JPWO2014061173A1 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
固体撮像素子（１）は、入射光（１００）を光電変換する受光素子と、当該受光素子に対して入射光（１００）の入射側に配置された第１の分光素子（１１）とを備え、第１の分光素子（１１）は、第１の光透過膜材料（５１）と、入射光（１００）の第１の波長領域において第１の光透過膜材料（５１）の屈折率よりも低く、かつ、第１の波長領域よりも波長が長い入射光（１００）の第２の波長領域において第１の光透過膜材料（５１）の屈折率よりも高い屈折率特性を有する第２の光透過膜材料（５２）とを含み、第１の分光素子（１１）の一端から受光素子の受光面に平行な方向において当該一端と対向する他端に向かうにつれて、第１の分光素子（１１）における第１の光透過膜材料（５１）の体積占有率が増加し、第１の分光素子（１１）の他端から一端に向かうにつれて、第１の分光素子（１１）における第２の光透過膜材料（５２）の体積占有率が増加する。
Description
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子に関する。
近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく拡大してきた。そして、セルサイズの微細化により解像度が高まっているため、カメラの画質性能も格段に向上している。
ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子では、受光部分を有する画素を２次元状に複数配列して、被写体からの入射光を電気信号に変換している。この入射光量に応じて受光素子から出力される電気信号の大きさによって、固体撮像素子の感度は定義されている。このため、入射光を確実に受光素子に導入することが、感度を向上させるためには重要である。
従来の一般的な固体撮像素子の画素では、マイクロレンズに入射した光が、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のうちの何れかのカラーフィルタを通過して色分離された後、受光部で電気信号への変換がなされる。
しかし、従来の一般的な上記カラーフィルタは、透過光以外の入射光はカラーフィルタによって吸収されるため、入射光の約２５％しか電気信号に変換できていない。すなわち、光利用効率が低い。このため、従来の吸収型カラーフィルタを用いた固体撮像素子は、光利用効率を向上させることが困難である。
この課題に対して、特許文献１に示すように、分光素子に周期的に屈折率が変化する媒体を用いることで、固体撮像素子の光利用効率を向上させる技術が提案されている。この技術によれば、入射光が波長帯域毎に分光され、当該分光された光がその光に対応した受光領域へと導かれ光電変換されるため、従来のカラーフィルタによる方法に比べて光利用効率を向上させることが可能となる。
しかしながら、特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子は、光の回折効果を用いて分光している。一般的に、光の回折は０次光、１次光、２次光となって分光されるので光利用効率は下がってしまう。さらに、セルサイズが微細化された場合には回折格子を用いることが出来ない。これは、回折という物理現象が波長オーダーの繰り返し構造により生じるものであることから、回折格子は繰り返しの周期数分の大きさが必要となり、回折格子のサイズを微細化できないためである。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光利用効率の高い、高感度な固体撮像素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の固体撮像素子は、入射光を光電変換する複数の受光素子と、前記複数の受光素子に対して前記入射光の入射側に配置された複数の分光素子とを備え、前記複数の分光素子のそれぞれは、第１の光透過膜材料と、前記入射光の第１の波長領域において前記第１の光透過膜材料の屈折率よりも低く、かつ、前記第１の波長領域よりも波長が長い前記入射光の第２の波長領域において前記第１の光透過膜材料の屈折率よりも高い屈折率特性を有する第２の光透過膜材料とを含み、前記複数の分光素子のうち一の分光素子の一端から、前記受光素子の受光面に平行な方向において前記一端と対向する前記分光素子の他端へと向かうにつれて、前記分光素子における前記第１の光透過膜材料の体積占有率が増加し、前記分光素子の前記他端から前記一端に向かうにつれて、前記分光素子における前記第２の光透過膜材料の体積占有率が増加することを特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子によれば、赤色、青色及び緑色の光が分光素子により屈折され、各色に対応した受光素子に到達できるため、光利用効率を向上させることができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明に係る固体撮像素子について、以下の実施形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明に係る固体撮像素子がこれらに限定されることを意図しない。
（第１の実施形態)
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子に複数個配列された画素の構造断面図である。本発明の固体撮像素子１は、半導体基板１９と、第１の分光素子１１と、第２の分光素子１２と、各分光素子の上方に配置された絶縁膜１４と、絶縁膜１４の上方に配置され混色を抑制するためのマイクロレンズ１５と、赤色の光を吸収する第１の受光素子１６と、緑色の光を吸収する第２の受光素子１７と、青色の光を吸収する第３の受光素子１８とを備える。第１の分光素子１１と第２の分光素子１２とは隣接して配置されている。また、各分光素子の一辺は、マイクロレンズ１５の直径とほぼ等しい。ここで「ほぼ等しい」とは、製造上の誤差を含む意味である。
図１は、第１の実施形態に係る固体撮像素子に複数個配列された画素の構造断面図である。本発明の固体撮像素子１は、半導体基板１９と、第１の分光素子１１と、第２の分光素子１２と、各分光素子の上方に配置された絶縁膜１４と、絶縁膜１４の上方に配置され混色を抑制するためのマイクロレンズ１５と、赤色の光を吸収する第１の受光素子１６と、緑色の光を吸収する第２の受光素子１７と、青色の光を吸収する第３の受光素子１８とを備える。第１の分光素子１１と第２の分光素子１２とは隣接して配置されている。また、各分光素子の一辺は、マイクロレンズ１５の直径とほぼ等しい。ここで「ほぼ等しい」とは、製造上の誤差を含む意味である。
第１の受光素子１６は、マイクロレンズ１５及び第１の分光素子１１または第２の分光素子１２を介して入射された入射光１００のうち赤色の光を吸収して光電変換する。第２の受光素子１７は、マイクロレンズ１５及び第１の分光素子１１または第２の分光素子１２を介して入射された入射光１００のうち緑色の光を吸収して光電変換する。第３の受光素子１８は、マイクロレンズ１５及び第１の分光素子１１または第２の分光素子１２を介して入射された入射光１００のうち青色の光を吸収して光電変換する。
従来の固体撮像素子では、各画素につき１つのマイクロレンズが設けられていたのに対して、第１の実施形態に係る固体撮像素子１のマイクロレンズ１５は、隣接する画素の一部も覆っている。各画素への入射光量を（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と表した場合、１つのマイクロレンズ１５は、平面視において２画素分の面積を有しているため、２倍の入射光量（２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ）を集光できる。ここで、Ｒは赤色の入射光量、Ｇは緑色の入射光量、Ｂは青色の入射光量を意味する。なお、本明細書において「平面視」とは、受光面の法線方向から固体撮像素子を見た場合を意味する。
第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、マイクロレンズ１５と上記受光素子との間に配置されている。つまり、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、上記受光素子に対して入射光１００の入射側に配置されている。第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、共に、第１の波長分散特性を有する第１の光透過膜材料５１と第２の波長分散特性を有する第２の光透過膜材料５２とで構成されている。第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、受光面に平行な方向において、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２との体積占有率が変化する。具体的には、各分光素子の一端から、受光面に平行な方向において当該一端に対向する他端へと向かうにつれて、当該分光素子中における第１の光透過膜材料５１の体積占有率が増加し、かつ、各分光素子の上記他端から上記一端に向かうにつれて、当該分光素子中における第２の光透過膜材料５２の体積占有率が増加するように形成される。
図１に示されるように、第１の実施形態に係る固体撮像素子１では、第２の分光素子１２は、受光面に平行な上記方向において第１の分光素子１１と隣接して配置され、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、共に、第１の光透過膜材料５１が、第２の光透過膜材料５２の上に積層されている。なお、本明細書において、「上に」とは、半導体基板１９からマイクロレンズ１５の方向を意味する。言い換えれば、第１の光透過膜材料５１は、第２の光透過膜材料５２に対して入射光１００の入射側に積層されている。また、第１の分光素子１１と第２の分光素子１２とは、第１の分光素子１１と第２の分光素子１２との境界であって受光面の法線を含む面に対称となるよう、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とが配置されている。なお、各分光素子は図面奥行き方向のいかなる断面においても、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とが同様に配置されている。
次に、第１の光透過膜材料５１及び第２の光透過膜材料５２の性質を説明する。
第１の光透過膜材料５１は、赤色の光に対する屈折率が緑色の光に対する屈折率よりも低い、かつ、緑色の光に対する屈折率が青色の光に対する屈折率よりも低い波長分散特性を有する材料により構成される。
一方、第２の光透過膜材料５２は、赤色、緑色、青色の光に対する屈折率がほぼ等しい、かつ、第１の光透過膜材料５１の緑色の光に対する屈折率とほぼ等しい波長分散特性を有する材料により構成される。本明細書において、複数の屈折率が「ほぼ等しい」とは、屈折率の誤差の範囲が０．１以内であることを意味する。
つまり、第２の光透過膜材料５２は、青色の光に対応する第１の波長領域において第１の光透過膜材料５１の屈折率よりも低く、かつ、第１の波長領域よりも波長が長い赤色の光に対応する第２の波長領域において第１の光透過膜材料５１の屈折率よりも高い屈折率特性を有する。
次に、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の表面に入射光１００が照射された場合に、第１の分光素子１１によって、赤色、青色及び緑色の光がそれぞれどのように分離されるかについて説明する。本明細書において、青色の光に対応する波長領域は約４５０ｎｍ〜約４９０ｎｍ、赤色の光に対応する波長領域は約６００ｎｍ〜約７５０ｎｍ、緑色の光に対応する波長領域は約４９０ｎｍ〜約５８０ｎｍである。なお、第２の分光素子１２による色分離の原理は、第１の分光素子１１と同様である。
まず、赤色の光が固体撮像素子１の第１の分光素子１１を透過する場合について説明する。第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２との界面において、スネルの法則により、入射光は屈折率が高い方向へと曲がる。赤色の光に対して、第１の光透過膜材料５１の屈折率よりも第２の光透過膜材料５２の屈折率の方が高いため、第１の分光素子１１中における第２の光透過膜材料５２の体積占有率が大きい方向に入射光が屈折する。この原理と図１に図示された受光素子の配置とにより、第１の分光素子１１を透過した赤色の光を、第２の光透過膜材料５２の体積占有率が高い領域の下方に配置された第１の受光素子１６に導入できる。
次に、青色の光が固体撮像素子１の第１の分光素子１１を透過する場合について説明する。青色の光に対しては、第１の光透過膜材料５１の屈折率が第２の光透過膜材料５２の屈折率よりも高いため、スネルの法則により、第１の分光素子１１中における第１の光透過膜材料５１の体積占有率が大きい方向に光が屈折する。この原理と図１に図示された受光素子の配置とにより、第１の分光素子１１を透過した青色の光を、第１の光透過膜材料５１の体積占有率が高い領域の下方に配置された第３の受光素子１８に導入できる。
最後に、緑色の光が固体撮像素子１の第１の分光素子１１を透過する場合について説明する。第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とは、緑色の光に対する屈折率がほぼ等しいため、光は屈折せずに直進する。この原理と図１に図示された受光素子の配置とにより、第２の分光素子１２を透過した緑色の光を、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５１の体積占有率が等しい領域の下方に配置された第２の受光素子１７に導入できる。
第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、それらの境界面であって受光面の法線を含む面に対して対称となるよう形成されているため、第１の分光素子１１と第２の分光素子１２との色分離特性も、当該面に対して対称となる。また、第１の分光素子１１と第２の分光素子１２とは、交互に、隣接して配置されている。
図１に示された構成とすることで、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の両方から、赤色の光が屈折されて第１の受光素子１６に到達する。また、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の両方から、青色の光が屈折されて第３の受光素子１８に到達する。入射光１００が上記分光素子による屈折により分光されることで、回折により分光される場合と比較して光の集光ロスが少なくなる。これは、回折の場合は０次、１次、２次、３次と高次ゾーンまで光の分布が生じるのに対し、屈折の場合はそもそも高次ゾーンが存在しないので、その分、集光ロスが少なくなるためである。集光ロスが少なくなるほど、光利用効率は向上するため、本実施形態に係る固体撮像素子１の感度は向上する。また、色分離角度も分光素子の屈折率差によって制御できるため、受光素子の周期幅を一定にした場合、色分離角度が大きいと受光素子と分光素子との距離を短くできる。つまり、固体撮像素子１を低背化できる。
以上から、図１に示すような分光素子とマイクロレンズとを有する構成とすることで、入射光１００を全て受光素子に導入できるため、従来の吸収型カラーフィルタを用いた固体撮像素子と比較して感度を大幅に向上できる。
なお、第２の光透過膜材料５２が、第１の光透過膜材料５１の上に積層された構成であっても、同様の効果を発揮できる。この場合、図１に示す構成の場合と比較して、赤色の光と青色の光の屈折する方向が逆になるため、第１の受光素子１６と第３の受光素子１８との位置が入れ替わる。
次に、第１の実施形態に係る、第１の光透過膜材料５１が有する波長分散特性、及び、第２の光透過膜材料５２が有する波長分散特性について、図２を用いて説明する。
図２は、第１の実施形態に係る第１の光透過膜材料及び第２の光透過膜材料の波長分散特性を示すグラフである。同図において、横軸は入射光の波長を示し、縦軸は各光透過膜材料の屈折率を示す。具体的には、図２は、ＩＴＯ（インジウムチタン酸化物）で構成された第１の光透過膜材料５１の波長分散特性と、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）で構成された第２の光透過膜材料５２の第２の波長分散特性とを示している。なお、第１の光透過膜材料５１及び第２の光透過膜材料５２を構成する材料は、上記例示された材料に限定されるものではない。図２に示された波長分散特性と同様の特性を示す材料であれば、上記例示材料以外の材料で構成されていてもよい。例えば、第２の光透過膜材料５２は、ＳｉＯＮ（酸窒化ケイ素）、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）のいずれかであってもよい。
図２に示されるように、入射光の波長が長くなるにつれて、第１の光透過膜材料５１の屈折率は低下する。また、第２の光透過膜材料５２の屈折率は、入射光の波長によらずほぼ一定である。なお、本明細書において、屈折率が「ほぼ一定」とは、屈折率の誤差の範囲が０．１以内であることを意味する。
具体的には、青色の光に対応する波長領域においては、第１の光透過膜材料５１の屈折率が、第２の光透過膜材料５２の屈折率よりも高い。赤色の光に対応する波長領域においては、第１の光透過膜材料５１の屈折率が、第２の光透過膜材料５２の屈折率よりも低い。また、緑色の光に対応する波長領域において、第１の光透過膜材料５１の屈折率と第２の光透過膜材料５２の屈折率とが等しくなる。
なお、入射光１００の波長が４９０ｎｍから５８０ｎｍである波長領域におけるいずれかの波長において、第１の光透過膜材料５１の屈折率と、第２の光透過膜材料５２の屈折率とが等しくなることが好ましい。さらに好ましくは、入射光１００の波長が５００ｎｍから５５０ｎｍである波長領域におけるいずれかの波長において、第１の光透過膜材料５１の屈折率と、第２の光透過膜材料５２の屈折率とが等しいことである。このような構成とすることで、感度だけでなく、色浮きの減少と分光特性（色再現性）の向上とが期待できる。
次に、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の色分離特性についてのシミュレーション結果を、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。
図３Ａは、第１の実施形態に係る固体撮像素子における青色の光の進行状態を表す図であり、図３Ｂは、第１の実施形態に係る固体撮像素子における緑色の光の進行状態を表す図であり、図３Ｃは、第１の実施形態に係る固体撮像素子における赤色の光の進行状態を表す図である。具体的には、図３Ａ〜図３Ｃは、各色の光に対して有限要素法を用いた波動光学シミュレーションを実行した結果が表されている。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、青色の光の波長を４５０ｎｍ、緑色の光の波長を５２５ｎｍ、赤色の光の波長を６００ｎｍとしている。また、このときの固体撮像素子のセルサイズ、つまり第１の受光素子１６、第２の受光素子１７、第３の受光素子１８の幅は、それぞれ、０．９μｍである。第１の分光素子１１と第２の分光素子１２の周期幅は、それぞれ、セルサイズの２倍の１．８μｍである。第１の分光素子１１と第２の分光素子１２の膜厚は、それぞれ、２．４μｍである。また、各分光素子の底面と各受光素子までの距離は３．８μｍである。
図３Ａに示されるように、青色の光が入射した場合、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２で当該光が曲がるため、第３の受光素子１８に青色の光が到達していることがわかる。また、図３Ｂに示されるように、緑色の光が入射した場合、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２を透過しても当該光は曲がらないため、マイクロレンズ１５で入射光が集光されたまま第２の受光素子１７に光が到達する。さらに、図３Ｃに示すように、赤色の光が入射した場合、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２で当該光が曲がるため、第１の受光素子１６に光が到達する。
図４Ａ〜図４Ｃは、それぞれ、図３Ａ〜図３Ｃで示されたシミュレーション結果から得られた、各色の光を吸収する受光素子における光利用効率を表すグラフである。具体的には、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ、青色、緑色及び赤色の光を吸収する受光素子において、横軸に示す入射光の波長（ｎｍ）に対する、縦軸に示す光利用効率（％）を示したグラフである。縦軸の光利用効率（％）に関しては、入射光量を１００％としている。実線で示した曲線は、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の各受光素子における光利用効率である。これに対して、破線で示した曲線は、従来の吸収型カラーフィルタを用いた固体撮像素子の各受光素子における光利用効率である。
図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、第１の実施形態に係る固体撮像素子１の光利用効率は、当該効率が最も高くなる波長領域において、６５〜７５％程度である。この結果は、従来の吸収型カラーフィルタを用いた固体撮像素子と比較して、光利用効率が約３倍向上していることを示している。ここで、従来の固体撮像素子においても、緑色の画素の数は、他の色の画素の数の２倍程度であるため、他の色と比較すると効果は高くないものの、１．５倍程度向上していることが確認できる。
図５Ａは、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の第１の画素配列を表す平面図であり、図５Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の第２の画素配列を表す平面図である。図５Ａに示される第１の画素配列及び図５Ｂに示される第２の画素配列ともに、赤色の光を受光する第１の画素２６と、緑色の光を受光する第２の画素２７と、青色の光を受光する第３の画素２８とが行列状に配置されている。各画素２６、２７及び２８の上方には、平面視においてそれぞれ矩形の第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２のいずれかが形成されている。なお、矩形とは、長方形及び正方形だけでなく、設計上または製法上の制約により、各角が丸みを帯びた形状を含むものとする。
また、第１の画素配列及び第２の画素配列ともに、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の各々の上方には、楕円形または略矩形のマイクロレンズ１５が形成されている（図示せず）。楕円形のマイクロレンズの場合、長径が第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の各々の略矩形の第１の辺の長さと等しい。また短径が、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の各々の略矩形の第２の辺の長さと等しい。第１の辺と第２の辺とは直交する。略矩形のマイクロレンズの場合、マイクロレンズ１５の形状は、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２の各々と平面視において、ほぼ同じである。ここで、「ほぼ同じ」とは、製造上の誤差を含む。
第１の画素配列は、第１の画素２６及び第３の画素２８が、それぞれ図５Ａに示す列方向にジグザグに、かつ、画素の対角線方向に隣接して配置されている。この場合、画素の対角線方向の解像度及び図５Ａに示す列方向の解像度は、それぞれ、図５Ａに示す行方向の解像度よりも高い。これは、第１の画素２６及び第３の画素２８がそれぞれ、行方向において３つの画素分だけ離れて配置されていることに起因して、他の方向に対して相対的に解像度が低くなるためである。
第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は共に、平面視において、第２の画素２７のすべて、第１の画素２６の一部、第３の画素２８の一部を覆うように形成される。また、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、それぞれの行において、交互に配列されている。
第２の画素配列は、第１の画素２６及び第３の画素２８がそれぞれ、図５Ｂの第１の対角線方向に隣接して配置されている。この場合、図５Ｂの行方向、列方向及び第１の対角線方向の解像度はそれぞれ、図５Ｂの第２の対角線方向の解像度に比べて高い。これは、第１の画素２６及び第３の画素２８がそれぞれ、第２の対角線方向において１つの画素分だけ離れて配置されていることに起因して、他の方向に対して相対的に解像度が低くなるためである。
第１の画素配列と同様に、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は共に、平面視において、第２の画素２７のすべて、第１の画素２６の一部、第３の画素２８の一部を覆うように形成される。また、第１の分光素子１１及び第２の分光素子１２は、それぞれの行において、交互に配列されている。
なお、図５Ｂにおいて、第１の画素２６及び第３の画素２８が、それぞれ、第２の対角線方向に隣接して配置されていてもよい。この場合、図５Ｂの行方向、列方向及び第２の対角線方向の解像度は、それぞれ、図５Ｂの第１の対角線方向の解像度に比べて高い。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る固体撮像素子に複数個配列された画素の構造断面図である。第１の実施形態と実質的に同様の構成については同じ番号を付して説明を省略する場合がある。第２の実施形態に係る固体撮像素子２において、第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２が共に、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とを備えている。具体的には、第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２は、それぞれ、入射光１００の波長より短い幅で分割された複数の領域を備えている。上記複数の領域は、第１の領域と第２の領域とを有する。第１の領域は、第１の光透過膜材料５１で構成される。第２の領域は、第２の光透過膜材料５２で構成される。第１の光透過膜材料５１及び第２の光透過膜材料５２は共に、第１の実施形態と同様の材料で構成される。
図６は、第２の実施形態に係る固体撮像素子に複数個配列された画素の構造断面図である。第１の実施形態と実質的に同様の構成については同じ番号を付して説明を省略する場合がある。第２の実施形態に係る固体撮像素子２において、第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２が共に、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とを備えている。具体的には、第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２は、それぞれ、入射光１００の波長より短い幅で分割された複数の領域を備えている。上記複数の領域は、第１の領域と第２の領域とを有する。第１の領域は、第１の光透過膜材料５１で構成される。第２の領域は、第２の光透過膜材料５２で構成される。第１の光透過膜材料５１及び第２の光透過膜材料５２は共に、第１の実施形態と同様の材料で構成される。
第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２は、受光面に平行な方向において、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２との体積占有率が変化する。具体的には、受光面に平行な方向における、各分光素子の一端から当該一端に対向する他端に向かうにつれて、各分光素子中における第１の光透過膜材料５１の体積占有率が増加し、かつ、各分光素子の上記他端から上記一端に向かうにつれて、各分光素子中における第２の光透過膜材料５２の体積占有率が増加するように形成される。図６では、第１の光透過膜材料５１の体積占有率分布が、受光面に平行な方向における、画素の一端から当該一端に対向する他端に向かって単調に減少し、かつ、第２の光透過膜材料５２の体積占有率分布が、上記一端から上記他端に向かって単調に増加するように形成されている。
図７Ａは、第２の実施形態に係る第４の分光素子についての、第１の光透過膜材料及び第２の光透過膜材料の体積占有率分布を表すグラフである。ここで、体積占有率分布とは、分光素子中における、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２のそれぞれの空間占有率のことである。図７Ａに表された体積占有率分布を有する第４の分光素子３２では、赤色の光に対しては、第１の光透過膜材料５１の屈折率よりも第２の光透過膜材料５２の屈折率の方が高いため、スネルの法則により、第２の光透過膜材料５２の体積率分布が高い方向に光が屈折する。青色の光に対しては、第１の光透過膜材料５１の屈折率の方が第２の光透過膜材料５２の屈折率よりも高いため、スネルの法則により、第１の光透過膜材料５１の体積分布率の大きい方向に光が屈折する。緑色の光に対しては、第１の光透過膜材料５１と第２の光透過膜材料５２とで、屈折率はほぼ等しいため、光は屈折せずに直進する。
図７Ｂは、第２の実施形態に係る第４の分光素子の有効屈折率分布を表すグラフである。有効屈折率分布とは、光の波長以下の構造において、光の波長程度の領域で平均化された屈折率の分布のことである。
図７Ａに示されたような体積占有率分布を持つように第４の分光素子が形成されると、第１の光透過膜材料５１の体積占有率分布が高くなるにつれて、青色の光に対する有効屈折率も増加する。また、第２の光透過膜材料５２の体積占有率分布が高くなるにつれて、赤色の光に対する有効屈折率も増加する。緑色の光に対しては、第１の光透過膜材料５１の体積占有率と第２の光透過膜材料５２の体積占有率とはほぼ等しいため、有効屈折率分布もほとんど変化しない。
上記構成とすることで、第１の実施形態と同様、第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２の両方から、赤色の光が屈折されて第１の受光素子１６に到達する。また第３の分光素子３１及び第４の分光素子３２の両方から、青色の光が屈折されて第３の受光素子１８に到達する。屈折により分光されることで、回折により分光される場合と比較して、光の集光ロスが少なくなる。これは、回折の場合は０次、１次、２次、３次と高次ゾーンまで光の分布が生じるのに対し、屈折の場合はそもそも高次ゾーンが存在しないので、その分集光ロスが少なくなるためである。集光ロスが少なくなる分、光利用効率は向上するため、固体撮像素子の感度は向上する。また、色分離角度も分光素子の屈折率差により制御できるため、受光素子の周期幅を一定にした場合、色分離角度が大きいと受光素子と分光素子の距離が短くできる。つまり、固体撮像素子を低背化できる。よって、図６に示された分光素子とマイクロレンズとを有する構成とすることで、入射光１００を全て受光素子に導入できるため、従来の吸収型カラーフィルタを用いた固体撮像素子に対して感度を大幅に向上できる。
以上、本発明に係る固体撮像素子について、実施形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る固体撮像素子は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
本発明に係る固体撮像素子は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ又はカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、産業上有用である。
１、２ 固体撮像素子
１１ 第１の分光素子
１２ 第２の分光素子
１４ 絶縁膜
１５ マイクロレンズ
１６ 第１の受光素子
１７ 第２の受光素子
１８ 第３の受光素子
１９ 半導体基板
２６ 第１の画素
２７ 第２の画素
２８ 第３の画素
３１ 第３の分光素子
３２ 第４の分光素子
５１ 第１の光透過膜材料
５２ 第２の光透過膜材料
１００ 入射光
１１ 第１の分光素子
１２ 第２の分光素子
１４ 絶縁膜
１５ マイクロレンズ
１６ 第１の受光素子
１７ 第２の受光素子
１８ 第３の受光素子
１９ 半導体基板
２６ 第１の画素
２７ 第２の画素
２８ 第３の画素
３１ 第３の分光素子
３２ 第４の分光素子
５１ 第１の光透過膜材料
５２ 第２の光透過膜材料
１００ 入射光
Claims (10)
- 入射光を光電変換する複数の受光素子と、
前記複数の受光素子に対して前記入射光の入射側に配置された複数の分光素子とを備え、
前記複数の分光素子のそれぞれは、
第１の光透過膜材料と、
前記入射光の第１の波長領域において前記第１の光透過膜材料の屈折率よりも低く、かつ、前記第１の波長領域よりも波長が長い前記入射光の第２の波長領域において前記第１の光透過膜材料の屈折率よりも高い屈折率特性を有する第２の光透過膜材料とを含み、
前記複数の分光素子のうち一の分光素子の一端から、前記受光素子の受光面に平行な方向において前記一端と対向する前記分光素子の他端へと向かうにつれて、前記分光素子における前記第１の光透過膜材料の体積占有率が増加し、前記分光素子の前記他端から前記一端に向かうにつれて、前記分光素子における前記第２の光透過膜材料の体積占有率が増加する
固体撮像素子。 - 前記複数の分光素子は、第１の分光素子と、前記方向に隣接する第２の分光素子とを含み、
前記第１の分光素子と前記第２の分光素子とは、前記第１の分光素子と前記第２の分光素子との境界であって前記受光面の法線を含む面に対称となるよう、前記第１の光透過膜材料と前記第２の光透過膜材料とが配置されている
請求項１に記載の固体撮像素子。 - 前記入射光の波長が長くなるにつれて、前記第１の光透過膜材料の屈折率が低下する
請求項１または２に記載の固体撮像素子。 - 前記第１の光透過膜材料は、前記第２の光透過膜材料に対して前記入射光の入射側に積層されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記第２の光透過膜材料は、前記第１の光透過膜材料に対して前記入射光の入射側に積層されている
請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記複数の分光素子は、それぞれ、前記入射光の波長より短い幅で分割された複数の領域を備え、
前記複数の領域は、前記第１の光透過膜材料で構成された第１の領域と、
前記第２の光透過膜材料で構成された第２の領域とを含む
請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記複数の分光素子は、それぞれ、前記受光面の法線方向から見て矩形であり、
前記複数の分光素子のそれぞれに対応して設けられたマイクロレンズの形状は、前記法線方向から見て楕円形であり、
前記楕円形のマイクロレンズの長径は、前記複数の分光素子のそれぞれにおける第１の辺の長さと等しく、前記楕円形のマイクロレンズの短径は、前記複数の分光素子のそれぞれにおける第２の辺の長さと等しく、
前記第１の辺と前記第２の辺とは直交する
請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記複数の分光素子は、それぞれ、前記受光面の法線方向から見て矩形であり、
前記複数の分光素子のそれぞれに対応して設けられたマイクロレンズの形状は、前記法線方向から見て矩形である
請求項１から６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記入射光の波長が４９０ｎｍから５８０ｎｍである波長領域におけるいずれかの波長において、前記第１の光透過膜材料の屈折率と前記第２の光透過膜材料の屈折率とが等しい
請求項１から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記第１の光透過膜材料は、ＩＴＯを含み、
前記第２の光透過膜材料は、Ａｌ２Ｏ３を含む
請求項１から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
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