JPWO2018154627A1 - 固体光検出器 - Google Patents

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Abstract

この固体光検出器（１０）では、機能層（１３）は、各波面の互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないように構成されている。

Description

本発明は、固体光検出器に関する。
従来、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部を備える固体撮像装置（固体光検出器）が開示されている。このような固体光検出器は、たとえば、米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書、特開２０１６−５８５０７号公報および特表２０１３−５１８４１４号公報に開示されている。
米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書に記載の表面入射型の固体撮像装置は、受光した光の強度に応じた信号を出力する受光部を含む半導体基板と、受光面と受光面上に配置される読出し配線部とを備えている。また、受光部および読出し配線部は、表面膜で覆われおり、光は、受光部面（表面）側から表面膜を介して受光部に入射される。
しかしながら、米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書に記載の表面入射型の固体撮像装置では、受光部の表面で反射した光と、表面膜の光入射面の異なる箇所（反射した光が入射された箇所とは異なる箇所）から入射した光とが干渉（多重反射干渉）し、感度が不安定になるという問題点があった。
また、特開２０１６−５８５０７号公報の裏面入射型の固体撮像装置では、半導体基板の表面側の表面膜に設けられる遮光膜を凹凸形状に形成している。これにより、遮光膜によって反射される光の位相が、凹凸形状により変化するので、遮光膜により反射される光の位相と、半導体基板の異なる箇所から受光面（裏面）に入射する光の位相とを異ならせることができる。その結果、受光部の受光面に入射する光と、遮光膜側で反射された光とが干渉（半導体基板における多重反射干渉）するのが抑制される。これにより、光の干渉に起因して、受光部により検出される信号の強度が変動するのが抑制される。
また、特表２０１３−５１８４１４号公報の裏面入射型の固体撮像装置では、受光部の受光面（半導体基板の裏面）に耐火金属酸化物またはフッ化物誘電体からなる縞抑制層が設けられている。これにより、受光部の受光面（半導体基板の裏面）に入射する光と、半導体基板の表面側（受光面とは反対側の面）で反射された光とが干渉すること（半導体基板における多重反射干渉）が、縞抑制層により抑制される。その結果、光の干渉に起因して、受光部により検出される信号の強度が変動するのが抑制される。
米国特許出願公開第２０１０／０１４８２８９号明細書 特開２０１６−５８５０７号公報 特表２０１３−５１８４１４号公報
しかしながら、特開２０１６−５８５０７号公報および特表２０１３−５１８４１４号公報による干渉の抑制方法は、半導体基板を介して受光面とは反対側の面で反射された光と受光面に入射した光の干渉（半導体基板内における多重反射干渉）の抑制方法であり、表面入射型の固体撮像装置における受光部の表面上に設けられる表面膜内で生じる干渉（多重反射干渉）については、光の干渉を抑制する効果が得られない。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、受光面を保護する表面膜における多重反射干渉を抑制することが可能な固体光検出器を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体光検出器は、受光した光の強度に応じた信号を出力する複数の受光部と、受光部を保護するための表面膜と、表面膜の表面上に設けられる機能層とを備え、機能層は、機能層に入射した光の平面波が、受光面から受光部内に浸透した第一の波面と、受光部に浸透せず受光面にて反射した後に機能層表面にて反射し、再度受光部内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに機能層および表面膜内に存在する屈折率境界面にて反射した後に受光部内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう構成されている。なお屈折率境界は、必ずしも物質境界を示すものではなく、物質境界が存在する場合にも、実質的に振幅反射率が０．００２以下であれば、屈折率境界として考慮する必要はない。
この発明の一の局面による固体光検出器では、上記のように、表面膜の表面へ入射する光の平面波が、機能層および表面膜内に存在する屈折率境界面により反射した後に受光部に浸透する各波面および、機能層内部に入射した後に屈折率境界で反射せずに受光部に浸透する光の波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致しないように構成されている機能層が設けられている。これにより、従来構成において表面膜にて発生する、入射光および表面膜で生じた反射光とが互いに強め合うこと（または、弱め合うこと）、すなわち干渉が抑制される。その結果、受光面を保護する表面膜における多重反射干渉を抑制することができる。これにより、感度が不安定になることを抑制することができる。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層の屈折率と、表面膜の屈折率とは、略等しい、または、機能層と表面膜とは、同一物質で構成される。このように構成すれば、機能層と表面膜との界面において光が反射するのを抑制することができる。これにより、表面膜における多重反射干渉をより抑制することができる。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層は、レンズ形状を有する。このように構成すれば、レンズ形状により、平面波は、機能層表面に入射し、機能層入射後に受光面で反射し、さらに機能層表面で反射する波面と、機能層表面に入射した他の波面とは、進行方位と波面形状が同時に一致することはない。
この場合、好ましくは、レンズ形状を有する機能層は、機能層に入射する平行光束を受光面にて集光する機能を有する。このように構成すれば、機能層の付与により、より小さい受光部面積で入射する光を受光することができ、受光部（フォトダイオード）から発生する暗電流が低減され、より性能の高い固体光検出器を提供できる。
上記機能層がレンズ形状を有する固体光検出器において、好ましくは、機能層は、１つのレンズ形状を有する。このように構成すれば、１つのレンズ形状の機能層を容易に形成することができる。
上記機能層がレンズ形状を有する固体光検出器において、好ましくは、機能層は、複数のレンズ形状を有する。このように構成すれば、機能層の厚みを薄くすることができ、より厚みの薄い固体光検出器を提供できる。
また、機能層および受光部は、それぞれ、繰り返しの構造を有し、機能層の繰り返し構造と、受光部の繰り返し構造とは、一致していなくてもよい。このように構成すれば、機能層の繰り返し構造と受光部の繰り返し構造とを、一致させるように形成する場合と比べて、機能層の形成が容易になる。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、表面膜と機能層とは、一体的に構成されている。このように構成すれば、表面膜と機能層とを同一の工程で製造することができるので、固体光検出器の製造工程を簡略化することができる。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層は、機能層に入射した光の平面波が、受光面から受光部内に浸透した第一の波面と、受光部に浸透せず受光面にて反射した後に機能層の表面にて反射し、再度受光部内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに機能層および表面膜内に存在する屈折率境界面にて反射した後に受光部内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう予め形成されている。このように構成すれば、予め形成された機能層を表面膜に配置するだけで、容易に、多重反射干渉を抑制することができる。
この場合、機能層と表面膜との間に設けられ、予め形成された機能層と表面膜とを接合するための接合層をさらに備えていてもよい。このように構成すれば、予め形成された機能層を、容易に、表面膜の表面上に配置することができる。
上記接合層が設けられる固体光検出器において、接合層と表面膜との間に、表面膜の厚さに対して大きい厚み有する厚膜をさらに備えていてもよい。このように構成すれば、機能層と表面膜との屈折率が大きく異なる場合でも、多重反射干渉を抑制することができる。
上記厚膜が設けられる固体光検出器において、表面膜と厚膜との間に設けられ表面膜と厚膜と接合するための接合層と、機能層と厚膜との間に設けられ機能層と厚膜と接合するための接合層とのうちの少なくとも一方の接合層が設けられていてもよい。このように構成すれば、表面膜と厚膜（機能層と厚膜）を容易に接合することができる。
この場合、接合層は、表面膜と厚膜との間、および、機能層と厚膜との間の両方に設けられていてもよい。このように構成すれば、表面膜と厚膜との接合と、機能層と厚膜との接合との両方を容易に行うことができる。
上記接合層が設けられる固体光検出器において、機能層と表面膜との間に設けられる接合層に面する機能層の表面が平坦面（平面）ではなくてもよい。このように構成すれば、受光面と接合層に面する機能層の接合面とが、平行平面として機能しないので、多重反射干渉の発生を抑制することができる。
本発明によれば、上記のように、受光面を保護する表面膜における光の干渉を抑制することができる。
第１実施形態による固体光検出器の断面図である。 第１実施形態による固体光検出器（受光部）の平面図である。 波長と透過率との関係を説明するための図（１）である。 波長と透過率との関係を説明するための図（２）である。 振幅反射率と透過率変化率との関係を説明するための図である。 従来と同じ構成における固体光検出器の表面膜における光の干渉を説明するための図である。 波長と透過率との関係を説明するための図である。 第１実施形態による固体光検出器の表面膜における光の干渉を説明するための図（１）である。 第１実施形態による固体光検出器の表面膜における光の干渉を説明するための図（２）である。 第１実施形態による固体光検出器の表面膜における光の干渉を説明するための図（３）である。 第２実施形態による固体光検出器の断面図である。 第３実施形態による固体光検出器の平面図である。 第３実施形態の変形例による固体光検出器の平面図である。 第４実施形態による固体光検出器の断面図である。 第４実施形態の変形例（１）による固体光検出器の断面図である。 第４実施形態による固体光検出器の機能層の効果を説明するための図（１）である。 第４実施形態による固体光検出器の機能層の効果を説明するための図（２）である。 第４実施形態による固体光検出器の機能層の効果を説明するための図（３）である。 第４実施形態の変形例（２）による固体光検出器の断面図である。 第１変形例による固体光検出器の断面図である。 第２変形例による固体光検出器の断面図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１〜図１０を参照して、本発明の第１実施形態による固体光検出器１０の構成について説明する。
（固体光検出器の構成）
固体光検出器１０は、たとえば、受光部１１（フォトダイオード）を含むＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサおよびＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサからなる。第１実施形態では、固体光検出器１０は、配線パターン８が設けられる側から光が入射される表面入射型である。
図１に示すように、表面入射型の固体光検出器１０は、受光部１１を備えている。図２に示すように、受光部１１は、複数設けられている。複数の受光部１１は、平面視において（受光面１１ａ側から見て）、マトリクス状に配置されている。
また、図１に示すように、受光部１１は、受光面１１ａを有する。そして、受光部１１は、受光面１１ａから受光部１１に入射した光の強度に応じた信号を出力するように構成されている。また、受光部１１は、たとえばフォトダイオードにより構成されている。フォトダイオードは、半導体基板１１ｂに含まれるＰＮ接合部に光が照射されることにより電荷を発生するように構成されている。
また、受光面１１ａの表面上には、受光面１１ａを保護するための表面膜１２が設けられている。表面膜１２は、たとえば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどの材料からなる。また、表面膜１２の中には配線パターン８が形成されている。なお、表面膜１２の厚みｄ０は略一定（平坦）である。
ここで、第１実施形態では、表面膜１２の表面（受光部１１側とは反対側の面）上には、機能層１３が設けられている。機能層１３は、機能層１３に入射した光の平面波が、受光面１１ａから受光部１１内に浸透した第一の波面と、受光部１１に浸透せず受光面１１ａにて反射した後に機能層１３表面にて反射し、再度受光部１１内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに機能層１３および表面膜１２内に存在する屈折率境界面にて反射した後に受光部１１内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう構成されている。なお、機能層１３の機能の詳細な説明は後述する。
また、第１実施形態では、機能層１３は、レンズ形状を有する。具体的には、機能層１３は、光が入射する側に突出する凸レンズ形状を有している。また、複数の受光部１１に対して、１つの凸レンズ形状の機能層１３の部分が対応している。
また、第１実施形態では、機能層１３の屈折率と、表面膜１２の屈折率とは、略等しい。具体的には、機能層１３は、表面膜１２と同じ材料（たとえば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどの材料）から構成されている。なお、屈折率が略等しければ、機能層１３の材料と、表面膜１２の材料とは異なっていてもよい。
ここで、図３〜図５を参照して、機能層１３の屈折率と表面膜１２の屈折率の差がどの程度であれば屈折率境界として実効的に考慮する必要がないかを定量的に示す。表面膜１２の上に機能層１３を積層しても、その屈折率が大きく異なる場合は、表面膜１２内で多重反射干渉が生じて、図３の実線（Ｒｉｐｐｌｅ）のプロットのように、干渉リプルが発生してしまう。一方、屈折率が十分に近い場合は、表面膜１２内で多重反射干渉は生じず、図３の破線（Ｎｏ Ｒｉｐｐｌｅ）のように干渉リプルは発生しない。
図４は、厚みｄが１ｕｍの表面膜１２の上に、厚みが１０ｍｍの機能層１３を設けて、機能層１３の屈折率を、１．５０５、１．５１０、１．５２０、１．５３０、１．５５０、および、表面膜１２と同一(１．５００、「Ｎｏ Ｒｉｐｐｌe」のデータ)と変化させた場合の透過率を、１ｎｍの刻みで計算し、プロットしたグラフである。計算では表面膜１２内で生じる干渉リプルのみを確認するために、機能層１３の厚みを表面膜１２の厚みに比べて十分に大きくし、機能層１３内において生じる多重反射干渉あるいは表面膜１２および機能層１３において生じる多重反射干渉による干渉リプルが刻みに対して十分に小さくなる（無視できる）条件にしている。図４より、機能層１３の屈折率が、表面膜１２の屈折率に近いほど干渉リプルの影響が小さくなっていることが確認された。
図５は、図４のグラフ中の波長２２４ｎｍのピークに着目して、その波長における透過率の変化を振幅反射率に対してプロットしたものである。振幅反射率は、表面膜１２の屈折率と機能層１３の屈折率とによって決まるので、機能層１３の屈折率変化と振幅反射率とは１対１の関係を有する。図５の縦軸は、透過率の変化率（Ｎｏ Ｒｉｐｐｌｅの透過率に対する変化率）である。図５のプロットは左から、機能層の屈折率が１．５０２、１．５０５、１．５１０、１．５２０、１．５３０、１．５５０、そして機能層１３無しの場合のときの透過率の変化率を示している。このプロットを２次曲線で近似して、機能層１３無しの場合の透過率変化率に対して１％となるときの振幅反射率を求めたところ、その値は約０．００２であった。つまり機能層１３と表面膜１２との界面における振幅反射率が０．００２以下であるような場合は、機能層１３と表面膜１２との界面は多重反射干渉がほぼ生じない屈折率界面とみなすことが可能である。
また、機能層１３は、表面膜１２の表面上に機能層１３の元となる層（図示せず）を形成した後、機能層１３の元となる層をエッチングすることなどにより形成される。また、予め形成された機能層１３を、表面膜１２の表面上に接合してもよい。
（機能層の機能の説明）
次に、図６〜図１０を参照して機能層１３の機能について説明する。
まず、図６に示すように、機能層１３が設けられない、すなわち、従来と同じ構成における固体光検出器２００では、表面膜２１２に入射した光（単色光）の平面波は、その一部が表面膜２１２の表面上（空気層との境界）において反射される。表面膜２１２に入射した光波の一部は、表面膜２１２の内部に浸透する。また、表面膜２１２の内部に浸透した光波の一部は、表面膜２１２と受光部２１１との境界において反射される。また、表面膜２１２の内部に浸透した光波の一部は、受光部２１１の内部に浸透する（波面Ｗ１”）。
また、表面膜２１２と受光部２１１との境界において反射された光波は、空気層と表面膜２１２との境界で反射して再び表面膜２１２を介して受光部２１１側に向かって進み、受光部２１１の内部に浸透する（波面Ｗ２"）。ここで、これまでの入射境界および反射境界は全て平面であり、かつ相互に平行となっているため、波面Ｗ１"と波面Ｗ２"とは、進行方位は同一で、いずれも平面波となっている。このため、波面Ｗ１"と波面Ｗ２"とは干渉する（互いに強め合う、または、互いに弱め合う）。
次に、図７を参照して、半導体基板（シリコン（Ｓｉ）基板）上に形成された表面膜（シリコン酸化物（ＳｉＯ2）膜）の光の干渉について説明する。図７では、横軸は、光の波長を表し、縦軸は、空気層からＳｉ基板へ通過する光に対するＳｉＯ2膜の透過率を表す。
光の干渉（多重反射干渉）がある場合は、透過率が振動波形のように激しく振動（リプル）している。このため、受光部２１１に到達する光の強度が変動してしまうので、受光部２１１から出力される信号が安定し難くなる。
次に、図８および図９を参照して、第１実施形態の固体光検出器１０のように、表面膜１２の表面上に機能層１３を設けた場合の光の干渉について説明する。なお、図８および図９では、表面膜１２の屈折率と機能層１３の屈折率が等しい場合の光の反射・屈折の状態が表されている。
図９のように、機能層１３（レンズ）に斜めに入射した波面（平面光波）Ｗ１は、機能層１３の表面で屈折しつつ波面が球面に変換され、受光面１１ａの表面で反射し、再び機能層１３の表面で反射して、再び受光面１１ａに向かい、一部が反射し光波面Ｗ２となり、残りが受光部１１内に浸透しＷ１”となる。受光面１１ａで反射した光波面Ｗ２は機能層１３表面で一部が反射し再度、受光面１１ａに到達、受光部１１内に浸透し光波面Ｗ２”となる。図から分かるように、波面Ｗ１”およびＷ２”は、その進行方位および波面形状が一致することはない。したがって干渉は生じない。
図１０を参照して、機能層１３に垂直に光が入射する場合を説明する。機能層１３に入射し機能層１３の表面で屈折し、波面がほぼ球面となった光波面は、表面膜１２を介して、受光部１１に入射する。受光部１１内で波面Ｗ１”は受光面１１ａを中心とする球面となる（図１０（ａ）参照）。また、この光は、受光面１１ａで一部が反射し、波面Ｗ２となる（図１０（ｂ）参照）。その後、波面Ｗ２は、機能層１３と空気層との界面において、再び受光部１１側に反射される（波面Ｗ２’）（図１０（ｃ）参照）。光の再帰性からレンズとしての機能層１３の焦点が受光面１１ａ近傍にある場合、波面Ｗ１’と波面Ｗ２の曲率は略等しい。一方、レンズ形状の機能層１３の曲率は到達した反射波面Ｗ２’の曲率とは異なる。このため、機能層１３で再び反射した光波面Ｗ２’の曲率は入射波面Ｗ１’とは異なることになる。このため、これら２つの波面が同一の平面境界（１１ａ）を通過した後の波面Ｗ１”とＷ２”も曲率が異なる（図１０（ｄ）参照）。
この波面Ｗ１”とＷ２”も曲率が異なるという現象は、機能層１３の焦点が受光面１１ａ近傍にあるかどうかに関わるものではない。Ｗ１”とＷ２”が同一曲率を持つためには、Ｗ１’とＷ２’が同じ曲率を持つ必要があるが、Ｗ２が機能層表面で反射した波面がＷ２’であるため、この波面の曲率が一致するためには機能層１３の曲率が機能層１３表面における波面Ｗ１’およびＷ２’と等しいことが要求される。この条件はＷ１’の波面法線が機能層１３の曲率の中心に一致する。すなわち機能層１３の表面の任意の点で機能層１３における屈折角が０度でなければならないことを示している。スネルの法則から、Ｗ１の波面入射角も機能層１３の表面の任意の点で入射角が０度となり、これは機能層１３の表面曲率とＷ１の曲率が一致している。すなわちＷ１は平面波ではないことが要求されることから、平面波を入射する条件である限り、波面Ｗ１”とＷ２”の曲率は一致しない。すなわち干渉しないことを示している。
このように、機能層１３を付加することで表面膜１２における多重反射干渉が原理的に発生しなくなる。なお、機能層１３内においても同様に多重反射干渉は生じない。このため、受光部１１に到達する入射光の波長に対する表面膜１２および機能層１３の透過率のリプルは存在せず、入射光の波長がずれても受光部１１が受ける光のエネルギーが変化しにくくなる。すなわち、固体光検出器１０の感度を安定化させることが可能になる。以上の説明では、表面を球面形成することでレンズ機能を有する機能層１３の表面に入射する平面波は、機能層１３の表面で屈折し球面波となるとして説明している。厳密に言うと機能層１３を通過後の波面は完全な球面ではないが、説明を簡略化するために「球面」と記載しているが、球面でない任意の曲面であっても、上記した２つの波面Ｗ１”とＷ２”が一致しないことは同様である。
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第１実施形態では、上記のように、表面膜１２の表面へ入射する光の平面波が、機能層１３および表面膜１２内に存在する屈折率境界面による反射した後に受光部１１に浸透する各波面および、機能層内部に入射した後に屈折率境界で反射せずに受光部１１に浸透する光の波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致しないように構成されている機能層１３が設けられている。これにより、従来構成において表面膜１２にて発生するような、受光部１１内に浸透する多重反射光が互いに強め合うこと（または、弱め合うこと）が抑制される。その結果、受光面１１ａを保護する表面膜１２における多重反射干渉を抑制することができる。これにより、固体光検出器１０の感度が不安定になることを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、機能層１３の屈折率と、表面膜１２の屈折率とは、略等しい、または、機能層１３と表面膜１２とは、同一物質で構成される。これにより、機能層１３と表面膜１２との界面において光が反射するのを抑制している。その結果、表面膜１２における多重反射干渉をほぼ完全に抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、機能層１３は、凸レンズ形状を有する。これにより、機能層１３は、機能層１３に入射する平行光束を受光面１１ａにて集光する機能を有するので、光をレンズ中心に効率的に集めることができる。また、レンズ形状により、平面波は、機能層１３の表面に入射し、機能層１３に入射後に受光面１１ａで反射し、さらに機能層１３の表面で反射する波面と、機能層１３の表面に入射した波面とは進行方位と波面形状が同時に一致することはない。
また、第１実施形態では、上記のように、レンズ形状を有する機能層１３は、機能層１３に入射する平行光束を受光面１１ａにて集光する機能を有する。これにより、機能層１３の付与により、より小さい受光部１１の面積で入射する光を受光することができ、受光部１１（フォトダイオード）から発生する暗電流を低減することができ、より性能の高い固体光検出器１０を提供できる。
［第２実施形態］
次に、図１１を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、機能層４３は、シリンドリカルレンズ形状を有する。
図１１に示すように、第２実施形態の固体光検出器４０では、機能層４３は、機能層４３に入射する平面波を一軸方向に波面に曲率を持たせるシリンドリカルレンズ形状を有する。具体的には、機能層４３は、光が入射する側に突出するシリンドリカルレンズ形状を有している。さらに具体的にはシリンドリカルレンズの焦点は受光面１１ａ近傍に存在する。また、機能層４３は、機能層４３の元となる層（図示せず）を形成した後、機能層４３の元となる層を削り出すことなどにより形成されている。また、予め形成された機能層４３を、表面膜１２の表面上に接合してもよい。
なお、第２実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。
［第３実施形態］
次に、図１２を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、複数の受光部１１に渡って１つの形状（１つのレンズ形状）の機能層９３が設けられている。
図１２に示すように、第３実施形態の固体光検出器９０では、マトリクス状に配置されている複数の受光部１１に渡って、１つの形状の機能層９３が設けられている。具体的には、機能層９３は、平面視において、略円形状を有しており、マトリクス状に配置されている複数の受光部１１を部分的に覆うように設けられている。また、機能層９３は、たとえば凸レンズ形状を有する。なお、図１２の破線の機能層９３ａのように、機能層９３ａを、マトリクス状に配置されている複数の受光部１１の全体を覆うように設けてもよい。
また、図１３に示す機能層９３ｂのように、機能層９３ｂが、平面視において六角形の複数のレンズ形状を有していてもよい。これにより、機能層９３ｂの厚みを薄くすることができる。また、機能層９３ｂおよび受光部１１は、それぞれ、繰り返しの構造を有し、機能層９３ｂの繰り返し構造と、受光部１１の繰り返し構造とは、一致していない。すなわち、機能層９３ｂの六角形のピッチと、受光部１１のピッチとが異なる。これにより、機能層９３ｂの繰り返し構造と受光部１１の繰り返し構造とを、一致させるように形成する場合と比べて、機能層９３ｂの形成が容易になる。なお、機能層９３ｂの平面視における形状は六角形以外（四角形等）を有していてもよい。
（第３実施形態の効果）
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第３実施形態では、上記のように、複数の受光部１１に渡って１つの形状の機能層９３が設けられている。これにより、受光部１１毎に機能層９３を形成する場合に比べて、機能層９３の大きさが大きくなるので、機能層９３を容易に形成することができる。
［第４実施形態］
次に、図１４を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、機能層１０３と表面膜１２とを接合するための接合層１０４が設けられている。
図１４に示すように、第４実施形態の固体光検出器１００における機能層１０３では、入射する光の平面波が、機能層１０３の表面に入射し、機能層１０３に入射後に受光面１１ａで反射し、さらに機能層１０３の表面で反射する波面と、機能層１０３の表面に入射した波面とは進行方位と波面形状が同時に一致することはないように予め形成されている。すなわち、機能層１０３は、受光部１１および表面膜１２の製造工程（半導体製造工程）とは異なる工程により別部品として予め形成されている。そして、予め形成された機能層１０３は、接合層１０４により、表面膜１２の表面上に接合される。接合層１０４の屈折率と表面膜１２の屈折率は略等しく、この界面での振幅反射率は０．００２より小さい。また、機能層１０３は、複数の受光部１１に渡って設けられている。また、機能層１０３は、レンズ形状を有する。
また、機能層１０３および表面膜１２は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどからなる。また、接合層１０４は、特定の波長を有する光を透過する材料により構成されている。また、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）法などを用いて、機能層１０３を表面膜１２の表面上に接合してもよい。
また、機能層１０３と表面膜１２との接合においては、接合層１０４を用いなくてもよい。すなわち、機能層１０３と表面膜１２とがオプティカルコンタクトなどの方法で、直接接合されていてもよい。
なお、所望の集光性能を確保するために、機能層１０３の屈折率が上記のシリコン酸化物、シリコン窒化物、サファイアなどの屈折率よりも十分に大きい必要が有る場合、アルミナのような、より屈折率の高い材質を使用してもよい。この場合、機能層１０３と表面膜１２との屈折率が大きく異なってしまうため、表面膜１２内において多重反射干渉が生じてしまう。この場合、図１５に示す第４実施形態の変形例の固体光検出器１１０のように、機能層１０３と厚膜１０５との間に接合層１０４ａを設け、表面膜１２の上に屈折率が表面膜１２の屈折率に略等しい接合層１０４ｂを設け、さらに、接合層１０４ｂに屈折率が略等しく、かつ表面膜１２のＺ方向の厚みｄよりも大幅に大きな厚みｄ２２を有する厚膜１０５を設けることによって、入射した波面の形状が大きく変化し、干渉が生じなくなる。図１６、図１７、図１８を参照して以下にこの理由について説明する。
図１６は、図１４に示される固体光検出器１００において、機能層１０３がレンズ状（球状）で、その屈折率が、表面膜１２の屈折率とは大きく異なる場合に干渉が生じる原理を示したものである。また、図１６には図示していないが、表面膜１２の上には、接合層１０４および機能層１０３とが配置されている。また、ここでは、表面膜１２および接合層１０４の屈折率は、略等しいとして説明する。
平面波の光が機能層１０３に入射すると、その波面は平面から球面波に変換される。球面波の状態で機能層１０３の内部を伝播した光は、接合層１０４との界面で屈折される。このとき、球面波は界面により波面が変形する一方、その曲率半径が変化するだけで球面波であることには変わりない。このことは、以下の屈折・反射のいずれの場合も成立する。
接合層１０４と表面膜１２とを伝播した球面波は、その後、図１６に示すように、一部は表面膜１２と受光部１１との界面において屈折されて波面Ｗ１”となり、一部は反射された後に接合層１０４と機能層１３との界面において更に反射された後に受光部１１に再度入射し、その一部は屈折されて受光部１１の内部に浸透し、波面Ｗ２”になる。
ここで、波面Ｗ１”の点Ｉ1（表面膜１２と受光部１１との界面と光線との交点から少し進んだ黒丸の点の位置）での波面の曲率半径をＲ１とすると、波面Ｗ２”の点Ｉ2における曲率半径Ｒ２は、おおよそＲ１−２ｄとなる。なお、球面波はある１点に収束していく性質があるため、波面の曲率半径はその収束点までの距離に等しい。そして、波面Ｗ１”よりも波面Ｗ２”の方が進んでいる距離（光路長）が長いため、波面Ｗ２”の方がその進んだ分だけ曲率半径が小さくなっている。
波面Ｗ１”と波面Ｗ２”との曲率半径は、それぞれＲ１とＲ１−２ｄである一方、表面膜１２＋接合層１０４の厚みｄは大きくてもμｍオーダーであり、曲率半径Ｒ１に比べて十分小さい。このため、Ｒ１≒Ｒ２とみなすことが可能である。さらに、２つの波面間の距離Ｗもｄと同程度であるため、対象としている波長と同程度のオーダーとなる。したがって、曲率半径のほぼ等しい波面Ｗ１”と波面Ｗ２”とが、近い距離Ｗで平行に進んでいるため、干渉が生じる（図１７の実線Ａ１参照）。
図１８は、図１５に示すように機能層１０３と表面膜１２との間に、それぞれ接合層１０４ａ、１０４ｂを介して厚膜１０５を配置した場合に干渉が生じなくなる原理を示すものである。波面Ｗ１”および波面Ｗ２”の関係は、図１６と略同じであり、異なるのは多重反射を生じる領域の厚みが、図１４の表面膜１２のみの厚みｄから、表面膜１２の厚みｄと、接合層１０４ｂの厚みｄ２１と、厚膜１０５の厚みｄ２２を加算した厚みに増加（ｄ＋ｄ２１＋ｄ２２）している。この場合、波面Ｗ２”の曲率半径Ｒ２は、Ｒ２≒Ｒ１−２（ｄ＋ｄ２１＋ｄ２２）となり、（ｄ＋ｄ２１＋ｄ２２）はＲ１に対して無視できない大きさになるため、Ｒ１≠Ｒ２となる。また、波面Ｗ１”と波面Ｗ２”との距離Ｗも同じく（ｄ＋ｄ２１＋ｄ２２）に依存するため、大きくなる。したがって、曲率半径の大きく異なる波面Ｗ１”と波面Ｗ２”とが、互いに離れた状態で平行に進むため、干渉が生じなくなる（図１７の点線Ａ２参照）。
また、図１５に示す第４実施形態の変形例においても、機能層１０３および表面膜１２と、厚膜１０５とを接合する方法として接合層１０４ａ、１０４ｂを介していなくてもよい。第４実施形態と同様に、機能層１０３および表面膜１２の両方あるいはいずれかが厚膜１０５とオプティカルコンタクトなどの方法で、直接接合されていてもよい。
また、機能層１０３の屈折率が表面膜１２の屈折率より高い場合において、表面膜１２内における多重反射干渉を抑制するために、厚膜１０５を設けるのではなく図１９のように機能層１０３の接合層１０４に接する面が非平坦面（平面ではない）（平均は表面膜１２と平行平面を呈している、また、非平坦面は平均平面とは異なる方位の面から構成される）として形成されていてもよい。さらに具体的には、非平坦面は粗面（本光検出器が受光する波長において散乱面として機能する）で形成されていてもよい。
機能層１０３の接合層１０４に接する面が非平坦面であることにより多重反射干渉が抑制される原理は、機能層１０３の接合層１０４に接する面と表面膜１２の受光面１１ａに接する面が平行平面とならないことによる。なお、機能層１０３および接合層１０４とは屈折率が異なるため、機能層１０３と接合層１０４との界面Ｂ１は屈折率境界として機能するが、接合層１０４および表面膜１２の屈折率は略等しいため、接合層１０４と表面膜１２との界面Ｂ２は屈折率境界として機能しない。したがって表面膜１２の受光面１１aに接する面と接合層１０４と表面膜１２との界面Ｂ２との間で多重反射干渉は発生しない。
（第４実施形態の効果）
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第４実施形態では、上記のように、機能層１０３は、入射する光の平面波が、機能層１０３の表面に入射し、機能層１０３に入射後に受光面１１ａで反射し、さらに機能層１０３の表面で反射する波面と、機能層１０３の表面に入射した波面とは進行方位と波面形状とが同時に一致することがないように予め形成されている。これにより、予め形成された機能層１０３を表面膜１２の表面上に配置するだけで、多重反射干渉が生じる従来の固体光検出器に対しても多重反射干渉が抑制された固体光検出器１００を構成することができる。
また、第４実施形態の変形例では、上記のように、機能層１０３と表面膜１２との間に、厚膜１０５が配置されている。もしくは、機能層１０３と表面膜１２との間に接合層１０４が配置されており、機能層１０３の接合層１０４に接する面が非平坦面となっている。これにより、機能層１０３により屈折率の高い材質を使用することができ、表面膜１２内での多重反射干渉を抑制しつつ機能層１０３の集光特性を向上することが可能となる。
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、表面入射型の固体光検出器に本発明の機能層を適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、配線パターンが設けられる側の反対側から光が入射される裏面入射型の固体光検出器に本発明の機能層（たとえば、機能層１３）を設けてもよい。なお、その場合に機能層は裏面（光の入射面）に設けられる。
また、上記第１〜第３実施形態および第４実施形態の一部では、機能層の屈折率と表面膜の屈折率とが略等しい例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、機能層の屈折率と表面膜の屈折率とがある程度異なっていてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、それぞれ、機能層が、凸レンズ形状およびシリンドリカルレンズ形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図２０の第１変形例に示す固体光検出器１３０の機能層１３３のように、機能層１３３が非球面レンズ形状を有していてもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、機能層と表面膜とは別体として設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図２１の第２変形例による固体光検出器１５０のように、表面膜１５３が機能層の役割を果たす（表面膜と機能層とが一体的）ように構成されていても良い。これにより、表面膜と機能層の界面が無くなり、より多重反射干渉を抑制することができる。
また、上記第１〜第２実施形態では、機能層をエッチングや削り出しにより形成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、機能層を研磨、蒸着、結晶成長、リソグラフィ、熱成形などにより形成してもよい。
８ 配線パターン
１０、４０、９０、１００、１３０、１５０、２００ 固体光検出器
１１ 受光部
１１ａ 受光面
１２、１５３ 表面膜
１３、４３、９３、９３ａ、９３ｂ、１０３、１３３ 機能層
１０４ 接合層
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における固体光検出器は、受光した光の強度に応じた信号を出力する複数の受光部と、受光部を保護するための表面膜と、表面膜の表面上に、複数の受光部にわたって設けられる１つの凸状の機能層とを備え、機能層は、機能層に入射した光の平面波が、受光面から受光部内に浸透した第一の波面と、受光部に浸透せず受光面にて反射した後に機能層表面にて反射し、再度受光部内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに機能層および表面膜内に存在する屈折率境界面にて反射した後に受光部内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう構成されている。なお屈折率境界は、必ずしも物質境界を示すものではなく、物質境界が存在する場合にも、実質的に振幅反射率が０．００２以下であれば、屈折率境界として考慮する必要はない。
上記接合層が設けられる固体光検出器において、機能層と表面膜との間に設けられる接合層に面する機能層の表面が平坦面（平面）ではなくてもよい。このように構成すれば、受光面と接合層に面する機能層の接合面とが、平行平面として機能しないので、多重反射干渉の発生を抑制することができる。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、機能層は、表面膜の表面上に接合されている。
上記一の局面による固体光検出器において、好ましくは、１つの凸状の機能層は、マトリクス状に配置されている複数の受光部を部分的に、または、全体を覆うように設けられている。

Claims (13)

  1. 受光した光の強度に応じた信号を出力する複数の受光部と、
    前記受光部を保護するための表面膜と、
    前記表面膜の表面上に設けられる機能層とを備え、
    前記機能層は、前記機能層に入射した光の平面波が、受光面から前記受光部内に浸透した第一の波面と、前記受光部に浸透せず前記受光面にて反射した後に前記機能層表面にて反射し、再度前記受光部内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに前記機能層および前記表面膜内に存在する屈折率境界面にて反射した後に前記受光部内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう構成されている、固体光検出器。
  2. 前記機能層の屈折率と、前記表面膜の屈折率とは、略等しい、または、前記機能層と前記表面膜とは、同一物質で構成される、請求項１に記載の固体光検出器。
  3. 前記機能層は、レンズ形状を有する、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  4. 前記機能層は、１つのレンズ形状を有する、請求項３に記載の固体光検出器。
  5. 前記機能層は、複数のレンズ形状を有する、請求項３に記載の固体光検出器。
  6. 前記機能層および前記受光部は、それぞれ、繰り返しの構造を有し、
    前記機能層の繰り返し構造と、前記受光部の繰り返し構造とは、一致していない、請求項５に記載の固体光検出器。
  7. 前記表面膜と前記機能層とは、一体的に構成されている、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  8. 前記機能層は、前記機能層に入射した光の平面波が、前記受光面から前記受光部内に浸透した第一の波面と、前記受光部に浸透せず前記受光面にて反射した後に前記機能層の表面にて反射し、再度前記受光部内に浸透する第二の波面、および、第二の波面が発生するまでに前記機能層および前記表面膜内に存在する屈折率境界面にて反射した後に前記受光部内へ浸透する各波面とが、互いに進行方位もしくは波面形状の少なくともいずれかが一致せず、各波面が相互に干渉しないよう予め形成されている、請求項１または２に記載の固体光検出器。
  9. 前記機能層と前記表面膜との間に設けられ、予め形成された前記機能層と前記表面膜とを接合するための接合層をさらに備える、請求項８に記載の固体光検出器。
  10. 前記表面膜と前記機能層との間に、前記表面膜の厚さに対して大きい厚み有する厚膜をさらに備える、請求項８に記載の固体光検出器。
  11. 前記表面膜と前記厚膜との間に設けられ前記表面膜と前記厚膜と接合するための接合層と、前記機能層と前記厚膜との間に設けられ前記機能層と前記厚膜と接合するための接合層とのうちの少なくとも一方の前記接合層を備える、請求項１０に記載の固体光検出器。
  12. 前記接合層は、前記表面膜と前記厚膜との間、および、前記機能層と前記厚膜との間の両方に設けられている、請求項１１に記載の固体光検出器。
  13. 前記機能層と前記表面膜との間に設けられる前記接合層に面する前記機能層の表面が平面でない、請求項９に記載の固体光検出器。
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