JP7434427B2 - 光学装置 - Google Patents

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Description

本開示は、光学装置に関する。より具体的には、本開示は、ハイブリッド吸収体を有する光学装置に関する。
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳとも呼ばれる）の分野では、カラーフィルタ層は、特定のモザイクパターンを有する吸収体として、光がカラーフィルタ層の下に配置されたイメージセンサ（フォトダイオード）に伝播する前に、特定の波長帯域の光を吸収するために使用することができる。カラーフィルタの厚さは、光透過率に影響を与えることが理解される。例えば、フィルタリング波長範囲について、厚いカラーフィルタ層の光透過率は、薄いカラーフィルタ層の光透過率より低い。
しかしながら、厚いカラーフィルタは、より優れたＣＩＳ性能を提供することができるとしても、ＣＩＳの製造実現可能性によって制限される場合がある。したがって、上記課題を解決する必要がある。
本発明は、ハイブリッド吸収体を有する光学装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様は、光学装置を提供する。この光学装置は、第１のフォトダイオードと、第２のフォトダイオードと、ハイブリッド吸収体とを含む。ハイブリッド吸収体は、第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードの上方に配置される。ハイブリッド吸収体は、カラーフィルタ層と、複数の金属－絶縁体－金属構造体とを含む。カラーフィルタ層は、第１のフォトダイオードに配置された第１のカラーフィルタと、第２のフォトダイオードに配置された第２のカラーフィルタとを含み、第１のカラーフィルタは、第２のカラーフィルタとは異なる。複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第１のフォトダイオードの上方に配置され、第２のフォトダイオードの上方に配置されない。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、近赤外線吸収材料を更に含み、この近赤外線吸収材料の一部は、カラーフィルタ層と第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードとの間に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、近赤外線吸収材料内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、カラーフィルタ層内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、カラーフィルタ層と第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードとの間に配置された無損失誘電体材料を更に含み、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、この無損失誘電体材料内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、半径方向距離がＬ１の第１の円及び半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列され、半径方向距離Ｌ１は、半径方向距離Ｌ２とは異なる。第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数であり、第２の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数である。
本開示の幾つかの実施形態において、第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第１の円に沿って均等に配列され、第２の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第２の円に沿って均等に配列される。
本開示の幾つかの実施形態において、第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、第２の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数とは異なる。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、第１の円及び第２の円の中心に配置された追加の金属－絶縁体－金属構造体を更に含む。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、複数の金属－絶縁体－金属構造体に隣接して配置された複数の誘電体構造体を更に含む。複数の金属－絶縁体－金属構造体は、半径方向距離がＬ１の第１の円に沿って配列され、複数の誘電体構造体は、半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列され、半径方向距離Ｌ１は、半径方向距離Ｌ２とは異なる。第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数であり、第２の円における複数の誘電体構造体の数は、４の倍数である。
本開示の幾つかの実施形態において、第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第１の円に沿って均等に配列され、第２の円における複数の誘電体構造体は、第２の円に沿って均等に配列される。
本開示の幾つかの実施形態において、第１の円における複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、第２の円における複数の誘電体構造体の数とは異なる。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、第１の円及び第２の円の中心に配置された追加の誘電体構造体を更に含む。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、第１の円及び第２の円の中心に配置された追加の金属－絶縁体－金属構造体を更に含む。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、第３のカラーフィルタ及び複数の誘電体構造体を更に含む。第３のカラーフィルタは、カラーフィルタ層内にある。第３のカラーフィルタは、第３のフォトダイオードに配置され、かつ第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタとは異なる。第１のフォトダイオード、第２のフォトダイオード及び第３のフォトダイオードは、それぞれ異なる波長帯域に対応する。複数の誘電体構造体は、第１のアレイに配列され、第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタ内に配置され、第３のカラーフィルタ内に配置されない。複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第２のアレイに配列される。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、カラーフィルタ層と第１のフォトダイオード、第２のフォトダイオード及び第３のフォトダイオードとの間に配置された緩衝層を更に含む。
本開示の幾つかの実施形態において、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、緩衝層内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、緩衝層とカラーフィルタ層との間に配置された低屈折率層を更に含む。低屈折率層は、屈折率が１～１．８である。
本開示の幾つかの実施形態において、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、低屈折率層内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、カラーフィルタ層は、上部及び下部を含み、複数の誘電体構造体は、カラーフィルタ層の下部内に配置され、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、カラーフィルタ層の上部内に配置される。
本開示の幾つかの実施形態において、当該光学装置は、第３のカラーフィルタ、複数の誘電体構造体及び追加の透明層を更に含む。第３のカラーフィルタは、カラーフィルタ層内にある。第３のカラーフィルタは、第３のフォトダイオードに配置され、かつ第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタとは異なる。第１のフォトダイオード、第２のフォトダイオード及び第３のフォトダイオードは、それぞれ異なる波長帯域に対応する。複数の誘電体構造体は、第１のアレイに配列され、第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタ内に配置され、第３のカラーフィルタ内に配置されない。追加の透明層は、カラーフィルタ層に配置され、複数の金属－絶縁体－金属構造体は、追加の透明層内に配置され、かつ領域内に集められる。
本開示の幾つかの実施形態において、上記領域の投影は、第１のカラーフィルタ、第２のカラーフィルタ及び第３のカラーフィルタのいずれか１つの中心にある。
本開示の態様は、添付図面を参照すると、以下の詳細な説明から最もよく理解される。様々な特徴は、当業界の標準的技法に従って、原寸大に描かれていないことに注意すべきである。実際、説明を明確にするために、様々な特徴の寸法は、任意に拡大又は縮小されている可能性がある。
図１Ａ及び図１Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、非周期構造体を有するクラスターが配置された単層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、非周期構造体を有するクラスターが配置された単層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、非周期構造体を有するクラスターが配置された二層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係る二層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係る二層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る二層ハイブリッド吸収体の模式図である。 図７Ａ及び図７Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するホモクラスターの様々な配列の模式図である。図７Ｂ及び図７Ｄは、それぞれ図７Ａ及び図７Ｃの上面図である。 図８Ａ及び図８Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するホモクラスターの様々な配列の模式図である。図８Ｂ及び図８Ｄは、それぞれ図８Ａ及び図８Ｃの上面図である。 図９Ａ及び図９Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するホモクラスターの様々な配列の模式図である。図９Ｂ及び図９Ｄは、それぞれ図９Ａ及び図９Ｃの上面図である。 図１０Ａ及び図１０Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するホモクラスターの様々な配列の模式図である。図１０Ｂ及び図１０Ｄは、それぞれ図１０Ａ及び図１０Ｃの上面図である。 図１１Ａ及び図１１Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するヘテロクラスターの様々な配列の模式図である。図１１Ｂ及び図１１Ｄは、それぞれ図１１Ａ及び図１１Ｃの上面図である。 図１２Ａ及び図１２Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するヘテロクラスターの様々な配列の模式図である。図１２Ｂ及び図１２Ｄは、それぞれ図１２Ａ及び図１２Ｃの上面図である。 図１３Ａ及び図１３Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するヘテロクラスターの様々な配列の模式図である。図１３Ｂ及び図１３Ｄは、それぞれ図１３Ａ及び図１３Ｃの上面図である。 図１４Ａ及び図１４Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体における非周期構造体を有するヘテロクラスターの様々な配列の模式図である。図１４Ｂ及び図１４Ｄは、それぞれ図１４Ａ及び図１４Ｃの上面図である。 図１５Ａは、ホモクラスターを有する単層ハイブリッド吸収体の上面図である。図１５Ｂは、図１５ＡにおけるＡ－Ａ’線に沿う断面図である。 図１６Ａ及び図１６Ｂは、図１５Ａにおける単層ハイブリッド吸収体の代替単層ハイブリッド吸収体の上面図である。 図１７Ａは、二層ハイブリッド吸収体の側面図である。図１７Ｂ及び図１７Ｃは、図１７Ａにおける第１の層及び第２の層の上面図である。 図１８Ａは、二層ハイブリッド吸収体の側面図である。図１８Ｂ及び図１８Ｃは、図１８Ａにおける第１の層及び第２の層の上面図である。 図１９Ａは、二層ハイブリッド吸収体の側面図である。図１９Ｂ及び図１９Ｃは、図１９Ａにおける第１の層及び第２の層の上面図である。 図２０Ａは、二層ハイブリッド吸収体の側面図である。図２０Ｂ及び図２０Ｃは、図２０Ａにおける第１の層及び第２の層の上面図である。
以下の開示は、提供される主題の異なる特徴を実施するための、多くの異なる実施形態又は例を提供するものである。以下、本開示を簡略化するために、構成要素及び配置構成の特定の例を説明する。もちろん、これらは、例に過ぎず、限定することを意図するものではない。例えば、以下の説明における第１の特徴部が第２の特徴部の上方又は上に形成されることは、第１の特徴部と第２の特徴部が直接的に接触して形成される実施形態を含んでもよく、第１の特徴部と第２の特徴部が直接的に接触しないように、追加の特徴部が第１の特徴部と第２の特徴部との間に形成されてもよい実施形態を含んでもよい。また、本開示は、様々な例において参照の符号及び／又は文字を繰り返してもよい。この繰り返しは、簡略化と明確を目的としており、それ自体では、説明した様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を示すものではない。任意の要素／構成要素の数は、例示のためのものに過ぎず、本開示を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
本明細書では、第１、第２等の用語を使用して様々な要素を説明することがあるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素を他の要素から区別するためにのみ使用される。例えば、実施形態の範囲を逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用される場合、用語「及び／又は」は、１つ以上の関連する列挙された項目の任意及び全ての組み合わせを含む。
更に、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等のような空間的に相対的な用語は、図示される１つの要素又は特徴部と他の要素又は特徴部との関係を容易に説明するために本明細書で使用されてもよい。空間的に相対的な用語は、図示される方向に加えて、使用中又は動作中の装置の他の方向を包含するものとして意図される。装置は、他の方向に配向され（９０°又は他の配向に回転され）てもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語句は、同様にそれに応じて解釈されてもよい。
本開示の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサ（ＣＩＳ）用の光学装置は、小さい寸法の画素におけるＣＩＳの用途を改善するための超薄型ハイブリッド吸収体を提供する。本明細書では、ハイブリッド吸収体は、メタ吸収体と呼ばれてもよい。ハイブリッド吸収体は、カラーフィルタ層及び複数のナノ粒子を有する。ナノ粒子は、ハイブリッド吸収体内に配置された複数の金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）構造体及び／又は複数の誘電体構造体を有する。ナノ粒子は、特定の波長帯域の光を吸収する機能を有する。光は、開示されたナノ粒子により屈折又は回折することができ、光の光路が変化することになる。ナノ粒子の異なる構造体及び材料は、異なる波長帯域に対応している。一部の波長帯域の光を吸収できるカラーフィルタ層に加えて、複数のＭＩＭ構造体及び誘電体構造体は、他の波長帯域の光も吸収することができる。ナノ粒子の位置及び配列も光透過率に影響を与えることになる。さらには、本開示の超薄型ハイブリッド吸収体は、優れたＣＩＳ性能を有し、かつＣＩＳの製造実現可能性によって制限されない。
本開示のハイブリッド吸収体は、単層で配置されてもよく、二層で配置されてもよい。単層ハイブリッド吸収体としては、複数のナノ粒子が非周期構造体であるクラスターとして共に配列される。二層ハイブリッド吸収体としては、本開示のハイブリッド吸収体は、第１の層と、この第１の層の下方に積層された第２の層とを含み、複数のナノ粒子は、第１の層又は第２の層内に配置することができ、第１の層及び／又は第２の層は、非周期構造体（ホモクラスター１１０ａ及びヘテロクラスター１１０ｂを含む）及び／又は周期構造体（第１の周期アレイ４１０ａ及び第２の周期アレイ４１０ｂを含む）である。
本明細書では、ナノ粒子は、複数のＭＩＭ構造体及び／又は複数の誘電体構造体を含むことが理解される。クラスターは、複数のＭＩＭ構造体のみを含む場合、ホモクラスターと呼ぶことができる。クラスターは、複数の誘電体構造体のみを含む場合、「ホモクラスター」とも呼ぶことができる。クラスターは、複数のＭＩＭ構造体及び複数の誘電体構造体を含む場合、「ヘテロクラスター」と呼ぶことができる。また、ホモクラスター及び／又はヘテロクラスターは、単層ハイブリッド吸収体及び二層ハイブリッド吸収体内に配置することができる。以下に説明される「クラスター」は、以下に説明されるホモクラスター１１０ａ及び／又はヘテロクラスター１１０ｂを含むことが理解される。以下、本開示のハイブリッド吸収体の様々な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。単にナノ粒子の位置と、非周期構造体（ホモクラスター１１０ａ及びヘテロクラスター１１０ｂを含む）並びに／又は周期構造体（第１の周期アレイ４１０ａ及び第２の周期アレイ４１０ｂを含む）の実際の配列とを明確に説明するために示される図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ及び図６Ｂのハイブリッド吸収体の模式図は、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄ、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図８Ｄ、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄ、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄ、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、図１３Ｄ、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃ及び図１４Ｄに説明されることが理解される。
図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、非周期構造体を有するクラスター１１０ａ及び１１０ｂが配置された単層ハイブリッド吸収体１００Ａ、１００Ｂ、２００Ａ及び２００Ｂの模式図である。単層ハイブリッド吸収体１００Ａ、１００Ｂ、２００Ａ及び２００Ｂのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。各フォトダイオードＰＤは、単層ハイブリッド吸収体１００Ａ、１００Ｂ、２００Ａ及び２００Ｂのそれぞれの下方に配置される。図１Ａにおいて、単層ハイブリッド吸収体１００Ａは、近赤外線吸収材料１２０と、近赤外線吸収材料１２０内に配置されたホモクラスター１１０ａとを含む。図１Ｂにおいて、単層ハイブリッド吸収体１００Ｂは、近赤外線吸収材料１２０と、近赤外線吸収材料１２０内に配置されたヘテロクラスター１１０ｂとを含む。幾つかの実施形態において、近赤外線吸収材料１２０は、赤外光及び／又は可視光を吸収してもよいポリマーを含む。幾つかの実施形態において、近赤外線吸収材料１２０は、無機材料又は有機材料で作製することができる。無機材料は、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＬａＢ６及びＭＷＯ３（Ｍ：アルカリ元素＝（Ｋ、Ｔｌ、Ｒｂ、Ｃｓ））であることができる。有機材料は、ジイモニウム又はジチオレン色素がドープされた無色ポリイミド（ＣＰＩ）、ポリアクリレート、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリスチレン（ＰＳ）等であってもよいが、これらの媒体に限定されない。
図２Ａにおいて、単層ハイブリッド吸収体２００Ａは、カラーフィルタ層２１０と、カラーフィルタ層２１０内に配置されたホモクラスター１１０ａとを含む。言い換えれば、複数のＭＩＭ構造体Ｍは、カラーフィルタ層２１０内に配置される。図２Ｂにおいて、単層ハイブリッド吸収体２００Ｂは、カラーフィルタ層２１０と、カラーフィルタ層２１０内に配置されたヘテロクラスター１１０ｂとを含む。ホモクラスター１１０ａは、複数のＭＩＭ構造体Ｍを表し、非周期構造体を有する。ヘテロクラスター１１０ｂは、複数のＭＩＭ構造体Ｍ及び誘電体構造体Ｄを表し、非周期構造体を有する。幾つかの実施形態において、ＭＩＭ構造体Ｍは、Ａｌ／ＳｉＯ２／Ａｌ、Ｃｕ／Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ、Ｗ／Ａｌ２Ｏ３／Ｗ又は他の適切な組み合わせであってもよい。幾つかの実施形態において、誘電体構造体Ｄは、ＳｉＯ２（アモルファスシリコン、ａ－Ｓｉ等）又は他の適切な材料で作製されてもよい。
図３Ａ及び図３Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、非周期構造体を有するクラスター１１０ａ及び１１０ｂが配置された二層ハイブリッド吸収体３００Ａ及び３００Ｂの模式図である。二層ハイブリッド吸収体３００Ａ及び３００Ｂのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。各フォトダイオードＰＤは、二層ハイブリッド吸収体３００Ａ及び３００Ｂのそれぞれの下方に配置される。図３Ａにおいて、ホモクラスター１１０ａは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置される。図３Ｂにおいて、ヘテロクラスター１１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置される。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、カラーフィルタ層２１０にはナノ粒子が存在しないことに留意されたい。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係る二層ハイブリッド吸収体４００Ａ、４００Ｂ及び４００Ｃの模式図である。二層ハイブリッド吸収体４００Ａ、４００Ｂ及び４００Ｃのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。各フォトダイオードＰＤは、二層ハイブリッド吸収体４００Ａ、４００Ｂ及び４００Ｃのそれぞれの下方に配置される。図４Ａ及び図４Ｂにおける二層ハイブリッド吸収体４００Ａ及び４００Ｂにおいて、第１の周期アレイ４１０ａは、第２の周期アレイ４１０ｂの上方に配置される。図４Ｃにおける二層ハイブリッド吸収体４００Ｃにおいて、第１の周期アレイ４１０ａは、第２の周期アレイ４１０ｂの下方に配置される。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂにおけるホモクラスター１１０ａ及びヘテロクラスター１１０ｂは、非周期構造体であり、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃ（以下、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃにおいても同様）における第１の周期アレイ４１０ａ及び第２の周期アレイ４１０ｂは、周期アレイであることに留意されたい。図４Ａにおいて、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置され、第１の周期アレイ４１０ａは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、第２の周期アレイ４１０ｂは、カラーフィルタ層２１０内に配置される。図４Ｂにおいて、近赤外線吸収材料１２０は、カラーフィルタ層２１０の下方に配置され、第１の周期アレイ４１０ａは、カラーフィルタ層２１０内に配置され、第２の周期アレイ４１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置される。図４Ｃにおいて、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置され、第２の周期アレイ４１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、第１の周期アレイ４１０ａは、カラーフィルタ層２１０内に配置される。
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係る二層ハイブリッド吸収体５００Ａ、５００Ｂ及び５００Ｃの模式図である。二層ハイブリッド吸収体５００Ａ、５００Ｂ及び５００Ｃのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。各フォトダイオードＰＤは、二層ハイブリッド吸収体５００Ａ、５００Ｂ及び５００Ｃのそれぞれの下方に配置される。図５Ａ及び図５Ｂにおける二層ハイブリッド吸収体５００Ａ及び５００Ｂにおいて、ヘテロクラスター１１０ｂは、第２の周期アレイ４１０ｂの上方に配置される。図５Ａにおいて、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置され、ヘテロクラスター１１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、第２の周期アレイ４１０ｂは、カラーフィルタ層２１０内に配置される。図５Ｂにおいて、近赤外線吸収材料１２０は、カラーフィルタ層２１０の下方に配置され、ヘテロクラスター１１０ｂは、カラーフィルタ層２１０内に配置され、第２の周期アレイ４１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置される。図５Ｃにおける二層ハイブリッド吸収体５００Ｃにおいて、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置され、ヘテロクラスター１１０ｂは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、第１の周期アレイ４１０ａは、カラーフィルタ層２１０内に配置される。
図６Ａ及び図６Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る、クラスター１１０ｂがクラスター１１０ｂの上方に配置された二層ハイブリッド吸収体６００Ａ及び６００Ｂの模式図である。二層ハイブリッド吸収体６００Ａ及び６００Ｂのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。各フォトダイオードＰＤは、二層ハイブリッド吸収体６００Ａ及び６００Ｂのそれぞれの下方に配置される。図６Ａにおいて、カラーフィルタ層２１０は、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置され、カラーフィルタ層２１０及び近赤外線吸収材料１２０は、それぞれヘテロクラスター１１０ｂを有する。図６Ｂにおいて、近赤外線吸収材料１２０は、カラーフィルタ層２１０の下方に配置され、カラーフィルタ層２１０及び近赤外線吸収材料１２０は、それぞれヘテロクラスター１１０ｂを有する。
図７Ａ、図７Ｃ、図８Ａ、図８Ｃ、図９Ａ、図９Ｃ、図１０Ａ及び図１０Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体１００Ａ（図１Ａを参照）、２００Ａ（図２Ａを参照）、３００Ａ（図３Ａを参照）における非周期構造体を有するホモクラスター１１０ａの様々な配列の模式図である。図７Ｂ、図７Ｄ、図８Ｂ、図８Ｄ、図９Ｂ、図９Ｄ、図１０Ｂ及び図１０Ｄは、それぞれ図７Ａ、図７Ｃ、図８Ａ、図８Ｃ、図９Ａ、図９Ｃ、図１０Ａ及び図１０Ｃの上面図（ｘｙ平面）である。具体的には、複数のＭＩＭ構造体Ｍは、半径方向距離がＬ１の第１の円及び半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列される。半径方向距離Ｌ１は、半径方向距離Ｌ２とは異なる。第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、４の倍数であり、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、４の倍数である。幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍは、第１の円に沿って均等に配列され、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍは、第２の円に沿って均等に配列される。幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数と同じであってもよく、異なってもよい。言い換えれば、幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数より少なくてもよく、多くてもよい。また、ＭＩＭ構造体Ｍの周囲の媒体は、近赤外線吸収材料１２０であってもよく、カラーフィルタ層２１０であってもよい。以下、ホモクラスター１１０ａの様々な配列について詳細に説明する。
ホモクラスター１１０ａ１は、図７Ａ及び図７Ｂに示され、ホモクラスター１１０ａ２は、図７Ｃ及び図７Ｄに示される。ホモクラスター１１０ａ１とホモクラスター１１０ａ２とは、ホモクラスター１１０ａ１の半径方向距離Ｌ１が半径方向距離Ｌ２より小さく、ホモクラスター１１０ａ２の半径方向距離Ｌ１が半径方向距離Ｌ２より大きいという点で相違する。ホモクラスター１１０ａ１及びホモクラスター１１０ａ２は、それぞれ第１の円及び第２の円の中心に配置された追加のＭＩＭ構造体Ｍ（「中心ＭＩＭ構造体Ｍｃ」と呼ばれる）を有することに留意されたい。また、ホモクラスター１１０ａ１及びホモクラスター１１０ａ２に示すように、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、４であり、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数も４である。
ホモクラスター１１０ａ３は、図８Ａ及び図８Ｂに示され、ホモクラスター１１０ａ４は、図８Ｃ及び図８Ｄに示される。ホモクラスター１１０ａ１とホモクラスター１１０ａ３とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ホモクラスター１１０ａ３に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃがない。同様に、ホモクラスター１１０ａ２とホモクラスター１１０ａ４とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ホモクラスター１１０ａ４に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃがない。
ホモクラスター１１０ａ５は、図９Ａ及び図９Ｂに示され、ホモクラスター１１０ａ６は、図９Ｃ及び図９Ｄに示される。ホモクラスター１１０ａ１とホモクラスター１１０ａ５とは、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数の点で相違する。ホモクラスター１１０ａ５において、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、８である。同様に、ホモクラスター１１０ａ２とホモクラスター１１０ａ６とは、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数の点で相違する。ホモクラスター１１０ａ６において、第２の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、８である。
ホモクラスター１１０ａ７は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示され、ホモクラスター１１０ａ８は、図１０Ｃ及び図１０Ｄに示される。ホモクラスター１１０ａ５とホモクラスター１１０ａ７とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ホモクラスター１１０ａ７に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃがない。同様に、ホモクラスター１１０ａ６とホモクラスター１１０ａ８とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ホモクラスター１１０ａ８に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃがない。
図１１Ａ、図１１Ｃ、図１２Ａ、図１２Ｃ、図１３Ａ、図１３Ｃ、図１４Ａ及び図１４Ｃは、本開示の幾つかの実施形態に係るハイブリッド吸収体１００Ｂ（図１Ｂを参照）、２００Ｂ（図２Ｂを参照）、３００Ｂ（図３Ｂを参照）、５００Ａ（図５Ａを参照）、５００Ｂ（図５Ｂを参照）、５００Ｃ（図５Ｃを参照）、６００Ａ（図６Ａを参照）、６００Ｂ（図６Ｂを参照）における非周期構造体を有するヘテロクラスター１１０ｂの様々な配列の模式図である。図１１Ｂ、図１１Ｄ、図１２Ｂ、図１２Ｄ、図１３Ｂ、図１３Ｄ、図１４Ｂ及び図１４Ｄは、それぞれ図１１Ａ、図１１Ｃ、図１２Ａ、図１２Ｃ、図１３Ａ、図１３Ｃ、図１４Ａ及び図１４Ｃの上面図（ｘｙ平面）である。具体的には、複数の誘電体構造体Ｄは、複数のＭＩＭ構造体Ｍに隣接して配置される。ＭＩＭ構造体Ｍは、半径方向距離がＬ１の第１の円に沿って配列され、誘電体構造体Ｄは、半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列される。半径方向距離Ｌ１は、半径方向距離Ｌ２とは異なる。第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、４の倍数であり、第２の円における誘電体構造体Ｄの数は、４の倍数である。幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍは、第１の円に沿って均等に配列され、第２の円における誘電体構造体Ｄは、第２の円に沿って均等に配列される。幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、第２の円における誘電体構造体Ｄの数と同じであってもよく、異なってもよい。言い換えれば、幾つかの実施形態において、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、第２の円における誘電体構造体Ｄの数より少なくてもよく、多くてもよい。また、ＭＩＭ構造体Ｍの周囲の媒体は、近赤外線吸収材料１２０であってもよく、カラーフィルタ層２１０であってもよい。以下、ヘテロクラスター１１０ｂの様々な配列について詳細に説明する。
ヘテロクラスター１１０ｂ１は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示され、ヘテロクラスター１１０ｂ２は、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示される。ヘテロクラスター１１０ｂ１とヘテロクラスター１１０ｂ２とは、ヘテロクラスター１１０ｂ１の半径方向距離Ｌ１が半径方向距離Ｌ２より小さく、ヘテロクラスター１１０ｂ２の半径方向距離Ｌ１が半径方向距離Ｌ２より大きいという点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ１及びヘテロクラスター１１０ｂ２は、それぞれ第１の円及び第２の円の中心に配置された追加の誘電体構造体Ｄ（「中心誘電体構造体Ｄｃ」と呼ばれる）を有することに留意されたい。また、ヘテロクラスター１１０ｂ１及びヘテロクラスター１１０ｂ２に示すように、第１の円におけるＭＩＭ構造体Ｍの数は、４であり、第２の円における誘電体構造体Ｄの数も４である。
ヘテロクラスター１１０ｂ３は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示され、ヘテロクラスター１１０ｂ４は、図１２Ｃ及び図１２Ｄに示される。ヘテロクラスター１１０ｂ１とヘテロクラスター１１０ｂ３とは、中心誘電体構造体Ｄｃの点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ３に誘電体構造体Ｄｃがない。同様に、ヘテロクラスター１１０ｂ２とヘテロクラスター１１０ｂ４とは、中心誘電体構造体Ｄｃの点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ４に中心誘電体構造体Ｄｃがない。
ヘテロクラスター１１０ｂ５は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示され、ヘテロクラスター１１０ｂ６は、図１３Ｃ及び図１３Ｄに示される。ヘテロクラスター１１０ｂ１とヘテロクラスター１１０ｂ５とは、第１の円及び第２の円の中心ナノ粒子の点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ５及びヘテロクラスター１１０ｂ６は、それぞれ第１の円及び第２の円の中心に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃを有する。
ヘテロクラスター１１０ｂ７は、図１４Ａ及び図１４Ｂに示され、ヘテロクラスター１１０ｂ８は、図１４Ｃ及び図１４Ｄに示される。ヘテロクラスター１１０ｂ５とヘテロクラスター１１０ｂ７とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ７にＭＩＭ構造体Ｍｃがない。同様に、ヘテロクラスター１１０ｂ６とヘテロクラスター１１０ｂ８とは、中心ＭＩＭ構造体Ｍｃの点で相違する。ヘテロクラスター１１０ｂ８に中心ＭＩＭ構造体Ｍｃがない。
図１５Ａは、ホモクラスター１１０ａを有する単層ハイブリッド吸収体１００Ａ１の上面図（ｘｙ平面）である。図１５Ｂは、図１５ＡにおけるＡ－Ａ’線に沿う断面図である。ハイブリッド吸収体１００Ａ１は、カラーフィルタ層１５１０を含む。図１５Ａに示すように、カラーフィルタ層１５１０のモザイクパターンは、赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ、青色カラーフィルタＢ及び白色カラーフィルタＷ（Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｗパターンの１種）を含む。本明細書での白色カラーフィルタＷは、透明な材料で作られる。図１５Ｂに示すように、近赤外線吸収材料１２０は、カラーフィルタ層１５１０の下に配置され、ホモクラスター１１０ａのＭＩＭ構造体Ｍは、近赤外線吸収材料１２０内に配置され、複数のフォトダイオードＰＤは、近赤外線吸収材料１２０の下方に配置される。赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ、青色カラーフィルタＢ及び白色カラーフィルタＷのそれぞれは、画素に対応する。各画素は、フォトダイオードＰＤに対応する。他の実施形態において、図１５Ｂにおける近赤外線吸収材料１２０の代わりに、無損失誘電体材料１２２を用いてもよい。無損失誘電体材料１２２は、カラーフィルタ層１５１０と複数のフォトダイオードＰＤとの間に配置される。複数のＭＩＭ構造体Ｍは、無損失誘電体材料１２２内に配置される。幾つかの実施形態において、無損失誘電体材料１２２は、空気であってもよい。
図１５Ａ及び図８Ｄに示すように、図１５Ａにおけるカラーフィルタ層１５１０の赤色フィルタ層Ｒ、緑色フィルタ層Ｇ及び青色フィルタ層Ｂのそれぞれの上方のＭＩＭ構造体Ｍの配列は、図８Ｄに示されるホモクラスター１１０ａ４の配列と同様である。ＭＩＭ構造体Ｍを含むハイブリッド吸収体１００Ａ１は、ナノ粒子（ＭＩＭ構造体Ｍ及び／又は誘電体構造体Ｄ等）を含まないハイブリッド吸収体と比較して、他の波長帯域の光を吸収することができ、より低い光透過率を実現することができる。言い換えれば、ＭＩＭ構造体Ｍを含むハイブリッド吸収体１００Ａ１は、一部の特定の波長帯域の光をフィルタで除去することができるため、優れたＣＩＳ性能を有する。複数のフォトダイオードＰＤは、ハイブリッド吸収体１００Ａ１の下方に配置され、それぞれが異なる波長帯域に対応することが理解される。近赤外線吸収材料１２０の一部は、カラーフィルタ層１５１０と複数のフォトダイオードＰＤとの間に配置される。
図１６Ａ及び図１６Ｂは、図１５Ａにおける単層ハイブリッド吸収体１００Ａ１の代替単層ハイブリッド吸収体１００Ａ２及び１００Ａ３の上面図（ｘｙ平面）である。ハイブリッド吸収体１００Ａ１、ハイブリッド吸収体１００Ａ２及びハイブリッド吸収体１００Ａ３は、ナノ粒子（ＭＩＭ構造体Ｍ及び／又は誘電体構造体Ｄを含む）の点で相違する。ハイブリッド吸収体１００Ａ２は、ホモクラスター１１０ａを含み、ハイブリッド吸収体１００Ａ３は、ヘテロクラスター１１０ｂを含む。図１６Ａに示すように、ハイブリッド吸収体１００Ａ２のＭＩＭ構造体Ｍの配列は、４×４アレイである。他の実施形態において、ＭＩＭ構造体Ｍの配列は、ｎ×ｎアレイであり、ここでｎ＞１である。図１６Ｂに示すように、ハイブリッド吸収体１００Ａ３のナノ粒子もアレイに配列される。しかしながら、ハイブリッド吸収体１００Ａ３は、ＭＩＭ構造体Ｍ及び誘電体構造体Ｄを含み、誘電体構造体Ｄが２×２アレイの形態で配列され、ＭＩＭ構造体Ｍが誘電体構造体Ｄの外側の周りに配列される。
図１７Ａは、二層ハイブリッド吸収体１７００の側面図である。図１７Ｂ及び図１７Ｃは、図１７Ａにおける第１の層１７１０及び第２の層１７２０の上面図（ｘｙ平面）である。二層ハイブリッド吸収体１７００は、第１の層１７１０と、第１の層１７１０の下に配置された第２の層１７２０とを含む。複数のフォトダイオードＰＤは、第２の層１７２０の下方に配置される。図１７Ｂに示すように、第１の層１７１０は、カラーフィルタ層２１０（ベイヤーフィルタ等）を含む。カラーフィルタ層２１０は、赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ及び青色カラーフィルタＢを含む。ＲＧＢは、それぞれ２×２画素アレイを含み、画素アレイの数は、本開示に限定されない。赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ及び青色カラーフィルタＢのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、１つのフォトダイオードＰＤに対応する。誘電体構造体Ｄは、周期アレイに配列される。具体的には、誘電体構造体Ｄは、赤色カラーフィルタＲ及び緑色カラーフィルタＧ内に配置され、青色カラーフィルタＢ内に配置されない。図１７Ａ及び図１７Ｃに示すように、第２の層１７２０は、第１の層１７１０と基板１７０５との間にある。第２の層１７２０は、緩衝層１７２２と、緩衝層１７２２内に配置されたＭＩＭ構造体Ｍとを含む。図１７Ｃに点線で示される赤色投影Ｒｐ、緑色投影Ｇｐ、青色投影Ｂｐは、赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ、青色カラーフィルタＢの緩衝層１７２２への投影を表す。ＭＩＭ構造体Ｍは、第２の周期アレイに配列される。具体的には、ＭＩＭ構造体Ｍは、赤色投影Ｒｐ内に配置されない。
幾つかの実施形態において、緩衝層１７２２は、ＳｉＯ２で作製される。幾つかの実施形態において、赤色カラーフィルタＲは、第１のフォトダイオードＰＤに配置され、緑色カラーフィルタＧは、第２のフォトダイオードＰＤに配置され、青色カラーフィルタＢは、第３のフォトダイオードＰＤに配置され、第１のフォトダイオードＰＤ、第２のフォトダイオードＰＤ及び第３のフォトダイオードＰＤは、それぞれ異なる波長帯域に対応する。第１のフォトダイオードＰＤ、第２のフォトダイオードＰＤ及び第３のフォトダイオードＰＤは、互いに異なる。言い換えれば、図１７Ａに示すように、緩衝層１７２２は、カラーフィルタ層２１０（赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ及び青色カラーフィルタＢを含む）と第１のフォトダイオードＰＤ、第２のフォトダイオードＰＤ及び第３のフォトダイオードＰＤとの間に配置される。幾つかの実施形態において、マイクロレンズ１７３０は、第１の層１７１０の上方に配置される。幾つかの実施形態において、赤色カラーフィルタＲ内に配置された誘電体構造体Ｄのサイズは、緑色カラーフィルタＧ内に配置された誘電体構造体Ｄのサイズと同じであってもよく、異なってもよい。幾つかの実施形態において、第１の層１７１０内に配置された誘電体構造体Ｄのサイズは、第２の層１７２０内に配置されたＭＩＭ構造体Ｍのサイズと同じであってもよく、異なってもよい。
図１７Ｂに示される誘電体構造体Ｄは、青色カラーフィルタＢ内に配置されないことが理解される。しかしながら、誘電体構造体Ｄの他の配列も本開示に含まれる。例えば、誘電体構造体Ｄは、赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ又はこれらの組み合わせ内に配置されない。同様に、図１７Ｃに示されるＭＩＭ構造体Ｍは、赤色投影Ｒｐ内に配置されない。しかしながら、ＭＩＭ構造体Ｍの他の配列も本開示に含まれる。例えば、ＭＩＭ構造体Ｍは、緑色投影Ｇｐ、青色投影Ｂｐ又はこれらの組み合わせ内に配置されない。
図１８Ａは、二層ハイブリッド吸収体１８００の側面図である。図１８Ｂ及び図１８Ｃは、図１８Ａにおける第１の層１８１０及び第２の層１８２０の上面図（ｘｙ平面）である。二層ハイブリッド吸収体１８００は、第１の層１８１０と、第１の層１８１０の下に配置された第２の層１８２０とを含む。複数のフォトダイオードＰＤは、第２の層１８２０の下方に配置される。第２の層１８２０は、第１の層１８１０と基板１８０５との間にある。二層ハイブリッド吸収体１８００は、第２の層１８２０の下に配置された緩衝層１８２２を含む。図１８Ｃに示すように、第２の層１８２０は、図１７Ｂにおける第１の層１７１０と同様であってもよい。図１８Ｃにおける誘電体構造体Ｄの他の配列は、上記図１７Ｂにおいて説明された様々な配列と同様であってもよく、本明細書では繰り返さない。図１８Ｂに示すように、複数のＭＩＭ構造体Ｍ（クラスター）は、追加の透明層１８１２内に配置され、領域内に集められる。具体的には、当該領域の投影は、青色投影Ｂｐの中心にある。図１８Ａに示すように、追加の透明層１８１２は、カラーフィルタ層２１０（赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ、青色カラーフィルタＢを含む）に配置される。赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ及び青色カラーフィルタＢのそれぞれは、画素に対応し、各画素は、１つのフォトダイオードＰＤに対応する。
図１８Ｂに示されるＭＩＭ構造体Ｍは、青色投影Ｂｐに集められることが理解される。しかしながら、ＭＩＭ構造体Ｍは、赤色投影Ｒｐ及び／又は緑色投影Ｇｐに集められてもよい。幾つかの実施形態において、追加の透明層１８１２は、透明な材料で作られてもよく、追加の透明層１８１２の屈折率は、第１の層１８１０の上方に配置されたマイクロレンズ１８３０（図１８Ａを参照）の屈折率より小さくてもよく、同じであってもよい。マイクロレンズ１８３０の屈折率は、一般的に２より小さい。幾つかの実施形態において、追加の透明層１８１２の材料は、マイクロレンズ１８３０の材料と同じである。幾つかの実施形態において、複数のＭＩＭ構造体Ｍの領域の投影は、赤色カラーフィルタＲ、緑色カラーフィルタＧ及び青色カラーフィルタＢのいずれか１つの中心にあってもよい。
図１９Ａは、二層ハイブリッド吸収体１９００の側面図である。図１９Ｂ及び図１９Ｃは、図１９Ａにおける第１の層１９１０及び第２の層１９２０の上面図（ｘｙ平面）である。二層ハイブリッド吸収体１９００は、第１の層１９１０と、第１の層１９１０の下に配置された第２の層１９２０とを含む。複数のフォトダイオードＰＤは、第２の層１９２０の下方に配置される。第２の層１９２０は、第１の層１９１０と基板１９０５との間にある。図１９Ｂにおける第１の層１９１０は、図１７Ｂの第１の層１７１０と同様であってもよい。図１９Ｂにおける誘電体構造体Ｄの他の配列は、上記図１７Ｂにおいて説明された様々な配列と同様であってもよく、本明細書では繰り返さない。図１９Ａに示すように、緩衝層１９３０は、第２の層１９２０の下に配置され、緩衝層１９３０の材料は、図１７Ａにおける緩衝層１７２２と同じであってもよい。二層ハイブリッド吸収体１９００は、第１の層１９１０の下に配置された低屈折率層１９２２を含む。言い換えれば、低屈折率層１９２２は、緩衝層１９３０と第１の層１９１０のカラーフィルタ層２１０との間に配置される。低屈折率層１９２２は、暗電流を低減して、光ノイズを抑制するという機能を有する。図１９Ｃに示すように、ＭＩＭ構造体Ｍは、低屈折率層１９２２内に配置される。図１９ＣにおけるＭＩＭ構造体Ｍの他の配列は、上記図１７Ｃにおいて説明された様々な配列と同様であってもよく、本明細書では繰り返さない。幾つかの実施形態において、低屈折率層１９２２の屈折率は、１～１．８であり、例えば、１．２、１．４又は１．６である。
図２０Ａは、二層ハイブリッド吸収体２０００の側面図である。図２０Ｂ及び図２０Ｃは、図２０Ａにおける第１の層２０１０及び第２の層２０２０の上面図（ｘｙ平面）である。複数のフォトダイオードＰＤは、第２の層２０２０の下方に配置される。図２０Ａにおける二層ハイブリッド吸収体２０００において、カラーフィルタ層２１０は、上部２１２及び下部２１４を含み、複数の誘電体構造体Ｄは、カラーフィルタ層２１０の下部２１４内に配置され（図２０Ｃを参照）、複数のＭＩＭ構造体Ｍは、カラーフィルタ層２１０の上部２１２内に配置される（図２０Ｂを参照）。カラーフィルタ層２１０の上部２１２は、図２０Ｂに示すように、上部赤色カラーフィルタＲＵ、上部緑色カラーフィルタＧＵ及び上部青色カラーフィルタＢＵを含む。カラーフィルタ層２１０の下部２１４は、図２０Ｃに示すように、下部赤色カラーフィルタＲＬ、下部緑色カラーフィルタＧＬ、下部青色カラーフィルタＢＬを含む。図２０Ａに示すように、二層ハイブリッド吸収体２０００は、基板２００５と第２の層２０２０との間に緩衝層２０３０を更に含む。図２０Ａにおける緩衝層２０３０の材料は、図１７Ａにおける緩衝層１７２２と同じであってもよい。
図２０Ｂにおける第１の層２０１０において、ＭＩＭ構造体Ｍは、第１の周期アレイに配列され、ＭＩＭ構造体Ｍは、上部緑色カラーフィルタＧＵ及び上部青色カラーフィルタＢＵ内に配置され、上部赤色カラーフィルタＲＵ内に配置されない。図２０Ｃにおける第２の層２０２０において、誘電体構造体Ｄは、第２の周期アレイに配列され、誘電体構造体Ｄは、下部緑色カラーフィルタＧＬ及び下部赤色カラーフィルタＲＬ内に配置され、下部青色カラーフィルタＢＬ内に配置されない。図２０Ｂに示されるＭＩＭ構造体Ｍは、上部赤色カラーフィルタＲＵ内に配置されないことが理解される。しかしながら、ＭＩＭ構造体Ｍの他の配列も本開示に含まれる。例えば、ＭＩＭ構造体Ｍは、上部緑色カラーフィルタＧＵ、上部青色カラーフィルタＢＵ又はこれらの組み合わせ内に配置されない。図２０Ｃにおける誘電体構造体Ｄの他の配列は、上記図１７Ｂにおいて説明された様々な配列と同様であってもよく、本明細書では繰り返さない。
本開示の光学装置は、小さい寸法の画素におけるＣＩＳの用途を改善するための超薄型ハイブリッド吸収体（メタ吸収体とも呼ばれる）を提供する。本開示のハイブリッド吸収体は、単層で配置されてもよく、二層（第１の層及び第１の層の下方に積層された第２の層）で配置されてもよい。ハイブリッド吸収体におけるナノ粒子（非周期構造体（ホモクラスター１１０ａ及び／又はヘテロクラスター１１０ｂ）及び周期アレイを含む）が複数のＭＩＭ構造体Ｍ及び／又は複数の誘電体構造体Ｄを含むため、クラスターは、特定の波長帯域の光も吸収することができる。光は、開示されたナノ粒子により屈折又は回折することができ、光の光路が変化することになる。したがって、一部の波長帯域の光を吸収できるカラーフィルタ層に加えて、複数のＭＩＭ構造体及び誘電体構造体は、他の波長帯域の光を吸収することができる。また、本開示の超薄型ハイブリッド吸収体は、光透過率が低いため、優れたＣＩＳ性能を有し、かつＣＩＳの製造実現可能性によって制限されない。
前述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、幾つかの実施形態の特徴を概説する。当業者であれば、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的を実施し、かつ／又は同じ利点を達成するために、他のプロセス及び構造体を設計又は変更するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解すべきである。また、当業者は、そのような同等の構成が本開示の精神及び範囲から逸脱しないことと、当業者が、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換、及び修正を行うことができることとを理解すべきである。
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ａ１、１００Ａ２、１００Ａ３、２００Ａ、２００Ｂ 単層ハイブリッド吸収体
１１０ａ、１１０ａ１、１１０ａ２、１１０ａ３、１１０ａ４、１１０ａ５、１１０ａ６、１１０ａ７、１１０ａ８ ホモクラスター
１１０ｂ、１１０ｂ１、１１０ｂ２、１１０ｂ３、１１０ｂ４、１１０ｂ５、１１０ｂ６、１１０ｂ７、１１０ｂ８ ヘテロクラスター
１２０ 近赤外線吸収材料
１２２ 無損失誘電体材料
２１０、１５１０ カラーフィルタ層
２１２ 上部
２１４ 下部
３００Ａ、３００Ｂ、４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ、５００Ａ、５００Ｂ、５００Ｃ、６００Ａ、６００Ｂ、１７００、１８００、１９００ｍ２０００ 二層ハイブリッド吸収体
４１０ａ 第１の周期アレイ
４１０ｂ 第２の周期アレイ
１７１０、１８１０、１９１０、２０１０ 第１の層
１７２０、１８２０、１９２０、２０２０ 第２の層
１７０５、１８０５、１９０５、２００５ 基板
１７２２、１８２２、１９３０、２０３０ 緩衝層
１７３０、１８３０ マイクロレンズ
１８１２ 追加の透明層
１９２２ 低屈折率層
Ｄ 誘電体構造体
Ｄｃ 中心誘電体構造体
Ｌ１ 半径方向距離
Ｌ２ 半径方向距離
Ｍ ＭＩＭ構造体
Ｍｃ 中心ＭＩＭ構造体
ＰＤ フォトダイオード
Ｒ 赤色カラーフィルタ
Ｇ 緑色カラーフィルタ
Ｂ 青色カラーフィルタ
Ｗ 白色カラーフィルタ
Ｒｐ 赤色投影
Ｇｐ 緑色投影
Ｂｐ 青色投影
ＲＵ 上部赤色カラーフィルタ
ＧＵ 上部緑色カラーフィルタ
ＢＵ 上部青色カラーフィルタ
ＲＬ 下部赤色カラーフィルタ
ＧＬ 下部緑色カラーフィルタ
ＢＬ 下部青色カラーフィルタ

Claims (15)

  1. 第１のフォトダイオード及び第２のフォトダイオードと、
    前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードの上方に配置されたハイブリッド吸収体とを含み、
    前記ハイブリッド吸収体は、
    前記第１のフォトダイオードに配置された第１のカラーフィルタと、前記第２のフォトダイオードに配置された第２のカラーフィルタとを含み、前記第１のカラーフィルタが前記第２のカラーフィルタとは異なるカラーフィルタ層と、
    前記第１のフォトダイオードの上方に配置され、前記第２のフォトダイオードの上方に配置されない複数の金属－絶縁体－金属構造体と、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体に隣接して配置された複数の誘電体構造体とを含む、光学装置。
  2. 近赤外線吸収材料を更に含み、
    前記近赤外線吸収材料の一部は、前記カラーフィルタ層と前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードとの間に配置され、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記近赤外線吸収材料内に配置される、請求項１に記載の光学装置。
  3. 前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記カラーフィルタ層内に配置される、請求項１に記載の光学装置。
  4. 前記カラーフィルタ層と前記第１のフォトダイオード及び前記第２のフォトダイオードとの間に配置された無損失誘電体材料を更に含み、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記無損失誘電体材料内に配置され、
    前記無損失誘電体材料は、空気である、請求項１に記載の光学装置。
  5. 前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、半径方向距離がＬ１の第１の円及び半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列され、前記半径方向距離Ｌ１は、前記半径方向距離Ｌ２とは異なり、
    前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数であり、前記第２の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数である、請求項１に記載の光学装置。
  6. 前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記第１の円に沿って均等に配列され、前記第２の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記第２の円に沿って均等に配列され、
    前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、前記第２の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数とは異なる、請求項５に記載の光学装置。
  7. 前記第１の円及び前記第２の円の中心に配置された追加の金属－絶縁体－金属構造体を更に含む、請求項５に記載の光学装置。
  8. 前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、半径方向距離がＬ１の第１の円に沿って配列され、前記複数の誘電体構造体は、半径方向距離がＬ２の第２の円に沿って配列され、前記半径方向距離Ｌ１は、前記半径方向距離Ｌ２とは異なり、
    前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、４の倍数であり、前記第２の円における前記複数の誘電体構造体の数は、４の倍数である、請求項１に記載の光学装置。
  9. 前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記第１の円に沿って均等に配列され、前記第２の円における前記複数の誘電体構造体は、前記第２の円に沿って均等に配列され、
    前記第１の円における前記複数の金属－絶縁体－金属構造体の数は、前記第２の円における前記複数の誘電体構造体の数とは異なる、請求項８に記載の光学装置。
  10. 前記第１の円及び前記第２の円の中心に配置された追加の誘電体構造体又は追加の金属－絶縁体－金属構造体を更に含む、請求項８に記載の光学装置。
  11. 第３のフォトダイオードに配置され、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタとは異なり、前記第１のフォトダイオード、前記第２のフォトダイオード及び前記第３のフォトダイオードがそれぞれ異なる波長帯域に対応する、前記カラーフィルタ層における第３のカラーフィルタと、
    第１のアレイに配列され、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタ内に配置され、前記第３のカラーフィルタ内に配置されない前記複数の誘電体構造体とを更に含み、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、第２のアレイに配列される、請求項１に記載の光学装置。
  12. 前記カラーフィルタ層と前記第１のフォトダイオード、前記第２のフォトダイオード及び前記第３のフォトダイオードとの間に配置された緩衝層を更に含み、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記緩衝層内に配置される、請求項１１に記載の光学装置。
  13. 前記カラーフィルタ層と前記第１のフォトダイオード、前記第２のフォトダイオード及び前記第３のフォトダイオードとの間に配置された緩衝層と、
    前記緩衝層と前記カラーフィルタ層との間に配置された低屈折率層とを更に含み、
    前記低屈折率層は、屈折率が１～１．８であり、
    前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記低屈折率層内に配置される、請求項１１に記載の光学装置。
  14. 前記カラーフィルタ層は、上部及び下部を含み、前記複数の誘電体構造体は、前記カラーフィルタ層の前記下部内に配置され、前記複数の金属－絶縁体－金属構造体は、前記カラーフィルタ層の前記上部内に配置される、請求項１１に記載の光学装置。
  15. 第３のフォトダイオードに配置され、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタとは異なり、前記第１のフォトダイオード、前記第２のフォトダイオード及び前記第３のフォトダイオードがそれぞれ異なる波長帯域に対応する、前記カラーフィルタ層における第３のカラーフィルタと、
    第１のアレイに配列され、前記第１のカラーフィルタ及び前記第２のカラーフィルタ内に配置され、前記第３のカラーフィルタ内に配置されない前記複数の誘電体構造体と、
    前記カラーフィルタ層に配置された追加の透明層であって、前記複数の金属－絶縁体－金属構造体が前記追加の透明層内に配置され、かつ領域内に集められる追加の透明層とを更に含み、
    前記領域の投影は、前記第１のカラーフィルタ、前記第２のカラーフィルタ及び前記第３のカラーフィルタのいずれか１つの中心にある、請求項１に記載の光学装置。
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