KR101407909B1 - 광전 변환 소자, 광전 변환 장치 및 촬상 시스템 - Google Patents
광전 변환 소자, 광전 변환 장치 및 촬상 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
광전 변환부로의 광로 부재는 중심부, 및 중심부의 굴절률과는 상이한 굴절률을 갖는 주변부를 포함하고, 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 및 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 주변 부분은 중심 부분에 연속되며 중심 부분을 둘러싸고, 주변 부분의 굴절률은 절연막의 굴절률보다 높고, 상기 다른 평면 내에 있어서의 주변 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 주변 부분의 두께보다 작다.
Description
본 발명은 도광로 구조를 갖는 광전 변환 장치에 관한 것이다.
복수의 광전 변환 소자를 포함하는 광전 변환 장치에 있어서, 광전 변환부의 개수를 증가시키기 위해, 그리고/또는 광전 변환 장치를 소형화하기 위해, 수광면의 폭을 감소시킬 필요가 있다. 그 때문에, 광전 변환부 자체의 감도가 저하할 수 있다. 따라서, 입사광의 이용 효율을 증가시킴으로써 광전 변환 소자의 감도를 향상시킬 수 있다.
입사광의 이용 효율을 향상시키기 위해, 일본 공개 특허 제2008-166677호 공보에 기재된 바와 같이, 광전 변환 소자(수광부)의 수광면 상에 광 도파로를 설치하는 것이 유효하다.
본 발명의 제1 실시예는, 광전 변환부, 및 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하는 광전 변환 소자를 제공하고, 광로 부재는, 제1 부분, 및 상기 제1 부분과 화학양론적 조성이 동일하고, 상기 제1 부분의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고, 상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 및 상기 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분이 상기 제1 부분에 연속되어 상기 제1 부분을 둘러싸고, 상기 제1 부분의 굴절률이 상기 절연막의 굴절률보다 높고, 상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작다.
본 발명의 제2 실시예는, 광전 변환부, 및 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어진 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하는 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하는 광전 변환 소자를 제공하고, 상기 광로 부재는, 제1 부분, 및 상기 제1 부분의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고, 상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 또한 상기 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고, 상기 제2 부분의 굴절률이 상기 절연막의 굴절률보다 높고, 상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작다.
본 발명의 다른 특징은 첨부 도면을 참조하여 하기의 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 광전 변환 소자의 예를 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 2(도 2a 및 도 2b를 포함함)는 제1 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 3(도 3a 및 도 3b를 포함함)은 제1 실시예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4(도 4a 및 도 4b를 포함함)는 제2 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 5(도 5a 및 도 5b를 포함함)는 제3 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 6(도 6a 및 도 6b를 포함함)은 제4 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 7(도 7a 및 도 7b를 포함함)은 제5 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 8(도 8a 및 도 8b를 포함함)은 제6 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 9(도 9a 및 도 9b를 포함함)는 제7 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 10은 제7 실시예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 광전 변환 장치 및 촬상 시스템의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2(도 2a 및 도 2b를 포함함)는 제1 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 3(도 3a 및 도 3b를 포함함)은 제1 실시예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4(도 4a 및 도 4b를 포함함)는 제2 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 5(도 5a 및 도 5b를 포함함)는 제3 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 6(도 6a 및 도 6b를 포함함)은 제4 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 7(도 7a 및 도 7b를 포함함)은 제5 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 8(도 8a 및 도 8b를 포함함)은 제6 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 9(도 9a 및 도 9b를 포함함)는 제7 실시예의 예를 설명하기 위한 광전 변환 소자의 일부의 단면 모식도이다.
도 10은 제7 실시예를 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 광전 변환 장치 및 촬상 시스템의 예를 설명하기 위한 모식도이다.
우선, 도 1을 참조해서 광전 변환 소자(1)의 개요를 설명한다. 도 1은 광전 변환 소자의 예를 나타내는 단면 모식도이다.
광전 변환 소자(1)는 광전 변환부(110)를 포함한다. 다수의 광전 변환 소자(1)를 1차원 또는 2차원 형상으로 배열함으로써 광전 변환 장치를 형성한다. 광전 변환 장치에 대해서는 도 11을 참조하여 후술하지만, 광전 변환 장치는 광전 변환 소자(1)로부터 얻어진 신호를 제어하기 위한 주변 회로를 더 포함할 수 있다.
광전 변환부(110)는 기판(100)에 설치되어 있다. 광전 변환 장치에 있어서, 1개의 기판(100)은 복수의 광전 변환부(110)를 포함하고, 복수의 광전 변환부(110) 각각이 개별적인 광전 변환 소자(1)의 일부를 구성한다.
광전 변환부(110)의, 도면의 상측의 면이 수광면(111)이다. 수광면(111)을 포함하는 가상적인(기하학적인) 평면을 제1 평면(1001)이라고 칭할 것이다. 전형적으로, 광전 변환부(110)는 반도체 기판(100)의 주면(101)보다 심부에 불순물을 도입함으로써 형성된다. 그 때문에, 광전 변환부(110)의 수광면(111)은, 전형적으로는 기판(100)의 주면(101)의 적어도 일부와 실질적으로 일치하고, 제1 평면(1001)은 기판(100)의 주면(101)을 포함한다.
그러나, 반도체 기판(100)의 주면(101)에 요면(hollow)을 설치하고, 이 요면의 저면보다 심부에 광전 변환부(110)가 형성되어도 된다. 대안적으로, 글래스판 등의 주면 위에 MIS형 구조 또는 PIN형 구조를 갖는 박막이 형성되어도 된다. 이 경우들에 있어서, 기판(100)의 주면(101)과 광전 변환부(110)의 수광면(111)은 항상 동일 평면 내에 존재하는 것은 아니다.
기판(100) 위(주면(101) 위)에는, 적어도 기판(100)의, 광전 변환부(110)가 배치된 일 주면(101)을 덮는 절연막(200)이 제공되어 있다. 즉, 절연막(200)의 하면은 기판(100)의 주면(101)에 접촉한다. 도 1의 예에서, 절연막(200)은 기판(100)의 주면(101)과, 광전 변환부(110)의 수광면(111)을 덮고 있다. 절연막(200)은, 복수의 광전 변환부(110)가 전기적으로 도통하지 않을 정도의 절연성(기판(100)의 도전율보다 낮은 도전율)을 갖는다. 전형적으로, 절연막(200)은 투명하다. 절연막(200)은 1 종류의 재료로 이루어지는 단층막이어도 되지만, 전형적으로, 절연막(200)은 서로 다른 재료로 이루어진 복수의 층이 적층된 다층막이다.
다층막인 경우의 절연막(200)의 예를 설명한다. 절연막(200)은, 주면(101)측으로부터 순서대로, 제1 절연층(205), 제2 절연층(206), 제3 절연층(207), 제4 절연층(208), 제5 절연층(209), 제6 절연층(210), 제7 절연층(211), 제8 절연층(212), 제9 절연층(213), 제10 절연층(214), 및 제11 절연층(215)이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 또한, 절연막(200)은, 제2 절연층(206)의 일부와 제3 절연층(207)의 일부 사이에 위치한 제12 절연층(216)을 포함한다.
이 절연층들 중, 제2 절연층(206), 제5 절연층(209), 제7 절연층(211), 제9 절연층(213), 및 제11 절연층(215)은 산화실리콘(SiO2)으로 이루어진다. 제3 절연층(207)은 BPSG(붕인규산염 글래스)로 이루어지지만, BPSG 대신에, PSG(인규산염 글래스) 또는 BSG(붕규산염 글래스) 또는 산화실리콘(SiO2)으로 이루어져도 된다. 이 절연층들 중, 제1 절연층(205), 제4 절연층(208), 제6 절연층(210), 제8 절연층(212), 제10 절연층(214), 및 제12 절연층(216)은 질화실리콘(Si3N4)으로 이루어진다.
절연막(200)의 내부에는 배선(217)을 설치해도 된다. 배선(217)은 다층 배선이어도 된다. 도 1은, 배선(217)이 제1 배선층(2171), 제2 배선층(2172), 및 플러그층(2173)으로 구성된 예를 도시한다. 플러그층(2173)은 제1 배선층(2171)과 제2 배선층(2172) 사이에 위치하고 있어서, 제1 배선층(2171)과 제2 배선층(2172)을 접속한다. 배선층이 2층으로 구성된 예를 나타냈지만, 제1 배선층(2171)과 제2 배선층(2172) 사이에 배선층을 더 설치해서 3층 이상의 배선층을 설치해도 된다. 배선(217)으로서는 구리, 알루미늄, 텅스텐, 탄탈륨, 티타늄, 또는 폴리실리콘 등의 도전 재료를 채택할 수 있다. 전형적인 배선(217)은 불투명하고, 금속 광택을 갖고 있다. 반도체 기판(100)의 주면(101) 위에 MOS 구조를 갖는 전송 게이트의 게이트 전극(218)이 설치되어 있다. 게이트 전극(218)은 폴리실리콘으로 이루어지고, 도시되지 않은 플러그를 통해서 제1 배선층(2171)에 접속되어 있다.
배선(217)에 대해서 예를 든다. 도시되지 않은 플러그는 텅스텐을 주성분으로 해서 싱글 다마신법에 의해 형성될 수 있다. 제1 배선층(2171)은 구리를 주성분으로 해서 싱글 다마신법에 의해 형성될 수 있다. 플러그층(2173) 및 제2 배선층(2172)은 구리를 주성분으로 해서 듀얼 다마신법에 의해 일체적으로 형성될 수 있다. 이때, 제4 절연층(208), 제6 절연층(210), 및 제8 절연층(212)은 에칭 제어층 및 구리의 확산 방지층으로서 채택될 수 있고, 제10 절연층(214)은 구리의 확산 방지층으로서 이용될 수 있다. 제1 배선층(2171), 제2 배선층(2172), 컨택트층(2173), 및 플러그는 절연막(200)과의 계면 근방에 탄탈륨 등을 주성분으로 하는 배리어 메탈을 가질 수 있다는 것을 유의한다.
절연막(200)은 개구부(구멍부)(201)를 갖고 있다. 개구부(201)는 관통 구멍 또는 오목부로 이루어질 수 있지만, 도 1은, 개구부(201)가 오목부로 이루어지는 경우의 구성을 도시한다. 절연막(200)은 실질적으로 평탄하고, 기판(100)의 주면(101)에 평행한 상면(202)을 갖고 있다. 여기에서는, 제11 절연층(215)이 절연막(200)의 상면(202)을 이룬다. 상면(202)을 포함하는 가상적인(기하학적인) 평면을 제2 평면(1002)이라고 칭한다. 제2 평면(1002)은 제1 평면(1001)에 평행하며, 제1 평면(1001)과 제2 평면(1002)은 실질적으로 절연막(200)의 두께 분만큼 분리되어 있다. 개구부(201)는 상면(202)에 연속되어 있다. 상세하게는, 개구부(201)는 저면(203)과 측면(204)으로 구성되어 있다. 여기에서는, 제12 절연층(216)이 저면(203)을 이룬다. 저면(203)을 포함하는 가상적인(기하학적인) 평면을 제3 평면(1003)이라고 칭한다. 저면(203)은 수광면(111)에 대응한 영역에 위치한다. 상세하게는, 저면(203)은 주면(101)에 평행한 방향(제1 평면(1001) 및 제3 평면(1003)에 평행한 방향)에 있어서, 수광면(111)으로부터 정사영(orthogonal projection)에 들어가도록 위치한다. 이렇게 하여, 수광면(111)과 저면(203)은 절연막(200)의 일부를 통해서 대향한다. 제3 평면(1003)은 제2 평면(1002)(및 제1 평면(1001))에 평행하며, 제2 평면(1002)과 제3 평면(1003)은 실질적으로 개구부(201)의 깊이 분만큼 분리되어 있다. 측면(204)은 상면(202) 및 저면(203)에 연속되어 있다. 그 때문에, 측면(204)은 실질적으로 제2 평면(1002)과 제3 평면(1003) 사이에 연장되어 있다. 또한, 개구부(201)의 단면 형상이 U자형이며, 실제로는 저면(203)과 측면(204) 간의 경계가 명확하지 않을 수 있다는 것을 유의한다. 이 경우에도, 제3 평면(1003)은, 적어도, 절연막(200)의 기판(100)측과는 반대측의 표면에 있어서 기판(100)에 가장 가까운 점(개구부(201)의 바닥)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 절연막(200)의 기판(100)측과는 반대측의 표면은 상면(202), 저면(203), 및 측면(204)을 갖고 있다. 절연막(200)의 기판(100)측의 표면은 절연막(200)의 하면이다. 지금까지의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 평면(1001)과 제3 평면(1003) 간의 거리는, 실질적으로, 절연막(200)의 두께와 개구부(201)의 깊이 간의 차에 상당한다.
일 실시예에서, 개구부(201)의 깊이는, 절연막(200)의 두께의 1/4 이상이고, 절연막(200)의 두께의 1/2 이상일 수 있다. 또한, 개구부(201)의 깊이는 입사광의 파장보다 길다. 전형적인 입사광의 파장은 녹색의 0.55㎛이며, 개구부의 깊이는 0.55㎛ 이상이다. 따라서, 절연막(200)의 두께는 0.55㎛보다 두껍다. 절연막(200)의 두께는 1.0㎛ 이상일 수 있다. 절연막(200)을 극단적으로 두껍게 하면, 응력이 커지거나, 제조에 시간이 걸리기 때문에, 실질적으로 절연막(200)의 두께 TI는 10㎛ 이하이고, 5.0㎛ 이하일 수도 있다.
개구부(201)의 측면(204)의 평면 형상(제1 평면(1001)에 평행한 평면 내에서의 개구부(201)의 형상)은 폐루프 형상이며, 또한 원형, 타원형, 둥근 사각형, 사각형, 또는 육각형일 수 있다. 여기에서, 개구부(201)의 측면(204)의 평면 형상은 원형이다. 저면(203)도 원형이라는 것을 유의한다. 개구부(201)의 개구 엣지(제2 평면(1002) 내에서의 측면(204))의 폭(직경)은 전형적으로 10㎛ 이하이며, 5.0㎛ 이하일 수도 있다. 개구 엣지의 폭이 2.0㎛ 이하일 경우에 본 발명은 특히 현저한 효과를 발휘한다.
개구부(201)의 단면 형상(중심축을 통과하고, 제1 평면(1001)에 수직한 평면 내에서의 개구부(201)의 형상)은 역사다리꼴, 정사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 또는 이들의 조합인 계단형(echelon shape)일 수 있다.
개구부(201) 내에는 광로 부재(220)가 위치한다. 광이 광로 부재(220)를 통과하기 위해서, 광로 부재(220)는 투명하다. 여기서 말하는 투명이란 실질적으로 광전 변환을 행하는 파장 영역의 광에 대하여 충분한 투명성이 충족되는 한, 파장 선택성을 갖고 있어도 된다.
광로 부재(220)는 개구부(201)의 내측에 위치하기 때문에, 광로 부재(220)는 광전 변환부(110) 위에 위치하고, 절연막(200)으로 둘러싸여져 있다. 상세하게는, 광로 부재(220)는 개구부(201)의 측면(204)으로 둘러싸여져 있고, 절연막(200)의 측면(204)에 접촉한다. 또한, 광로 부재(220)는 개구부(201)의 저면(203)에도 접촉한다. 더 상세하게는, 광로 부재(220)는 절연막(200)의 제3 절연층(207), 제4 절연층(208), 제5 절연층(209), 제6 절연층(210), 제7 절연층(211), 제8 절연층(212), 제9 절연층(213), 제10 절연층(214), 및 제11 절연층(215)으로 둘러싸여져 있다. 그리고, 광로 부재(220)는, 개구부(201)의 저면(203)을 이루는 제12 절연층(216)에 접촉한다. 이렇게 하여, 광로 부재(220)는 광전 변환부(110)에 대응하는 영역(수광면(111)의 정사영의 영역)에 위치한다. 또한, 개구부(201)를 오목부 대신 관통 구멍으로 하는 경우에는, 수광면(111)이 개구부(201)의 저면(203)을 이룬다. 바꾸어 말하면, 광로 부재(220)는 광전 변환부(110)에 접촉한다. 개구부(201)의 깊이는 실질적으로 절연막(200)의 두께와 동등하다.
광로 부재(220)의 형상은 개구부(201)의 형상과 대략 일치한다. 본 실시예에 있어서, 광로 부재(220)는 원추대 형상이지만, 개구부(201)의 형상에 따라서, 각추사다리꼴 형상, 프리즘 형상, 또는 원통 형상이어도 된다. 광로 부재(220)는 중심축에 대하여 회전 대칭 형상이다. 광로 부재(220)의 폭(직경)은, 전형적으로는 10㎛ 이하이며, 5.0㎛ 이하일 수도 있다. 개구 엣지의 폭이 2.0㎛ 이하일 경우에 본 발명은 특히 현저한 효과를 발휘한다.
광로 부재(220)의 적어도 일부의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높다. 이하의 설명에서는, 절연막(200)의 굴절률을 절연막(200)의 대부분을 이루는 재료의 굴절률이라고 설명한다는 것을 유의한다. 광로 부재(220)의 일부의 굴절률이 절연막의 굴절률 이하이어도 된다. 본 발명에 있어서, 간단히 굴절률이라고 할 경우에, 이것은 절대 굴절률을 의미한다. 굴절률은 파장에 따라 상이하지만, 여기서 말하는 굴절률은 적어도 광전 변환부(110)에서 신호 전하를 생성할 수 있는 광의 파장에 대한 굴절률이다. 또한, 광전 변환 소자(1)가 컬러 필터 등의 파장 선택부를 갖고 있을 경우에는, 이 파장 선택부를 투과한 광의 파장을 채택한다. 그러나, 실용적으로는, 입사광의 파장을 인간의 눈이 민감한 녹색의 파장인 0.55㎛라고 간주해도 되므로, 이하의 설명에서는, 0.55㎛에 대한 굴절률로서 설명한다.
광로 부재(220)의 최외층의 굴절률이 절연막(200)의 굴절률보다 높고, 광로 부재(220)와 절연막(200)이 계면을 이룰 경우에는, 기하 광학적으로 이 계면에서 전반사가 생기고, 광로 부재(220) 내에 입사광을 유도하여, 결과적으로 광을 수광면(111)에 유도할 수 있다.
도파로 구조로서, 광로 부재와 절연막의 측면 사이에, 광로 부재와 절연막이 접촉하지 않도록 불투명막을 설치하는 구성이 알려져 있다(예를 들면, 일본 공개 특허 제2002-118245호 공보). 불투명막을 설치하는 경우, 미광의 원인이 되는, 측면(204)으로부터 누출하는 광의 양을 저감시킬 수 있다. 또한, 불투명막이 금속 광택을 갖는 막(금속막 등)인 경우, 이 불투명막에서 금속 반사가 생기고, 따라서 입사광을 광로 부재 내의 수광면에 유도할 수 있다. 그러나, 불투명막이 광로 부재(220)와 측면(204) 사이에 위치하면, 광로 부재(220)에 입사하지 않았지만 절연막(200)에 입사한 광은, 광로 부재(220)에 입사하지 않기 때문에, 광 이용 효율이 현저하게 저하된다. 한편, 불투명막을 설치하지 않은 경우, 광로 부재(220)가 절연막(200)의 측면(204)에 접촉할 때, 절연막(200)에 입사한 광을, 절연막(200)으로부터 광로 부재(220)에 입사시킬 수 있고, 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
광로 부재(220)의 재료(투명 재료)는 유기 재료(수지)이어도 되며, 또는 무기 재료이어도 된다. 그러나, 무기 재료가 화학적으로 안정하기 때문에 무기 재료가 바람직하다. 수지의 예로서는, 실록산계 수지 및 폴리이미드 등을 포함한다. 무기 재료로서는, 질화실리콘(Si3N4), 산질화실리콘(SiOxNy), 및 산화 티타늄(TiO2)이 적절하다. 광로 부재(220)는 단일 재료로 구성되어어도 되며, 또는 복수의 재료로 구성되어도 된다. 광로 부재(220) 및 절연막(200)의 재료로서 예시한 재료의 굴절률의 대략적인 값을 설명한다. 산화실리콘은 1.4 내지 1.5이고, 산질화실리콘은 1.6 내지 1.9이고, 질화실리콘은 1.8 내지 2.3이고, 산화 티타늄은 2.5 내지 2.7이고, BSG, PSG, 및 BPSG는 1.4 내지 1.6이다. 여기서 설명한 굴절률의 값의 유효 숫자는 2자리이며, 소수점 2자리째는 반올림된다. 상기의 값은 예이며, 동일한 재료라도, 성막 방법을 변경함으로써, 비화학양론적 조성비 또는 재료 밀도가 변화하기 때문에, 굴절률을 적절히 설정할 수 있다. 또한, 통상의 수지의 굴절률은 1.3 내지 1.6이고, 고굴절률 수지라도 1.6 내지 1.8이지만, 금속 산화물 등의 고굴절률 무기 재료를 함유시킴으로써, 실효적인 굴절률을 증가시킬 수 있다는 것을 유의한다. 수지에 함유시키는 고굴절률 무기 재료의 예로서는, 산화 티타늄, 산화 탄탈륨, 산화 니오븀, 산화 텅스텐, 산화 지르코늄, 산화 아연, 산화 인듐, 및 산화 하프늄 등을 포함한다.
상세 내용은 실시예를 참조해서 후술하지만, 본 발명에 있어서, 광로 부재(220)는, 제1 고굴절률 영역과, 제1 고굴절률 영역의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역으로 구성되는 굴절률 분포를 갖고 있다. 이 굴절률 분포는, 광로 부재(220)의 적어도 일부를 이루는 동일한 재료로 점유되는 부분(중심 부분 및 주변 부분) 내에 형성되어 있다. 실용적으로는, 광로 부재(220)의 굴절률은 1.6 이상이다. 또한, 실용적으로는, 상기의 1개의 재료로 점유되는 부분 내의 굴절률 분포에 있어서의 굴절률의 최대값과 최소값 간의 차는 0.025 이상이고, 0.050 이상일 수도 있다. 전형적으로는, 굴절률의 최대값과 최소값 간의 차는 0.50 이하이며, 실용적으로는 0.25 이하인 것을 유의한다. 굴절률 분포에 있어서, 제1 고굴절률 영역과 제2 고굴절률 영역의 경계를 명확하게 관찰할 수 있을 경우도 있으며, 또는 명확하게 관찰할 수 없을 경우도 있다. 예를 들면, 중심축으로부터 절연막(200)으로 굴절률이 완만하게 변화하고 있을 경우에는, 제1 고굴절률 영역과 제2 고굴절률 영역 간의 경계는 명확하게 관찰할 수 없다. 이와 같은 경우에는, 다음과 같이 하여, 제1 고굴절률 영역과 제2 고굴절률 영역 간의 경계를 결정할 수 있다. 즉, 광로 부재(220) 중의 동일 재료로 이루어지는 부분의 굴절률의 최대값과 최소값의 중간값((최대값 + 최소값)/2)을 구한다. 그리고, 광로 부재(220) 내의 굴절률 분포에 있어서, 이 중간값이 되는 점을 연결한 선을, 제1 고굴절률 영역과 제2 고굴절률 영역 간의 경계로서 정할 수 있다. 당연히, 제1 고굴절률 영역은 굴절률이 최소인 부분을 포함하고, 제2 고굴절률 영역은 굴절률이 최대인 부분을 포함한다.
동일한 재료란, 화학양론적 조성이 동일한 재료를 의미한다는 것을 유의한다. 그 때문에, 화학양론적 조성으로부터 어긋난(즉, 비화학양론적 조성이 상이한) 재료, 및 결정성, 재료 밀도, 첨가물 밀도(주재료 미만), 불순물 재료(1wt% 이하), 및 불순물의 밀도가 상이한 재료는 동일한 재료로서 간주할 수 있다. 예를 들면, 질화실리콘의 화학양론적 조성비는 Si : N = 3 : 4이지만, 화학양론적 조성비가 동일한 범위 내에 있어서, 실제의 Si와 N의 비가 서로 다른 재료들도 동일한 재료로서 간주할 수 있다. 또한, 예를 들면, 단결정 실리콘과 폴리실리콘(다결정 실리콘)은 동일한 재료로서 간주한다. 또한, 화학양론적 조성이 다른 재료는 동일한 재료가 이니라는 것을 유의한다. 예를 들면, 일산화티타늄(TiO)과 이산화티타늄(TiO2)은 둘 다 산소와 티타늄의 화합물(티타늄 산화물)이지만, 이 재료들은 화학양론적으로 상이하다. 전술한 바와 같이, 질화실리콘은 산화실리콘보다 상당히 높은 굴절률을 갖고, 또한, 산질화실리콘에 비해서 가능한 굴절률의 범위가 넓기 때문에, 상기의 굴절률 분포를 갖는 재료로서 적절하다. 광로 부재(220)에 질화실리콘을 이용할 경우에는, 질화실리콘의 성막 방법을 성막 도중에 바꾸는 것에 의해, 상기의 굴절률 분포를 형성할 수 있다. 또한, 광로 부재(220)에, 금속 산화물 입자가 분산된 수지를 채택할 경우에는, 수지에 함유시키는 고굴절률 무기 재료의 농도를 변화시킴으로써도, 상기의 굴절률 분포를 형성할 수 있다. 광로 부재(220)의 굴절률 분포가 서로 다른 재료를 이용하여 형성될 수 있지만, 본 발명은, 전술한 바와 같이, 동일한 재료를 이용하여 광로 부재(220)의 굴절률 분포가 형성된 경우에 특히 현저한 효과를 나타낸다.
광로 부재(220) 및 절연막(200)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 개구부(201)가 없는 절연막에 에칭 가공을 실시해서 개구부(201)를 갖는 절연막(200)을 형성한 후에, 개구부(201) 내에 광로 부재(220)의 재료를 피착시켜서 광로 부재(220)를 형성하는 제1 형성 방법을 채택할 수 있다. 그 외에도, 절연막(200)을 구성하는 각 절연층을 형성할 때마다, 각 절연층을 에칭해서 개구를 설치하는 공정과, 광로 부재(220)의 재료를 개구 내에 피착시키는 공정을 반복하는 제2 형성 방법을 채택해도 된다. 또한, 사전에 광로 부재(220)를 배치한 후에, 광로 부재(220)의 주위에 절연막(200)의 일부의 절연층들을 배치하는 제３ 형성 방법을 채택해도 된다. 또한, 개구부(201)가 없는 절연막을 형성한 후에, 광로 부재(220)에 대응하는 절연막의 일부를 개질함으로써, 광로 부재(220)를 형성하는 제４ 형성 방법을 채택해도 된다.
도 1의 예에서는, 제1 형성 방법을 채택한 예를 나타내고 있다. 제12 절연층(216)은, 절연막(200)의 일부를 구성하고, 개구부(201)의 저면(203)을 구성하고 있다. 제12 절연층(216)은, 수광면(111)의 상부 및 게이트 전극(218)의 일부의 상부에 배치되어 있다. 평면 방향에 있어서의 제12 절연층(216)의 면적은 저면(203)의 면적보다 크다. 평면 방향에 있어서의 제12 절연층(216)의 면적은, 제1 절연층(205) 및 제2 절연층(206)의 면적보다 작다. 여기에서는, 제3 절연층(207)이 존재하는 범위 내에 개구부(201)의 저면(203)이 위치한다. 바꾸어 말하면, 제3 평면(1003) 내에 제3 절연층(207)이 위치한다. 개구부(201)의 저면(제3 평면(1003))은, 제1 배선층(2171)보다 반도체 기판(100)에 가까이 위치할 수 있다.
제12 절연층(216)은 다층절연막(200)에 개구부(201)를 형성할 때의 에칭 스토퍼로서 기능할 수 있다. 제12 절연층(216)을 에칭 스토퍼로서 기능시키기 위해, 제12 절연층(216)의 상면에 접촉하는 층(여기서는, BPSG로 이루어지는 제3 절연층(207))과는 다른 재료가 채택된다. 도 1은 개구부(201)의 형성시에, 제12 절연층(216)이 다소 에칭된 결과, 저면(203)이 제12 절연층(216)의 상면보다 광전 변환부(110)측에 가까이 위치하는 형태를 나타내고 있다. 그 결과, 제12 절연층(216)은, 저면(203)의 근방에서 측면(204)의 작은 일부를 이루고 있다. 에칭 스토퍼로서 기능하는 제12 절연층(216)은 전혀 에칭되지 않아도 되고, 이 경우, 제12 절연층(216)은, 저면(203)만을 이룬다.
제2 절연층(206)과 광전 변환부(110) 사이에, 제2 절연층(206)의 굴절률과 광전 변환부(110)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 층(여기서는, 질화실리콘으로 이루어지는 제1 절연층(205))을 설치하면, 광로 부재(220)로부터 광전 변환부(110)에의 투과율이 향상한다.
전술한 바와 같이, 적어도 광로 부재(220)와 절연막(200)이 도파로 구조를 갖고, 광전 변환 소자(1)에 입사한 광은, 주로 광로 부재(220)를 통해서 광전 변환부(110)에 전파된다. 광로 부재(220) 및 절연막(200) 위에는 투명막(319)이 설치되어 있다.
투명막(319)에 대하여 수광면(111)측과는 반대측에는, 투명막(319)측으로부터 순서대로, 제2 중굴절률층(320), 저굴절률층(321), 제1 중굴절률층(322), 제2 렌즈기판층(323), 제2 렌즈체층(324), 제2 렌즈체 코팅층(325), 평탄화막(326), 컬러 필터층(327), 제1 렌즈기판층(328), 제1 렌즈체층(329)이 적층되어 있다. 이 층들의 상세 내용은 후술하지만, 이 구성에 한정되지 않고, 다양한 변경을 행해도 된다. 예를 들면, 제1 렌즈체층(329)(및 제1 렌즈기판층(328))과 제2 렌즈체층(324)(및 제2 렌즈기판층(323)) 중 적어도 하나를 생략해도 된다. 제2 렌즈체층(324)(및 제2 렌즈기판층(323))을 생략하는 경우에는, 평탄화막(326)을 생략해도 된다. 또한, 컬러 필터층(327)을 생략해도 되고, 컬러 필터층(327)이 평탄화막(326)의 기능을 겸해도 된다.
투명막(319)은, 광전 변환 소자(1)의 최외면(여기서는, 제1 렌즈체층(329)의 표면)으로부터 절연막(200) 및 광로 부재(220)까지의 거리(광로 길이)를 제어한다. 전형적인 투명막(319)의 두께는 0.080㎛ 이상이다. 한편, 투명막(319)을 극단적으로 두껍게 하면, 광로 부재(220)에의 입사 광량이 감소한다. 투명막(319)의 두께는 개구부(201)의 깊이 이하이고, 개구부(201)의 깊이의 반 이하일 수도 있다. 전형적인 투명막(319)의 두께는 0.50㎛ 이하이다.
투명막(319)의 재료는 광로 부재(220)의 재료와 상이해도 되지만, 둘 다 동일한 재료인 것이 바람직하다. 투명막(319)의 재료와 광로 부재(220)의 재료가 동일한 경우, 광로 부재(220)와 투명막(319)이 일체화되고, 따라서, 광로 부재(220)와 투명막(319) 간의 경계를 명확하게 관찰할 수 없을 경우가 있다. 전술한 바와 같이, 광로 부재(220)는 개구부(201)의 내측(제2 평면(1002)과 제3 평면(1003) 사이)에 위치하고, 투명막(319)은 개구부(201)의 외측에 존재한다. 따라서, 투명 재료가, 개구부(201)의 내측에 존재하는지, 또는 개구부(201)의 외측에 존재하는지를 판단함으로써, 광로 부재(220)와 투명막(319)을 구별할 수 있다. 개구부(201)의 내측과 외측 간의 구분은, 광전 변환 소자(1)의 단면의 관찰 화상에 있어서, 절연막(200)의 상면(202)을 개구부(201)의 위까지 가상적으로 연장(측면(204)의 상부 엣지들을 가상적으로 직선으로 연결)함으로써 행할 수 있다.
이상의 설명은 광전 변환 소자(1)의 개요이다. 다음으로, 도 2 내지 도 10을 참조하여, 광로 부재(220)가 갖는 굴절률 분포의 실시예를 설명한다. 또한, 도 2 및 도 4 내지 도 9는, 도 1의 기판(100)과, 제1 평면(1001)으로부터 제2 평면(1002)까지의 부분, 및 투명막(319)만을 나타내고 있다. 투명막(319) 위의 부분의 구성에 관해서는 공통이고, 또한 적절히 변경할 수 있으므로, 그 설명을 생략한다. 또한, 도면들에 있어서, 마찬가지의 기능을 갖는 부재 또는 부분에는, 동일한 참조 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
<제1 실시예>
도 2a는 제1 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 2b는 제1 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다.
도 2a는 도 1을 참조하여 설명한 제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 및 제3 평면(1003) 외에, 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 및 제6 평면(1006)을 나타내고 있다. 제4 평면(1004)은 제2 평면(1002)과 제3 평면(1003) 사이에 위치하고, 제2 평면(1002) 및 제3 평면(1003)으로부터 등거리에 위치하는 평면이다. 즉, 제4 평면(1004)은 제2 평면(1002)과 제3 평면(1003) 사이의 중간에 위치한다. 제5 평면(1005)은 제2 평면(1002)과 제4 평면(1004) 사이에 위치하고, 제6 평면(1006)은 제3 평면(1003)과 제4 평면(1004) 사이에 위치한다. 즉, 제5 평면(1005)은 광로 부재(220)의 상부(입사측의 반분)를 대표하는 평면이며, 여기에서는 편의상 제2 평면(1002)과 제4 평면(1004)으로부터 등거리에 위치하는 평면이라고 한다. 마찬가지로, 제6 평면(1006)은 광로 부재(220)의 하부(출사측의 반분)를 대표하는 평면이며, 여기에서는 편의상 제3 평면(1003)과 제4 평면(1004)으로부터 등거리에 위치하는 평면이라고 한다.
도 2b의 S1는 제2 평면(1002)에 있어서의 단면을 도시하고, S2는 제5 평면(1005)에 있어서의 단면을 도시하고, S3은 제4 평면(1004)에 있어서의 단면을 도시하고, S4는 제6 평면(1006)에 있어서의 단면을 도시한다. S5는 제3 평면(1003)의 광로 부재(220)측 근방을 도시하고, 구체적으로는, 측면(204)의 제3 절연층(207)이 이루는 부분의 하부 엣지의 단면을 도시한다.
광로 부재(220)는 적어도 중심 부분(222)과 주변 부분(221)을 갖고 있다. 주변 부분(221)은 중심 부분(222)과 절연막(200) 사이에 위치한다.
주변 부분(221)은 중심 부분(222)을 둘러싸고 있다. 주변 부분(221)은 중심 부분(222)과 동일한 재료로 이루어진다. 적어도 주변 부분(221)의 일부와 중심 부분(222)의 일부 사이에는, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)의 재료와 다른 재료로 이루어지는 부분이 존재하지 않고, 중심 부분(222)으로부터 주변 부분(221)까지 동일한 재료가 연속되어 있다. 따라서, 주변 부분(221)은 중심 부분(222)에 연속되어 있다고 말할 수 있다. 주변 부분(221)의 전체와 중심 부분(222)의 전체 사이에, 양자의 재료와 다른 재료로 이루어지는 부분이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 예와 같이, 주변 부분(221)은 절연막(200)에 접촉하고 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 중심 부분(222)의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높다. 그리고, 주변 부분(221)의 굴절률은 중심 부분(222)의 굴절률보다 높다. 그 때문에, 주변 부분(221)의 굴절률은 또한 절연막(200)의 굴절률보다 높다.
이렇게, 광로 부재(220)는, 절연막(200)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절률 재료로 이루어진다. 그리고, 고굴절률 재료는 제1 고굴절률 영역과, 제1 고굴절률 영역의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역으로 구성되도록 굴절률 분포를 갖는다. 본 실시예에서는, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이 제2 고굴절률 영역이다. 도 2a는 중심 부분(222)과 주변 부분(221) 사이에 굴절률이 현저하게 상이한 모습을 나타낸다. 예를 들면, 중심 부분(222)의 굴절률이 1.83이고, 주변 부분(221)의 굴절률이 1.90일 경우, 전자 현미경으로 관찰한 주면(101)에 수직한 방향에 있어서의 광로 부재(220)의 단면 관찰 화상에서는, 화상이 중심 부분(222)과 주변 부분(221) 간에 콘트라스트를 갖는 것을 확인할 수 있다.
질화실리콘을 이용해서 굴절률 분포를 형성하기 위해서는, 예를 들면 다음과 같은 방법을 채택할 수 있다. 제1 방법으로서는, 우선, 측면(204) 위에, 성막 재료의 질소 성분에 대한 실리콘 성분의 양을 비교적 많게 해서 제1 질화실리콘막을 성막한다. 그 후에, 제1 질화실리콘막 위에, 성막 재료의 질소 성분에 대한 실리콘 성분의 양을, 제1 질화실리콘막을 성막할 때보다 적게 해서 제2 질화실리콘막을 성막한다. 이때, 제1 질화실리콘을 성막할 때와, 제2 질화실리콘을 성막할 때, 질소 성분의 양 및 실리콘 성분의 양 중 일방이 동일해도 되고, 양방이 상이해도 된다. 이 제1 방법에 따르면, 제1 질화실리콘막이 주변 부분(221)을 이루고, 제2 질화실리콘막이 중심 부분(222)을 이루는, 광로 부재(220)를 형성할 수 있다. 이것은, 화학양론적 조성비가 Si : N = 3 : 4이어도, 비화학양론적 조성에 관해서, 질소에 대한 실리콘의 비(Si/N)가 비교적 높은 질화실리콘은, 질소에 대한 실리콘의 비(Si/N)가 비교적 낮은 질화실리콘보다, 굴절률이 높기 때문이다. CVD 방법 등의 공통 막 형성에 의해 형성된 질화실리콘에 대해, 질소에 대한 실리콘의 비율은 1/2 내지 3/2이고, 전형적으로는 3/5 내지 1이다. 질소에 대한 실리콘의 비율이 3/4인 질화실리콘의 굴절률, 다시 말해서 실제 조성이 화학양론적 조성과 일치하는 질화실리콘의 굴절률은 2.0일 수 있다는 것을 유의한다.
제2 방법으로서는, 우선, 측면(204) 위에, 성막 재료의 입사 에너지를 감소시켜, 밀착성 및 재료 밀도가 높은 제1 질화실리콘막을 성막한다. 그 후에, 상기의 제1 질화실리콘막 위에, 성막 재료의 입사 에너지를 증가시켜, 매립성이 높고 재료 밀도가 낮은 제2 질화실리콘막을 성막한다. 이에 의해, 제1 질화실리콘막이 주변 부분(221)을 이루고, 제2 질화실리콘막이 중심 부분(222)을 이루는, 광로 부재(220)를 형성할 수 있다. 이것은, 질화실리콘의 밀도가 비교적 높고 밀한 질화실리콘막이, 질화실리콘의 밀도가 비교적 낮고 조한 질화실리콘막보다 굴절률이 높기 때문이다.
주변 부분(221)이 수광면(111)에 근접할수록 주변 부분(221)의 두께는 얇아진다. 도 2b를 참조해서 상세하게 설명한다. DS1, DS2, DS3, DS4, 및 DS5는 각 단면 S1 내지 S5에 있어서의 개구부(201)의 폭(직경)을 나타낸다. 본 실시예에서는, 도 1에 나타낸 측면(204)이 수광면(111)에 대하여 순 테이퍼 형상이고, DS1 > DS2 > DS3 > DS4 > DS5의 관계를 갖는다.
DL1, DL2, DL3, DL4, 및 DL5는, 단면 S1 내지 S5에 있어서의 중심 부분(222)의 폭(직경)을 나타낸다. 중심축은 중심 부분(222)을 관통하고, 중심 부분(222)은 중심축에 따라, 도중에서 끊기는 일없이 연속적으로 연장된다. 본 실시예에서는, 중심 부분(222)은 원추대 형상이고, 중심 부분(222)의 외면(주변 부분(221)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 순 테이퍼 형상이다. 중심 부분(222)의 외면은 중심축과 동심원이며, 중심축에 대하여 회전 대칭이고, DL1 < DL2 < DL3 < DL4 < DL5의 관계를 갖는다. DL5는, DS5 보다 작은 값이지만, DS5에 극히 가까운 값이라는 것을 유의한다.
TH1, TH2, TH3, 및 TH4는, 단면 S1 내지 S4에 있어서의 주변 부분(221)의 두께(폭)를 나타낸다. 본 실시예에서는, 주변 부분(221)의 내면(중심 부분(222)측의 면) 및 주변 부분(221)의 외면(절연막(200)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 역 테이퍼 형상이다. TH1 > TH2 > TH3 > TH4 > TH5의 관계를 갖는다. 여기에서, TH5(도시 생략)는, 단면 S5에 있어서의 주변 부분(221)의 두께를 나타내고, (DS5 - DL5)/2에 상당하는 값이며, 0에 매우 가까운 값이다. 이렇게, 주변 부분(221)은 절연막(200)의 측면(204)을 따라 도중에 끊기는 일없이 연속적으로 연장된다.
여기에서는, 주변 부분(221)의 두께의 최대값(TH1)과 최소값(TH5) 간의 비(TH1/TH5)는 거의 무한대이지만, 적어도, 주변 부분(221)의 두께의 최소값은, 최대값의 반 이하이다(최대값/최소값 ≥ 2). 광로 부재(220)에 입사하는 광의 파장이 λ이고, 절연막(200)의 굴절률이 n0이고, 주변 부분(221)의 굴절률이 n1이라고 가정하면, 주변 부분(221)의 두께의 최대값은 λ/2√(n1 2-n0 2)보다 크다. 또한, 주변 부분(221)의 두께의 최소값은 λ/4√(n1 2-n0 2)보다 작다. 주변 부분(221)의 두께는, 광로 부재(220)의 상부(제2 평면(1002)으로부터 제4 평면(1004)까지)에서 최대값이 된다. 또한, 주변 부분(221)의 두께는, 광로 부재(220)의 하부(제4 평면(1004)으로부터 제3 평면(1003)까지)에서 최소값이 된다.
주변 부분(221)의 두께가, 최소값과 최대값 사이인 부분에 있어서도, 수광면(111)에 가까운 평면에 있어서의 두께가 최대값의 1/2 이하이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 예에서는, 제4 평면(1004)에 있어서의 주변 부분(221)의 두께(TH3)가, 제2 평면(1002)에 있어서의 주변 부분(221)의 두께(TH1)의 1/2이다. 또한, 제6 평면(1006)에 있어서의 주변 부분(221)의 두께(TH4)가, 제5 평면(1005)에 있어서의 주변 부분(221)의 두께(TH2)의 1/2 미만이다.
도 3a는, 본 실시예에 있어서, 광로 부재(220)의 중심축과 평행한 광이 광로 부재(220)에 입사할 때의 전계 강도 분포를 나타낸다. 상세하게는, 3개의 전계 강도 분포는, 광로 부재(220) 내에서 높이가 다른 3개의 위치에 있어서의 전계 강도의, 수광면(111)에 평행한 면 내에서의 분포이다. 횡축의 위치가, 광로 부재(220) 내에서의 높이를 나타낸다.
파동 광학적으로, 광은 굴절률이 높은 영역에 집중하기 쉽다고 생각할 수 있다. 그 때문에, 중심 부분(222)보다 굴절률이 높은 주변 부분(221)의 두께가 큰 위치에서는, 주변 부분(221)의 전계 강도가 중심 부분(222)의 전계 강도보다 높다. 또한, 주변 부분(221)보다 굴절률이 낮은 절연막(200)에는 광로 부재(220)로부터 광이 거의 누출하지 않는다. 그 때문에, 광의 손실이 억제된다고 생각된다.
본 실시예에서는, 주변 부분(221)이 광전 변환부(110)에 근접함에 따라서 주변 부분(221)의 두께가 서서히 감소된다. 그 때문에, 주변 부분(221)의 두께가 작은 부분에서는, 두께가 큰 위치와 같은 정도의 양의 광이 주변 부분(221)을 통해 전파하는 것이 어렵게 된다. 따라서, 주변 부분(221)을 통해 전파할 수 없게 된 광은 중심 부분(222)에 천이한다. 본 실시예에서는, 주변 부분(221)과 중심 부분(222)을 통해 동일한 재료가 연속되어 있기 때문에, 이 천이에 있어서의 광의 손실이 억제된다. 일반적으로, 다른 재료들 간의 계면에서는 굴절률이 불연속적으로 변화한다고 생각할 수 있다. 반면, 주변 부분(221)과 중심 부분(222)이 동일한 재료로 이루어지므로, 주변 부분(221)과 중심 부분(222) 간의 경계에서, 굴절률이 연속적으로 변화한다.
넓은 중심 부분(222)으로부터 출사한 광은, 좁은 주변 부분(221)으로부터 광이 출사하는 경우에 비해, 광로 부재(220)와 광전 변환부(110) 사이에서의 회절이 생기기 어렵다. 그 때문에, 광로 부재(220)로부터 출사한 광이 회절되어 광전 변환부(110)에의 입사가 어렵게 되는 것에 기인한 손실이 억제된다고 생각된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 광로 부재(220)와 절연막(200) 사이, 그리고 광로 부재(220) 내부, 그리고 광로 부재(220)와 광전 변환부(110) 사이에서의 광의 손실을 억제하면서, 광이 전파하기 때문에, 감도가 향상된다고 생각된다.
본 실시예에서 나타낸 바와 같이, 주변 부분(221)이 수광면(111)에 근접함에 따라서 주변 부분(221)의 두께는 연속적으로 감소되는 것이 바람직하다. 즉, 수광면(111)까지의 거리의 단축에 대하여, 주변 부분(221)의 두께가 협의적으로 단조 감소되는 것이 바람직하다고 말할 수 있다. 주변 부분(221)이 수광면(111)에 근접함에 따라서 주변 부분(221)의 두께가 단속적으로 감소된다. 즉, 수광면(111)까지의 거리의 단축에 대하여 주변 부분(221)의 두께가 광의적으로 단조 감소해도 된다고 말할 수 있다. 그러나, 주변 부분(221)의 두께가 단속적으로 감소되면, 주변 부분(221)의 두께가 일정한 부분에서는, 상기의 중심 부분(222)에의 천이는 비교적 작다고 생각할 수 있다. 그 때문에, 주변 부분(221)의 두께가 급격히 감소되면, 중심 부분(222)에의 천이 외에 절연막(200)에의 천이의 발생도 생기기 쉬워져서, 손실이 생긴다고 생각할 수 있다.
도 3b는 본 실시예에 있어서, 광로 부재(220)의 중심축에 대하여 입사각을 변화시킬 때의 감도를 나타낸다. 비교예로서 나타낸 것은, 광로 부재(220)가 굴절률 분포를 갖지 않는 형태라는 것을 유의한다. 도 3b로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 경사 입사광에 대해 감도가 향상한다. 그 결과, F값 비례성(linearity)을 향상시킬 수 있다. 광전 변환 소자(1)의 중심축에 평행하게 입사하는 광은, 광로 부재(200)의 내부에 초점을 형성하고, 제2 평면(1002)과 제4 평면(1004) 사이에 초점을 형성할 수도 있다는 것을 유의한다. 전형적으로는, 광전 변환 소자(1)의 중심축에 평행하게 입사하는 광은, 중심 부분(222) 내에 초점을 형성한다. 한편, 광전 변환 소자(1)의 중심축에 비스듬히 입사하는 광은, 주로 주변 부분(221) 내에 초점을 형성한다.
절연막(200)이 다층막일 경우, 다층막의 일부의 층의 굴절률이 광로 부재(220)의 중심 부분(222)의 굴절률 이상일 수 있고, 또한 주변 부분(221)의 굴절률 이상일 수 있다. 제1 고굴절률 영역의 굴절률 이상의 굴절률을 갖는 그러한 층을 고굴절률 절연층이라고 칭한다. 한편, 광로 부재(220)의 중심 부분(222)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는, 바꾸어 말하면, 제1 고굴절률 영역의 굴절률 미만의 굴절률을 갖는, 다층막의 나머지 층을 저굴절률 절연층이라고 칭한다.
한편, 본 실시예의 경우, 절연막(200) 중에서, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어지고 개구부(201)의 측면(204)을 이루는, 제3 절연층(207), 제5 절연층(209), 제7 절연층(211), 제9 절연층(213), 및 제11 절연층(215)은 저굴절률 절연층이다. 저굴절률 절연층은 광로 부재(220)를 둘러싸고 있다. 예를 들면, 중심 부분(222)의 굴절률이 1.83이고, 주변 부분(221)의 굴절률이 1.90일 경우, 제3 절연층(207), 제5 절연층(209), 제7 절연층(211), 제9 절연층(213), 및 제11 절연층(215)의 굴절률이 1.46일 때, 이 절연층들은 저굴절률 절연층이다. 또한, 제2 절연층(206)도 저굴절률 절연층이지만, 개구부(201)의 측면(204)을 이루지 않는다는 것을 유의한다. 단면 S1 내지 S5의 측면(204)이 도 2b에 도시되지만, 상세하게는, 도 2a로부터 이해할 수 있는 바와 같이 각각의 단면의 측면(204)은 각각 다른 절연층으로 형성된다. 구체적으로, 단면 S1의 측면(204)은 제11 절연층(215)으로 형성되고, 단면 S2의 측면(204)은 제9 절연층(213)으로 형성되고, 단면 S3의 측면(204)은 제7 절연층(211)으로 형성되고, 단면 S4 및 S5의 측면(204)은 제3 절연층(207)으로 형성된다. 한편, 주변 부분(221)과 중심 부분(222)이 질화실리콘이기 때문에, 절연막(200) 중에서, 질화실리콘으로 이루어지고 개구부(201)의 측면(204)을 이루는, 제4 절연층(208), 제6 절연층(210), 제8 절연층(212), 및 제10 절연층(214)은 고굴절률 절연층이다. 이 고굴절률 절연층은 광로 부재(220)를 둘러싸고 있다. 예를 들면, 중심 부분(222)의 굴절률이 1.83이고, 주변 부분(221)의 굴절률이 1.90일 경우, 제4 절연층(208), 제6 절연층(210), 제8 절연층(212), 및 제10 절연층(214)의 굴절률이 2.03일 때, 이 절연층들은 고굴절률 절연층이다. 또한, 제1 절연층(205)도 고굴절률 절연층이지만, 개구부(201)의 측면(204)을 이루지 않는다는 것을 유의한다. 따라서, 본 실시예에서는, 고굴절률 절연층은 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)과 동일한 재료로 이루어지고, 저굴절률 절연층은 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)과는 상이한 재료로 이루어진다.
그러나, 그러한 광로 부재(220)의 굴절률 이상의 굴절률을 갖는 층(고굴절률 절연층)이 개구부(201)의 측면(204)의 대부분을 형성하는 것은 바람직하지 않다. 이것은, 광로 부재(220)에 입사하는 광이 고굴절률 절연층 내를 전파하고, 개구부(201)로부터 누설될 가능성이 있기 때문이다. 그 때문에, 고굴절률 절연층이 이루는 개구부(201)의 측면(204)은, 개구부(201)의 측면(204) 전체의 면적의 1/2 미만이고, 1/4 미만일 수도 있다. 바꾸어 말하면, 다층막 중에서 광로 부재(220)의 굴절률보다 낮은 층(저굴절률 절연층)이, 개구부(201)의 측면(204) 전체의 면적의 1/2 이상이고, 3/4 이상일 수 있다. 각 층이 이루는 측면(204)의 면적은, 각 층의 두께나 측면(204)의 각도를 적절히 설정함으로써 조정할 수 있다. 1개의 저굴절률 절연층의 두께는 전형적으로 0.10㎛ 이상 0.60㎛ 이하이다. 광로 부재(220)에 입사하는 광의 파장이 λ이고, 고굴절률 절연층의 굴절률이 n0H라고 가정하면, 1개의 고굴절률 절연층의 두께는 λ/2n0 Ｈ 이하일 수 있고, λ/4n0 Ｈ 이하일 수도 있다. 고굴절률 절연층의 두께는 전형적으로는 0.010㎛ 이상 0.10㎛ 이하이다.
<제2 실시예>
도 4a는 제2 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 4b는 제2 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다.
본 실시예에서도, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 제3 평면(1003), 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 제6 평면(1006), S1 내지 S5, DS1 내지 DS5, DL1 내지 DL5, 및 TH1 내지 TH5의 정의는 도 2a 및 도 2b와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서도, 제1 실시예와 마찬가지로, 측면(204)은 순 테이퍼 형상이다. 한편, 중심 부분(222)은 원통 형상이고, 중심 부분(222)의 외면(주변 부분(221)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 수직이다. 그리고, DL1 = DL2 = DL3 = DL4 = DL5의 관계를 갖는다. 또한, 주변 부분(221)의 내면(중심 부분(222)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 수직이지만, 주변 부분(221)의 외면(절연막(200)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 역 테이퍼 형상이다. TH1 > TH2 > TH3 > TH4 > TH5의 관계를 갖는다.
본 실시예의 변형예(도시 생략)를 설명한다. 절연막(200)의 측면(204)은 테이퍼 형상이 아닐 수 있고, 수광면(111)에 대하여 수직일 수 있다(DS1 = DS2 = DS3 = DS4 = DS5). 이 경우, 중심 부분(222)의 외면은 수광면(111)에 대하여 순 테이퍼 형상이어야 한다(DL1 < DL2 < DL3 < DL4 < DL5). 또한, 절연막(200)의 측면(204)은 역 테이퍼 형상이고, DS1 < DS2 < DS3 < DS4 < DS5일 수 있다. 이 경우, 중심 부분(222)의 외면은 수광면(111)에 대하여 측면(204)보다 경사가 작은 순 테이퍼 형상이어야 한다. 즉, DS1 - DL1 > DS2 - DL2 > DS3 - DL3 > DS4 - DL4 > DS5 - DL5이고, 이에 의해 TH1 > TH2 > TH3 > TH4 > TH5의 관계를 실현할 수 있다.
<제3 실시예>
도 5a는 제3 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 5b는 제3 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다.
본 실시예에서도, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 제3 평면(1003), 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 제6 평면(1006), S1 내지 S5, DS1 내지 DS5, DL1 내지 DL5, 및 TH1 내지 TH5의 정의는 도 2a 및 도 2b와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서도, 제1 실시예와 마찬가지로, 측면(204)은 순 테이퍼 형상이다. 한편, 중심 부분(222)의 상부의 일부분(제2 평면(1002)으로부터 제5 평면(1005)까지의 부분)은 원통 형상이다. 중심 부분(222)의 상부의 나머지 부분(제5 평면(1005)으로부터 제4 평면(1004)까지의 부분)과 중심 부분(222)의 하부는 정원추대 형상(regular truncated-cone shape)이다. DL1 = DL2 < DL3 < DL4 < DL5의 관계를 갖는다. 또한, 주변 부분(221)의 외면(절연막(200)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 역 테이퍼 형상이다. TH1 > TH2 > TH3 > TH4 > TH5의 관계를 갖는다.
<제4 실시예>
도 6a는 제4 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 6b는 제4 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다.
본 실시예에서도, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 제3 평면(1003), 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 제6 평면(1006), S1 내지 S5, DS1 내지 DS5, DL1 내지 DL3, TH1 내지 TH3의 정의는 도 2a 및 도 2b와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서도, 제1 실시예와 마찬가지로, 측면(204)은 순 테이퍼 형상이고, DS1 > DS2 > DS3 > DS4 > DS5의 관계를 갖는다. 한편, 본 실시예는, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)이, 제2 평면(1002)과 제6 평면(1006) 사이에 위치하고, 제6 평면(1006)과 제3 평면(1003) 사이에는 위치하지 않는다는 점이, 제1 내지 제3 실시예와는 다르다. 본 실시예에서는, 광로 부재(220)는, 주변 부분(221)보다 낮은 굴절률을 갖는 출사 부분(2221)을 갖고 있다. 출사 부분(2221)의 굴절률은, 절연막(200)의 굴절률보다 높고, 전형적으로는, 중심 부분(222)의 굴절률과 같다. 따라서, 본 실시예에서는, 중심 부분(222) 및 출사 부분(2221)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
출사 부분(2221)은 제3 평면(1003)과 제6 평면(1006) 사이에 위치한다. 즉, 출사 부분(2221)은, 중심 부분(222)과 광전 변환부(110) 사이에 위치하고, 상세하게는, 도 1에 나타낸 저면(203)과 중심 부분(222) 사이에 위치한다. 출사 부분(2221)은 중심 부분(222)(및 주변 부분(221))과 동일한 재료로 이루어지고, 중심 부분(222)에 연속된다. 도 6b에 도시된 DL4 및 DL5는 출사 부분(2221)의 폭(직경)을 나타낸다. 출사 부분(2221)은 역 원추대 형상이다.
본 실시예에서도, 제3 실시예와 마찬가지로, 중심 부분(222)의 상부의 일부분(제2 평면(1002)으로부터 제5 평면(1005)까지의 부분)이 원통 형상이다. 또한, 중심 부분(222)의 상부의 나머지 부분과 중심 부분(222)의 하부의 일부분(제4 평면(1004)으로부터 제6 평면(1006)까지의 부분)이 정원추대 형상이다.
중심 부분(222)의 상부의 나머지 부분(제5 평면(1005)으로부터 제4 평면(1004)까지의 부분)과 중심 부분(222)의 하부(제4 평면(1004)으로부터 제6 평면(1006)까지의 부분)는 정원추대 형상이다. DL1 = DL2 < DL3 < DL4 < DL5의 관계를 갖는다. 출사 부분(2221)은 절연막(200)에 접촉하고, DL4 = DS4, 및 DL5 = DS5의 관계를 갖는다. TH1 > TH2 > TH3 > TH4의 관계를 갖는다.
<제5 실시예>
도 7a는 제5 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 7b는 제5 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다.
본 실시예에서도, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 제3 평면(1003), 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 제6 평면(1006), S1 내지 S5, DS1 내지 DS5, DL3 내지 DL5, 및 TH3 내지 TH5의 정의는 도 2a 및 도 2b와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서도, 제1 실시예와 마찬가지로, 측면(204)은 순 테이퍼 형상이고, DS1 > DS2 > DS3 > DS4 > DS5의 관계를 갖는다. 한편, 본 실시예는, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)이, 제5 평면(1005)과 제3 평면(1003) 사이에 위치하고, 제2 평면(1002)과 제5 평면(1005) 사이에는 위치하지 않는다는 점이, 제1 내지 제4 실시예와는 다르다.
본 실시예에서는, 광로 부재(220)는, 중심 부분(222)보다 높은 굴절률을 갖는 입사 부분(2212)을 갖고 있다. 입사 부분(2212)의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높고, 전형적으로는, 주변 부분(221)의 굴절률과 동일하다. 따라서, 본 실시예에서는, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221) 및 입사 부분(2212)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
입사 부분(2212)은 제2 평면(1002)과 제5 평면(1005) 사이에 위치한다. 즉, 입사 부분(2212)은 투명막(319)과 주변 부분(221) 사이에 위치한다. 입사 부분(2212)은 주변 부분(221)(및 중심 부분(222))과 동일한 재료로 이루어지고, 주변 부분(221)에 연속된다. 도 7b에 도시된 DL1 및 DL2는 입사 부분(2212)의 폭(직경)을 나타낸다. 입사 부분(2212)은 역 원추대 형상이다.
본 실시예에서는, 중심 부분(222)은 원추 형상이지만, 원추대 형상이어도 된다. DL3 < DL4 < DL5의 관계를 갖는다. 입사 부분(2212)은, 절연막(200)에 접촉하고, DL4 = DS4, 및 DL5 = DS5의 관계를 갖는다는 것을 유의한다. TH1 > TH2 > TH3 > TH4의 관계를 갖는다. 그러한 원추 형상 또는 원추대 형상을 갖는 중심 부분(222)은 spindt형의 전자 방출 디바이스의 제조 방법(예를 들면, 회전 섀도우잉)을 응용해서 형성할 수 있다.
<제6 실시예>
도 8a는 제6 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 수직한 방향의 단면도이며, 도 8b는 제6 실시예에 따른 광전 변환 소자(1)의 일부의 주면(101)(및 수광면(111))에 평행한 방향의 단면도이다. 본 실시예에서도, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
제1 평면(1001), 제2 평면(1002), 제3 평면(1003), 제4 평면(1004), 제5 평면(1005), 제6 평면(1006), S1 내지 S5, DS1 내지 DS5, DL1 내지 DL4, TH1 내지 TH4의 정의는 도 2a 및 도 2b와 마찬가지이기 때문에, 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서도, 광로 부재(220)는 출사 부분(2211)을 갖고 있다. 출사 부분(2211)은 주변 부분(221)에 연속되고, 주변 부분(221)과 동일한 재료로 이루어진다. 출사 부분(2211)의 굴절률은 중심 부분(222)의 굴절률보다 높다. 출사 부분(2211)의 두께는 얇다. 본 실시예에서는, 중심 부분(222)이 제1 고굴절률 영역이며, 주변 부분(221) 및 출사 부분(2211)이, 제1 고굴절률 영역(중심 부분(222))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다. 도 8b의 DL5는 출사 부분(2211)의 폭(직경)을 나타내고, 여기에서, DL5 = DS5가 된다.
이상 설명한 제1 내지 제6 실시예에서는, 주변 부분(221)이 절연막(200)의 측면(204)에 접촉하는 형태를 설명했다. 그러나, 주변 부분(221)이 절연막(200)의 측면(204)에 접촉하지 않고, 주변 부분(221)과 절연막(200)의 측면(204) 사이에, 광로 부재(220)의 일부를 이루는 1층 이상의 층이 개재될 수 있다.
예를 들면, 광로 부재(220)는, 주변 부분(221)과 절연막(200) 사이에, 주변 부분(221)의 굴절률 이하의 굴절률을 갖는 저굴절률층(도시 생략)을 갖고 있어도 된다. 저굴절률층의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높고, 중심 부분(222)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 또한, 저굴절률층의 재료는 주변 부분(221)(및 중심 부분(222))의 재료와 동일해도 되며, 또는 상이해도 된다는 것을 유의한다. 이러한 저굴절률층을 설치하면, 광의 손실을 저감시킬 수 있다. 또한, 이 저굴절률층은 주변 부분(221)을 둘러싸고 있어도 된다.
또한, 예를 들면, 광로 부재(220)는, 주변 부분(221)과 절연막(200) 사이에, 주변 부분(221)의 재료와 다른 재료로 이루어지는, 주변 부분(221)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절률층(도시 생략)을 갖고 있어도 된다. 그러나, 그러한 고굴절률층의 굴절률을, 주변 부분(221)의 굴절률에 비해 극단적으로 높게 하면, 그리고/또는 고굴절률층의 두께를 극단적으로 두껍게 하면, 광로 부재(220)에 입사하는 광은 이 고굴절률층에 집중된다고 생각된다. 그 때문에, 본 실시예에 따른 효과가 충분히 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 주변 부분(221)과 고굴절률층 간의 굴절률 차는, 주변 부분(221)과 중심 부분(222) 간의 굴절률 차보다 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 임의의 단면에 있어서, 고굴절률층의 두께는, 주변 부분(221)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 그러한 고굴절률층 또는 저굴절률층은, 주변 부분(221)의 형상을 규정하거나, 광로 부재(220)의 개구부(201)에의 밀착성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)의 재료로서 유기 재료(수지)를 채택할 경우, 상기의 고굴절률층 또는 저굴절률층은 유기 재료에 대한 보호층(패시베이션층)으로서 기능한다. 그러한 보호층의 재료로서 질화실리콘을 채택하는 것이 바람직하다.
또한, 중심 부분(222)의 내측에, 중심 부분(222)에 의해 둘러싸여지고, 중심 부분(222)과는 다른 재료로 이루어지는 영역, 또는 공극(void)이 존재할 수 있다는 것을 유의한다. 그러나, 그러한 영역의 굴절률이 중심 부분(222)의 굴절률보다 낮을 경우, 또는 이 영역의 굴절률이 주변 부분(221)의 굴절률보다 높을 경우에는, 그러한 영역은 가능한 한 제거하는 것이 바람직하다.
제1 내지 제6 실시예에 공통되는 투명막(319)에 대해서 설명한다. 도 2 및 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 절연막(200)의 상면(202) 위에는 투명막(319)이 설치되고 있다. 투명막(319)은, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)과 동일한 재료로 이루어지고, 절연막(200)(여기에서는, 제11 절연층(215))의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는다. 투명막(319)의 굴절률은, 중심 부분(222)의 굴절률보다 높고, 주변 부분(221)의 굴절률과 같을 수 있다. 구체적으로, 투명막(319)의 굴절률이 n3이고, 중심 부분(222)의 굴절률이 n2이고, 주변 부분(221)의 굴절률이 n1이라고 가정하면, (n1 + n2)/2 < n3 < (3n1 - n2)/2인 것이 바람직하다.
투명막(319)에 대해서 상세하게 설명한다. 제1 실시예(도 2), 제2 실시예(도 4), 제3 실시예(도 5), 제4 실시예(도 6), 및 제6 실시예(도 8)에 도시된 바와 같이, 투명막(319)은 제1 영역(3191)과 제2 영역(3192)을 갖고 있다. 투명막(319)의 제2 영역(3192)은 제1 고굴절률 영역인 중심 부분(222)에 연속된다. 투명막(319)의 제1 영역(3191)은 제2 고굴절률 영역인 주변 부분(221)에 연속되고, 절연막(200) 위에 위치한다. 제1 영역(3191)의 굴절률은 제2 영역(3192)의 굴절률보다 높고, 투명막(319)은 굴절률 분포를 갖고 있다. 제1 영역(3191)은 제2 영역(3192)을 둘러싸고 있다. 개구부(201) 대신, 절연막(200)의 상면(202)에 입사하려고 하는 방향으로 전파해 온 광이 존재한다면, 투명막(319)은 광로 부재(220)에 광을 유도할 수 있다. 구체적으로, 절연막(200)에 입사하기 전에, 투명막(319)의 제1 영역(3191)에 입사하기 위해서, 광은, 굴절률이 낮은 절연막(200)보다 굴절률이 높은 투명막(319)(제1 영역(3191)) 내를 전파하려고 한다. 투명막(319)을 통해 전파하는 광은, 투명막(319)의 제1 영역(3191)과 동일한 재료로 이루어지는 주변 부분(221)에 손실이 적게 입사한다. 그 때문에, 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 광로 부재(220)에 입사하는 광의 파장이 λ이고, 투명막(319)의 굴절률이 n3이라고 가정하면, 그러한 효과를 얻기 위해, 투명막(319)의 두께는 λ/4n3 이상 2λ/n3 이하이다. 도 7에 나타낸 제5 실시예에서는, 투명막(319)은 입사 부분(2212)에 연속되고, 투명막(319)은 입사 부분(2212)의 굴절률과 같다. 투명막(319)은 실질적으로 굴절률 분포를 갖지 않는다. 전술한 바와 같이, 투명막(319)이 제1 영역(3191)과 제2 영역(3192)을 갖고 있는 경우, 주변 부분(221)에 연속되는 제1 영역(3191)에 광을 집중시킬 수 있는 것이 바람직하다.
<제7 실시예>
본 실시예는, 제1 실시예에 있어서의, 주변 부분(221)과 중심 부분(222) 간의 고/저 관계를 반대로 한 실시예이며, 주로 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한다.
광로 부재(220)는, 적어도 중심 부분(224)과 주변 부분(223)을 갖고 있다. 주변 부분(223)은 중심 부분(224)과 절연막(200) 사이에 위치한다. 주변 부분(223)은 중심 부분(224)을 둘러싸고 있다. 주변 부분(223)은 중심 부분(224)과 다른 재료이어도 되지만, 주변 부분(223)은 중심 부분(224)과 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 적어도 주변 부분(223)의 일부와 중심 부분(224)의 일부 사이에는, 주변 부분(223) 및 중심 부분(224)의 재료와 다른 재료로 이루어지는 부분이 존재하지 않고, 중심 부분(224)으로부터 주변 부분(223)까지 동일한 재료가 연속되는 것이 바람직하다. 이 경우, 주변 부분(223)은 중심 부분(224)에 연속된다고 말할 수 있다. 주변 부분(223)의 전체와 중심 부분(224)의 전체 사이에, 양방의 재료와 다른 재료로 이루어지는 부분이 존재하지 않는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 주변 부분(223)의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높다. 그리고, 중심 부분(224)의 굴절률은 주변 부분(223)의 굴절률보다 높다. 그 때문에, 중심 부분(224)의 굴절률도 절연막(200)의 굴절률보다 높다. 즉, 본 실시예에서는, 주변 부분(223)이 제1 고굴절률 영역이며, 중심 부분(224)이 제1 고굴절률 영역(주변 부분(223))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역이다.
주변 부분(223)이 수광면(111)에 근접함에 따라서 주변 부분(223)의 두께는 연속적으로 얇아진다. 도 9b를 참조해서 상세하게 설명한다. DS1, DS2, DS3, DS4, 및 DS5는 단면 S1 내지 S5에 있어서의 개구부(201)의 폭(직경)을 나타낸다. 본 실시예에서는, 도 9a에 나타낸 측면(204)은 수광면(111)에 대하여 순 테이퍼 형상이고, DS1 > DS2 > DS3 > DS4 > DS5의 관계를 갖는다.
DH1, DH2, DH3, DH4, 및 DH5는 단면 S1 내지 S5에 있어서의 중심 부분(224)의 폭(직경)을 나타낸다. 본 실시예에서는, 중심 부분(224)은 원추대 형상이고, 중심 부분(224)의 외면(주변 부분(223)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 순 테이퍼 형상이다. DH1 < DH2 < DH3 < DH4 < DH5의 관계를 갖는다. TL1, TL2, TL3, TL4, 및 TL5는 단면 S1 내지 S5에 있어서의 주변 부분(223)의 두께(폭)를 나타낸다. 본 실시예에서는, 주변 부분(223)의 내면(중심 부분(224)측의 면) 및 주변 부분(223)의 외면(절연막(200)측의 면)은 수광면(111)에 대하여 역 테이퍼 형상이다. TL1 > TL2 > TL3 > TL4 > TL5의 관계를 갖는다.
여기에서는, 주변 부분(223)의 두께의 최대값(TL1)과 최소값(TL5) 간의 비(TL1/TL5)는 거의 무한대이지만, 적어도, 주변 부분(223)의 두께의 최소값은 최대값의 1/2 이하(최대값/최소값 ≥ 2)이다. 광로 부재(220)에 입사하는 광의 파장이 λ이고, 절연막(200)의 굴절률이 n0이고, 주변 부분(223)의 굴절률이 n1이라고 가정하면, 주변 부분(223)의 두께의 최대값은 λ/2√(n1 2-n0 2)보다 크다. 또한, 주변 부분(223)의 두께의 최소값은 λ/4√(n1 2-n0 2)보다 작다. 주변 부분(223)의 두께는, 광로 부재(220)의 상부(제2 평면(1002)으로부터 제4 평면(1004)까지)에서 최대값이 되는 것이 바람직하다. 또한, 주변 부분(223)의 두께는, 광로 부재(220)의 하부(제4 평면(1004)으로부터 제3 평면(1003)까지)에서 최소값이 되는 것이 바람직하다.
주변 부분(223)의 두께가 최소값과 최대값 사이인 부분에 있어서도, 수광면(111)에 가까운 평면에 있어서의 두께가 최대값의 1/2 이하이다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 예에서는, 제4 평면(1004)에 있어서의 주변 부분(223)의 두께(TL3)는, 제2 평면(1002)에 있어서의 주변 부분(223)의 두께(TL1)의 1/2이다. 또한, 제6 평면(1006)에 있어서의 주변 부분(223)의 두께(TL4)는, 제5 평면(1005)에 있어서의 주변 부분(223)의 두께(TL2)의 1/2 미만이다.
도 10은 본 실시예에 있어서, 광로 부재(220)의 중심축과 평행한 광이 광로 부재(220)에 입사할 때의 전계 강도 분포를 나타낸다. 상세하게는, 3개의 전계 강도 분포는, 광로 부재(220) 내에서 높이가 다른 3개의 위치에 있어서의 전계 강도의 수광면(111)에 평행한 면 내에서의 분포이다. 횡축의 위치가 광로 부재(220) 내에서의 높이를 나타낸다.
파동 광학적으로, 광은 굴절률이 높은 영역에 집중하기 쉽다고 생각할 수 있다. 그 때문에, 주변 부분(223)보다 굴절률이 높은 중심 부분(224)의 두께가 큰 위치에서는, 중심 부분(224)의 전계 강도가 주변 부분(223)의 전계 강도보다 높다. 또한, 광의 대부분은 중심 부분(224)을 통해 전파하므로, 광로 부재(220)로부터 절연막(200)에 누출하는 광을 감소시킬 수 있다. 그 때문에, 광의 손실이 억제된다고 생각된다. 따라서, 광전 변환 소자(1)의 중심축에 평행하게 입사하는 광의 이용 효율을 제1 내지 제6 실시예에 비해 향상시킬 수 있다. 광전 변환 소자(1)의 중심축에 평행한 광이란, 실질적으로, 광전 변환부(110)의 수광면에 수직으로 입사하는 광이며, 광전 변환부(110)에의 입사광의 전형적인 것이다. 따라서, 감도가 높은 광전 변환 소자(1)를 얻을 수 있다.
본 발명자들은, 입사광의 파장이 550㎚(녹색광)이고, 절연막(200)의 굴절률이 1.46이고, 광로 부재(220)의 굴절률이 1.83 내지 1.90이라고 가정한 3개의 모델에 대하여, 광로 부재(220)의 중심축에 평행한 광이 광로 부재(220)에 입사할 때의 감도의 검토를 행하였다. 제1 모델은, 중심 부분의 굴절률 및 주변 부분의 굴절률이 둘 다 1.83이고, 광로 부재(220)가 굴절률 분포를 갖지 않는 모델이다. 제2 모델은, 중심 부분의 굴절률 및 주변 부분의 굴절률이 둘 다 1.90이고, 광로 부재(220)가 굴절률 분포를 갖지 않는 모델이다. 제3 모델은, 중심 부분(224)의 굴절률이 1.90이고, 주변 부분(223)의 굴절률이 1.83인 본 실시예에 대응하는 모델이다. 제1 모델의 감도를 1.00으로서 규격화를 행한 경우, 제2 모델의 규격화 감도가 1.04인 것에 대해, 제3 모델의 규격화 감도는 1.05이었다. 이렇게, 제3 모델은, 제1 모델에 대해서는, 중심 부분(224)의 굴절률을 주변 부분(223)의 굴절률보다 높게 설정함으로써, 또한, 제2 모델에 대해서는, 주변 부분(223)의 굴절률을 중심 부분(224)의 굴절률보다 낮게 설정함으로써, 광전 변환 소자(1)의 감도를 향상시킬 수 있다.
제7 실시예의 변형예로서, 제2 내지 제6 실시예에 있어서의 주변 부분(221)과 중심 부분(222)의 굴절률 간의 고/저 관계를 반대로 한 구성을 채택해도 된다는 것을 유의한다. 예를 들면, 제4 실시예에 있어서의, 주변 부분(221)을 제1 고굴절률 영역으로 하고, 중심 부분(222) 및 출사 부분(2221)을 제1 고굴절률 영역(주변 부분(221))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역으로 하는 구성을 만들 수 있다. 대안적으로, 제5 실시예에 있어서의, 주변 부분(221) 및 입사 부분(2212)을 제1 고굴절률 영역으로 하고, 중심 부분(222)을 제1 고굴절률 영역(주변 부분(221))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역으로 하는 구성을 만들 수 있다. 또한, 제6 실시예에 있어서의, 주변 부분(221) 및 출사 부분(2211)을 제1 고굴절률 영역으로 하고, 중심 부분(222)을 제1 고굴절률 영역(주변 부분(221))보다 높은 굴절률을 갖는 제2 고굴절률 영역으로 하는 구성을 만들 수 있다.
또한, 투명막(319)은 제1 영역(3193)과 제2 영역(3194)을 갖고 있다. 투명막(319)의 제2 영역(3194)은 제2 고굴절률 영역인 중심 부분(224)에 연속된다. 투명막(319)의 제1 영역(3193)은 제1 고굴절률 영역인 주변 부분(223)에 연속되고, 절연막(200) 위에 위치한다. 제2 영역(3194)의 굴절률은 제1 영역(3193)의 굴절률보다 높고, 투명막(319)은 굴절률 분포를 갖고 있다. 제1 영역(3193)은 제2 영역(3194)을 둘러싸고 있다. 이렇게 하면, 투명막(319)에 입사한 광을, 광로 부재(220)의 중심 부분(224)에 유도할 수 있고, 광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
제7 실시예는, 주변 부분(221)이 절연막(200)의 측면(204)에 접촉하는 형태이다. 그러나, 제1 실시예 내지 제6 실시예와 마찬가지로, 주변 부분(223)이 절연막(200)의 측면(204)에 접촉하지 않고, 주변 부분(223)과 절연막(200)의 측면(204) 사이에, 광로 부재의 일부를 이루는 1층 이상의 층이 개재될 수 있다.
예를 들면, 일 실시예에서, 도광로는, 주변 부분(221)과 절연막(200) 사이에, 주변 부분(223)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절률층(도시 생략)을 갖고 있어도 된다. 이 저굴절률층의 굴절률은 절연막(200)의 굴절률보다 높고, 중심 부분(224)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 저굴절률층의 재료는 주변 부분(223)(및 중심 부분(224))의 재료와 동일해도 되며, 또는 상이해도 된다는 것을 유의한다. 그러한 저굴절률층을 설치하면, 광의 손실을 저감시킬 수 있다. 또한, 이 저굴절률층은 주변 부분(223)을 둘러싸고 있어도 된다.
또한, 예를 들면, 도파로 구조는, 주변 부분(223)의 재료와는 상이한 재료로 이루어지고, 주변 부분(223)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절률층(도시 생략)을 갖고 있어도 된다. 그러나, 그러한 고굴절률층의 굴절률을 주변 부분(223)의 굴절률에 비해 극단적으로 높게 하면, 그리고/또는 고굴절률층의 두께를 극단적으로 두껍게 하면, 광로 부재(220)에 입사하는 광은 이 고굴절률층에 집중된다고 생각할 수 있다. 그 때문에, 본 실시예에 따른 효과가 충분히 얻어지지 않을 수 있다. 따라서, 주변 부분(223)과 고굴절률층 간의 굴절률 차는, 주변 부분(223)과 중심 부분(224) 간의 굴절률 차보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 임의의 단면에 있어서, 고굴절률층의 두께는, 주변 부분(221)의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 그러한 고굴절률층 또는 저굴절률층은, 주변 부분(221)의 형상을 규정하거나, 광로 부재(220)의 개구부(201)에의 밀착성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 주변 부분(221) 및 중심 부분(222)의 재료로서 유기 재료(수지)를 이용할 경우에는, 상기의 고굴절률층 또는 저굴절률층은 유기 재료에 대한 보호층(패시베이션층)으로서 기능한다. 그러한 보호층의 재료로서 질화실리콘을 채택하는 것이 바람직하다.
질화실리콘을 이용해서 본 실시예와 같은 굴절률 분포를 형성하기 위해서는, 예를 들면 다음과 같은 방법을 채택할 수 있다. 제1 방법으로서는, 우선, 측면(204) 위에, 성막 재료의 질소 성분의 양에 대한 실리콘 성분의 양을 비교적 적게 해서 제1 질화실리콘막을 성막한다. 그 후, 제1 질화실리콘막 위에, 재료의 질소 성분의 양에 대한 실리콘 성분의 양을, 제1 질화실리콘막을 성막할 때보다 많게 해서 제2 질화실리콘막을 성막한다. 이때, 제1 질화실리콘막을 성막할 때와, 제2 질화실리콘막을 성막할 때, 질소 성분의 양 및 실리콘 성분의 양 중 일방이 동일해도 되며, 또는 양방이 상이해도 된다. 이 제1 방법에 의해, 제1 질화실리콘막이 주변 부분(223)을 이루고, 제2 질화실리콘막이 중심 부분(224)을 이루는, 광로 부재(220)를 형성할 수 있다. 이것은, 화학양론적 조성비가 Si : N = 3 : 4이어도, 비화학양론적 조성에 관해서, 질소에 대한 실리콘의 비(Si/N)가 비교적 높은 질화실리콘이, 질소에 대한 실리콘의 비(Si/N)가 비교적 낮은 질화실리콘보다 굴절률이 높기 때문이다.
제2 방법으로서는, 우선, 측면(204) 위에, 성막 재료의 입사 에너지를 비교적 높게 해서, 재료 밀도가 비교적 낮은 제1 질화실리콘막을 성막한다. 그 후, 제1 질화실리콘막을 성막할 때에 비해 성막 재료의 입사 에너지를 감소시켜, 제1 질화실리콘막보다 재료 밀도가 높은 제2 질화실리콘막을 성막한다. 이에 의해, 제1 질화실리콘막이 주변 부분(223)을 이루고, 제2 질화실리콘막이 중심 부분(224)을 이루는, 광로 부재(220)를 형성할 수 있다. 이것은, 질화실리콘의 밀도가 비교적 높고 밀한 질화실리콘막이, 질화실리콘의 밀도가 비교적 낮고 조한 질화실리콘막보다 굴절률이 높기 때문이다.
<광전 변환 소자의 상세>
도 1을 참조하여 광전 변환 소자(1)의 예를 상세하게 설명한다. N형 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(100) 내에 N+형 반도체 영역(112)이 설치되어 있다. N+형 반도체 영역(112)의 하부를 포함하는 주위에는 N형 반도체 영역(113)이 설치되어 있다. N형 반도체 영역(113)의 하부에는 P형 반도체 영역(114)이 설치되어 있다. N+형 반도체 영역(112)은 주로 전하 축적 영역으로서 기능할 수 있다. N+형 반도체 영역(112), N형 반도체 영역(113), 및 P형 반도체 영역(114)은 광전 변환부(110)의 일부를 구성할 수 있다.
제1 렌즈기판층(328)의 입사측 표면(도 1에 있어서의 상면)은, 입사측을 향해서 볼록의 이상적인 구면, 대략적인 구면, 또는 비구면(이하, 이들을 총괄해서 "곡면"이라고 칭함)을 갖고 있으며, 즉, 볼록 렌즈 형상을 갖고 있다. 이에 의해, 렌즈체층(329)에 입사한 광은 중심축에 근접하고, 집광된다. 렌즈기판층(328)과 렌즈체층(329)은 서로 동일한 유기 재료(수지)로 이루어지고, 렌즈기판층(328)과 렌즈체층(329)은 서로 접촉한다. 즉, 렌즈기판층(328)과 렌즈체층(329)은 실질적으로 일체로서 설치되어 있다고 말할 수 있다. 렌즈기판층(328)과 렌즈체층(329) 간의 경계를 관찰하는 것이 곤란한 경우가 많다. 이 경우에는, 렌즈체층(329)의 곡면 영역의 엣지들을 연결한 평면을 가상적인 경계로서 설정할 수 있다. 또한, 제1 렌즈기판층(328)을 생략하고, 제1 렌즈체층(329)과 컬러 필터층(327)이 서로 접촉하는 구성으로 해도 된다는 것을 유의한다.
제1 렌즈체층(329)의 재료의 물성(특히, 굴절률)과 곡면의 형상(특히, 그것의 곡률, 높이, 및 폭)은 초점의 위치에 크게 영향을 준다. 일반적으로, 곡률을 크게 설정할수록, 초점의 위치는 제1 평면(1001)으로부터 멀어진다. 렌즈기판층(328)의 재료의 물성(특히, 굴절률) 및 두께는, 집광된 광이 렌즈기판층(328) 내에서 중심축에 근접하는 거리에 영향을 주기 때문에, 초점을 결정하는 요인 중 하나가 된다. 전형적인 제1 렌즈체층(329)의 굴절률은 1.6 내지 2.0이다.
컬러 필터층(327)은 색재를 함유하는 유기 재료(수지)로 이루어진다. 색재로서는 염료를 채택할 수 있지만, 안료를 채택해도 된다. 컬러 필터층(327)의 재료의 물성(특히, 굴절률) 및 두께는, 렌즈기판층(328)과 컬러 필터층(327) 간의 계면에서 굴절한 광이 컬러 필터층(327) 내의 중심축에 근접하는 거리에 영향을 주기 때문에, 초점을 결정하는 요인 중 하나가 된다. 전형적인 컬러 필터층(327)의 두께는 0.1 내지 1.0㎛이고, 전형적인 굴절률은 1.4 내지 1.6이다.
평탄화막(326)은 유기 재료(수지)로 이루어지고, 제1 렌즈체층(329)과 제2 렌즈체층(324) 간의 거리를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 평탄화막(326)은 제2 렌즈체층(324)의 곡면 형상에 대하여 평탄화되고, 컬러 필터층(327), 제1 렌즈기판층(328), 및 제1 렌즈체층(329)에서의 광로의 기울기를 억제하는 기능을 갖고 있다. 평탄화막(326)의 최박부의 두께는, 전형적으로는 0.1 내지 0.5㎛이고, 평탄화막(326)의 굴절률은 1.4 내지 1.5이다.
제2 렌즈기판층(323) 및 제2 렌즈체층(324)은 질화실리콘으로 이루어지고, 제2 렌즈체층(324)은 볼록 렌즈 형상(평볼록 렌즈 형상)을 갖고 있다. 제2 렌즈체층(324)의 굴절률은 평탄화막(326)의 굴절률보다 높다는 것을 유의한다. 그 때문에, 제1 렌즈체층(329)에서 집광되는 광을 더욱 집광할 수 있다.
제2 렌즈체 코팅층(325)은 산화실리콘으로 이루어지고, 제2 렌즈체층(324)의 굴절률과 평탄화막(326)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖고 있다. 이렇게, 제2 렌즈체 코팅층(325)이 제2 렌즈체층(324)의 굴절률과 평탄화막(326)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 경우, 평탄화막(326)으로부터 제2 렌즈체층(324)에의 입사광이 증가한다. 이것은, 제2 렌즈체 코팅층(325)을 설치하지 않을 경우에 생길 수 있는 평탄화막(326)과 제2 렌즈체층(324) 간의 계면에서의 반사를 억제할 수 있고, 투과율을 증가시킬 수 있기 때문이다.
일 실시예에서, 제2 렌즈체 코팅층(325)의 두께는 제2 렌즈체층(324)의 두께보다 작고, 제2 렌즈체층(324)의 두께의 1/2 이하일 수 있다. 제2 렌즈체 코팅층(325)의 두께는 입사광의 파장의 (M - 0.5)/4n325배 내지 (M + 0.5)/4n325배이고, 또한 두께는 입사광의 파장의 M/4n325배일 수도 있다. 여기에서, M은 홀수이고, n325는 제2 렌즈체 코팅층(325)의 굴절률이다. M은 1 또는 3이다. 제2 렌즈체 코팅층(325)의 두께를 이렇게 설정하는 경우, 제2 렌즈체층(324)의 표면에서의 반사광과, 제2 렌즈체 코팅층(325)의 표면에서의 반사광에 기인한 간섭을 약화시킬 수 있기 때문에, 파동 광학적인 시점에서의 반사 억제 기능을 발휘한다.
제2 렌즈기판층(323)과 저굴절률층(321) 사이에 제1 중굴절률층(322)이 설치되어 있고, 저굴절률층(321)과 투명막(319) 사이에 제2 중굴절률층(320)이 설치되어 있다. 제1 중굴절률층(322) 및 제2 중굴절률층(320)의 재료는 산질화실리콘으로 이루어지고, 저굴절률층(321)의 재료는 산화실리콘이다.
제1 중굴절률층(322)의 상면은 제2 렌즈기판층(323)의 하면과 함께 계면을 이루고, 제1 중굴절률층(322)의 굴절률은 제2 렌즈기판층(323)의 굴절률보다 낮다. 저굴절률층(321)의 상면은 제1 중굴절률층(322)의 하면과 함께 계면을 이루고, 저굴절률층(321)의 굴절률은 제1 중굴절률층(322)의 굴절률보다 낮다. 그 때문에, 제1 중굴절률층(322)은, 제2 렌즈기판층(323)의 굴절률과 저굴절률층(321)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖고 있다. 제2 중굴절률층(320)의 상면은 저굴절률층(321)의 하면과 함께 계면을 이루고, 제2 중굴절률층(320)의 굴절률은 저굴절률층(321)의 굴절률보다 높다. 제2 중굴절률층(320)의 하면은 투명막(319)의 상면과 함께 계면을 이루고, 제2 중굴절률층(320)의 굴절률은 투명막(319)의 굴절률보다 낮다. 그 때문에, 제2 중굴절률층(320)은 저굴절률층(321)의 굴절률과 투명막(319)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖고 있다. 이렇게, 제1 중굴절률층(322), 저굴절률층(321), 및 제2 중굴절률층(320) 중 임의의 것의 굴절율은, 제2 렌즈기판층(323) 및 제2 렌즈체층(324)의 굴절률보다 낮기 때문에, 제1 중굴절률층(322), 저굴절률층(321), 및 제2 중굴절률층(320)을 총괄해서 저굴절률막이라고 할 수 있다. 저굴절률막으로부터 제1 중굴절률층(322)과 제2 중굴절률층(320) 중 적어도 하나를 생략할 수 있고, 저굴절률막을 단층막 또는 2층 막으로 해도 된다는 것을 유의한다. 저굴절률막을 생략해도 된다는 것을 유의한다.
저굴절률층(321)의 굴절률은 제1 중굴절률층(322)의 굴절률보다 낮기 때문에, 광은, 저굴절률층(321) 내에서는 스넬의 법칙에 따라서, 개구부(201) 및 광로 부재(220)의 중심축을 향하는 방향으로 굴절한다. 그 때문에, 개구부(201)(광로 부재(220))에 입사하는 광의 양을 증가시킬 수 있다. 제1 중굴절률층(322)이 없을 경우에도, 저굴절률막(321)의 굴절률은 제1 중굴절률층(322)의 굴절률보다 낮기 때문에, 마찬가지의 굴절이 생길 수 있다. 그러나, 제2 렌즈기판층(323)과 저굴절률층(321) 간의 굴절률 차에 따라, 제2 렌즈기판층(323)과 저굴절률층(321) 간의 계면에서 입사광의 반사가 생길 경우가 있다. 또한, 저굴절률층(321)과 투명막(319) 간의 굴절률 차에 따라, 저굴절률층(321)과 투명막(319) 간의 계면에서 입사광의 반사가 생길 경우가 있다. 이때의 반사율 R은, R = (n321 - n319)2/(n321 + n319)2으로 나타낼 수 있다. 여기에서, n321은 저굴절률층(321)의 굴절률이고, n319는 투명막(319)의 굴절률이다. 도 1의 예에서는, 제2 렌즈기판층(323)과 제1 중굴절률층(322) 간의 굴절률 차와, 제1 중굴절률층(322)과 저굴절률층(321) 간의 굴절률 차의 양방이, 제2 렌즈기판층(323)과 저굴절률층(321) 간의 굴절률 차보다 작다. 따라서, 제2 렌즈기판층(323)으로부터 저굴절률층(321)에의 투과율을 향상시킬 수 있고, 저굴절률층(321)에 입사하는 광의 양을 증가시킬 수 있다. 투명막(319)의 굴절률은 제2 중굴절률층(320)의 굴절률보다 높기 때문에, 투명막(319) 내에서는 스넬의 법칙에 따라서, 광은, 개구부(201) 및 광로 부재(220)의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 굴절된다. 그 때문에, 주변 부분(221)(또는 주변 부분(223))에 입사하는 광속을 늘릴 수 있다. 또한, 측면(204)에 대한 각도를 감소시킬 수 있고, 임계각 이상의 입사각에서 측면(204)에 입사하는 광속을 증가시킬 수 있고, 개구부(201)의 측면(204)으로부터 누설되는 광의 양을 감소시킬 수 있다. 제2 중굴절률층(320)이 없을 경우에도, 저굴절률층(321)의 굴절률을 투명막(319)의 굴절률보다 낮게 함으로써, 마찬가지의 굴절이 생길 수 있다. 도 1의 예에서는, 저굴절률층(321)과 제2 중굴절률층(320) 간의 굴절률 차와, 제2 중굴절률층(320)과 투명막(319) 간의 굴절률 차의 양방이, 저굴절률층(321)과 투명막(319) 간의 굴절률 차보다 작다. 따라서, 저굴절률층(321)으로부터 투명막(319)에의 투과율을 향상시킬 수 있고, 투명막(319)에 입사하는 광의 양을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 중굴절률층(322)의 두께는 입사광의 파장의 (M - 0.5)/4n322배 내지 (M + 0.5)/4n322배이고, 그 두께는 입사광의 파장의 M/4n322배일 수도 있다. 여기에서, M은 홀수이고, n322는 제1 중굴절률층(322)의 굴절률이다. M은 1 또는 3이다. 제1 중굴절률층(322)의 두께를 이렇게 설정한 경우, 제1 중굴절률층(322)과 제2 렌즈기판층(323) 간의 계면에서의 반사광과, 제1 중굴절률층(322)과 저굴절률층(321) 간의 계면에서의 반사광에 기인한 간섭을 약화시킬 수 있기 때문에, 파동 광학적인 시점에서 반사 억제 기능을 발휘한다.
마찬가지로, 제2 중굴절률층(320)의 두께는 입사광의 파장의 (M - 0.5)/4n320배 내지 (M + 0.5)/4n320배이고, 두께는 입사광의 파장의 M/4n320배일 수도 있다. 여기에서, M은 홀수이고, n320은 제2 중굴절률층(320)의 굴절률이다. M은 1 또는 3이다.
저굴절률막 내에 있어서 중심축에 근접하도록 굴절을, 각층의 두께가 한정된 범위 내에서 크게 하기 위해, 제1 중굴절률층(322)의 두께와 저굴절률층(321)의 두께를 다음과 같이 설정하는 것이 바람직하다. 우선, 제2 렌즈기판층(323)과 제1 중굴절률층(322) 간의 상대 굴절률과, 제1 중굴절률층(322)과 저굴절률층(321) 간의 상대 굴절률을 비교한다. 상대 굴절률이 큰 쪽의 출사측의 매질(제1 중굴절률층(322)과 저굴절률층(321) 중 하나)의 두께를, 상대 굴절률이 작은 쪽의 출사측의 매질(제1 중굴절률층(322)과 저굴절률층(321) 중 다른 하나)의 두께보다 크게 설정한다. 또한, 여기서 상대 굴절률은 (입사측 매질의 굴절률)/(출사측 매질의 굴절률)이며, 본 실시예에서는 1보다 큰 값이라는 것을 유의한다. 또한, 지금까지의 설명에 있어서, 간단히 굴절률이라고 기재한 경우에는, 절대 굴절률을 의미하는 것임을 유의한다. 스넬의 법칙에 따르면, 상대 굴절률이 클수록 출사각이 커지므로, 상기 상대 굴절률이 큰 쪽의 출사측 매질의 두께를 크게 함으로써, 출사광을 보다 크게 중심축에 근접시킬 수 있다. 예를 들면, 제2 렌즈기판층(323)의 굴절률이 2.00이고, 제1 중굴절률층(322)의 굴절률이 1.72이고, 저굴절률층(321)의 굴절률이 1.46인 경우에는, 2.00/1.72 < 1.72/1.46이다. 따라서, 저굴절률층(321)의 두께를 제1 중굴절률층(322)의 두께에 비해 크게 하면 된다.
<광전 변환 장치 및 촬상 시스템>
도 11을 참조하여, 광전 변환 장치(10) 및 이것을 채택한 촬상 시스템(30)의 예를 설명한다. 광전 변환 장치(10)는, 예를 들면, 이미징 센서, 측거 센서, 또는 측광 센서로서 채택될 수 있다. 광전 변환 장치(10)는 이미징 센서, 측거 센서, 또는 측광 센서로서의 기능 중의 복수의 기능을 겸비하고 있어도 된다.
광전 변환 장치(10)와, 광전 변환 장치(10)로부터 출력된 전기 신호가 입력되어, 이 전기 신호를 처리하는 신호 처리 장치(20)를 포함하는 촬상 시스템(30)을 구축할 수도 있다. 도 9는 촬상 시스템(30)의 예를 도시하는 도면이다. 전기 신호는 광전 변환 장치(10)의 OUT1 및 OUT2로부터 출력된다. 여기에서는, 2개의 출력 경로 OUT1 및 OUT2를 설치한 예를 나타냈지만, 출력 경로는 1개이어도 되며, 또는 3개 이상이어도 된다. 전기 신호는 신호 처리 장치(20)의 IN에 입력된다. 전기 신호는 전류 신호 또는 전압 신호일 수 있고, 또한, 아날로그 신호 또는 디지털 신호일 수 있다. 전기 신호 대신에 광 신호를 이용할 수도 있다.
광전 변환 장치(10)를 이미지 센서로서 채택할 경우에는, 신호 처리 장치(20)를 IN에 전기 신호를 입력하여, OUT3으로부터 화상 신호를 출력하도록 구성한다. 광전 변환 장치(10)를 초점 검출용의 측거 센서로서 채택할 경우에는, 신호 처리 장치(20)를 IN에 전기 신호를 입력하여, 광전 변환 장치(10)의 전방에 설치된 렌즈를 구동하기 위한 구동 신호를 OUT3으로부터 출력하도록 구성한다. 광전 변환 장치(10)를 측광 센서로서 채택할 경우에는, 신호 처리 장치(20)를, IN에 전기 신호를 입력하여, 셔터를 제어해서 노광 시간을 조정하기 위한 제어 신호를 OUT3으로부터 출력하도록 구성한다. 상기의 셔터는 미케니컬 셔터 또는 전자 셔터라도 되며, 전자 셔터의 경우에는, 실질적으로 광전 변환 장치(10)를 제어하게 된다는 것을 유의한다. 본 발명에 따른 광전 변환 장치(10)를 이미지 센서로서 채택하면 특히 적절하고, 양호한 화상을 얻을 수 있다.
도 11에 나타낸 촬상 시스템(30)에 있어서의 광전 변환 장치(10)의 예를 설명한다. 본 예에서는, 광전 변환 장치(10)로서 화소 증폭형 광전 변환 장치를 이미지 센서로서 채택한다. 도 11에 있어서, 광전 변환 장치(10)는 화소 영역(611), 수직 주사 회로(612), 2개의 판독 회로(613), 2개의 수평 주사 회로(614), 및 2개의 출력 앰프(615)를 포함한다. 화소 영역(611) 이외의 영역을 주변 회로 영역이라고도 칭한다.
화소 영역(611)에는, 다수의 광전 변환 소자(1)가 2차원 방식으로 배열되어 있다. 각 광전 변환 소자(1)가 1화소에 상당한다. 서로 인접하는 광전 변환 소자들(1)의 중심 축 간의 간격(화소 피치)은, 전형적으로는, 10㎛ 이하이며, 5.0㎛ 이하일 수 있으며, 2.0㎛ 이하일 수도 있다. 주변 회로 영역에는, 판독 회로(613), 예를 들면, 열(column) 앰프, CDS 회로, 및 가산 회로 등이 설치되고, 이 회로들은 수직 주사 회로(612)에 의해 선택된 행의 화소로부터 수직 신호선을 통해서 판독된 신호에 대하여 증폭 또는 가산 등을 행한다. 열 앰프, CDS 회로, 및 가산 회로 등은, 예를 들면, 화소열 마다 또는 복수의 화소열 마다 배치된다. 수평 주사 회로(614)는 판독 회로(613)의 신호를 순서대로 판독하기 위한 신호를 생성한다. 출력 앰프(615)는 수평 주사 회로(614)에 의해 선택된 열의 신호를 증폭해서 출력한다.
이상의 구성은, 광전 변환 장치(10)의 구성예에 지나지 않고, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 판독 회로(613), 수평 주사 회로(614), 및 출력 앰프(615)는 2개의 계통의 출력 경로(OUT1 및 OUT2)를 구성하기 때문에, 이들은 그 사이에 화소 영역(611)을 끼워서 상하로 1개씩 배치된다.
대표적인 촬상 시스템(30)의 예로서는 스틸 카메라 및 비디오 카메라 등의 카메라를 포함한다. 촬상 시스템(30)은, 광전 변환 장치(10)를 이동 가능하게 하는 이동 유닛(도시 생략)을 포함할 수도 있다. 이동 유닛의 예로서는, 전동 모터, 레시프로케이팅 엔진, 또는 로타리 엔진 등을 동력원으로 하는 차륜을 포함하고, 또한, 프로펠러, 터빈 엔진, 및 로켓 엔진 등의 추진 장치도 포함한다. 그러한, 이동 유닛을 포함하는 촬상 시스템은 자동차, 철도 차량, 선박, 항공기, 또는 인공 위성 등에, 광전 변환 장치(10) 및 신호 처리 장치(20)를 탑재하는 것에 의해 실현될 수 있다.
이상, 설명한 바와 같이, 제1 내지 제7 실시예를 포함할 수 있는 본 발명에서는, 광 이용 효율이 높은 광전 변환 소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 제1 관점에 포함되는 제1 내지 제6 실시예에서는, F값 비례성이 향상된 광전 변환 소자를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 관점에 포함되는 제7 실시예에서는, 중심축에 평행한 광에 대한 감도가 향상된 광전 변환 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은 그 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 하기의 청구항들의 범위는 모든 그러한 변형과, 등가의 구조 및 기능을 포괄하도록 최광의의 해석에 따라야 한다.
1: 광전 변환 소자
10: 광전 변환 장치
20: 신호 처리 장치
30: 촬상 시스템
100: 기판
101: 주면
110: 광전 변환부
111: 수광면
200: 절연막
201: 개구부
217: 배선
220: 광로 부재
221: 주변 부분
222: 중심 부분
319: 투명막
1001: 제1 평면
1002: 제2 평면
1003: 제3 평면
10: 광전 변환 장치
20: 신호 처리 장치
30: 촬상 시스템
100: 기판
101: 주면
110: 광전 변환부
111: 수광면
200: 절연막
201: 개구부
217: 배선
220: 광로 부재
221: 주변 부분
222: 중심 부분
319: 투명막
1001: 제1 평면
1002: 제2 평면
1003: 제3 평면
Claims (31)
- 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
제1 부분, 및
상기 제1 부분과 화학양론적 조성이 동일하고, 상기 제1 부분의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 및 상기 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고, 상기 제1 부분의 굴절률은 상기 절연막의 굴절률보다 높고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어진 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하는 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
질화실리콘으로 이루어진 제1 부분, 및
질화실리콘으로 이루어지고, 상기 제1 부분의 질화실리콘의 밀도보다 높은 질화실리콘의 밀도를 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제1 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제2 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어진 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하는 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
질화실리콘으로 이루어진 제1 부분, 및
질화실리콘으로 이루어지고, 상기 제1 부분의 질소에 대한 실리콘의 비보다 높은 질소에 대한 실리콘의 비를 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제1 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제2 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
제1 부분, 및
상기 제1 부분의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 및 상기 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고, 상기 제2 부분의 굴절률은 상기 절연막의 굴절률보다 높고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어진 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하는 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
질화실리콘으로 이루어진 제1 부분, 및
질화실리콘으로 이루어지고, 상기 제1 부분의 질화실리콘의 밀도보다 낮은 질화실리콘의 밀도를 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제1 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제2 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 광전 변환 소자이며,
광전 변환부, 및
상기 광전 변환부로의 광로 부재로서, 상기 광전 변환부 위에 설치되고, 산화실리콘 또는 규산염 글래스로 이루어진 제1 절연층 및 제2 절연층을 포함하는 절연막으로 둘러싸여진 광로 부재를 포함하고, 상기 광로 부재는,
질화실리콘으로 이루어진 제1 부분, 및
질화실리콘으로 이루어지고, 상기 제1 부분의 질소에 대한 실리콘의 비보다 낮은 질소에 대한 실리콘의 비를 갖는 제2 부분을 포함하고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행한 어떤 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제1 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 광전 변환부의 수광면에 평행하고 상기 어떤 평면보다 상기 수광면에 가까운 다른 평면 내에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 상기 제2 절연층 사이에 위치하고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분에 연속되며 상기 제1 부분을 둘러싸고,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께보다 작은, 광전 변환 소자. - 제4항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분과 화학양론적 조성이 동일한, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축으로부터 상기 절연막을 향하여, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 굴절률이 연속적으로 변화하는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께의 반 이하인, 광전 변환 소자. - 제9항에 있어서,
상기 광로 부재는, 상기 절연막의 상면으로부터 연속되는 측면과, 상기 측면에 연속되는 저면을 갖는, 상기 절연막의 개구부 내에 설치되고,
상기 수광면을 포함하는 평면을 제1 평면이라고 하고, 상기 상면을 포함하고 상기 제1 평면에 평행한 평면을 제2 평면이라고 하면, 상기 저면은, 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의, 상기 제1 평면에 평행한 제3 평면 내에 위치하고,
상기 제2 평면 및 상기 제3 평면으로부터 등거리에 위치하고, 상기 제1 평면에 평행한 평면을 제4 평면이라고 하고,
상기 제2 평면 및 상기 제4 평면으로부터 등거리에 위치하고, 상기 제1 평면에 평행한 평면을 제5 평면이라고 하고,
상기 제3 평면 및 상기 제4 평면으로부터 등거리에 위치하고, 상기 제1 평면에 평행한 평면을 제6 평면이라고 하고,
상기 어떤 평면은 상기 제5 평면이거나, 또는 상기 제4 평면과 상기 제5 평면 사이에 위치하고, 상기 다른 평면은 상기 제3 평면과 상기 제4 평면 사이에 위치하는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광로 부재에 입사하는 광의 파장을 λ, 상기 절연막의 굴절률을 n0, 상기 제2 부분의 굴절률을 n1이라고 하면, 상기 제2 부분의 두께의 최대값이 λ/2√(n1 2 - n0 2)보다 크고, 상기 제2 부분의 두께의 최소값이 λ/4√(n1 2 - n0 2)보다 작은, 광전 변환 소자. - 제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 절연막은,
각각이 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 적어도 일방 또는 양방의 굴절률 이상의 굴절률을 갖고 상기 광로 부재를 둘러싸는 제1 및 제2 고굴절률 절연층, 및
각각이 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 양방의 굴절률 미만의 굴절률을 갖고 상기 광로 부재를 둘러싸는 제1 및 제2 저굴절률 절연층을 포함하는 다층막이며,
상기 제1 및 제2 고굴절률 절연층 각각의 두께는 상기 제1 및 제2 저굴절률 절연층 각각의 두께보다 작고,
상기 제1 저굴절률 절연층은 상기 제1 고굴절률 절연층과 상기 제2 저굴절률 절연층 사이에 위치하고,
상기 어떤 평면 내에 상기 제1 저굴절률 절연층이 위치하고, 상기 다른 평면 내에 제2 저굴절률 절연층이 위치하고, 상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께의 반 이하인, 광전 변환 소자. - 제2항, 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연막은, 각각이 상기 광로 부재를 둘러싸고, 각각의 두께가 0.01㎛ 이상이며 0.10㎛ 이하인 질화실리콘으로 이루어진 제3 및 제4 절연층을 포함하고, 상기 제1 절연층은 상기 제3 절연층과 상기 제4 절연층 사이에 위치하고, 상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께는 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 제2 부분의 두께의 반 이하인, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광로 부재는, 상기 제1 부분과 상기 광전 변환부 사이에, 상기 제2 부분과 화학양론적 조성이 동일하고, 상기 제1 부분의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 제3 부분을 포함하는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 부분은 상기 절연막에 접촉하거나,
상기 제2 부분과 상기 절연막 사이에, 상기 제2 부분의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 저굴절률층이 설치되어 있는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 부분과 상기 절연막 사이에, 상기 제2 부분과는 화학양론적 조성이 상이하고, 상기 제2 부분의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 고굴절률층을 포함하는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다른 평면 내에 있어서의 상기 광로 부재의 폭은 상기 어떤 평면 내에 있어서의 상기 광로 부재의 폭보다 작고, 상기 제2 부분은, 상기 어떤 평면과 상기 다른 평면 사이에서, 상기 절연막을 따라 연속적으로 연장되고, 상기 제2 부분이 상기 수광면에 근접함에 따라 상기 제2 부분의 두께는 연속적으로 감소되는, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광로 부재의 위로부터 상기 절연막의 위까지 연장되며, 상기 제1 부분과 화학양론적 조성이 동일한 투명막이 설치되어 있고,
상기 투명막은,
상기 제2 부분에 연속되는 제1 영역, 및
상기 제1 부분에 연속되는 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역은, 상기 수광면에 평행한 평면 내에 있어서 상기 제2 영역을 둘러싸고,
상기 제1 영역의 굴절률은 상기 제2 영역의 굴절률보다 높은, 광전 변환 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연막의 내에는, 플러그 층을 개재하여 서로 접속된 복수의 배선층이 설치되어 있고, 상기 광로 부재에 대하여 상기 광전 변환부와는 반대측에 제1 렌즈체층, 및 상기 제1 렌즈체층과 상기 광로 부재 사이에 위치하는 제2 렌즈체층이 설치되어 있는, 광전 변환 소자. - 제1항 또는 제7항에 있어서,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 재료가 질화실리콘이거나 또는 수지인, 광전 변환 소자. - 제1항 또는 제7항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제8항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제10항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제12항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제13항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제17항에 따른 광전 변환 소자들에 대응하는 복수의 화소가 배열되고, 서로 인접하는 상기 광전 변환 소자들 각각의 상기 수광면에 수직하고, 상기 어떤 평면 및 상기 다른 평면 내에 있어서 상기 제1 부분을 관통하는 축들의 간격이 5.0㎛ 이하인, 광전 변환 장치.
- 제19항에 따른 복수의 광전 변환 소자가 배열된 광전 변환 장치, 및
상기 광전 변환 장치로부터 출력된 신호가 입력되고, 상기 신호가 처리되는 신호 처리 장치를 포함하는, 촬상 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 복수의 광전 변환 소자가 배열된 광전 변환 장치, 및
상기 광전 변환 장치로부터 출력된 신호가 입력되고, 상기 신호가 처리되는 신호 처리 장치를 포함하는, 촬상 시스템. - 제10항에 따른 복수의 광전 변환 소자가 배열된 광전 변환 장치, 및
상기 광전 변환 장치로부터 출력된 신호가 입력되고, 상기 신호가 처리되는 신호 처리 장치를 포함하는, 촬상 시스템. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전 변환부로의 상기 광로 부재는, 상기 제1 부분과 상기 광전 변환부 사이에, 상기 제2 부분과 화학양론적 조성이 동일하고, 상기 제1 부분의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제3 부분을 포함하는, 광전 변환 소자. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광로 부재의 위로부터 상기 절연막의 위까지 연장되며, 상기 제1 부분과 화학양론적 조성이 동일한 투명막이 설치되어 있고,
상기 투명막은,
상기 제2 부분에 연속되는 제1 영역, 및
상기 제1 부분에 연속되는 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역은, 상기 수광면에 평행한 평면 내에 있어서 상기 제2 영역을 둘러싸고,
상기 제1 영역의 굴절률은 상기 제2 영역의 굴절률보다 낮은, 광전 변환 소자.
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