WO2015049981A1 - 光電変換装置 - Google Patents

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WO2015049981A1
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photoelectric conversion
pattern
conversion device
film
light
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PCT/JP2014/074436
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English (en)
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瀧本　貴博
夏秋　和弘
雅代 内田
信義 粟屋
数也 石原
貴司 中野
満 名倉
Original Assignee
シャープ株式会社
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
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    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion device such as a color sensor.
  • chromatic adaptation For example, if you enter a room with an incandescent lamp that appears yellowish due to a low color temperature, the white wall of the room will initially appear yellowish, but after a while, Walls that looked colored look white. Thus, since human vision has a characteristic of chromatic adaptation, if the color of the room illumination is different, even if the television displays the same image, the image looks different.
  • a color sensor for detecting the color temperature of the room can be automatically controlled to detect the color temperature of the room and automatically control the color of the image so as to correspond to the color adaptation of the eyes. Installation is progressing.
  • the ambient lighting changes from moment to moment depending on the viewing location, so the color temperature is automatically adjusted like a color sensor. Sensors that detect the inequality are becoming more important.
  • This color sensor is configured by separately sensing the R (red), G (green), and B (blue) spectra that are the three primary colors in the visible light region from the ambient light. (Hereinafter, the color sensor is referred to as an RGB sensor.)
  • RGB sensor a plurality of photoelectric conversion elements are used to sense ambient light, and a device that becomes the photoelectric conversion elements is generally constituted by a photodiode.
  • the photodiode itself cannot identify the color and can only detect the intensity of light (light quantity). Therefore, when converting an image into an electrical signal, in order to identify the color, a color filter is put on each photodiode, and R (red), G (green), B, which are the three primary colors of light at each photodiode.
  • a color signal is acquired from the photodiode by detecting the amount of (blue) light.
  • RGB sensors in order to divide ambient light into R (red), G (green), and B (blue) light of the three primary colors, only specific wavelengths are transmitted by light shielding or light interference by absorption of metal materials. Or the method of using the color filter to reflect is common.
  • a metal thin film is subjected to nano-scale microfabrication to form a periodic structure, and light is incident on this structure. Proposed to use an abnormal transmission phenomenon of light due to excited surface plasmon resonance.
  • the wavelength selective filter using the surface plasmon resonance (hereinafter referred to as plasmonic filter) is described in detail in Patent Document 1.
  • plasmonic filter The wavelength selective filter using the surface plasmon resonance
  • FIG. 9 a thin metal film 501 having a thickness of about 50 to 200 nm is formed, and this metal film 501 has a period determined for each transmission wavelength.
  • FIG. 9 A spectral waveform that is transmitted when light enters the optical filter layer 500 is shown in FIG.
  • the conductive material film and the dielectric film have a single structure (uniformity of physical properties such as material and refractive index, uniformity of hole period and shape), and the dielectric film has non-dispersive optical characteristics. Is desirable.
  • the conductive material film is a single conductor, has a reflectance of 70% or more in an arbitrary wavelength band, and is made of a metal element that is solid at room temperature, and an alloy or oxide thereof ( (Refer nonpatent literature 1).
  • the metal material a material selected from the group consisting of aluminum, copper, silver, gold, titanium nitride, zirconium nitride, nickel, cobalt, or an alloy thereof is used.
  • the plasma frequency is lower than that of the above metal, but since it is transparent under visible light, ITO (Sn: In 2 O 3 ), which has a plasma frequency from visible light to near infrared, is a typical In 2 O 3 system.
  • ZnO-based and IGZO-based metal oxide transparent conductive materials such as AZO (Al: ZnO), GZO (Ga: ZnO), BZO (B: ZnO), and IZO (In: ZnO) are also surface plasmonic filters. Used for materials.
  • Non-Patent Document 2 in the case of a filter having a periodic structure of a circular hole array formed with a film thickness of 150 nm using Al as a metal material, B (blue, wavelength 450 nm), G ( In order to transmit light of green (wavelength 550 nm) and R (red, wavelength 650 nm), the inter-hole period a needs to be 260 nm, 340 nm, and 420 nm, respectively. Further, there is a linear relationship between the wavelength ⁇ of the transmitted light and the inter-hole period (lattice constant) a as shown in FIG. However, the inter-hole period a varies depending on the metal material and the surrounding insulating film material.
  • Plasmonic filters 102, 103, and 101 that transmit light of three wavelengths different in R (red), G (green), and B (blue) are arranged as shown in FIG.
  • Each hole is arranged in the plasmonic filter 101 with a uniform inter-hole period P1.
  • the plasmonic filter 102 has a uniform inter-hole period P2
  • the plasmonic filter 103 has a uniform inter-hole period.
  • Each hole is arranged at P3.
  • the transmission spectral waveform with good wavelength selectivity can be obtained because only the period between holes through which light of each color is transmitted.
  • the interval a between the holes constituting the plasmonic filter 101 and the holes constituting the plasmonic filter 102 between the plasmonic filter 101 and the plasmonic filter 102 is equal to the period P1 or The period a is different from P2, and light having a wavelength corresponding to the period a is somewhat transmitted. The same applies to the hole period b between the plasmonic filter 102 and the plasmonic filter 103.
  • Patent Document 3 One of the prior arts for solving this problem is proposed in Patent Document 3.
  • the period a and the period P1 of the plasmonic filter 101 and the period P2 of the plasmonic filter 102 are made as close as possible so that the wavelength of light that is unintentionally transmitted is as close as possible to the desired wavelength. Yes.
  • the period a is defined as 0.75 to 1.25 times (1.00 ⁇ 0.25) each of the periods P1 and P2.
  • an object of the present invention is to provide a photoelectric conversion device that can be arbitrarily arranged without sufficiently restricting the arrangement of optical filters having different periodic structures, and has sufficient wavelength selectivity. It is in.
  • a photoelectric conversion device includes a first photoelectric conversion element, a second photoelectric conversion element, and a first pattern having a plurality of structures periodically, and the first photoelectric conversion element.
  • the photoelectric conversion device of the present invention it is possible to arbitrarily arrange plasmonic filters having different periodic structures without being greatly restricted, and sufficiently ensure wavelength selectivity with high accuracy. be able to.
  • FIG. 1 shows a cross section of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention.
  • first and second photoelectric conversion elements A and B are provided on a P-type silicon semiconductor substrate 1.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B are composed of silicon photodiodes A and B, respectively.
  • the silicon photodiodes A and B are PN junction photodiodes A and B including a P-type silicon semiconductor substrate 1, N-type semiconductor diffusion layers 2 and 2 on the P-type silicon semiconductor substrate 1, and a silicon oxide film 3. It is.
  • the N-type semiconductor diffusion layers 2 and 2 are formed by introducing phosphorus, arsenic or the like onto the P-type silicon semiconductor substrate 1 by a method such as ion implantation and annealing at about 1100 ° C.
  • the PN polarities of the semiconductor substrate 1 and the semiconductor diffusion layer 2 can of course be reversed (that is, the configuration of the P-type semiconductor diffusion layer formed on the N-type silicon semiconductor substrate).
  • a silicon oxide film 3 as an insulating film is formed on the N-type semiconductor diffusion layers 2 and 2 and the P-type silicon semiconductor substrate 1 by a general method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. To do. Then, in order to make contact with the silicon photodiodes A and B, an opening is made in the silicon oxide film 3, and an electrode 4 is formed of Al, AlCu or the like by a method such as sputtering. Thereafter, a silicon oxide film 5 as an insulating film is formed on the silicon oxide film 3 and the electrode 4 by a method such as CVD.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • silicon oxide film 5 After this silicon oxide film 5 is formed, it is sufficiently flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like.
  • First and second metal films as examples of a conductive material film to be described later, which are first and second optical filters formed on the silicon oxide film 5, that is, first and second surface plasmonic filters. Since 6a and 6b require microfabrication of 200 nm or less, the planarization of the silicon oxide film 5 is important.
  • the first and second metal films 6a and 6b as the first and second optical filters are plasmonic filters 6a and 6b, which are examples of a periodic structure that transmits light of a desired wavelength.
  • the first and second metal films 6a and 6b are formed by sputtering Al on the planarized silicon oxide film 5 to a thickness of 150 nm and applying a resist thereon. Openings 11 and 12 that are periodically different are formed by photolithography.
  • Each of the openings 11 and 12 is composed of a plurality of circular holes (through holes) 11 and 12 at a constant period to form an opening pattern.
  • the opening may be a recess instead of a hole (through hole).
  • a silicon oxide film 7 which is a dielectric film functioning as a passivation film is formed on the first and second metal films 6 a and 6 b and the silicon oxide film 5.
  • the silicon oxide film 7 is formed. It is formed by a high density plasma CVD method.
  • the photoelectric conversion elements A and B may be CCD image sensors or CMOS image sensors other than photodiodes.
  • FIG. 2 shows a plan view from above of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the period P1 of the opening 11 of the first metal film 6a and the period P2 of the opening 12 of the second metal film 6b are the same as those of the first and second metal films 6a and 6b serving as the first and second optical filters. It is determined by the refractive index of the metal material and the surrounding dielectric films 7 and 5.
  • the conductive material of the surface plasmonic filter, the surrounding dielectric film, and the periodic structure are determined as the characteristics of the surface plasmonic filter, the wavelength of the transmitted light is uniquely determined in principle.
  • FIG. 3 shows the relationship between the period, the transmission wavelength, and the dielectric material in the opening pattern of the first and second metal films 6a and 6b as the first and second optical filters in FIG. Results are shown in which Al is used for the conductive material film and materials (SiO 2 , Al 2 O 4 , Si 3 N 4 , TiO 2 ) having different refractive indexes are used for the dielectric film. If the period of the aperture pattern is lengthened, the maximum transmission wavelength becomes longer due to the linear relationship.
  • FIG. 4 shows the relationship between the maximum transmission wavelength obtained from FIG. 3 and the refractive index of the dielectric film. It can be seen that, at the same maximum transmission wavelength, the pattern period decreases as the refractive index of the dielectric film increases. That is, when the refractive index of a dielectric film becomes high, it shows that the space
  • FIG. 5 shows the wavelength dependence of the refractive index of the dielectric material.
  • the dielectric material shown in FIG. 5 is an example of a material assumed as a material of the dielectric film of the surface plasmonic filter, and is a substantially non-dispersed material in the illustrated wavelength region. From this, it can be seen that the refractive index of the dielectric film of the surface plasmonic filter is in the range of 1.0 to 3.0.
  • silicon photodiodes A and B are used as the photoelectric conversion elements A and B, and attention is paid to the fact that, due to the physical properties of silicon, only light up to about 1200 nm can be absorbed.
  • the wavelength of light transmitted by the period a between the holes 11 and 12 at the boundary between the metal film 6a and the second metal film 6b is set to a dimension that is 1200 nm or more. Specifically, the distance a between the first pattern of the opening 11 of the first optical filter 6 a and the second pattern of the opening 12 of the second optical filter 6 b, that is, the distance a between the hole 11 and the hole 12.
  • the silicon photodiodes A and B are formed.
  • the photoelectric conversion elements A and B cannot be detected, and for example, the color temperature does not shift.
  • the holes 11 and 12 need only be separated from each other by about 600 nm or more. Therefore, the first and second optical elements having different periodic structures 11 and 12 are used. Arranging the filters, that is, the surface plasmonic filters 6a and 6b, can be arbitrarily arranged without being greatly restricted.
  • the photoelectric conversion device of the second embodiment is different only in the material of the photoelectric conversion element and the first and second optical filters, that is, the conductive materials of the first and second metal films. Therefore, FIG. 2 of 1st Embodiment is used for description of this 2nd Embodiment.
  • the silicon photodiodes A and B are used for the photoelectric conversion elements A and B, but other materials can naturally be used.
  • the maximum wavelength ⁇ max of light that can be absorbed by each material and the period between holes that do not transmit the light differ depending on the physical properties (band gap) of each material shown in Table 1 below. ).
  • the period a between the holes 11 and 12 at the boundary may be arranged with a separation of 600 nm or more.
  • Ge having a narrow band gap has a maximum transmission wavelength as long as 1770 nm. Must be spaced apart by 1350 nm or more.
  • GaAs and GaN having a wide band gap can bring the period a between the holes 11 and 12 at the boundary portion close to 400 nm and 80 nm, respectively.
  • GaAs is used for the photoelectric conversion element as another material
  • GaAs is a group III-V semiconductor
  • an N-type semiconductor layer is formed by adding hexavalent selenium or the like to GaAs
  • a P-type semiconductor is formed of GaAs.
  • a divalent zinc or the like is added to form a GaAs PN junction to form a photoelectric conversion layer.
  • the period a between the holes 11 and 12 at the boundary is preferably about 400 nm.
  • the optical filter of the second embodiment that is, the conductive material of the surface plasmonic filters 6a and 6b is selected from the group consisting of aluminum, copper, silver, gold, titanium nitride, zirconium nitride, nickel, cobalt, or alloys thereof.
  • ITO Sn: In 2 O 3
  • AZO Al: ZnO
  • GZO Ga: ZnO
  • BZO B: ZnO
  • IZO In: ZnO
  • GZO Ga: ZnO
  • BZO B: ZnO
  • IZO In: ZnO
  • the material of the plasmonic filter is Al
  • the dielectric film around the pattern of the optical filter is a silicon oxide film, and the circular hole array is specifically described.
  • the filter material can be Au, Ag, Cu or other metals other than Al, and there is no problem with other materials such as a silicon nitride film as the dielectric film.
  • FIG. 1 and FIG. 2 of the first embodiment are used except for the difference in materials and dimensions.
  • the disadvantage of the Al-based material is that the plasmon resonance effect with light having a long wavelength of several um is weak.
  • the effect of surface plasmon resonance is greatly influenced by the dielectric function of the metal material used for the optical filter (the complex dielectric function for metal).
  • the absolute value of the real part of the dielectric function is large and the absolute value of the imaginary part of the dielectric function is small.
  • the absolute value of the imaginary part of the dielectric function is important.
  • the dielectric functions of Al and Au are shown in FIGS. 6 and 7, the absolute value of the imaginary part of the dielectric function in the long wavelength region of several um is larger for Al-based materials than Au, Ag, Cu, etc. I understand. It has been found that when the absolute value of the imaginary part of the dielectric function is large, the surface plasmon resonance effect does not easily occur. In a long wavelength region of about several um, it is preferable to use Au or Ag rather than an Al-based material.
  • the interval between the adjacent independent plasmonic filters 6a and 6b is formed below the wavelength of light transmitted through the plasmonic filters 6a and 6b formed of Au. The same effects as those of the first embodiment of the present invention can be obtained by arranging at intervals of wavelengths that cannot be absorbed by the materials of the photoelectric conversion elements A and B.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion device of the fourth embodiment.
  • the same components as those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and different components are described below.
  • the second photoelectric conversion element B and the second metal film 6b shown in FIG. 1 are not shown, but in FIG. 8, these are the first photoelectric conversion element A and the first metal film 6a. It is arranged in the depth direction of the paper.
  • a circuit unit 50 is provided on a P-type silicon semiconductor substrate 1 to perform signal processing on the outputs from the first and second photoelectric conversion elements A and B to determine the color of ambient light, for example.
  • the wiring layer 51 is electrically connected to the circuit unit 50.
  • the circuit unit 50 includes an electrostatic protection element 50a.
  • a shield metal portion 52 is provided in the same layer as the first metal film 6a.
  • the circuit portion 50 and a region between the circuit portion 50 and the first photoelectric conversion element A are provided. And covering. This prevents stray light from entering the first and second photoelectric conversion elements A and B and the circuit unit 50, prevents the generation of false signals, prevents malfunctions, and improves durability. ing.
  • the plasmonic filter 6a made of the first metal film 6a and the shield metal portion 52 are continuously reduced in the amount of deposits generated during etching.
  • the plasmonic filter 6a and the shield metal portion 52 are not continuous and may be separated.
  • first and second metal films 6a and 6b and the shield metal portion 52 are grounded via a wiring (not shown) and are at a ground potential.
  • the first and second metal films 6a and 6b and the shield metal portion 52 have a shielding effect against electrical noise as well as light blocking.
  • the electrical noise can escape to the grounded potential, so the first and second metals
  • the electrical noise does not adversely affect the films 6a and 6b and the circuit part 50 and the electrostatic protection element 50a below the shield metal part 52. That is, the shield metal portion 52 functions as an optical shield that prevents light from entering, and an electrical shield that protects the circuit portion 50 and the like from electrical noise.
  • the periodic structure provided in the first and second metal films 6a and 6b as the optical filter is an array of circular holes 11 and 12, but the array of circular holes
  • the surface plasmon resonance phenomenon can occur even in the structure of an array of holes such as a rectangle and a triangle, the structure of lines and spaces, and the convex periodic structure using localized plasmons.
  • the periodic structure of adjacent optical filters should be arranged in consideration of the physical properties ( ⁇ max) of the photoelectric conversion element used according to each parameter. Need to optimize.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B are provided on the semiconductor substrate 1. However, the first and second photoelectric conversion elements A and B, the first and the second photoelectric conversion elements are provided.
  • a third photoelectric conversion element (not shown) and a third metal film as a third optical filter are provided above the third photoelectric conversion element via an insulating film. , R (red), G (green), B (blue) light of three primary colors or complementary light of the three primary colors are transmitted through the first, second and third optical filters, and the three primary colors of light or the above The light of complementary colors of the three primary colors may be detected.
  • FIG. 14 is a plan view of a photoelectric conversion device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the periodic structure of the fifth embodiment is not a round hole array structure described in the first to fourth embodiments so far but a slit structure.
  • the photoelectric conversion device includes a first metal film 301 that is a conductive material film as a first optical filter, and a conductive material as a second optical filter.
  • a second metal film 302, which is a film, is disposed adjacent to each other, and an insulating layer (not shown) is sandwiched between the first and second metal films 301, 302, and a third material film, which is a conductive material film.
  • a metal film 400 is provided.
  • FIG. 1 Since the structure below the third metal film 400 is the same structure as the structure of the silicon nitride film 5 and the like of the first embodiment shown in FIG. 1, FIG. 1 is used for these structures. Detailed explanation is omitted.
  • a plurality of slits 311, 311, 311... As an example of a plurality of openings for forming a first pattern are provided in the first metal film 301 as the first optical filter. .
  • the plurality of slits 311, 311, 311... Are arranged in the horizontal direction at a constant interval, that is, a constant period (pitch) P1, and have a width S1. Further, the lattices 312, 312, 312,... On both sides of the slit 311 also have a constant period (pitch) P1 and a width G1.
  • the second metal film 302 as the second optical filter is provided with a plurality of 321, 321, 321... As an example of a plurality of openings for forming the second pattern.
  • the plurality of slits 321, 321, 321... are arranged in the horizontal direction at a constant interval, that is, a constant period (pitch) P2, and have a width S2.
  • the gratings 322, 322, 322... On both sides of the slit 321 also have a constant period (pitch) P2 and a width G2.
  • the first and second metal films 301 and 302 as the first and second optical filters are plasmonic filters.
  • the distance between the slit 311a at the right end of the first metal film 301 as the first optical filter and the slit 321a at the left end of the second metal film 302 as the second optical filter is longer than the periods P1 and P2, and the wavelength of the light transmitted by surface plasmon resonance by the slits 311a and 321a at the boundary is the silicon shown in FIG. A wavelength that cannot be detected by the photoelectric conversion elements A and B including the photodiodes A and B is prevented from being shifted in color temperature.
  • the third metal film 400 provided below the first and second metal films 301 and 302 via an insulating layer has a rectangular outer periphery having two rectangular openings.
  • the first metal film 301 has a contour, and all the regions of the slits 311a and 311a at both ends of the first metal film 301, all the regions of the slits 321a and 321a at both ends of the second metal film 301, and the first metal film A region between the first metal film 301 and the second metal film 302, and both longitudinal ends 311b, 321b,... Of the plurality of slits 311, 321 other than the both ends of the first and second metal films 301, 302 are formed. Covering. That is, the third metal film 400 covers portions of the first and second metal films 301 and 302 that are located on the outermost periphery of the plurality of slits 311, 321,.
  • the third metal film 400 covers the portions of the first and second metal films 301 and 302 that are located on the outermost periphery of the plurality of slits 311, 321,. Transmission from both longitudinal ends 311b, 321b, etc. of slits 311a, 321a and slits 311, 321, etc. at both ends, which are likely to be non-uniform due to the influence of interference light from the opening and the microloading effect during etching. Light can be blocked by the third metal film 400, and a plasmonic filter having a desired wavelength selectivity can be formed even with a slit structure.
  • the photoelectric conversion device of the fifth embodiment it is possible to prevent abnormal transmission of light having a wavelength that is not originally transmitted, and to reduce the half width of the spectral waveform.
  • first and second metal films 301 and 302 are grounded by a wiring (not shown) and are set to the ground potential.
  • the potentials of the first and second metal films 301 and 302 constituting the plasmonic filter region are stabilized. Electron behavior is stable and wavelength selectivity is improved. If the potentials of the first and second metal films 301 and 302 in the plasmonic filter region fluctuate, wavelength selectivity is adversely affected.
  • the wavelength selection effect due to the plasmonic effect is first to first. Observed in the same manner as in the fourth embodiment.
  • FIG. 15 shows a slit-type MIM (Metal-Insulator-Metal) structure, specifically, an Al film having a thickness of 40 nm, an insulating film having a thickness of 100 nm, and an Al film having a thickness of 40 nm, and the slit width S is fixed to 100 nm.
  • MIM Metal-Insulator-Metal
  • FIG. 15 shows that the wavelength of the maximum transmitted light is different by changing the pitch P by changing the width G of the grating even with the same slit width S (100 nm). Even if this is a plasmonic filter using the same metal material or insulating material, when a plurality of plasmonic filters are arranged adjacent to each other, the slits of both plasmonic filters do not interfere with each other. This means that the distance a between them (see FIG. 14) changes.
  • the photoelectric conversion device mainly uses a silicon material generally used in a semiconductor, and is a photoelectric conversion for converting incident light into an electric signal by lithography or ion implantation, which is a normal technique.
  • the element is formed on a silicon substrate, and after an SiO 2 interlayer film is formed, it is sufficiently planarized by a method such as CMP.
  • a filter film a 40 nm thick film made of Al having a structure shown in Non-Patent Document 3 (NATURE COMMUNICATIONS
  • the refractive index n is 2.
  • the slit width G is 100 nm, 150 nm, and 200 nm for the RGB sensor (since the slit width S is common to 100 nm at the pitch P, the slit width S is common to 200 nm, 250 nm, and 300 nm).
  • Green (G), and red (R) filters can be formed.
  • these plasmonic filters are arranged adjacent to each other, by disposing them at least 450 nm which is a filter pitch that transmits light having a wavelength of 1100 nm which is the maximum wavelength ⁇ max of light that can be absorbed by silicon, Like the round hole hole array filter already described, silicon absorbs at the adjacent boundary and does not transmit excess light that becomes noise, and transmits any wavelength with excellent color separation. Color filters can be placed adjacent to each other.
  • the slit-type filter having a laminated structure of Al, SiN, and Al has been described.
  • the pitch of transmitting the desired light determined by each material and the planar periodic structure changes, but a plurality of different periods apart from the pitch at which the light having the maximum transmission wavelength of the adopted photoelectric conversion material is transmitted.
  • the structure is to place a filter.
  • the photoelectric conversion device of the present invention is A first photoelectric conversion element A; A second photoelectric conversion element B; A first optical filter 6a having a first pattern having a plurality of structures 11 and 311 periodically and made of a conductive material film disposed on the first photoelectric conversion element A with an insulating film 5 interposed therebetween. , 301 and A second optical filter 6b having a second pattern having a plurality of structures 12 and 321 periodically and made of a conductive material film disposed on the second photoelectric conversion element B with an insulating film 5 interposed therebetween. , 302,
  • the interval a between the first pattern and the second pattern adjacent to each other is as follows. It is characterized by being longer than the period P1 of the structures 11 and 311 of the first pattern and the period P2 of the structures 12 and 321 of the second pattern.
  • the distance a between the first pattern and the second pattern has no particular upper limit, and there is no problem even if it is long, but light in a wavelength range that can be absorbed by at least one of the two photoelectric conversion elements A and B. Then, it is desirable to set the minimum value of the interval that does not transmit substantially and that satisfies the above condition from the viewpoint of integration.
  • the above dimensions vary depending on the refractive index of the dielectric, but if the refractive index of the dielectric is assumed to be 1.0 to 3.0 as shown in FIG. 4, the interval a is in the range of about 600 to 5000 nm.
  • the distance between the first pattern of the structures 11 and 311 of the first optical filter 6a and the second pattern of the structures 12 and 321 of the second optical filter 6b Since a is longer than the period P1 of the structures 11 and 311 of the first pattern and the period P2 of the structures 12 and 321 of the second pattern, at least of the first and second photoelectric conversion elements A and B Light within a wavelength range that can be absorbed by one side is transmitted by surface plasmon resonance between the structures 11 and 311 of the first optical filters 6a and 301 and the structures 12 and 321 of the second optical filters 6b and 302.
  • the light within the wavelength range that transmits the boundary between the first optical filters 6a and 301 and the second optical filters 6b and 302 is absorbed by the first and second photoelectric conversion elements A and B. Without being detected by the first and second photoelectric conversion elements A and B, the sensor characteristics are not affected.
  • the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302 that is, the first and second plasmonic filters 6a, 301, 6b, and 302 are arbitrarily selected while transmitting light. Also, the wavelength selectivity with high accuracy is not affected by the light having the wavelength transmitted at the period between the structures 11, 311, 12, and 321 generated at the boundary portions of the adjacent plasmonic filters 6a, 301, 6b, and 302. Can be secured.
  • the interval between the periodic structures 11, 311, 12, and 321 at the boundary is set to a plurality of photoelectric conversion elements A and B.
  • a photoelectric conversion device equipped with the monic filters 6a, 301, 6b, and 302 can be obtained.
  • the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302 having different periodic structures 11, 311, 12, and 321 are not subject to great restrictions and can be arbitrarily set. Can be placed.
  • the materials of the first and second photoelectric conversion elements A and B may be the same or different, but are preferably the same in manufacturing.
  • the materials of the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302 may be the same or different, but are preferably the same for manufacturing.
  • the photoelectric conversion device includes the first and second photoelectric conversion elements A and B, and the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302. As long as the first and second photoelectric conversion elements A and B and the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302 are provided, the third photoelectric conversion element and the third optical filter are provided. Of course, it is included in the technical scope of the present invention.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B include at least silicon and the silicon oxide film 3.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B include silicon and silicon oxide film 3 which are materials often used in semiconductor devices, so that they can be handled in a normal semiconductor process. It has an advantage that it can be easily applied to an RGB sensor including visible light (380 nm to 750 nm).
  • the conductive material films of the first and second optical filters 6a, 301, 6b, and 302 are made of Al or an Al alloy (AlCu, AlSi, or the like).
  • the first and second optical filters 6a, 301, 6b, 302 are made of Al or an Al alloy, surface plasmon resonance occurs at a short wavelength of about 400 nm, and the present invention is applied to an RGB sensor. Is possible.
  • the Al or Al alloy is a material used in a normal semiconductor process, it is advantageous in terms of process integration, is inexpensive, has a simple manufacturing process, and has each wavelength. Corresponding plasmonic filters can be formed together.
  • One embodiment further includes: A third photoelectric conversion element; A third optical filter having a third pattern periodically having a plurality of structures and made of a conductive material film disposed on the third photoelectric conversion element via an insulating film; The first, second and third optical filters transmit light of three primary colors of light or complementary colors of the three primary colors.
  • an RGB sensor can be formed.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B and the circuit unit 50 that performs signal processing on the outputs from the first and second photoelectric conversion elements A and B are formed on the same substrate 1.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B and the circuit unit 50 are formed on the same substrate 1 and integrated, it is possible to reduce noise and size. It is.
  • a shield metal portion 52 is provided in the same layer as the first optical filter 6a and the second optical filter 6b.
  • the shield metal portion 52 includes the circuit portion 50, the circuit portion 50, and the first photoelectric conversion element. It covers the area between A.
  • the shield metal portion 52 is provided in the same layer as the first optical filter 6a, and the shield metal portion 52 includes the circuit portion 50, the circuit portion 50, and the first photoelectric conversion element. Since it covers the area between and A, stray light can be prevented from entering the first photoelectric conversion element A and the circuit unit 50, thereby preventing generation of false signals, preventing malfunction, and ensuring durability. Can be improved.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B include at least silicon and a silicon oxide film 3.
  • the conductive material films of the first and second optical filters 6a and 6b are made of Al or an Al alloy (AlCu, AlSi, etc.)
  • the structures 11 and 12 of the first and second patterns are circular openings 11 and 12, An interval a between the first pattern and the second pattern is at least 600 nm.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B include at least silicon and the silicon oxide film 3, and an interval a between the first pattern and the second pattern is at least 600 nm. is there.
  • the light absorption wavelength of silicon is about 300 to 1200 nm.
  • the first optical filter Light within a wavelength range that is transmitted by surface plasmon resonance between the circular opening 11 of the filter 6a and the circular opening 12 of the second optical filter 12 has a light absorption wavelength of about 300 to 1200 nm and silicon. Since it is not absorbed by the first and second photoelectric conversion elements including the silicon oxide film and is not detected by the first and second photoelectric conversion elements A and B, the sensor characteristics are not affected.
  • the first and second optical filters 6a and 6b that is, the first and second plasmonic filters 6a and 6b can arbitrarily select the wavelength of the transmitted light.
  • the wavelength selectivity with high accuracy can be ensured without being affected by the light having the wavelength transmitted in the period a between the openings 11 and 12 generated at the boundary between the adjacent plasmonic filters 6a and 6b.
  • the first and second photoelectric conversion elements A and B include at least silicon and the silicon oxide film 3, they can be easily handled in a normal semiconductor process, and visible light ( 380 nm to 750 nm), and the first and second optical filters 6a and 6b are made of Al or Al alloy (AlCu, AlSi, etc.), which is advantageous in terms of process integration.
  • the cost is low, the manufacturing process is simple, and the optical filters 6a and 6b corresponding to the respective wavelengths can be formed collectively.
  • the structures of the first and second patterns are slits 311 and 321.
  • a wavelength selection effect by the plasmonic effect can be obtained by selecting appropriate periods (pitch) P1, P2 and slit widths S1, S2.
  • the first and second optical filters 6a, 301, 6b, 302 are grounded.
  • the first and second optical filters 6a, 301, 6b, 302 are grounded, and the first and second optical filters 6a, 301, 6b, 302 constituting the plasmonic filter region.
  • the potential of the is stable, the behavior of the electrons is stable, and the wavelength selectivity is good. If the potentials of the first and second optical filters 6a, 301, 6b, 302 constituting the plasmonic filter region fluctuate, the wavelength selectivity is adversely affected.
  • a conductive material film 400 is provided to cover portions located on the outermost periphery of the plurality of slits 311 and 321 of the first and second patterns.
  • the conductive material film 400 covers the portion located on the outermost periphery of the plurality of slits 311 and 321 of the first and second patterns, the interference light from the adjacent opening at the time of exposure Are transmitted through the longitudinal end portions 311b, 321b of the slits 311a, 321a and the slits 311, 321,... Therefore, a plasmonic filter having a desired wavelength selectivity can be formed even with a slit structure.

Abstract

　光電変換装置は、複数の構造（１１）を周期的に有する第１のパターンを有すると共に、第１の光電変換素子（Ａ）の上に絶縁膜（５）を介して配置された導電材料膜からなる第１の光学フィルタ（６ａ）と、複数の構造（１２）を周期的に有する第２のパターンを有すると共に、第２の光電変換素子（Ｂ）の上に絶縁膜（５）を介して配置された導電材料膜からなる第１の光学フィルタ（６ｂ）とを有する。互いに隣接する上記第１のパターンと第２のパターンとの間隔（ａ）は、第１のパターンの構造（１１）の周期（Ｐ１）および第２のパターンの構造（１２）の周期（Ｐ２）よりも長い。

Description

光電変換装置
　本発明は、カラーセンサ等の光電変換装置に関する。
　人の目は部屋の照明の色温度が異なっても、色の変化をあまり感じないようになっており、一般的にこの特性は色順応と呼ばれている。例えば、色温度が高いため青っぽく見える蛍光灯照明の部屋から、色温度が低いため黄色っぽく見える白熱灯照明の部屋に入ると、部屋の白い壁が最初は黄色っぽく見えるが、しばらく経つと、黄色っぽく見えていた壁が白く見えるようになる。このように人間の視覚に色順応という特性があるために、部屋の照明の色が異なると、テレビが同じ画像を表示していても、その画像は異なった色に見えることになる。
　近年、液晶テレビの高画質化に伴い、部屋の照明の種類によって画像の色味を微調整することにより、部屋の照明の色温度が変化しても、自然な画像に見えるようにする機能に対する要望が高まってきている。そのため、部屋の色温度を検出して、目の色順応に対応するように画像の色味を自動的にコントロールすることができるように、部屋の色温度を検出するカラーセンサの液晶テレビへの搭載が進んでいる。また、スマートフォンやタブレットＰＣ（パソコン）等のように持ち運びが可能な機器に搭載される液晶画面の場合、周囲の照明が視聴場所によって刻々と変化するため、カラーセンサのように自動的に色温度を検出するセンサはより重要となっている。
　このカラーセンサは、環境光から可視光領域における三原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の分光を別々センシングすることにより構成される。（以下、カラーセンサをＲＧＢセンサと言う。）
　このＲＧＢセンサでは、環境光をセンシングするために、複数の光電変換素子が用いられ、この光電変換素子となるデバイスは一般にフォトダイオードにより構成されている。このフォトダイオード自体は色を識別することができず、光の強さ（光量）しか検出することができない。そこで、画像を電気信号に変換する場合、色を識別するために、各フォトダイオード上にカラーフィルタを被せて、各フォトダイオードで光の３原色であるＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光の光量を検出することで、フォトダイオードから色信号を取得する。
　従来、ＲＧＢセンサにおいては、環境光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の光に分けるために、金属材料の吸収による遮光もしくは光の干渉により特定の波長のみを透過または反射させるカラーフィルタを用いる方法が一般的である。
　一方、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等、被写体を２次元固体撮像素子から成る光電変換素子にて撮影して画像化する２次元固体撮像装置も増加してきている。そして、現在主流の固体撮像素子であるＣＣＤ（電荷結合素子：Charge Coupled Device）撮像素子やＣＭＯＳ(相補形金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子の各画素上にもオンチップフィルタとしてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタが搭載され、これらカラーフィルタでは除去できない赤外光を除去するため、パッケージに赤外カットフィルタが搭載されている。
　しかしながら、上記従来のＲＧＢセンサにおいては、ＲＧＢの三原色の光を振り分けるカラーフィルタを形成するために、３種類のフォトマスクが必要であり、この３種類のフォトマスクが必要であることが、製造工程において時間とコストを引き上げる要因となっている。
　これらの時間とコストを引き下げるために、上述のカラーフィルタに代わる光波長選択性フィルタとして、金属薄膜にナノスケールの微細加工を施して周期的な構造を形成し、この構造に光りを入射することによって、励起される表面プラズモン共鳴による光の異常透過現象を用いることが提案されている。
　この表面プラズモン共鳴を用いた波長選択性フィルタ（以下、プラズモニックフィルタと記載）については、特許文献１に詳しく説明されている。この異常透過現象を発生させる手段として様々な方法があるが、例えば、図９に示すように、５０～２００ｎｍ程度の薄い金属膜５０１を形成し、この金属膜５０１に透過波長ごとに決まった周期で微細なホールアレイ５０２，５０２，５０２，…をパターニングして、光学フィルタ層５００を形成する方法がある。この光学フィルタ層５００に光が入射した時に透過する分光波形が図１０に示されている。但し、表面プラズモン共鳴は、ある導電材料膜と誘電体膜との界面で生じる表面プラズモンと、入射光により生じる近接場光との共鳴で生じるため、表面プラズモン共鳴を効率よく発生させるためには、導電材料膜や誘電体膜は単一構造（材料、屈折率などの物性の均一性、ホール周期や形状の均一性）とすることが望ましく、誘電体膜は、無分散な光学特性であることが望ましい。上記導電材料膜とは、単体で導体であり、任意の波長帯域で７０％以上の反射率を有し、常温では固体である金属元素からなるもの、および、それらの合金または酸化物を指す（非特許文献１を参照）。
　例えば、金属材料としては、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルト、または、これらの合金からなる群から選択される材料が用いられている。
　特に、アルミニウムと、アルミニウムと銅との合金は、
　（i）プラズマ周波数が紫外線波長であるために、可視光よりも長い波長領域で共鳴現象が生じる
　（ii）通常の半導体プロセスで使用される材料であり、プロセスインテグレーションの点でも特殊な装置や材料が不要である
　（iii）材料が安価である
　（iv）作製プロセスが単純であり、それぞれの波長に対応した光学フィルタを一括して形成可能である
等の利点があり、採用される場合が多い。
　また、上記金属よりもプラズマ周波数が低いが、可視光下で透明なことから、可視光～近赤外線にプラズマ周波数をもつ、ＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）が代表的なＩｎ２Ｏ３系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)が代表的なＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料も、表面プラズモニックフィルタの材料に用いられる。
　上記のようなプラズモニックフィルタを用いたＲＧＢセンサを形成するためには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色を透過させるように設計した周期的な構造を互いに隣接して配置する必要がある。
　非特許文献２によれば、金属材料としてＡｌを使用して膜厚１５０ｎｍで形成した円形ホールアレイの周期構造を有するフィルタの場合、図１１に示すようにＢ（青、波長４５０ｎｍ）、Ｇ（緑、波長５５０ｎｍ）、Ｒ（赤、波長６５０ｎｍ）の光を透過させるには、ホール間周期ａをそれぞれ２６０ｎｍ、３４０ｎｍ、４２０ｎｍとする必要がある。また、透過させる光の波長λとホール間周期（格子定数）ａには図１２に示す通り線形の関係がある。但し、上記ホール間周期ａは、金属材料やその周辺の絶縁膜材料により変化する。
　また、ＣＣＤ撮像素子等の高画素数化に伴い、各画素サイズは小さくなり、隣接する画素までの距離も小さくなるが、特許文献２に記載の通り、各領域別に所望の波長の光が透過するように異なる周期のフィルタを分離して形成しなければならない。もし、それらのフィルタを重ねて配置すると、複数種類の波長の光が透過して波長選択性が低下することや、ある波長での透過率が低下すること等の問題が生じる。
　また、それらのフィルタを分離して配置しても、その距離を適正にしなければ以下の問題が生じる。図１３に配置の一例を示して説明する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる３波長の光を透過するプラズモニックフィルタ１０２，１０３，１０１を図１３に示すように配置する。プラズモニックフィルタ１０１の中は均一なホール間周期Ｐ１で各ホールが配置されており、同様にプラズモニックフィルタ１０２の中は均一なホール間周期Ｐ２、プラズモニックフィルタ１０３の中は均一なホール間周期Ｐ３で各ホールが配置されている。
　これらのプラズモニックフィルタ１０１，１０２，１０３が単独で存在する場合には、各色の光が透過するホール間周期のみとなっているため、波長選択性のよい透過分光波形が得られる。しかし、図１３のように配置した場合、プラズモニックフィルタ１０１とプラズモニックフィルタ１０２の間において、プラズモニックフィルタ１０１を構成するホールとプラズモニックフィルタ１０２を構成するホールとの間隔ａが上記周期Ｐ１やＰ２と異なる周期ａとなっており、この周期ａに対応する波長の光が多少透過してしまうことになる。プラズモニックフィルタ１０２とプラズモニックフィルタ１０３との間におけるホールの周期ｂについても同様である。
　この課題を解決する先行技術の一つが特許文献３に提案されている。この特許文献３では、できるだけ周期ａとプラズモニックフィルタ１０１の周期Ｐ１やプラズモニックフィルタ１０２の周期Ｐ２とを近くして、意図せず透過してしまう光の波長を所望の波長と近づけるようにしている。具体的には、周期ａを周期Ｐ１、Ｐ２のそれぞれ０．７５～１．２５倍（１．００±０．２５）と規定されている。
特許第３００８９３１号公報 特開２００７－１８７８３５号公報 特開２０１０－１７００８５号公報
Alexandra Boltasseva et al., Sience, Vol.331, No.6015, pp.290-291 (21 January 2011) Naoki Ikeda et al., IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E95-C  No.2, pp.251-254 (2012) NATURE COMMUNICATIONS | DOI：10.1038/ncomms1058
　しかしながら、特許文献３の場合、例えば、Ｐ２＞Ｐ１と仮定して、Ｐ１およびＰ２の寸法が下記の（式１）で示す周期ａの存在条件を満たす範囲に限定されてしまうという問題がある。
（式１）　　Ｐ２×０．７５　＜　周期ａ　＜　Ｐ１×１．２５
　例えば、プラズモニック１０１の周期Ｐ１に対して、隣接するプラズモニックフィルタ１０２の周期としてＰ１の２倍は、上記（式１）を満たさないため、設定できないことになる。プラズモニックフィルタはマスクパターンを任意に変えることで、ＲＧＢ以外の波長も含めて何種類ものプラズモニックフィルタを同時に一つの金属薄膜上に形成できることが大きなメリットであるのに、上記のように配置、つまり、周期に大きな制約を受けることは上記メリットを半減させる。
　そこで、本発明の課題は、異なる周期構造を有する光学フィルタを配置するのに大きな制約を受けることがなくて、任意に配置でき、かつ、波長選択性を十分確保した光電変換装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の光電変換装置は、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、複数の構造を周期的に有する第１のパターンを有すると共に、上記第１の光電変換素子の上に絶縁膜を介して配置された導電材料膜からなる第１の光学フィルタと、複数の構造を周期的に有する第２のパターンを有すると共に、上記第２の光電変換素子の上に絶縁膜を介して配置された導電材料膜からなる第２の光学フィルタとを備え、互いに隣接する上記第１のパターンと第２のパターンとの間隔は、上記第１のパターンの構造の周期および上記第２のパターンの構造の周期よりも長いことを特徴としている。
　本発明の光電変換装置によれば、異なる周期構造を有するプラズモニックフィルタを配置するのに大きな制約を受けることがなくて、任意に配置でき、かつ、精度の高い波長選択性を十分に確保することができる。
本発明の第１実施形態の断面図である。 本発明の第１実施形態の平面図である。 表面プラズモニックフィルタの開口パターン周期と最大透過波長を示すグラフである。 表面プラズモニックフィルタの開口パターン周期と最大透過波長を示すグラフである。 誘電体材料の屈折率の波長依存性を示すグラフである。 Ａｌの誘電関数を示す図である。 Ａｕの誘電関数を示す図である。 本発明の第４実施形態の断面図である。 特許文献１の実施形態を示す図である。 特許文献１の透過分光波形を示す図である。 非特許文献１の波長選択性を示す図である。 非特許文献１の透過波長とホール間周期の関係を示す図である。 ＲＧＢセンサとして配置されたプラズモニックフィルタの例を示す図である。 本発明の第５実施形態の平面図である。 本発明の第５実施形態のスリット構造における格子幅と最大透過波長との関係を示すグラフである。
　以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
　（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態による光電変換装置について図１および図２を用いて具体的に説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態による光電変換装置の断面を示している。この光電変換装置は、Ｐ型シリコン半導体基板１に、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂを設けている。この第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、それぞれ、シリコンフォトダイオードＡ，Ｂからなる。このシリコンフォトダイオードＡ，Ｂは、Ｐ型シリコン半導体基板１と、そのＰ型シリコン半導体基板１上のＮ型半導体拡散層２，２と、シリコン酸化膜３とからなるＰＮ接合フォトダイオードＡ，Ｂである。このＮ型半導体拡散層２，２は、Ｐ型シリコン半導体基板１上にリンやヒ素などをイオン注入等の方法で導入し、１１００℃程度のアニールを加えることにより形成される。
　なお、上記半導体基板１および半導体拡散層２のＰＮ極性はもちろん逆でも問題ない（つまりＮ型シリコン半導体基板上に形成されたＰ型半導体拡散層の構成）。
　上記Ｎ型半導体拡散層２，２およびＰ型シリコン半導体基板１の上に、絶縁膜としてのシリコン酸化膜３をＣＶＤ（化学的気相成長：Chemical Vapor Deposition）法などの一般的な方法で形成する。そして、このシリコンフォトダイオードＡ，Ｂとコンタクトをとるために、シリコン酸化膜３に開口して、スパッタ等の方法でＡｌやＡｌＣｕ等で電極４を形成する。その後、上記シリコン酸化膜３および電極４上に、絶縁膜としてのシリコン酸化膜５をＣＶＤ等の方法で形成する。
　このシリコン酸化膜５を成膜した後、ＣＭＰ（化学機械研磨：Chemical Mechanical Polishing）等で十分に平坦化する。このシリコン酸化膜５の上に形成する第１および第２の光学フィルタ、つまり、第１および第２の表面プラズモニックフィルタとなる後述する導電材料膜の一例としての第１および第２の金属膜６ａ，６ｂは、２００ｎｍ以下の微細加工が必要となるため、シリコン酸化膜５の平坦化は重要である。
　上記第１および第２の光学フィルタとしての第１および第２の金属膜６ａ，６ｂは、プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂであり、夫々、所望の波長の光が透過する周期的な構造の一例としての周期的な開口１１，１２を有する。具体的には、この第１および第２の金属膜６ａ，６ｂは、平坦化されたシリコン酸化膜５上に、スパッタによりＡｌを１５０ｎｍの厚さで成膜し、その上にレジスト塗布した後、フォトリソグラフィで周期的な異なる開口１１，１２を形成する。この開口１１，１２は、夫々、一定周期で複数の円形のホール（貫通穴）１１，１２からなって、開口パターンを形成する。なお、開口は、ホール（貫通穴）に代えて、凹部であってもよい。
　最後に、この第１および第２の金属膜６ａ，６ｂおよびシリコン酸化膜５の上にパッシベーション膜として機能する誘電体膜であるシリコン酸化膜７を形成する。この際、前工程にて形成された第１および第２の金属膜６ａ，６ｂの複数の開口としてのホール１１，１２を、シリコン酸化膜７で埋める必要があるため、このシリコン酸化膜７を高密度プラズマＣＶＤ法で形成する。
　最後に、図１では省略しているが、パッド領域を開口する。
　上記光電変換素子Ａ，Ｂは、フォトダイオード以外でも、ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子を用いてよい。
　次に、図２は、図１に示した本発明の第１実施形態による光電変換装置の上からの平面図を示している。例えば、上記第１の金属膜６ａは青色（λ＝４２０ｎｍ）の光を透過させる第１の光学フィルタとしての表面プラズモニックフィルタであり、第２の金属膜６ｂは赤色（λ＝６３０ｎｍ）の光を透過させる第２の光学フィルタとしての表面プラズモニックフィルタである。この第１の金属膜６ａの開口１１の周期Ｐ１および第２の金属膜６ｂの開口１２の周期Ｐ２は、第１および第２の光学フィルタとなる第１および第２の金属膜６ａ，６ｂの金属材料やその周りの誘電体膜７，５の屈折率により決まる。また逆に、表面プラズモニックフィルタの特徴として、表面プラズモニックフィルタの導電材料、その周りの誘電体膜、周期的な構造が決まれば、透過する光の波長が原理的には一意に決まる。本発明の第１実施形態の場合、上記導電材料はＡｌ、誘電体膜はＳｉＯ２からなる表面プラズモニックフィルタであり、開口１１，１２の周期Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ２６０ｎｍ、４２０ｎｍである。つまり、図２では、Ｐ１＝２６０ｎｍ、Ｐ２＝４２０ｎｍである。
　図３に、図２の第１および第２の光学フィルタとしての第１および第２の金属膜６ａ，６ｂの開口パターンにおける周期と透過波長と誘電体材料依存の関係を示す。導電材料膜にはＡｌを用い、誘電体膜にはそれぞれ屈折率が異なる材料（ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ４、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２）を用いた結果を示す。開口パターンの周期を長くすると透過最大波長が線形の関係で長くなる。図４に、図３から求められる最大透過波長と誘電体膜の屈折率との関係を示す。同最大透過波長において、誘電体膜の屈折率が大きくなれば、パターン周期が小さくなることが分かる。つまり、誘電体膜の屈折率が高くなると、隣接の光学フィルタ間の間隔が狭くなることを示す。
　図５に、誘電体材料の屈折率の波長依存性を示す。図５に記載の誘電体材料は、表面プラズモニックフィルタの誘電体膜の材料として想定される材料の一例であり、図示の波長領域において、おおよそ無分散な材料である。これより、表面プラズモニックフィルタの誘電体膜の屈折率は、１．０以上３．０以下の範囲に存在することがわかる。
　したがって、図２に示す表面プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂを隣接配置すると、第１の金属膜６ａの開口としてのホール１１と、第２の金属膜６ｂの開口としてのホール１２との間隔ａ、つまり、第１の光学フィルタ６ａの周期的な複数の開口１１の第１のパターンと第２の光学フィルタ６ｂの周期的な複数の開口１２の第２のパターンとの間隔ａが小さく、例えば３４０ｎｍしかなければ、この周期では緑色（λ＝５５０ｎｍ）の光が表面プラズモン共鳴により透過するため、本来、第１の金属膜６ａの領域では青色のみ、第２の金属膜６ｂの領域では赤色のみが透過するはずが、境界部より緑色が透過することになる。この現象が生じると、各領域での色の認識がずれるため、例えばＲＧＢセンサ等で色温度をセンシングしようとしても、正しく検出できず、間違った補正をかけてしまうことになる。
　これに対して、この第１実施形態では、光電変換素子Ａ，ＢとしてシリコンフォトダイオードＡ，Ｂを用いており、シリコンの物性上、１２００ｎｍ程度までの光しか吸収できないことに着目し、第１の金属膜６ａと第２の金属膜６ｂとの境界部のホール１１，１２間周期ａによって透過する光の波長が上記１２００ｎｍ以上となる寸法に設定している。具体的には、第１の光学フィルタ６ａの開口１１の第１のパターンと第２の光学フィルタ６ｂの開口１２の第２のパターンとの間隔ａ、つまり、ホール１１とホール１２との間隔ａを周期Ｐ１およびＰ２よりも長い約６００ｎｍ以上離して配置することにより、境界部のホール１１，１２による表面プラズモン共鳴で透過する光の波長は１２００ｎｍよりも長いため、シリコンフォトダイオードＡ，Ｂから成る光電変換素子Ａ，Ｂでは感知できず、例えば色温度がずれることはない。
　したがって、この第１実施形態によれば、精度の高い波長選択性を確保することができる。
　また、この第１実施形態によれば、上述の如く、例えば、ホール１１とホール１２とを約６００ｎｍ以上離すだけでよいから、異なる周期的な構造１１，１２を有する第１および第２の光学フィルタ、つまり、表面プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂを配置するのに大きな制約を受けることがなくて、任意に配置することができる。
　（第２実施形態）
　この第２実施形態の光電変換装置は、光電変換素子の材料および第１および第２の光学フィルタ、つまり、第１および第２の金属膜の導電材料のみが異なる。したがって、この第２実施形態の説明に、第１実施形態の図２を援用する。
　上記の通り、本発明の第１実施形態では、光電変換素子Ａ，ＢにシリコンフォトダイオードＡ，Ｂを用いたが、当然ながら他の材料を用いることも可能である。その場合は、下記の表１に示す各材料の物性（バンドギャップ）により各材料が吸収しうる光の最大波長λｍａｘ、および、その光を透過させないホール間周期が異なり、凡そ下記の（式２）で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　　（式２）　λｍａｘ［ｎｍ］≒１２４０／Ｅａ
　　ここで、Ｅａ：バンドギャップ［ｅＶ］
　したがって、Ｓｉでは境界部のホール１１，１２間周期ａを６００ｎｍ以上離して配置すればよいが、表１の材料の中で例えばバンドギャップの狭いＧｅでは最大透過波長が１７７０ｎｍと長いため、周期ａを１３５０ｎｍ以上離して配置する必要がある。一方、バンドギャップが広いＧａＡｓやＧａＮはそれぞれ境界部のホール１１，１２間周期ａを４００ｎｍ、８０ｎｍまで近づけることができる。上記寸法以上離して配置すれば、特性上問題はないが、離しすぎると光学フィルタの間隔が広がり、カラーセンサ全体のサイズが大きくなり、コストアップや小型化が困難であるという問題が生じる。その場合は、例えばＳｉであればほぼ適正なホール間周期の最小値である６００ｎｍで配置するのが望ましいと考えられる。
　例えば、別材料としてＧａＡｓを光電変換素子に用いる場合、ＧａＡｓはIII－Ｖ属の半導体であるため、Ｎ型半導体層をＧａＡｓに６価のセレン等を添加して形成し、Ｐ型半導体をＧａＡｓに２価の亜鉛等を添加して形成して、ＧａＡｓのＰＮ接合を形成して光電変換層を形成する。
　その上に、第１実施形態と同じＡｌを使用したホールアレイ型のプラズモニックフィルタ６ａ，６ｂを形成する場合、その境界のホール１１，１２間周期ａは４００ｎｍ程度にすることが望ましい。
　これにより、第１実施形態と同様にそれぞれ独立した波長の光を透過させ、境界部で透過する光が光電変換素子Ａ，Ｂで吸収されることがないため、精度の高い波長選択性を確保でき、かつ、複数の異なる波長を透過させることができ、かつ、プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂを配置するのに大きな制約を受けることがない光電変換装置を得ることができる。
　本第２実施形態の光学フィルタ、つまり、表面プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂの導電材料は、アルミニウム、銅、銀、金、窒化チタン、窒化ジルコニウム、ニッケル、コバルトまたはこれらの合金からなる群から選択される材料であるが、可視光では透明かつ赤外で高反射特性（プラズマ周波数が３８０ＴＨｚ以下）を示すＩＴＯ（Ｓｎ：Ｉｎ２Ｏ３）が代表的なＩｎ２Ｏ３系、ＡＺＯ(Ａｌ：ＺｎＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ：ＺｎＯ)、ＢＺＯ(Ｂ：ＺｎＯ)、ＩＺＯ(Ｉｎ：ＺｎＯ)が代表的なＺｎＯ系、ＩＧＺＯ系の金属酸化物透明導電材料から選択される材料で構成されることが望ましい。
　（第３実施形態）
　本発明の第１および第２実施形態では、プラズモニックフィルタの材料をＡｌとし、光学フィルタのパターン周囲の誘電体膜をシリコン酸化膜とし、かつ、円形ホールアレイの場合を具体的に説明したが、フィルタ材料はＡｌ以外でもＡｕ、Ａｇ、Ｃｕやその他金属でも使用可能であるし、誘電体膜についてシリコン窒化膜をはじめとして他の材料でも問題がない。この第３実施形態の光電変換装置につて、材料、寸法の相違を除いて、第１実施形態の図１および２を援用する。
　本発明の第３実施形態では、プラズモニックフィルタ６ａ，６ｂの材料として、Ａｌ以外のＡｕを用いた場合について説明する。Ａｌ系材料をプラズモニックフィルタに採用するメリットについては既に述べたが、Ａｌ系材料の欠点は数ｕｍの波長の長い光でのプラズモン共鳴効果が弱いことである。表面プラズモン共鳴の効果は光学フィルタに用いる金属材料の誘電関数（金属のため、複素誘電関数）に大きく影響される。特に、誘電関数の実部の絶対値が大きく、誘電関数の虚部の絶対値が小さいほど望ましい。特に、誘電関数の虚部の絶対値が重要である。しかし、図６および図７にＡｌ、Ａｕの誘電関数を示すが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等に比べてＡｌ系材料は数ｕｍの長波長領域での誘電関数の虚部の絶対値が大きいことが分かる。誘電関数の虚部の絶対値が大きいと、表面プラズモン共鳴効果が起こりにくいことが分かっており、数ｕｍ程度の長波長領域では、Ａｌ系材料よりＡｕやＡｇを用いる方が望ましい。隣接する独立したプラズモニックフィルタ６ａ，６ｂの間隔については本発明の第１実施形態で説明した通り、Ａｕで形成されたプラズモニックフィルタ６ａ，６ｂを透過する光の波長が、その下に形成された光電変換素子Ａ，Ｂの材料で吸収できない波長となる間隔で配置すれば、本発明の第１実施形態と同様の効果が得られる。
　（第４実施形態）
　図８は、第４実施形態の光電変換装置の断面図である。図８において、第１実施形態の図１と同一構成要素については、同一参照番号付して、詳しい説明は省略し、異なる構成要素について、以下に説明する。
　図８において、図１に示す第２の光電変換素子Ｂおよび第２の金属膜６ｂを図示していないが、これらは、図８において、第１の光電変換素子Ａおよび第１の金属膜６ａよりも紙面の奥方向に配置されている。
　図８に示すように、Ｐ型シリコン半導体基板１上に、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂからの出力を信号処理して例えば環境光の色味を判定する回路部５０を設け、この回路部５０に配線層５１を電気接続している。このように、光電変換素子Ａ，Ｂからの出力を信号処理する回路部５０を光電変換素子Ａ，Ｂと一体に設けることによって、低ノイズ化や小型化を達成している。
　なお、上記回路部５０は、静電保護素子５０ａを含んでいる。
　また、上記第１の金属膜６ａと同一層に、シールドメタル部５２を設け、このシールドメタル部５２で、回路部５０と、この回路部５０と第１の光電変換素子Ａとの間の領域とを覆っている。これにより、迷光が第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂや回路部５０に侵入するのを防止して、偽信号の発生を防止して、誤作動の防止、耐久性の向上をしている。
　また、図８に示すように、上記第１の金属膜６ａからなるプラズモニックフィルタ６ａとシールドメタル部５２とは連続して、エッチング時のデポ物の発生量を少なくしている。尤も、図示しないが、プラズモニックフィルタ６ａとシールドメタル部５２とは連続していなくて、分離していてもよい。
　また、上記第１および第２金属膜６ａ，６ｂおよびシールドメタル部５２は、図示しない配線を介して、接地されていて、接地電位とされている。これにより、第１および第２の金属膜６ａ，６ｂおよびシールドメタル部５２は、光の遮断だけでなく、電気的なノイズに対してもシールド効果を有する。例えば、電気的ノイズが第１および第２の金属膜６ａ，６ｂあるいはシールドメタル部５２に飛来した場合、この電気的ノイズは接地された電位に逃げることができるため、第１および第２の金属膜６ａ，６ｂおよびシールドメタル部５２よりも下の回路部５０、静電保護素子５０ａに電気的ノイズが悪影響することがない。つまり、シールドメタル部５２は、光の侵入を防ぐ光学的シールドと、電気的ノイズから回路部５０等を守る電気的シールドとして機能する。
　上記第１および第２実施形態では、光学フィルタとしての第１および第２の金属膜６ａ，６ｂに設ける周期的な構造を円形のホール１１，１２のアレイとしているが、円形のホールのアレイの他に、四角形や三角形などのホールのアレイ、ラインおよびスペースの構造や、局在プラズモンを利用した凸型の周期的な構造でも表面プラズモン共鳴現象は生じうる。しかし、それぞれの材料、構造ごとに共鳴が生じる波長は異なるため、各パラメータに応じて使用している光電変換素子の物性（λｍａｘ）を考慮して隣接する光学フィルタの周期的な構造の配置を最適化する必要がある。
　また、上記第１および第２実施形態では、第１および第２光電変換素子Ａ，Ｂを半導体基板１に設けているが、第１および第２光電変換素子Ａ，Ｂ、第１および第２の金属膜６ａ，６ｂに加えて、図示しない第３の光電変換素子と、この第３の光電変換素子の上方に絶縁膜を介して第３の光学フィルタとしての第３の金属膜を設けて、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の光または上記三原色の補色の光に、上記第１、第２および第３の光学フィルタを透過させて、光の三原色または上記三原色の補色の光を検出するようにしてもよい。
　（第５実施形態）
　図１４は本発明の第５実施形態の光電変換装置の平面図である。
　この第５実施形態の周期構造は、今までの第１～第４の実施形態で説明してきた丸穴のホールアレイの構造ではなく、スリット構造である。
　この第５実施形態の光電変換装置は、図１４の平面図に示すように、第１の光学フィルタとしての導電材料膜である第１の金属膜３０１と、第２の光学フィルタとしての導電材料膜である第２の金属膜３０２とを隣接して配置し、この第１および第２の金属膜３０１，３０２の下側に、図示しない絶縁層を挟んで、導電材料膜である第３の金属膜４００を設けている。
　上記第３の金属膜４００よりも下側の構造は、図１に示す第１実施形態のシリコン窒化膜５等からなる構造と同じ構造であるので、これらの構造については、図１を援用し、詳しい説明は省略する。
　図１４に示すように、上記第１の光学フィルタとしての第１の金属膜３０１に、第１のパターンを形成する複数の開口の一例としての複数のスリット３１１，３１１，３１１…を設けている。この複数のスリット３１１，３１１，３１１…は、一定間隔つまり一定周期（ピッチ）Ｐ１で、横方向に並んでおり、幅Ｓ１を有する。また、このスリット３１１の両側の格子３１２，３１２，３１２…も一定周期（ピッチ）Ｐ１を有し、幅Ｇ１を有する。
　また、上記第２の光学フィルタとしての第２の金属膜３０２に、第２のパターンを形成する複数の開口の一例としての複数の３２１，３２１，３２１…を設けている。この複数のスリット３２１，３２１，３２１…は、一定間隔つまり一定周期（ピッチ）Ｐ２で、横方向に並んでおり、幅Ｓ２を有する。また、このスリット３２１の両側の格子３２２，３２２，３２２…も一定周期（ピッチ）Ｐ２を有し、幅Ｇ２を有する。
　この第１および第２の光学フィルタとしての第１および第２の金属膜３０１，３０２は、プラズモニックフィルタである。
　また、上記第１の光学フィルタとしての第１の金属膜３０１の右端のスリット３１１ａと、第２の光学フィルタとしての第２の金属膜３０２の左端のスリット３２１ａとの間隔（スリット３１１ａの中心線とスリット３２１ａの中心線との間の距離）ａは、上記周期Ｐ１およびＰ２よりも長くして、境界部のスリット３１１ａ，３２１ａによる表面プラズモン共鳴で透過する光の波長が、図１に示すシリコンフォトダイオードＡ，Ｂから成る光電変換素子Ａ，Ｂでは感知できない波長になって、色温度がずれることがないようにしている。
　したがって、この第５実施形態によれば、精度の高い波長選択性を確保することができる。
　また、上記第１および第２の金属膜３０１，３０２の下側に、図示しない絶縁層を介して設けられた上記第３の金属膜４００は、大略、２つの矩形の開口を有する矩形の外周の輪郭を有して、第１の金属膜３０１の両端のスリット３１１ａ，３１１ａの全ての領域と、第２の金属膜３０１の両端のスリット３２１ａ，３２１ａの全ての領域と、第１の金属膜３０１と第２の金属膜３０２との間の領域と、第１および第２の金属膜３０１，３０２の両端以外の複数のスリット３１１，３２１…の各々の長手方向の両端部３１１ｂ，３２１ｂ…を覆っている。すなわち、上記第３の金属膜４００は、第１および第２の金属膜３０１，３０２の複数のスリット３１１，３２１，…の最外周に位置する部分を覆っている。
　このように、上記第３の金属膜４００は、第１および第２の金属膜３０１，３０２の複数のスリット３１１，３２１，…の最外周に位置する部分を覆っているので、露光時の隣接開口部からの干渉光の影響やエッチング時のマイクロローディング効果により形状が不均一になりやすい両端のスリット３１１ａ，３２１ａやスリット３１１，３２１…の各々の長手方向の両端部３１１ｂ，３２１ｂ…からの透過光を第３の金属膜４００で遮断することができて、スリット構造でも、所望の波長選択性を確保したプラズモニックフィルタを形成することができる。
　したがって、この第５実施形態の光電変換装置によれば、本来透過しない波長の光の異常透過を防ぐことができて、分光波形の半値幅を小さくすることができる。
　また、上記第１および第２の金属膜３０１，３０２は、図示しない配線によって、接地していて、接地電位にしている。
　このように、上記第１および第２の金属膜３０１，３０２は、接地電位となっているので、プラズモニックフィルタ領域を構成する第１および第２の金属膜３０１，３０２の電位が安定して、電子の挙動が安定して、波長選択性が良好になる。もし、仮に、プラズモニックフィルタ領域の第１および第２の金属膜３０１，３０２の電位が変動すると、波長選択性に悪影響がでるのである。
　上記構成の光電変換装置によれば、スリット構造でも、適切な周期（ピッチ）Ｐ１，Ｐ２とスリット幅Ｓ１，Ｓ２と間隔ａを選択することにより、プラズモニック効果による波長選択効果が第１～第４実施形態と同様に観測された。
　図１５はスリット型ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）構造、具体的には、４０ｎｍ厚のＡｌ膜、１００ｎｍ厚の絶縁膜、４０ｎｍ厚のＡｌ膜を用い、スリット幅Ｓを１００ｎｍに固定した場合の実験例を示している。
　この図１５から、同じスリットの幅Ｓ（１００ｎｍ）でも、格子の幅Ｇを変えて、ピッチＰを変えることによって、最大透過光の波長が異なることが分かる。これは同じ金属材料や絶縁材料を用いたプラズモニックフィルタであっても、複数のプラズモニックフィルタを隣接配置した場合に、この隣接する複数のプラズモニックフィルタが互いに干渉しない、両プラズモニックフィルタのスリット間の距離ａ（図１４を参照）が変わることを意味する。
　より具体的には、光電変換装置は、一般的に半導体で使用されるシリコン材料を主に用い、通常の手法である、リソグラフィやイオン注入等により入射光を電気信号に変換するための光電変換素子をシリコン基板上に形成し、ＳｉＯ２の層間膜を形成した後、ＣＭＰ等の方法で十分に平坦化する。その後フィルタ膜として非特許文献３（NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms1058）に示される構造であるＡｌからなる４０ｎｍの厚さの膜、ＺｎＳｅからなる厚さ１００ｎｍの絶縁膜、Ａｌの４０ｎｍの厚さの膜の積層構造を参考に、上記絶縁膜をＺｎＳｅから一般的に半導体プロセスで使用されるＳｉＮからなる膜に変更した。図１５には２種類の屈折率（ｎ＝１.９５、 ｎ＝２.７）でのプラズモニックフィルタの透過波長の格子幅Ｇに対する依存性を示しているが、例えば屈折率ｎが２.７の場合、ＲＧＢセンサ用に格子幅Ｇをそれぞれ１００ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ（ピッチＰでは、スリット幅Ｓが１００ｎｍ共通であるため、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ）のスリット構造を形成することで青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）用のフィルタを形成することができる。
　また、これらのプラズモニックフィルタを隣接して配置する際には、シリコンが吸収しうる光の最大波長λｍａｘである１１００ｎｍの波長の光を透過するフィルタピッチである４５０ｎｍ以上離して配置することにより、既に述べた丸穴のホールアレイ型のフィルタと同様に隣接の境界でシリコンが吸収してノイズとなる余分な光が透過することがなく、すぐれた色分離性を備えた任意の波長を透過するカラーフィルタを隣接して配置することができる。
　上記ではＡｌ、ＳｉＮ、Ａｌの積層構造を持つスリット型のフィルタについて説明したが、積層構造や周期構造は他の構造のものでも、ピッチや最小分離距離は変わるが同様のことが言える。本質的なことは、各材料や平面的な周期構造で決まる所望の光を透過させるピッチは変わるが、採用した光電変換材料の最大透過波長の光が透過するピッチよりも離して複数の異なる周期構造のフィルタを配置することにある。
　上記第５実施形態の構成要素と、第１～第４実施形態の構成要素とは、適宜、組み合わせてもよい。
　本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
　本発明の光電変換装置は、
　第１の光電変換素子Aと、
　第２の光電変換素子Bと、
　複数の構造１１，３１１を周期的に有する第１のパターンを有すると共に、上記第１の光電変換素子Ａの上に絶縁膜５を介して配置された導電材料膜からなる第１の光学フィルタ６ａ，３０１と、
　複数の構造１２，３２１を周期的に有する第２のパターンを有すると共に、上記第２の光電変換素子Ｂの上に絶縁膜５を介して配置された導電材料膜からなる第２の光学フィルタ６ｂ，３０２と
を備え、
　互いに隣接する上記第１のパターンと第２のパターンとの間隔ａは、
　上記第１のパターンの構造１１，３１１の周期Ｐ１および上記第２のパターンの構造１２，３２１の周期Ｐ２よりも長い
ことを特徴としている。
　なお、上記第１のパターンと第２のパターンとの間隔ａは、特に上限がなく、長くても問題がないが、２つの光電変換素子Ａ、Ｂの少なくとも一方が吸収しうる波長範囲の光では実質的に透過しない間隔であって、かつ集積化の観点から上記条件に当てはまる間隔の最小値とすることが望ましい。例えば誘電体の屈折率により上記寸法は変わるが、図４より想定される誘電体の屈折率１．０～３．０であれば、上記間隔ａは、６００～５０００ｎｍ程度の範囲となる。
　上記構成の光電変換装置によれば、上記第１の光学フィルタ６ａの構造１１，３１１の第１のパターンと上記第２の光学フィルタ６ｂの構造１２，３２１の第２のパターンとの間の間隔ａが、上記第１のパターンの構造１１，３１１の周期Ｐ１および上記第２のパターンの構造１２，３２１の周期Ｐ２よりも長いから、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂの少なくとも一方が吸収しうる波長範囲内の光は、第１の光学フィルタ６ａ，３０１の構造１１，３１１と第２の光学フィルタ６ｂ，３０２の構造１２，３２１との間で表面プラズモン共鳴して透過することがなくて、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂに入射することがなく、一方、第１の光学フィルタ６ａ，３０１の構造１１，３１１と第２の光学フィルタ６ｂ，３０２の構造１２，３２１との間でプラズモン共鳴して透過する波長範囲内の光は、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂに吸収されない。
　このように、上記第１の光学フィルタ６ａ，３０１および第２の光学フィルタ６ｂ，３０２の境界部を透過する波長範囲内の光は、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂに吸収されなくて、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂで検知されないから、センサの特性としては影響がない。
　したがって、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２、つまり、第１および第２のプラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２によって、透過する光の波長を任意に選択しながらも、互いに隣接するプラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の境界部で生じる構造１１，３１１，１２，３２１間の周期で透過する波長の光の影響を受けることなく、精度の高い波長選択性を確保することができる。
　換言すると、複数種類のプラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を隣接配置する場合において、境界部の周期的な構造１１，３１１，１２，３２１間の間隔を、複数の光電変換素子Ａ，Ｂが吸収しうる最も長い波長の光が表面プラズモン共鳴して透過しない寸法以上とすることにより、個々のプラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を透過する波長を任意に選択しながらも、隣接プラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の境界部で生じる周期で透過する波長の光の影響を複数の光電変換素子Ａ，Ｂが受けることがなくて、波長選択性の精度を確保した複数のプラズモニックフィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を搭載した光電変換装置を得ることができる。
　また、本発明によれば、異なる周期構造１１，３１１，１２，３２１を有する第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を配置するのに大きな制約を受けることがなくて、任意に配置できる。
　上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂの材料は、同じであっても、異なっていてもよいが、製造上、同じであるのが好ましい。また、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の材料も、同じであっても、異なっていてもよいが、製造上、同じであるのが好ましい。
　なお、この発明の光電変換装置は、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂ、並びに、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を備えているが、それらの第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂ、第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２を備えている限り、第３の光電変換素子および第３の光学フィルタを備えていても、この発明の技術範囲に含まれることは勿論である。
　１実施形態では、
　上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜３を含む。
　上記実施形態によれば、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、半導体装置でよく使用される材料であるシリコンおよびシリコン酸化膜３を含むから、通常の半導体プロセスでの取り扱いが容易であり、かつ、可視光（３８０ｎｍ～７５０ｎｍ）を含むＲＧＢセンサへも適用できるという利点を有する。
　１実施形態では、
　上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の導電材料膜は、ＡｌまたはＡｌ合金（ＡｌＣｕやＡｌＳｉ等）からなる。
　上記実施形態は、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２が、ＡｌまたはＡｌ合金からなるため、４００ｎｍ程度の短波長での表面プラズモン共鳴が生じて、ＲＧＢセンサへの適用が可能である。
　また、上記ＡｌまたはＡｌ合金は、通常の半導体プロセスで使用される材料であるため、プロセスインテグレーションの点で有利であり、また、安価であり、また、作製プロセスが単純であり、それぞれの波長に対応したプラズモニックフィルタを一括して形成可能である。
　１実施形態は、さらに、
　第３の光電変換素子と、
　複数の構造を周期的に有する第３のパターンを有すると共に、上記第３の光電変換素子の上に絶縁膜を介して配置された導電材料膜からなる第３の光学フィルタと
を備えて、
　上記第１、第２および第３の光学フィルタは、光の三原色または上記三原色の補色の光を透過する。
　上記実施形態によれば、ＲＧＢセンサを形成することができる。
　１実施形態では、
　上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂと、この第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂからの出力を信号処理する回路部５０とを同一基板１上に形成している。
　上記実施形態によれば、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂと、上記回路部５０とを同一基板１上に形成して一体化しているので、低ノイズ化や小型化が可能である。
　１実施形態では、
　上記第１の光学フィルタ６ａおよび第２の光学フィルタ６ｂと同一層に、シールドメタル部５２を設け、このシールドメタル部５２で、上記回路部５０と、この回路部５０と第１の光電変換素子Ａとの間の領域とを覆っている。
　上記実施形態によれば、上記第１の光学フィルタ６ａと同一層に、シールドメタル部５２を設け、このシールドメタル部５２で、上記回路部５０と、この回路部５０と第１の光電変換素子Ａとの間の領域とを覆っているので、迷光が第１光電変換素子Ａや回路部５０に侵入するのを防止して、偽信号の発生を防止でき、誤作動の防止、耐久性の向上をすることができる。
　１実施形態では、
　上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜３を含み、
　上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，６ｂの導電材料膜は、ＡｌまたはＡｌ合金（ＡｌＣｕやＡｌＳｉ等）からなり、
　上記第１および第２のパターンの上記構造１１，１２は、円形の開口１１，１２であり、
　上記第１のパターンと上記第２のパターンとの間隔ａは、少なくとも６００ｎｍである。
　上記実施形態では、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜３を含み、上記第１のパターンと上記第２のパターンとの間隔ａは、少なくとも６００ｎｍである。一方、シリコンの光吸収波長は３００～１２００ｎｍ程度である。
　したがって、上記実施形態によれば、上記第１の光学フィルタ６ａの円形の開口１１と上記第２の光学フィルタ６ｂの円形の開口１２との間隔は、少なくとも６００ｎｍであるため、上記第１の光学フィルタ６ａの円形の開口１１と上記第２の光学フィルタ１２の円形の開口１２との間で表面プラズモン共鳴して透過する波長範囲内の光は、光吸収波長が３００～１２００ｎｍ程度であるシリコンおよびシリコン酸化膜を含む第１および第２の光電変換素子に吸収されなくて、第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂで検知されないから、センサの特性としては影響がない。
　したがって、この実施形態によれば、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，６ｂ、つまり、第１および第２のプラズモニックフィルタ６ａ，６ｂによって、透過する光の波長を任意に選択しながらも、互いに隣接するプラズモニックフィルタ６ａ，６ｂの境界部で生じる開口１１，１２間の周期ａで透過する波長の光の影響を受けることがなく、精度の高い波長選択性を確保することができる。
　また、上記実施形態では、上記第１および第２の光電変換素子Ａ，Ｂは、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜３を含むから、通常の半導体プロセスでの取り扱いが容易であり、かつ、可視光（３８０ｎｍ～７５０ｎｍ）を含むＲＧＢセンサへも適用でき、また、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，６ｂは、ＡｌまたはＡｌ合金（ＡｌＣｕやＡｌＳｉ等）であるから、プロセスインテグレーションの点で有利であり、また、安価であり、また、作製プロセスが単純であり、それぞれの波長に対応した光学フィルタ６ａ，６ｂを一括して形成可能である。
　１実施形態では、
　上記第１および第２のパターンの上記構造は、スリット３１１，３２１である。
　上記実施形態によれば、スリット構造でも、適切な周期（ピッチ）Ｐ１，Ｐ２とスリット幅Ｓ１，Ｓ２を選択することにより、プラズモニック効果による波長選択効果が得られる。
　１実施形態では、
　上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２は接地されている。
　上記実施形態によれば、上記第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２が接地されて、プラズモニックフィルタ領域を構成する第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の電位が安定して、電子の挙動が安定して、波長選択性が良好になる。もし、仮に、プラズモニックフィルタ領域を構成する第１および第２の光学フィルタ６ａ，３０１，６ｂ，３０２の電位が変動すると、波長選択性に悪影響がでるのである。
　１実施形態では、
　上記第１および第２のパターンの複数のスリット３１１，３２１の最外周に位置する部分を覆う導電材料膜４００を備える。
　上記実施形態によれば、上記導電材料膜４００が第１および第２のパターンの複数のスリット３１１，３２１の最外周に位置する部分を覆っているので、露光時の隣接開口部からの干渉光の影響やエッチング時のマイクロローディング効果により形状が不均一になりやすい両端のスリット３１１ａ，３２１ａやスリット３１１，３２１…の各々の長手方向の両端部３１１ｂ，３２１ｂ…からの透過光を導電材料膜４００で遮断することができて、スリット構造でも、所望の波長選択性を確保したプラズモニックフィルタを形成することができる。
　第１～第５実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。
　１　Ｐ型シリコン半導体基板
　４　電極
　３，５，７　シリコン酸化膜
　６ａ，３０１　第１の光学フィルタ
　６ｂ，３０２　第２の光学フィルタ
　１１，１２，３０１，３０２　開口
　５０　回路部
　５２　シールドメタル部
　４００　導電材料膜（第３の金属膜）
　Ａ　第１の光電変換素子
　Ｂ　第２の光電変換素子

Claims (8)

  1. 　第１の光電変換素子（A）と、
    　第２の光電変換素子（B）と、
    　複数の構造（１１，３１１）を周期的に有する第１のパターンを有すると共に、上記第１の光電変換素子（Ａ）の上に絶縁膜５を介して配置された導電材料膜からなる第１の光学フィルタ（６ａ，３０１）と、
    　複数の構造（１２，３２１）を周期的に有する第２のパターンを有すると共に、上記第２の光電変換素子（Ｂ）の上に絶縁膜（５）を介して配置された導電材料膜からなる第２の光学フィルタ（６ｂ，３０２）と
    を備え、
    　互いに隣接する上記第１のパターンと第２のパターンとの間隔（ａ）は、
    　上記第１のパターンの構造（１１，３１１）の周期（Ｐ１）および上記第２のパターンの構造（１２，３２１）の周期（Ｐ２）よりも長い
    ことを特徴とする光電変換装置。
  2. 　請求項１に記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２の光電変換素子（Ａ，Ｂ）は、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜（３）を含むことを特徴とする光電変換装置。
  3. 　請求項１または２に記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２の光学フィルタ（６ａ，３０１，６ｂ，３０２）の導電材料膜は、ＡｌまたはＡｌ合金からなることを特徴とする光電変換装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１つに記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２の光電変換素子（Ａ，Ｂ）と、この第１および第２の光電変換素子（Ａ，Ｂ）からの出力を信号処理する回路部（５０）とを同一基板１上に形成しており、
    　上記第１の光学フィルタ（６ａ）および第２の光学フィルタ（６ｂ）と同一層に、シールドメタル部（５２）を設け、このシールドメタル部（５２）で、上記回路部（５０）と、この回路部（５０）と第１の光電変換素子（Ａ）との間の領域とを覆っていることを特徴とする光電変換装置。
  5. 　請求項１に記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２の光電変換素子（Ａ，Ｂ）は、少なくともシリコンおよびシリコン酸化膜（３）を含み、
    　上記第１および第２の光学フィルタ（６ａ，６ｂ）の導電材料膜は、ＡｌまたはＡｌ合金からなり、
    　上記第１および第２のパターンの上記構造（１１，１２）は、円形の開口（１１，１２）であり、
    　上記第１のパターンと上記第２のパターンとの間隔（ａ）は、少なくとも６００ｎｍであることを特徴とする光電変換装置。
  6. 　請求項１から４のいずれか１つに記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２のパターンの上記構造は、スリット（３１１，３２１）であることを特徴とする光電変換装置。
  7. 　請求項１から６のいずれか１つに記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２の光学フィルタ（６ａ，３０１，６ｂ，３０２）は接地されていることを特徴とする光電変換装置。
  8. 　請求項６に記載の光電変換装置において、
    　上記第１および第２のパターンの複数のスリット（３１１，３２１）の最外周に位置する部分を覆う導電材料膜（４００）を備えることを特徴とする光電変換装置。
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