JP5513326B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、焦点検出機能を有する撮像素子、およびそれを用いた撮像装置に関するものである。
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う撮像装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の撮像装置では、１つの画素に対して、１つのマイクロレンズと複数に分割された光電変換部が形成されている。分割された光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。これらの分割された光電変換部で受光したそれぞれの信号から像ずれ量を求めて、焦点検出を行い、分割された光電変換部で受光した信号を足し合わせることで、撮像信号を取得する。また、焦点検出に限らず、各画素で左右に分割された光電変換部で受光した視差信号を、右眼用と左眼用に別々に表示することで、立体画像が可能となることが開示されている。
特許文献２では、複数の撮像画素の他に、部分的に瞳分割方式の焦点検出用画素が配置された撮像装置が開示されている。特許文献２では、大部分に配置された撮像画素で撮像信号を取得し、一部に配置された焦点検出用画素の信号を用いて焦点検出を行う。焦点検出用画素は、開口部を有する遮光層により、撮影レンズの瞳の所定領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。
特許文献３では、部分的に撮像画素の光電変換部の下部に、分割した１対の光電変換部を側面からＬ字状に回りこませるように形成し、焦点検出用画素を構成する撮像装置が提案されている。撮像画素と１対の焦点検出用画素に蓄積される電荷の極性は同じであり、同一のフローティングディフュージョン部に接続されている。また、焦点検出用画素を形成する部分にはカラーフィルターは形成されておらず、上部の撮像画素で入射光の主に短波長成分を受光し、下部の焦点検出用画素で入射光の主に長波長成分を受光し焦点検出を行うことが開示されている。
米国特許第４４１０８０４号公報 特開２０００−１５６８２３号公報 特開２００８−１５２１５号公報
特許文献１に開示された撮像装置では、複数に分割された光電変換部で受光した信号を足し合わせて撮像信号を得る。しかしながら、分割された光電変換部の間は受光感度がなく、低感度帯となってしまう。そのため、マイクロレンズによる集光位置が光電変換部の間に位置する特定の入射角度の光に対して、受光効率が大幅に低下してしまう。その結果、光電変換部の分割形状に応じて、縦型や横型、十字型などの不自然な暗いパターンがボケ画像に生じ、撮影画像の画質が低下してしまうという課題がある。
特許文献２に開示された撮像装置では、部分的に配置されている焦点検出用画素で受光した信号は撮像信号として利用できないため、焦点検出用画素は撮像画素としてはキズ画素となってしまう。キズ画素補正により撮影画像の画質を修復することはできるが、周辺画素を用いた補間処理を行うため、撮影画像の解像度が部分的に低下してしまうという課題がある。
特許文献３に開示された撮像装置では、Ｓｉ（シリコン）層の上部に形成された光電変換部で入射光の短波長成分を受光して撮像信号とし、下部に分割して形成された光電変換部で入射光の長波長成分を受光して焦点検出用信号とする。
しかしながら、Ｓｉ層の厚さによる分光吸光度の差を利用して入射光の波長分離を行うために、色分離を完全に行うことができない。図１８に、Ｓｉ層の厚さ４００ｎｍでの分光吸光度を破線で、Ｓｉ層の厚さ１５００ｎｍでの分光吸光度を実線で、Ｓｉ層の厚さ３５００ｎｍでの分光吸光度を鎖線でそれぞれ示す。例えば、光電変換部の深さを４００ｎｍ程度にした場合、図１８の破線で示すように、Ｂ（青）に対応する波長４５０〜４７０ｎｍの光の約７５％を、Ｇ（緑）に対応する波長５２０〜５４０ｎｍの光の約３５％を、Ｒ（赤）に対応する波長６２０〜６４０ｎｍの光の約１５％を受光する。よって、Ｂ：Ｇ：Ｒが６：３：１の比率で混色してしまう。
同様に、Ｓｉ層の上部に焦点検出用画素を設けて、下部に撮像画素を設けた場合でも、撮像画素では撮像信号の色純度が低下する。例えば、光電変換部の深さを３５００ｎｍ程度にした場合、図１８の鎖線と実線との差分から理解されるように、Ｇ（緑）に対応する波長５２０〜５４０ｎｍの光の約２０％を、Ｒ（赤）に対応する波長６２０〜６４０ｎｍの光の約３０％を受光する。よって、Ｇ：Ｒが４：６の比率で混色してしまう。
このため、特許文献３に開示された撮像装置では、撮像信号の色純度が部分的に悪化してしまい、撮像画像の画質が低下してしまうという課題がある。
また、Ｓｉ層の厚さによる分光吸光度の差を利用して色分離を行っているため、光電変換部の深さを自由に調整することができない。そのため、ダイナミックレンジが狭くなってしまうという課題がある。さらに、光電変換部を側面からＬ字状に回りこませて形成するには、作製プロセスが複雑になってしまうという課題がある。
したがって、いずれの従来技術においても、撮像素子に位相差方式の焦点検出機能を付加することにより、撮影画像の画質が低下してしまうという課題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、高画質な画像と位相差方式の焦点検出機能を両立する撮像素子を提供することを目的とする。
本発明に係わる撮像素子は、それぞれの画素が、第１半導体層を有する第１副画素と、前記第１半導体層と極性が異なる第２半導体層を有する第２副画素と、前記第１半導体層と極性が等しい第３半導体層と、マイクロレンズとを備え、前記第１半導体層が前記第２半導体層に包含され、前記第２半導体層が前記第３半導体層に包含されている、複数の画素を有する撮像素子であって、前記第１半導体層が、複数の部分半導体層に分割されており、少なくとも１つの前記部分半導体層の受光面の重心位置が、前記第１半導体層と前記第２半導体層を合わせた受光面の重心位置と異なることを特徴とする。
本発明によれば、高画質な画像と位相差方式の焦点検出機能を両立する撮像素子を提供することが可能となる。
本発明の第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示す図。 本発明の第１の実施形態における画素配列の概略図。 本発明の第１の実施形態における画素Ａの概略平面図と概略断面図。 本発明の第１の実施形態における画素Ｂの概略平面図と概略断面図。 本発明の第１の実施形態における瞳分割の概略説明図。 本発明の第１の実施形態における画素Ａの瞳強度分布図。 本発明の第１の実施形態における画素Ｂの瞳強度分布図。 本発明の第１の実施形態における画素Ａと画素Ｂの瞳強度分布図。 本発明の第１の実施形態における画素Ａの概略平面図。 本発明の第１の実施形態における画素Ａの概略断面図。 本発明の第２の実施形態における画素Ａの概略断面図。 本発明の第３の実施形態における画素配列の概略図。 本発明の第４の実施形態における画素配列の概略図。 本発明の第５の実施形態における画素Ａの概略断面図。 本発明の第６の実施形態における画素Ａの概略断面図。 本発明の第７の実施形態における画素配列の概略図。 本発明の第７の実施形態における画素の概略平面図と概略断面図。 シリコンの分光吸光度特性を示す図。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１から図１０を用いて以下に説明する。図１は本発明の第１の実施形態における撮像素子を有する撮像装置であるカメラの構成図を示す図である。図１において、１０１は結像光学系の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も果たす。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７は２次元ＣＭＯＳフォトセンサーと周辺回路からなる撮像素子である。
１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。
１１５は撮影時の被写体照明用の電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光装置で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。
１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有し、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動する。そして、ＡＦ、撮影、画像処理、記録等の一連の動作を実行する。
１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光装置１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してカメラ内ＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。
１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。
１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。
[焦点検出用副画素と撮像副画素]
第１の実施形態における撮像素子の画素配列の概略図を図２に示す。図２は、本実施形態の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素配列を、８列×８行画素の範囲で示したものである。図２に示した８列×８行画素を面上に多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本実施形態においては、画素ピッチが４μｍ、有効画素数が横５５７５列×縦３７２５行＝約２０００万画素、撮像画面サイズが横２２．３ｍｍ×縦１４．９ｍｍの撮像素子として説明を行なう。
第１の実施形態において、図２に示した２行×２列のＡ画素群２１０は、対角２画素にＧの分光感度を有するＡ画素２１０Ｇを配置し、他の２画素にＲの分光感度を有するＡ画素２１０ＲとＢの分光感度を有するＡ画素２１０Ｂを配置したベイヤー配列が採用されている。さらに、後述するように、Ａ画素２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂは、それぞれ、焦点検出用副画素（第１副画素）と撮像副画素（第２副画素）から構成されており、撮像副画素の受光面の重心に対して、焦点検出用副画素の受光面の重心が−ｘ方向に偏心している。一方、Ｂ画素群２２０を構成するＢ画素２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂは、撮像副画素の受光面の重心に対して、焦点検出用副画素の受光面の重心が＋ｘ方向に偏心している。
同様にして、Ａ’画素群２３０を構成するＡ’画素２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂは、焦点検出用副画素の受光面の重心が＋ｙ方向に偏心している。また、Ｂ’画素群２４０を構成するＢ’画素２４０Ｒ、２４０Ｇ、２４０Ｂは、焦点検出用副画素の受光面の重心が−ｙ方向に偏心している。
図２に示した撮像素子の１つのＡ画素２１０Ｇを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に示し、図３（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図３（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つのＢ画素２２０Ｇを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図４（ａ）に示し、図４（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図４（ｂ）に示す。
図３に示すように、本実施形態のＡ画素２１０Ｇでは、ｎ型層３１２（第２半導体層）がｐ型ウェル３００（第３半導体層）に包含されるように形成され、さらに、ｐ型層３１１（第１半導体層）がｎ型層３１２（第２半導体層）に包含されるように、−ｘ側に偏心して形成される。より詳しくは、ｐ型層３１１（第１半導体層）の受光面の重心が、ｐ型層３１１（第１半導体層）とｎ型層３１２（第２半導体層）を合わせた受光面の重心と異なるように偏心されて構成されている。ここで、第１半導体層と第２半導体層の極性は異なり、第１半導体層と第３半導体層の極性は等しい。
この構造により、ｐ型層３１１（第１半導体層）とｎ型層３１２（第２半導体層）の接合よってｐｎ接合フォトダイオードＰＤＡ（第１光電変換部）が、−ｘ側に偏心して形成される。同様に、ｎ型層３１２（第２半導体層）とｐ型ウェル３００（第３半導体層）の接合によってｐｎ接合フォトダイオードＰＤＮＡ（第２光電変換部）が形成される。
各画素の受光側には、入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成されている。また、ＰＤＡのｐ型アノードであるｐ型層３１１（第１半導体層）と、ＰＤＡとＰＤＮＡのｎ型カソードであるｎ型層３１２（第２半導体層）よりマイクロレンズ３０５側（マイクロレンズ側）に、受光波長を選択して色分離を行うためのカラーフィルター３０６が形成されている。Ａ画素２１０Ｇでは、Ｇ（緑色）カラーフィルターが形成されている。画素２１０ＲではＲ（赤色）カラーフィルター、画素２１０ＢではＢ（青色）カラーフィルターが形成される。
必要に応じて、他の色のカラーフィルターを形成しても良い。Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）Ｗ（白）配列などの場合は、Ｗ画素を透明フィルター（紫外・赤外カットフィルター）としても良い。また、カラーフィルター３０６は、選択波長以外を吸光する吸光型フィルターでも良いし、干渉フィルターのような選択波長以外を反射する反射型フィルターでも良い。
画素に入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、カラーフィルター３０６により色分離された後、ＰＤＡおよびＰＤＮＡで受光される。ＰＤＡで受光された光は、光電変換されホールと電子が生成される。正電荷のホールはｐ型層３１１（第１半導体層）に蓄積され、負電荷の電子はｎ型層３１２（第２半導体層）に蓄積される。また、ＰＤＮＡで受光された光は、光電変換されホールと電子が生成される。電子はｎ型層３１２（第２半導体層）に蓄積される。一方、ホールは定電圧源（不図示）に接続されたｐ型ウェル３００（第３半導体層）を通じて撮像素子外部へ排出される。
本実施形態のＡ画素２１０Ｇは、第１副画素と第２副画素から構成される。第１副画素は、ｐ型層３１１（第１半導体層）と転送ゲート３０３を介して接続されているｐ＋フローティングディフュージョン（ｐ＋ＦＤ）領域３０１から構成される。必要に応じて、ｐ＋ＦＤ領域３０１と転送ゲート３０３を省略しても良い。
第２副画素は、ｎ型層３１２（第２半導体層）と転送ゲート３０４を介して接続されているｎ＋フローティングディフュージョン（ｎ＋ＦＤ）領域３０２から構成される。必要に応じて、ｎ＋ＦＤ領域３０２と転送ゲート３０４を省略しても良い。
一方、図４に示すように、本実施形態のＢ画素２２０Ｇでは、ｎ型層３２２（第２半導体層）がｐ型ウェル３００（第３半導体層）に包含されるように形成され、さらに、ｐ型層３２１（第１半導体層）がｎ型層３２２（第２半導体層）に包含されるように、＋ｘ側に偏心して形成される。より詳しくは、ｐ型層３２１（第１半導体層）の受光面の重心が、ｐ型層３２１（第１半導体層）とｎ型層３２２（第２半導体層）を合わせた受光面の重心と、Ａ画素２１０Ｇとは反対の方向に、異なるように偏心されて構成されている。ここで、第１半導体層と第２半導体層の極性は異なり、第１半導体層と第３半導体層の極性は等しい。
この構造により、ｐ型層３２１（第１半導体層）とｎ型層３２２（第２半導体層）の接合よってｐｎ接合フォトダイオードＰＤＢ（第１光電変換部）が、＋ｘ側に偏心して形成される。同様に、ｎ型層３２２（第２半導体層）とｐ型ウェル３００（第３半導体層）の接合によってｐｎ接合フォトダイオードＰＤＮＢ（第２光電変換部）が形成される。その他は、Ａ画素２１０ＧとＢ画素２２０Ｇで同様の構造である。
このような構成により、第１副画素から焦点検出用信号を得ることができ、同時に、同一の画素位置で、第２副画素から撮像信号を得ることができる。したがって、撮像画素にキズ画素を生じることなく焦点検出用画素を配置することができ、高画質な画像と位相差方式の焦点検出機能を両立することが可能となる。
本発明の効果について、以下に説明する。図５に、画素の光電変換部と瞳分割との対応関係を示した概略説明図を示す。図３（ａ）に示したＡ画素２１０Ｇのａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図５（ａ）に示す。また、図４（ａ）に示したＢ画素２２０Ｇのｂ−ｂ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図５（ｂ）に示す。なお、図５では、射出瞳面の座標軸と対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図３、図４に対して反転させている。
図５（ａ）のＰＤＡはＡ画素の第１光電変換部であり、ＰＤＮＡは第２光電変換部である。また、図５（ｂ）のＰＤＢはＢ画素の第１光電変換部であり、ＰＤＮＢは第２光電変換部である。
Ａ画素の第１光電変換部ＰＤＡの領域は、図３のｐ型層３１１（第１半導体層）とｎ型層３１２（第２半導体層）の接合部に形成される空乏層とその周辺に少数キャリアの拡散距離だけ拡がった領域であり、概ね、ｐ型層３１１（第１半導体層）の領域と重なる。また、Ａ画素の第２光電変換部ＰＤＮＡの領域は、ｎ型層３１２（第２半導体層）とｐ型ウェル３００（第３半導体層）の接合部に形成される空乏層とその周辺に少数キャリアの拡散距離だけ拡がった領域であり、概ね、第２半導体層の領域と重なる。
図５（ａ）に示すように、図３のｐ型層３１１（第１半導体層）が、ｎ型層３１２（第２半導体層）に包含されていることに伴い、第１光電変換部ＰＤＡは、第２光電変換部ＰＤＮＡに包含されている。さらに、ｐ型層３１１（第１半導体層）が、ｎ型層３１２（第２半導体層）に対して、−ｘ側に偏心していることに伴い、第１光電変換部ＰＤＡは、第２光電変換部ＰＤＮＡに対して、−ｘ側に偏心している。
同様に、図５（ｂ）に示すように、Ｂ画素でも、図４のｐ型層３２１（第１半導体層）が、ｎ型層３２２（第２半導体層）に包含されていることに伴い、第１光電変換部ＰＤＢは、第２光電変換部ＰＤＮＢに包含されている。一方、Ｂ画素では、ｐ型層３２１（第１半導体層）が、ｎ型層３２２（第２半導体層）に対して、＋ｘ側に偏心していることに伴い、第１光電変換部ＰＤＢは、第２光電変換部ＰＤＮＢに対して、＋ｘ側に偏心している。
また、Ａ画素の第１光電変換部ＰＤＡと第２光電変換部ＰＤＮＡを合わせた光電変換部ＰＤとＢ画素の第１光電変換部ＰＤＢと第２光電変換部ＰＤＮＢを合わせた光電変換部ＰＤ’は、概ね、同一になるように構成されている。
図３に示すように、Ａ画素の第１副画素を構成するｐ型層３１１（第１半導体層）は、第１光電変換部ＰＤＡのｐ型アノードとなっており、ＰＤＡの受光量に応じて生成されたホールが蓄積される。蓄積されたホールは、転送ゲート３０３の制御によりｐ＋フローティングディフュージョン領域３０１に転送され、電圧信号に変換される。
これに対し、Ａ画素の第２副画素を構成するｎ型層３１２（第２半導体層）は、第１光電変換部ＰＤＡと第２光電変換部ＰＤＮＡの双方のｎ型カソードとなっている。そのため、ＰＤＡの受光量に応じて生成された電子とＰＤＮＡの受光量に応じて生成された電子を合算した電子が蓄積される。蓄積された電子は、転送ゲート３０４の制御によりｎ＋フローティングディフュージョン領域３０２に転送され、電圧信号に変換される。
したがって、Ａ画素の第１副画素は、第１光電変換部ＰＤＡのみの受光量に応じた信号を出力する。一方、Ａ画素の第２副画素は、第１光電変換部ＰＤＡと第２光電変換部ＰＤＮＡを合わせた光電変換部ＰＤの受光量に応じた信号を出力する。
同様に、Ｂ画素の第１副画素は、第１光電変換部ＰＤＢのみの受光量に応じた信号を出力する。一方、Ｂ画素の第２副画素は、第１光電変換部ＰＤＢと第２光電変換部ＰＤＮＢを合わせた光電変換部ＰＤ’の受光量に応じた信号を出力する。
図５の４００は結像光学系の射出瞳、５００はＡ画素およびＢ画素の第２副画素の瞳受光領域、５１１はＡ画素の第１副画素の瞳受光領域、５２１はＢ画素の第１副画素の瞳受光領域である。被写体からの光束は、結像光学系の射出瞳４００を通過してそれぞれの画素に入射する。
本実施形態では、第２副画素から撮像信号を得られるように構成される。Ａ画素（Ｂ画素）の第２副画素の瞳受光領域５００は、第２副画素の光電変換部ＰＤ（ＰＤ’）の受光面と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっており、第２副画素で受光可能な瞳領域を表している。瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズの直径は数μｍである。そのため、マイクロレンズの絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折ボケが生じる。よって、光電変換部ＰＤ（ＰＤ’）の受光面の像は、明瞭な領域とならずに、受光率分布となる。
第２副画素を撮像画素とするために、第２副画素の瞳受光領域５００は、射出瞳４００を通過した光束をより多く受光できるように、受光領域を可能な限り大きくし、また、第２副画素の瞳受光領域５００の重心が、光軸と概ね一致するように構成されている。
本実施形態では、第１副画素が焦点検出用副画素として構成されている。Ａ画素の第１副画素の瞳受光領域５１１は、Ａ画素の第１副画素の光電変換部ＰＤＡの受光面と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっており、Ａ画素の第１副画素で受光可能な瞳領域を表している。Ａ画素の第１副画素の瞳受光領域５１１は、第２副画素の瞳受光領域５００よりも受光領域が狭く、瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。図６に、瞳面のＸ軸に沿ったＡ画素の瞳強度分布の例をグラフで図示する。破線がＡ画素の第１副画素の瞳強度分布５１１であり、実線がＡ画素の第２副画素の瞳強度分布５００である。
一方、Ｂ画素の第１副画素の瞳受光領域５２１は、Ｂ画素の第１副画素の光電変換部ＰＤＢの受光面と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっており、Ｂ画素の第１副画素で受光可能な瞳領域を表している。Ｂ画素の第１副画素の瞳受光領域５２１は、第２副画素の瞳受光領域５００よりも受光領域が狭く、Ａ画素とは反対に、瞳面上で−Ｘ側に重心が偏心している。図７に、瞳面のＸ軸に沿ったＢ画素の瞳強度分布の例をグラフで図示する。一点鎖線がＢ画素の第１副画素の瞳強度分布５２１であり、実線がＢ画素の第２副画素の瞳強度分布５００である。
図５（ｃ）と図８に、Ａ画素の第１副画素の瞳強度分布とＢ画素の第１副画素の瞳強度分布、Ａ画素（およびＢ画素）の第２副画素の瞳強度分布を示す。Ａ画素の第１副画素の瞳強度分布とＢ画素の第１副画素の瞳強度分布は、それぞれ、射出瞳をＸ方向に分割していることがわかる。同様にして、図２のＡ’画素の第１副画素の瞳強度分布とＢ’画素の第１副画素の瞳強度分布は、それぞれ、射出瞳をＹ方向に分割する。
図２に示したＡ画素（２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂ）をｘ方向に規則的に配列し、これらＡ画素群の各第１副画素から取得した被写体像をＡ像とする。同様に、Ｂ画素（２２０Ｒ、２２０Ｇ、２２０Ｂ）をｘ方向に規則的に配列し、これらＢ画素群の各第１副画素から取得した被写体像をＢ像とする。Ａ像とＢ像の相対位置（像ずれ量）を検出することで、ｘ方向に輝度分布を有する被写体像の合焦ずれ量（デフォーカス量）を検出することができる。
図２に示したＡ’画素（２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂ）をｙ方向に規則的に配列し、これらＡ’画素群の各第１副画素から取得した被写体像をＡ’像とする。同様に、Ｂ’画素（２４０Ｒ、２４０Ｇ、２４０Ｂ）をｙ方向に規則的に配列し、これらＢ’画素群の各第１副画素から取得した被写体像をＢ’像とする。Ａ’像とＢ’像の相対位置（像ずれ量）を検出することで、ｙ方向に輝度分布を有する被写体像の合焦ずれ量（デフォーカス量）を検出することができる。これらは、第１半導体層の受光面の重心位置が、第１半導体層と第２半導体層を合わせた受光面の重心位置と異なる構造とすることで可能となる。
さらに、同時に、それぞれの画素の第２副画素から、撮像信号を得ることができる。これらは、第１半導体層が第２半導体層に包含され、第２半導体層が第３半導体層に包含されており、さらに、第１半導体層と第２半導体層の極性が異なり、第１半導体層と第３半導体層の極性が等しい構造とすることで可能となる。
したがって、以上の構成により、撮像画素にキズ画素を生じることなく焦点検出用画素を配置することができ、高画質な画像と位相差方式の焦点検出機能を両立することが可能となる。
図５において、結像光学系の絞り値が大きくなると、射出瞳４００が小さくなり、光軸付近の光束しか通過しなくなる。絞り値が大きい場合でも、デフォーカス量を検出可能にするには、図８に示したＡ画素の第１副画素の瞳強度分布とＢ画素の第１副画素の瞳強度分布が、光軸近傍で十分大きな受光強度を有する必要がある。このため、第１光電変換部と第２光電変換部を合わせた受光面の重心が、第１光電変換部の受光面に含まれることが望ましい。
図１８の破線グラフでＳｉ層の厚さ４００ｎｍでの分光吸光度を示す。第１光電変換部と第２光電変換部の双方でＢ（青）に対応する波長４５０〜４７０ｎｍの光の約７５％以上を受光するには、第１半導体層の深さを４００ｎｍ以上にすることが望ましい。また、図１８の実線グラフでＳｉ層の厚さ１５００ｎｍでの分光吸光度を示す。第１光電変換部と第２光電変換部の双方でＧ（緑）に対応する波長５２０〜５４０ｎｍの光の約７５％以上を受光するには、第１半導体層の深さを１５００ｎｍ以上にすることが望ましい。また、図１８の鎖線グラフでＳｉ層の厚さ３５００ｎｍでの分光吸光度を示す。第１光電変換部と第２光電変換部の双方でＲ（赤）に対応する波長６２０〜６４０ｎｍの光の約７５％以上を受光するには、第１半導体層の深さを３５００ｎｍ以上にすることが望ましい。
図９に示した本実施例形態における画素Ａの概略平面図のｃ−ｃ断面を、図１０に示す。図１０の上部に画素構造の概略断面図を示し、下部にエネルギー準位の概略図を示す。
図１０で、φｐ、φｎは、それぞれ電源電圧であり、φｎ＞φｐである。φＴｐは第１副画素の転送ゲート電圧、φＲｐは第１副画素のｐ＋ＦＤのリセットゲート電圧、φＳｐは第１副画素の選択ゲート電圧、φＬｐは第１副画素のライン選択ゲート電圧である。また、φＴｎは第２副画素の転送ゲート電圧、φＲｎは第２副画素のｎ＋ＦＤのリセットゲート電圧、φＳｎは第２副画素の選択ゲート電圧、φＬｎは第２副画素のライン選択ゲート電圧である。
以下、本実施形態の第１副画素の蓄積動作制御について説明するが、第２副画素についても同様である。
まず、第１副画素のフォトダイオードＰＤ１をリセットするために、全行の転送ゲート電圧φＴｐとリセットゲート電圧φＲｐを同時にＯＮにする。転送ゲート電圧φＴｐとリセットゲート電圧φＲｐを同時にＯＦＦした瞬間から、蓄積動作が始まる。所望の時間だけ蓄積を行った後、全行の転送ゲート電圧φＴｐをＯＮにし、再びＯＦＦにすることで、各第１副画素の信号電荷が、一斉に、各第１副画素のｐ＋ＦＤに転送される。次に、行ごとに選択ゲート電圧φＳｐをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、ｐ＋ＦＤに転送された信号電荷が、行ごとに順次読み出される。また、ライン選択ゲート電圧φＬｎのＯＮ／ＯＦＦにより、読み出す列を選択して順次読み出される。
必要に応じて、第１副画素の転送ゲートと第２副画素の転送ゲートを接続して、共通化しても良い。共通化により、転送ゲート用の信号線を２本から１本に削減でき、画素の小画素化がより容易になる。
以上の構成により、撮像画素にキズ画素を生じることなく焦点検出用画素を配置することができ、高画質な画像と位相差方式の焦点検出機能を両立することが可能となる。
（第２の実施形態）
図１１に本発明の第２の実施形態における画素Ａの概略断面図を示す。図１１に示すように、ｐ型層（第１半導体層）とｎ型層（第２半導体層）の間に、キャリア密度の少ないｐ−イントリンシック層を挟んで、光電変換部をｐｉｎ構造のフォトダイオードとしても良い。同様に、ｎ型層（第２半導体層）とｐ＋埋め込み層（第３半導体層）の間に、キャリア密度の少ないｎ−イントリンシック層を挟んで、光電変換部をｐｉｎ構造のフォトダイオードとしても良い。光電変換部をｐｉｎ構造とすることで、空乏層を拡大することができ、受光感度を向上させることができる。光電変換部をｐｉｎ構造にすること以外は、第１の実施形態と同様である。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における撮像素子の画素配列の概略図を図１２に示す。図１２の画素配列では、Ａ画素群２１０、Ｂ画素群２２０、Ａ’画素群２３０、Ｂ’画素群２４０が正方状に配列されている。いずれの種類の画素も、縦横４画素間隔で規則的に配列されている。このため、各第１副画素からの信号を、焦点検出用信号としてだけでなく、立体画像用の視差信号などとして取得する場合に、補間処理が行いやすくなる。画素配列以外は、第１の実施形態と同様である。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における撮像素子の画素配列の概略図を図１３に示す。図１３の画素配列では、ベイヤー配列のＧ画素にのみ、第１副画素と第２副画素からなる第１の実施形態と同様の画素を形成している。第１副画素と第２副画素からなる画素を撮像素子に部分的に形成し、１画素あたりの信号線やトランジスタ数を削減することで、小画素化をより行いやすくなる。画素配列以外は、第１の実施形態と同様である。
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態における画素Ａの概略断面図を図１４に示す。図１４では、ｐ型層３１１（第１半導体層）とｎ型層３１２（第２半導体層）の上部に、表面ｎ＋層３１３と表面ｐ＋層３１４を形成し、埋め込み型フォトダイオードとしている。埋め込み型フォトダイオードとすることで、界面順位によって発生する暗電流ノイズを抑制することができ、Ｓ／Ｎを向上することができる。埋め込み型フォトダイオードとすること以外は、第１の実施形態と同様である。
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態における画素Ａの概略断面図を図１５に示す。図１５では、配線層と反対側から受光する裏面照射型の撮像素子に、第１副画素と第２副画素からなる本発明の画素が形成されている。裏面照射型の撮像素子の場合、「第１半導体層の受光面の重心」とは、第１半導体層を受光面に垂直に射影した密度分布の重心のことである。また、「第１半導体層と第２半導体層を合わせた受光面の重心」とは、第１半導体層と第２半導体層を合わせた領域を受光面に垂直に射影した密度分布の重心のことである。本実施形態に示すように、裏面照射型の撮像素子の場合も、第１半導体層の受光面の重心が、第１半導体層と第２半導体層を合わせた受光面の重心と異なるように構成される。裏面照射型の撮像素子であること以外は、第１の実施形態と同様である。
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態における撮像素子の画素配列の概略図を図１６に示す。図１６は、本実施形態の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素配列を、４列×４行画素の範囲で示したものである。本実施形態において、図１６に示した２行×２列の画素群２５０は、対角２画素にＧの分光感度を有する画素２５０Ｇを配置し、他の２画素にＲの分光感度を有する画素２５０ＲとＢの分光感度を有する画素２５０Ｂを配置したベイヤー配列が採用されている。画素２５０Ｒ、２５０Ｇ、２５０Ｂは、それぞれ、視差画像用の４つの第１副画素と撮像用の１つの第２副画素から構成されている。
図１６に示した撮像素子の１つの画素２５０Ｇを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１７（ａ）に示し、図１７（ａ）のｄ−ｄ断面を−ｙ側から見た断面図を図１７（ｂ）に示す。
図１７に示すように、本実施形態の画素２５０Ｇでは、ｎ型層３５２（第２半導体層）がｐ型ウェル３００（第３半導体層）に包含されるように形成され、さらに、４つのｐ型層３５１（第１半導体層）がｎ型層３５２（第２半導体層）に包含されるように、形成されている。４つのｐ型層３５１（第１半導体層）は、それぞれ、（−ｘ，−ｙ）、（ｘ，−ｙ）、（ｘ，ｙ）、（−ｘ，ｙ）方向に偏心している。より詳しくは、ｐ型層３５１（第１半導体層）が、複数の部分半導体層に分割されており、少なくとも１つの部分半導体層の受光面の重心が、複数の部分半導体層からなるｐ型層３５１（第１半導体層）と１つのｎ型層３５２（第２半導体層）を合わせた受光面の重心と異なるように偏心されて構成されている。ここで、第１半導体層と第２半導体層の極性は異なり、第１半導体層と第３半導体層の極性は等しい。これら以外は、第１の実施形態と同様である。以上の構成により、撮像画像と同時に、視差画像を取得することが可能となる。

Claims (5)

  1. それぞれの画素が、第１半導体層を有する第１副画素と、前記第１半導体層と極性が異なる第２半導体層を有する第２副画素と、前記第１半導体層と極性が等しい第３半導体層と、マイクロレンズとを備え、前記第１半導体層が前記第２半導体層に包含され、前記第２半導体層が前記第３半導体層に包含されている、複数の画素を有する撮像素子であって、
    前記第１半導体層が、複数の部分半導体層に分割されており、少なくとも１つの前記部分半導体層の受光面の重心位置が、前記第１半導体層と前記第２半導体層を合わせた受光面の重心位置と異なることを特徴とする撮像素子。
  2. 前記第１半導体層と前記第２半導体層より前記マイクロレンズ側に、カラーフィルターを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第１半導体層と前記第２半導体層を合わせた受光面の重心位置が、前記第１半導体層の受光面に含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  4. 異なる色の前記カラーフィルターを有する少なくとも２つの前記画素で、前記第１半導体層と前記第２半導体層の構造が共通であることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
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