率層３２２と第２中屈折率層３２０の少なくとも一方を省略して、低屈折率膜を単層膜あるいは２層膜としてもよい。なお、低屈折率膜を省略することも可能である。

低屈折率膜３２１の屈折率は第１中屈折率層３２２の屈折率よりも低いため、低屈折率層３２１内ではスネルの法則に従って、開口部２０１および光路部材２２０の中心軸へ近づく方向に屈折する。そのため、開口部２０１内（光路部材２２０）に入射する光量を増加させることができる。第１中屈折率層３２２が無い場合も、低屈折率膜３２１の屈折率は第１中屈折率層３２２の屈折率よりも低いため、同様の屈折を生じることができる。しかしながら、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１の屈折率差により、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との界面で入射光の反射が生じる場合がある。また、低屈折率層３２１と透明膜３１９の屈折率差により、低屈折率層３２１と透明膜３１９の界面で入射光の反射が生じる場合がある。この時の反射率Ｒは、Ｒ＝（ｎ_３２１−ｎ_３１９）^２／（ｎ_３２１＋ｎ_３１９）^２で表すことができる。ここでｎ_３２１は低屈折率層３２１の屈折率、ｎ_３１９は透明膜３１９の屈折率である。図１の例では、第２レンズ基体層３２３と第１中屈折率層３２２との屈折率差と、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との屈折率差の双方が、第２レンズ基体層３２３と低屈折率層３２１との屈折率差よりも小さい。したがって、第２レンズ基体層３２３から低屈折率層３２１への透過率を向上でき、低屈折率層３２１へ入射する光量を増加させることができる。透明膜３１９の屈折率は第２中屈折率層３２０の屈折率よりも高いため、透明膜３１９内ではスネルの法則に従って、開口部２０１および光路部材２２０の中心軸から離れる方向に屈折する。そのため、周辺部分２２１（あるいは周辺部分２２３）入射する光束を増やすことができる。また、側面２０４に対する角度を小さくし、臨界角以上の入射角で側面２０４に入射する光束を増やし、開口部２０１の側面２０４から漏れてしまう光の量を減少させることができる。第２中屈折率層３２０が無い場合も、低屈折率層３２１の屈折率を透明膜３１９の屈折率よりも低くすることで、同様の屈折を生じることができる。図１の例では、低屈折率層３２１と第２中屈折率層３２０との屈折率差と、第２中屈折率層３２０と透明膜３１９との屈折率差の双方が、低屈折率層３２１と透明膜３１９との屈折率差よりも小さい。したがって、低屈折率層３２１から透明膜３１９への透過率を向上でき、透明膜３１９へ入射する光量を増加させることができる。

第１中屈折率層３２２の厚みを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎ_３２２倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎ_３２２倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎ_３２２倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎ_３２２は第１中屈折率層３２２の屈折率である。Ｍは１又は３が好ましく、１がより好ましい。第１中屈折率層３２２の厚みをこのように設定すると、第１中屈折率層３２２と第２レンズ基体層３２３との界面での反射光と、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との界面での反射光の干渉を弱める、波動光学的な視点での反射抑制機能を奏する。

同様に、第２中屈折率層３２０の厚みを、入射光の波長の（Ｍ−０．５）／４ｎ_３２０倍〜（Ｍ＋０．５）／４ｎ_３２０倍とすると好ましく、入射光の波長のＭ／４ｎ_３２０倍とすることがより好ましい。ここで、Ｍは奇数、ｎ_３２０は第２中屈折率層３２０の屈折率である。Ｍは１又は３が好ましく、１がより好ましい。

低屈折率膜内において中心軸へ近づくような屈折を、各層の厚みが限られた範囲で大きくする上では、第１中屈折率層３２２の厚みと低屈折率層３２１の厚みを次のように設定すると良い。まず、第２レンズ基体層３２３と第１中屈折率層３２２との相対屈折率と、第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１との相対屈折率とを比較する。相対屈折率が大きい方の出射側の媒質（第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１の一方）の厚みを、小さい方の出射側の媒質（第１中屈折率層３２２と低屈折率層３２１の他方）の厚みよりも大きくする。なお、ここで相対屈折率は、（入射側媒質の屈折率）／（出射側媒質の屈折率）であり、本実施形態では１より大きい値である。なお、これまでの説明において、単に「屈折率」と記載した場合には、絶対屈折率を意味するものとする。スネルの法則によれば、相対屈折率が大きいほど出射角が大きくなるため、上記相対屈折率が大きい方の出射側媒質の厚みを大きくすることにより、出射光をより大きく中心軸に近づけることができる。例えば、第２レンズ基体層３２３の屈折率が２．００、第１中屈折率層３２２の屈折率が１．７２、低屈折率層３２１の屈折率が１．４６の場合には、２．００／１．７２＜１．７２／１．４６である。したがって、低屈折率層３２１の厚みを、第１中屈折率層３２２の厚みよりも大きくすればよい。

＜光電変換装置および撮像システム＞
図９を用いて、光電変換装置１０およびそれを用いた撮像システム３０の一例を説明する。光電変換装置１０は、例えば、イメージングセンサーや測距センサー、測光センサーとしての利用が可能である。光電変換装置１０が、イメージングセンサーと測距センサー、測光センサーとしての機能のうちの複数の機能を兼ね備えていてもよい。

光電変換装置１０と、光電変換装置１０から出力された電気信号が入力され、当該電気信号を処理する信号処理装置２０とを備える撮像システム３０を構築することもできる。図９は、撮像システム３０の一例を示す図である。電気信号は、光電変換装置１０のＯＵＴ１、ＯＵＴ２から出力される。ここでは、出力経路をＯＵＴ１、ＯＵＴ２の２つを設けた例を示したが、出力経路は、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。電気信号は、信号処理装置２０のＩＮに入力される。電気信号は、電流信号であってもよいし電圧信号でもよく、また、アナログ信号であってもよいしデジタル信号であってもよい。電気信号の代わりに光信号を用いてもよい。

光電変換装置１０をイメージセンサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、ＯＵＴ３から画像信号を出力するように構成する。光電変換装置１０を焦点検出用の測距センサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、光電変換装置１０の前方に設けられたレンズを駆動するための駆動信号を、ＯＵＴ３から出力するように構成する。光電変換装置１０を測光センサーとして用いる場合には、信号処理装置２０を、ＩＮに電気信号を入力することにより、シャッターを制御して露光時間を調整する制御信号をＯＵＴ３から出力するように構成する。なお、上記シャッターはメカニカルシャッターでも電子シャッターでもよいが、電子シャッターの場合は、実質的に光電変換装置１０を制御することになる。本発明の光電変換装置１０をイメージセンサーとして用いると特に好適であり、良好な画像を得ることができる。

図９に示した撮像システム３０における光電変換装置１０の一例を説明する。本例では、光電変換装置１０として画素増幅型光電変換装置をイメージセンサーとして用いている。図９において、光電変換装置１０は、画素領域６１１と、垂直走査回路６１２と、２つの読み出し回路６１３と、２つの水平走査回路６１４と、２つの出力アンプ６１５を備えている。画素領域６１１以外の領域を周辺回路領域とも称する。

画素領域６１１には、多数の光電変換素子１が２次元状に配列されている。各光電変換素子１が１画素に相当する。互いに隣り合う光電変換素子１の中心軸同士の間隔（画素ピッチ）は、典型的には、１０μｍ以下であり、５．０μｍ以下であることが好ましく、２．０μｍ以下であることがより好ましい。周辺回路領域には、読み出し回路６１３、例えば、列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等が設けられ、垂直走査回路６１２によって選択された行の画素から垂直信号線を介して読み出された信号に対して増幅、加算等を行う。列アンプ、ＣＤＳ回路、加算回路等は、例えば、画素列又は複数の画素列毎に配置される。水平走査回路６１４は、読み出し回路６１３の信号を順番に読み出すための信号を生成する。出力アンプ６１５は、水平走査回路６１４によって選択された列の信号を増幅して出力する。

以上の構成は、光電変換装置１０の一つの構成例に過ぎず、これに限定されるものではない。読み出し回路６１３と水平走査回路６１４と出力アンプ６１５とは、２系統の出力経路（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）を構成するため、画素領域６１１を挟んで上下に１つずつ配置されている。

代表的な撮像システム３０としてはスチルカメラやビデオカメラ等のカメラが挙げられる。撮像システム３０は、光電変換装置１０を移動可能にする移動手段（不図示）を備えることもできる。移動手段としては、電動モーターやレシプロエンジン、ロータリーエンジン等を動力源とする車輪が挙げられる。また、移動手段としては、プロペラ、タービンエンジン、ロケットエンジン等の推進装置も挙げられる。このような、移動手段を備える撮像システムは、自動車や鉄道車両、船舶、航空機、人工衛星等に、光電変換装置１０および信号処理装置２０を搭載することにより実現が可能である。

１００ 基板
１１０ 光電変換部
２００ 絶縁膜
２２０ 光路部材
２２１ 周辺部分
２２２ 中心部分
３１９ 透明膜

Claims (27)

1. 光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、
   前記光路部材は、第１部分と、前記第１部分と化学量論的組成が同じであり、かつ、前記第１部分の屈折率よりも高い屈折率を有する第２部分と、を含んでおり、
   前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内および前記受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、かつ、前記第１部分の屈折率が前記絶縁膜の屈折率よりも高く、
   前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする光電変換素子。
2. 光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、
   前記光路部材は、窒化シリコンを材料とする第１部分と、窒化シリコンを材料とし、かつ、前記第１部分よりも窒化シリコンの密度が高い第２部分と、を含み、
   前記絶縁膜は、各々が酸化シリコンまたは珪酸塩ガラスを材料とする第１の絶縁層および第２の絶縁層を含み、
   前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第１の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、
   前記光電変換部の受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第２の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、
   前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする光電変換素子。
3. 光電変換部と、前記光電変換部の上に設けられ、絶縁膜に囲まれた光路部材と、を備える光電変換素子において、
   前記光路部材は、窒化シリコンを材料とする第１部分と、窒化シリコンを材料とし、かつ、前記第１部分よりも窒素に対するシリコンの比が高い第２部分と、を含み、
   前記絶縁膜は、各々が酸化シリコンまたは珪酸塩ガラスを材料とする第１の絶縁層および第２の絶縁層を含み、
   前記光電変換部の受光面に平行な或る平面内において、前記第２部分が前記第１部分と前記第１の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、
   前記光電変換部の受光面に平行で前記或る平面よりも前記受光面に近い別の平面内において、前記第２部分が前記第１部分と第２の絶縁層との間に位置し、かつ、前記第２部分が前記第１部分に連続するとともに前記第１部分を囲み、
   前記或る平面内における前記第２部分の厚みよりも、前記別の平面内における前記第２部分の厚みが小さいことを特徴とする光電変換素子。
4. 前記光路部材は、前記絶縁膜の上面に連続し前記光路部材を囲む前記絶縁膜の側面と、前記側面に連続する底面と、で構成された開口部内に位置しており、
   前記受光面を含む平面を第１平面とし、前記上面を含み前記第１平面に平行な平面を第２平面として、前記底面は、前記第１平面と前記第２平面との間の、前記第１平面に平行な第３平面内に位置しており、
   前記第２平面および前記第３平面から等距離に位置する、前記第１平面に平行な平面を第４平面として、前記或る平面は前記第２平面と前記第４平面との間に位置し、前記別の平面は前記第３平面と前記第４平面との間に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
5. 前記第４平面内における前記開口部の幅よりも、前記別の平面内における前記開口部の幅が小さいことを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
6. 前記第４平面内における前記第１部分の幅よりも、前記別の平面内における前記第１部分の幅が大きいことを特徴とする請求項５に記載の光電変換素子。
7. 前記第４平面内における前記開口部の幅よりも、前記或る平面内における前記開口部の幅が大きく、前記第４平面内における前記第１部分の幅よりも、前記或る平面内における前記第１部分の幅が小さいことを特徴とする請求項５または６に記載の光電変換素子。
8. 前記絶縁膜は、各々が前記第１部分の屈折率より低い屈折率を有する第１の絶縁層および第２の絶縁層と、各々が前記第１部分の屈折率より高いか前記第１部分の屈折率に等しい屈折率を有する第３の絶縁層および第４の絶縁層と、を含む多層膜であって、
   前記第１の絶縁層、前記第２の絶縁層、前記第３の絶縁層および前記第４の絶縁層の各々が前記光路部材を囲んでおり、前記第１の絶縁層は前記第３の絶縁層と前記第４の絶縁層との間に位置し、前記或る平面内には前記第１の絶縁層が位置し、前記別の平面内には前記第２の絶縁層が位置することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
9. 前記絶縁膜は、各々が前記光路部材を囲み窒化シリコンを材料とする第３の絶縁層および第４の絶縁層を含み、前記第１の絶縁層は前記第３の絶縁層と前記第４の絶縁層との間に位置することを特徴とする請求項２又は３に記載の光電変換素子。
10. 前記受光面に垂直で、前記或る平面および前記別の平面内において前記第１部分を通る軸から、前記絶縁膜へ向かって、前記第１部分および前記第２部分の屈折率が連続的に変化していることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換素子。
11. 前記別の平面内における前記第２部分の厚みが、前記或る平面内における前記第２部分の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光電変換素子。
12. 前記光電変換部で光電変換される光の波長をλ、前記絶縁膜の屈折率をｎ_０、前記第２部分の屈折率をｎ_１として、前記或る平面内における前記第２部分の厚みがλ／２√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）よりも大きく、前記別の平面内における前記第２部分の厚みがλ／４√（ｎ_１ ^２−ｎ_０ ^２）よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換素子。
13. 前記第１部分の屈折率と前記第２部分の屈折率の差が０．０２５以上０．２５以下であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換素子。
14. 前記第２平面内における前記開口部の幅が２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
15. 前記光路部材は、前記第１部分と前記光電変換部との間に、前記第１部分と化学量論的組成が同じであり、かつ、前記第１部分の屈折率よりも高い屈折率を有する第３部分を含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換素子。
16. 前記光路部材が前記絶縁膜と接していることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換素子。
17. 前記第２部分が前記絶縁膜と接していることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換素子。
18. 前記第２部分と前記絶縁膜との間に、前記第２部分の屈折率より低い屈折率を有する低屈折率層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換素子。
19. 前記第２部分と前記絶縁膜との間に、前記第２部分とは化学量論的組成が異なる、前記第２部分の屈折率より高い屈折率を有する高屈折率層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の光電変換素子。
20. 前記受光面に平行な平面内における前記第２部分の厚みは、前記或る平面と前記別の平面との間で、前記受光面に近づくに従って連続的に薄くなることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光電変換素子。
21. 前記光路部材の上から前記絶縁膜の上に延在し、前記第１部分と化学量論的組成が同じである透明膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の光電変換素子。
22. 前記透明膜は、前記第２部分に連続した第１領域と、前記第１部分に連続した第２領域とを有し、
    前記第１領域は、前記受光面に平行な平面内において前記第２領域を囲み、
    前記第１領域の屈折率が、前記第２領域の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項２１に記載の光電変換素子。
23. 前記光路部材に入射する光の波長をλ、前記透明膜の屈折率をｎ_３として、前記透明膜の厚みがλ／４ｎ_３以上２λ／ｎ_３以下であることを特徴とする請求項２１または２２に記載の光電変換素子。
24. 前記光路部材に対して前記光電変換部とは反対側には、集光用の第１レンズ体層と、前記第１レンズ体層と前記光路部材との間に位置する集光用の第２レンズ体層とが設けられていることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の光電変換素子。
25. 前記第１部分および前記第２部分の材料が窒化シリコンであること、または前記第１部分および前記第２部分の材料が樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
26. 請求項１乃至２５のいずれか１項に記載の光電変換素子を含む画素の複数が配列されており、互いに隣り合う前記光電変換素子のそれぞれの前記受光面に垂直で、前記或る平面内および前記別の平面内において前記第１部分を通る軸同士の間隔が５．０μｍ以下であることを特徴とする画素増幅型の光電変換装置。
27. 請求項１乃至２５のいずれか１項に記載の光電変換素子の複数が配列された光電変換装置と、前記光電変換装置から出力された信号が入力され、前記信号を処理する信号処理装置と、を有することを特徴とする撮像システム。

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