JP6934029B2 - 光学素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光学素子に関するものであり、特に、異なる厚さまたは幅を有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子に関するものである。
光学素子は多くの構造タイプを含む。複合金属グリッド(composite metal grid; CMG)型構造を有する光学素子では、カラーフィルタの上に配置されるマイクロレンズが必要である。導波路カラーフィルタ(wave guide color filter; WGCF)型構造を有する光学素子では、マイクロレンズの代わりにカラーフィルタを囲む低屈折率材料が用いられて導波路構造を形成している。
しかしながら、導波路カラーフィルタ(WGCF)型構造を有する光学素子では、カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(slab confinement mode; SCM)間の共鳴(または結合)効果の形成により、入射光はカラーフィルタ内に閉じ込められやすくなり、画素の感度または量子効果(QE)を低減させることになる。
従って、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果を防ぐことができる導波路カラーフィルタ(WGCF)型構造の光学素子の開発が望まれている。
異なる厚さまたは幅を有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子を提供する。
本発明の一実施形態による光学素子が提供される。光学素子は、複数の金属グリッドと、第1のパターン化された有機層と、第2のパターン化された有機層とを含む。第1のパターン化された有機層は、第1の厚さを有する第1の部分と、第2の厚さを有する第2の部分と、第3の厚さを有する第3の部分と、複数の第4の部分とを含む。第1の部分、第2の部分、および第3の部分は金属グリッドの間にそれぞれ形成される。第4の部分は、金属グリッドの上に形成される。第1の部分の第1の厚さは第2の部分の第2の厚さより厚い。第2の部分の第2の厚さは、第3の部分の第3の厚さより厚い。第2のパターン化された有機層は、第1のパターン化された有機層の第4の部分の上に形成される。
いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層は、約1.2から約1.5の範囲にある屈折率を有する。いくつかの実施形態では、第2のパターン化された有機層は、約1.2から約1.5の範囲にある屈折率を有する。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層の第1の部分の第1の厚さ、第2の部分の第2の厚さ、および第3の部分の第3の厚さのいずれか一つは、約0.1〜約0.5μmの範囲にある。
いくつかの実施形態では、光学素子は、赤色カラーフィルタと、緑色カラーフィルタと、青色カラーフィルタとを含む複数のカラーフィルタを更に含む。赤色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の第1の部分の上に形成され、第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含む。緑色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の第2の部分の上に形成され、第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含む。青色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の第3の部分の上に形成され、第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含む。
いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタの主要部分は、緑色カラーフィルタの主要部分の厚さよりも厚い厚さを有する。緑色カラーフィルタの主要部分の厚さは、青色カラーフィルタの主要部分の厚さよりも厚い。いくつかの実施形態では、青色カラーフィルタの主要部分の厚さは、約1μm以上である。
いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタの主要部分は、緑色カラーフィルタの主要部分の幅よりも広い幅を有する。緑色カラーフィルタの主要部分の幅は、青色カラーフィルタの主要部分の幅よりも広い。
いくつかの実施形態では、光学素子は、第1のパターン化された有機層の第1の部分、第2の部分、および第3の部分の上に形成された複数の突出部を更に含む。隣接する突出部はその間にピッチを有する。各突出部は高さを有する。いくつかの実施形態では、突出部は、角錐形状、柱形状、またはドーム形状を有する。いくつかの実施形態では、第1の部分の上に形成された隣接する突出部の間のピッチは、第2の部分の上に形成された隣接する突出部の間のピッチよりも広い。第2の部分の上に形成された隣接する突出部の間のピッチは、第3の部分の上に形成された隣接する突出部の間のピッチよりも広い。いくつかの実施形態では、第1の部分の上に形成された突出部の高さは、第2の部分の上に形成された突出部の高さよりも高い。第2の部分の上に形成された突出部の高さは、第3の部分の上に形成された突出部の高さよりも高い。
いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、赤色カラーフィルタの主要部分から延伸する延伸部分を更に含む。緑色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、緑色カラーフィルタの主要部分から延伸する延伸部分を更に含む。青色カラーフィルタは、第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、青色カラーフィルタの主要部分から延伸する延伸部分を更に含む。いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタの延伸部分の厚さは緑色カラーフィルタの延伸部分の厚さより厚い。緑色カラーフィルタの延伸部分の厚さは青色カラーフィルタの延伸部分の厚さより厚い。いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタの延伸部分の幅は緑色カラーフィルタの延伸部分の幅よりも広い。緑色カラーフィルタの延伸部分の幅は、青色カラーフィルタの延伸部分の幅よりも広い。
いくつかの実施形態では、赤色カラーフィルタの延伸部分の幅は赤色カラーフィルタの主要部分の幅よりも狭い。緑色カラーフィルタの延伸部分の幅は緑色カラーフィルタの主要部分の幅よりも狭い。青色カラーフィルタの延伸部分の幅は、青色カラーフィルタの主要部分の幅よりも狭い。いくつかの実施形態では、光学素子は、第2のパターン化された有機層およびカラーフィルタの上に形成された平坦化層を更に含む。
本発明では、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの厚さおよび幅が調整されて、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果を回避することができる。例えば、赤色カラーフィルタの厚さは、緑色カラーフィルタの厚さよりも大きくなるように調整され、緑色カラーフィルタの厚さは、青色カラーフィルタの厚さよりも大きくなるように調整されている。また、青色カラーフィルタの比較的薄い厚さが少なくとも約1μm以上であることも確保されている。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の厚さを調整することにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタのスラブ閉じ込めモード(SCM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果が回避される。これは光の透過を容易にし、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
更に、赤色カラーフィルタの幅は、緑色カラーフィルタの幅よりも大きくなるように調整され、緑色カラーフィルタの幅は、青色カラーフィルタの幅よりも大きくなるように調整される。また、青色カラーフィルタの比較的狭い幅は、少なくとも特定の値以上である。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの幅を変えることにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果を有効に抑制することができる。
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び例を読むことで、より完全に理解することができる。
図1は、本発明の一実施形態による光学素子の断面図である。 図2は、本発明の一実施形態による光学素子の断面図である。 図3は、本発明の一実施形態による光学素子の断面図である。 図4は、本発明の一実施形態による光学素子の断面図である。 図5は、本発明の一実施形態による光学素子のさまざまな量子効果(QE)スペクトルを示している。 図6は、本発明の一実施形態による光学素子のさまざまな量子効果(QE)スペクトルを示している。
以下の説明では、本発明を実施するベストモードを開示している。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のものであり、本発明を限定するものではない(本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参考にして決定される)。
図1に示すように、本発明の一実施形態による光学素子10が提供される。図1は、光学素子10の断面図を示している。
図1では、光学素子10は、基板12と、複数の金属グリッド14と、第1のパターン化された有機層16と、第2のパターン化された有機層18と、複数のカラーフィルタ20とを含む。金属グリッド14は、基板12の上に形成される。第1のパターン化された有機層16は、第1の部分16aと、第2の部分16bと、第3の部分16cと、複数の第4の部分16dとを含む。第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cは金属グリッド14の間にそれぞれ形成される。第4の部分16dは、金属グリッド14の上に形成される。具体的には、第1の部分16aの第1の厚さTaは、第2の部分16bの第2の厚さTbより厚い。第2の部分16bの第2の厚さTbは、第3の部分16cの第3の厚さTcより厚い。第2のパターン化された有機層18は、第1のパターン化された有機層16の第4の部分16dの上に形成される。カラーフィルタ20は、赤色カラーフィルタ22と、緑色カラーフィルタ24と、および青色カラーフィルタ26とを含む。カラーフィルタ20は、第1のパターン化された有機層16の上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。図1に示されるように、赤色カラーフィルタ22は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。緑色カラーフィルタ24は、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。青色カラーフィルタ26は、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。
いくつかの実施形態では、基板12はシリコン基板であり、フォトダイオードなどの光電変換素子を含む。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲である。いくつかの実施形態では、第2のパターン化された有機層18の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲にある。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の材料は、第2のパターン化された有機層18の材料と同じである。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの第1の厚さTa、第2の部分16bの第2の厚さTb、および第3の部分16cの第3の厚さTcのいずれか一つは、約0.1〜約0.5μmの範囲にある。
図1では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTより厚い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTより厚い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTは、約1μm以上である。
図1では、光学素子10は、第2のパターン化された有機層18およびカラーフィルタ20の上に形成された平坦化層28を更に含む。いくつかの実施形態では、平坦化層28は、例えばCVDプロセスによって調製された低屈折率材料を含む。
赤色、緑色、および青色カラーフィルタにおける光の分散の特性に基づいて、赤色カラーフィルタ22の厚さTは、緑色カラーフィルタ24の厚さTよりも大きくなるように調整され、緑色カラーフィルタ24の厚さTは、青色カラーフィルタ26の厚さTよりも大きくなるように調整されている(即ち、T> T> T)。また、青色カラーフィルタ26の比較的薄い厚さTが少なくとも約1μm以上であることも確保されている。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の厚さを変えることにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタのスラブ閉じ込めモード(SCM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果が回避される。これは光の透過を容易にし、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
第1のパターン化された有機層16の厚さは最適な範囲となるように設計される。例えば、第1の部分16aの第1の厚さTaは、第2の部分16bの第2の厚さTbよりも大きくなるように調整され、第2の部分16bの第2の厚さTbは、第3の部分16cの第3の厚さTcよりも大きくなるように調整される(即ち、Ta> Tb> Tc)。また、第1の厚さTa、第2の厚さTb、および第3の厚さTcのいずれか1つは、約0.1から約0.5μmの範囲にある。第1のパターン化された有機層16の特定の厚さの設計によって、導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果は、第1のパターン化された有機層16において維持されることができ、光が第1のパターン化された有機層16内に閉じ込められ、次いで基板12によって吸収され、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
図2に示すように、本発明の一実施形態による光学素子10がここに提供される。図2は、光学素子10の断面図を示している。
図2では、光学素子10は、基板12と、複数の金属グリッド14と、第1のパターン化された有機層16と、第2のパターン化された有機層18と、複数のカラーフィルタ20とを含む。金属グリッド14は、基板12の上に形成される。第1のパターン化された有機層16は、第1の部分16aと、第2の部分16bと、第3の部分16cと、複数の第4の部分16dとを含む。第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cは金属グリッド14の間にそれぞれ形成される。第4の部分16dは、金属グリッド14の上に形成される。具体的には、第1の部分16aの第1の厚さTaは、第2の部分16bの第2の厚さTbより厚い。第2の部分16bの第2の厚さTbは、第3の部分16cの第3の厚さTcより厚い。第2のパターン化された有機層18は、第1のパターン化された有機層16の第4の部分16dの上に形成される。カラーフィルタ20は、赤色カラーフィルタ22と、緑色カラーフィルタ24と、青色カラーフィルタ26とを含む。カラーフィルタ20は、第1のパターン化された有機層16の上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。図2に示されるように、赤色カラーフィルタ22は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。緑色カラーフィルタ24は、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。青色カラーフィルタ26は、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。
いくつかの実施形態では、基板12はシリコン基板であり、フォトダイオードなどの光電変換素子を含む。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲である。いくつかの実施形態では、第2のパターン化された有機層18の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲にある。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の材料は、第2のパターン化された有機層18の材料と同じである。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの第1の厚さTa、第2の部分16bの第2の厚さTb、および第3の部分16cの第3の厚さTcのいずれか一つは、約0.1〜約0.5μmの範囲にある。
図2では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTより厚い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTより厚い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTは、約1μm以上である。
図2において、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の幅Wより広い。 第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の幅Wより広い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の幅Wは、約0.5μm以上である。
図2では、光学素子10は、第2のパターン化された有機層18およびカラーフィルタ20の上に形成された平坦化層28を更に含む。いくつかの実施形態では、平坦化層28は、例えばCVDプロセスによって調製された低屈折率材料を含む。
図2では、設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の厚さを調整することに加えて、赤色カラーフィルタ22の幅Wは、緑色カラーフィルタ24の幅Wより大きくなるように調整されることができ、緑色カラーフィルタ24の幅Wは、青色カラーフィルタ26の幅Wより大きくなるように調整されることができる(即ち、W> W> W)。青色カラーフィルタ26の比較的狭い幅Wは、少なくとも約0.5μm以上である。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の厚さを調整することにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果が更に抑制されることができる。これは光の透過を容易にし、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
図3に示すように、本発明の一実施形態による光学素子10がここに提供される。図3は、光学素子10の断面図を示している。
図3では、光学素子10は、基板12と、複数の金属グリッド14と、第1のパターン化された有機層16と、第2のパターン化された有機層18と、複数のカラーフィルタ20とを含む。金属グリッド14は、基板12の上に形成される。第1のパターン化された有機層16は、第1の部分16aと、第2の部分16bと、第3の部分16cと、複数の第4の部分16dとを含む。第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cは金属グリッド14の間にそれぞれ形成される。第4の部分16dは、金属グリッド14の上に形成される。具体的には、第1の部分16aの第1の厚さTaは、第2の部分16bの第2の厚さTbより厚い。第2の部分16bの第2の厚さTbは、第3の部分16cの第3の厚さTcより厚い。第2のパターン化された有機層18は、第1のパターン化された有機層16の第4の部分16dの上に形成される。カラーフィルタ20は、赤色カラーフィルタ22と、緑色カラーフィルタ24と、青色カラーフィルタ26とを含む。カラーフィルタ20は、第1のパターン化された有機層16の上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。図3に示されるように、赤色カラーフィルタ22は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。緑色カラーフィルタ24は、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。青色カラーフィルタ26は、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。
いくつかの実施形態では、基板12はシリコン基板であり、フォトダイオードなどの光電変換素子を含む。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲である。いくつかの実施形態では、第2のパターン化された有機層18の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲にある。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の材料は、第2のパターン化された有機層18の材料と同じである。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの第1の厚さTa、第2の部分16bの第2の厚さTb、および第3の部分16cの第3の厚さTcのいずれか一つは、約0.1〜約0.5μmの範囲にある。
図3では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTより厚い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTより厚い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の厚さTは、約1μm以上である。
図3では、光学素子10は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cにそれぞれ形成された第1の突出部30a、第2の突出部30b、および第3の突出部30cを含む複数の突出部30を更に含む。隣接する突出部はその間にピッチを有する。各突出部は高さを有する。図3に示すように、第1の突出部30aは、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成される。第2の突出部30bは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成される。第3の突出部30cは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成される。
図3では、第1の突出部30a、第2の突出部30b、および第3の突出部30cの形状は角錐形状である。いくつかの実施形態では、第1の突出部30a、第2の突出部30b、および第3の突出部30cは、柱形状またはドーム形状などの他の適切な形状を含む。具体的には、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された隣接する第1の突出部30aの間の第1のピッチPaは、第1のパターン化された有機層の第2の部分16bの上に形成された隣接する第2の突出部30bの間の第2のピッチPbより広い。 第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された隣接する第2の突出部30bの間の第2のピッチPbは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された隣接する第3の突出部30cの間の第3のピッチPcより広い。また、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された第1の突出部30aの第1の高さHaは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された第2の突出部30bの第2の高さHbより高い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bに形成された第2の突出部30bの第2の高さHbは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された第3の突出部30cの第3の高さHcより高い。
図3では、光学素子10は、第2のパターン化された有機層18およびカラーフィルタ20の上に形成された平坦化層28を更に含む。いくつかの実施形態では、平坦化層28は、例えばCVDプロセスによって調製された低屈折率材料を含む。
第1のパターン化された有機層16の第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cの上にそれぞれ形成された第1の突出部30a、第2の突出部30b、および第3の突出部30cは、カラーフィルタ20と第1のパターン化された有機層16の間に屈折率勾配領域を提供し、光の透過を容易にする。
図4に示すように、本発明の一実施形態による光学素子10がここに提供される。図4は、光学素子10の断面図を示している。
図4では、光学素子10は、基板12と、複数の金属グリッド14と、第1のパターン化された有機層16と、第2のパターン化された有機層18と、複数のカラーフィルタ20とを含む。金属グリッド14は、基板12の上に形成される。第1のパターン化された有機層16は、第1の部分16aと、第2の部分16bと、第3の部分16cと、複数の第4の部分16dとを含む。第1の部分16a、第2の部分16b、および第3の部分16cは金属グリッド14の間にそれぞれ形成される。第4の部分16dは、金属グリッド14の上に形成される。具体的には、第1の部分16aの第1の厚さTaは、第2の部分16bの第2の厚さTbより厚い。第2の部分16bの第2の厚さTbは、第3の部分16cの第3の厚さTcより厚い。第2のパターン化された有機層18は、第1のパターン化された有機層16の第4の部分16dの上に形成される。カラーフィルタ20は、赤色カラーフィルタ22と、緑色カラーフィルタ24と、青色カラーフィルタ26とを含む。赤色カラーフィルタ22は、主要部分22’と、主要部分22’から延伸した延伸部分22”を含む。緑色カラーフィルタ24は、主要部分24’と、主要部分24’から延伸した延伸部分24”を含む。青色カラーフィルタ26は、主要部分26’と、主要部分26’から延伸した延伸部分26”を含む。図4に示されるように、赤色カラーフィルタ22の主要部分22’は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。緑色カラーフィルタ24の主要部分24’は、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。青色カラーフィルタ26の主要部分26’は、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成され、第2のパターン化された有機層18によって囲まれる。
いくつかの実施形態では、基板12はシリコン基板であり、フォトダイオードなどの光電変換素子を含む。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲である。いくつかの実施形態では、第2のパターン化された有機層18の屈折率は、約1.2〜約1.5の範囲にある。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の材料は、第2のパターン化された有機層18の材料と同じである。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの第1の厚さTa、第2の部分16bの第2の厚さTb、および第3の部分16cの第3の厚さTcのいずれか一つは、約0.1〜約0.5μmの範囲にある。
図4では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の主要部分22’の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の主要部分24’の厚さTより厚い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の主要部分24’の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の主要部分26’の厚さTより厚い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の主要部分26’の厚さTは、約1μm以上である。
図4では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の主要部分22’の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の主要部分24’の幅Wより広い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の主要部分24’の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の主要部分26’の幅Wより広い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の主要部分26’の幅Wは、約0.5μm以上である。
図4では、赤色カラーフィルタ22の延伸部分22”は、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの中に形成され、基板12および赤色カラーフィルタ22の主要部分22’と接触する。緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”は、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの中に形成され、基板12および緑色カラーフィルタ24の主要部分24’と接触する。青色カラーフィルタ26の延伸部分26”は、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの中に形成され、基板12および青色カラーフィルタ26の主要部分26’と接触する。
図4では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aに形成された赤色カラーフィルタ22の延伸部分22”の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bに形成された緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の厚さTより厚い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bに形成された緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の厚さTは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cに形成された青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の厚さTb1より厚い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cに形成された青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の厚さTb1は、約0.2μm以上である。
図4では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aに形成された赤色カラーフィルタ22の延伸部分22”の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の幅Wより広い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bに形成された緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cに形成された青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の幅Wより広い。いくつかの実施形態では、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cに形成された青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の幅Wは、約0.3μm以上である。
図4では、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aに形成された赤色カラーフィルタ22の延伸部分22”の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第1の部分16aの上に形成された赤色カラーフィルタ22の主要部分22’の幅Wより狭い。第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bに形成された緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第2の部分16bの上に形成された緑色カラーフィルタ24の主要部分24’の幅Wより狭い。第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cに形成された青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の幅Wは、第1のパターン化された有機層16の第3の部分16cの上に形成された青色カラーフィルタ26の主要部分26’の幅Wより狭い。
図4では、光学素子10は、第2のパターン化された有機層18およびカラーフィルタ20の上に形成された平坦化層28を更に含む。いくつかの実施形態では、平坦化層28は、例えばCVDプロセスによって調製された低屈折率材料を含む。
図4では、第1のパターン化された有機層の上に形成された赤、緑、および青のカラーフィルタの主要部分の設計された厚さおよび幅を変えることができるのに加えて、赤色カラーフィルタ22の延伸部分22”の厚さTrおよび幅Wrも緑色カラーフィルタ24の延伸部24”の厚さTgおよび幅Wgより大きくなるように調整されることもできる。緑色カラーフィルタ24の延伸部分24”の厚さTgおよび幅Wgは、青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の厚さTblおよび幅Wbより大きくなるように調整されることができる(即ち、Tr> Tg> TblおよびWr> Wg> Wb)。青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の比較的薄い厚さTblは、少なくとも約0.2μm以上である。青色カラーフィルタ26の延伸部分26”の比較的狭い幅Wbは、少なくとも約0.3μm以上である。同様に、設計段階において第1のパターン化された有機層で形成された赤色、緑色、または青色カラーフィルタの延伸部分の特定の厚さおよび幅を変えることにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果が更に抑制されることができる。これは光の透過を容易にし、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
増厚したカラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルの向上
この実施例では、QEの向上は、光学素子の赤色、緑色、および青色のカラーフィルタの厚さを増加させることによって認められている。図5に示すように、曲線「A」は、約600nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「B」は、約700nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「C」は、約800nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「D」は、約900nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「E」は、約1,000nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを有する光学素子のQEスペクトルを示している。
約1,000nmの厚さを有する赤色、緑色、および青色カラーフィルタを含む本光学素子によって構築されたQEスペクトル(曲線「E」)は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果の抑制により、赤色(R)カラーフィルタのQEピークが曲線「A」の赤色(R)カラーフィルタのQEピークよりも約10%、大幅に向上していることを示している。また、緑色(G)カラーフィルタのQEピークは、曲線「A」の緑色(G)カラーフィルタのQEピークよりも約10%、大幅に向上していることを示している。更に、QEスペクトル(曲線「E」)もカラーフィルタ間の低クロストークが維持されていることを示している。
カラーフィルタの下方に、増厚した有機層を有する光学素子のQEスペクトルの向上
この実施例では、QEの向上は、光学素子の赤色、緑色、および青色のカラーフィルタの下方にある有機層の厚さを増加させることによって認められている。図6に示すように、曲線「A」は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さより薄い厚さの有機層を有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「B」は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さと等しい厚さの有機層を有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「C」は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さより約100nm厚い厚さの有機層を有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「D」は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さより約200nm厚い厚さの有機層を有する光学素子のQEスペクトルを示している。曲線「E」は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さより約300nm厚い厚さの有機層を有する光学素子のQEスペクトルを示している。
赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある、金属グリッドの厚さより約300nm厚い厚さの有機層を含む本光学素子によって構築されたQEスペクトル(曲線「E」)は、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの下方にある有機層の導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果の維持により、赤色(R)カラーフィルタのQEピークが曲線「A」の赤色(R)カラーフィルタのQEピークよりも約10%、大幅に向上していることを示している。また、緑色(G)カラーフィルタのQEピークは、曲線「A」の緑色(G)カラーフィルタのQEピークよりも約10%、大幅に向上していることを示している。更に、QEスペクトル(曲線「E」)もカラーフィルタ間の低クロストークが維持されていることを示している。
本発明では、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの厚さおよび幅は、調整されて、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果を回避することができる。例えば、赤色カラーフィルタの厚さは、緑色カラーフィルタの厚さよりも大きくなるように調整され、緑色カラーフィルタの厚さは、青色カラーフィルタの厚さよりも大きくなるように調整されている。また、青色カラーフィルタの比較的薄い厚さが少なくとも約1μm以上であることも確保されている。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の厚さを調整することにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタのスラブ閉じ込めモード(SCM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果が回避される。これは光の透過を容易にし、画素の感度または量子効果(QE)を向上させる。
更に、赤色カラーフィルタの幅は、緑色カラーフィルタの幅よりも広くなるように調整され、緑色カラーフィルタの幅は、青色カラーフィルタの幅よりも大きくなるように調整される。また、青色カラーフィルタの比較的狭い幅は、少なくとも特定の値以上である。設計段階において赤色、緑色、および青色カラーフィルタの特定の幅を変えることにより、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)を変えることができ、赤色、緑色、および青色カラーフィルタの導波モード(GM)とスラブ閉じ込めモード(SCM)間の共鳴(または結合)効果を有効に抑制することができる。
本発明は、例として及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
10 光学素子
12 基板
14 金属グリッド
16 第1のパターン化された有機層
16a 第1のパターン化された有機層の第1の部分
16b 第1のパターン化された有機層の第2の部分
16c 第1のパターン化された有機層の第3の部分
16d 第1のパターン化された有機層の第4の部分
18 第2のパターン化された有機層
20 カラーフィルタ
22 赤色カラーフィルタ
22’ 赤色カラーフィルタの主要部分
22” 赤色カラーフィルタの延伸部分
24 緑色カラーフィルタ
24’ 緑色カラーフィルタの主要部分
24” 緑色カラーフィルタの延伸部分
26 青色カラーフィルタ
26’ 青色カラーフィルタの主要部分
26” 青色カラーフィルタの延伸部分
28 平坦化層
30 突出部
30a 第1の突出部
30b 第2の突出部
30c 第3の突出部
Ha 第1の突出部の高さ
Hb 第2の突出部の高さ
Hc 第3の突出部の高さ
Pa 第1の突出部のピッチ
Pb 第2の突出部のピッチ
Pc 第3の突出部のピッチ
青色カラーフィルタの主要部分の幅
緑色カラーフィルタの主要部分の幅
赤色カラーフィルタの主要部分の幅
青色カラーフィルタの延伸部分の幅
緑色カラーフィルタの延伸部分の幅
赤色カラーフィルタの延伸部分の幅
Ta 第1のパターン化された有機層の第1の部分の第1の厚さ
Tb 第1のパターン化された有機層の第2の部分の第2の厚さ
Tc 第1のパターン化された有機層の第3の部分の第3の厚さ
青色カラーフィルタ(主要部分)の厚さ
緑色カラーフィルタ(主要部分)の厚さ
赤色カラーフィルタ(主要部分)の厚さ
Tbl 青色カラーフィルタの延伸部分の厚さ
Tg 緑色カラーフィルタの延伸部分の厚さ
Tr 赤色カラーフィルタの延伸部分の厚さ

Claims (11)

  1. 基板の上に形成される複数の金属グリッドと、
    前記基板の上に、前記金属グリッドに接触するように形成される第1のパターン化された有機層と、
    第2のパターン化された有機層と、
    複数のカラーフィルタと、を含み、
    前記第1のパターン化された有機層は、第1の厚さを有する第1の部分と、第2の厚さを有する第2の部分と、第3の厚さを有する第3の部分と、複数の第4の部分と、を含み、
    前記第1の部分、前記第2の部分、および前記第3の部分は前記金属グリッドの間にそれぞれ形成され、前記第4の部分は、前記金属グリッドの上に形成され、
    前記第1の部分の前記第1の厚さは前記第2の部分の前記第2の厚さより厚く、前記第2の部分の前記第2の厚さは前記第3の部分の前記第3の厚さより厚く、
    前記第2のパターン化された有機層は、前記第1のパターン化された有機層の前記第4の部分の上に形成され
    前記カラーフィルタは、赤色カラーフィルタと、緑色カラーフィルタと、青色カラーフィルタと、を含み、
    前記赤色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の前記第1の部分の上に形成され、前記第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含み、
    前記緑色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の前記第2の部分の上に形成され、前記第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含み、
    前記青色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の前記第3の部分の上に形成され、前記第2のパターン化された有機層によって囲まれた主要部分を含む光学素子。
  2. 前記第1のパターン化された有機層は、1.2から1.5の範囲にある屈折率を有し、
    前記第2のパターン化された有機層は、1.2から1.5の範囲にある屈折率を有し、
    前記第1のパターン化された有機層の前記第1の部分の前記第1の厚さ、前記第2の部分の前記第2の厚さ、および前記第3の部分の前記第3の厚さのいずれか一つは、0.1から0.5μmの範囲にある請求項1に記載の光学素子。
  3. 坦化層と、を更に含み、
    記平坦化層は、前記第2のパターン化された有機層および前記カラーフィルタの上に形成される請求項1に記載の光学素子。
  4. 前記赤色カラーフィルタの前記主要部分は、前記緑色カラーフィルタの前記主要部分の厚さよりも厚い厚さを有し、
    前記緑色カラーフィルタの前記主要部分の厚さは、前記青色カラーフィルタの前記主要部分の厚さよりも厚く、
    前記青色カラーフィルタの前記主要部分の厚さは、1μm以上である請求項3に記載の光学素子。
  5. 前記赤色カラーフィルタの前記主要部分は、前記緑色カラーフィルタの前記主要部分の幅よりも広い幅を有し、
    前記緑色カラーフィルタの前記主要部分の幅は、前記青色カラーフィルタの前記主要部分の幅よりも広い請求項3に記載の光学素子。
  6. 前記第1のパターン化された有機層の前記第1の部分、前記第2の部分、および前記第3の部分の上に形成された複数の突出部を更に含み、
    隣接する前記複数の突出部の間はピッチを有し、前記突出部は高さを有し、前記突出部は、角錐形状、柱形状、またはドーム形状を有する請求項3に記載の光学素子。
  7. 前記第1の部分の上に形成された隣接する前記複数の突出部の間のピッチは、前記第2の部分の上に形成された隣接する前記複数の突出部の間のピッチよりも広く、
    前記第2の部分の上に形成された隣接する前記複数の突出部の間のピッチは、前記第3の部分の上に形成された隣接する前記複数の突出部の間のピッチよりも広い請求項6に記載の光学素子。
  8. 前記第1の部分の上に形成された前記突出部の高さは、前記第2の部分の上に形成された前記突出部の高さよりも高く、
    前記第2の部分の上に形成された前記突出部の高さは、前記第3の部分の上に形成された前記突出部の高さよりも高い請求項6に記載の光学素子。
  9. 前記赤色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、前記赤色カラーフィルタの前記主要部分から延伸する延伸部分を更に含み、
    前記緑色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、前記緑色カラーフィルタの前記主要部分から延伸する延伸部分を更に含み、
    前記青色カラーフィルタは、前記第1のパターン化された有機層の中に形成された、厚さおよび幅を有する、前記青色カラーフィルタの前記主要部分から延伸する延伸部分を更に含む請求項5に記載の光学素子。
  10. 前記赤色カラーフィルタの前記延伸部分の厚さは前記緑色カラーフィルタの前記延伸部分の厚さより厚く、
    前記緑色カラーフィルタの前記延伸部分の厚さは前記青色カラーフィルタの前記延伸部分の厚さより厚い請求項9に記載の光学素子。
  11. 前記赤色カラーフィルタの前記延伸部分の幅は、前記緑色カラーフィルタの前記延伸部分の幅よりも広く、
    前記緑色カラーフィルタの前記延伸部分の幅は、前記青色カラーフィルタの前記延伸部分の幅よりも広く、
    前記赤色カラーフィルタの前記延伸部分の幅は、前記赤色カラーフィルタの前記主要部分の幅よりも狭く、
    前記緑色カラーフィルタの前記延伸部分の幅は、前記緑色カラーフィルタの前記主要部分の幅よりも狭く、
    前記青色カラーフィルタの前記延伸部分の幅は、前記青色カラーフィルタの前記主要部分の幅よりも狭い請求項10に記載の光学素子。
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