JP5539014B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
それに伴い光電変換部の面積は小さくなり、画素構造のアスペクト比(深さ/幅)は大きくなってきている。
光電変換部の面積が小さくなると、受光感度が低下することが課題となる。
また、オンチップレンズのF値が大きくなるため、画素構造のアスペクト比が大きいと集光効率が低下し、さらに、隣接画素へ光が漏れるクロストークの発生が懸念される。
以下に、従来の光導波路を備えた固体撮像素子を図面を用いて説明する。
図15[A]に、従来例の画素ユニット400の概略断面図を示す。
固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット400で構成されている。
画素ユニット400は、シリコン基板1101と、シリコン基板1101の内部に配された光電変換部1102と、シリコン基板1101の上方に透明材料で形成されたクラッド部1103とを有している。
シリコン基板1101上方の所定の位置には配線部1104が、クラッド部1103の内部に形成されている。
そして、各光電変換部1102の上方においてクラッド部1103内部に、クラッド部1103より高い屈折率を有するコア部1105が埋め込まれてなる光導波路1106とで構成される。
光導波路1106の上方には、入射面1107に向かって徐々に幅が広くなるテーパー形状の入射部1108が配置され、入射部1108の内部にはカラーフィルタ1111が形成されている。
このような構成の固体撮像素子とすることで、入射部1108の入射面1107から入射した光を、光導波路1106が有する導波モードに変換し、コア部1105に光を集中させて伝搬することができる。
その結果、シリコン基板1101上方で発生するクロストークを防ぎながら、シリコン基板表面1110まで効率良く導くことができる。
すなわち、シリコン基板表面1110に設けたハーフトーン遮光膜により入射光の裾部分の位相を反転させ、シリコン基板表面1110における電場強度分布の広がりを抑えることで、シリコン基板1101内部の横方向への光広がりを抑える方法が提案されている。
図15[B]に、波長に対する浸入長(強度が1/eになる伝播距離)を示す。シリコンの吸収係数が小さい長波長側では、シリコン内浸入長が4μm程度となるため、特に長波長側でクロストークの発生が懸念される。
シリコン内部における隣接画素間に、光学的に分離する構造を設けることは作製上困難であり、またノイズの増加が懸念されるため実現することは困難である。
これにより、シリコン基板1101内部の横方向への光広がりを抑える方法が提案されている。
また、上記した特許文献2の方法では、シリコン基板1101内部を伝播する光の横方向への広がり(広がり角)を抑えることはできない。
この方法では、リソグラフィ技術などで解像度を上げるために、位相シフトマスクを用いて、レンズで結像したスポットの電場強度分布の広がりを抑えているが、このような手段ではマスクを透過する光の回折角を狭くすることはできない。むしろ、特許文献2に示すような方法では、シリコン基板表面1110上に正と負の領域が混在する電場振幅分布となった場合、シリコン基板1101内部を伝播する光の広がり角は大きくなり、横方向へ広がってしまうこととなる。
また、シリコン基板表面1110に構造を設けると、光電変換部1102にダメージを与え、ノイズが発生するという課題が生じてしまうこととなる。
本発明の固体撮像素子は、光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に光導波路を備え、
前記光導波路が有する導波モードに変換されて該光導波路を伝播する入射光を、前記光電変換部に導く固体撮像素子であって、
前記光導波路は、前記入射光の伝播状態を変化させるモード変換部を有し、
前記モード変換部によって、前記光導波路を伝播する入射光の電場振幅が、前記基板の光入射側の表面において同符号で分布することが可能に構成されていることを特徴とする。
図1[A]を用いて、本発明の実施例1における固体撮像素子について説明する。
本実施例の固体撮像素子は、光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に光導波路を備え、前記光導波路が有する導波モードに変換されて該光導波路を伝播する入射光を、前記光電変換部に導くようにされている。
具体的には、本実施例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット100で構成されている。
画素ユニット100は、シリコン基板101と、シリコン基板101の内部に配された光電変換部102を有している。
また、画素ユニット100は、シリコン基板101の上方に透明材料で形成されたクラッド部(層間絶縁部)103を有しており、配線部104がクラッド部103の内部の所定の位置に形成されている。
ここで、光導波路106の上方には、入射面107に向かって徐々に幅が広くなるテーパー形状の入射部108が配置され、入射部108の内部には赤色の透過帯域を持つカラーフィルタ111が形成されている。
そして、モード変換部109が、モード変換構造112をコア部105の内側の側壁に接するように配置することにより形成されている。
モード変換構造112は、コア部105と異なる屈折率を有する部材で構成されていればよい。但し、ここではモード変換構造112は、コア部105の屈折率よりも低い屈折率をもつものとする。
なお、このように構成されているモード変換部109を、コア部105の一部の幅を変えて形成された領域部から構成されている、と表現することもある。
また、シリコン基板表面110側のモード変換部109の端部と、シリコン基板表面110との距離をLとする。
ここで、光が伝搬する方向をz軸の方向とする。z軸に垂直な面をxy面とし、図1[A]はxz断面を表している。
また、固体撮像素子の各部位のx方向の長さを「幅」、z方向の長さを「高さ」と表現する。
また、z軸に平行で光導波路106の中心を通る軸を中心軸と呼ぶ。光導波路106とモード変換部109は、中心軸に対して対称な構造となっている。
クラッド部103は、例えばSiO2を用いることができ、コア部105は、例えばSiNを用いることができる。
モード変換構造112は、例えばSiO2を用いることができる。
波長650nmの光に対してSiO2の屈折率は約1.46であり、SiNの屈折率は約2.02である。
シリコン基板101内部の光広がりは、シリコン基板表面110の電場振幅分布に依存する。
図2[A]、[B]は、シリコン基板表面110に到達した光が形成する電場振幅分布(c)(d)と、その光がシリコン基板101内部を伝搬したときの電場強度分布(a)(b)を表している。
ここで、図2[A]、[B]の(a)(b)において、上方から下方の方向へ光が伝搬しているとし、その方向をz軸の方向とする。
また、z軸に垂直な面をxy面とし、図2[A]、[B]の(a)(b)はxz断面を表している。
図2[A]、[B]の(c)(d)の縦軸は電場振幅を表し、横軸はシリコン基板表面110におけるx方向の座標を表している。
また、図2[B]は、シリコン基板表面110における電場振幅分布が正と負の領域が混在する場合を表している。
ここで、電場振幅分布が同符号で分布とは、その電場振幅分布の符号が90パーセント以上、正または負で分布している状態を意味している。この電場振幅分布が同位相である条件については、後で詳細に説明する。
図2[A]、[B]より、シリコン基板表面110における電場振幅分布が同符号の場合に、シリコン基板101内部の横方向(x方向)への光広がりが抑制されていることがわかる。
そのため、従来例のような、図15[A]に示す光導波路のみの構造では、シリコン基板表面110に到達する光全ての電場振幅分布を同符号に定めることは困難であった。
その結果、シリコン基板101内部で横方向へ光が広がっていた。
しかし、シングルモード導波路とするためには、例えば、入射光の波長を650nmとしたとき、コア部105をSiN、クラッド部103をSiO2とした場合には、光導波路106のコア部105の幅を200nm以下としなければならない。
そのため、シングルモード導波路とすると、入射光が光導波路106の導波モードへ変換される効率が悪くなってしまう。
入射光の殆どは、入射部108と光導波路106の境界面において入射面107の方向に反射されてしまい、透過率が低下してしまう。
したがって、集光効率を高めるためには光導波路106をマルチモード導波路とする必要があり、さらに、シリコン基板表面110における電場振幅分布を同符号となる範囲に定めることが必要である。
従来の方法ではそれらを両立することは困難であった。
すなわち、入射面107から入射した光は、光導波路106が有する導波モードに効率良く変換され、コア部105に集中して伝搬する。
そのため、シリコン基板101の上方で発生するクロストークを防ぎながら、シリコン基板表面110まで効率良く導くことができる。
さらに、光導波路106に付加したモード変換部109により、導波モードの形状を変形し、特定の形状に定め、シリコン基板表面110の電場振幅分布が同符号となるように制御する。
ここで、モード変換部109を伝搬する導波モードの形状を定めるため、モード変換部109の固有モードは2個以下となるように設定している。
モード変換部109の屈折率、形状とシリコン基板表面110の距離を適切に設定することにより、シリコン基板表面110における電場振幅分布が同符号となるようにしている。
その結果、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができ、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことができ、上記した本発明の課題を解決することができる。
まず、光導波路106の導波モードについて説明する。
光導波路106を伝播する導波モードは、コア部105の屈折率、クラッド部103の屈折率、コア部105の幅によって決定される。
図3[A]には一例として、入射光の真空中の波長を650nm、コア部105の幅を600nm、コア部105の屈折率を2.02(SiN)、クラッド部103の屈折率を1.46(SiO2)としたときの光導波路106を伝搬する固有モードを示す。
このとき、光導波路106のxz面において、光導波路106の中心軸に対して対称なモード(以下「偶モード」という。)の0次モードと2次モード、中心軸に対して非対称なモード(以下「奇モード」という。)の1次モードの合計3つの固有モードが存在する。
ここで、0次、1次、2次モードの規格化した電場振幅分布をそれぞれ、A0(x)、A1(x)、A2(x)とする。
また、0次、1次、2次モードの伝搬定数をそれぞれ、β0、β1、β2とする。
β0、β1、β2は、コア部105の屈折率、クラッド部103の屈折率、コア部105の幅によって、一意に決めることができ、それぞれ異なる大きさを持っている。
実際に作製する際、光導波路106のコア部105の幅は、部分的に作製誤差によって揺らぎが生じることが考えられるが、光導波路106の中心軸を通る断面における、コア部105の幅の平均値を用いることで、伝搬定数を算出することができる。
コア部105の屈折率がクラッド部103の屈折率より高い光導波路106とすることで、コア部105に光を集中して伝搬させることができ、シリコン基板101上方で発生するクロストークを防ぐことが可能となる。
xz面においてz方向に伝搬する光導波路106の導波モードE(x,z)は、以下のように各固有モードの重ね合わせで表すことができる。
E(x,z)=A0(x)・B0(z)+A1(x)・B1(z)+A2(x)・B2(z)
B0(z)≡C0・cos(β0・z)
B1(z)≡C1・cos(β1・z)
B2(z)≡C2・cos(β2・z)
ここで、座標zの位置における0次、1次、2次モードの係数を、それぞれ、B0(z)、B1(z)、B2(z)とする。
B0(z)、B1(z)、B2(z)は、伝搬距離と各モードの伝搬定数に依存して変化する。
C0、C1、C2は定数項を表している。ここで、シリコン基板表面110の座標をz=z0の面とする。
定数項(C0、C1、C2)は、入射面107へ入射する光の位置によって変わる。
図3[B]、[C]には、従来の光導波路106のみの構造とした場合における、入射面107の中心付近から光が入射した場合と(図3[B])、入射面107の端付近から光が入射した場合(図3[C])の導波モードの形状の変化を示している。
ここで、図の下の方向へ向かって光が伝播しているとし、光導波路106の各断面における電場振幅を表している。
図2[A]の(a)は、0次モードの光がシリコン基板表面110に分布している場合における、シリコン基板101内部の光広がりを表している。
また、図2[B]の(a)、(b)は、それぞれ1次モード、2次モードの光がシリコン基板表面110に分布している場合における、シリコン基板101内部の光広がりを表している。
図2[A]、[B]より、1次、2次モードに比べ、0次モードがシリコン基板表面110に分布しているときに、シリコン基板101内部の横方向への光広がりが抑制されている。
したがって、シリコン基板表面110(z=z0)において0次モードの係数B(z0)の比率を大きくすることが必要となる。
しかし、光は入射面107の様々な位置から入射し、カラーフィルタ111の透過帯域に含まれる波長の光が伝搬する。
そのため、従来の光導波路106のみの構造の場合、入射する光全てに対し、シリコン基板表面110において、0次モードの係数B0(z0)の比率を大きくすることはできなかった。
ここで、画素ユニット100のx、y方向のサイズを1.2μmとして、シリコン基板表面110から深さ4μmシリコン基板101内部の位置における電場強度分布の広がりを見積もったところ、4割以上隣の画素へ広がる結果となっていた。
その同符号であるための条件は、シリコン基板表面110(z=z0)における係数B0(z0)、B1(z0)、B2(z0)のそれぞれの関係が、以下の条件を満たすことが必要ある。
すなわち、条件(i)且つ条件(ii)を満たすことが必要ある。
または、条件(i)且つ条件(iii)を満たすことが必要ある。
これらの条件の(i)、(ii)、(iii)のそれぞれは、以下のとおりである。
(i)0次と1次モードを比較したとき、0次モードの係数の絶対値が、1次モードの係数の絶対値に比べ1.5倍以上大きい。
|B0(z0)|≧1.5・|B1(z0)|。
(ii)0次と2次モードが図4[A]の(a)に示す関係のとき、0次モードの係数の絶対値が、2次モードの係数の絶対値に比べ9倍以上大きい。
B0(z0)・B2(z0)≧0、
且つ、|B0(z0)|≧9・|B2(z0)|。
(iii)0次と2次モードが図4[A]の(b)に示す関係のとき、0次モードの係数の絶対値が、2次モードに比べ1.5倍以上大きい。
B0(z0)・B2(z0)<0
且つ、|B0(z0)|≧1.5・|B2(z0)|。
光導波路106を伝搬する導波モードのベクトル成分は、高次モードほど伝搬方向に対して垂直な成分(x、y方向)が大きくなる。
そのため、光が光導波路106からシリコン基板101内部へ射出されるとき、1次、2次モードの方が0次モードに比べ、シリコン基板101内部で横方向へ広がりやすくなる。
1次、2次モードによる横方向への広がりを抑制するためには、0次モード成分の比率を大きくする必要がある。
そこで、条件(i)により、1次モードによる横方向への広がりを抑制し、更に、条件(ii)または(iii)により、2次モードによる横方向への広がりを抑制する。
このとき、横方向への広がりを抑制するためには、0次モードの係数の比率は、条件(i)〜(iii)に示す値が必要となる。
したがって、1次モードと2次モードによる横方向への広がりをどちらも抑制するために、条件(i)且つ条件(ii)を満たすことが必要である。
または、条件(i)且つ条件(iii)を満たすことが必要である。
このとき、0次モードの比率を大きくした、シリコン基板表面110における電場振幅分布は、90パーセント以上が正または負で分布(同符号で分布)する状態となる。
上に示す条件を満たさない場合、1次、2次モードの比率が大きくなり、シリコン基板表面110における電場振幅分布は、正と負の符号が混在した状態となり、シリコン基板101内部で横方向へ広がってしまう。
|C0・cos(β0・z0)|−1.5・|C1・cos(β1・z0)|≧0……(式0−1)
C0・C2・cos(β0・z0)・cos(β2・z0)≧0
且つ、|C0・cos(β0・z0)|−9・|C2・cos(β2・z0)|≧0……(式0−2)
C0・C2・cos(β0・z0)・cos(β2・z0)<0
且つ、|C0・cos(β0・z0)|−1.5・|C2・cos(β2・z0)|≧0……(式0−3)
そこで、モード変換部109を光導波路106に配置することにより、定数項(C0、C1、C2)を定め、シリコン基板表面110で電場振幅分布が同符号となるように設定する。
ここで、シリコン基板表面110側のモード変換部109の下端部の位置をz=0の面とし、シリコン基板表面110との距離をLとする(z0=L)。
定数項(C0、C1、C2)に対して、(式0−1)且つ(式0−2)、
または、(式0−1)且つ(式0−3)を満たす範囲(シリコン基板表面110において電場振幅分布が同符号となる範囲)が、どのように変換するのかを、図4[B]に示している。
横軸は伝播距離z(=L)を表している。
また,縦軸は、1の場合がシリコン基板表面110において電場振幅分布が同符号となる領域であり、0の場合が同符号とならない領域である。
ここで、z=0の位置において、0次、1次、2次モードが同位相で励起された場合を示している。
|C0|が、|C1|、|C2|に比べて小さくなった場合、シリコン基板表面110における電場振幅分布が同符号となる範囲は狭くなる。
このとき、基板側に位置する前記モード変換部109の端部とシリコン基板表面110の距離Lは、数10nmの精度で定める必要がある。
実際に作製する場合、モード変換構造112の位置や形状、またコア部105とクラッド部103の屈折率などは、作製誤差により揺らぎが生じる。
その場合、距離Lに対して非常に敏感になり、現実的に作製することが困難となる。
|C0|≧|C1|、且つ、|C0|≧|C2|。
この条件を踏まえると、(式0−1)、(式0−2)、(式0−3)は、以下の(式1)、(式2)、(式3)のように表すことができる。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|≧0……(式1)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)≧0
且つ、|cos(β0・L)|−9・|cos(β2・L)|≧0……(式2)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)<0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|≧0……(式3)
ここで、αはモード変換部109の構造によって決まる値であり、座標z=0で0次と2次モードが同位相で励起される場合は係数α=1となり、z=0で0次と2次モードが逆位相で励起される場合は係数α=−1となる。
このとき、モード変換部109の中心軸付近の屈折率が周囲の屈折率より大きい場合は、z=0で0次と2次モードが同位相で励起されるため、α=1となる。また、モード変換部109の中心軸付近の屈折率が周囲の屈折率より低い場合は、z=0で0次と2次モードが逆位相で励起されるため、α=−1となる。
従来の光導波路106のみの構造とした場合、(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)を満たすことはできなかった。
そこで、本実施例のように、モード変換部109を光導波路106に付加することにより、条件を満たすことが可能となる。
モード変換部109を伝搬するモードの規格化周波数をV、円周率をπとする。規格化周波数Vは光導波路を考察する上で、一般的に用いられるパラメータである。
入射光の真空中の伝搬定数をk0、モード変換部109のコア部の屈折率をn1、モード変換構造112の屈折率をn3、モード変換部109のコア部の幅をtとする。このとき、規格化周波数Vは、つぎに示される式で表すことができる。
規格化周波数Vから、伝搬する固有モードの数を指定することができ、V<m・π/2(m:整数)のとき、固有モードの個数はm個以下となる。
このとき、V<πを満たすように設定することで、モード変換部109の固有モードの数は2個以下として、モード変換部109を伝搬する導波モードの形状を定めることが可能となる。
すなわち、モード変換部109のコア部の屈折率を2.02(SiN)、クラッド部103の屈折率を1.46(SiO2)、モード変換構造112をクラッド部103と同じ屈折率1.46(SiO2)で形成した場合の導波モードについて説明する。
この場合、モード変換構造112をクラッド部103が同じ材料であることより、モード変換部109は、光導波路106のコア部105の幅の一部を狭くした形状となる。
ここで、モード変換部109のコア部の幅は、400nmとなるように形成している。
図4[C]に、モード変換部109の固有モードを示す。
比較のため、図3[A]で示した幅600nmの光導波路106の固有モードを破線で重ねて表示している。
このとき、規格化周波数はV=0.86π<πとなっている。固有モードは、xz面において、偶モード1つ、奇モード1つの合計2つである。
コア部の幅が狭くなったため、固有モードの広がりは狭くなっている。
これは、カラーフィルタ111の透過帯域に含まれる波長の光全てに対し、光導波路106のxz面において、固有モードの数は同じ、偶モード1つ、奇モード1つの合計2つとなり、また導波モードも同様な形状となる。
入射面107の中心付近から光が入射した場合、光導波路106において、図3[A]の(a)(b)に示す偶モードが励起され伝搬する。
そして、モード変換部109に光が到達したとき、図4[C]の(a)に示す偶モードの光に変換され、図5[A]のように、形状が定まった導波モードが伝搬する。
次に、入射面107の端付近から光が入射した場合、光導波路106において、図3[A]の(a)(b)(c)に示す偶モードと奇モードが励起され伝搬する。
ここで、カメラレンズF値1.4に相当する広がり角±20度で、入射面107の端付近から光が入射すると仮定したとき、図3[A]に示す光導波路106の0次モードは5割程度励起される。
このとき、導波モードは大きく乱れずモード変換部109へ光が到達し、図4[C](a)に示すモード変換部109の0次モードが5割以上励起される。
そして、図5[B]のように、モード変換部109を伝搬する導波モードの形状を定めることができ、z=0において、光導波路106中心付近に電場が集中したモードを励起することができる。
その結果、z=0において、光導波路106の0次モードが他の高次モードに比べて多く励起され、C0≧C1、且つ、C0≧C2となる。
また、モード変換部109の中心軸付近の屈折率は、中心軸の周囲の屈折率よりも大きくなっている。
そのため、z=0において同位相で0次モードと2次モードが励起される。
したがって、(式2)、(式3)における係数α=1と定めることができる。
そして、(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)を満たすことができ、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができる。
そして、光導波路106にモード変換部109を配置することで、光導波路106の導波モードの形状を変形し、特定の形状に定め、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができる。
ここで、モード変換部109の規格化周波数がV<πとなるように設定し、更に(式1)且つ(式2)または、(式1)且つ(式3)となるようにモード変換部109とシリコン基板表面110の距離を設定する。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高く、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
図6(c)(d)は、このときのシリコン基板表面110の電場振幅分布を表している。加えて図6(e)(f)は、シリコン基板表面110からシリコン基板101内部へ4μm離れた位置(以下、評価面114と呼ぶ)における、電場強度分布を表している。
図6(a)、(c)、(e)はそれぞれ、モード変換部109を含まない光導波路106のみの場合における、(a)電場強度分布のxz面、(c)シリコン基板表面110の電場振幅分布、(e)評価面114の電場強度分布を表している。
図6(b)、(d)、(f)はそれぞれ、光導波路106にモード変換部109を付加した場合における、(b)電場強度分布のxz面、(d)シリコン基板表面110の電場振幅分布、(f)評価面114の電場強度分布を表している。
また、光導波路106のコア部105の幅は600nmとした。波長650nmにおいて、シリコン基板101の屈折率は4.02、消衰係数は0.0164としている。
また、SiO2で形成したクラッド部103の屈折率は1.46、SiNで形成したコア部105の屈折率は2.02とした。
図6(b)に示すモード変換部109は、コア部105の内壁の一部に接するように、モード変換構造112を配置することで形成されている。
ここで、モード変換構造112はクラッド部103と同じSiO2(屈折率1.46)としており、モード変換部109は、光導波路106のコア部105の幅が狭くなった形状となる。
ここで、モード変換部105のコア部の幅が400nmとなるように形成している。
また、光導波路106とモード変換部109は、中心軸に対して対称な構造となっている。このとき、モード変換部109の規格化周波数はV=0.86π<πとなる。
このとき、以下に示すように(式1)且つ(式3)の条件を満たしている。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|=0.34>0……(式1)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)=―0.27<0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|=0.31≧0……(式3)
ここで、Lは(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)を満たせば、他の長さでも良い。
光導波路106のみの場合、入射した光113は光導波路106の導波モードに変換され、図3[B]に示したように様々な形状になりながら伝搬する。
そして、図6(c)に示すように、シリコン基板表面110における電場振幅は正と負の混在した分布となっている。
それに対し、本実施例のように光導波路106にモード変換部109を付加した場合、図5[A]で示したように、モード変換部109を形状が定まった導波モードに変形され伝搬する。
そして、図6(d)に示すように、シリコン基板表面110において、電場振幅を同符号で分布させることができる。
このとき、図6(e)(f)に電場強度分布から、評価面114全体に対する、1画素の幅1.2μmに含まれる電場強度の割合を比較する。
光導波路106のみの場合は57%に対し、モード変換部109を付加した場合は79%となっている。
したがって、従来の光導波路106のみの場合に比べ、モード変換部109を付加した場合の方が電場強度の広がりを抑制することができる。
図7(a)、(c)、(e)はそれぞれ、モード変換部109を含まない光導波路106のみ場合の、(a)電場強度分布のxz面、(c)シリコン基板表面110における電場振幅分布、(e)評価面114における電場強度分布を表している。
図7(b)、(d)、(f)はそれぞれ、光導波路106にモード変換部109を付加した場合の、(b)電場強度分布のxz面、(d)シリコン基板表面110における電場振幅分布、(f)評価面114における電場強度分布を表している。
図7(a)(b)に示すように、光導波路106のみの構造と、光導波路106にモード変換部109を付加した構造、どちらにおいても、シリコン基板101の上方で発生するクロストークを防ぎながら、シリコン基板表面110まで光を導くことができる。
そして、図7(c)に示すように、シリコン基板表面110における電場振幅は正と負の混在した分布となっている。
それに対し、本実施例のように光導波路106にモード変換部109を付加した場合、図5[B]で示したように、モード変換部109において、導波モードは変形される。
そして、図7(d)に示すように、シリコン基板表面110において、電場振幅を同符号で分布させることができる。
光導波路106のみの場合は55%であり、モード変換部109を付加した場合は70%となっている。
したがって、従来の光導波路106のみの場合に比べ、モード変換部109を付加した場合の方が電場強度の広がりを抑制することができる。
他の画素の幅、画素の高さ、コア部105の材料、クラッド部103の材料に対しても、モード変換構造112の形状、位置、材料を適切に設定することにより、シリコン基板101の内部での横方向への光広がりを抑制することができる。
このとき、図1[B]のように入射部108のテーパーの傾きと一致するようにモード変換部109を形成すると、効率良く光を伝搬することができる。
ここで、光導波路106がV<πとなるコア部105の幅をWとしたとき、モード変換部109の光導波路106側の下端部の幅を、Wとなるように設定する。モード変換部109の下端部とシリコン基板表面110の間の距離をLとしたとき、Lは(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)となるように設定する。
そのような構成にすることで、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができ、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことができる。モード変換部109のコア部のxy面における形状は、四角、円のような形状に限ったものではなく、五角形や六角形など多角形でも良く、楕円のような形状でも良い。
ここでは、モード変換構造112をクラッド部103と同じ材料で形成する場合について説明する。
先ず、シリコン基板101内部の所定の領域に、光電変換部や転送ゲートなどの各素子(不図示)を形成する(図8(a))。
その上に不図示のエッチングストッパ膜を形成し、SiO2によるクラッド部103と、所定の位置に配線部104を形成する。
そして、クラッド部103の上部をCMP法またはエッチバック法等の方法により平坦化処理を行う(図8(b))。
次に、リソグラフィ技術を用いて、クラッド部103の上にフォトレジストをパターニングした後、異方性ドライエッチング等の方法により、光電変換部102の上方に光導波路106を形成するための凹部を形成する。
レジストマスクを除去後、高密度プラズマCVD法などにより、形成した凹部にSiNによるコア部105を埋め込む。
そして、CMP法またはエッチバック法を用いてクラッド部103の表面まで平坦化処理を行う(図8(c))。
そして、異方性ドライエッチング等の方法により、モード変換部109を形成するための凹部を形成する(図8(d))。
レジストマスクを除去後、高密度プラズマCVD法などにより、形成した凹部にSiNによるモード変換部109を埋め込む。そして、CMP法またはエッチバック法を用いてクラッド部103の表面まで平坦化処理を行う(図8(e))。
ここで、モード変換部109を形成するための凹部は、EB描画、もしくはFIB(集光イオンビーム)加工等の方法で形成しても良い。
さらに、クラッド部103を形成し、図8(g)に示すように、光導波路106の上部にドライエッチング等によりテーパー形状の凹部を形成し、内部にカラーフィルタ111の材料を埋め込ことで、入射部108を形成する(図8(h))。
ここで、モード変換構造112がクラッド部103と違う材料の場合においても、同様に形成することができる。このように、上に示した図8(a)から(h)の方法により、実施例1の画素ユニット100を含む固体撮像素子を作製することができる。
さらに、モード変換部109により、形状が定まった導波モードを伝搬させることで、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができ、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができる。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高い、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
配線部104は、入射面107側であるシリコン基板101の上側に限らず、シリコン基板101の下側に形成しても良い。
また、モード変換部109のモード変換構造112は、コア部105の内壁に接していなくても良く、また材料もクラッド部103と違う材料で形成しても良い。
また、モード変換構造112をコア部105の外側に配置することでモード変換部109を形成しても良い。
本実施例では光導波路の上部をテーパー形状にしたが、それ以外の構造でも良い。
さらに、本実施例で示した光導波路の寸法、屈折率はその値に限ったものではない。
また、カラーフィルタの透過帯域は赤色以外に対しても、モード変換部109の寸法を同様の原理で設定することで、対応することができる。
また、カラーフィルタを形成する場所は入射部の内部に限ったものではなく、他の場所でも良い。
また、光導波路を用いずに、オンチップレンズとモード変換部を組み合わせた構造でも良い。
さらに、基板はシリコンに限ったものではなく、他の材料でも良い。
また、クラッド部はSiO2に限ったものではなく、コア部もSiNに限ったものではなく、他の材料でもよい。
図9[A]を用いて、本発明の実施例2における固体撮像素子について説明する。
本実施例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット200で構成されている。
本実施例の画素ユニット200は、実施例1の図1[A]で示した画素ユニット100に対して、モード変換部のみが異なった構造となっている。
コア部105の屈折率をn1、クラッド部103の屈折率をn2とするとき、モード変換部201は、光導波路106に、コア部105より低い屈折率n3(<n1)のモード変換構造202を設けることで形成されている。なお、モード変換構造202は、コア部105と異なる屈折率を有する材料で構成されていればよい。但し、ここでは、モード変換構造202は、コア部105の屈折率よりも低い屈折率をもつものとしている。
また、光導波路106のコア部105の幅をdとし、モード変換構造202の幅をt(<d)とする。
図1[A]と図9[A]において、同一の機能を有するものは同一の数字を付けている。図9[A]に示す光導波路106は、実施例1の図3[A]で示した固有モードを有しており、入射面107から入射した光は、これらの固有モードの重ね合わせで表される導波モードに変換され伝搬する。
コア部105に光が集中して伝搬することにより、シリコン基板101上方で発生するクロストークを防ぐことができる。
ここで、モード変換部201を伝搬する光の規格化周波数をVとする。
規格化周波数Vは、入射光の真空中の伝搬定数をk0とするとき、つぎに示される式で表すことができる。
このとき、V<πを満たすように設定することで、モード変換部201を伝搬する導波モードの形状を定めることが可能となる。
このとき、モード変換部201の規格化周波数はV=0.98π<πとなる。
このように構成したモード変換部201の固有モードを図9[B]に示す。
このときのxz面において存在する固有モードは、偶モード1つ、奇モード1つの合計2つであり、中心軸付近の屈折率が変化したことにより、導波モードの形状も変形している。
図9[B]の場合、導波モードの中心付近の振幅が、その周辺部に比べ小さくなるような形状となっている。
これは、カラーフィルタ111の透過帯域に含まれる波長の光全てにおいて、固有モードの数は偶モード1つ、奇モード1つの合計2つとなり、また導波モードも同様な形状となる。
ここで、モード変換部201のシリコン基板101側の下端部をz=0の面とし、シリコン基板表面110との距離をLとする。
また、光導波路106の0次、1次、2次モードの伝搬定数をそれぞれ、β0、β1、β2とする。
入射面107の中心付近から光が入射した場合、光導波路106において、図3[A]の(a)(b)に示す偶モードが励起され伝搬する。
そして、モード変換部201に光が到達したとき、図9[B]の(a)に示す偶モードの光に変換される。
そして、 図10[A]のように、形状が定まった導波モードが伝搬する。
次に、入射面107の端付近から光が入射した場合、光導波路106において、図3[A]の(a)(b)(c)に示す偶モードと奇モードが励起され伝搬する。
ここで、カメラレンズF値1.4に相当する広がり角±20度で、入射面107の端付近から光が入射すると仮定したとき、図3[A]に示す光導波路106の0次モードは5割程度励起される。
このとき、導波モードは大きく乱れずモード変換部201へ光が到達し、図9[B]に示すモード変換部201の0次モードが5割以上励起される。その結果、図10[B]のようにモード変換部201を伝搬する導波モードの形状を定めることができる。
その結果、z=0において、光導波路106の0次モードが他の高次モードに比べて多く励起される。
また、モード変換部201の場合、中心軸付近の屈折率が、その周囲の屈折率より低くなっている。
そのため、z=0において0次モードと2次モードは逆位相で励起される。実施例1で示した(式2)、(式3)における係数α=−1と定めることができる。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|≧0……(式1)
cos(β0・L)・cos(β2・L)≦0
且つ、|cos(β0・L)|−9・|cos(β2・L)|≧0……(式2)
cos(β0・L)・cos(β2・L)>0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|≧0……(式3)
(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)の条件を満たすことにより、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができる。
その結果、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができる。
そのため、シリコン基板101の上方で発生するクロストークを防ぎながらシリコン基板表面110まで伝搬することができる。
そして、光導波路106にモード変換部201を配置することで、光導波路106の導波モードの形状を変形し、特定の形状に定め、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができる。
ここで、モード変換部201の規格化周波数がV<πとなるように設定し、更に(式1)且つ(式2)または、(式1)且つ(式3)となるようにモード変換部201とシリコン基板表面110の距離を設定する。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高く、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
図11には、波長650nmの光113が、カメラレンズF値1.4に相当する広がり角±20度で、入射面107の中心付近に入射した場合(a)が示されている。
また、端付近から入射した(入射面の中心から+0.3μm、x方向にずらした)場合の電場強度分布(b)が示されている。
また、そのときのシリコン基板表面110の電場振幅分布(c)(d)が示されている。さらに、シリコン基板表面110からシリコン基板101内部へ4μm離れた位置の評価面114における、電場強度分布(図11(e)(f))が示されている。
ここで、図11(e)(f)では比較のため、光導波路106のみの構造における、入射面107の中心付近から入射した場合と、端付近から入射した場合それぞれに対する電場強度分布を破線で重ねて示している。
また、図11(b)と(d)と(f)は、それぞれ、光導波路106にモード変換部201を付加した場合における、(b)電場強度分布のxz面、(d)シリコン基板表面110の電場振幅分布、(e)評価面114の電場強度分布を表している。
図11では、一例として、実施例1と同様に、1画素の幅に対応する入射面107の幅を1.2μm、画素の高さに対応するシリコン基板表面110と入射面107との距離を4μmとしている。
また、光導波路106のコア部105の幅は600nmとした。モード変換部201は、モード変換構造202を光導波路106の中心軸上に配置することで形成されている。
モード変換構造202はxz面において、幅100nm、高さ500nmの板状とした。
SiO2で形成したクラッド部103の屈折率は1.46、SiNで形成したコア部105の屈折率は2.02とした。
また、モード変換構造202はSiO2で形成し、屈折率は1.46とした。このとき、モード変換部109の規格化周波数はV=0.98π<πとなる。
ここで、図10[A]において、シリコン基板101側のモード変換部201の下端部と、シリコン基板表面110との距離Lは、シリコン基板表面110の電場振幅分布が同符号となるように(式1)且つ(式2)を満たす範囲L=480nmに設定している。
このとき、以下に示すように(式1)且つ(式3)の条件を満たしている。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|=0.07>0……(式1)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)=−0.44<0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|=0.28≧0……(式3)
ここで、Lは(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)を満たせば、他の長さでも良い。
光導波路106のみの場合は、実施例1の図6(c)で示したように、シリコン基板表面110における電場振幅は正と負の混在した分布となっていた。
それに対し、本実施例のように光導波路106にモード変換部201を付加した場合、図11(c)(d)に示すように、シリコン基板表面110において、電場振幅は同符号で分布させることができる。
このとき、図11(e)(f)に示す電場強度分布から、評価面114全体に対する、1画素の幅1.2μmに含まれる電場強度の割合を比較する。
図11の(e)より中心付近から入射したとき、光導波路106のみの場合は57%であり、モード変換部201を付加した場合は75%となっている。図11(f)より画素の端付近から入射したとき、光導波路106のみの場合は55%であり、モード変換部201を付加した場合は73%となっている。
したがって、従来の光導波路106のみの場合に比べ、モード変換部201を付加した場合の方が電場強度の広がりを抑制することができる。
実施例2の画素ユニット200を含む固体撮像素子は、実施例1の図8で示した製造プロセスと同様な方法により作製することができる。
さらに、モード変換部201により、形状が定まった導波モードを伝搬させることで、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができ、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができる。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高い、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
また、モード変換部201のxy面における形状は、図12(a)の形状に限ったものではなく、例えば図12(b)(c)に示すような形状でも良い。
また、モード変換部201の材料はSiO2に限ったものではなく、他の材料でも良く、空気孔でも良い。
図13[A]を用いて、本発明の実施例3における固体撮像素子について説明する。
本実施例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット300で構成されている。
本実施例の画素ユニット300は、実施例1の図1[A]で示した画素ユニット100に対して、モード変換部109のモード変換構造112を金属とすることで形成されている。
ここで、図1[A]と 図13[A]において同一の機能を有するものは同一の数字を付けている。
本実施例においては、図13[A]に示す光導波路106は、実施例1の図3[A]で示した固有モードを有しており、入射面107から入射した光は、これらの固有モードの重ね合わせで表される導波モードに変換され伝搬する。
コア部105に光が集中して伝搬することにより、シリコン基板101上方で発生するクロストークを防ぐことができる。
ここで、一例として、光導波路106のコア部105の幅を600nm、屈折率を2.02(SiN)、クラッド部103の屈折率を1.46(SiO2)とする。
また、モード変換部301は、モード変換部301のコア部の幅が400nmとなるように、光導波路106のコア部105の内部の側壁の一部に、モード変換構造302であるアルミニウム(Al)を配置することで形成されている。
Alは、波長650nmにおいて、屈折率1.47、消衰係数7.79をもつ。消衰係数より、Alへの電場の侵入長は10nm以下と見積もることができる。
入射光の真空中の伝搬定数をk0、コア部105の屈折率をn1、モード変換構造302の屈折率をn3、光導波路106のコア部105の幅をd、モード変換構造302の幅を(d−t)とおく。このときのモード変換部301に含まれるコア部の幅はtとなる。
規格化周波数Vは、つぎに示される式で表すことができる。
このとき、V<πを満たすように設定することで、モード変換部301を伝搬する導波モードの形状を定めることが可能となる。本実施例では、規格化周波数はV=0.85π<πとなる。
xz面において存在する固有モードは、偶モード1つ、奇モード1つの合計2つであり、コア部の幅が狭くなったことにより、固有モードの広がりは狭くなっている。
これは、カラーフィルタ111の透過帯域に含まれる波長の光全てにおいて、固有モードの数は偶モード1つ、奇モード1つの合計2つとなり、また導波モードも同様な形状となる。
また、光導波路106の0次、1次、2次モードの伝搬定数をそれぞれ、β0、β1、β2とする。
実施例1と同じ原理により、Lを以下に示す(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)となるように設定することで、シリコン基板表面110におけるモード形状を同符号に定めることができる。
モード変換部301の中心軸付近の屈折率は、中心軸の周囲の屈折率よりも大きくなっている。そのため係数αは、z=0において光導波路106の0次モードと、2次モードが同位相で励起されるので、α=1となっている。
これらの(式1)、(式2)、(式3)は、つぎに示される式で表すことができる。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|≧0……(式1)
cos(β0・L)・cos(β2・L)≧0
且つ|cos(β0・L)|−9・|cos(β2・L)|≧0……(式2)
cos(β0・L)・cos(β2・L)<0
且つ|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|≧0……(式3)
実施例1と同じ原理により、入射面107から入射した光を、光導波路106が有する導波モードに変換し、コア部105に集中させて伝搬することができる。そのため、シリコン基板101の上方で発生するクロストークを防ぎながらシリコン基板表面110まで伝搬することができる。
そして、光導波路106にモード変換部301を配置することで、光導波路106の導波モードの形状を変形し、特定の形状に定め、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができる。
ここで、モード変換部301の規格化周波数がV<πとなるように設定し、更に(式1)且つ(式2)または、(式1)且つ(式3)となるようにモード変換部301とシリコン基板表面110の距離を設定する。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高く、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
図14には、波長650nmの光113が、カメラレンズF値1.4に相当する広がり角±20度で、入射面107の中心付近に入射した場合(a)が示されている。
また、端付近から入射した(入射面の中心から+0.3μmだけx方向にずらした)場合の電場強度分布(b)が示されている。
また、そのときのシリコン基板表面110の電場振幅分布(c)(d)が示されている。さらに、シリコン基板表面110からシリコン基板101内部へ4μm離れた位置の評価面114における、電場強度分布(図14(e)(f))が示されている。
ここで、図14(e)(f)では比較のため、光導波路106のみの構造における、入射面107の中心付近から入射した場合と、端付近から入射した場合、それぞれに対する電場強度分布を破線で重ねて示している。
図14(a)、(c)、(e)はそれぞれ、モード変換部301を含まない光導波路106のみの場合における、(a)電場強度分布のxz面、(c)シリコン基板表面110の電場振幅分布、(e)評価面114の電場強度分布を表している。
また、図14(b)と(d)と(f)はそれぞれ、光導波路106にモード変換部301を付加した場合における、(b)電場強度分布のxz面、(d)シリコン基板表面110の電場振幅分布、(e)評価面114の電場強度分布を表している。
また、光導波路106のコア部105の幅は600nmとした。モード変換構造302はAlで形成し、xz面において、幅100nm、高さ500nmの板状とし、コア部105の内壁に接するように形成されている。
このとき、モード変換部301のコア部の幅は400nmとなっている。この場合、モード変換部109の規格化周波数はV=0.85π<πとなる。
このとき、以下に示すように(式1)且つ(式3)の条件を満たしている。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|=0.34>0……(式1)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)=−0.27<0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|=0.31≧0……(式3)
波長650nmにおいて、シリコン基板101の屈折率は4.02、消衰係数は0.0164とし、モード変換構造302であるAlの屈折率は1.47、消衰係数は7.79とした。
SiO2で形成したクラッド部103の屈折率は1.46、SiNで形成したコア部105の屈折率は2.02とした。
ここで、図14(b)において、シリコン基板101側のモード変換部301の下端部と、シリコン基板表面110との距離Lは、シリコン基板表面110の電場振幅分布が同符号となるように(式1)且つ(式3)を満たす範囲L=1.35μmに設定している。
また、ここで、Lは(式1)かつ(式2)、または(式1)かつ(式2)を満たせば、他の長さでも良い。
それに対し、光導波路106にモード変換部301を付加した場合、図14(c)(d)に示すように、シリコン基板表面110において、電場振幅は同符号で分布させることができる。
このとき、図14(e)(f)に示す電場強度分布から、評価面114全体に対する、1画素の幅1.2μmに含まれる電場強度の割合を比較する。
図14(e)より中心付近から入射したとき、光導波路106のみの場合は57%であり、モード変換部301を付加した場合は81%となっている。
図14(f)より画素の端付近から入射したとき、光導波路106のみの場合は55%であり、モード変換部301を付加した場合は68%となっている。
したがって、従来の光導波路106のみの場合に比べ、モード変換部301を付加した場合の方が電場強度の広がりを抑制することができる。
ここで、モード変換部301は、金属を光導波路106の中心軸上に配置することで形成しても良い。その場合、(式2)、(式3)の係数はα=−1となる。上で示した原理と同じ理由により、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができる。
本実施例の画素ユニット200を含む固体撮像素子は、実施例1の図8で示した製造プロセスと同様な方法により作製することができる。
さらに、モード変換部301により、形状が定まった導波モードを伝搬させることで、シリコン基板表面110の電場振幅分布を同符号とすることができ、シリコン基板101内部の横方向への光広がりを抑制することができる。
その結果、シリコン基板101上方と内部で発生するクロストークを防ぐことが可能となり、色再現性が高い、高精細な固体撮像素子を得ることができる。
102:光電変換部
103:クラッド部
104:配線部
105:コア部
106:光導波路
107:入射面
108:入射部
109:モード変換部
110:シリコン基板表面
111:カラーフィルタ
112:モード変換構造
Claims (10)
- 光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に光導波路を備え、
前記光導波路が有する導波モードに変換されて該光導波路を伝播する入射光を、前記光電変換部に導く固体撮像素子であって、
前記光導波路は、前記入射光の伝播状態を変化させるモード変換部を有し、
前記モード変換部によって、前記光導波路を伝播する入射光の電場振幅が、前記基板の光入射側の表面において同符号で分布することが可能に構成されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記光導波路は、前記基板の光入射側に形成されているクラッド部の内部に埋め込まれた、該クラッド部よりも高い屈折率を有するコア部によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記モード変換部は、前記光導波路を構成するコア部の内部に設けられ、該コア部とは異なる屈折率を有する部材であることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記モード変換部は、前記光導波路を構成するコア部の一部の幅を変えて形成された領域部によって構成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記モード変換部は、金属であることを特徴とする請求項3に記載の固体撮像素子。
- 前記モード変換部の規格化周波数をV、円周率をπとしたとき、V<πを満たすと共に、
前記光導波路を伝搬する導波モードにおいて、前記光導波路の中心軸を通る断面における0次、1次、2次モードの伝搬定数をそれぞれβ0、β1、β2とし、
前記基板側に位置する前記モード変換部の端部と、前記基板との距離をLとし、
前記モード変換部の中心軸付近の屈折率が周囲の屈折率より大きい場合は1となり、前記モード変換部の中心軸付近の屈折率が周囲の屈折率より低い場合は−1となる係数をαとするとき、
つぎの(式1)且つ(式2)、または(式1)且つ(式3)の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β1・L)|≧0……(式1)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)≧0
且つ、|cos(β0・L)|−9・|cos(β2・L)|≧0……(式2)
α・cos(β0・L)・cos(β2・L)<0
且つ、|cos(β0・L)|−1.5・|cos(β2・L)|≧0……(式3)
- 前記光導波路は、前記基板の光入射側に形成されているクラッド部の内部に埋め込まれた、該クラッド部よりも高い屈折率を有するコア部によって構成されていることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
- 前記モード変換部の前記モード変換構造が、金属で構成されていることを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
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