JP5774502B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。

近年、携帯電話等に搭載されるカメラモジュールは、薄型化が強く要請されるようになっている。イメージセンサは、カメラモジュールの薄型化と、画素数の増大とへの対応として、画素の微細化が進められている。イメージセンサは、画素のサイズが小さくなるほど、画素へ入射する光量が少なくなるためによる信号量の低下が顕著となることから、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の劣化が問題となる。イメージセンサは、光利用効率の向上による高感度化の実現が望まれている。

いわゆる単板式のイメージセンサは、光電変換素子が各色光を分担して検出し、補間による色再現を経てカラー画像を合成可能とする。従来、イメージセンサは、光電変換素子へ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を他の方式に変更することで、光電変換に寄与しない色光をできるだけ活用させる試みがなされている。

イメージセンサは、例えば、基板の厚み方向に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のフォトダイオードを三層に配置し、各位置にて各色の情報を分離させる構成を採用し得る。この場合、フォトダイオードの分光特性が、Ｒ光用及びＧ光用のフォトダイオード間、Ｇ光用及びＢ光用のフォトダイオード間にてそれぞれ重複することで、色光同士の分離が不十分となり色再現性の劣化を引き起こすことがある。色再現性を得るためのカラーマトリクス演算処理（色再現性処理）を実施する場合に、演算に使用する係数を大きい値とすることで色再現性の改善を図り得る。この場合、係数を大きくすることがＳＮＲの劣化を招くこととなるために、ＳＮＲの改善が困難となる。

イメージセンサは、例えば、入射光の光路中に配置されたダイクロイックミラーにより各色光を分離させ、色光ごとに光電変換素子へ導く構成を採用し得る。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光を分離する場合、光路中には二種類のダイクロイックミラーが配置されることとなる。ダイクロイックミラーの積層構造は、屈折率の異なる薄膜の多層構造として形成する。二種類のダイクロイックミラーを製造する場合は、積層構造の形成に要する作業が二倍となるから、製造に長時間を要し、製造コストの高騰を招く。

ダイクロイックミラーの波長特性は入射角に大きく依存することから、入射角がばらつくことにより、ダイクロイックミラーの波長特性は例えば数十ｎｍ程度変化する場合がある。このようにして生じる分光特性のばらつきは、波長特性を異ならせた二種類のダイクロイックミラーを使用することでさらに顕著となり、色再現性の劣化を引き起こすことになる。

国際公開第９９／５６０９７号公報 特開２００９−９９７１号公報

本発明の一つの実施形態は、色分離性が良く光利用効率が高い高感度な撮影、及び製造コストの低減を可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、光電変換素子アレイ、集光光学素子及び色分離部を有する。光電変換素子アレイは、第１色光用、第２色光用及び第３色光用の光電変換素子を少なくとも備える。第１色光用の光電変換素子は、第１色光を検出する。第２色光用の光電変換素子は、第２色光を検出する。第３色光用の光電変換素子は、第３色光を検出する。集光光学素子は、第１色光用の光電変換素子を中心として光を集束させる。色分離部は、集光光学素子から進行する光の光路に設けられている。色分離部は、入射した光のうち第１色光を透過させ、かつ第２色光及び第３色光を反射する。第１色光、第２色光及び第３色光は、３つの原色光である。色分離部は、集光光学素子及び第１色光用の光電変換素子の間に設けられている。色分離部は、集光光学素子から入射する光の主光線に対して入射面が傾けられている。第２色光用の光電変換素子及び第３色光用の光電変換素子は、積層構造を構成する。積層構造では、第３色光用の光電変換素子より入射側に第２色光用の光電変換素子が積層されている。第１色光用の光電変換素子と積層構造とは、光電変換素子アレイの行方向及び列方向のそれぞれにおいて交互に配置されている。集光光学素子は、第１色光用の光電変換素子と、第１色光用の光電変換素子に隣り合う積層構造の各一部分とを含む範囲に合わせて配置されている。

第１の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。 図１に示すイメージセンサを適用したカメラの概略構成を示すブロック図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図。 ダイクロイックミラーの分光特性の例を示す図。 イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。 イメージセンサの製造手順の例を説明する要部模式断面図。 イメージセンサの製造手順の例を説明する要部模式断面図。 イメージセンサの製造手順の例を説明する要部模式断面図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。 第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図。 マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図。 ダイクロイックミラーの分光特性の例を示す図。 イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。図２は、図１に示すイメージセンサを適用したカメラの概略構成を示すブロック図である。

カメラ１０は、カメラモジュール１０ａ及び後段処理部１０ｂを有する。カメラモジュール１０ａは、撮像光学系１１及びイメージセンサ１２を有する。後段処理部１０ｂは、イメージシグナルプロセッサ（image signal processor；ＩＳＰ）１３、記憶部１４及び表示部１５を有する。カメラ１０は、例えば、デジタルカメラである。カメラモジュール１０ａは、デジタルカメラ以外には、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器で使用される。

撮像光学系１１は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。イメージセンサ１２は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ１３は、イメージセンサ１２での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部１４は、ＩＳＰ１３での信号処理を経た画像を格納する。記憶部１４は、ユーザの操作等に応じて、表示部１５へ画像信号を出力する。表示部１５は、ＩＳＰ１３あるいは記憶部１４から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイである。

イメージセンサ１２は、光電変換素子アレイを有する。光電変換素子アレイは、複数の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを有する。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、例えばＮ型のフォトダイオードであって、Ｐ型の半導体基板２０に形成されている。

光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂは、Ｐ型層を挟む積層構造をなしている。光電変換素子２１Ｂは、二層としたうち表層側のＮ型層である。光電変換素子２１Ｒは、二層としたうち深層側のＮ型層である。光電変換素子２１Ｇは、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂからなる積層構造に隣り合うように形成されている。光電変換素子アレイは、光電変換素子２１Ｇと、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造とがアレイ状に配置されて構成されている。

光電変換素子２１Ｇは、第１色光であるＧ光を検出する第１色光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｂは、第２色光であるＢ光を検出する第２色光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｒは、第３色光であるＲ光を検出する第３色光用の光電変換素子である。光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造において、光電変換素子２１Ｂは、光電変換素子２１Ｒより入射側に積層されている。

光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射光量に応じた電荷を発生させる。光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、各色光を分担して検出する。イメージセンサ１２は、例えば、ＣＭＯＳセンサとする。本実施形態は、表面照射型及び裏面照射型のいずれのＣＭＯＳセンサにも適用可能であるものとする。

マイクロレンズアレイは、イメージセンサ１２のうち、撮像光学系１１からの入射光が入射する面に形成されている。マイクロレンズアレイは、アレイ状に配置された複数のマイクロレンズ３０を有する。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を集束させる集光光学素子として機能する。マイクロレンズアレイは、光電変換素子アレイに対して光の入射側に設けられた集光光学素子アレイとして機能する。マイクロレンズ３０は、例えば、光電変換素子２１Ｇの受光面において光が集束するように設計されている。

図３は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。ここでは、イメージセンサ１２を入射側から若干斜めに見た場合におけるマイクロレンズ３０と、マイクロレンズ３０より下に位置する光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂとを示している。図３の紙面における左右方向を行方向、図３の紙面における上下方向を列方向、とする。なお、図１に示す断面は図３中の一点鎖線Ａにおける切断面に対応している。

光電変換素子２１Ｇと、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂからなる積層構造とは、正方配列をなすように配置されている。光電変換素子２１Ｇ同士は、行方向及び列方向に対して斜めの方向へ連ねられている。これと同様に、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造も、斜めの方向へ連ねられている。

マイクロレンズ３０は、光電変換素子２１Ｇの位置を中心として配置されている。マイクロレンズ３０は、中心の光電変換素子２１Ｇの受光面と、その光電変換素子２１Ｇと行方向及び列方向において隣接する光電変換素子２１Ｂの各受光面の一部分ずつとを含む範囲に合わせて配置されている。マイクロレンズ３０の平面形状は、およそ画素二個分の面積をなしている。これにより、イメージセンサ１２は、各色光用の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂの組合せに、一つのマイクロレンズ３０を対応させた構成とされている。

マイクロレンズ３０は、中心に位置する光電変換素子２１Ｇと同様に斜めの方向に連ねられることで、正方配列が４５度傾けられた配列をなしている。マイクロレンズ３０は、例えば、正方形をなしている。マイクロレンズ３０は、正方形の他、例えば、正方形の四隅を僅かに取り除いたような八角形や、正方形の四隅に丸みを持たせた形状、菱形、円形等としても良い。

第１透明層２４、遮光層２５及び第２透明層２６は、光電変換素子アレイとマイクロレンズアレイとの間に設けられている。遮光層２５には、マイクロレンズ３０からの光を通過させる開口３２が設けられている。開口３２は、マイクロレンズ３０の中心位置と、光電変換素子２１Ｇの中心位置との間に位置する。遮光層２５は、開口３２以外の部分において、マイクロレンズアレイ側から光電変換素子アレイ側へ進行する光を遮蔽する。遮光層２５は、例えば、アルミニウム等の金属材料を用いて構成されている。

層内レンズ３１は、開口３２に設けられている。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０により集束する光を平行化させる平行化光学系として機能する。第１透明層２４は、光電変換素子アレイと遮光層２５との間に設けられている。第１透明層２４は、層内レンズ３１から入射する光を透過させる。第２透明層２６は、遮光層２５とマイクロレンズアレイとの間に設けられている。第２透明層２６は、マイクロレンズ３０から入射する光を透過させる。第１透明層２４及び第２透明層２６は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の透明部材により構成されている。

ダイクロイックミラー２２及び反射ミラー２３は、第１透明層２４に設けられている。ダイクロイックミラー２２は、マイクロレンズ３０から層内レンズ３１を経て第１透明層２４を進行する光の光路に設けられている。ダイクロイックミラー２２は、マイクロレンズ３０から入射する光の主光線に対して、入射面が略４５度の角度をなすように傾けられている。ダイクロイックミラー２２は、入射した光のうちＧ光を透過させ、かつＢ光及びＲ光を反射する。ダイクロイックミラー２２は、色分離部として機能する。ダイクロイックミラー２２は、高屈折率部材、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）の層と低屈折率部材、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の層とを交互に積層させた誘電体多層膜を備える。

図４は、ダイクロイックミラーの分光特性の例を示す図である。ダイクロイックミラー２２は、例えば、４９０ｎｍから５８０ｎｍのＧ光を透過させ、４９０ｎｍ以下のＢ光と５８０ｎｍ以上のＲ光を反射する。ここで例示する波長は、透過率が５０％となる半値波長であるものとする。

反射ミラー２３は、光電変換素子２１Ｂの上方であって、ダイクロイックミラー２２で反射した光の光路に設けられている。反射ミラー２３は、光電変換素子２１Ｂの受光面の法線に対して、入射面が略４５度の角度をなすように傾けられている。ダイクロイックミラー２２の入射面と反射ミラー２３の入射面とは、略平行とされている。

反射ミラー２３は、ダイクロイックミラー２２から入射したＢ光及びＲ光を反射する。反射ミラー２３は、ダイクロイックミラー２２で反射したＢ光及びＲ光を光電変換素子２１Ｂへ向けて反射する反射部として機能する。反射ミラー２３は、高反射性部材、例えば、アルミニウム等の金属部材や、波長選択性がない誘電体多層膜を用いて構成されている。この他、反射ミラー２３は、ダイクロイックミラー２２と同じ波長選択性の誘電体多層膜を備えるものであっても良い。

図５は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１は、マイクロレンズ３０からの光を平行化させる。層内レンズ３１から射出した光は、ダイクロイックミラー２２へ向けて第１透明層２４内を直進する。

ダイクロイックミラー２２は、入射した光のうちのＧ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。ダイクロイックミラー２２を透過したＧ光は、光電変換素子２１Ｇへ直進し、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。ダイクロイックミラー２２へ入射した光のうちのＲ成分及びＢ成分は、ダイクロイックミラー２２での反射により光路が９０度折り曲げられ、反射ミラー２３へ向けて進行する。

反射ミラー２３へ入射した光は、反射ミラー２３での反射により光路が９０度折り曲げられ、光電変換素子２１Ｂへ向けて進行する。光電変換素子２１Ｂへ入射した光のうちのＢ成分は、光電変換素子２１Ｂにて電荷に変換される。光電変換素子２１Ｂへ入射した光のうちのＲ成分は、光電変換素子２１Ｂを透過し、Ｐ型層を進行した後、光電変換素子２１Ｒにて電荷に変換される。

イメージセンサ１２は、ダイクロイックミラー２２で分離したＲ光、Ｇ光及びＢ光をそれぞれ光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂへ導く。イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂへ導く色光以外の色光をカラーフィルタで吸収させる色分離の方式を採用する場合に比べて、光利用効率を向上させることができる。

イメージセンサ１２は、各色光用の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ及び２１Ｂの組合せに、一つのマイクロレンズ３０を対応させることで、各マイクロレンズ３０について各色成分の情報を取得する。各マイクロレンズ３０について各色成分の情報を取得することで、イメージセンサ１２は、色成分ごとの信号の補間処理を経ずにカラー画像を取得することができる。イメージセンサ１２は、補間による色再現を省略可能とすることで、偽色が大幅に低減された高品質な画像を得ることが可能となる。

イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｂ及び２１Ｒを積層構造とすることで、各光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを平面にて並列させる場合に比べて、各光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの受光面を広く確保可能とする。イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂにおける飽和電子数の増加や、光を取り込む効率の向上、製造マージンの拡大が実現できる。

イメージセンサ１２は、Ｒ、Ｇ及びＢの各色成分のうち、中間波長域のＧ成分を先に分離させる構成とすることで、二層とする光電変換素子２１Ｂ及び２１Ｒの間にＰ型層を介在させる。これにより、イメージセンサ１２は、光電変換素子２１Ｂ及び２１Ｒの間に光電変換素子２１Ｇを介在させる場合に比べて、分光特性の重複による色分離性の低下を効果的に抑制させることができる。

人間の眼の分光感度は、可視光の波長域のうちの中間域に位置する緑色付近をピークとする。ＲＧＢの各成分の中ではＧ成分が、画像の見え方に大きく影響を及ぼすこととなる。イメージセンサ１２は、マイクロレンズ３０から光を直進させた位置に光電変換素子２１Ｇを配置することで、特にＧ光について損失を低減させる。イメージセンサ１２は、Ｇ光の損失の低減により、Ｇ成分の解像度及びＳＮＲを高い水準で維持することで、見かけ上においても、高解像度及び低ノイズの実現が可能となる。

図６から図８は、イメージセンサの製造手順の例を説明する要部模式断面図である。図６に示す工程では、Ｎ型のフォトダイオードである光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂが形成されたＰ型の半導体基板２０の上に、透明かつ感光性材料であるレジスト層４０を形成する。レジスト層４０は、第１透明層２４（図１参照）を構成する。

図７に示す工程では、グレーティングマスク４１を介してレジスト層４０を露光する。グレーティングマスク４１は、画素に相当する単位領域ごとに、例えば図中の右から左へ向かうに従ってドットが密になるように形成されている。グレーティングマスク４１のドットが密である部分ほど、グレーティングマスク４１における光の透過率が低くなり、レジスト層４０での露光量が少なくなる。

かかるグレーティングマスク４１を介した露光により、レジスト層４０には、画素に相当する領域ごとに、右下がりの傾斜をなす斜面４２が形成される。グレーティングマスク４１に形成されるドットの疎密は、ダイクロイックミラー２２及び反射ミラー２３について所望とされる勾配に応じて決定されている。

図８に示す工程では、レジスト層４０の斜面４２にダイクロイックミラー２２及び反射ミラー２３を形成する。屈折率が互いに異なる材料による成膜を斜面４２に複数回施すことで、屈折率が異なる薄膜による多層構造を備えるダイクロイックミラー２２が形成される。

ダイクロイックミラー２２を構成する多層膜干渉フィルタは、λ／４多層膜と、λ／４多層膜に挟まれたスペーサ層とを備える。多層膜干渉フィルタは、スペーサ層の光学膜厚に応じた波長域の光を透過させる。設定波長λは、λ／４多層膜で反射する光の波長域の中心波長である。λ／４多層膜は、設定波長λの４分の１に相当する光学膜厚で構成される。例えば、設定波長λを５５０ｎｍとすると、λ／４多層膜を構成する誘電体層の光学膜厚はいずれも１３７．５ｎｍとなる。光学膜厚は、誘電体層の物理膜厚にその屈折率を乗じて得られる指数である。

本実施形態において、ダイクロイックミラー２２は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる高屈折率層と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる低屈折率層との、二種類の誘電体層が交互に積層された構成を備える。屈折率が２．５１であるＴｉＯ_２は、物理膜厚をおよそ５４．７ｎｍとすることで、光学膜厚が１３７．５ｎｍとなる。屈折率が１．４５であるＳｉＯ_２は、物理膜厚をおよそ９４．８ｎｍとすることで光学膜厚が１３７．５ｎｍとなる。

スペーサ層は、ＳｉＯ_２からなる。Ｇ光を透過させるダイクロイックミラー２２において、スペーサ層の物理膜厚は０ｎｍとされる。Ｇ光を透過させるダイクロイックミラー２２において、スペーサ層を挟む二層のＴｉＯ_２層の物理膜厚は、全体として１０９．４ｎｍとされる。Ｇ光を透過させるダイクロイックミラー２２では、λ／４多層膜及びスペーサ層を合わせた全体の層数は、６〜２０とされる。

ダイクロイックミラー２２と同じ波長選択性の反射ミラー２３を設ける場合、ダイクロイックミラー２２及び反射ミラー２３は、一括して形成できる。波長選択性を持たない高反射性部材からなる反射ミラー２３を設ける場合、反射ミラー２３は、構成に応じた工程を経て、ダイクロイックミラー２２とは別に形成される。

図８に示す構成の上に、レジスト層４０と同じ透明材料を塗布することで、ダイクロイックミラー２２及び反射ミラー２３を封止する第１透明層２４が得られる。第１透明層２４に層内レンズ３１及び遮光層２５を設け、第２透明層２６及びマイクロレンズアレイの形成を経て、図１に示すイメージセンサ１２が得られる。

本実施形態において、図３に示すマイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの構成は、適宜変更可能であるものとする。図９は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの変形例を示す図である。マイクロレンズ３０は、列方向を長辺とする長方形から四隅を僅かに取り除いた八角形をなしている。

かかる変形例のようにマイクロレンズ３０及び光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを配置した場合も、イメージセンサ１２は、図３に示す配置とする場合と同様、高品質な画像を得ることができる。本変形例では、行方向について各色信号を効果的に分離可能とし、水平解像度を向上させることができる。図９に示す変形例において、マイクロレンズ３０は、例えば、長方形の四隅に丸みを持たせた形状や、長方形、楕円形等としても良い。マイクロレンズアレイは、本変形例の構成を９０度回転させた構成としても良い。この場合、マイクロレンズ３０は、行方向を長手方向とする形状とする。

イメージセンサ１２は、Ｇ光を透過させ、Ｒ光及びＢ光を反射するダイクロイックミラー２２を適用することとしたが、これに代えて、Ｒ光及びＢ光を透過させ、Ｇ光を反射するダイクロイックミラーを適用しても良い。

図１０は、第１の実施形態の変形例にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。マイクロレンズ３０は、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造の位置を中心として配置されている。マイクロレンズ３０は、中心の光電変換素子２１Ｂの受光面と、その光電変換素子２１Ｂと行方向及び列方向において隣接する光電変換素子２１Ｇの各受光面の一部分ずつとを含む範囲に合わせて配置されている。

色分離部であるダイクロイックミラー２７は、入射した光のうちＢ光及びＲ光を透過させ、かつＧ光を反射する。ダイクロイックミラー２７は、光電変換素子２１Ｂの上方であって、層内レンズ３１から光電変換素子２１Ｂへ進行する光の光路に設けられている。ダイクロイックミラー２７は、マイクロレンズ３０から入射する光の主光線に対して、入射面が略４５度の角度をなすように傾けられている。

反射部である反射ミラー２３は、光電変換素子２１Ｇの上方であって、ダイクロイックミラー２７で反射した光の光路に設けられている。反射ミラー２３は、光電変換素子２１Ｇの受光面の法線に対して、入射面が略４５度の角度をなすように傾けられている。ダイクロイックミラー２７の入射面と反射ミラー２３の入射面とは、略平行とされている。

反射ミラー２３は、ダイクロイックミラー２７で反射したＧ光を光電変換素子２１Ｇへ向けて反射する。本変形例の場合も、イメージセンサ１２は、高い光利用効率による高感度な撮影、及び製造コストの低減が可能となる。

（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態にかかる固体撮像装置であるイメージセンサの一部構成の模式断面図である。第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。光電変換素子２１ＩＲは、例えばＮ型のフォトダイオードである。光電変換素子２１ＩＲは、赤外（ＩＲ）光を検出する赤外光用の光電変換素子である。

本実施の形態にかかるイメージセンサ５０が適用されるカメラモジュール１０ａは、イメージセンサ５０へ進行する光からＩＲ成分を除去するＩＲカットフィルタを設けないものとする。なお、第１の実施形態で説明するイメージセンサ１２を適用する場合、カメラモジュール１０ａは、イメージセンサ１２へ進行する光からＩＲ光を除去するＩＲカットフィルタが組み込まれている。

光電変換素子２１Ｇ及び２１ＩＲは、Ｐ型層を挟む積層構造をなしている。光電変換素子２１Ｇは、二層としたうち表層側のＮ型層である。光電変換素子２１ＩＲは、二層としたうち深層側のＮ型層である。光電変換素子２１Ｇ及び２１ＩＲの積層構造において、光電変換素子２１Ｇは、光電変換素子２１ＩＲより入射側に積層されている。光電変換素子アレイは、光電変換素子２１Ｇ及び２１ＩＲの積層構造と、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造とがアレイ状に配置されて構成されている。

図１２は、マイクロレンズアレイ及び光電変換素子アレイの平面構成の模式図である。ここでは、イメージセンサ５０を入射側から若干斜めに見た場合におけるマイクロレンズ３０と、マイクロレンズ３０より下に位置する光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、２１ＩＲとを示している。なお、図１１に示す断面は図１２中の一点鎖線Ａにおける切断面に対応している。

光電変換素子２１Ｇ及び２１ＩＲからなる積層構造と、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂからなる積層構造とは、正方配列をなすように配置されている。イメージセンサ５０は、各色光用の光電変換素子２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ及び２１ＩＲの組合せに、一つのマイクロレンズ３０を対応させた構成とされている。

ダイクロイックミラー５１及び反射ミラー２３は、第１透明層２４に設けられている。ダイクロイックミラー５１は、入射した光のうちＧ光及びＩＲ光を透過させ、かつＢ光及びＲ光を反射する。ダイクロイックミラー５１は、色分離部として機能する。ダイクロイックミラー５１は、高屈折率部材の層と低屈折率部材の層とを交互に積層させた誘電体多層膜を備える。ダイクロイックミラー５１は、第１の実施形態におけるダイクロイックミラー２２（図１参照）とは、波長特性が異なる以外、同様の構成及び配置とされている。

図１３は、ダイクロイックミラーの分光特性の例を示す図である。ダイクロイックミラー５１は、例えば、４９０ｎｍから５８０ｎｍのＧ光と６５０ｎｍ以上のＩＲ光を透過させ、４９０ｎｍ以下のＢ光と５８０ｎｍから６５０ｎｍのＲ光を反射する。ここで例示する波長は、透過率が５０％となる半値波長であるものとする。

図１４は、イメージセンサへ入射した光の振舞いについて説明する図である。マイクロレンズ３０は、撮像光学系１１からの入射光を層内レンズ３１へ向けて集束させる。層内レンズ３１から射出した光は、ダイクロイックミラー５１へ向けて第１透明層２４内を直進する。

ダイクロイックミラー５１は、入射した光のうちのＧ成分及びＩＲ成分を透過させ、Ｒ成分及びＢ成分を反射する。ダイクロイックミラー５１を透過したＧ光及びＩＲ光は、光電変換素子２１Ｇへ入射する。光電変換素子２１Ｇへ入射した光のうちのＧ成分は、光電変換素子２１Ｇにて電荷に変換される。光電変換素子２１Ｇへ入射した光のうちのＩＲ成分は、光電変換素子２１Ｇを透過し、Ｐ型層を進行した後、光電変換素子２１ＩＲにて電荷に変換される。

ダイクロイックミラー５１へ入射した光のうちのＲ成分及びＢ成分は、ダイクロイックミラー５１での反射により光路が９０度折り曲げられ、反射ミラー２３へ向けて進行する。反射ミラー２３へ入射した光は、反射ミラー２３での反射により光路が９０度折り曲げられ、光電変換素子２１Ｂへ向けて進行する。光電変換素子２１Ｂへ入射した光のうちのＢ成分は、光電変換素子２１Ｂにて電荷に変換される。光電変換素子２１Ｂへ入射した光のうちのＲ成分は、光電変換素子２１Ｂを透過し、Ｐ型層を進行した後、光電変換素子２１Ｒにて電荷に変換される。

イメージセンサ５０は、第１の実施形態と同様の構成を備えることで、第１の実施形態と同様、高い光利用効率による高感度な撮影、及び製造コストの低減が可能となる。イメージセンサ５０は、例えば、光電変換素子２１ＩＲで検出された信号を輝度情報として加算することで、低照度環境下における高感度化を可能とする。また、本実施形態によると、カラー撮影用のカメラと、ＩＲ光を使用する監視用カメラとを、一つのイメージセンサ５０の適用により実現できる。

仮に、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの四つの画素を平面上において２×２画素の配置として、画素配列の単位とした場合、イメージセンサ５０の全解像度に対してＧの解像度は２分の１となる。本実施形態のイメージセンサ５０は、各マイクロレンズ３０について各色成分の情報を取得することで、解像度の低下を抑制できる。

また、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの四つの画素を平面上において２×２画素の配置とする場合に、Ｒ、Ｇ、Ｂの信号に混入したＩＲの信号を除去するための減算処理を実施することがある。この場合の減算処理は、色再現性の低下、ＳＮＲの劣化を引き起こすことがある。本実施形態において、イメージセンサ５０は、このような減算処理を採用せず、ＩＲ成分とは分離されたＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を検出するため、良好な色再現性が得られ、かつＳＮＲの劣化を抑制できる。

イメージセンサ５０は、第１の実施形態の変形例にかかるイメージセンサ１２（図１０参照）と同様、Ｂ光及びＲ光を透過させ、かつＧ光を反射するダイクロイックミラーを適用する構成としても良い。

この場合、マイクロレンズ３０は、光電変換素子２１Ｒ及び２１Ｂの積層構造の位置を中心として配置される。ダイクロイックミラーは、光電変換素子２１Ｂの上方であって、層内レンズ３１から光電変換素子２１Ｂへ進行する光の光路に設けられる。ダイクロイックミラーは、Ｂ光及びＲ光を透過させ、かつＧ光及びＩＲ光を反射する。

反射ミラー２３は、光電変換素子２１Ｇの上方であって、ダイクロイックミラーで反射した光の光路に設けられる。反射ミラー２３は、ダイクロイックミラーで反射したＧ光及びＩＲ光を光電変換素子２１Ｇへ向けて反射する。かかる構成としても、イメージセンサ５０は、高い光利用効率による高感度な撮影、及び製造コストの低減が可能となる。

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。

１２、５０ イメージセンサ、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、２１ＩＲ 光電変換素子、２２、２７、５１ ダイクロイックミラー、２３ 反射ミラー、３０ マイクロレンズ。

Claims (8)

1. 第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子と、第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子と、第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子と、を少なくとも備える光電変換素子アレイと、
   前記第１色光用の光電変換素子を中心として光を集束させる集光光学素子と、
   前記集光光学素子から進行する光の光路に設けられ、入射した光のうち前記第１色光を透過させ、かつ前記第２色光及び前記第３色光を反射する色分離部と、を有し、
   前記第１色光、前記第２色光及び前記第３色光は、３つの原色光であって、
   前記色分離部は、前記集光光学素子及び前記第１色光用の光電変換素子の間において、前記集光光学素子から入射する光の主光線に対して入射面が傾けられて設けられ、
   前記第２色光用の光電変換素子及び前記第３色光用の光電変換素子は、前記第３色光用の光電変換素子より入射側に前記第２色光用の光電変換素子が積層された積層構造を構成し、
   前記第１色光用の光電変換素子と前記積層構造とは、前記光電変換素子アレイの行方向及び列方向のそれぞれにおいて交互に配置されており、
   前記集光光学素子は、前記第１色光用の光電変換素子と、前記第１色光用の光電変換素子に隣り合う前記積層構造の各一部分とを含む範囲に合わせて配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子と、第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子と、第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子と、を少なくとも備える光電変換素子アレイと、
   前記第２色光用の光電変換素子を中心として光を集束させる集光光学素子と、
   前記集光光学素子から進行する光の光路に設けられ、入射した光のうち前記第２色光及び前記第３色光を透過させ、かつ前記第１色光を反射する色分離部と、を有し、
   前記第１色光、前記第２色光及び前記第３色光は、３つの原色光であって、
   前記第２色光用の光電変換素子及び前記第３色光用の光電変換素子は、前記第３色光用の光電変換素子より入射側に前記第２色光用の光電変換素子が積層された積層構造を構成し、
   前記第１色光用の光電変換素子と前記積層構造とは、前記光電変換素子アレイの行方向及び列方向のそれぞれにおいて交互に配置されており、
   前記色分離部は、前記集光光学素子及び前記第２色光用の光電変換素子の間において、前記集光光学素子から入射する光の主光線に対して入射面が傾けられて設けられ、
   前記集光光学素子は、前記積層構造と、前記積層構造に隣り合う前記第１色光用の光電変換素子の各一部分とを含む範囲に合わせて配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 少なくとも第１色光、第２色光及び第３色光を分担して検出する光電変換素子を備える光電変換素子アレイと、
   前記第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子に光を集束させる集光光学素子と、
   前記集光光学素子から進行する光の光路に設けられ、入射した光のうち前記第１色光を透過させ、かつ前記第２色光及び前記第３色光を反射する色分離部と、を有し、
   前記第１色光、前記第２色光及び前記第３色光は、３つの原色光であって、
   前記色分離部は、前記集光光学素子及び前記第１色光用の光電変換素子の間において、前記集光光学素子から入射する光の主光線に対して入射面が傾けられて設けられ、
   前記第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子及び前記第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子は、前記第３色光用の光電変換素子より入射側に前記第２色光用の光電変換素子が積層された積層構造を構成し、
   前記光電変換素子アレイは、前記第１色光用の光電変換素子と前記積層構造とがアレイ状に配置されて構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 少なくとも第１色光、第２色光及び第３色光を分担して検出する光電変換素子を備える光電変換素子アレイと、
   前記第２色光を検出する第２色光用の光電変換素子に光を集束させる集光光学素子と、
   前記集光光学素子から進行する光の光路に設けられ、入射した光のうち前記第２色光及び前記第３色光を透過させ、かつ前記第１色光を反射する色分離部と、を有し、
   前記第１色光、前記第２色光及び前記第３色光は、３つの原色光であって、
   前記第２色光用の光電変換素子及び前記第３色光を検出する第３色光用の光電変換素子は、前記第３色光用の光電変換素子より入射側に前記第２色光用の光電変換素子が積層された積層構造を構成し、
   前記色分離部は、前記集光光学素子及び前記第２色光用の光電変換素子の間において、前記集光光学素子から入射する光の主光線に対して入射面が傾けられて設けられ、
   前記光電変換素子アレイは、前記第１色光を検出する第１色光用の光電変換素子と前記積層構造とがアレイ状に配置されて構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
5. 前記光電変換素子アレイは、さらに、赤外光を検出する赤外光用の光電変換素子を備え、
   前記第１色光用の光電変換素子及び前記赤外光用の光電変換素子は、前記赤外光用の光電変換素子より入射側に前記第１色光用の光電変換素子が積層された積層構造を構成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１色光が緑色光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
7. 前記色分離部で反射した前記第２色光及び前記第３色光を、前記第２色光用の光電変換素子へ向けて反射する反射部を有することを特徴とする請求項１又は３に記載の固体撮像装置。
8. 前記色分離部で反射した前記第１色光を、前記第１色光用の光電変換素子へ向けて反射する反射部を有することを特徴とする請求項２又は４に記載の固体撮像装置。

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