KR101891342B1 - 촬상 소자 및 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 촬상 장치는 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환 소자가 평면적으로 배치된 광전변환층과, 상기 광전변환층의 윗면 또는 하면에 배치되고, 상기 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층을 복수 적층하여 형성되는 도체 구조체층을 구비한다.

Description

촬상 소자 및 촬상 장치{IMAGING DEVICE AND IMAGING APPARATUS}
본 발명은, 촬상 소자 및 촬상 장치에 관한 것으로서, 특히, 고성능화를 도모할 수 있도록 한 촬상 소자 및 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, 디지털 카메라나, 캠코더, 휴대 정보 단말의 카메라 등과 같이 피사체를 촬상하는 전자 디바이스에서는, CCD(Charge Coupled Device)형이나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)형의 고체 촬상 소자가 주로 채용되고 있다. 이들의 고체 촬상 소자는, 광감도를 갖는 각각의 화소에 입사하는 광양자를 광전변환에 의해 전자 또는 홀(hole)로 변환한 다음 신호 전하로서 축적하고, 그 전하량을 아날로그 또는 디지털 데이터로 변환하여 소자 외부에 출력한다. 그리고, 그 디지털 데이터에 의거한 2차원 내지 3차원의 화상이 기록되고, 기록된 화상의 재생이 행하여진다.
일반적으로, 고체 촬상 소자는, 특정한 전자파 파장대에 감도를 갖고 있다. 가시 파장 대역에서의 CCD형 또는 CMOS형의 고체 촬상 소자는 드물게 유기 분자 소재를 이용하는 경우도 있지만, 일반적으로는 실리콘을 베이스로 하여 만들어진다. 실리콘을 베이스로 한 고체 촬상 소자는, 실리콘의 밴드 갭 때문에 근적외선(약 1.1㎛)보다도 짧은 파장에 대해 감도를 갖는다. 실리콘은 가시 파장부터 근적외선 파장 대역에서 단위 두께당 흡수 계수가 장파장이 될수록 작아지는 특징을 갖기 때문에, 단파장광(청)은 실리콘의 얕은 부분, 구체적으로는 0.2㎛ 정도의 깊이에서 주로 흡수된다. 이에 대해, 장파장광(적)은 2 내지 3㎛ 이상의 두께(깊이)가 되지 않으면 충분히 흡수되지 않는다.
한편, 고체 촬상 소자의 고해상도화에 수반하는 화소수의 증가나, 카메라 모듈의 소형화, 저소비 전력화, 제조 단가를 내리기 위한 등의 다양한 요인으로부터 화소 사이즈의 미세화가 진행되고 있다. 근래, 이미 단(single)화소의 사이즈는, 1.4㎛× 1.4㎛ 정도의 개구를 갖는 미세 화소가 일반적인 것으로 되어 있다. 즉, 이와 같은 미세 화소에서는 화소의 평면적인 개구 사이즈보다도 깊이 방향으로의 두께가 더 크다, 환언하면, 평면 사이즈에 대해 깊이 방향의 애스펙트비가 큰 구조가 된다. 그 결과, 경사 입사광 성분이 인접 화소에 혼입되는 리스크가 커지고, 혼색에 기인한 색 재현성의 저하가 심각한 문제가 된다.
요즘, CCD형 고체 촬상 소자를 대신하는 고체 촬상 소자로서 급속하게 시장 점유율을 늘리고 있는 CMOS형 고체 촬상 소자에서는, 2층 내지 3층 정도의 신호 배선층을 광전변환 소자의 개구 상부에 배치하는 구조를 취하는 것이 일반적이다. 이와 같은 표면 조사형(FSI/Front Side Illumination)이라고 불리는 화소 구조의 경우는, 신호 배선의 사이에 깊은 우물형상의 개구가 있는 구조와 동등하다. 그 때문에, 적지않은 입사광 성분은 배선층에 의해 반사 또는 산란되어, 화소 사이즈의 미세화가 진행될수록 실효적인 개구율이 저하되어 버린다.
이러한 상황을 타개하는 기술로서, 이면 조사형(BSI/Back Side Illumination) 구조가 유력시되고 있다. 이면 조사형 구조에서는, 실리콘 이면으로부터 광을 조사함으로써, 입사광은 금속 배선에 반사 또는 산란되지 않고 효율적으로 광전변환 소자에 도달하기 대문에, 극히 고감도의 이미지 센서를 실현할 수 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4(JP-A-2005-268738호 공보, JP-A-2005-353631호 공보, JP-A-2006-54263호 공보, 및 JP-A-2006―80457호 공보)에는, 이면 조사형 구조의 촬상 소자를 제조하는 다양한 제조 방법이 개시되어 있다.
그런데, 이면 조사형 센서에도 이면 구조 특유의 문제점이 있다. 적색이나 근적외파장의 광을 흡수하기 위해서는, 적어도 2 내지 3㎛의 실리콘 기판의 두께가 필요하고, 한편으로 단화소의 개구 사이즈는 그것보다도 작은, 1 내지 2㎛의 미세 화소인 케이스가 증가하고 있다. 그 때문에, 경사 입사광 성분이 화소 사이의 소자 분리 영역 등에서 광전변환되고, 그들의 전하가 인접하는 화소의 포토 다이오드부에 전하로서 축적되어 버리고, 결과로서 혼색 성분이 되어 버린다. 이들의 성분은 화질을 저하시키는 요인이 된다.
그래서, 특허 문헌 5(JP-A-2009-65098호 공보)에는, 개선책의 한 예로서, 화소 사이에 차광 부재를 매설한 화소 구조를 채용함에 의해 차광 성능을 향상시키는 방법 등이 개시되어 있다.
한편, 적색이나 근적외선 등의 장파장 성분의 얼마간의 비율은 광전변환부인 실리콘 층을 투과하고, 그 투과 성분은 센서 저면과 절연막 사이의 계면(실리콘 산화막층 및 질화막층 사이의 계면)상에서 반사함에 의해 인접 화소에 혼색이 되어 버리는 문제에 관해서는 미해결 과제로서 남아 있다. 이와 같은 상황에서, 화소 사이즈의 미세화에 수반하는 혼색의 영향을 저감하여 화질을 개선하는데는, 실리콘의 얕은 부분에서도 장파장 성분의 광을 효율적으로 광전 변환시키도록 단위 두께당 광 흡수 효율을 향상시키는 것과, 실리콘과 절연막 사이의 계면에서의 반사를 경감하는 화소 구조가 중요해진다.
그런데, 근래, 소정의 주기 간격으로 미소 도체 입자가 2차원적으로 배치된 도체 구조를, 고체 촬상 소자의 컬러 필터로서 응용하거나, 고체 촬상 소자의 고감도화에 이용하거나 하는 방법이 제안되어 있다.
여기서, 우선, 미소 도체 입자에 광이 조사되 때의 응답에 관해 정성적이며 일반적으로 설명한다.
도 1에는, 미소 도체 입자에 대해 Z축 방향의 상측부터, X축에 따라서 직선 편광된 입사광이 조사되는 상태가 도시되어 있다.
도 1의 좌측에는, XZ평면에서의 단면도가 도시되어 있고, 입사광은 XZ평면에 병행한 면 내를 진동한다. 또한, 도 1의 우측에는, YZ평면에서의 단면도가 도시되어 있고, 입사광은 YZ평면에 수직면 내를 진동한다.
여기서, 광은 전자파이기 때문에, 입사광이 조사된 미소 도체 입자에는, 입사광에 응답한 금속 입자의 분극에 기인한 전자장과, 입사광이 커플링 한 상태(국부 플라즈몬(localized plasmon))가 발생한다. 그리고, 미소 도체 입자가, 광파장과 비교해 충분히 작은 때, 국부 플라즈몬은 전기 쌍극자(electric dipole)와 같이 행동하게 된다. 상술한 바와 같이 입사광(입사 전자파)은 X축에 따른 직선 편광이기 때문에, 도 1에 도시하는 바와 같이, XZ평면에는, 8자 모양의 다이 폴(dipole) 복사가 발생하고, YZ평면에는, 동심원적인 전자 복사장이 발생한다.
다음에, 도 2를 참조하여, 2차원 평면에 동일 간격으로 배치된 미소 도체 입자에 대해 입사광이 조사된 상태에 관해 설명한다.
도 2의 상측에는, 단독의 미소 도체 입자로부터 방사되는 다이 폴 복사가 YZ평면에 퍼지는 양상이 모식적으로 도시되어 있다. 이 경우, 미소 도체 입자가 단독이기 때문에, 미소 도체 입자를 중심으로 파면이 동심원형상으로 퍼진다.
도 2의 하측에는, 입사광의 반파장 정도의 간격으로 배치된 미소 도체 입자에 대해 입사광이 조사된 상태가 도시되어 있다. 이와 같이 미소 도체 입자가 배치되어 있는 경우, 인접하는 미소 도체 입자 사이에 전자파의 간섭이 발생한다. 즉, 상측으로부터 입사되는 입사광은 인접하는 미소 도체 입자 사이에서는 동일 위상이라고 간주할 수 있기 때문에, 각각의 미소 도체 입자가 방사하는 다이 폴 복사의 위상도, 인접하는 미소 도체 입자 사이에서 개략 동일하게 된다. 한편, 이들의 미소 도체 입자끼리의 간격은 반(half)파장 정도이기 때문에, 각각의 미소 도체 입자로부터의 다이 폴 복사는 XY평면 내에서는 180도의 위상차를 갖게 된다.
구체적으로는, 도 2에서는, YZ평면을 향하여 우측의 미소 도체 입자로부터의 전자파의 위상이 실선으로 도시되어 있고, 좌측의 미소 도체 입자로부터의 전자파의 위상이 파선으로 도시되어 있다. 이들의 전자파가 간섭하는 결과, XY평면으로의 복사장은 반대 위상이 되기 때문에 서로 상쇄된다. 따라서 미소 도체 입자가 2차원 평면에 동일 간격으로 배치된 도체 구조체를 거시적으로 보면, 상하 방향으로 지향성을 갖는 전자파가 방사되게 된다.
근래, 이와 같은 도체 구조체에 관해 다양한 보고가 이루어지고 있다.
예를 들면, 비특허 문헌 1(Ebbesen, T. W. et al., Nature, Volume391, Issue 6668, pp. 667-669, 1998)에는, 은(Ag)이나 알루미늄(Al), 금(Au) 등과 같이, 플라즈마 주파수가 자외선 파장 대역에 있는 금속 박막에 서브 파장 간격으로 주기적인 개구(홀)를 배치한 홀 어레이 형상이나, 도트 내지 섬형상(island-shaped) 구조 등의 서브 파장 주기 구조를 갖는 아일랜드 어레이 형상 등의 도체 구조체에 광을 조사하면, 이상(abnormal) 투과 등 도체 박막의 물성이나 구조에 기인하는 특수한 광 응답 특성을 나타내는 것이 보고되어 있다.
또한, 비특허 문헌 2(P. B. Catrysse & B. A. Wandell, J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 20, No. 12, pp. 2293-2306, 2003)에는, 홀 어레이 형상의 개구 지름이나 개구 지름 간격, 아일랜드 어레이 형상의 미립자 간격을 바꿈으로써, 도체 구조체가, 특정 파장을 선택적으로 투과한 컬러 필터로서 기능하는 것이 보고되어 있다. 또한, 비특허 문헌 3 및 4(Salomon, L. et al., Physical Review Letters, vol. 86, Issue 6, pp. 1110-1113, 2001 및 Krishnan, A. e tal., Optics Communications, Volume 200, Issue 1-6, pp. 1-7, 2001)에는, 도체 구조체의 부근에 증폭된 근접장광(near-field light)이 존재하고, 그 전기장 강도는 통상의 전파광에 비하여 몇 자리수 증폭되는 것이 시사되어 있다.
또한, 특허 문헌 6 내지 8(JP-A-2006-210620호 공보, JP-A-2008-177191호 공보, 국제공개 제2008/082569호 팜플렛)에는, 이들의 도체 구조체가 컬러 필터로서 응용 가능하기 때문에, 고체 촬상 소자의 컬러 필터로서 도체 구조체를 이용하는 발명이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 9 및 10(JP-A-2009-147326호 공보, JP-A-2009-38352호 공보)에는, 도체 미립자의 2차원 주기 구조를 포토 다이오드 윗면에 배치함으로써, 단위 두께당 광 흡수 효율을 향상시키고, 고체 촬상 소자를 고감도화시키는 방법이 개시되어 있다.
여기서, 도 3에는, 도체 구조체를 구비한 종래의 고체 촬상 소자의 구성례가 도시되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 소자(11)는, 상측부터 차례로, 온 칩 마이크로 렌즈(12), 컬러 필터층(13), 도체 구조체층(14), 포토 다이오드층(15), 신호 배선층(16)이 적층되어 구성되어 있다.
예를 들면, 도체 구조체층(14)은, 유전체 소재로 이루어지는 유전체층(17)의 내부에, 알루미늄이나 은 등의 도체 소재로 이루어지는 미소 도체 입자인 아일랜드(18)가, 서브 파장 간격으로 2차원적으로 배치된 구조(아일랜드 어레이 구조)로 되어 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 종래, 도체 구조체층(14)은, 아일랜드(18)가 2차원적으로 배치된 층인 미소 입자층이 1층만 형성되어 있고, 단층 구조였다.
또한, 도체 구조체층(14)으로서는, 아일랜드 어레이 구조를 반전한 홀 어레이 구조, 즉, 도체 소재로 이루어지는 박막에 홀이 배치된 구조를 채용하여도 좋다.
이와 같이 구성되어 있는 고체 촬상 소자(11)에서는, 도체 구조체층(14)의 아일랜드(18)(또는, 홀)의 간격을 최적화함으로써, 도체 구조체층(14)을 컬러 필터로서 이용할 수 있다. 또한, 도체 구조체층(14)을 컬러 필터로서 이용할 때에는, 유기 분자나 안료로 이루어지는 컬러 필터층(13)이 생략되는 일도 있다.
또한, 고체 촬상 소자(11)에서는, 도체 구조체층(14)의 부근에 존재하는 근접장광을 이용하여, 실리콘 기판의 단위 두께당 흡수 효율을 높임에 의해, 고감도화를 도모하는 것이 가능하다.
그런데, 상술한 바와 같이, 종래의 고체 촬상 소자에서, 예를 들면, 도체 구조체층을 이용한 고감도화가 행하여지는데, 고체 촬상 소자를 더 고성능화할 것이 요구되고 있다.
본 발명은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 고성능화를 더 실현할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 촬상 소자는, 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환 소자가 평면적으로 배치된 광전변환층과, 상기 광전변환층의 윗면 또는 하면에 배치되고, 상기 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층이 복수 적층되어 형성되는 도체 구조체층을 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촬상 장치는, 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환 소자가 평면적으로 배치된 광전변환층과, 상기 광전변환층의 윗면 또는 하면에 배치되고, 상기 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층이 복수 적층되어 형성되는 도체 구조체층을 갖는 촬상 소자를 구비한다.
본 발명의 상기 실시예들에서는, 도체 구조체층이, 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층이 복수 적층되어 형성되어 있다.
본 발명의 상기 실시예들에 의하면, 더 고성능의 촬상 소자 및 촬상 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 미소 도체 입자에 광이 조사된 때의 응답에 관해 설명하는 도면.
도 2는 2차원 평면에 동일 간격으로 배치된 미소 도체 입자에 광이 조사된 때의 응답에 관해 설명하는 도면.
도 3은 도체 구조체를 구비한 종래의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 블록도.
도 4는 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 1의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 5는 도체 구조체층의 2층의 미소 입자층의 광 응답 특성에 관해 설명하는 도면.
도 6은 6종류의 도체 구조체층의 단층에서의 XY평면의 구조를 도시하는 도면.
도 7은 4종류의 도체 구조체층의 단면 구조를 도시하는 도면.
도 8은 도체 구조체층을 구성하는 각각의 아일랜드의 위치 관계를 입체적으로 도시하는 도면.
도 9는 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 2의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 10은 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 3의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 11은 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 4의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 12는 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 5의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 13은 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 6의 실시예를 도시하는 모식 단면도.
도 14는 도체 구조체층을 구비한 고체 촬상 소자를 탑재한 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
도 15는 도체 구조체층을 구비한 표시 패널을 탑재한 신호 표시 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
도 16은 도체 구조체층을 구비한 광신호 검출부를 탑재한 신호 송신 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시예에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 4는, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 1의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다.
도 4에는, 이면 조사형(BSI) CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 구성례가 도시되어 있고, 3화소에 대응하는 부분을 뽑아 도시하고 있다.
고체 촬상 소자(21)는, 상측부터 차례로, 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 도체 구조체층(플라즈몬 공명체층)(24), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)이 적층되어 구성되어 있다.
온 칩 마이크로 렌즈(22)는, 포토 다이오드층(25)에 효율적으로 광을 유도하기 위한 광학 소자이다. 컬러 필터층(23)은, 예를 들면, 삼원색(예를 들면, 적색, 청색, 녹색 등)의 가시 파장 성분을 선택적으로 투과시키는 유기 분자 또는 안료로 이루어지는 층이다.
도체 구조체층(24)은, 유전체 소재로 이루어지는 유전체층(27)의 내부에, 알루미늄이나 은 등의 도체 소재로 이루어지는 미소 도체 입자인 아일랜드(28)가, 서브 파장 간격으로 2차원적으로 배치된 구조(아일랜드 어레이 구조)로 되어 있다. 도체 구조체층(24)에는, 도 3의 도체 구조체층(14)과 달리, 아일랜드(28-1)가 2차원적으로 배치된 층인 미소 입자층(29-1)과, 아일랜드(28-2)가 2차원적으로 배치된 층인 미소 입자층(29-2)이 형성되어 있다. 즉, 도체 구조체층(14)은, 미소 입자층이 1층만 형성된 단 층구조이지만, 도체 구조체층(24)은, 미소 입자층(29-1)과 미소 입자층(29-2)이 형성된 다층 구조로 되어 있다.
포토 다이오드층(25)은, 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환층이다. 또한, 포토 다이오드층(25)에서는, STI(Shallow Trench Isolation) 등의 산화막이나, 불순물의 주입에 의한 EDI 구조 또는 CION 구조 등에 의해, 인접하는 포토 다이오드끼리가 전기적으로 분리되어 있다.
신호 배선층(26)은, 포토 다이오드층(25)에 축적된 전하를 판독하기 위한 배선(30)이 마련되는 층이다.
이와 같이, 고체 촬상 소자(21)에서는, 포토 다이오드층(25)의 상층에 도체 구조체층(24)이 배치되어 있고, 온 칩 마이크로 렌즈(22)에 의해 집광된 광은, 컬러 필터층(23)에 의해 소망하는 파장 성분이 선택된 후, 그 투과광이 도체 구조체층(24)에 도달한다.
여기서, 도체 구조체층(24)의 주기 구조(periodic structure)는, 각각 대응하는 광전변환 소자에 의해 검출하고 싶은 전자파 파장에 대응한 주기로 최적화(주기에 응하여 최적이 되도록 설정)되어 있다. 예를 들면, 컬러 필터층(23)에서 적색의 컬러 필터가 배치된 화소에 대응하는 도체 구조체층(24)에서는, 적색의 파장(λ=650nm)에 대응한 주기 간격으로 아일랜드(28-1 및 28-2)가, 2차원적으로 배치되어 미소 입자층(29-1 및 29-2)이 형성되어 있다. 또한, 컬러 필터층(23)에서 청색 및 녹색의 컬러 필터가 배치된 화소에 대응하는 도체 구조체층(24)에서, 마찬가지로, 청색의 파장(λ=400nm) 및 녹색의 파장(λ=550nm)에 응하여 미소 입자층(29-1 및 29-2)이 형성되어 있다.
그리고, 도체 구조체층(24)의 부근에 발생하는 근접장광이나 다이 폴 복사장은, 도체 구조체층(24)이 다층 구조임에 의해 지향성을 갖게 된다. 이에 의해, 도체 구조체층(24)에 도달한 투과광은, 하방(전자파의 전반 방향(propagation direction))으로 효율적으로 유도되고, 포토 다이오드층(25)에 의해 광전변환된다. 그 후, 포토 다이오드층(25)에서의 광전변환에 의해 발생한 캐리어는, 신호 배선층(26)에 마련된 배선(30)을 경유하여, 고체 촬상 소자(21)의 외부에 화소 신호로서 출력된다.
또한, 미소 입자층(29-1 및 29-2)을 형성하는 미소 도체 입자인 아일랜드(28-1 및 28-2)는, 알루미늄이나 은 등 플라즈마 주파수가 가시 파장보다도 짧은 파장 대역에 존재하는 원소, 또는, 그와 같은 원소를 함유하는 화합물로 이루어진다. 또한, 검출 파장대가 적 파장이나 근적외선으로 한정되는 경우는, 금이나 구리 등 플라즈마 주파수가 가시 파장 대역에 있는 금속을 사용할 수 있다.
다음에, 도 5를 참조하여, 도체 구조체층(24)의 미소 입자층(29-1) 및 미소 입자층(29-2)의 광 응답 특성에 관해 설명한다.
도 5에는, 미소 입자층(29-1) 및 미소 입자층(29-2)의 YZ평면에서의 단면도가 도시되어 있고, 도 5의 상측부터 Z축 방향에 따라서 입사광이 조사되고, 입사광은 YZ평면에 수직한 면 내를 진동한다.
도체 구조체층(24)에서는, 미소 입자층(29-1) 및 미소 입자층(29-2)은, 서로의 간격이 입사 전자파 파장의 1/4파장이 되도록 배치되어 있다. 즉, 도 5의 상측부터 입사하는 광이, 미소 입자층(29-1)에 대해 1/4파장 만큼 진행한 방향으로 오프셋하여, 미소 입자층(29-2)이 배치되어 있다.
여기서, 미소 입자층(29-1)을 구성하는 아일랜드(28-1) 중의, 소정의 아일랜드(28-1a)와, 미소 입자층(29-2)을 구성하는 아일랜드(28-2) 중의, 소정의 아일랜드(28-2a)에 주목하여 설명한다.
입사 전자파의 진행 방향에 대한 아일랜드(28-1a)와 아일랜드(28-2a)의 간격이 입사 전자파 파장의 1/4파장이므로, 아일랜드(28-2a)로부터의 복사는, 아일랜드(28-1a)로부터의 복사와 비교하여, 90도 만큼 위상이 어긋난 광을 갖는 표면 국부 플라즈몬 공명을 발생시킨다. 이 때문에, 아일랜드(28-1a)로부터의 복사장도, 아일랜드(28-2a)로부터의 복사장에 대해, 마찬가지로 위상이 어긋난 것으로 생각된다.
따라서, 아일랜드(28-1a)로부터의 전기장의 위상(P1)에 대해, 아일랜드(28-2a)로부터의 전기장의 위상(P2)은 90도의 위상차가 발생한다. 이에 의해, 위상(P1 및 P2)을 겹치면, 입사 전자파의 진행 방향에 대향하는 방향(도 5의 상방향)으로의 복사 성분은, 위상차가 180도가 되기 때문에 상쇄된다. 한편, 입사 전자파의 진행 방향에 따른 방향(도 5의 하방향)으로의 복사 성분은, 위상이 정돈됨에 의해 증폭된다.
여기서, 미소 입자층(29-2)을 구성하는 아일랜드(28-2)의 사이즈는, 미소 입자층(29-1)을 구성하는 아일랜드(28-1)의 사이즈에 비하여 약간 작게 형성하는 것이 바람직하다. 아일랜드(28-1)에 비교하여 아일랜드(28-2)를 작게 함으로써, 아일랜드(28-1)의 컨덕턴스에 비교하여 아일랜드(28-2)의 컨덕턴스를 작게 할 수 있다.
즉, 도체 구조체층(24)의 상측부터 입사하는 광은, 미소 입자층(29-1)과 상호작용을 일으켜서 플라즈몬을 발생하는데, 그 플라즈몬에 기인한 광이 미소 입자층(29-2)에 조사될 때에, 미소 입자층(29-2)의 컨덕턴스를, 미소 입자층(29-1)의 컨덕턴스 이하로 함으로써, 위상 반전을 방지하는 것이 가능해진다. 그 결과, 입사 전자파의 진행 방향(도 5의 위에서 아래를 향하는 방향)으로 전파되는 광은 동일 위상으로 진행한다.
한편, 미소 입자층(29-2)에서 발생한 전자파는, 미소 입자층(29-1)의 방향으로도 전파된다. 그렇지만, 미소 입자층(29-1)의 컨덕턴스가, 미소 입자층(29-2)의 컨덕턴스보다도 크기 때문에, 미소 입자층(29-2)으로부터의 전자파가 미소 입자층(29-1)에 조사되면, 위상 반전이 발생한다. 그 결과, 대국적으로 보면, 상술한 바와 같이, 아일랜드(28-2)로부터의 복사는, 아일랜드(28-1)로부터의 복사와 비교하여, 90도 만큼 위상이 어긋난 광을 갖는 표면 국부 플라즈몬 공명을 발생시킨다.
또한, 도체 구조체층(24)이, 3층의 미소 입자층(29-1 내지 29-3)에 의해 구성되는 경우에는, 3번째의 미소 입자층(29-3)의 아일랜드(28-3)는, 2번째의 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)보다도 작은 것이 바람직하고, 적어도 같은 정도의 사이즈일 것이 필요하다. 마찬가지로, 도체 구조체층(24)이, N층(N은 3 이상의 정수)의 미소 입자층(29-1 내지 29-N)에 의해 구성되어 있는 경우에는, N번째의 미소 입자층(29-N)의 아일랜드(28-N)는, N-1번째의 미소 입자층(29-(N-1))의 아일랜드(28-(N-1))보다도 작은 것이 바람직하고, 적어도 같은 정도의 사이즈일 것이 필요하다.
즉, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 미소 도체 입자인 아일랜드(28)를 2차원 평면에 전개한 구조로 함으로써, XY평면으로의 복사를 경감할 수 있다. 이와 마찬가지로, 도 5에 도시한 바와 같이, 아일랜드(28)를 다층 구조로 함으로써, Z방향으로의 복사 중, 입사 전자파의 진행 방향에 대향하는 방향으로의 복사를 경감할 수 있다.
그 결과, 도체 구조체층(24)에서는, 상측부터 입사하는 광을 반사하는 비율을 저감할 수 있고, 또한, 광의 투과 효율을 향상할 수 있다.
다음에, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 도체 구조체층(24)의 구성례에 관해 설명한다.
도 6에는, 6종류의 도체 구조체층(24a 내지 24f)의 단층에서의 XY평면의 구조가 도시되어 있다.
도체 구조체층(24a)은, 원형(원주)의 아일랜드(28a)가 XY축에 직교하도록 직교 행렬형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이다. 도체 구조체층(24b)은, 원형(원주)의 아일랜드(28b)가 허니컴(honeycomb) 형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이고, 이와 같은 배열에 의해 인접하는 아일랜드(28)끼리의 간격이 등방적이므로 적합하다. 또한, 아일랜드(28a 및 28b)와 같이, 원형 형상의 미소 도체 입자를 이용하는 것이 알맞지만, 원형 이외의 형상, 예를 들면, 구형상(spherical shape)이나 타원체 형상으로 하여도 좋다.
또한, 예를 들면, 도체 구조체층(24c)은, 육각형(육각주)의 아일랜드(28c)가 직교 행렬형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이고, 도체 구조체층(24d)은, 육각형의 아일랜드(28d)가 허니컴 형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이다. 마찬가지로, 삼각형(삼각주)이나 사각형(사각주) 등 다각형 주상 형상의 아일랜드를 채용할 수 있다.
또한, 도체 구조체층(24e)은, 십자형의 아일랜드(28e)가 직교 행렬형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이고, 도체 구조체층(24f)은, 성형(star-shape)의 아일랜드(28f)가 허니컴 형상으로 동일 간격으로 배치된 구성례이다. 이와 같이, 특정한 방향에 요철 구조를 갖는 형상의 아일랜드를 채용하여도 좋다.
여기서, 아일랜드(28)의 전형적인 사이즈는, 20nm 내지 100nm 정도이고, 각각 인접하는 아일랜드(28)끼리의 간격은, 매질 중에서의 광의 파장의 절반 정도이다. 즉, 가시광 파장 대역에서 도체 구조체층(24)을 사용하는 경우에는, 도체 구조체층(24)이 투과시키는 광이 청색(λ=400nm)일 때, 인접하는 아일랜드(28)끼리의 기본 간격은, 400nm/η인 것이 알맞다.
마찬가지로, 도체 구조체층(24)이 투과시키는 광이 녹색(λ=550nm)일 때, 인접하는 아일랜드(28)끼리의 기본 간격은, 550nm/η인 것이 알맞다. 또한, 도체 구조체층(24)이 투과시키는 광이 적색(λ=650nm)일 때, 인접하는 아일랜드(28)끼리의 기본 간격은, 650nm/η인 것이 알맞다. 여기서, η은, 도체 구조체층(24)이 매입되어 있는 매질 중의 실효적인 굴절율이다. 또한, 이들의 간격은, 아일랜드(28)의 소재나 두께, 크기 등에 의해 광학 특성이 변화하기 때문에, 엄밀하게는 상술한 값의 절반부터 2배 정도의 설계적 자유도를 갖고 있다.
다음에, 도 7에는, 4종류의 도체 구조체층(24g 내지 24j)의 단면 구조(적층 구조)가 도시되어 있다.
도체 구조체층(24g)는, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1) 각각이, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2) 각각의 바로 위에 배치된 구성례이고, 이와 같은 구성이 알맞다. 또한, 도체 구조체층(24h)은, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1) 각각이, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2) 각각에 대해 오프셋하여(교대로) 배치된 구성례이고, 이와 같은 구성이라도 상관없다. 또한, 상술한 바와 같이, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)의 사이즈는, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1)와 동등 또는 약간 작은 것이 바람직하다.
도체 구조체층(24i)은, 3층의 미소 입자층(29-1 내지 29-3)이 형성된 구성례이고, 아일랜드(28-1) 각각이 아일랜드(28-2) 각각의 바로 위에 배치되고, 아일랜드(28-2) 각각이 아일랜드(28-3) 각각의 바로 위에 배치되어 있다. 이와 같이 3층구조의 경우에도, 아일랜드(28-2)의 사이즈는, 아일랜드(28-1)와 동등 또는 약간 작은 것이 바람직하고, 아일랜드(28-3)의 사이즈는, 아일랜드(28-2)와 동등 또는 약간 작은 것이 바람직하다.
또한, 도체 구조체층(24j)은, 3층의 미소 입자층(29-1 내지 29-3)이 형성된 구성례이고, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1)에 대응하는 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)가 내측으로 시프트하여 배치되어 있다. 또한, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)에 대응하는 미소 입자층(29-3)의 아일랜드(28-3)가 내측으로 시프트하여 배치되어 있다. 이와 같이 하층측의 아일랜드(28)를 내측으로 시프트시킴으로써, 상측부터의 입사광을 내측으로 구부릴 수 있고, 집광소자로서의 기능을 구비할 수 있다.
다음에, 도 8에는, 도체 구조체층(24)을 구성하는 각각의 아일랜드(28)의 위치 관계가 입체적으로 도시되어 있다.
아일랜드(28)의 사이즈는, 10nm 내지 100nm 정도의 크기와 두께로 하는 것이 알맞다. 아일랜드(28-1)로 이루어지는 미소 입자층(29-1)과, 아일랜드(28-2)로 이루어지는 미소 입자층(29-2)의 층간격(D1)은, 검출 파장의 4분의1파장(λ/4)이 알맞다. 또한, 층간격(D1)은, 설계 자유도가 있기 때문에, 구체적으로는, 반파장(λ/2)부터 8분의1파장(λ/8) 정도의 범위라면 상관없다.
또한, 인접하는 아일랜드(28-1)끼리의 간격(D2)은, 검출 파장의 반파장 정도이고, 이 간격(D2)을 최적화함으로써 소망하는 전자파 파장을 선택할 수 있다. 또한, 인접하는 아일랜드(28-2)끼리의 간격(D3)은, 인접하는 아일랜드(28-1)끼리의 간격(D2)과 동등, 또는 간격(D2)보다도 작은 것이 바람직하다. 또한, 아일랜드(28-2)의 사이즈는, 아일랜드(28-1)에 비교하여 동등 또는 작은 것이 바람직하다.
또한, 도 8에는, 2층 구조의 도체 구조체층이 도시되어 있지만, 3층 이상의 도체 구조체층에서도, 1층째의 미소 입자층(29-1) 및 2층째의 미소 입자층(29-2)의 관계와, N-1층째의 미소 입자층(29(N-1)) 및 N층째의 미소 입자층(29N)의 관계는 동등하다.
또한, 이상에서는, 미소 도체 입자인 아일랜드(28)가 소정의 주기 간격으로 2차원적으로 배치된 아일랜드 어레이 구조를 채용한 도체 구조체층(24)에 관해 설명하였지만, 도체 구조체층으로서는, 도체 박막에, 소정의 주기 간격으로 2차원적으로 홀(개구)이 형성된 홀 어레이 구조를 채용하여도 좋다.
다음에, 도 9는, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 2의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 9에는, 도 4의 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 이면 조사형 CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 고체 촬상 소자(21A)가 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(21A)는, 도 4에 도시한 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 상측부터 차례로, 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23A), 도체 구조체층(24), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)이 적층되어 구성되어 있다. 여기서, 고체 촬상 소자(21A)를 구성하는 온 칩 마이크로 렌즈(22), 도체 구조체층(24), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)은, 도 4의 고체 촬상 소자(21)의 대응하는 각 층과 마찬가지이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 고체 촬상 소자(21A)에서는, 컬러 필터층(23A)이, 고체 촬상 소자(21)의 컬러 필터층(23)과 다른 구성으로 되어 있다. 컬러 필터층(23A)은, 알루미늄 등의 도체 박막(31)을 갖고 있고, 도체 박막(31)은, 소정의 주기 간격으로 2차원적으로 홀이 형성된 홀 어레이 구조로 되어 있고, 메탈 필터로서 기능한다. 도체 박막(31)의 홀 어레이 구조에 있어서, 홀 간격은 검출 파장과 같은 정도가 알맞다.
이와 같이 컬러 필터층(23A)에 도체 박막(31)을 채용함으로써, 유기 분자나 안료를 채용하는 경우에 비교하여, 열화를 억제할 수 있다. 또한, 도 9의 고체 촬상 소자(21A)에서는, 도체 구조체층(24)의 상층에 컬러 필터층(23A)이 배치된 구조로 되어 있지만, 컬러 필터층(23A)의 상층에 도체 구조체층(24)이 배치되어 구성되어도 좋다.
다음에, 도 10은, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 3의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 10에는, 도 4의 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 이면 조사형 CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 고체 촬상 소자(21B)가 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(21B)는, 상측부터 차례로, 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 포토 다이오드층(25), 도체 구조체층(24), 및 신호 배선층(26)이 적층되어 구성되어 있다. 여기서, 고체 촬상 소자(21B)를 구성하는 각 층은, 도 4의 고체 촬상 소자(21)의 대응하는 각 층과 마찬가지이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 고체 촬상 소자(21B)에서는, 고체 촬상 소자(21)와는 달리, 포토 다이오드층(25)의 하층에 도체 구조체층(24)이 배치되어 있다.
이와 같이, 포토 다이오드층(25)의 하층에 도체 구조체층(24)을 배치함에 의해, 포토 다이오드층(25)의 하면에서의 반사를 방지할 수 있고, 혼색의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 실리콘의 흡수가 가시 파장부터 근적외 파장 대역(380nm 내지 1100nm)에 감도를 갖음에 의해, 장파장의 전자파일수록 흡수 계수가 작아지는 특성을 갖는 결과, 적색이나 근적외 파장 성분은 포토 다이오드층(25)을 투과하여 버린다. 이 때, 포토 다이오드층(25)의 하방에 신호 배선층(26)이 배치되어 있는 구성에서는, 그 계면에서 반사한 성분이 인접 화소에 혼입되여 혼색의 원인이 되는 일이 있다. 이에 대해, 포토 다이오드층(25)의 하층에 도체 구조체층(24)을 배치함으로써, 단층의 금속 박막에서는 반사하여 버리는 성분을 서로의 반사 성분을 간섭시켜 상쇄할 수가 있어서, 상술한 바와 같은 계면에서의 반사에 의한 혼색의 발생을 억제할 수 있다.
다음에, 도 11은, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 4의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 11에는, 도 4의 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 이면 조사형 CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 고체 촬상 소자(21C)가 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(21C)는, 상측부터 차례로, 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 도체 구조체층(24C), 및 포토 다이오드층(25)가 적층되어 구성되어 있다. 여기서, 고체 촬상 소자(21C)의 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 및 포토 다이오드층(25)은, 도 4의 고체 촬상 소자(21)의 대응하는 각 층과 마찬가지이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 고체 촬상 소자(21C)에서는, 고체 촬상 소자(21)의 도체 구조체층(24)과 달리, 도체 구조체층(24C)에 배선(30)이 형성되어 있다. 이와 같이, 도체 구조체층(24C)에, 미소 입자층(29-1 및 29-2)과 함께 배선(30)을 형성함으로써, 도체 구조체층(24C)을 추가함에 의한 제조 프로세스의 증가를 최소한으로 억제할 수 있다.
다음에, 도 12는, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 5의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 12에는, 도 4의 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 이면 조사형 CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 고체 촬상 소자(21D)가 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(21D)는, 도체 구조체층(24D), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)이 적층되어 구성되어 있다. 여기서, 고체 촬상 소자(21D)의 포토 다이오드층(25) 및 신호 배선층(26)은, 도 4의 고체 촬상 소자(21)의 대응하는 각 층과 마찬가지이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 고체 촬상 소자(21D)에서는, 도체 구조체층(24D)이, 고체 촬상 소자(21)의 도체 구조체층(24)과 다른 구성으로 되어 있다. 고체 촬상 소자(21D)의 도체 구조체층(24D)에는, 3층의 미소 입자층(29-1 내지 29-3)이 형성되어 있다. 그리고, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1)의 배치보다도, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)가 포토 다이오드의 중앙에 치우쳐서 배치되고, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)의 배치보다도, 미소 입자층(29-3)의 아일랜드(28-3)가 포토 다이오드의 중앙에 치우쳐서 배치되어 있다. 이와 같은 배치에 의해, 상측부터 입사한 광이 미소 입자층(29-1 내지 29-3)에 의해 포토 다이오드의 중앙 부분에 집광된다.
즉, 고체 촬상 소자(21D)는, 미소 입자층(29-1 내지 29-3)에서 하층을 향함에 따라 포토 다이오드의 중앙에 치우치도록 아일랜드(28-1 내지 28-3)의 배치가 시프트되어 있기 때문에, 온 칩 집광소자로서의 기능을 구비하게 된다.
다음에, 도 13은, 본 발명을 적용한 고체 촬상 소자의 제 6의 실시예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 13에는, 도 4의 고체 촬상 소자(21)와 마찬가지로, 이면 조사형 CMOS형의 고체 촬상 소자에 도체 구조체층이 실장된 고체 촬상 소자(21E)가 도시되어 있다.
고체 촬상 소자(21E)는, 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 도체 구조체층(24E), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)이 적층되어 구성되어 있다. 여기서, 고체 촬상 소자(21E)의 온 칩 마이크로 렌즈(22), 컬러 필터층(23), 포토 다이오드층(25), 및 신호 배선층(26)은, 도 4의 고체 촬상 소자(21)의 대응하는 각 층과 마찬가지이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 고체 촬상 소자(21E)에서는, 도체 구조체층(24E)이, 고체 촬상 소자(21)의 도체 구조체층(24)과 다른 구성으로 되어 있다. 고체 촬상 소자(21E)의 도체 구조체층(24E)에서는, 2층의 미소 입자층(29-1 및 29-2)이 형성되어 있다. 그리고, 미소 입자층(29-1)에서는, 화소마다 아일랜드(28-1)가 1개씩 배치됨과 함께, 미소 입자층(29-2)에서는, 화소마다 아일랜드(28-2)가 1개씩 배치되어 있다. 또한, 미소 입자층(29-2)의 아일랜드(28-2)는, 미소 입자층(29-1)의 아일랜드(28-1)보다도 약간 작은 것이 바람직하다.
여기서, 미소 입자층(29)은, 도 6을 참조하여 상술한 바와 같은 기본 간격으로 XY평면에 2차원 주기적으로 아일랜드(28)가 배치되어 구성되지만, 화소 내지 복수 화소로 이루어지는 화소 블록 내에 배치되는 아일랜드(28)의 주기수(periodic number)는, 화소 사이즈에 응하여 증감한다. 예를 들면, 화소 사이즈의 1변이 아일랜드(28)의 기본 간격의 X배(단, X는 정의 정수)보다도 작은 경우는, X개보다도 적은 수의 아일랜드수가 알맞다. 또한, 화소 사이즈의 다른 1변이 아일랜드(28)의 기본 간격의 Y배(단, Y는 정의 정수이고, X와 같아도 좋고 달라도 상관없다) 보다도 작은 경우는, Y개보다도 적은 수의 아일랜드 수가 알맞다. 따라서, 화소의 사이즈가 미세한 경우는, XY 함께 아일랜드 수가 1, 즉 1화소의 XY평면에 1개의 아일랜드(28)만이 배치되는 구성이라도 상관없다.
즉, 고체 촬상 소자(21E)의 화소 사이즈가, 아일랜드(28)끼리의 기본 간격과 같은 정도일 때, 화소마다 XY평면에 복수의 아일랜드(28)를 전개하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 고체 촬상 소자(21E)에서는, 화소마다 1개의 아일랜드(28)가 배치되어 미소 입자층(29)이 구성된다. 또한, 도 13에는, 2층의 미소 입자층(29-1 및 29-2)이 마련된 구성례가 도시되어 있지만, 3층의 미소 입자층을 마련하거나, 그 이상의 다층화를 행할 수가 있다.
다음에, 도 14는, 도체 구조체층(24)을 구비한 고체 촬상 소자(21)를 탑재한 촬상 장치(디지털 스틸 카메라)의 구성례를 도시하는 블록도다.
도 14에서, 촬상 장치(51)는, 고체 촬상 소자(21), 렌즈부(52), A/D(Analog/Digital) 변환부(53), DSP(Digital Signal Processor)(54), 촬상 제어부(55), 렌즈 제어부(56), 유저 인터페이스(57), 마이크로 프로세서(58), 화상 처리부(59), 화상 압축부(60), 및 스토리지부(61)를 구비하여 구성된다.
고체 촬상 소자(21)는, 상술한 바와 같은 도체 구조체층(24)을 구비하여 구성되어 있고, 렌즈부(52)를 통하여 집광된 광(광학 정보)은, 각 화소가 갖는 광전변환 소자에 의해 전하 신호로 변환되어, A/D 변환부(53)에 출력된다.
렌즈부(52)는, 줌렌즈나 결상 렌즈 등의 복수장의 렌즈군을 갖고 있고, 도시하지 않은 피사체로부터의 광(화상 정보)을, 고체 촬상 소자(21)의 수광면에 집광한다. A/D 변환부(53)는, 고체 촬상 소자(21)의 각 화소로부터 출력되는 전하 신호를, 화소의 수광 강도에 대응한 디지털 신호치로 변환하여, 화소 데이터로서 출력한다. DSP(54)는, A/D 변환부(53)로부터 출력되는 화소 데이터에 대해, 디모자이크 처리에 의한 화상 보정이나, γ보정, 화이트 밸런스 등의 신호 처리를 시행하여 화상을 구축하고, 그 화상 데이터를 촬상 제어부(55)에 공급한다.
촬상 제어부(55)는, 촬상 장치(51)의 각 블록의 제어를 행한다. 예를 들면, 유저가 셔터 버튼(도시 생략)을 조작한 것을 나타내는 제어 신호가, 유저 인터페이스(57) 및 마이크로 프로세서(58)를 통하여 촬상 제어부(55)에 공급되었다고 한다. 이 경우, 촬상 제어부(55)는, 그 유저 제어에 따라, DSP(54)로부터 출력되는 화상 데이터를, 화상 처리부(59)에 공급하여 화상 처리를 시핼하고, 화상 압축부(60)에 공급하여 압축한 후, 스토리지부(61)에 공급하여 기억시킨다.
렌즈 제어부(56)는, 예를 들면, 유저가 줌 레버(도시 생략)를 조작한 것을 나타내는 제어 신호가, 유저 인터페이스(57) 및 마이크로 프로세서(58)를 통하여 공급되면, 그 유저 제어에 따라, 렌즈부(52)를 구동하여 줌 배율을 조정한다.
유저 인터페이스(57)는, 도시하지 않은 조작부를 유저가 조작하면, 그 유저의 조작에 응한 제어 신호를 취득하여, 마이크로 프로세서(58)에 공급한다. 마이크로 프로세서(58)는, 유저 인터페이스(57)로부터의 제어 신호를, 그 제어에 적합한 블록에 대해 공급한다.
화상 처리부(59)는, DSP(54)로부터 출력되는 화상 데이터에 대해, 노이즈 제거 등의 화상 처리를 시행한다. 화상 압축부(60)는, 화상 처리부(59)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 데이터에 대해, JPEG 방식이나 MPEG 방식 등에 의한 압축 처리를 시행한다.
스토리지부(61)는, 플래시 메모리(예를 들면, EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory) 등의 기억부를 갖고 있고, 화상 압축부(60)에 의해 압축 처리가 시행된 화상 데이터를 기억한다. 또한, 스토리지부(61)에 기억되어 있는 화상 데이터는, 도시하지 않은 드라이브를 통하여 외부 매체(62)에 전송하거나, 도시하지 않은 통신부를 통하여 인터넷(63)에 업 로드하거나 할 수 있다.
이상과 같이, 도체 구조체층(24)을 형성하는 미소 도체 입자인 아일랜드(28)에 부수된 표면 국부 플라즈몬의 특성을 고체 촬상 소자(21)에 응용함으로써, 고체 촬상 소자(21)의 고성능화를 도모할 수 있다.
예를 들면, 도체 구조체층(24)에 의해, 단위 두께당 실리콘에 있어서의 광 흡수 효율을 개선할 수 있다. 특히, 적 파장 또는 근적외선 성분은, 포토 다이오드층(25)을 형성하는 실리콘의 얕은 부분에서 효율적으로 광전변환된다. 이에 의해, 실리콘 기판의 박막화, 또는, 종래와 같은 두꺼운 기판이라도 장파장 성분의 광전변환 효율을 향상할 수 있다.
또한, 적 파장 또는 근적외 성분이 실리콘의 얕은 부분에서 광전변환되기 때문에, 고체 촬상 소자(21)의 수광면에 대해 비스듬하게 입사하는 입사광이 부근 화소에 들어가는 것을 억제할 수 있고, 부근 화소에의 혼색이 발생함에 의해 화상에 미치는 악영향을 저감할 수 있다.
또한, 도체 구조체층(24)을 컬러 필터로서 이용하는 경우에는, 종래의 유기 화합물 또는 안료를 이용한 컬러 필터에 비교하여 컬러 필터층 자체를 높이에 있어서 낮게 할 수 있다. 또한, 도체 구조체층(24)은 금속에 의해 구성되기 때문에, 자외선 등의 외적 자극에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 도체 구조체층(24)에서는, 물리 구조에 의해 투과 파장을 설정할 수 있기 때문에, 임의의 파장에 최적화한 색 필터를 실현할 수 있다.
또한, 도체 구조체층(24)에서는, 미소 입자층(29)을 적층하고 있기 때문에, 도체에 부수되는 근접장광이나 다이 폴 복사에 지향성이 발생한다는 특성에 의해, 도체 구조체층(24)이 단층구조인 경우에 비교하여, 투과율의 향상 및 반사의 저감이라는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 특성을 이용하여, 도체 구조체층(24)을 포토 다이오드층(25)의 상층에 배치함으로써, 입사광 강도의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이와 같은 특성을 이용하여, 도체 구조체층(24)을 포토 다이오드층(25)의 하층에 배치함으로써, 포토 다이오드층(25)을 투과한 성분의 반사 방지 및 역류 방지를 도모할 수 있다.
또한, 도 12의 도체 구조체층(24d)에 도시한 바와 같이, 상방부터 입사하는 광을 중앙에 집광하는 온 칩 집광소자로서의 기능을 실현할 수 있다.
다음에, 도 15는, 도체 구조체층(24)을 구비한 표시 패널을 탑재한 신호 표시 장치의 구성례를 도시하는 블록도다.
신호 표시 장치(71)에서는, 화상 데이터를 나타내는 입력 신호가 화상 입력부(72)로부터 입력되고, 버퍼 메모리(73)에 일시적으로 축적된 후, 적절히, 화상 처리부(74)에 판독되어 화상 처리가 시행된다. 화상 처리부(74)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 데이터는, 화상 압축부(75)에 의해 압축 처리가 시행되어서, 스토리지부(76)에 축적되거나, 도시하지 않은 드라이브를 통하여 기록 매체(77)에 전송된다. 또한, 유저가 도시하지 않은 조작부를 조작함에 의해 입력된 제어 신호가, 유저 인터페이스(78) 및 마이크로 프로세서(79)를 통하여, 신호 표시 장치(71) 내의 각 부분에 공급된다.
또한, 화상 처리부(74)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 데이터는, 백라이트 제어부(80) 및 타이밍 제어부(81)의 제어에 의해, 표시 패널(82)에 묘화된다. 표시 패널(82)은, 백라이트(83), 발광 패널(84), 필터 어레이(85), 및 표시부(86)를 구비하고 있다. 표시 패널(82)에서는, 백라이트 제어부(80) 및 타이밍 제어부(81)의 제어에 응하여 백라이트(83) 및 발광 패널(84)이 발광함에 의해, 소망하는 색을 표시하는 필터 어레이(85)를 통하여, 표시부(86)에 화상이 표시된다.
여기서, 신호 표시 장치(71)에서는, 표시 패널(82)을 구성하는 필터 어레이(85)나 백라이트(83)의 반사 방지막으로서, 도체 구조체층(24)을 이용할 수 있다.
다음에, 도 16은, 도체 구조체층(24)을 구비한 광신호 검출부를 탑재한 정보 통신 장치의 구성례를 도시하는 블록도다.
정보 통신 장치(91)에서는, 예를 들면, 화상 데이터를 나타내는 입력 광신호가, 광신호 검출부(92)가 갖는 광전변환 소자에 의해 검출되고, 전기적인 신호로 변환되어 화상 처리부(93)에 공급된다. 그리고, 화상 데이터는 화상 처리부(93)에 의해 화상 처리가 시행된 후, 화상 압축부(94)에 의해 압축 처리가 시행되어, 스토리지부(95)에 축적되거나, 도시하지 않은 드라이브를 통하여 기록 매체(96)에 전송된다. 또한, 유저가 도시하지 않은 조작부를 조작함에 의해 입력되는 제어 신호가, 유저 인터페이스(97) 및 마이크로 프로세서(98)를 통하여, 정보 통신 장치(91) 내의 각 부분에 공급된다.
또한, 화상 처리부(93)에 의해 화상 처리가 시행된 화상 데이터는, 버퍼 메모리(99)에 일시적으로 축적된 후, 적절히, LED(Light Emitting Diode) 광원 제어부(100)에 판독되고, LED 광원 제어부(100)가 광신호 송신부(101)를 제어함에 의해, 출력 광신호로서 외부에 송신된다.
여기서, 정보 통신 장치(91)에서는, 광신호 검출부(92)의 광전변환 소자의 수광면의 상층에, 도체 구조체층(24)을 채용할 수 있고, 도체 구조체층(24)의 반사 방지 기능에 의해, 광신호의 수신 효율을 향상시킬 수 있다.
다음에, 도체 구조체층(24)을 구성하는 미소 입자층(29)의 제조 방법에 관해 설명한다.
우선, 기판이 되는 수광면 상층에 절연층을 제작하고, 그 절연층의 위에 알루미늄으로 이루어지는 메탈층을 스퍼터링(물리적 박막 형성 기술(PVD : Physical Vapor Deposition))에 의해 전면 피복시킨다. 다음에, 전면 피복된 메탈층 상층에 포토 마스크를 피복한다. 포토 마스크로는 포지형의 레지스트를 채용할 수 있고, 레지스트를 도포한 후에 베이크한다.
그리고, 축소 투영 노광에 의해, 레지스트에 미소 입자층(29)을 형성하는 아일랜드(28)에 응한 도체 패턴을 전사한다. 도체 패턴의 전사로는, 고해상도로의 가공에 적합한 ArF(불화 아르곤) 레이저, F2 엑시머 레이저, 극단 자외선 노광(EUVL : Extreme Ultra Violet Lithography), 전자선 축소 전사 노광(Electron Projection Lithography), X선 리소그래피 등을 이용한 리소그래피가 알맞다. 그 밖에, 전자선으로 직접 묘화하는 전자선 리소그래피를 이용할 수 있다.
그 후, 불필요한 메탈 영역을 반응성 이온 에칭에 의해 제거함으로써, 소망하는 도체 패턴에 의한 미소 입자층(29)이 실현된다.
그리고, 미소 입자층(29)을 2층 또는 3층 이상 적층하는 경우에는, 상술의 공정이 반복하고 행하여져 적층 구조의 도체 구조체층(24)을 제조할 수 있다.
또한, 그 밖의 가공 방법으로서는, 열 사이클 나노 임프린트법이나 광 나노 임프린트법 등에 의해 미세 가공을 시행하고, 그 미세 가공에 의해 형성된 홈 부분에 메탈 층을 충전하여, 표면을 연마하는 방법을 채용하여도 좋다.
또한, 미소 입자층(29)을 고정밀도로 실현할 수 있으면, 상술한 제조 방법으로 한정되는 것이 아니다. 또한, 상술한 제조 방법에서는, 일반적인 CMOS형 고체 촬상 소자의 제조 프로세스에서 신호 배선층이나 차광막으로서 사용되고 있는 알루미늄을 이용하여 도체 구조체층(24)을 실장한 방법에 관해 설명하였지만, 알루미늄 이외의 도체, 예를 들면, 은 등을 이용하여도 좋다.
또한, 도체 구조체층(24)은, 고체 촬상 소자(21)의 광검출 소자면상에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어지는 절연층을 통하여 미소 입자층(29)을 다층으로 적층하는 구조를 기본으로 한다. 그리고, 광검출 소자로서는, CMOS형 고체 촬상 소자로 한정되는 것이 아니고, CCD형 고체 촬상 소자라도 좋고, 광전변환 기능을 갖는 소자라면 임의의 소자를 채용하여도 좋음은 말할 필요도 없다. 또한, 광전변환 소자의 구조 및 제조 방법에 관해서는, 이미 공지 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
또한, 고체 촬상 소자(21)는, 촬상 장치(51)외, 촬상 디바이스를 구비한 캠코더나 정보 단말 장치에 적용할 수 있다.
여기서, 본 명세서에 있어서, 플라즈몬 공명체란, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 소정의 주기 간격으로, 도체 금속의 입자인 아일랜드(28)가 미세 가공에 의해 형성된 구조체 외에, 홀(관통 구멍 또는 비관통 구멍)이 미세 가공에 의해 형성된 도체 금속의 구조체를 포함하고, 이들을, 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속의 구조체라고 칭한다. 즉, 플라즈몬 공명체는, 홀 또는 아일랜드가 소정의 주기 간격으로 반복하여 배치된 패턴 구조를 갖고 있으면 된다. 또한, 플라즈몬 공명체는, 홀 또는 아일랜드가 2차원 배열되어 구성되는 외에, 예를 들면, 홀 또는 아일랜드가 1차원 배열(선형상으로 배치)되어 구성되어 있어도 좋다.
또한, 본 발명의 실시예는, 상술한 실시예로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.

Claims (8)

  1. 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환 소자가 평면적으로 배치된 광전변환층과,
    상기 광전변환층의 윗면 또는 하면에 배치되고, 상기 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층을 복수 적층하여 형성되는 도체 구조체층을 구비하고,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 복수의 상기 도체층 중 인접하는 2층의 간격은, 상기 광의 진행 방향에 대향하는 방향으로의 상기 도체층 각각으로부터의 복사 성분이 역위상이 되고, 또한, 상기 광의 진행 방향에 따른 방향으로의 상기 도체층 각각으로부터의 복사 성분이 동위상이 되도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 복수의 상기 도체층끼리의 간격은, 상기 도체층을 포함하는 매질 중의 실효적인 전자파 파장 이하인 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 복수의 상기 도체층은, 매질 중에서의 실효적인 전자파 파장보다도 작은 치수로 형성된 도체 금속의 입자가 소정의 주기 간격으로 배치되어 형성되고, 표면측의 제 1층째의 상기 도체층을 형성한 상기 입자의 치수보다도, 제 2층째 이후의 상기 도체층을 형성하는 상기 입자의 치수가 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층은, 상기 도체층이 절연체 소재로 이루어지는 절연층의 내부에 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 상기 도체층은, 매질 중에서의 실효적인 전자파 파장보다도 작은 치수를 가지며, 플라즈마 주파수가 자외선 파장 대역 대역에 있는 도체 금속의 입자를, 상기 전자파 파장 이하의 주기 간격으로 2차원 배열로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 상기 도체층은, 상기 광전변환층에서 검출된 검출 전자파 파장이 적 파장보다도 장파장의 전자파에 한정되는 구성에서는, 매질 중에서의 실효적인 전자파 파장보다도 작은 치수를 가지며, 플라즈마 주파수가 가시 파장 대역 대역에 있는 도체 금속의 입자를, 상기 검출 전자파 파장과 개략 동등 또는 상기 검출 전자파 파장 이하의 주기 간격으로 2차원 배열로 배치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 구조체층을 형성하는 상기 도체층의 상기 소정의 주기 간격은, 상기 광전변환층에서 평면적으로 배치되는 복수의 상기 광전변환 소자마다, 각각의 광전변환 소자에 의해 검출되는 검출 전자파 파장에 응하여 설정되는 것을 특징으로 하는 촬상 소자.
  8. 수광한 광을 전하로 변환하는 광전변환 소자가 평면적으로 배치된 광전변환층과, 상기 광전변환층의 윗면 또는 하면에 배치되고, 상기 광전변환 소자의 수광면과 평행한 평면 내에서 소정의 주기 간격으로 요철 구조를 갖는 도체 금속을 갖는 도체층이 복수 적층되어 형성되는 도체 구조체층을 갖고, 상기 도체 구조체층을 형성하는 복수의 상기 도체층 중 인접하는 2층의 간격은, 상기 광의 진행 방향에 대향하는 방향으로의 상기 도체층 각각으로부터의 복사 성분이 역위상이 되고, 또한, 상기 광의 진행 방향에 따른 방향으로의 상기 도체층 각각으로부터의 복사 성분이 동위상이 되도록 마련되어 있는 촬상 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
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