KR20110076770A - 반도체 장치 및 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
반도체 장치는 광전 변환층과, 상기 광전 변환층 내에 매입된 연속 또는 불연속의 통형상의 금속 미세구조체와, 상기 금속 미세구조체의 내측면 및 외측면을 피복하는 유전체막을 갖는다.
Description
본 발명은, 플라즈몬 현상을 이용한 반도체 장치, 및 이 반도체 장치로 구성된 고체 촬상 장치를 구비하여 카메라 등에 적용되는 전자 기기에 관한 것이다.
근래, 광(光)과, 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 메탈계 재질이 특별한 조건으로 커플링하여, 작은 영역에 강한 전장(電場)이 생기는 표면 플라즈몬이라고 불리는 특수한 광이 주목을 모으고 있다. 실제로, 지금까지 바이오계에서 그 응용이 진행되고 있고, 크레치만 배치와 전반사 감쇠법을 조합시킨 SPR 현미경에 의해, 단백 분자 등 단분자 흡착의 관찰 등에 사용되고 있다. 전반사 감쇠법은 ATR(Attenuated-Total-Reflection)법이라고 약칭되고, SPR은 Surface-Plasmon-Resonance의 약칭이다.
한편, 플라즈몬을 이용하여 이미지 센서(이른바 고체 촬상 장치)의 포토 다이오드의 박막화, 고감도화를 도모한 기술이 제안되어 있다(일본 특개2009-38352호 공보, 일본 특개2009-147326호 공보(특허 문헌 1, 2) 참조).
도 14에 특허 문헌 1의 이미지 센서를 도시한다. 이 이미지 센서는, 기본적으로는 센서 내에 플라즈몬 공명체(메탈계의 금속 입자)를 매입하고, 센서의 박막화와 깊이 방향에서의 분광 기능을 갖게 한 구성이다. 도 14A의 이미지 센서(101)는, p형 반도체 기판(102)에 순차적으로 n형 반도체 영역(103), p형 반도체 영역(104), n형 반도체 영역(105)이 형성되고, p-n 접합을 갖는 광전 변환층이 적층된다. p형 반도체 기판(102)에 적색의 광(R)으로 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 공명체(106)가 매입되고, n형 반도체 영역(103)에 녹색의 광(G)으로 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 공명체(107)가 매입되고, p형 반도체 영역(104)에 청색의 광(B)으로 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 공명체(108)가 매입된다. 각 플라즈몬 공명체(106 내지 108)는, 투명 절연막(109)으로 피복된다. p-n 접합을 갖는 광전 변환층에 광(L)이 입사하고, 그 RGB의 광이 플라즈몬 공명체(106 내지 108)에 입사한다. 플라즈몬 공명체에 광이 입사하고, 플라즈몬 공명이 생기고 있는 상태에서는, RGB의 광은, 플라즈몬 공명체(106 내지 108) 부근의 좁은 영역에 국재(局在)한 광이 되어 있고, 그곳부터 재방사된 광에 의해 생긴 전하를 축적하고, 신호가 판독부(111)로부터 판독된다.
도 14B의 이미지 센서(113)는, 투명 절연막(114)으로 절연된 광전 변환층(115, 116, 117)이 적층되고, 각 광전 변환층(115, 116, 117)에 각각 적색의 광(R), 녹색의 광(G), 청색의 광(B)으로 플라즈몬 공명을 일으키는 플라즈몬 공명체(106, 107, 108)가 매입된다. 각 플라즈몬 공명체(106 내지 108)는, 투명 절연막(109)으로 피복된다. 각 광전 변환층(115 내지 117)의 양단에는 판독부가 되는 전극(118A, 118B)이 형성된다. 각 광전 변환층(114 내지 116)에 광(L)이 입사되고, RGB의 광이 플라즈몬 공명체(106 내지 108)에서 증강되고, 가전자대(價電子帶)로부터 전도전자대(傳導電子帶)에 여기된 전자가 신호로서 전극(118A, 118B)을 통하여 판독된다.
이와 같이, 복수의 광전 변환층이 적층되고, 플라즈몬 공명체를 배치한 구성을 채택함에 의해, 센서의 감도를 내리는 일 없이 박막화하는 것이 가능해진다. 또한, 광전 변환층마다에, 다른 파장대역(波長帶域)에 공명 피크를 갖고서 분광 요소로서 기능하는 플라즈몬 공명체가 배설됨에 의해, 깊이 방향에서의 색 분리가 가능하게 된다.
광이 다른 깊이의 플라즈몬 공명체에 흡수되는 것만으로는, 광강도의 검출은 할 수가 없다. 플라즈몬 공명체의 공명 피크에 응한 파장대역마다 광강도의 검출이 가능한 이유는, 플라즈몬 공명체로부터 재방사된 광을 주위의 재료에 의해 광전 변환하고, 입사광 강도를 전하의 양(量)으로 변환하기 때문이다. 또한, 그 전하를 p-n 접합이나 전극을 이용하여 전압이나 전류의 형태로 취출함으로써, 각각의 파장대역의 광강도를 전기 신호로 얻을 수 있다.
도 15A, B에, 특허 문헌 2의 이미지 센서를 도시한다. 기본적으로는, 금속 나노 입자를 실리콘면상(面上)에 배치하고, 플라즈몬 현상을 이용하고, 금속 나노 입자의 립형(粒型)이나 배치를 궁리함으로써, 센서의 박막화와 분광의 기능을 갖게 하고 있다. 즉, 도 15A, B의 이미지 센서(121)는, 실리콘에 의한 p-n 접합 포토 다이오드(122)의 윗면에 유전체막(123)을 통하여 금속 미립자(124)의 패턴층(125)을 배치하여 구성된다. 유전체막(123)은, SiO2, SiON, HfO2, Si3N4 등으로 이루어지고, 유전체막(123)의 막두께가 3㎚ 내지 100㎚가 된다.
금속 미립자(124)는, 금, 은, 구리, 알루미늄 및 텅스텐으로 이루어지는 군중에서 선택된 적어도 하나로 형성된다. 금속 미립자(124)의 패턴층(125)은, 복수의 영역을 구비하고, 금속 미립자(124)의 패턴층(125)의 각 영역은, 복수의 서브 화소 영역, 즉 적색 서브 화소 영역(126R), 녹색 서브 화소 영역(126G), 및 청색 서브 화소 영역(126B)으로 구성된다. 각 서브 화소 영역(126R, 126G 및 126B)에서의 금속 미립자(124)는, 적, 녹, 청의 순으로 작아진다. 금속 미립자(124)의 형상은, 3각형, 4각형, 5각형, 원형 및 성형(星形)으로 이루어지고, 특정 파장의 광에 의해 플라즈몬 공명이 최적화되도록 패턴층(125)이 형성된다.
이 패턴층(125)상의 금속 미립자(124)는, 광의 전자파가 금속 표면의 전자와 공진(共振)하여 플라즈몬을 형성함에 의해, 광이 금속 미립자(124)의 근처에 머무르는 시간을 연장시키는 역할을 행한다. 따라서 이 현상에 의해 포토 다이오드에 입사하여 오는 광은, 이 패턴층(125)의 효과에 의해, 포토 다이오드가 감지할 수 있는 시간을 연장시킬 수가 있어서, 감도를 향상시키고 있다.
그런데, 상술한 종래예에서는, 광의 진행 방향에 대한 금속 나노 입자의 수평 단면적의 총합이 크고, 결과로서 반사율이 커지는 것이 예상된다. 그 결과, 포토 다이오드에의 광의 플럭스가 감소하여 버리고, 감도에 기여하는 전도전자(傳導電子)의 발생이 억제된다. 금속 나노 입자에 의한 국재(局在) 플라즈몬의 증강 전자파의 존재 영역은, 금속 나노 입자의 부근부터 수(數)나노로부터 수십(數十)나노미터 정도로 작기 때문에, 감도에 기여하는 광전 변환 영역도 작아지고, 발생 전자의 총합도 적다.
또한, 플라즈몬의 물리적인 성질상, 금속 나노 입자 부근에 증강 전장을 생기게 하기 위해서는, 그 금속 나노 입자를 유리 등의 저굴절율 재료로 피복하여 실리콘 등의 고굴절율 재료중에 가둘 필요가 있는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 실제로 감도로서 기여하는 전자의 발생에 이어지는 증강 전장의 포토 다이오드 등의 센서에 있어서의 실효적인 광의 존재 영역 및 감도 계산에 이용하는 적분 영역은, 상기한 이유에 더하여 더욱 작은 것이 된다. 그러므로, 광전 변환을 행하는 포토 다이오드까지 플라즈몬의 증강광이 도착하지 않는 경우도 생길 수 있다.
종래 기술에서는, 센서의 고감도, 박막화에 대해, 공명 현상에 의해 생긴 플라즈몬의 증강광을 다이렉트로 감도로서 관측하는 것이 아니고, 공명체로부터 생기는재 반사광의 감지나, 포토 다이오드의 감지 시간의 연장 등이라는 것과 같은, 물리적으로 곤란한 프로세스를 경유하지 않으면 신호가 되는 전도전자를 얻을 수가 없다.
본 발명은, 상술한 점을 감안하여, 표면 플라즈몬을 이용한 반도체 장치에 있어서, 광전 변환층보다 고감도화, 박막화를 가능하게 한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 반도체 장치로 구성된 고체 촬상 장치를 구비하여 카메라 등에 적용되는 전자 기기를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 반도체 장치는, 광전 변환층과, 광전 변환층 내에 매입된 연속 또는 불연속의 통형상의 금속 미세구조체와, 금속 미세구조체의 내측면 및 외측면을 피복하는 유전체막을 갖는다.
본 발명의 반도체 장치에서는, 광이 입사되면 통형상의 금속 미세구조체에서 표면 플라즈몬이 여기되고, 통형상의 금속 미세구조체의 내외측의 광전 변환층에 다이렉트로 또한 넓은 영역에 증강 전장, 즉 강한 광이 여기된다. 금속 미세구조체가 통형상이기 때문에, 금속 미세구조체에서의 입사광의 반사가 저감하고, 광의 에너지를 효율적으로 신호 전하로 변환할 수 있다.
본 발명에 관한 전자 기기는, 광학 렌즈와, 고체 촬상 장치로서 구성된 반도체 장치와, 반도체 장치의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 구비한다. 상기 반도체 장치는, 복수의 화소가 배열된 촬상 영역을 갖고서 구성된다. 복수의 화소는, 각각 광전 변환층에 매입된 연속 또는 불연속의 통형상의 복수의 금속 미세구조체와, 금속 미세구조체의 내측면 및 외측면을 피복하는 유전체막을 갖고서 이루어진다.
본 발명의 전자 기기에서는, 상기 고체 촬상 장치로서 구성된 반도체 장치를 구비함에 의해, 고체 촬상 장치의 광전 변환층에서 입사된 광의 에너지를 효율적으로 신호 전하로 변환할 수 있다.
본 발명에 관한 반도체 장치에 의하면, 통형상의 금속 미세구조체에 의해 광전 변환층의 넓은 영역에 강한 광이 여기되고, 금속 미세구조체에서의 반사율이 저감하여 광의 에너지를 효율적으로 신호 전하로 변환할 수 있기 때문에, 광전 변환층의 보다 고감도 화, 박막화를 가능하게 한다.
본 발명에 관한 전자 기기에 의하면, 상기 고체 촬상 장치로서 구성된 반도체 장치를 구비함에 의해, 보다 박형화, 고감도화가 도모된 전자 기기를 제공할 수 있다.
도 1의 A, B는 본 발명에 관한 반도체 장치의 기본 구성(제 1 실시의 형태)을 도시하는 평면도 및 A-A선상의 단면도.
도 2의 A 내지 J는 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 제조 방법의 한 예를 도시하는 제조 공정도.
도 3은 본 발명에 관한 반도체 장치의 동작 설명에 제공하는 설명도.
도 4는 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 평면도 및 B-B 단면도.
도 5는 판독 방식의 한 예의 설명에 제공하는 반도체 장치의 구성도.
도 6은 판독 방식의 다른 예의 설명에 제공하는 반도체 장치의 구성도.
도 7은 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 개략 단면도.
도 8은 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 개략 단면도.
도 9의 A 내지 G는 통형상의 금속 미세구조체의 윗면에서 본 형상의 예를 도시하는 통형상 패턴도.
도 10의 A 내지 G는 통형상의 금속 미세구조체의 종단면 형상의 예를 도시하는 통형상 패턴도.
도 11의 A, B는 본 발명에 관한 반도체 장치를 고체 촬상 장치에 적용한 제 2 실시의 형태를 도시하는 주요부의 개략 구성도.
도 12는 본 발명에 관한 반도체 장치를 태양전지에 적용한 제 3 실시의 형태를 도시하는 개략 구성도.
도 13은 본 발명의 제 4 실시의 형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도.
도 14의 A, B는 종래의 이미지 센서의 한 예를 도시하는 개략 구성도.
도 15의 A, B는 종래의 이미지 센서의 다른 예를 도시하는 개략 구성도.
도 2의 A 내지 J는 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 제조 방법의 한 예를 도시하는 제조 공정도.
도 3은 본 발명에 관한 반도체 장치의 동작 설명에 제공하는 설명도.
도 4는 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 평면도 및 B-B 단면도.
도 5는 판독 방식의 한 예의 설명에 제공하는 반도체 장치의 구성도.
도 6은 판독 방식의 다른 예의 설명에 제공하는 반도체 장치의 구성도.
도 7은 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 개략 단면도.
도 8은 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 개략 단면도.
도 9의 A 내지 G는 통형상의 금속 미세구조체의 윗면에서 본 형상의 예를 도시하는 통형상 패턴도.
도 10의 A 내지 G는 통형상의 금속 미세구조체의 종단면 형상의 예를 도시하는 통형상 패턴도.
도 11의 A, B는 본 발명에 관한 반도체 장치를 고체 촬상 장치에 적용한 제 2 실시의 형태를 도시하는 주요부의 개략 구성도.
도 12는 본 발명에 관한 반도체 장치를 태양전지에 적용한 제 3 실시의 형태를 도시하는 개략 구성도.
도 13은 본 발명의 제 4 실시의 형태에 관한 전자 기기의 개략 구성도.
도 14의 A, B는 종래의 이미지 센서의 한 예를 도시하는 개략 구성도.
도 15의 A, B는 종래의 이미지 센서의 다른 예를 도시하는 개략 구성도.
이하, 발명을 실시하기 위한 형태(이하 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제 1 실시의 형태(반도체 장치의 개략 기본 구성례와 제조 방법례)
2. 제 2 실시의 형태(반도체 장치를 고체 촬상 장치에 적용한 주요부의 개략 구성례)
3. 제 3 실시의 형태(반도체 장치를 태양전지에 적용한 개략 구성례)
4. 제 4 실시의 형태(전자 기기의 구성례)
<1.제 1 실시의 형태>
[반도체 장치의 개략 기본 구성례]
도 1에, 본 발명에 관한 반도체 장치의 제 1 실시의 형태를 도시한다. 이 제 1 실시의 형태는, 본 발명의 반도체 장치의 개략 기본 구성을 나타낸다. 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)는, 도 1A, B에 도시하는 바와 같이, 광전 변환층이 되는 예를 들면 실리콘 등에 의한 반도체 기판(2) 내에, 후술하는 연속 또는 불연속의 통형상의 금속 미세구조체(3)를 매입하여 구성된다. 금속 미세구조체(3)의 내측면 및 외측면은, 유전체막(4)으로 피복된다. 이 금속 미세구조체(3)는, 이 금속 미세구조체에 광이 입사한 때, 표면 플라즈몬을 여기시킨다.
금속 미세구조체(3)는, 표면 플라즈몬을 여기하는데는, 광과의 커플링에 의해 유전율이 부(負)가 되는 금속계의 재질로 형성할 필요가 있다. 금속 미세구조체(3)는, 이 조건에 맞는 예를 들면, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 텅스텐(W) 등의 메탈계 재료로 형성된다. 텅스텐(W)은 녹의 파장광과의 커플링에서는 유전율이 부가 되지 않지만, 커플링하는 파장역에 의해 유전율이 부가 될 수 있다.
금속 미세구조체(3)를 피복하는 유전체막(4)은, 저굴절율 재료로 형성된다. 유전체막(4)은, 바람직하게는 실부(實部)가 3.0 이하의 유전체 재료, 예를 들면 SiO2, SiON, HfO2 등으로 형성할 수 있다. 본 예의 유전체막(4)은, 실리콘 산화(SiO2)막으로 형성된다. 실부가 3.0을 초과하는 큰 경우, 충분한 전장이 여기되지 않는다.
통형상의 금속 미세구조체(3)는, 내경(r1) 또는 윗면에서 본 내측의 길이(t1)(도 9의 E 참조)가 100㎚ 내지 1.0㎛의 범위, 두께(d1)가 10㎚ 내지 100㎚의 범위, 총 길이(s1)가 20㎚ 내지 3.0㎛의 범위로, 각각 설정하는 것이 바람직하다. 금속 미세구조체(3)가, 예를 들면 후술하는 도 9의 D, E에서 나타내는 4각형 형상의 통형상인 때는, 4각형상의 내측의 길이(t1)가 100㎚ 내지 1.0㎛의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
내경(r1), 내측의 길이(t1)가 100㎚ 내지 1㎛의 범위이면, 가시광으로 표면 플라즈몬을 여기시킬 수 있다. 이 범위를 벗어나면 가시광으로의 표면 플라즈몬 여기 조건으로부터 벗어난다. 내경(r1), 내측의 길이(t1)가 100㎚ 내지 300㎚의 범위이면, 안전하게 가시광으로 표면 플라즈몬을 여기시킬 수 있다. 통형상의 금속 미세구조체(3)의 외경(r2)은, 입사하는 광의 파장 이하로 하는 것이 바람직하다. 두께(d1)는, 10㎚보다 얇으면 광이 금속을 관통하는 부적합함이 있고, 100㎚를 초과하면 광의 반사율이 증대한다는 부적합함이 있다. 길이(s1)가 20㎚보다 짧으면 표면 플라즈몬의 존재 영역이 작아진다는 부적합함이 있고, 또한 3.0㎛를 초과하여도 감도로서의 기여는 작아진다는 부적합함이 생긴다.
본 실시의 형태에서는, 금속 미세구조체(3)의 윗면 및 하면을 피복하도록, 광전 변환층과 같은 재질의 광투과층(5)이 형성된다. 본 예에서는, 광투과층(5)이 반도체 기판(2)의 일부로서 구성된다. 특정 파장의 광에 대해 표면 플라즈몬을 발생시키는데는, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 직경 또는 윗면에서 본 외측의 길이를 조정함으로써 가능해진다.
본 실시의 형태에서는, 후술하는 신호의 판독 방식에 응하여, 예를 들면 도 6에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(2)에, 제 1 도전형(p형 또는 n형)의 반도체 영역과 제 2 도전형(n형 또는 p형)의 반도체 영역을 형성하여 p-n 접합(j)을 갖는 구성으로 할 수도 있다. p-n 접합(j)은 통형상의 금속 미세구조체(3)의 길이 방향의 중간을 가로지르도록 형성된다.
[반도체 장치의 제조 방법례]
도 2에, 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)의 제조 방법의 한 예를 도시한다. 우선, 도 2의 A에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 광전 변환층이 되는 실리콘 단결정에 의한 반도체 기판(2)을 준비한다. 이 반도체 기판(2)의 표면부터, 소요되는 지름, 소요되는 깊이를 갖는 오목구멍(11)을 형성한다.
다음에, 도 2의 B에 도시하는 바와 같이, 오목구멍(11) 내에 예를 들면 실리콘 산화막에 의한 유전체막(4)을 매입한다. 뒤이어, 도 2의 C에 도시하는 바와 같이, 유전체막(4)을 오목구멍(11)의 측벽에 소요되는 막두께로 남도록, 선택적으로 에칭 제거한다.
다음에, 도 2의 D에 도시하는 바와 같이, 에칭 제거된 오목구멍(12) 내에 금속 미세구조체를 형성하여야 할 금속층, 예를 들면 알루미늄(Al)층(3A)을 매입한다. 뒤이어, 도 2의 E에 도시하는 바와 같이, 알루미늄층(3A)을 선택적으로 에칭 제거하여, 통형상의 금속 미세구조체(3)를 형성한다.
다음에, 도 2의 F에 도시하는 바와 같이, 알루미늄층(3A)의 중앙부를 제거하여 형성된 오목구멍(13) 내에 예를 들면 실리콘 산화막에 의한 유전체막(4)을 매입한다. 뒤이어, 도 2의 G에 도시하는 바와 같이, 유전체막(4)을, 금속 미세구조체(3)의 내면에 접하여 소요되는 막두께로 남도록, 선택적으로 에칭 제거한다.
다음에, 도 2의 H에 도시하는 바와 같이, 유전체막(4)의 중앙부를 제거하여 형성된 오목구멍(14) 내에, 오목구멍(14) 내가 매입되도록, 실리콘 단결정에 의한 반도체층(15)을 형성한다. 이 반도체층(15)은, 반도체 기판(2)과 도전형을 포함하여 완전히 동등한 반도체층이고, 반도체 기판(2)의 일부로서 구성된다.
다음에, 도 2의 I에 도시하는 바와 같이, 금속 미세구조체(3), 유전체막(4) 및 반도체층(15)상을 포함하는 반도체 기판(2)상에, 실리콘 단결정에 의한 반도체층(16)을 형성한다. 이 반도체층(16)은, 반도체 기판(2)과 도전형을 포함하여 완전히 동등한 반도체층이고, 반도체 기판(2)의 일부로서 구성된다. 반도체층(16)은, 도 1에서 도시한 광투과층(5)에 상당한다.
다음에, 도 2의 J에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(2)의 이면을 광투과층(5)이 되는 두께를 남기고 쇄선 위치(17)(도 2의 I 참조)까지 예를 들면 CMP(화학 기계 연마)법 등을 이용하여 제거하여, 기판의 박막화를 행한다. CMP법에 의한 제거 공정에서는, 반도체 기판(2)의 윗면에 지지 기판을 부착하여 행할 수 있다. 이와 같이 하여, 목적하는 반도체 장치(1)를 얻는다.
또한, 후술하는 신호의 판독 방식에 응하여, 전극을 형성할 때는, 도 2의 J의 공정의 후에, 반도체 기판(2)의 상하면에 투명 전극을 포함하는 쌍(對)의 전극을 형성한다. 또한, p-n 접합을 형성할 때는, 반도체 기판(2)을 제 1 도전형(p형 또는 n형) 기판으로 하고, 도 2의 J의 공정의 후에, 제 2 도전형(n형 또는 p형)의 불순물을 이온 주입하여 p-n 접합을 형성한다.
제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(2) 내에 금속 미세구조체(3)를 주기적으로 복수 배치하고 구성할 수 있다. 본 예에서는 금속 미세구조체(3)를, 윗면에서 보아 세로 3개, 가로 3개의 합계 9개가 주기적으로 배열하여 구성된다.
[반도체 장치의 동작 설명]
다음에, 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)의 동작을 설명한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 광전 변환층인 반도체 기판(2)을 통하여 금속 미세구조체(3)에 광(L)이 입사되면, 특정 파장의 광에 대해 플라즈몬 공명이 생기고, 표면 플라즈몬이 여기된다. 그리고, 이 표면 플라즈몬에 의해 증강된 강한 광이, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 내측의 중앙 영역, 및 외측의 중앙 영역에 다이렉트로 여기된다. 이 강한 광의 여기 영역(6, 7)은, 광전 변환층의 넓은 영역에 형성된다. 즉, 표면 플라즈몬의 증강 전장이 다이렉트로 또한 넓은 영역에서 여기된다. 통형상의 금속 미세구조체(3)에 의해 생기는 표면 플라즈몬은, 피크의 크기로는 국소 플라즈몬에 뒤떨어지는 것이지만, 통형상의 내외에 큰 전자장이 집중, 축적된다. 그리고, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 내부 및 외부의 체적으로서 큰 반도체 영역에서 광전 변환이 일어난다. 광전 변환에 의해 발생한 전하를 신호로서 이용한다.
금속 미세구조체(3)를 저유전율의 유전체막(4)으로 피복하고, 예를 들면 고굴절율의 실리콘에 의한 광전 변환층이 되는 반도체 기판(2) 내에 매입하는 때는, 표면 플라즈몬을 여기한 경우, 효율적으로 강한 전장을 여기할 수 있다. 즉, 효율적으로 광강도가 높은 강한 광을 여기할 수 있다.
신호의 판독 방식으로서는, 예를 들면, 도 5에 도시하는 방식을 채택할 수 있다. 도 5로는, 광전 변환층이 되는 반도체 기판(2)의 상하면에 전극(21, 22)을 형성하고, 외부로부터 전극(21 및 22) 사이에 전위차를 주어서 반도체 기판(2) 내에 전계를 형성하고, 광 에너지에 의해 가전자대로부터 전도전자대에 여기된 전자를 신호로서 판독한다. 전극(21, 22)으로서는, 적어도 광입사면측을 투명 전극으로 한다. 또한 신호의 판독 방식으로서는, 도 6에서 도시하는 방식을 채택할 수 있다. 도 6은, 광전 변환층이 되는 반도체 기판에 n형 반도체층(23) 및 p형 반도체층(24)을 형성하고, p-n 접합(j)을 형성한다. 그리고, 광전 변환에 의해 생긴 전하를 축적하여 신호로서 판독한다. 금속 미세구조체(3)의 형상에 의해, 반도체층(23, 24)의 불순물 농도나 영역을 설계한다.
도 7, 도 8에, 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)의 변형례를 도시한다. 도 7에 도시하는 반도체 장치(26)는, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 상단면 및 하단면도, 내측면 및 외측면의 유전체막(4)과 같은 재질의 유전체막(4)으로 피복한다. 즉, 금속 미세구조체(3)의 전면(全面)이 유전체막(4)으로 피복된다. 그 밖의 구성은, 도 1에서 설명한 것과 같기 때문에, 도 1과 대응하는 부분에 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다. 금속 미세구조체(3)의 상단면이 유전체막(4)으로 피복되는 때는, 더욱 강한 전장을 여기할 수 있기 때문에 바람직하다.
도 8에 도시하는 반도체 장치(27)는, 도 1의 구성에서, 광투과층(5)을 생략하여 금속 미세구조체를 반도체 기판(2)의 표면, 이면에 노출하여 구성된다. 그 밖의 구성은, 도 1에서 설명한 것과 같기 때문에, 도 1과 대응하는 부분에 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다. 반도체 장치(27)에서는, 광투과층(5)이 없는 만큼, 더욱 강한 전장을 여기할 수 있다. 그 때문에 보다 많은 전자가 여기될 수 있다.
상술한 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)에 의하면, 표면 플라즈몬을 여기시키는 금속 미세구조체(3)가 통형상으로 형성되어 광전 변환층이 되는 반도체 기판(2)에 매입된다. 통형상의 금속 미세구조체(3)이기 때문에, 광의 진행 방향과 수직으로 교차한 금속 미세구조체(3)의 수평 단면적이 작아지고, 금속 미세구조체(3)에서의 반사율 특성이 작아진다. 즉, 금속 미세구조체(3)에서의 광반사가 저감하고, 광전 변환층에의 광의 플럭스의 감소를 최소한으로 억제할 수 있다. 그에 의해, 감도에 기여하는 전하의 발생이 방해되는 일이 없고, 광의 에너지를 효율적으로 신호로 변환할 수 있다.
종래 기술의 나노 입자에 의해 생기는 국소 플라즈몬의 존재 영역은 매우 작았다. 이에 대해, 본 실시의 형태의 통형상의 금속 미세구조체(3)에 의해 생기는 전파 플라즈몬은, 피크의 크기로는 국소적으로는 뒤떨어지지만, 통형상의 내외에 큰 전자장을 집중, 축적시킬 수 있다. 즉, 통형상의 내외에 강한 광을 집중, 축적시킬 수 있다. 이에 의해, 통형상 내부 및 통형상 외부 주변의 퇴적(堆積)으로서 큰 영역에서 광전 변환을 일으킬 수 있다. 그 결과, 광전 변환층이 깊은 곳에서의 광전 변환되고 있던 광을 통형상 주변까지 들어올리는 것이 가능해지고, 광전 변환층 즉 센서의 박막화를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 예를 들면, 적, 녹, 청 등의 파장이 다른 광을 증강하는 경우, 가장 간단하게는 통형상의 금속 미세구조체(3)의 직경 또는 윗면에서 본 외측의 길이를 조정함으로써 대응할 수 있다. 통형상의 미세구조체(3)는 무기의 메탈계 재질이기 때문에, 높은 내구성도 겸비한다. 또한, 금속 미세구조체(3)의 재료 특성에 의한 광의 컨트롤이 아니라, 금속 미세구조체(3)의 구조에 의한 광의 컨트롤이기 때문에, 소망하는 특성을 자유롭게 설계하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 표면 플라즈몬의 증강 전장이, 예를 들면, 센서 내부의 신호로서 검지 가능한 영역에 다이렉트면서 대영역에서 여기시킬 수 있다. 따라서, 「재방사」나 「검지시간의 지연」 등이라는 종래의 이미지 센서의 분야에서 그다지 친숙하지 않는 물리 메커니즘에 의지하는 일 없이, 지금까지와 마찬가지의 검지의 방법으로 신호로 변환하는 것이 가능해진다.
이들의 효과를 확인하기 위해, 파장 600㎚의 광에 대해 도 1의 반도체 장치(1)를 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 내외의 중심부분에서의 신호로서 검지 가능한 실리콘 영역에, 다이렉트로 증강 전장은 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 전장 강도의 피크를 비교하면, 벌크 실리콘의 경우를 1이라고 하면 금속 미세구조체(3)를 이용한 경우에서는 13을 초과하는 것이 판명되었다. 전장 강도의 피크 값에 관해서는, 분명히 금속 미세구조체(3)를 이용한 것의 쪽이, 큰 전장 강도를 여기하는 것을 확인할 수 있었다. 감도는 광전 변환층 내의 적분치로 평가할 수 있다. 적분 감도를 비교하면, 두께 250㎚의 실리콘 반도체 기판(2)에 통형상의 금속 미세구조체(3)를 매입한 구성에서는, 두께 700㎚의 벌크 실리콘 상당의 감도가 있는 것을 확인하였다. 여기서는, 적색의 파장역의 광에서의 결과이지만, 녹, 청색의 파장역의 광에 대해서도, 동등한 감도를 얻을 수 있다.
파장마다의 광흡수 피크의 컨트롤을 메탈 재질의 선택, 형태나 사이즈로 컨트롤하는 경우에는, 제조 정밀도가 중요해진다. 종래의 금속 나노 입자에서는 수10㎚으로 그 편차를 제어할 필요가 있다. 이에 대해, 본 실시의 형태의 통형상의 금속 미세구조체(3)에서는, 그 직경 또는 윗면에서 본 외측의 길이, 및 깊이 방향의 길이가 수백㎚이기 때문에, 제조 편차의 요구 정밀도도 비교적으로 완만하게 할 수 있다.
도 9 및 도 10에, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 여러가지의 형상례를 도시한다. 도 9는, 통형상의 금속 미세구조체(3)를 윗면에서 본 링 패턴을 나타낸다.
도 9의 A의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 연속한 원형을 갖는 원통형상으로 형성된다.
도 9의 B의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 원형에 일부에 절제부(切除部)(29)가 형성되고 전체로서 불연속한 원형을 갖는 원통형상으로 형성된다.
도 9의 C의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 등각 간격으로 절제부(29)가 마련되고, 원형이 4분할되어 전체로서 불연속한 원형을 갖는 원통형상으로 형성된다.
도 9의 D의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 평면 형상이 4각형 형상을 한각통(角筒)형상으로 형성된다.
도 9의 E의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 결여부(欠如部)(29)에 의해 4각형 형상이 2등분할되어 전체로서 불연속한 4각형 형상을 갖는 각통형상으로 형성된다.
도 9의 F의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 통형상의 중심 구멍이 원형이고, 외측의 유전체막(4)이 가로가 긴 타원형상, 금속 미세구조체(3) 및 내측의 유전체(4)가 세로가 긴 타원형상을 한 연속한 타원 통형상으로 형성된다.
도 9의 G의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 복수, 본 예에서는 2개의 금속 미세구조체(3A, 3B)가 소요 간격을 두고, 동축심상에 배치하여 구성된다.
도 10은, 통형상의 금속 미세구조체(3)를 수직 방향으로 단면(斷面)한 때의 길이 방향의 통형상 패턴을 도시한다.
도 10의 A의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 길이 방향으로 같은 지름을 갖고서 연속하여 형성된 통형상으로 형성된다.
도 10의 B의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 결여부(30)에 의해 길이 방향으로 2분되고 불연속이 된 통형상으로 형성된다.
도 10의 C의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 결여부(30)에 의해 길이 방향으로 다수 분할, 본 예에서는 5분할되어 불연속이 된 통형상으로 형성된다.
도 10의 D의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 금속 미세구조체(3)가 길이 방향을 2분하여 각각의 두께(t1, t2)를 다르게 하여 통형상으로 형성된다. 예를 들면, 광 입사측과 반대측의 반분의 두께(t2)를 광 입사측의 반의 두께(t1)보다 두꺼워지도록 같은 금속으로 금속 미세구조체(3)가 형성된다.
도 10의 E의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 금속 미세구조체(3)가 길이 방향을 2분하여 각각 다른 금속으로 형성된다. 예를 들면 한쪽이 알루미늄(Al)(3a)으로 형성되고, 다른쪽이 은(Ag)(3b)으로 형성된다.
도 10의 F의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 길이 방향으로 연속하는 통형상이고, 윗면의 광투과층(5)이 생략되고, 금속 미세구조체 윗면이 노출하여 형성된다.
도 10의 G의 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)는, 통형상의 금속 미세구조체(3)가 매입된 반도체 기판(2)상에, 유전체막, 예를 들면 실리콘 산화(SiO2)막(31)을 통하여 복수의 금속 나노 입자(32)를 배열하여 형성된다.
본 실시의 형태에서는, 도 9의 A 내지 도 9의 G의 평면 패턴과, 도 10의 A 내지 도 10의 G의 수직 단면 패턴을 조합시켜서, 유전체막(4)으로 피복된 금속 미세구조체(3)를 구성할 수 있다.
상술한 제 1 실시의 형태에 관한 반도체 장치(1)는, 예를 들면 에어리어 이미지 센서, 리니어 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치, 태양전지, 바이오계 센서 등에 적용할 수 있다.
<2. 제 2 실시의 형태>
[반도체 장치를 고체 촬상 장치에 적용한 주요부의 개략 구성례]
도 11의 A, B에, 본 발명에 관한 반도체 장치를 고체 촬상 장치에 적용한 제 2 실시의 형태를 도시한다. 도 11의 A, B는, 고체 촬상 장치의 주요부인 광전 변환부(수광 센서부)를도시한다. 본 실시의 형태에서의 고체 촬상 장치는, CMOS 고체 촬상 장치, CCD 고체 촬상 장치, 라인 센서 등에 적용할 수 있다.
제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치(35)는, 복수의 화소(36)[36R, 36G, 36B]가 배열된 촬상 영역(37)을 갖고서 이루어진다. 복수의 화소(36)의 광전 변환부(38)는, 전술한 바와 마찬가지로 광전 변환층이 되는 예를 들면 실리콘 등에 의한 반도체 기판(2) 내에 복수의 통형상의 금속 미세구조체(3)를 매입하여 형성된다. 반도체 기판(2)(이하, 광전 변환층이라고 한다)은, 전하의 판독 방식에 의해, 도 6에서 도시한 p-n 접합(j)을 갖는 구성, 또는 도 5에서 도시한 p-n 접합을 갖지 않는 구성으로 할 수 있다. 본 예에서는, p-n 접합(j)을 갖는 구성으로 한다. 즉, 광전 변환부(38)는, 신호 전하를 전자로 할 때, 전하 축적 영역이 되는 n형 반도체 영역(41)과 p형 반도체 영역(42)이 형성되고, p-n 접합(j)을 갖는 포토 다이오드로서 형성된다. p-n 접합(j)은 통형상의 금속 미세구조체(3)의 길이 방향의 중간을 가로지르도록 형성된다. 즉, p-n 접합(j)은, 금속 미세구조체(3)의 길이를 2분하는 위치를 가로지르도록 형성된다. 통형상의 금속 미세구조체(3)의 내측면 및 외측면은, 유전체막(4)으로 피복된다. 금속 미세구조체(3) 및 유전체막(4)의 구성은, 전술한 바와 마찬가지이기 때문에, 중복 설명을 생략한다. 복수의 화소(36)는, 예를 들면 적화소(36R), 녹화소(36R) 및 청화소(36B)로 형성된다. 적, 녹, 청의 화소(36R, 36G 및 36B)는, 베이어 배열, 허니컴 배열, 그 밖의 배열로 할 수 있다. 화소(36) 사이에는, 인접 화소로부터의 광을 차폐한 차폐부(39)를 마련하는 것이 바람직하다. 화소(36)의 사이에는, 인접 화소부터의 광을 차광하는 차광부(39)가 마련된다.
통형상의 금속 미세구조체(3)의 주기(周期) 사이즈는 화소 사이즈 이하라고 상정된다. 그 때문에, 화소(36) 내에는, 주기 구조를 유지하도록 극력 고밀도가 되도록 통형상의 금속 미세구조체(3)를 매입하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 주기 사이즈가 1화소의 1/3 정도의 사이즈인 경우에는, 화소(36R)에 도시하는 바와 같은 가로3×세로3의 배치가 된다. 이 금속 미세구조체(3)의 배치 및 통형상의 직경(외측의 길이) 사이즈 등은, 증강시키고 싶은 광의 파장에 의존하기 때문에, 포토 다이오드의 위에 배치되는 컬러 필터와 대응하는 것이 된다. 경향(傾向)으로서는, 청색 등의 단파장의 광을 증강시키고 싶을 때에는, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 직경(외측의 길이)이 작아지고, 금속 미세구조체(3)의 주기도 조밀하게 배치된다. 역으로, 적색 등의 장파장의 광을 증강시키고 싶을 때에는, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 직경(r2)은 커지고, 금속 미세구조체(3)의 주기가 드문드문하게 배치된다.
따라서 본 실시의 형태에서는, 각 화소(36)의 광전 변환부(38)에서의 금속 미세구조체(3)(유전체막(4)을 포함한다)의 직경(r2) 또는 외측의 길이(t2)를, 적화소(36R), 녹화소(36R) 및 청화소(36B)의 순으로 작게 설정된다. 본 예에서는 직경(r2)으로 비교한다. 즉, 적화소(36R)의 금속 미세구조체(3)의 직경을 r21, 녹화소(36R)의 금속 미세구조체(3)의 직경을 r22, 청화소(36B)의 금속 미세구조체(3)의 직경을 r23으로 한 때, r21>r22>r23로 설정한다. 그와 관련하여, 청화소(36B)의 금속 미세구조체(3)의 직경(r23)은, 150㎚ 정도로 할 수 있다. 그리고, 적화소(36R), 녹화소(36R), 청화소(36B)에 대향하여 컬러 필터(도시 생략)가 배치된다.
CCD 고체 촬상 장치는, 촬상 영역 내에, 규칙적으로 2차원 배열된 화소로 이루어지는 복수의 광전 변환부(포토 다이오드)와, 각 광전 변환부열에 대응한 CCD 구조의 수직 전송 레지스터와, CCD 구조의 수평 전송 레지스터와, 출력부를 갖고서 이루어진다.
본 실시의 형태에서는, CCD 고체 촬상 장치에 적용한 때, 각 화소의 포토 다이오드를, 상술한 금속 미세구조체(3)(유전체막(4)을 포함한다)를 매입한 포토 다이오드로 치환하여 구성된다. 촬상 영역의 상방에는 컬러 필터 및 온 칩 렌즈가 배치된다.
CMOS 고체 촬상 장치는, 촬상 영역 내에, 복수의 화소가 규칙적으로 2차원적으로 배열된 촬상 영역과, 주변 회로부를 갖고서 구성된다. 화소는, 하나의 광전 변환부가 되는 포토 다이오드와 복수의 화소 트랜지스터로 이루어지는 단위 화소를 적용할 수 있다. 또한, 화소는, 복수의 광전 변환부가 전송 트랜지스터를 제외한 다른 화소 트랜지스터를 공유한 이른바 화소 공유의 구조를 적용할 수 있다. 복수의 화소 트랜지스터는, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터의 3트랜지스터, 또는 선택 트랜지스터를 추가한 4트랜지스터로 구성할 수 있다.
본 실시의 형태에서는, CMOS 고체 촬상 장치에 적용한 때, 화소의 포토 다이오드를, 상술한 금속 미세구조체(3)(유전체막(4)을 포함한다)를 매입한 포토 다이오드로 치환하여 구성된다. 촬상 영역의 상방에는 컬러 필터 및 온 칩 렌즈가 배치된다.
본 실시의 형태에서는, 상술한 바와 같이 플라즈몬 효과로 증강된 광이 포토 다이오드(센서)에 다이렉트로 여기되기 때문에, 통형상의 판독이 가능하다. 그 때문에 전하의 판독에 관해서는, 도 6, 도 5와 마찬가지로, p-n 접합이나, 전극 또는 투명 전극을 이용한다.
본 실시의 형태에서는, 화소를 라인형상으로 1차원 배열한 이른바 라인 센서에 적용할 때, 화소의 포토 다이오드를, 상술한 금속 미세구조체(3)(유전체막(4)을 포함한다)를 매입한 포토 다이오드로 치환하여 구성된다. 컬러용이라면, 촬상 영역의 상방에 컬러 필터 및 온 칩 렌즈가 배치된다.
제 2 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치에 의하면, 제 1 실시의 형태에서 설명한 것과 같은 작용 효과를 갖는다. 즉, 화소의 포토 다이오드중에 표면 플라즈몬을 여기시키는 통형상의 금속 미세구조체(3)가 매입되기 때문에, 입사광의 진행 방향에 대한 금속 미세구조체(3)의 수평 단면적이 작아지고, 금속 미세구조체(3)에서의 광반사가 저감한다. 이에 의해, 포토 다이오드에의 입사광의 플럭스의 감소가 억제되고, 광 에너지가 효율적으로 신호 전하로 변환시킬 수 있다. 통형상의 금속 미세구조체(3)에 의한 전반 플라즈몬의 증강 전장이 포토 다이오드 내에 다이렉트이면서 큰 영역에서 여기된다. 따라서, 포토 다이오드 즉 센서의 감도를 향상하고, 또한 박막화를 실현할 수 있다. 포토 다이오드를 얇게 함에 의해, 입사한 광이 인접하는 화소에 들어가기 어렵고, 혼색을 막을 수 있다.
본 실시의 형태의 고체 촬상 장치에서는, 적, 녹, 청의 파장이 다른 광을 증강하는데는, 금속 미세구조체(3)의 통형상의 직경을 조정함에 의해, 간단히 대응할 수 있다. 금속 미세구조체(3)의 구조에 의한 광의 컨트롤이기 때문에, 소망하는 특성을 자유롭게 설계할 수 있다. 통형상의 금속 미세구조체(3)에서는, 직경, 길이가 수백㎚이기 때문에, 공지 기술의 금속 나노 입자에 비하여 제조 편차의 요구 정밀도가 비교적 완만하게 되고, 제조를 용이하게 한다.
<3.제 3 실시의 형태>
[반도체 장치를 태양전지로서 구성한 개략 구성례]
도 12A, B에, 본 발명의 반도체 장치를 태양전지에 적용한 제 3 실시의 형태를 도시한다. 제 3 실시의 형태에 관한 태양전지(45)는, 전술한 바와 마찬가지로 광전 변환층이 되는 반도체 기판(2) 내에 p-n 접합(j)을 형성하는 n형 반도체 영역(46)과 p형 반도체 영역(47)을 형성하고, 반도체 기판(2) 내에 복수의 통형상의 금속 미세구조체(3)(유전체막(4)을 포함한다)를 매입하여 구성된다. 또한, 반도체 기판(2)의 태양광(L)이 입사하는 표면측에 투명 전극(48)이 형성되고, 이면측에 투명 전극(48)과 쌍을 이루는 전극(49)이 형성된다. 투명 전극(48)상에는 반사 방지막(50)이 형성된다. p-n 접합(j)은, 통형상의 금속 미세구조체(3)의 길이 방향의 중간을 가로지르도록 형성된다.
제 3 실시의 형태에 관한 태양전지(45)에서는, 광전 변환층이 되는 반도체 기판(2)의 표면측부터 태양광(L)이 입사된다. 상층에 반사 방지막(50)이 있기 때문에, 태양광(L)을 효율적으로 태양전지(45) 내에 받아들일 수 있다. 입사된 태양광(L)은, 전술한 통형상의 금속 미세구조체(3)에 의한 플라즈몬 증강 효과로, 광의 에너지가 축적되고, p-n 접합부에서 광 에너지가 효율적으로 전자를 발생시킨다. 이 전자가 상하의 쌍을 이루는 전극(48, 49)에 의해 전류로서 취출된다.
제 3 실시의 형태에 관한 태양전지(45)에 의하면, 통형상의 금속 미세구조체(3)에 의해 입사한 태양광(L)이 증강되고, 효율적으로 전자를 발생시킬 수 있기 때문에, 태양전지의 감도 특성을 향상할 수 있다. 또한, 태양전지의 보다 박막화를 가능하게 한다.
<4. 제 4 실시의 형태>
[전자 기기의 구성례]
상술한 본 발명에 관한 고체 촬상 장치는, 예를 들면 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 카메라 시스템이나, 촬상 기능을 갖는 휴대 전화, 또는 촬상 기능을 구비한 다른 기기, 등의 전자 기기에 적용할 수 있다.
도 13에, 본 발명에 관한 전자 기기의 한 예로서 카메라에 적용한 제 4 실시의 형태를 도시한다. 본 실시의 형태에 관한 카메라는, 정지화상 또는 동화 촬영 가능한 비디오 카메라를 예로 한 것이다. 본 실시의 형태의 카메라(61)는, 고체 촬상 장치(62)와, 고체 촬상 장치(62)의 수광 센서부에 입사광을 유도하는 광학계(63)와, 셔터 장치(64)를 갖는다. 또한, 카메라(61)는, 고체 촬상 장치(62)를 구동하는 구동 회로(65)와, 고체 촬상 장치(62)의 출력 신호를 처리하는 신호 처리 회로(66)를 갖는다.
고체 촬상 장치(62)는, 상술한 제 2 실시의 형태의 고체 촬상 장치의 어느 하나가 적용된다. 광학계(광학 렌즈)(63)는, 피사체로부터의 상광(입사광)을 고체 촬상 장치(62)의 촬상 면상에 결상시킨다. 이에 의해, 고체 촬상 장치(62) 내에, 일정 기간 신호 전하가 축적된다. 광학계(63)는, 복수의 광학 렌즈로 구성된 광학 렌즈계로 하여도 좋다. 셔터 장치(64)는, 고체 촬상 장치(62)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다. 구동 회로(65)는, 고체 촬상 장치(62)의 전송 동작 및 셔터 장치(64)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 공급한다. 구동 회로(65)로부터 공급되는 구동 신호(타이밍 신호)에 의해, 고체 촬상 장치(62)의 신호 전송을 행한다. 신호 처리 회로(66)는, 각종의 신호 처리를 행한다. 신호 처리가 행하여진 영상 신호는, 메모리 등의 기억 매체에 기억되고, 또는, 모니터에 출력된다.
제 4 실시의 형태에 관한 카메라 등의 전자 기기에 의하면, 수광 센서부에 전파형(傳播型)의 플라즈몬 현상을 이용한 고체 촬상 장치를 구비하기 때문에, 보다 박형화, 고감도화가 도모된 전자 기기를 제공할 수 있다.
본 발명은 일본 특허 출원 JP2009-298365(2009.12.28)의 우선권 주장 출원이다.
본 발명은 필요에 따라 당업자에 의해 첨부된 청구범위와 동등한 범주내에서 다양하게 수정, 조합, 대체 등이 이루어질 수 있다.
Claims (11)
- 광전 변환층과,
상기 광전 변환층 내에 매입된 연속 또는 불연속의 통형상의 금속 미세구조체와,
상기 금속 미세구조체의 내측면 및 외측면을 피복하는 유전체막을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 미세구조체가, 광과의 커플링에 의해 유전율이 부인 금속재료로 형성되고,
상기 유전체막은 굴절율의 실부가 3.0 이하의 유전체 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속 미세구조체의 윗면 및 하면에 상기 광전 변환층과 같은 재질의 광투과층이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 미세구조체의 내경 또는 윗면에서 본 내측의 길이가 100㎚ 내지 1.0㎛이고,
상기 금속 미세구조체의 두께가 10㎚ 내지 100㎚이고,
상기 금속 미세구조체의 총 길이가 20㎚ 내지 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 미세구조체의 상단면 및 하단면에 형성된 유전체막을 더 포함하며,
상기 유전체막은 상기 미세구조체의 내측 및 외측면을 피복하는 유전체막과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기재된 반도체 장치. - 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서,
상기 광전 변환층에 상기 금속 미세구조체의 길이 방향의 중간을 가로지르는 p-n 접합을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
복수의 화소가 배열된 촬상 영역과,
상기 복수의 화소의 각각의 상기 광전 변환층에 매입된 복수의 상기 금속 미세구조체를 가지며,
고체 촬상 장치로서 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 복수의 화소가, 적화소, 녹화소 및 청화소로 형성되고,
상기 녹화소에서의 상기 금속 미세구조체의 직경이 상기 적화소에서의 상기 금속 미세구조체의 직경보다 작고,
상기 청화소에서의 상기 금속 미세구조체의 직경이 상기 녹화소에서의 상기 금속 미세구조체의 직경보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 8항에 있어서,
상기 촬상 영역상에 마련된 컬러 필터를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,
p-n 접합을 갖는 상기 광전 변환층과,
상기 광전 변환층 내에 상기 p-n 접합을 관통하여 매입된 상기 금속 미세구조체를 가지며,
태양전지로서 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치. - 광학 렌즈와,
고체 촬상 장치로서 구성된 제 7항 내지 제 9항중 어느 한 항에 기재된 반도체 장치와,
상기 반도체 장치에 의해 출력되는 신호를 처리하는 신호 처리 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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