JP6444066B2 - 光電変換装置および撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、導光部を有する光電変換装置に関する。

複数の光電変換部を用いて、位相差方式により焦点検出を行う光電変換装置が知られている。また、１つの画素が複数の光電変換部を有する構成は、焦点検出のみならず、転送効率の向上による高速化やダイナミックレンジ拡大等、撮像システムの性能向上に有利な点が多い。

特許文献１には２つのフォトダイオードの有効受光領域を囲む間隙を層間膜に設ける形態が開示されている。また、特許文献１には２つのフォトダイオードの有効受光領域を囲む間隙に加えて、フォトダイオード間の分割線に沿った間隙を層間膜に設ける形態が開示されている。

特開２００９−１５８８００号公報

特許文献１の形態では、感度が低下してしまう上、２つのフォトダイオードへ精度よく光を振り分けることができないという課題がある。

上記課題を解決するための手段は、受光素子を有する光電変換装置であって、前記受光素子は、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の間に位置する分離部と、少なくとも１つの絶縁層を含む絶縁膜で囲まれ、前記複数の光電変換部の上に跨って設けられた導光部と、を有し、前記導光部は、前記絶縁層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部と、前記絶縁層の屈折率よりも高く前記高屈折率部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部とを含み、前記高屈折率部は前記複数の光電変換部の各々の上に位置し、前記低屈折率部は前記分離部の上に位置していることを特徴とする。

本発明によれば、高感度を達成しつつ、複数の光電変換部への光の振り分けの精度を向上することができる。

光電変換装置を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 光電変換装置を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 受光素子を例示する模式図。 撮像システムを例示する模式図。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に説明する形態は、発明の一つの実施形態であって、これに限定されるものではない。なお、以下の説明および図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そして、共通する構成を複数の図面を相互に参照して説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。また、以下に説明しない事項に関しては、適当な技術を適用することができる。

図１（ａ）に画素増幅型のイメージセンサーとしての光電変換装置１０の概略を示す。図１（ａ）に示した光電変換装置１０は、１点鎖線で囲んだ領域である受光領域２１と、１点鎖線と２点鎖線の間の領域であり、受光領域２１の周辺の周辺領域２２とを有する。受光領域２１には、複数の受光素子１が行列状あるいは列状に配列されている。受光領域２１を撮像領域や画素領域と呼ぶこともできる。互いに隣り合う受光素子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い。

周辺領域２２には垂直走査回路２６と、２つの読み出し回路２３と、２つの水平走査回路２４と、２つの出力アンプ２５を含む周辺回路２２が設けられている。周辺領域２２の読み出し回路２３は、例えば、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路等で構成される。読み出し回路２３は、垂直走査回路２６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２４は、読み出し回路２３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２５は、水平走査回路２４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２３と水平走査回路２４と出力アンプ２５とは、２系統の出力経路を構成し、受光領域２１を挟んで上下に１つずつ配置されているが、この構成に限ったものではない。

図１（ｂ）は受光素子１の一例を表す平面模式図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ｂ線における受光素子１の断面模式図である。単数の受光素子１は、半導体からなる基板１００の内部に設けられた複数の光電変換部１０１、１０２を備えている。複数の光電変換部１０１、１０２の間には両者の信号電荷を分離するための分離部１０９が設けられる。分離部１０９はＬＯＣＯＳやＳＴＩなどの絶縁体による絶縁分離でなされていてもよいし、光電変換部１０１、１０２の蓄積領域とは反対の導電型の半導体領域による接合分離でなされていてもよい。本例では接合分離を採用している。分離部１０９の分離性能は不完全であってもよく、複数の光電変換部１０１、１０２のどちらで生成された信号電荷が多いかを判別できる程度の分離性能があればよい。そのため、光電変換部１０１で生成れた信号電荷の一部が、光電変換部１０２で生成された信号電荷として検出部で検出されることは許容されうる。

複数の受光素子１の各々の光電変換部１０１、１０２は、共通の基板１００内に、撮像面となる基板１００の主面に沿って配列されている。撮像面の一部が光電変換部１０１、１０２の受光面に一致する。撮像面あるいは受光面に平行で２つの光電変換部１０１、１０２が分離部１０９を介して並ぶ方向をＸ方向とする。２つの光電変換部１０１、１０２が並ぶ方向は、光電変換部１０１を平面視した際の幾何学的重心Ｇ１と、光電変換部１０２を平面視した際の幾何学的重心Ｇ２とを結ぶ直線に平行な方向として定義できる。また、撮像面と平行で、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、撮像面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に直交する。典型的には、Ｘ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（１行が延在する方向）および列方向（１列が延在する方向）の一方で有り得る。また、典型的には、Ｙ方向は、受光領域２１において行列状に配列された受光素子１の行方向（行に沿った方向）および列方向（列に沿った方向）の他方で有り得る。

本例の光電変換部１０１、１０２は基板１００の内部に、不純物を導入することによって形成されたフォトダイオードである。フォトダイオードとしての光電変換部１０１、１０２は信号電荷を多数キャリアとし、信号電荷を蓄積する第１導電型の半導体領域（蓄積領域）と、第２導電型の半導体領域とのＰＮ接合によって形成される。光電変換部１０１、１０２の別の例としては、フォトゲートであってもよいし、ガラス等の絶縁体からなる基板の上にＭＩＳ型構造あるいはＰＩＮ型構造を有する半導体薄膜として形成されていてもよい。光電変換装置１０の受光領域２１には、受光素子１以外に、光電変換部１０１を１つだけ備える受光素子を含んでいても良い。

光電変換部１０１で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０３を介して検出部１０５へ転送され、光電変換部１０２で得られた信号電荷は、ＭＯＳ構造を有する転送ゲート１０４を介して検出部１０６へ転送される。検出部１０５、１０６は例えば一定の静電容量を有する浮遊拡散部を含み、信号電荷の量を電圧に変換することで電荷量を検出することができる。検出部１０５、１０６は増幅トランジスタ１０７、リセットトランジスタ１０８にそれぞれ接続されている。ここでは、光電変換部１０１、１０２毎に検出部１０５、１０６を設けて、別々の光電変換部１０１、１０２からパラレルに信号電荷を転送する構成を示した。しかし、別々の光電変換部１０１、１０２から別々の転送ゲート１０３、１０４を用いてシリアルに信号電荷を転送する場合は、共通の検出部を用いることもできる。

受光素子１を、図１（ａ）で示した光電変換装置１０の受光領域２１に複数配置することで、位相差検出方式によって撮像領域内にて焦点検出（ＡＦ）を可能としている。さらに位相差検出方法を用いて距離測定を行う撮像システム（カメラ）へ応用することができる。また、受光素子１から出力される複数の光電変換部１０１、１０２の少なくとも一方の信号を撮像信号として用いて、撮像も行うことができる。例えば、光電変換部１０１、１０２の信号を合算して、撮像信号とすることができる。このように光電変換部１０１、１０２の信号を焦点検出と撮像の双方に利用することで、本実施形態の光電変換装置１０は、いわゆる像面位相差ＡＦを実現することができる。

基板１００の上には、絶縁膜１１０が設けられている。絶縁膜１１０は透明でありうる。絶縁膜１１０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１１０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。絶縁膜１１０のある絶縁層は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。また、ある絶縁層はＢＰＳＧ（硼燐珪酸塩ガラス）、ＰＳＧ（燐珪酸塩ガラス）、ＢＳＧ（硼珪酸塩ガラス）などの珪酸塩ガラスでも良い。また、絶縁膜１１０を構成する多層膜のうちある絶縁層は、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）または、炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる場合もある。絶縁膜１１０の内部には配線１２０を設けてもよい。配線１２０は、複数の配線層がプラグを介して接続された多層配線であってもよい。図１（ｂ）には、配線１２０を２層とした例を示したが、３層以上の多層配線としてもよい。配線１２０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。

受光素子１は少なくとも１つの導光部１１１を有し、単数の導光部１１１が複数の光電変換部１０１、１０２の上に跨って設けられている。導光部１１１は、導光部１１１に入射した光を導光部１１１内に閉じ込めて、光電変換部１０１、１０２まで伝搬させる機能を有する。

導光部１１１は絶縁膜１１０で囲まれている。つまり、ＸＹ面内において導光部１１１の周囲に絶縁膜１１０が位置する。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率と異ならせることで、導光部１１１と絶縁膜１１０の界面での反射により、導光部１１１に入射した光を光電変換部１０１、１０２へ導くことができる。導光部１１１の屈折率を絶縁膜１１０の屈折率より高くすることで、全反射を生じさせることができるため、反射効率を向上することができる。

導光部１１１の材料は、有機材料（樹脂）でもよいし、無機材料でもよい。樹脂としては、シロキサン系樹脂やポリイミド系樹脂等が挙げられる。無機材料としては、窒化シリコン（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ）、酸窒化シリコン（Ｓｉ_ＸＯ_ＹＮ_Ｚ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適である。導光部１１１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。

導光部１１１、絶縁膜１１０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。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、組成比や、材料の密度や空隙率が変化するため、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、実効的な屈折率を樹脂のみの場合よりも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。

受光素子１の他の構成について説明するが、これらは適宜変更することができる。導光部１１１および絶縁膜１１０の上に渡って高屈折率膜１１３が設けられている。高屈折率膜１１３は絶縁膜１１０の屈折率よりも高い屈折率を有している。高屈折率膜１１３は導光部１１１と同じ材料で構成することもできる。その場合、高屈折率膜１１３と導光部１１１の境界が、絶縁膜１１０の上面の高さと同じ高さに位置するとみなすことができる。

高屈折率膜１１３の上には低屈折率膜１１４を挟んで層内レンズ１１５が設けられている。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５及び高屈折率膜１１３（あるいは導光部１１１）の少なくとも一方よりも低い屈折率を有する。低屈折率膜１１４は層内レンズ１１５と導光部１１１との距離を調節する機能、平坦化の機能、光の屈折による集光機能の少なくともいずれかを有し得る。層内レンズ１１５の上には平坦化膜１１６を介して波長選択部１１７が設けられている。波長選択部１１７はカラーフィルタやダイクロイックミラーであり、ベイヤー配列などに従って、受光領域２１の受光素子１毎に異なる波長透過特性を有している。波長選択部１１７の上にはマイクロレンズとして形成された集光部１１８が設けられている。複数の光電変換部１０１、１０２に、単数の導光部１１１、単数の層内レンズ１１５、単数の波長選択部１１７、単数の集光部１１８が対応する。なお、以下の説明では、「絶縁膜１１０の屈折率」を絶縁膜１１０の或る絶縁層の屈折率として説明する。また「導光部１１１の屈折率」を導光部１１１の或る部分を成す材料の屈折率として説明する。導光部１１１の或る部分の屈折率は、絶縁膜１１０のある絶縁層の屈折率より高い。ただし、絶縁膜１１０は導光部１１１の或る部分の屈折率よりも高い屈折率を有する絶縁層を含みうる。絶縁膜１１０の大部分が導光部１１１の大部分の屈折率よりも高いことが好ましい。導光部１１１の或る部分の屈折率よりも高い屈折率を有する絶縁層は導光部１１１の或る部分の屈折率よりも低い屈折率を有する絶縁層よりも薄いことが好ましい。

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１０１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。光電変換部で最も多く光電変換される光の波長を基準にすることが好ましい。光電変換装置１０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、特に主透過波長を用いることがより好ましい。特に、５５０ｎｍ付近にピークを有する緑色のカラーフィルタを有する受光素子１を基準にすることが好ましい。なお、波長選択部の選択性は不完全であってもよい。つまり、波長選択部にて選択された波長の透過率は１００％未満であってよいし、波長選択部にて選択されない波長の透過率は０％でなくてもよい。

図２（ａ）を用いて、導光部１１１の形状について詳細に説明する。図２（ａ）において［ＸＺ］と示したのはＸＺ面における受光素子１の断面図、［ＹＺ］と示したのはＹＺ面における受光素子１の断面図である。［ＸＹ１］と示したのは、Ｚ方向の位置（高さ）Ｚ１でのＸＹ面における受光素子１の断面図であり、［ＸＹ３］と示したのは、Ｚ方向の位置（高さ）Ｚ３でのＸＹ面における受光素子１の断面図である。ただし、ＸＹ面における断面図［ＸＹ１］、［ＸＹ２］では便宜的に光電変換部１０１、１０２および分離部１０９の位置を導光部１１１に重ねて示してある。Ｘ方向は上述したように複数の光電変換部１０１、１０２が並ぶ方向である。位置Ｚ２は、例えば導光部１１１のＺ方向における長さの半分の位置であり、例えば位置Ｚ２は第１配線層と第２配線層の間の位置である。位置Ｚ１は位置Ｚ２よりも基板１００から遠く、位置Ｚ３は位置Ｚ２よりも基板１００に近い。

本実施形態の導光部１１１は、その内部に屈折率分布を有している。つまり、導光部１１１は、互いに屈折率が異なる複数の部分として、低屈折率部１２１と高屈折率部１２２を有している。低屈折率部１２１の屈折率は高屈折率部１２２の屈折率よりも低い。導光部１１１によって導かれる光に対する感度を向上するために、低屈折率部１２１および高屈折率部１２２の双方の屈折率が絶縁膜１１０の屈折率よりも高くなっている。図２（ａ）では導光部１１１はＸ方向およびＹ方向において並ぶ低屈折率部１２１と高屈折率部１２２を有している。Ｘ方向において、高屈折率部１２２が低屈折率部１２１の−Ｘ側と＋Ｘ側に位置している。つまり、Ｘ方向において、低屈折率部１２１が高屈折率部１２２に挟まれた形態となっている。低屈折率部１２１はその少なくとも一部が分離部１０９の上に位置し、高屈折率部１２２はその少なくとも一部が光電変換部１０１、１０２の各々の上に位置する。導光部１１１の屈折率分布を評価するための、基板１００に平行な面（ＸＹ面）は、導光部１１１を貫く平面であれば、Ｚ方向のどの位置（高さ）における面であってもよい。導光部１１１を横切る３つのＸＹ面のうち、位置Ｚ２よりも基板１００からより遠く、光が入射する側のＸＹ面の位置がＺ１であり、位置Ｚ２よりも基板１００に近く、光が出射する側のＸＹ面の位置がＺ３である。

低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の材料は異なる材料で構成しても良く、同じ材料で構成しても良い。材料は、有機材料（樹脂）でもよく、無機材料でもよい。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_３Ｎ４）、酸窒化シリコン（Ｓｉ_ＸＯ_ＹＮ_Ｚ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）が好適である。例えば、低屈折率部１２１を樹脂で、高屈折率部１２２を窒化シリコンで構成することができる。また、低屈折率部１２１および高屈折率部１２２の双方を窒化シリコンで構成することができる。その場合、例えば、高屈折率部１２２の窒化シリコンの密度を、低屈折率部１２１の窒化シリコンの密度よりも高くすることで、所望の屈折率分布を得ることができる。あるいは、高屈折率部１２２の窒素に対するシリコンの組成比（Ｓｉ／Ｎ）を、低屈折率部１２１の窒素に対するシリコンの組成比（Ｓｉ／Ｎ）よりも大きくすることで、所望の屈折率分布を得ることができる。

なお、「同じ材料」とは、化学量論的な観点での組成（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、化学量論的組成に一致しない組成を示す材料や、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、窒化シリコンにおけるシリコンと窒素の化学量論的組成比はＳｉ：Ｎ＝３：４であるが、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。このような同じ材料としての窒化シリコンは、化学量論的組成に一致する組成を示す窒化シリコンと同じＳｉ−Ｎ結合を有するからである。

屈折率分布を有する導光部１１１をＳＥＭやＴＥＭ等の画像で観察すると、低屈折率部１２１と高屈折率部１２２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、導光部１１１１の中心軸から絶縁膜１１０へ向かって、屈折率が緩やかに変化している場合には、低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の境界は明確に観察できない可能性がある。このような場合には、次のようにして、低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の境界を決めることができる。すなわち、導光部１１１中の屈折率の最高値と最低値の中間値（（最高値＋最低値）／２）を求める。そして、導光部１１１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、低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の境界に定めることができる。また、導光部１１１中の屈折率の最高値と最低値の中間値を導光部１１１の平均的な屈折率（平均屈折率）として、上記中間値を導光部１１１の屈折率とみなすことができる。高屈折率部１２２の屈折率が低屈折率部１２１の屈折率よりも高い場合、低屈折率部１２１は屈折率が最小である部分を含み、高屈折率部１２２は屈折率が最大である部分を含む。

実用的には、導光部１１１の低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の屈折率は１．６以上であることが好ましい。また、上記屈折率分布における、屈折率の最高値と最低値との差は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。低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の屈折率の比（最高値／最低値）が１．０２５倍以上であることが好ましい。なお、典型的には、屈折率の最高値と最低値との比（最高値／最低値）は、実用的に１．２５倍以下である。当然、低屈折率部１２１は屈折率が最小である部分を含み、高屈折率部１２２は屈折率が最大である部分を含む。絶縁膜１１０の屈折率と低屈折率部１２１の屈折率との差が、低屈折率部１２１の屈折率と高屈折率部１２２の屈折率との差よりも大きいことが、導光部１１１としての導光機能を果たしつつ、光の振り分け精度を向上する上で好ましい。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の形態において斜めの角度（矢印）から導光部１１１へ入射した光Ｌが、導光部１１１内を伝搬する様子を示す。図２（ｂ）の［ＸＺ］、［ＹＺ］では、位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３における電場強度分布を点線で示している。また、図２（ｂ）の［ＸＹ１］、［ＸＹ３］では、位置Ｚ１、Ｚ３における電場強度の等高線を示している。図２（ｂ）の電場強度分布のモデルとなる光導波路構造は、例として、導光部１１１の低屈折率部１２１の屈折率を１．８２、高屈折率部１２２の屈折率を１．９０、絶縁膜１１０の屈折率を１．４６としている。また、Ｚ１におけるＸ方向およびＹ方向における導光部１１１の最大幅を１．６ｕｍ、Ｚ３におけるＸ方向およびＹ方向における導光部１１１の最大幅を１．２５ｕｍとしている。また、Ｚ１における高屈折率部１２２の幅ＴＨ１（低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の境界と、絶縁膜１１０との間隔は、０．３ｕｍとしている。ただし、上述した屈折率分布を満足することで、この条件に限らず同様の電場強度分布を得ることができる。

波動光学的には、導光部１１１に入射した光の電場強度分布は波打ちながら伝搬する。ここで、電場強度の大きいところが、確率的に光が多く存在していることを表している。このとき、導光部１１１を伝搬する光の形状（電場強度分布の形状）は、導光部１１１の形状と屈折率に依存する。そして、屈折率が高い領域に光は集中しやすいと考えることができる。導光部１１１の低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の屈折率は、絶縁膜１１０の屈折率より高いため、導光部１１１に光を閉じ込めながら基板１００まで伝搬することができる。また、本実施形態の導光部１１１内部の屈折率分布は、Ｘ方向において、導光部１１１の中心付近の低屈折率部１２１より、中心付近よりも−Ｘ側あるいは＋Ｘ側の側壁付近の高屈折率部１２２付近の方が屈折率が大きい構成となっている。そのため、光は導光部１１１の側壁付近を伝搬しやすくなっている。

このとき、図２（ｂ）の［ＸＺ］に示すように＋Ｘ方向と−Ｚ方向のベクトルをもつ入射光Ｌが入射した際、導光部１１１の入口付近であるＺ方向の位置Ｚ１付近において、＋Ｘ側に偏った光となる。導光部１１１の入口付近の位置Ｚ１でＸ側に偏った光は、導光部１１１の出口付近の位置Ｚ３までＸ方向に偏った形状の光として伝搬する。さらに、２つの光電変換部１０１、１０２それぞれの上方に、高屈折率部１２２が位置しているが、それらの間には低屈折率部１２１が位置するため、＋Ｘ側に偏った光は−Ｘ側に広がることが抑制されて、＋Ｘ側に位置する光電変換部１０２へ入射しやすくなる。同様に、−Ｘ方向と−Ｚ方向のベクトルをもつ角度からの入射光（不図示）の場合、その多くは−Ｘ側に位置する光電変換部１０１へ入射しやすくなる。このように、Ｘ方向に並んだ光電変換部１０１、１０２に、光が精度良く振り分けられる。

ここで比較のため、図３（ａ）に導光部１１１の屈折率が均一である場合を示す。この場合、導光部１１１を伝搬する光は、図３（ａ）の［ＸＹ３］に示すように、導光部１１１の中心方向にも広がりやすくなり、導光部１１１が屈折率分布を有する場合に比べてＸ方向での偏りが小さくなる。そのため、Ｘ方向に並んだ光電変換部１０１、１０２の分離部１０９近傍へ入射する光の量が増え、光Ｌを精度良く振り分けることができなくなってしまう。例えば、＋Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度から入射する光Ｌは、光電変換部１０１にも光電変換部１０２にも大差なく入射してしまう。そのため、このように、光電変換部１０１と光電変換部１０２とへ適切に光Ｌを振り分けることができない。

さらなる比較のために、図３（ｂ）を用いて、導光部２１１の内部に絶縁膜２１０の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率部２２０を形成した場合を説明する。低屈折率部２２０は例えば絶縁膜２１０と同じ材料や、エアロゲル、気体あるいは真空空間で構成される。低屈折率部２２０を形成して、光を反射させる構成の場合、２つの光電変換部に入射光を振り分けることは可能である。しかし、感度低下の課題が生じる。低屈折率部２２０は現実的なある程度の幅を持つため、導光部２１１に入射した入射光の多くが低屈折率部２２０の上部で反射され、感度が低下してしまう。低屈折率部２２０を設けた場合において、入口（上部）で入射光が、波動光学的に反射する要因を説明する。図３（ｂ）において、例えば、絶縁膜２１０の屈折率が１．５、高屈折率部２２２の屈折率が１．９、低屈折率部２２０の屈折率が１．０であるとする。図３（ｂ）では、低屈折率部２２０を設けた導光部２１１の入口の中心付近に、電場振幅Ｅ１で示された入射光が集光されている。入射光が導光部２１１を伝搬する光に結合する効率は、導光部２１１を伝搬する光の導波モードＭＧ２の形状と、入射光の電場振幅の形状（電場振幅Ｅ１）の重なり分ＥＴ２で決まる（図３（ｂ）の右図）。光は屈折率が高いところに集中して伝搬する。低屈折率部２２０を設けた導光部２１１の場合、低屈折率部２２０を設けたところに光が存在する確率が低くなり、図３（ｂ）の右図のように導光部２１１の中心付近の強度が小さい導波モードになる。このとき、入射光の電場振幅Ｅ１との重なりＥＴが小さくなり、結合効率が悪くなる。導光部２１１において結合しない光は、反射され損失となる。

それに対し、本実施形態の導光部１１１の場合を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）において、例えば、絶縁膜１１０の屈折率が１．５、低屈折率部１２１の屈折率が１．８、高屈折率部１２２の屈折率が１．９であるとする。図３（ｃ）の導波モードＭＧ１は、導光部１１１を伝搬する光がとり得る導波モードである。導光部１１１の導波モードＭＧ１は図３（ｃ）の右図のようになる。このとき、入射光と導波路モードの重なり分ＥＴ１は、図３（ｂ）における重なり分ＥＴ２に比べ大きくなる。その結果、超低屈折率部２２０を設けた導光部２１１に比べ、本実施形態の導光部１１１の方が、反射による感度低下を抑制できる。実質的には、低屈折率部１２１、高屈折率部１２２の屈折率の最高値と最低値との比（最高値／最低値）は、１．２５倍以下である。当然、低屈折率部１２１は屈折率が最小である部分を含み、高屈折率部１２２は屈折率が最大である部分を含む。このとき、感度を向上させながら、光電変換部１０１へ効率良く振り分けることが可能となる。

図２の形態についてさらに説明する。本例の導光部１１１のＸＺ面、ＹＺ面における断面はテーパー形状となっており、ＸＹ面における断面の大きさは、基板１００から光が入射する側の方向（＋Ｚ方向）へ向かって徐々に大きくなる形状である。入射光が入る導光部１１１の入口を広げる構成とすることで、入射光を多く取り込むことが可能となる。また、基板１００側の導光部１１１の断面の大きさを小さくすることで、基板１００の表面近傍に形成されている転送トランジスタなどで、光が損失される割合を減らすことが可能となる。その結果、更に感度を向上しながら、複数の光電変換部１０１、１０２に効率良く光を振り分けることができる。例えば、Ｚ１における導光部１１１の径は０．３ｕｍ〜１０ｕｍ、Ｚ３における導光部１１１の径さは０．２５〜９．５ｕｍである。

導光部１１１の径ＷＺは、次のようにすることが好ましい。すなわち、波長λにおける導光部１１１の平均屈折率をｎ_ａ、絶縁膜１１０の屈折率をｎ０、有効屈折率差をｎ_ｅａとして、ＷＺ≧λ／２ｎ_ｅａとすることが好ましい。この条件を満たすことで、導光部１１１において存在し得るモードの数を多くすることができるからである。ここで、有効屈折率差ｎ_ｅａは式１で表される。

このようにＷＺ≧λ／２√（ｎ_ａ ^２−ｎ_０ ^２）という条件を満たすことで、導光部１１１において存在し得るモードの数を多くすることができるからである。導光部１１１がこのような幅ＷＺを満たす部分は、導光部１１１の入口付近の位置Ｚ１に存在していることが好ましい。導光部１１１の出口付近の位置Ｚ３では、導光部１１１はこのような関係を満たす幅になっていなくてもよい。また、上記幅の関係は、Ｙ方向における幅に関してのみ成立してもよいが、少なくともＸ方向における幅に関して成立していることが好ましい。

低屈折率部１２１の幅と高屈折率部１２２の幅の少なくとも一方は、Ｚ方向の位置によって異なっていてもよい。図２（ａ）の［ＸＹ１］に示す様に、位置Ｚ１ではＸ方向における低屈折率部１２１の幅がＷＸ１１、高屈折率部１２２の幅がＷＸ１２である。これに対して、図７の［ＸＹ３］に示す様に、位置Ｚ３ではＸ方向における低屈折率部１２１の幅がＷＸ３１、高屈折率部１２２の幅がＷＸ３２である。そして、ＷＸ１１＜ＷＸ３１、ＷＸ１２＞ＷＸ３２の関係がなりなっている。図７の［ＸＹ１］に示す様に、位置Ｚ１ではＹ方向における低屈折率部１２１の幅がＷＹ１１、高屈折率部１２２の幅がＷＸＹ２である。これに対して、図７の［ＸＹ３］に示す様に、位置Ｚ３ではＹ方向における低屈折率部１２１の幅がＷＹ３１、高屈折率部１２２の幅がＷＹ３２である。そして、ＷＹ１１＜ＷＹ３１、ＷＹ１２＞ＷＹ３２の関係がなりなっている。図７の例では、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれにおいても、低屈折率部１２１の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど連続的に大きくなっている。また、高屈折率部１２２の幅が光電変換部１０１、１０２に近づくほど連続的に小さくなっている。しかし、段階的に、低屈折率部１２１や高屈折率部１２２の幅が変化していてもよい。

導光部１１１の高屈折率部１２２の幅ＴＨ（低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の境界と、絶縁膜１１０との間隔）は、次のようにすることが好ましい。すなわち、波長λにおける導光部１１１の高屈折率部の屈折率をｎ_２、絶縁膜１１０の屈折率をｎ_０、有効屈折率差をｎ_ｅｈとして、ＴＨ≧λ／４ｎ_ｅｈ、さらには、ＴＨ≧λ／２ｎ_ｅｈとすることが好ましい。ここで、有効屈折率差ｎ_ｅは式２で表される。

このように、ＴＨ≧λ／４√（ｎ_２ ^２−ｎ_０ ^２）という条件を満たすことで、高屈折率部１２２において存在し得るモードの数を多くすることができるからである。高屈折率部１２２がこのような幅ＴＨを満たす部分は、導光部１１１の入口付近の位置Ｚ１に存在していることが好ましい。導光部１１１の出口付近の位置Ｚ３では、高屈折率部１２２はこのような関係を満たす幅になっていなくてもよい。また、上記幅はＸ方向における幅であることが好ましい。

ＸＺ面における低屈折率部１２１と高屈折率部１２２の屈折率分布の形状は、図２（ａ）の形状に限ったものではない。Ｘ方向において、高屈折率部１２２、低屈折率部１２１、高屈折率部１２２の順に並ぶ領域があれば、上記で示した理由によりＸ方向に光が偏り、２つの光電変換部１０１、１０２に効率良く光を振り分けることができる。Ｚ方向の或る位置で上述した屈折率分布が成り立っているが、Ｚ方向の別の位置におけるＸＹ面内で、屈折率が均一であってもよい。図２（ａ）に示したような＋Ｘ方向と−Ｚ方向のベクトルをもつ入射光Ｌが入射した際、導光部１１１の入口付近で、Ｘ方向に光が偏る。導光部１１１の入口付近でＸ方向に偏った光は、基板１００までＸ方向に偏った形状の光が伝搬する。波動光学的には、高屈折率部１２２において、０次や２次などの偶モードに加え、１次や３次などの奇モードと多く結合し伝搬する。そのため、Ｘ方向に偏った光となる。ここで奇モードとは、ＸＺ面においてＺ方向に平行で、導光部１１１の中心を通る軸に対し、奇関数の電場振幅の形状をもつ導波モードのことをいい、偶関数の場合は偶モードという。奇モードは、導光部１１１内を奇モードのまま伝搬する。そのため、出口付近で導光部１１１の屈折率が均一であっても、Ｘ方向に偏った光となる。また、導光部１１１の入口付近で屈折率が均一であっても、Ｚ方向の途中の位置から基板１００までの間において、Ｘ方向に高屈折率部１２２、低屈折率部１２１、高屈折率部１２２の順に並ぶ領域があるため、Ｘ方向に偏った光となる。その結果、感度を向上しながら光電変換部１０１へ効率良く振り分けることができる。

図４（ａ）〜（ｊ）を用いて、導光部１１１が有する屈折率分布の例を示す。図４（ａ）の形態では高屈折率部１２２が、Ｚ方向の下部において、低屈折率部１２１と光電変換部１０１、１０２の間に位置しており、導光部１１１の下面（光の出射面）は全て高屈折率部１２２で構成されている。図４（ｂ）の形態では高屈折率部１２２は導光部１１１の下端まで延在せず、導光部１１１の下部は高屈折率部１２２のみで構成されている。図４（ｃ）の形態では、低屈折率部１２１の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど小さくなっている。また、高屈折率部１２２の幅は一定である。図４（ｄ）の形態では、高屈折率部１２２の幅が光電変換部１０１、１０２に近づくほど大きくなっている。図４（ｅ）の形態では、低屈折率部１２１が、Ｚ方向の上部において、高屈折率部１２２と光電変換部１０１、１０２の間に位置しており、導光部１１１の上面（光の入射面）は全て高屈折率部１２２で構成されている。図４（ｆ）の形態では導光部１１１の上面（光の入射面）は全て高屈折率部１２２で構成されている。図４（ｇ）の形態では導光部１１１の下面（光の出射面）は全て低屈折率部１２１で構成されている。図４（ｇ）の形態では、低屈折率部１２１の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど大きくなっており、高屈折率部１２２の幅は光電変換部１０１、１０２に近づくほど小さくなっている。図４（ｈ）の形態では導光部１１１の下面（光の入射面）は全て低屈折率部１２１で構成されている。図４（ｉ）の形態では、導光部１１１の下部は全て高屈折率部１２２で構成されている。図４（ｊ）の形態では、導光部１１１の下部と上部は全て高屈折率部１２２で構成されている。

なお、図４では、導光部１１１の幅が光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて小さくなる形態を説明したが、導光部１１１の幅はＺ方向の位置によらず一定でもよいし、光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて大きくなってもよい。また、光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて大きくなる場合、低屈折率部１２１および高屈折率部１２２の双方の幅が光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて大きくなってもよい。

図５（ａ）〜（ｏ）は、ＸＹ面の任意の位置Ｚにおける導光部１１１の断面形状の例を示している。Ｚ方向の或る位置のＸＹ面では、導光部１１１の形状は非回転対称であってもよい。Ｚ方向の全ての位置のＸＹ面で、導光部１１１の形状が非回転対称であってもよい。図５（ａ）に示すように、導光部１１１の断面形状は楕円形であってもよい。図５（ｂ）に示すように、導光部１１１の断面形状の長手方向が、複数の光電変換部が並ぶ方向（Ｘ方向）に対して傾いていてもよい。図５（ｃ）に示すように、導光部１１１のうち、分離部１０９ではなく光電変換部１０１、１０２の上に位置する部分は、Ｙ方向における最大幅がＸ方向における最大幅以上であってもよい。図５（ｄ）に示すように、導光部１１１は複数の導光部を合体させたような形状を呈していてもよい。図５（ｅ）に示すように、導光部１１１の断面形状は、多角形であってもよい。例えば、光が入射する側の或る位置（例えばＺ１）のＸＹ面のでは図５（ａ）の形状で、基板１００側の別の位置（例えばＺ３）のＸＹ面では図５（ｄ）の形状となっても良い。

図５（ｆ）〜（ｊ）に示すように、導光部１１１は、Ｚ方向における或る位置において、ＸＹ面における断面Ｙ方向における最大幅が、Ｘ方向における最大幅以上となるような断面形状を有していてもよい。具体的には、図５（ｆ）に示すように、導光部１１１の断面形状が円形であってもよい。図５（ｇ）に示すように、導光部１１１の断面形状が、Ｘ方向よりもＹ方向における最大幅が大きい角丸四辺形であってもよい。図５（ｈ）に示すように、導光部１１１の断面形状が十字形であってもよい。図５（ｉ）に示すように、各々が複数の光電変換部１０１、１０２を跨がない、複数の導光部１１２１、１１２２を有していてもよい。Ｚ方向の或る位置（例えばＺ１）における断面では図５（ｄ）のようであり、別の位置（例えばＺ３）における断面では図５（ｉ）のような断面を有していてもよい。図５（ｊ）に示すように、導光部１１１の断面形状が正方形でもよい。例えばＺ方向の或る位置における断面では図５（ｅ）のようであり、別の位置における断面では図５（ｆ）のような断面を有していてもよい。その場合、図５（ｅ）と図５（ｆ）のようにＹ方向における最大幅が、Ｚ方向における高さによらず一定であってもよい。

図５（ｋ）に示すように、３つ以上の光電変換部１０１、１０２１、１０２２に跨って、単数の導光部１１１を設けてもよい。図５（ｌ）に示すように、各々が複数の光電変換部１０１、１０２に跨って配された複数の導光部１１１１、１１１２を１つの受光素子１に設けてもよい。図５（ｍ）に示すように、４つ以上の光電変換部１０１１、１０２１、１０１２、１０２２に跨って、単数の導光部１１１を設けてもよい。この場合、４つの光電変換部から選ばれる２つの光電変換部の組み合わせは６通りが考えられる。しかしこの６通りの組み合わせの全てにおいて、光電変換部が並ぶ方向における導光部１１１の最大幅が、並ぶ方向に直交する方向における導光部１１１の最大幅よりも大きいという関係を満たす必要はない。

１つの受光素子１が４つの光電変換部を有している場合、行方向に並ぶ光電変換部に振り分けることを重視すると、導光部１１１の断面は、行方向の最大幅が、列方向の最大幅より大きい形状とすれば良い。また、列方向に並ぶ光電変換部に振り分けることを重視する場合には、導光部１１１の断面は、行方向の最大幅が、列方向の最大幅より大きい形状とすれば良い。

図５（ｎ）に示すように、２つの光電変換部１０１１、１０２１に跨って配された導光部１１１１と、２つの光電変換部１０１２、１０２２に跨って配された導光部１１１２と、を１つの受光素子１が備える形態でもよい。図５（ｏ）に示すように、受光素子１は複数の光電変換部１０１１、１０２１に跨って配された単数の導光部１１１を有している。それに加えて、単数の光電変換部１０１２にのみ配された単数の導光部１１２１と、単数の光電変換部１０２２にのみ配された単数の導光部１１２２を有している。

図５（ｐ）に示すように、光電変換部１０１、１０２から検出部１０５、１０６への転送方向は非平行であってもよい。図５（ｑ）に示すように、光電変換部１０１、１０２から検出部１０５、１０６への転送の向きは互いに逆であってもよい。図５（ｒ）に示すように、単数の転送ゲート１０３を複数の光電変換部１０１、１０２および対応する複数の検出部１０５、１０６に対して共通に設けてもよい。図５（ｓ）に示すように、単数の検出部１０５を複数の光電変換部１０１、１０２および対応する複数の転送ゲート１０３、１０４に対して共通に設けてもよい。

本例のように導光部１１１の上方（＋Ｚ側）に、集光部１１８を配置する場合、光電変換装置１０の受光領域の周辺付近では、集光部１１８の光軸を分離部１０９に対してずらす構成としても良い。その例を図６に示す。図６の［０］は受光領域２１を示している。図６の［１］、［２］、［３］はそれぞれ、受光領域２１の、上下左右の中央付近、上下の中央で右端付近、対角方向の端付近における、集光部１１８と導光部１１１と光電変換部１０１、１０２の位置関係を示している。光電変換装置１０の中央付近から周辺付近へ向かって、入射する光Ｌの角度は斜めになっていく。集光部１１８の配列を光電変換装置１０の中心方向に向かって徐々にずらす構成とすることで、光電変換装置１０の中央付近から周辺付近の全ての領域で、感度を向上することができる。また、更に精度良く２つの光電変換部１０１、１０２それぞれに振り分けることも可能となる。焦点検出性能を有する固体撮像装置の場合、焦点検出性能も向上させることができる。

例えば、複数の受光素子１は、受光領域２１の中央部に位置する第１受光素子１Ａと、受光領域２１の周辺部に位置する第２受光素子１Ｂ、第３受光素子１Ｃとを含む。中央部とは、受光領域２１を３行３列の９区画に分割した際の、２行目２列目に該当する区画であり、周辺部とは中央部以外の８区画を意味する。第２受光素子１Ｂは例えば２行目３列目に位置し、第３受光素子１Ｃは例えば１行目３列目に位置する。第１受光素子１Ａの集光部１１８の光軸Ｏ１と第２受光素子１Ｂの集光部１１８の光軸Ｏ２との距離ＤＯは、第１受光素子１Ａの導光部１１１の重心Ｍ１と第２受光素子１Ｂの導光部１１１の重心Ｍ２との距離ＤＭよりも小さい（ＤＭ＞ＤＯ）。第１受光素子１Ａと第３受光素子１Ｃとの関係においても同様である。つまり、第１受光素子１Ａの集光部１１８の光軸と第３受光素子１Ｃの集光部１１８の光軸との距離は、第１受光素子１Ａの導光部１１１の重心Ｍ１と第３受光素子１Ｃの導光部１１１の重心との距離よりも小さい。

図６では、集光部１１８を光電変換装置１０の中央部の方向へ向かってずらす構成としているが、全体的に同じ方向（例えば＋Ｙ方向）へ平行移動させる構成としても良い。例えば、転送ゲートから遠ざかるようにずらすことで、転送ゲートで損失される割合を低減でき、更に感度を向上することができる。また、集光部１１８だけなく導光部１１１をずらす構成としても同様の効果を得ることができる。また、導光部１１１を集光部１１８とも、光電変換部１０１、１０２ともずらす構成としても同様の効果を得ることができる。

導光部１１１は光電変換部１０１、１０２が並ぶＸ方向における最大幅が、Ｘ方向に直交するＹ方向における最大幅よりも大きい断面形状を有することが好ましい。例えば、図７（ａ）に示すように、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅は、位置Ｚ１ではＷＸ１であり、位置Ｚ２ではＷＸ２であり、位置Ｚ３ではＷＸ３である。Ｙ方向における導光部１１１の最大幅は、位置Ｚ１ではＷＸ１であり、位置Ｚ２ではＷＸ２であり、位置Ｚ３ではＷＸ３である。導光部１１１は、基板１００に平行な平面（ＸＹ面）において、Ｘ方向の最大幅が、Ｙ方向の最大幅より大きい断面形状となっている。例えば、位置Ｚ１では最大幅ＷＸ１が最大幅ＷＹ１よりも大きくなっている（ＷＸ１＞ＷＹ１）。同様に、位置Ｚ２では最大幅ＷＸ２が最大幅ＷＹ２よりも大きくなっており（ＷＸ２＞ＷＹ２）、位置Ｚ３では最大幅ＷＸ３が最大幅ＷＹ３よりも大きくなっている（ＷＸ３＞ＷＹ３）。

導光部１１１のＸＹ面における断面形状は、基板１００からの距離により異なっていてもよい。本例の導光部１１１は、基板１００に平行な平面（ＸＹ面）において、Ｘ方向の最大幅とＹ方向の最大幅とが異なった断面形状を有している。例えば、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅について、位置Ｚ１における最大幅ＷＸ１が位置Ｚ２における最大幅ＷＸ２よりも大きく（ＷＸ１＞ＷＸ２）、位置Ｚ３における最大幅ＷＸ３が位置Ｚ２における最大幅ＷＸ２よりも小さい（ＷＸ２＞ＷＸ３）。また、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅について、位置Ｚ１における最大幅ＷＹ１が位置Ｚ２における最大幅ＷＹ２よりも大きく（ＷＹ１＞ＷＹ２）、位置Ｚ３における最大幅ＷＹ３が位置Ｚ２における最大幅ＷＹ２よりも小さい（ＷＹ２＞Ｗ３）。Ｚ方向の或る位置において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅が、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の±１％以上であれば、最大幅が有意に異なっていると云える。十分な効果を得るためには、Ｚ方向の各位置において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅が、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅の１．１倍以上であることが好ましく、１．２倍以上であることがより好ましい。

図７（ａ）の［ＸＹ１］と［ＸＹ２］との比較および［ＸＺ］、［ＹＺ］から理解されるように、導光部１１１のＸＹ面の断面積は、光が入射する方向から光電変換部１０１、１０２へ近づくにつれて徐々に小さくなっている。つまり、導光部１１１は基板１００へ向かって順テーパー形状となっている。また、位置Ｚ１と位置Ｚ２、位置Ｚ３における導光部１１１の断面はいずれにおいても、Ｘ方向の最大幅ＷＸ１、ＷＸ２、ＷＸ３が、Ｙ方向の最大幅ＷＹ１、ＷＹ２、ＷＹ３より大きい形状となっている。

例えば、位置Ｚ１において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅ＷＸ１は０．３０ｕｍ〜１０ｕｍ程度、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅ＷＹ１は０．２５〜９ｕｍ程度である。位置Ｚ３において、Ｘ方向における導光部１１１の最大幅ＷＸ２は０．２５〜９ｕｍ程度、Ｙ方向における導光部１１１の最大幅ＷＹ２は０．２０〜８ｕｍ程度などである。位置Ｚ２においては位置Ｚ１における最大幅と位置Ｚ３における最大幅の間の値をとることができる。

図７（ａ）、（ｂ）には、導光部１１１のうち、Ｚ方向において分離部１０９に重なる部分である中間部を点線で示している。Ｚ方向の或る位置の平面内において、中間部のＹ方向における長さ（幅）が、導光部１１１のＸ方向における最大幅よりも小さいことが好ましい。中間部の幅は導光部１１１に入射した光を、複数の光電変換部１０１、１０２のいずれに振り分けるかを決定するにあたって、重要な要因となる。中間部の幅を十分に小さくすることが、光の振り分け精度を向上する上で有効である。

また、Ｘ方向における導光部１１１の位置Ｚ３での最大幅ＷＸ３を、２つ並ぶ光電変換部１０１、１０２のＸ方向における最大幅の和より短くしている。このようにすることで、導光部１１１に入射した光を、低損失で光電変換部１０１または光電変換部１０２へ取り込めるようにしている。

波動光学的には、導光部１１１に入射した光は波打ちながら伝搬するため、導光部１１１内には電場強度分布が生じる。ここで、電場強度の大きいところが、確率的に光が多く存在していることを表している。このとき、導光部１１１を伝搬する光の形状（電場強度分布の形状）は、導光部１１１の形状に依存する。そして、導光部１１１の最大幅が広くなると、光が存在する確率が大きくなるため、最大幅が広がった方向に伝搬する光の量が増える。導光部１１１のＺ１、Ｚ２、Ｚ３における断面は、Ｘ方向の最大幅が、Ｙ方向の最大幅より大きい形状となっているため、Ｘ方向の方がＹ方向より相対的に光が多く伝搬する。

したがって、図２（ｂ）に示すのと同様に＋Ｘ成分と―Ｚ成分のベクトルをもつ入射光Ｌが斜めに入射した際、導光部１１１の入口付近である位置Ｚ１付近では、ＸＹ面において＋Ｘ側に偏った光となる。波動光学的には、斜めに入射した光は、０次や２次などの偶モードに加え、１次や３次などの奇モードと結合し伝搬する。斜入射光は、垂直入射光よりも奇モードと結合しやすい。ここで奇モードとは、ＸＺ面においてＺ軸に平行で、導光部１１１の中心を通る軸に対し、奇関数の電場振幅の形状をもつ導波モードのことをいい、偶関数の場合は偶モードという。そして、導光部１１１の最大幅が大きいほど、結合するモードの数は大きくなる。従って、Ｘ方向の成分を持って入射した光は、Ｘ方向に偏りやすくなる。導光部１１１の入口で＋Ｘ方向に偏った光は、そのまま＋Ｘ側に偏ったまま伝搬し、基板１００まで光が到達することになる。例えば、＋Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度から入射する光Ｌは、でＸ方向に２つ並ぶ光電変換部１０１、１０２のうち、＋Ｘ側に位置する光電変換部１０１へ主に入射する。同様に、Ｘ方向において逆向きの、−Ｘ成分と−Ｚ成分のベクトルをもつ角度からの入射光の場合、その多くは光電変換部１０２に入射される。その結果、感度を維持しつつ、２つの光電変換部１０１、１０２へ精度良く光を振り分けることができる。さらに、本例のように、Ｘ方向における最大幅が、Ｙ方向における最大幅よりも大きい断面形状を有する導光部１１１を採用すると、斜め入射光だけでなく、垂直入射光に対して、振り分け精度は向上する。

図８（ａ）、（ｃ）、（ｆ）、（ｅ）、（ｉ）のように、低屈折率部１２１の幅はＸ方向よりもＹ方向において大きいことが、光の振り分けの精度向上の点で有利である。しかし、図８（ｂ）、（ｄ）、（ｉ）、（ｊ）のように、低屈折率部１２１の幅はＸ方向よりもＹ方向において大きくてもよい。図８（ｇ）のように、低屈折率部１２１の幅はＸ方向とＹ方向とで同じであってもよい。図８（ｈ）の形態のように、導光部１１１は高屈折率部である高屈折率部１２２を介して互いに分離した、低屈折率部として複数の低屈折率部１２１を有していてもよい。低屈折率部１２１が高屈折率部１２２で囲まれることには限定されず、図８（ｅ）、（ｉ）の形態のようにＸ方向のみにおいて挟まれていてもよいし、図８（ｊ）の形態のようにＹ方向のみにおいて挟まれていてもよい。

図９（ａ）は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、撮影機能付き情報端末等の撮像システム１０００の構成を示している。撮像システム１０００には、被写体像を結像する撮像光学系１１としての撮像レンズが装着される。この撮像レンズを含む撮像光学系１１は、レンズ制御部１２によってフォーカス位置が制御される。絞りシャッタ１３は、絞りシャッタ制御部１４と接続され、その開口径を変化させて（絞り値を可変として）光量調節を行う絞り機能と、静止画撮影時に開閉動作することで露光秒時を制御するシャッタ機能とを備えている。撮像光学系１１の像空間には、撮像光学系１１により結像された被写体像を光電変換する光電変換装置１０の撮像面が配置される。光電変換装置１０は、単数または複数の光電変換部を有する受光素子が水平方向にｍ個、垂直方向にｎ個配され、これらの固体撮像素子に対してベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタが配置されて２次元単板カラーセンサが構成される。

コントローラ１５はカメラＣＰＵであり、カメラの種々の動作の制御を司る。カメラＣＰＵは、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。カメラＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮影光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。カメラＣＰＵは、演算手段に相当する。

デバイス制御部１６は、光電変換装置１０の動作を制御するとともに、光電変換装置１０から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してカメラＣＰＵに送信する。画像処理部１７は、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成し、さらに画像信号に対してＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。液晶表示装置（ＬＣＤ）等の表示部１８は、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、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。操作スイッチ１９は、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。記録媒体２０は撮影済み画像を記録するものであり、着脱可能であってもよい。

以下に、２つの光電変換部１０１、１０２を有する受光素子１における、焦点検出の方法（瞳分割）を説明する。図９（ｂ）に示す撮像光学系の射出瞳３１について、Ｘ方向を瞳分割方向とし、分割された射出瞳のそれぞれの領域を瞳領域３２、３３とする。瞳領域３２、３３を通過した光束を、２つの光電変換部１０１、１０２それぞれに割り当てている。本例に示す、Ｘ方向に２つの光電変換部１０１、１０２を有する受光素子１においては、Ｘ方向に瞳分割を行う瞳分割機能を有する。具体的には、−Ｘ側に位置する光電変換部１０１は、図９（ｂ）における＋Ｘ側の瞳領域３３を通過した光束Ｗ２（２点鎖線で示す）を受光する。また、＋Ｘ側に位置する光電変換部１０２は、図９（ｂ）における−Ｘ側の瞳領域３２を通過した光束Ｗ１（１点鎖線で示す）を受光する。光束Ｗ１と光束Ｗ２の強弱を光電変換部１０１、１０２で比較することで焦点検出が可能となる。

なお、ここではＸ方向に輝度分布を有した被写体に対する焦点検出を行うための構成について説明したが、Ｙ方向に光電変換部１０１が並ぶ固体撮像素子の場合には、同様の構成を、Ｙ方向にも適用でき、Ｙ方向に焦点検出も行うこともできる。

以上、説明した実施形態は、本発明の思想を逸脱しない範囲において適宜変更が可能である。

１ 受光素子
１０ 光電変換装置
１０１、１０２ 光電変換部
１０９ 分離部
１１０ 絶縁膜
１１１ 導光部
１２１ 低屈折率部
１２２ 高屈折率部

Claims (18)

1. 複数の受光素子を有する光電変換装置であって、
   前記複数の受光素子のうちの少なくとも１つの受光素子は、前記１つの受光素子の受光面に沿って並ぶ複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部の間に位置する分離部と、前記受光面に平行な或る平面内において少なくとも１つの絶縁層を含む絶縁膜で囲まれ、前記複数の光電変換部の上に跨って設けられた導光部と、を有し、
   前記導光部は、前記絶縁層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部と、前記絶縁層の屈折率よりも高く前記高屈折率部の屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率部とを含み、
   前記高屈折率部は前記複数の光電変換部の各々の上に位置し、前記低屈折率部は前記分離部の上に位置していることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記低屈折率部は、前記或る平面内における幅よりも、前記受光面に平行で前記或る平面よりも前記光電変換部に近い別の平面内における幅が大きい、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記低屈折率部は、前記或る平面内において、前記高屈折率部で囲まれている、請求項１または２に記載の光電変換装置。
4. 前記１つの受光素子は、前記複数の光電変換部の上に跨って設けられた波長選択部を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記高屈折率部の屈折率をｎ_２、前記絶縁層の屈折率をｎ_０、前記波長選択部を透過する光の主透過波長をλとして、前記光電変換部の受光面に沿った前記導光部の断面における前記高屈折率部の幅はλ／４√（ｎ_２ ^２−ｎ_０ ^２）以上である、請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記絶縁層の屈折率と前記低屈折率部の屈折率との差が、前記低屈折率部の屈折率と前記高屈折率部の屈折率との差よりも大きい、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
7. 前記高屈折率部の屈折率が前記低屈折率部の屈折率の１．０２５倍以上、１．２５倍以下である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
8. 前記高屈折率部および前記低屈折率部が窒化シリコンからなる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。
9. 前記導光部は、前記或る平面内において、非回転対称な形状を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。
10. 前記１つの受光素子は、前記複数の光電変換部の上に跨って設けられた集光部を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。
11. 前記少なくとも１つの受光素子は、前記複数の受光素子が配列された受光領域の中央部に位置する第１受光素子と、前記受光領域の周辺部に位置する第２受光素子とを含み、前記第１受光素子の前記集光部の重心と前記第２受光素子の前記集光部の重心との距離は、前記第１受光素子の前記導光部の重心と前記第２受光素子の前記導光部の重心との距離よりも小さい、請求項１０に記載の光電変換装置。
12. 前記或る平面内において、前記複数の光電変換部が並ぶ第１方向における前記導光部の幅が、前記第１方向に直交する第２方向における前記導光部の幅よりも大きい、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光電変換装置。
13. 前記或る平面内における前記導光部の形状は楕円形である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。
14. 前記高屈折率部は、前記或る平面内における幅よりも、前記受光面に平行で前記或る平面と前記受光面との間の別の平面内における幅が小さい、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
15. 前記低屈折率部は前記複数の光電変換部の各々の上にも位置している、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
16. 前記複数の光電変換部が並ぶ方向において、前記或る平面内における前記導光部の幅は前記複数の光電変換部の幅の和よりも小さい、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
17. 前記分離部は半導体領域によって構成されている、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光電変換装置を備え、前記１つの受光素子から得られた信号に基づき、撮像および位相差検出方式による焦点検出を行う撮像システム。

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