JP5456084B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固体撮像素子に関する。

近年、固体撮像素子の応用範囲は、デジタルカメラ、携帯電話などの各種モバイル端末や、監視カメラ、インターネットを介したチャット用のウェブカメラなど、広範な範囲に拡がりつつある。

固体撮像素子としては、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）型エリアセンサ、あるいは、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device：電荷結合素子）型エリアセンサ等が挙げられる。このような固体撮像素子においては、その高解像度化を図るために、画素の微細化が必要である。

しかしながら、画素の微細化が進むと、例えばフォトダイオードなどを有する光電変換部の受光量が低下するという問題がある。

特開２００７−２３４６５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、分光特性を向上させることができる、あるいは受光量や受光効率を向上させることができる固体撮像素子を提供することである。

本発明の実施形態によれば、第１の構造部と、第２の構造部と、第３の構造部と、を備えた固体撮像素子が提供される。前記第１の構造部は、第１の絶縁体と、前記第１の絶縁体の内部に周期的に配置され第１の波長帯域に対応した形状を呈し導波路効果により前記第１の波長帯域の光を選択的に吸収可能な第１の光電変換部と、を有する。前記第２の構造部は、第２の絶縁体と、前記第２の絶縁体の内部に周期的に配置され前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域に対応した形状を呈し導波路効果により前記第２の波長帯域の光を選択的に吸収可能な第２の光電変換部と、を有する。前記第３の構造部は、前記第１の波長帯域および前記第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の光を吸収可能な第３の光電変換部を有する。前記光の入射方向にみたときに、前記第１の光電変換部と、前記第２の光電変換部と、前記第３の光電変換部と、がこの順に配列されている。

本発明の実施の形態にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。 本実施形態にかかる１周期分の固体撮像素子を表す断面模式図である。 光電変換部における光の吸収率および透過率に関するシミュレーションのモデルを例示する斜視模式図である。 光電変換部における光の吸収率および透過率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。 光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。 分光特性に関する波動シミュレーションにおける固体撮像素子のモデルを例示する断面模式図である。 分光特性に関する波動シミュレーションの結果を例示する模式図である。 本発明の他の実施の形態にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。 本実施形態にかかる固体撮像素子の光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。 比較例にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。 本比較例にかかる固体撮像素子の光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。 本実施形態の光電変換部の具体例を例示する断面模式図である。 本実施形態の電極の具体例を例示する斜視模式図である。 本実施形態の電極の他の具体例を例示する斜視模式図である。 本実施形態の光電変換部の形状および光電変換部の配置形態を例示する斜視模式図である。 本実施形態の光電変換部の形状の変形例を例示する斜視模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１は、本発明の実施の形態にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。
図２は、本実施形態にかかる１周期分の固体撮像素子を表す断面模式図である。
図１に表したように、本実施形態にかかる固体撮像素子１は、第１の構造部（第１の周期構造部）３Ｂと、第２の構造部（第２の周期構造部）３Ｇと、第３の構造部（バルク構造部）３Ｒとを備える。固体撮像素子１を光の入射方向（図１および図２において上から下へ向かう方向）にみたときに、第１の構造部３Ｂと、第２の構造部３Ｇと、第３の構造部３Ｒとがこの順に積層されている。

第１の構造部３Ｂは、下地層としての第１の絶縁体２０Ｂと、第１の光電変換部１０Ｂとを有する。第２の構造部３Ｇは、下地材としての第２の絶縁体２０Ｇと、第２の光電変換部１０Ｇとを有する。第３の構造部３Ｒは、第３の絶縁体２０Ｒと、第３の光電変換部１０Ｒとを有する。但し、第３の構造部３Ｒは、第３の光電変換部１０Ｒにより形成され、第３の絶縁体２０Ｒを有していなくともよい。また、第１の絶縁体２０Ｂと、第２の絶縁体２０Ｇと、第３の絶縁体２０Ｒとは、同じ材料で形成されていてもよいし、互いに異なる材料により形成されていてもよい。さらに、第１の絶縁体２０Ｂと、第２の絶縁体２０Ｇと、第３の絶縁体２０Ｒとは、同じ工程で形成されてもよいし、互いに異なる工程で形成されてもよい。

第１の構造部３Ｂは、複数の第１の光電変換部１０Ｂが周期的に配置された構造を有する。また、第２の構造部３Ｇは、複数の第２の光電変換部１０Ｇが周期的に配置された構造を有する。固体撮像素子１を入射方向からみたときに、複数の第１の光電変換部１０Ｂと、複数の第２の光電変換部１０Ｇとは、マトリクス状（碁盤目状、ハニカム状等）に二次元配列されている。例えば、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、それぞれ正方配置あるいは六方配置されている。

図１に表したように、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇと、第３の光電変換部１０Ｒとの１組が１周期（ピッチ）ｐ１に相当する。そして、複数の周期ｐ１の集合物が１画素ｐ２に相当する。なお、図１に表した固体撮像素子１では、４周期（ｐ１×４）の集合物、すなわち第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇと、第３の光電変換部１０Ｒとの４組が１画素ｐ２に相当している。但し、周期ｐ１と画素ｐ２との関係は、これだけに限定されるわけではない。

光電変換部１０（第１の光電変換部１０Ｂ、第２の光電変換部１０Ｇ、および第３の光電変換部１０Ｒ）としては、例えばフォトダイオードなどが挙げられる。光電変換部１０として用いられるフォトダイオードは、例えばシリコン（Ｓｉ）や、多結晶シリコンや、非晶質シリコンや、ゲルマニウム（Ｇｅ）などにより形成され、その内部においてＰＮ接合を有する。

第１〜第３の絶縁体２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などにより形成されている。あるいは、第１〜第３の絶縁体２０Ｂ、２０Ｇ、２０Ｒは、空気や真空などであってもよい。

第３の光電変換部１０Ｒは、固体撮像素子１の下部において例えば基板などとして設けられている。つまり、第３の光電変換部１０Ｒは、バルク構造を有する。第１の絶縁体２０Ｂの内部には、第１の光電変換部１０Ｂが設けられている。第２の絶縁体２０Ｇの内部には、第２の光電変換部１０Ｇが設けられている。言い換えれば、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、第１の絶縁体２０Ｂおよび第２の絶縁体２０Ｇの内部にそれぞれ埋設されている。

第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、ピラー形状を有する。第２の光電変換部１０Ｇは、第３の光電変換部１０Ｒの上に設けられている。また、第１の光電変換部１０Ｂは、第２の光電変換部１０Ｇの上に設けられている。つまり、固体撮像素子１を光の入射方向にみたときに、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇと、第３の光電変換部１０Ｒとがこの順に設けられている。図１に表したように、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇのそれぞれの長手方向は、光の入射方向と略平行している。

第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇとには、微細加工が施されている。具体的には、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇとは、固体撮像素子１に入射する光の波長帯域に対応した形状及びサイズを有する。つまり、第１の光電変換部１０Ｂは、波長依存性を示し、例えば青色帯域（第１の波長帯域）に対して高吸収特性を示す形状を有している。第２の光電変換部１０Ｇは、波長依存性を示し、例えば緑色帯域（第２の波長帯域）に対して高吸収特性を示す形状を有している。第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、例えば円柱形状を有する。第１の光電変換部１０Ｂの上面（光入射面）の直径は、例えば約０．０６マイクロメートル（μｍ）程度である。第１の光電変換部１０Ｂの高さは、例えば約１．４μｍ程度である。また、第２の光電変換部１０Ｇの上面の直径は、例えば約０．０９μｍ程度である。第２の光電変換部１０Ｇの高さは、例えば約３．０μｍ程度である。そして、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇとは、特定の共鳴する波長の光だけをそれぞれ選択的に吸収することができる。つまり、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇとは、導波路効果により互いに異なる波長帯域の光を選択的に受光（吸収）することができる。

図２に表したように、第１の光電変換部１０Ｂは、固体撮像素子１に入射した光のうちの青色帯域の光ＬＢを選択的に吸収し、それ以外の波長帯域の光（緑色帯域の光ＬＧや赤色帯域の光ＬＲなど）を選択的に透過させる。第２の光電変換部１０Ｇは、固体撮像素子１に入射した光のうちの緑色帯域の光ＬＧを選択的に吸収し、それ以外の波長帯域の光（赤色帯域の光ＬＲなど）を選択的に透過させる。第３の光電変換部１０Ｒは、固体撮像素子１に入射した光のうちの赤色帯域（第３の波長帯域）の光ＬＲを吸収する。

つまり、第１の光電変換部１０Ｂが設けられた第１の構造部３Ｂは、青色帯域の光ＬＢを選択的に吸収し、緑色帯域の光ＬＧおよび赤色帯域の光ＬＲを選択的に透過させるフィルタとしての機能を有する。第２の光電変換部１０Ｇが設けられた第２の構造部３Ｇは、緑色帯域の光ＬＧを選択的に吸収し、赤色帯域の光ＬＲを選択的に透過させるフィルタとしての機能を有する。第３の光電変換部１０Ｒが設けられた第３の構造部３Ｒは、赤色帯域の光ＬＲのみを選択的に吸収してもよいし、それ以外の波長の光もあわせて吸収してもよい。

なおここで、選択的な吸収や選択的な透過の効率は、必ずしも１００パーセントである必要はない。すなわち、特定の波長の光に対する吸収率が他の波長の光に対する吸収率よりも高い場合は、その特定の波長の光を選択的に吸収するといえる。選択的な透過についても同様である。
例えば、第１の光電変換部１０Ｂは、光ＬＢに対する吸収率が光ＬＧや光ＬＲに対する吸収率よりも高いものであればよい。

このようにして、第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇと、第３の光電変換部１０Ｒとに吸収された光は、それぞれ光電変換される。そして、光電変換により発生した電気信号（画素信号）は、図示しない周辺回路へ送られる。

なお、固体撮像素子１の図示しない周辺回路領域には、信号処理回路や駆動制御回路などを構成するトランジスタが設けられている。信号処理回路は、光電変換部１０により光電変換されて出力される電気信号（画素信号）を処理する。駆動制御回路は、光電変換部１０の駆動の制御を行う。

図３は、光電変換部における光の吸収率および透過率に関するシミュレーションのモデルを例示する斜視模式図である。
図４は、光電変換部における光の吸収率および透過率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。
図５は、光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。
なお、図３（ａ）は、１周期分の第１の構造部３Ｂを表す斜視模式図である。図３（ｂ）は、１周期分の第２の構造部３Ｇを表す斜視模式図である。

図３（ａ）および図３（ｂ）に表したように、本シミュレーションのモデルの第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、円柱形状を有する。
第１の光電変換部１０Ｂの光入射面（間口）の直径１１Ｂは、約０．０６μｍ程度である。第１の光電変換部１０Ｂの高さ１３Ｂは、約１．４μｍ程度である。つまり、直径１１Ｂと高さ１３Ｂとの比率（アスペクト比ＡＲ：Aspect Ratio）は、約２３．３程度である。周期ｐ１は、約０．３μｍ程度である。
第２の光電変換部１０Ｇの光入射面の直径１１Ｇは、約０．０９μｍ程度である。第２の光電変換部１０Ｇの高さ１３Ｇは、約３．０μｍ程度である。つまり、直径１１Ｇと高さ１３Ｇとの比率（ＡＲ）は、約３３．３程度である。周期ｐ１は、約０．３μｍである。

また、本シミュレーションの光電変換部１０は、結晶シリコン（Ｓｉ）により形成されている。本シミュレーションの第１の絶縁体２０Ｂおよび第２の絶縁体２０Ｇは、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成されている。
このような条件の下、本発明者は、図３に表した光ＬＢ、ＬＧ、ＬＲのように固体撮像素子１に光を入射させたときの光電変換部における光の透過率および吸収率をシミュレーションにより求めた。シミュレーションの結果は、図４に表した如くである。

すなわち、第１の光電変換部１０Ｂが約０．４０μｍ以上０．５０μｍ未満程度の波長帯域の光を吸収する吸収率は、第１の光電変換部１０Ｂがそれ以外の波長帯域の光を吸収する吸収率よりも高い。言い換えれば、約０．４０μｍ以上０．５０μｍ未満程度の波長帯域の光は、それ以外の波長帯域の光と比較して、第１の光電変換部１０Ｂにおいてより吸収されやすい。また、第２の光電変換部１０Ｇが約０．５０μｍ以上０．６０μｍ未満程度の波長帯域の光を吸収する吸収率は、第２の光電変換部１０Ｇがそれ以外の波長帯域の光を吸収する吸収率よりも高い。言い換えれば、約０．５０μｍ以上０．６０μｍ未満程度の波長帯域の光は、それ以外の波長帯域の光と比較して、第２の光電変換部１０Ｇにおいてより吸収されやすい。

このように、直径０．０６μｍ、高さ１．４μｍに形成され、周期０．３μｍで配置された第１の光電変換部１０Ｂは、約０．４０μｍ以上０．５０μｍ未満程度の波長帯域の光（青色帯域の光ＬＢ）に対して比較的高い吸収特性を示す。また、直径０．０９μｍ、高さ３．０μｍに形成され、周期０．３μｍで配置された第２の光電変換部１０Ｇは、約０．５０μｍ以上０．６０μｍ未満程度の波長帯域の光（緑色帯域の光ＬＧ）に対して比較的高い吸収特性を示す。

つまり、比較的高いアスペクト比（ＡＲ）を有する円柱状の光電変換部１０の寸法（光入射面の直径の寸法や円柱の高さ等）を変化させると、高吸収特性を示す光の波長帯域を変化させることができる。あるいは、周期ｐ１を変化させると、高吸収特性を示す光の波長帯域を変化させることができる。そこで、本発明者は、光電変換部１０の光入射面の直径を変化させたときの光電変換部１０における光の吸収率の変化をシミュレーションにより求めた。なお、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇのそれぞれの高さ１３Ｂ、１３Ｇおよび周期ｐ１については、前述した寸法から変化させていない。シミュレーションの結果は、図５に表した如くである。

すなわち、光電変換部１０の光入射面の直径を大きくすると、高吸収特性を示す光の波長帯域は、より長い波長の帯域へ変化する。そして、第１の構造部３Ｂに設けられた第１の光電変換部１０Ｂの直径１１Ｂが約０．０６μｍ程度のときに、第１の光電変換部１０Ｂは、約０．４０μｍ以上０．５０μｍ未満程度の波長帯域の光（青色帯域の光ＬＢ）に対して比較的高い吸収特性を示す。一方、第２の構造部３Ｇに設けられた第２の光電変換部１０Ｇの直径１１Ｂが約０．０９μｍ程度のときに、第２の光電変換部１０Ｇは、約０．５０μｍ以上０．６０μｍ未満程度の波長帯域の光（緑色帯域の光ＬＧ）に対して比較的高い吸収特性を示す。つまり、第２の構造部３Ｇに設けられた第２の光電変換部１０Ｇの直径１１Ｂが、第１の構造部３Ｂに設けられた第１の光電変換部１０Ｂの直径１１Ｂの約１．５倍であるときに、青色帯域の光ＬＢと緑色帯域の光ＬＧとをより効率的に分光できる。

図６は、分光特性に関する波動シミュレーションにおける固体撮像素子のモデルを例示する断面模式図である。
図７は、分光特性に関する波動シミュレーションの結果を例示する模式図である。
なお、図７（ａ）は、波長０．４５μｍの光の強度分布を例示する模式図である。図７（ｂ）は、波長０．５３μｍの光の強度分布を例示する模式図である。

図６に表したように、本シミュレーションのモデルの第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、図３〜図５に関して前述したシミュレーションのモデルと同様の形状を有する。すなわち、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、円柱形状を有する。第１の光電変換部１０Ｂの光入射面の直径１１Ｂは、約０．０６μｍ程度である。第１の光電変換部１０Ｂの高さ１３Ｂは、約１．４μｍ程度である。一方、第２の光電変換部１０Ｇの光入射面の直径１１Ｇは、約０．０９μｍ程度である。第２の光電変換部１０Ｇの高さ１３Ｇは、約３．０μｍ程度である。なお、図６に表したモデルでは、第３の光電変換部１０Ｒを省略している。

また、本シミュレーションの光電変換部１０は、結晶シリコン（Ｓｉ）により形成されている。本シミュレーションの第１の絶縁体２０Ｂおよび第２の絶縁体２０Ｇは、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成されている。このような条件の下に行った分光特性に関する波動シミュレーションの結果は、図７に表した如くである。

すなわち、図７に表したシミュレーションの結果では、固体撮像素子１に入射した光が第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇの内部を伝播していくときの光の強弱（振幅）がモノトーン色の濃淡で表されている。

図７（ａ）に表したように、波長０．４５μｍの光（青色帯域の光ＬＢ）については、第１の光電変換部１０Ｂにおける光の強度は、第２の光電変換部１０Ｇにおける光の強度よりも強い。これによれば、波長０．４５μｍの光については、第２の光電変換部１０Ｇと比較すると、より多くの光が導波路効果により第１の光電変換部１０Ｂに閉じ込められ吸収される。

一方、図７（ｂ）に表したように、波長０．５３μｍの光（緑色帯域の光ＬＧ）については、第２の光電変換部１０Ｇにおける光の強度は、第１の光電変換部１０Ｂにおける光の強度よりも強い。これによれば、波長０．５３μｍの光については、第１の光電変換部１０Ｂと比較すると、より多くの光が導波路効果により第２の光電変換部１０Ｇに閉じ込められ吸収される。

本シミュレーションにおいても、円柱状の光電変換部１０の寸法を適宜設定することにより、青色帯域の光ＬＢと緑色帯域の光ＬＧとをより効率的に分光できている。

以上説明したように、本実施形態にかかる固体撮像素子１によれば、光電変換部１０の寸法（光入射面の直径や高さの寸法等）を適宜設定することで高吸収特性を示す光の波長帯域を変化させることができ、分光特性を向上させることができる。また、受光量や受光効率を向上させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図８は、本発明の他の実施の形態にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。
図９は、本実施形態にかかる固体撮像素子の光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。
図１０は、比較例にかかる固体撮像素子を表す断面模式図である。
図１１は、本比較例にかかる固体撮像素子の光電変換部における光の吸収率に関するシミュレーションの結果を例示するグラフ図である。

まず、図１０および図１１を参照しつつ、比較例にかかる固体撮像素子６について説明する。
比較例にかかる固体撮像素子６は、第１の層８Ｂと、第２の層８Ｇと、第３の層８Ｒとを備える。第１の層８Ｂは、第１のシリコン２５Ｂにより形成されている。これと同様に、第２の層８Ｇおよび第３の層８Ｒは、第２のシリコン２５Ｇおよび第３のシリコン２５Ｒによりそれぞれ形成されている。第１のシリコン２５Ｂと、第２のシリコン２５Ｇと、第３のシリコン２５Ｒとは、同じ材料で形成されていてもよいし、互いに異なる材料により形成されていてもよい。さらに、第１のシリコン２５Ｂと、第２のシリコン２５Ｇと、第３のシリコン２５Ｒとは、同じ工程で形成されてもよいし、互いに異なる工程で形成されてもよい。

材料の中には、入射する光の波長に応じて屈折率が変化する性質を有するものがある。例えばシリコンなどは、緑色帯域の光ＬＧや赤色帯域の光ＬＲなどと比較すると、青色帯域の光ＬＢを吸収しやすいという特質を有する。比較例にかかる固体撮像素子６は、その性質あるいは特質を利用して、光の吸収量を制御し分光する。具体的には、比較例にかかる固体撮像素子６は、第１の層８Ｂと、第２の層８Ｇと、第３の層８Ｒとを形成するシリコンの厚さを変化させることで、光の吸収量を制御し分光する。

すなわち、第１の層８Ｂ（第１のシリコン２５Ｂ）の厚さは、第２の層８Ｇ（第２のシリコン２５Ｇ）の厚さ及び第３の層８Ｒ（第３のシリコン２５Ｒ）の厚さよりも薄い。第１の層８Ｂの厚さは、例えば約０．２μｍ程度である。第２の層８Ｇ（第２のシリコン２５Ｇ）の厚さは、第１の層８Ｂ（第１のシリコン２５Ｂ）の厚さよりも厚く、第３の層８Ｒ（第３のシリコン２５Ｒ）の厚さよりも薄い。第２の層８Ｇの厚さは、例えば約０．６μｍ程度である。第３の層８Ｒ（第３のシリコン２５Ｒ）の厚さは、第１の層８Ｂ（第１のシリコン２５Ｂ）及び第２の層８Ｇ（第２のシリコン２５Ｇ）の厚さよりも厚い。第３の層８Ｒの厚さは、例えば約２．０μｍ程度である。

これによれば、図１０に表したように、第１の層８Ｂは、固体撮像素子６に入射した光のうちの青色帯域の光ＬＢを吸収し、それ以外の波長帯域の光（緑色帯域の光ＬＧや赤色帯域の光ＬＲなど）を透過させる。第２の層８Ｇは、固体撮像素子６に入射した光のうちの緑色帯域の光ＬＧを吸収し、それ以外の波長帯域の光（赤色帯域の光ＬＲなど）を透過させる。第３の層８Ｒは、固体撮像素子６に入射した光のうちの赤色帯域の光ＬＲを吸収する。

ここで、本発明者は、図１０に表した固体撮像素子６（モデル）の第１の層８Ｂと、第２の層８Ｇと、第３の層８Ｒとにおける光の吸収率をシミュレーションにより求めた。シミュレーションの結果は、図１１に表した如くである。

これによれば、波長が約０．４０μｍ以上０．４５μｍ未満程度の光は、それ以外の波長帯域の光と比較して、第１の層８Ｂにおいて吸収されやすい。また、波長が約０．４０μｍ程度の光の第１の層８Ｂにおける吸収率は、約０．８５〜０．８７程度である。
一方、波長が約０．４５μｍ以上０．５０μｍ未満程度の光は、それ以外の波長帯域の光と比較して、第２の層８Ｇおよび第３の層８Ｒにおいて吸収されやすい。そして、第２の層８Ｇにおいて光の吸収率がピークとなるときの波長（約０．４５μｍ程度）は、第３の層８Ｒにおいて光の吸収率がピークとなるときの波長（約０．４５μｍ程度）に比較的近い。また、第２の層８Ｇにおける光の吸収率のピーク（約０．４６〜０．４７程度）は、第３の層８Ｒにおける光の吸収率のピーク（約０．４３〜０．４４程度）に比較的近い。

このように、比較例にかかる固体撮像素子６では、比較的近い波長領域の光が異なる層（第２の層８Ｇと第３の層８Ｒ）において吸収される。そのため、比較例にかかる固体撮像素子６では、分光特性の向上という点においては改善の余地がある。また、第２の層８Ｇおよび第３の層８Ｒにおける光の吸収率のピークは、第１の層８Ｂおける光の吸収率のピークよりも低い。これは、第２の層８Ｇおよび第３の層８Ｒにおいて吸収されるべき波長帯域の光（緑色帯域の光ＬＧおよび赤色帯域の光ＬＲ）が第１の層８Ｂにおいて吸収されやすいことが原因の１つである。例えば、図１１に表したように、第２の層８Ｇにおいて吸収されるべき緑色帯域の光ＬＧは、第１の層８Ｂにおいても比較的高い吸収率で吸収される。

これに対して、本実施形態にかかる固体撮像素子２では、図８に表したように、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、第１の絶縁体２０Ｂおよび第２の絶縁体２０Ｇの内部にそれぞれ埋設されている。そして、図１に関して前述したように、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、固体撮像素子１に入射する光の波長帯域に対応した形状を有し、第１の絶縁体２０Ｂおよび第２の絶縁体２０Ｇの内部のそれぞれにおいて周期的に配置されている。また、第３の光電変換部１０Ｒは、固体撮像素子２の下部において例えば基板などとして設けられている。これらは、図１および図２に関して前述した固体撮像素子１の構造と同様である。

また、本実施形態にかかる固体撮像素子２は、第２の光電変換部１０Ｇと第３の光電変換部１０Ｒとの間に設けられた反射層３Ｍを備える。反射層３Ｍについて例示すると、反射層３Ｍは、例えば、上部反射層と下部反射層とを有する。上部反射層は、相対的に屈折率の異なる第１の層と第２の層との積層構造を有する。第１の層と第２の層の積層数は、任意である。

上部反射層と下部反射層との間には、制御層が設けられている。制御層は、透過波長ごとに厚さ（厚さがゼロの場合も含む）、もしくは屈折率が異なる。また、制御層の厚みがゼロの場合、すなわち、制御層が設けられない場合には、上部反射層と下部反射層との境界において隣接する第１の層からなる積層体が制御層として機能する。

本実施形態にかかる固体撮像素子２では、反射層３Ｍを透過する光は、主として赤色帯域の光ＬＲである。そのため、赤色帯域の光の波長に応じて制御層の厚さと屈折率とを適切に設計することにより、反射層３Ｍは、上部反射層及び下部反射層の反射面で多重反射した光のうち特定の波長だけを透過させることができる。つまり、反射層３Ｍは、混色を低減することができる。

なお、反射層３Ｍが有する第１の層、第２の層、および制御層としては、無機材料が用いられる。例えば、それらの材料として、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、シリコン（Ｓｉ）、多結晶シリコン、非晶質シリコンなどを用いることができる。

ここで、本発明者は、図８に表した固体撮像素子２（モデル）の第１の光電変換部１０Ｂと、第２の光電変換部１０Ｇと、第３の光電変換部１０Ｒとにおける光の吸収率をシミュレーションにより求めた。シミュレーションの結果は、図９および図１１に表した如くである。図９に表したように、反射層３Ｍが設けられていない場合には、波長が約０．４５μｍ以上０．５０μｍ未満程度の光（青色〜緑色帯域の光）が第２の構造部３Ｇを透過し第３の光電変換部１０Ｒに比較的高い吸収率で吸収されている。これに対して、反射層３Ｍが設けられている場合、すなわち本実施形態にかかる固体撮像素子２では、反射層３Ｍが特定の波長の光（赤色帯域の光ＬＲ）だけを透過させ混色を低減することができる。そのため、図９に表したように、波長が約０．４５μｍ以上０．５０μｍ未満程度の光（青色〜緑色帯域の光）が第３の光電変換部１０Ｒにおいて吸収される比率（吸収率）を低減することができる。これにより、分光特性をさらに向上させることができる。

また、図１１に表したように、第３の光電変換部１０Ｒが約０．６０μｍ以上０．７０μｍ未満程度波長帯域の光を吸収する吸収率は、第３の光電変換部１０Ｒがそれ以外の波長帯域の光を吸収する吸収率よりも高い。言い換えれば、約０．６０μｍ以上０．７０μｍ未満程度の波長帯域の光は、それ以外の波長帯域の光と比較して、第３の光電変換部１０Ｒにおいてより吸収されやすい。また、本実施形態の光電変換部１０における光の吸収率は、比較例の第１の層８Ｂ、第２の層８Ｇ、および第３の層８Ｒにおける光の吸収率よりも高い。約０．４０μｍ以上０．５０μｍ未満程度および約０．５０μｍ以上０．６０μｍ未満程度の波長帯域の光については、図４に関して前述した如くである。これにより、本実施形態にかかる固体撮像素子２は、分光特性をさらに向上させ、また、受光量や受光効率を向上させることができる。

次に、本実施形態の光電変換部の具体例について、図面を参照しつつ説明する。
図１２は、本実施形態の光電変換部の具体例を例示する断面模式図である。

図１および図２に関して前述したように、光電変換部１０として用いられるフォトダイオードは、その内部においてＰＮ接合を有する。また、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、ピラー形状を有する。ここでは、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇが円柱形状を有する場合を例に挙げて説明する。

図１２（ａ）に表した光電変換部１０ａは、上部に設けられたｐ形層１０ｐと、下部に設けられたｎ形層１０ｎとを有する。これによれば、図１２（ａ）に表したように、光入射面に対して垂直方向あるいは斜め方向に入射した光Ｌは、主としてＰＮ接合部に吸収され効率よく光電変換される。

図１２（ｂ）に表した光電変換部１０ｂは、円柱の中心部に設けられたｐ形層１０ｐと、ｐ形層１０ｐの周囲に設けられたｎ形層１０ｎとを有する。これによれば、図１２（
ｂ）に表したように、光入射面に対して斜め方向に入射した光Ｌは、主としてＰＮ接合部に吸収され効率よく光電変換される。

図１２（ｃ）に表した光電変換部１０ｃは、円柱の中心部に設けられた絶縁体２２と、絶縁体２２の周囲に設けられたｐ形層１０ｐと、ｐ形層１０ｐの周囲に設けられたｎ形層１０ｎとを有する。絶縁体２２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などにより形成されている。これによれば、絶縁体２２の上面（間口）から入射した光Ｌは、絶縁体２２の内部を伝播し、主としてＰＮ接合部に吸収され効率よく光電変換される。

次に、電極の具体例について、図面を参照しつつ説明する。
図１３は、本実施形態の電極の具体例を例示する斜視模式図である。

本実施形態にかかる固体撮像素子は、光電変換部１０において光電変換により発生した電気信号（画素信号）を周辺回路へ送信したり、光電変換部１０に逆バイアス電圧を印加したりする。そのため、本実施形態にかかる固体撮像素子では、電極を配置する必要がある。

図１３に表した具体例では、固体撮像素子に入射する光に対して透光性を有する透明電極が設けられている。例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜などにより形成された透明電極は、第１の光電変換部１０Ｂの上下に配置されている。具体的には、第１の透明電極３０ａは、第１の光電変換部１０Ｂの上に配置され、第１の光電変換部１０Ｂと接続されている。また、第２の透明電極３０ｂは、第１の光電変換部１０Ｂの下に配置され、第１の光電変換部１０Ｂと接続されている。つまり、第１の透明電極３０ａおよび第２の透明電極３０ｂは、第１の光電変換部１０Ｂを光の入射方向に挟設する位置に設けられている。
透明電極は、固体撮像素子に入射する光あるいは光電変換部の内部を伝播する光に対して透光性を有する。

なお、図１３に表した具体例では、第１の光電変換部１０Ｂに接続された電極を例に挙げて説明したが、第１の透明電極３０ａおよび第２の透明電極３０ｂの配置形態は、第２の光電変換部１０Ｇおよび第３の光電変換部１０Ｒに接続される電極についても同様である。

図１４は、本実施形態の電極の他の具体例を例示する斜視模式図である。
図１４に表した具体例では、第１の光電変換部４０Ｂは、角柱形状、具体的には板状を有する。そして、第１の光電変換部４０Ｂの表面４１Ｂの法線方向は、光の入射方向に対して略垂直となっている。言い換えれば、第１の光電変換部４０Ｂは、表面４１Ｂが光の入射方向に略沿うように配置されている。そのため、固体撮像素子に入射する光は、第１の光電変換部４０Ｂの上面（間口）から第１の光電変換部４０Ｂの内部へ進行する。

本具体例では、電極は、第１の光電変換部４０Ｂの両端に配置されている。具体的には、第１の電極３５ａは、第１の光電変換部４０Ｂの表面４１Ｂと直交する側面であって光の入射方向と平行する一方の側面の側に配置され、第１の光電変換部４０Ｂと接続されている。また、第２の電極３５ｂは、第１の光電変換部４０Ｂの表面４１Ｂと直交する側面であって光の入射方向と平行する他方の側面の側に配置され、第１の光電変換部４０Ｂと接続されている。

なお、本具体例の第１の電極３５ａおよび第２の電極３５ｂは、透明電極に限定されるわけではない。また、図１３に表した具体例では、第１の光電変換部４０Ｂに接続された電極を例に挙げて説明したが、第１の電極３５ａおよび第２の電極３５ｂの配置形態は、第２の光電変換部および第３の光電変換部に接続される電極についても同様である。

次に、本実施形態の光電変換部の形状および光電変換部の配置形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１５は、本実施形態の光電変換部の形状および光電変換部の配置形態を例示する斜視模式図である。
なお、図１５（ａ）は、本実施形態の光電変換部が正方配置された状態を表す斜視模式図である。図１５（ｂ）は、本実施形態の光電変換部が六方配置された状態を表す斜視模式図である。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）に表した具体例では、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、円柱形状を有する。
図１５（ａ）に表した具体例では、第１の光電変換部１０Ｂは、碁盤目状として周期的に配置されている。言い換えれば、第１の光電変換部１０Ｂは、周期的に正方配置されている。そして、第２の光電変換部１０Ｇは、第１の光電変換部１０Ｂの下に配置されている。このとき、第２の光電変換部１０Ｇの円柱軸は、第１の光電変換部１０Ｂの略円柱軸上に配置されている。つまり、第１の光電変換部１０Ｂが配置された周期ｐ１は、第２の光電変換部１０Ｇが配置された周期ｐ１と同じである。そのため、第２の光電変換部１０Ｇは、第１の光電変換部１０Ｂと同様に、碁盤目状として周期的に配置すなわち正方配置されている。

図１５（ｂ）に表した具体例では、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、ハニカム状として周期的に配置されている。そして、第１の光電変換部１０Ｂは、第２の光電変換部１０Ｇの上であって、互いに隣り合う３つの第２の光電変換部１０Ｇの間に設けられている。すなわち、第１の光電変換部１０Ｂおよび第２の光電変換部１０Ｇは、周期的に六方配置されている。

図１６は、本実施形態の光電変換部の形状の変形例を例示する斜視模式図である。
なお、ここでは、第１の光電変換部を例に挙げて説明する。第２の光電変換部の形状は、第１の光電変換部の形状と同様である。

図１６（ａ）に表した具体例の第１の光電変換部５０Ｂは、錐形状、具体的には円錐形状を有する。但し、第１の光電変換部５０Ｂは、円錐形状に限定されず、例えば三角錐形状や四角錐形状などであってもよい。図１６（ｂ）に表した具体例の第１の光電変換部６０Ｂは、角柱形状、具体的には六角柱形状を有する。但し、第１の光電変換部６０Ｂの形状は、六角柱形状に限定されず、例えば三角柱形状や五角柱形状などであってもよい。そして、図１６（ａ）に表した第１の光電変換部５０Ｂおよび図１６（ｂ）に表した第１の光電変換部６０Ｂは、図１５（ａ）に関して前述した正方配置あるいは図１５（ｂ）に関して前述した六方配置されている。また、図１および図２に関して前述したように、第１の光電変換部５０Ｂの長手方向は、光の入射方向と略平行している。そのため、本変形例は、第１の光電変換部５０Ｂの底面（例えば円形状の面）が入射側として配置される場合、および第１の光電変換部５０Ｂの底面が出射側として配置される場合を含んでいる。

図１６（ｃ）に表した具体例の第１の光電変換部４０Ｂは、四角柱形状、具体的には板状を有する。そして、板状を有する第１の光電変換部４０Ｂが並列配置すなわちライン状あるいはストライプ状に配置されている。図１６（ｄ）に表した具体例の第１の光電変換部７０Ｂは、板状のものが十字状に形成された構造すなわち格子状構造を有する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１、２ 固体撮像素子、 ３Ｂ 第１の構造部、 ３Ｇ 第２の構造部、 ３Ｍ 反射層、 ３Ｒ 第３の構造部、 ６ 固体撮像素子、 ８Ｂ 第１の層、 ８Ｇ 第２の層、 ８Ｒ 第３の層、 １０ 光電変換部、 １０Ｂ 第１の光電変換部、 １０Ｇ 第２の光電変換部、 １０Ｒ 第３の光電変換部、 １０ａ、１０ｂ、１０ｃ 光電変換部、 １０ｎ ｎ形層、 １０ｐ ｐ形層、 １１Ｂ、１１Ｇ 直径、 １３Ｂ、１３Ｇ 高さ、 ２０Ｂ 第１の絶縁体、 ２０Ｇ 第２の絶縁体、 ２０Ｒ 第３の絶縁体、 ２２ 絶縁体、 ２５Ｂ 第１のシリコン、 ２５Ｇ 第２のシリコン、 ２５Ｒ 第３のシリコン、 ３０ａ 第１の透明電極、 ３０ｂ 第２の透明電極、 ３５ａ 第１の電極、 ３５ｂ 第２の電極、 ４０Ｂ 第１の光電変換部、 ４１Ｂ 表面、 ５０Ｂ 第１の光電変換部、 ６０Ｂ 第１の光電変換部、 ７０Ｂ 第１の光電変換部

Claims (12)

1. 第１の絶縁体と、前記第１の絶縁体の内部に周期的に配置され第１の波長帯域に対応した形状を呈し導波路効果により前記第１の波長帯域の光を選択的に吸収可能な第１の光電変換部と、を有する第１の構造部と、
   第２の絶縁体と、前記第２の絶縁体の内部に周期的に配置され前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域に対応した形状を呈し導波路効果により前記第２の波長帯域の光を選択的に吸収可能な第２の光電変換部と、を有する第２の構造部と、
   前記第１の波長帯域および前記第２の波長帯域とは異なる第３の波長帯域の光を吸収可能な第３の光電変換部を有する第３の構造部と、
   を備え、
   前記光の入射方向にみたときに、前記第１の光電変換部と、前記第２の光電変換部と、前記第３の光電変換部と、がこの順に配列された固体撮像素子。
2. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部は、ピラー形状を呈し、
   前記ピラー形状の長手方向は、前記入射方向と平行である請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記ピラー形状は、円柱形状、円錐形状、角柱形状、および角錐形状のいずれかである請求項２記載の固体撮像素子。
4. 前記ピラー形状は、円柱形状であり、
   前記第２の光電変換部の前記円柱形状の直径は、前記第１の光電変換部の前記円柱形状の直径の１．５倍である請求項２記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部は、それぞれ正方配置または六方配置された請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
6. 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部は、それぞれ板状を呈しストライプ状または十字状に配置され、
   前記板状の表面の法線方向は、前記入射方向と直交した請求項１記載の固体撮像素子。
7. 前記第１の光電変換部の配置周期は、前記第２の光電変換部の配置周期と同じである請求項１〜６のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
8. 前記第３の光電変換部は、バルク構造を有する請求項１〜７のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
9. 前記第１の光電変換部と、前記第２の光電変換部と、前記第３の光電変換部と、のそれぞれからの電気信号を伝え、前記光に対して透光性を有する透明電極をさらに備え、
   前記透明電極は、前記第１の光電変換部と、前記第２の光電変換部と、前記第３の光電変換部と、のそれぞれを前記入射方向に挟設する位置に配置された請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
10. 前記第１の光電変換部と、前記第２の光電変換部と、前記第３の光電変換部と、のそれぞれからの電気信号を伝える電極をさらに備え、
    前記電極は、前記板状の表面と直交する側面の両側に配置された請求項６記載の固体撮像素子。
11. 前記第１の波長帯域は、０．４０マイクロメートル以上０．５０マイクロメートル未満の波長帯域であり、
    前記第２の波長帯域は、０．５０マイクロメートル以上０．６０マイクロメートル未満の波長帯域であり、
    前記第３の波長帯域は、０．６０マイクロメートル以上０．７０マイクロメートル未満の波長帯域である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の固体撮像素子。
12. 前記第１の光電変換部、前記第２の光電変換部、および前記第３の光電変換部は、シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、ゲルマニウムよりなる群から選択されたいずれかの半導体材料により形成された請求項１〜１１のいずれか１つに記載の固体撮像素子。