WO2021039955A1 - 光電変換素子、撮像素子、および撮像システム - Google Patents

光電変換素子、撮像素子、および撮像システム Download PDF

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WO2021039955A1
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photoelectric conversion
conversion element
phase adjusting
light
layer
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友洋 中込
優 大久保
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凸版印刷株式会社
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    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion element, an image pickup device, and an image pickup system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-157644 filed in Japan on August 30, 2019 and Japanese Patent Application No. 2019-157645 filed in Japan on August 30, 2019. Is used here.
  • Photoelectric conversion elements are used in various fields.
  • An imaging system capable of measuring a distance is known as one of the fields in which a photoelectric conversion element is used.
  • Such an imaging system generally includes a light source that generates light to irradiate the subject and a photoelectric conversion element.
  • the photoelectric conversion element functions as an image sensor that captures the reflected light from the subject.
  • the photoelectric conversion element has a silicon substrate on which a charge generation region is formed.
  • One or more dielectric layers are formed on the surface side of the silicon substrate, and signal wiring is arranged in the dielectric layer. That is, the photoelectric conversion element usually has a dielectric multilayer film structure.
  • the interference effect of the multilayer film acts on the incident light, and the reflectance vibrates in the wavelength region.
  • the amplitude and phase of the reflectance vibration change in a complicated manner depending on the film thickness and the refractive index of each layer constituting the multilayer film. Further, the thickness and composition of the dielectric layer in the element plane vary, and the center wavelength of the light emitted from the light source also varies.
  • the large amplitude of the reflectance vibration causes a large variation in the sensitivity of each of the plurality of pixels constituting the photoelectric conversion element. Since this variation ultimately affects the distance measurement accuracy of the imaging system, it is preferable that the amplitude of the reflectance vibration is as small as possible. However, as described above, since there are many factors that affect the amplitude and phase of the reflectance vibration, its control is not easy.
  • the photoelectric conversion element is a photoelectric conversion element in which the emitted light having a predetermined wavelength band emitted from a light source receives the reflected light reflected by the subject, and is a substrate having a charge generation region.
  • a dielectric layer formed on the substrate and a phase adjusting layer arranged on the dielectric layer and having an upper surface and a lower surface are provided.
  • the photoelectric is used.
  • the optical path length from the time the reflected light passes through the first surface to the second surface is the reflected light on the first surface.
  • the phase adjusting layer is configured so as to be different depending on the incident position of the light.
  • the maximum value of the optical path length difference of the reflected light transmitted through the phase adjusting layer may be 1/4 or more of the average wavelength of the emitted light.
  • the phase adjustment layer is a phase adjustment lens having an aspect ratio h / d, which is the ratio of the bottom diameter d to the height h, of 0.35 or more and 1.2 or less. There may be.
  • the phase adjusting lens may cover 75% or more of the substrate in a plan view of the photoelectric conversion element.
  • the phase adjusting layer may have fine irregularities.
  • the phase adjusting layer may have a plurality of scattered particles.
  • the imaging device includes a plurality of photoelectric conversion elements according to the above-described aspect, and the photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged.
  • the imaging element according to one aspect of the present invention includes a plurality of photoelectric conversion elements according to the above-described aspect, and the photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged.
  • the length of the side of the substrate is long.
  • the diameter of the phase adjusting lens is larger than that of the lens, and the phase adjusting lens has a shape in which a part of the phase adjusting lens protruding to the outside of the side of the substrate is removed.
  • the image pickup system includes a light source that emits emitted light having a predetermined wavelength band, and an image pickup device according to the above-described aspect.
  • the imaging system includes a light source that emits emitted light having a predetermined wavelength band, and a photoelectric conversion element according to the above-described aspect.
  • the vibration of the reflectance of the incident light is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a photoelectric conversion element 1 according to the present embodiment.
  • the photoelectric conversion element 1 includes a substrate 10 formed of a semiconductor, a dielectric layer 20 formed on the substrate 10, and a phase adjusting layer 30 formed on the dielectric layer 20.
  • the substrate 10 is made of, for example, silicon.
  • the substrate 10 has a charge generation region 11 and a floating diffusion FD.
  • the charge generation region 11 has a three-dimensional shape extending from the first surface 10a of the substrate 10 in the surface direction of the first surface 10a and the thickness direction of the substrate 10.
  • the charge generation region 11 is provided with a first conductive type (P + type) semiconductor region and a second conductive type (N type) semiconductor region.
  • a photodiode having a configuration in which electrons corresponding to the amount of light (light amount) incident on the charge generation region 11 are generated and accumulated as signal charges are formed.
  • the structure of the charge generation region 11 is known and can be formed, for example, by injecting an impurity (dopant) into the substrate 10.
  • the dielectric layer 20 has a low refractive index layer 21 in contact with the first surface 10a and a high refractive index layer 22 located on the low refractive index layer 21.
  • a wiring layer W for connecting the photoelectric conversion element 1 to an external circuit or the like is arranged in the dielectric layer 20, and a gate electrode G is formed in a part of the wiring layer W. When a potential is applied to the gate electrode G, the electrons generated in the charge generation region 11 are transferred to the floating diffusion FD.
  • the basic structures of the gate electrode G and the floating diffusion FD are known.
  • the phase adjusting layer 30 has an upper surface 30T (front surface) and a lower surface 30B, and is formed on the high refractive index layer 22.
  • the upper surface 30T is an incident surface on which light is incident.
  • the lower surface 30B is a contact surface where the phase adjusting layer 30 and the high refractive index layer 22 come into contact with each other.
  • the phase adjusting layer 30 has a structure in which scattered particles 32 are dispersedly arranged in a transparent base resin 31.
  • the phase adjusting layer 30 has a fine uneven shape on the upper surface 30T.
  • the scattered particles 32 either transparent particles or opaque particles can be used, but when opaque particles are used, if the ratio of the scattered particles 32 to the phase adjusting layer 30 is too large, the incident light is emitted.
  • the refractive index is different from that of the base resin 31.
  • silica particles can be exemplified.
  • opaque scattered particles include titania particles.
  • the plane in contact with the upper surface 30T of the phase adjusting layer 30 and parallel to the substrate 10 is designated as the first surface PL1
  • the lower surface 30B of the phase adjusting layer 30 is designated as the second surface PL2.
  • the optical path length from the time the reflected light RL passes through the first surface PL1 to the second surface PL2 is the first surface PL1.
  • the phase adjusting layer 30 is configured so as to differ depending on the incident position of the reflected light RL above (the position indicated by the reference numeral RL in FIG. 1).
  • the behavior of the incident light in the photoelectric conversion element 1 of the present embodiment configured as described above will be described.
  • the light incident on the photoelectric conversion element 1 is incident on the phase adjusting layer 30 before reaching the dielectric layer.
  • a part of the light incident on the phase adjusting layer 30 hits the scattered particles 32 and changes the optical path in various directions, resulting in light having various optical path lengths.
  • a phase difference is generated between the light that hits the scattered particles 32 and the light that does not hit the scattered particles 32 due to the change in the optical path length.
  • a phase difference is generated between the lights that hit the scattered particles 32.
  • the light emitted from the phase adjusting layer 30 is incident on the high refractive index layer 22 at various angles of incidence, and the optical path length changes depending on the angle of incidence to generate a phase difference.
  • the light transmitted through the phase adjusting layer 30 and incident on the high refractive index layer 22 includes a plurality of types of light having different optical path lengths as described above. Therefore, a part of the vibration is canceled by the phase difference, and the amplitude is reduced.
  • the amplitude of the interference vibration in the dielectric layer 20 is reduced as compared with the case where the phase adjusting layer 30 is not provided. Therefore, the amplitude of the interference vibration can be reduced extremely easily without considering the film thickness and material of the low refractive index layer 21 and the high refractive index layer 22.
  • the sensitivity variation for each product can be suppressed, and in the case of an imaging system having a plurality of pixels, the sensitivity variation for each pixel can be suppressed.
  • the configuration of the present embodiment including the phase adjusting layer 30 contributes to the stabilization of the distance measurement accuracy.
  • the phase adjustment layer 30 can reduce the amplitude of the interference vibration depends on the wavelength of the incident light. That is, the interference vibrations of light that are out of phase by 1/2 cycle cancel each other out.
  • the phase adjustment layer 30 may be designed so that the light passing through the phase adjustment layer 30 includes the light having the optical path length increased by 1/4 wavelength or more. ..
  • the photoelectric conversion element 1 of the present embodiment is applied to an imaging system using light having a wavelength in the near infrared region, it has passed through the phase adjusting layer 30 according to the specific wavelength of the light emitted from the light source.
  • the phase adjustment layer 30 may be designed so that the light includes light having an increased optical path length of about 190 nm to 350 nm or more.
  • the scattering by the scattered particles 32 is forward scattering in order to increase the transmittance.
  • the forward scattering may be geometric scattering or Mie scattering, but in either case, as the phase adjustment layer 30 becomes thicker, the light scattered outside the pixel region increases. Therefore, from the viewpoint of designing the phase adjusting layer 30 to be thin, the particle size of the scattered particles 32 is preferably small, for example, preferably 3 ⁇ m or less, and more preferably 1.5 ⁇ m or less.
  • the particle size of the scattered particles 32 is preferably 10 nm or more, and more preferably 0.1 ⁇ m or more.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the photoelectric conversion element 201 according to the present embodiment.
  • the phase adjusting layer 230 formed on the dielectric layer 20 does not contain scattered particles and has fine irregularities on the surface 230a. That is, although the material of the phase adjusting layer 230 is uniform, the thickness differs for each part due to fine irregularities, and the phase adjusting layer 230 has a plurality of types of thickness dimensions. Therefore, in the phase adjusting layer 230, the difference between the thickness dimension Th1 of the thinnest portion and the thickest portion Th2 is set to 1/4 or more of the wavelength of the light emitted from the light source. Similarly, the amplitude of the interference vibration can be reduced very easily.
  • the structure of fine irregularities can be appropriately set.
  • a structure having a plurality of portions having a constant thickness and having a step may be provided as in the phase adjusting layer 230, or the thickness may be continuous in a predetermined cross section as in the phase adjusting layer 230A shown in FIG. It may be a structure that changes smoothly and has no step. In the case of a structure having no step, the thickness may change continuously and linearly in a predetermined cross section as in the phase adjusting layer 230B shown in FIG. Further, there is no particular limitation on the structure in which the thickness increases or decreases. Therefore, the phase adjustment layer 230C shown in FIG.
  • the thickness may be increased or decreased so as to be line-symmetrical in a predetermined cross section of the photoelectric conversion element 1.
  • the inventor has found the above-mentioned effect of reducing the amplitude (hereinafter referred to as the amplitude reducing effect) by arranging the phase adjusting layer 230 on the dielectric layer 20, and has conducted a study for enhancing the effect by simulation. It was. The contents are shown below.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in the amount of light absorbed by the photoelectric conversion element 201 when the phase adjusting layer 230 is arranged on the dielectric layer 20 by increasing the thickness by 0.2 ⁇ m.
  • the photoelectric conversion element 201 is a square (diagonal 23.8 ⁇ m) having a side length of 16.8 ⁇ m.
  • FIG. 8 shows the amount of light absorbed in the range from the first surface 10a side of the substrate 10 to a depth of 13 ⁇ m.
  • FIG. 8 also shows that the peak value of the interference amplitude of the light absorption amount does not change much even if only the thickness of the phase adjusting layer 230 changes. This is because the optical path length in the dielectric layer 20 does not change even if only the thickness of the phase adjusting layer 230 changes. It is effective to change the optical path length in the dielectric layer 20 in order to suppress the peak portion of the interference amplitude.
  • a plurality of types of incident angles of light with respect to the dielectric layer may be generated. Specifically, it is preferable to continuously change the thickness of the phase adjusting layer as in the above-mentioned phase adjusting layers 230A and 230B.
  • the interference suppression effect due to the change in thickness and the interference suppression due to the change in the optical path length in the dielectric layer 20 are suppressed. It can exert both the effect.
  • the angle of the light incident on the dielectric layer 20 can be deflected.
  • the period of the uneven structure is 5 ⁇ m or less, preferably 3 ⁇ m or less.
  • the photoelectric conversion element according to each embodiment of the present embodiment can be used alone, but a plurality of photoelectric conversion elements may be arranged in a two-dimensional matrix to form an image pickup element.
  • FIG. 10 shows an example of the image sensor as a block diagram.
  • the image pickup element 40 has a light receiving region 41 in which a plurality of photoelectric conversion elements 1 are two-dimensionally arranged.
  • the image pickup device 40 includes a control circuit 50, a vertical drive circuit 60, a horizontal drive circuit 70, an AD conversion circuit 80, and an output circuit 90.
  • This structure is an example of an image pickup device, and specifications and the like are taken into consideration.
  • Various known configurations may be appropriately combined. It goes without saying that the photoelectric conversion element 201 may be used instead of the photoelectric conversion element 1.
  • the number and arrangement of photoelectric conversion elements arranged in the light receiving region 41 can also be appropriately set.
  • the plurality of photoelectric conversion elements may be two-dimensionally arranged without gaps. At that time, a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally on a single semiconductor wafer may be formed.
  • FIG. 11 schematically shows an example of an imaging system to which the photoelectric conversion element of the present embodiment is applied.
  • the imaging system 100 shown in FIG. 11 includes a light emitting unit 110 having a light source 101 and a light receiving unit 120 having an imaging sensor 121.
  • the light source 101 emits emitted light L1 having a predetermined wavelength and wavelength band (wavelength profile) toward the subject O.
  • the reflected light L2 generated by the emitted light L1 being reflected by the subject O is incident on the image sensor 121 of the light receiving unit 120.
  • the image pickup sensor 121 either a single photoelectric conversion element or an image pickup element 40 including a plurality of photoelectric conversion elements can be used.
  • the phase adjustment layer in the image pickup sensor 121 based on the wavelength band of the emitted light L1, it is possible to obtain an image pickup system with little variation in distance measurement accuracy.
  • the phase adjusting layer in the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the phase adjusting layer 330 of the modified example shown in FIG. 12 has a first region 331, a second region 332, a third region 333, and a fourth region 334 having different refractive indexes. Since the light transmitted through the regions having different refractive indexes has a substantially different optical path length, the refractive index of each region is appropriate based on the light source wavelength and the like even if the thickness of all the regions in the phase adjustment layer 330 is the same. By setting to, the amplitude reduction effect is achieved.
  • the number and arrangement of each region can be set as appropriate. For example, they may be arranged so that the refractive index gradually increases or decreases, or they may be arranged irregularly as shown in FIG.
  • the amplitude reduction effect can be enhanced by making the thickness of each region 331 to 334 different or by continuously changing the thickness.
  • the regions 331 to 334 may be arranged side by side in the thickness direction of the phase adjustment layer.
  • the scattered particles 32 may be included in the phase adjusting layer 230 and the phase adjusting layer 330.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the photoelectric conversion element 301 according to the present embodiment.
  • the photoelectric conversion element 301 includes a substrate 10 formed of a semiconductor, a dielectric layer 20 formed on the substrate 10, and a phase adjusting lens 30L formed on the dielectric layer 20.
  • the phase adjustment lens 30L corresponds to the phase adjustment layer of the present invention.
  • the phase adjusting lens 30L is formed on the high refractive index layer 22.
  • the aspect ratio (h / d) which is the ratio of the bottom surface diameter d and the thickness h of the phase adjusting lens 30L, is 0.6 or more and 1.0 or less.
  • the microlens itself having such an aspect ratio is not known, it can be manufactured by a known microlens technique by appropriately setting appropriate manufacturing conditions.
  • the shape of the phase adjusting lens 30L in a plan view is a quadrangle due to the arrangement of the phase adjusting lens 30L or the like, it is considered that the diagonal length of the quadrangle is shorter than the diameter of the phase adjusting lens 30L having a circular shape.
  • the curved surface above the phase adjusting lens 30L is extended to the bottom surface of the phase adjusting lens 30L, and the diameter of the shape of the phase adjusting lens 30L is defined as the bottom surface diameter d.
  • the behavior of the incident light in the photoelectric conversion element 301 of the present embodiment configured as described above will be described.
  • the light incident on the photoelectric conversion element 301 is incident on the lens surface 30a of the phase adjusting lens 30L at various incident angles before reaching the dielectric layer 20, and the optical path length changes.
  • the light is incident on the high refractive index layer 22 in a state where a phase difference is generated between the light incident on the phase adjusting lens 30L.
  • the dielectric layer 20 interference occurs due to the multi-layer structure of the low refractive index layer 21 and the high refractive index layer 22, and the reflectance vibrates.
  • the light incident on the high refractive index layer 22 from the phase adjusting lens 30L includes light having various phases. Therefore, a part of the vibration is canceled and the amplitude is reduced.
  • the amplitude of the interference vibration in the dielectric layer 20 is reduced as compared with the case where the phase adjusting lens 30L is not provided. Therefore, the amplitude of the interference vibration can be reduced extremely easily without considering the film thickness and material of the low refractive index layer 21 and the high refractive index layer 22. As a result, in the case of an imaging system having a single pixel, the sensitivity variation for each product can be suppressed, and in the case of an imaging system having a plurality of pixels, the sensitivity variation for each pixel can be suppressed. In any case, the configuration of the present embodiment provided with the phase adjusting lens 30L contributes to the stabilization of the distance measurement accuracy.
  • the phase adjustment lens 30L can reduce the amplitude of the interference vibration depends on the wavelength of the incident light. That is, the interference vibrations of light that are out of phase by 1/2 cycle cancel each other out.
  • the phase adjustment lens 30L may be designed so that the light passing through the phase adjustment lens 30L includes the light having the optical path length increased by 1/4 wavelength or more. ..
  • the photoelectric conversion element 301 of the present embodiment is applied to an imaging system using light having a wavelength in the near infrared region, the light passes through the phase adjusting lens 30L according to the specific wavelength of the light emitted from the light source.
  • the lens shape of the phase adjusting lens 30L may be designed so that the light includes light having an increased optical path length of about 190 nm to 350 nm or more.
  • the inventor found the above-mentioned amplitude reduction effect by arranging the phase adjustment lens 30L on the dielectric layer 20, and conducted a study to enhance the effect by simulation. The contents are shown below.
  • FIG. 16 shows the dimensions of the photoelectric conversion element 301 in a plan view under simulation conditions.
  • the shape and dimensions of the photoelectric conversion element 301 in a plan view were defined as a square (diagonal length 23.8 ⁇ m) having a side length of 16.8 ⁇ m.
  • the bottom diameter d of the phase adjusting lens 30L was set to 20.0 ⁇ m.
  • the phase adjustment lens 30L was arranged so that the optical axis of the phase adjustment lens 30L and the center of the photoelectric conversion element 301 in a plan view coincide with each other. In this state, about 95% of the substrate 10 was covered with the phase adjusting lens 30L.
  • the wavelength of the light incident on the photoelectric conversion element 301 was set to 800 to 900 nm, the height h of the phase adjusting lens 30L was changed, and the change in the amplitude reduction effect was examined.
  • the amount of light absorbed in the range from the first surface 10a side of the substrate 10 to a depth of 13 ⁇ m was used.
  • the horizontal axis shows the aspect ratio of the phase adjusting lens 30L
  • the vertical axis shows the ratio of the amplitude of the incident light to the average wavelength.
  • the amplitude reduction effect was further enhanced, but it can be seen that the increase in the amplitude reduction effect became slower when the aspect ratio exceeded 0.6, which is about 1/3 of the amplitude reduction effect.
  • the aspect ratio of the phase adjusting lens 30L increases, the thickness of the phase adjusting lens 30L and the tangential angle range of the lens surface that increases the optical path length of the incident light due to light refraction increase, thereby canceling the interference and causing interference.
  • the effect of reducing the amplitude is enhanced.
  • the aspect ratio exceeds 0.5, the thickness of the phase adjusting lens 30L increases, but the tangential angle range of the lens surface does not increase any more.
  • the proportion of the high angle component in the tangential angle range of the lens surface of the phase adjustment lens 30L with an aspect ratio of 0.5 is small.
  • the high angle component of the tangent line of the lens surface increases, so that the effect of reducing the amplitude of interference is enhanced.
  • the aspect ratio exceeds 0.6, the tangential high angle component of the lens surface begins to become excessive, and the effect of reducing the amplitude of interference begins to become dull.
  • the aspect ratio of the phase adjustment lens 30L is preferably 0.35 or more and 1.2 or less, and 0.6 or more and 1.0 or less. It was considered more preferable.
  • the coverage of the phase adjusting lens 30L (the ratio of the phase adjusting lens covering the substrate in the plan view of the photoelectric conversion element) was set to about 95%.
  • the effect of the present invention can be obtained when the coverage of the phase adjusting lens 30L is at least 75% or more. It is more desirable to completely cover the charge generation region 11 when the photoelectric conversion element 301 is viewed in a plan view.
  • the area occupied by the charge generation region 11 on the substrate 10 varies depending on the layout design of the pixels constituting the photoelectric conversion element 301, but is generally about 30% to 50% in the plan view of the photoelectric conversion element 301.
  • the plan view shape of the charge generation region 11 various shapes such as a square, a rectangle, and a trapezoid can be adopted depending on the layout design of the pixels. Therefore, it is desirable that the coverage of the phase adjusting lens 30L is 75% or more.
  • phase adjusting lens 30L having a circular bottom surface is coated on a square photoelectric conversion element 301 in a plan view with a coverage of about 75%
  • the phase adjusting lens 30L is coated on the square photoelectric conversion element 301.
  • the phase adjusting lens 30L can cover the entire charge generation region 11 regardless of the area and shape of the charge generation region 11.
  • the photoelectric conversion element 301 according to the present embodiment can be used alone, but a plurality of photoelectric conversion elements 301 may be arranged in a two-dimensional matrix to form an image pickup element.
  • the image sensor 40 may have a light receiving region 41 in which a plurality of photoelectric conversion elements 301 are two-dimensionally arranged.
  • each phase adjusting lens 30L of the photoelectric conversion element 301 can be appropriately set.
  • the diameter d of the phase adjusting lens 30L may be larger than the length of one side of the substrate 10 in a plan view.
  • a part of the peripheral edge of the phase adjusting lens 30L is removed according to the shape of the substrate 10, that is, a part of the phase adjusting lens 30L protruding to the outside of the side of the substrate 10 in a plan view is removed.
  • a phase adjusting lens 30L is formed so as to be removed.
  • the plurality of photoelectric conversion elements 301 can be two-dimensionally arranged without gaps without the adjacent phase adjusting lenses 30L interfering with each other. Further, a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally on a single semiconductor wafer may be formed.
  • an image pickup sensor 121 including a plurality of photoelectric conversion elements 301 may be applied to the image pickup system.
  • the image sensor 121 either a single photoelectric conversion element 301 or an image pickup element 40 including a plurality of photoelectric conversion elements 301 can be used.
  • the phase adjustment lens 30L in the image pickup sensor 121 based on the wavelength band of the emitted light L1, it is possible to obtain an image pickup system with little variation in distance measurement accuracy.
  • the structure of the phase adjusting layer 230 described in the second embodiment may be applied to the phase adjusting lens 30L according to the third embodiment.
  • a structure in which fine irregularities are formed on the surface (lens surface) of the phase adjusting lens 30L can be obtained.
  • Photoelectric conversion element 10 Substrate 11 Charge generation region 20 Dielectric layer 30, 230, 230A, 230B, 230C, 230D, 230E, 330, 330A, 330B Phase adjustment layer 30L Phase adjustment lens (phase adjustment layer) 30T Upper surface 30B Lower surface 32 Scattered particles 40 Image sensor 100 Image sensor 101 Light source L1 Emission light RL, L2 Reflected light PL1 First surface PL2 Second surface

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Abstract

本発明の光電変換素子は、光源から出射された所定の波長プロファイルを有する出射光が被写体で反射された反射光を受光する光電変換素子である。前記光電変換素子の断面視において、位相調整層の上面に接するとともに基板に対して平行な平面を第一面とし、前記位相調整層の下面を第二面とするとき、前記光電変換素子に対して垂直に前記反射光が入射した場合に、前記反射光が前記第一面を通過してから前記第二面に至るまでの光路長が、前記第一面上における前記反射光の入射位置に応じて異なるように、前記位相調整層は構成されている。

Description

光電変換素子、撮像素子、および撮像システム
　本発明は、光電変換素子、撮像素子、および撮像システムに関する。
　本願は、２０１９年８月３０日に日本に出願された特願２０１９－１５７６４４号及び２０１９年８月３０日に日本に出願された特願２０１９－１５７６４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　光電変換素子は、様々な分野で利用されている。光電変換素子が利用される分野の一つとして、測距可能な撮像システムが知られている。
　このような撮像システムは、一般に被写体に照射する光を生成する光源と、光電変換素子とを備える。光電変換素子は、被写体からの反射光を撮像する撮像センサとして機能する。
　光電変換素子は、電荷生成領域が形成されるシリコン基板を有する。シリコン基板の表面側には、一以上の誘電体層が形成され、誘電体層内に信号配線が配置される。すなわち、光電変換素子は、通常、誘電体多層膜構成を有する。
日本国特開２０１７－４１５９０号公報
　上述の構成を有する光電変換素子において、入射光には、多層膜による干渉効果が作用し、波長領域内で反射率が振動する。
　反射率振動の振幅や位相は、多層膜を構成する各層の膜厚や屈折率によって複雑に変化する。さらには、誘電体層の素子面内における厚さや組成のばらつきや、光源から出射される光の中心波長のばらつき等によっても変化する。
　反射率振動の振幅が大きいことは、光電変換素子を構成する複数の画素のそれぞれの感度のばらつきが大きくなる原因になる。このばらつきは、最終的には撮像システムの測距精度に影響を与えるため、反射率振動の振幅はできるだけ小さいことが好ましい。しかし、上述のように、反射率振動の振幅や位相に影響を与える要素は多数存在するため、その制御は容易ではない。
　上記事情を踏まえ、本発明は、入射光の反射率の振動が低減された光電変換素子を提供することを目的とする。
　本発明の他の目的は、複数の画素のそれぞれにおける測距精度のばらつきが少ない撮像素子および撮像システムを提供することである。
　本発明の一態様に係る光電変換素子は、光源から出射された所定の波長帯域を有する出射光が被写体で反射された反射光を受光する光電変換素子であって、電荷生成領域を有する基板と、前記基板上に形成された誘電体層と、前記誘電体層上に配置され、上面と下面を有する位相調整層と、を備える。前記光電変換素子の断面視において、前記位相調整層の前記上面に接するとともに前記基板に対して平行な平面を第一面とし、前記位相調整層の前記下面を第二面とするとき、前記光電変換素子に対して垂直に前記反射光が入射した場合に、前記反射光が前記第一面を通過してから前記第二面に至るまでの光路長が、前記第一面上における前記反射光の入射位置に応じて異なるように、前記位相調整層は構成されている。
　本発明の一態様に係る光電変換素子においては、前記位相調整層を透過した前記反射光の光路長差の最大値が、前記出射光の平均波長の１／４以上であってもよい。
　本発明の一態様に係る光電変換素子においては、前記位相調整層は、底面直径ｄと高さｈの比であるアスペクト比ｈ／ｄが０．３５以上１．２以下である位相調整レンズであってもよい。
　本発明の一態様に係る光電変換素子においては、前記位相調整レンズが、前記光電変換素子の平面視において前記基板の７５％以上を覆ってもよい。
　本発明の一態様に係る光電変換素子においては、前記位相調整層は、微細凹凸を有してもよい。
　本発明の一態様に係る光電変換素子においては、前記位相調整層は、複数の散乱粒子を有してもよい。
　本発明の一態様に係る撮像素子は、上述した態様に係る光電変換素子を複数備え、前記光電変換素子が二次元配列されている。
　本発明の一態様に係る撮像素子は、上述した態様に係る光電変換素子を複数備え、前記光電変換素子が二次元配列されており、前記光電変換素子の平面視において、前記基板の辺の長さよりも前記位相調整レンズの直径が大きく、前記位相調整レンズは、前記基板の前記辺の外側に突出する前記位相調整レンズの一部が除去された形状を有する。
　本発明の一態様に係る撮像システムは、所定の波長帯域を有する出射光を出射する光源と、上述した態様に係る撮像素子と、を備える。
　本発明の一態様に係る撮像システムは、所定の波長帯域を有する出射光を出射する光源と、上述した態様に係る光電変換素子と、を備える。
　本発明の一態様に係る光電変換素子は、入射光の反射率の振動が低減されている。
　本発明の一態様に係る撮像素子および撮像システムは、複数の画素のそれぞれにおける測距精度のばらつきが少ない。
本発明の第一実施形態に係る光電変換素子を示す模式断面図である。 本発明の第二実施形態に係る光電変換素子を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の他の例を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の他の例を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の他の例を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の他の例を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の他の例を示す模式断面図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子における位相調整層の厚さ変化が光吸収量に与える影響を示すグラフである。 光が誘電体層へ入射する角度の変化が光吸収量に与える影響を示すグラフである。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子が適用された撮像素子の一例を示す図である。 第一実施形態及び第二実施形態に係る光電変換素子が適用された撮像システムの一例を示す図である。 本発明の第一実施形態及び第二実施形態における変形例に係る位相調整層を示す図である。 本発明の第一実施形態及び第二実施形態における変形例に係る位相調整層を示す図である。 本発明の第一実施形態及び第二実施形態における変形例に係る位相調整層を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る光電変換素子を示す模式断面図である。 本発明の第三実施形態に係る光電変換素子の位相調整レンズに関するシミュレーション条件を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る位相調整レンズに関するシミュレーション結果を示すグラフである。
（第一実施形態）
　本発明の第一実施形態について、図１を参照して説明する。
　図１は、本実施形態に係る光電変換素子１を示す模式断面図である。光電変換素子１は、半導体で形成された基板１０と、基板１０上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０上に形成された位相調整層３０とを備えている。
　基板１０は、例えばシリコンで形成されている。基板１０は、電荷生成領域１１と、フローティングディフュージョンＦＤとを有している。
　電荷生成領域１１は、基板１０の第一面１０ａから、第一面１０ａの面方向および基板１０の厚さ方向に広がる三次元形状を有する。電荷生成領域１１には、図１に示すように、第一導電型（Ｐ＋型）半導体領域と第二導電型（Ｎ型）半導体領域とが設けられている。この構造においては、電荷生成領域１１に入射した光の量（光量）に応じた電子を信号電荷として発生して蓄積する構成を有するフォトダイオードが形成されている。電荷生成領域１１の構造は公知であり、例えば基板１０に不純物（ドーパント）を注入することにより形成できる。
　誘電体層２０は、第一面１０ａと接触する低屈折率層２１と、低屈折率層２１上に位置する高屈折率層２２とを有する。誘電体層２０内には、光電変換素子１を外部の回路等と接続するための配線層Ｗが配置され、配線層Ｗの一部にゲート電極Ｇが形成されている。ゲート電極Ｇに電位が印加されることにより、電荷生成領域１１に発生した電子がフローティングディフュージョンＦＤに転送される。ゲート電極ＧおよびフローティングディフュージョンＦＤの基本構造は公知である。
　位相調整層３０は、上面３０Ｔ（表面）と下面３０Ｂを有しており、高屈折率層２２上に形成されている。上面３０Ｔは、光が入射する入射面である。下面３０Ｂは、位相調整層３０と高屈折率層２２とが接触する接触面である。
位相調整層３０は、透明性を有するベース樹脂３１中に散乱粒子３２が分散的に配置された構造を有する。位相調整層３０は、上面３０Ｔに微細な凹凸形状を有する。
　散乱粒子３２は、透明性を有する粒子、不透明の粒子のいずれも用いることができるが、不透明の粒子を使用する場合は、位相調整層３０に占める散乱粒子３２の比率が多すぎると入射光が過度に減ってしまう点に留意する。透明性を有する粒子を使用する場合は、ベース樹脂３１と屈折率が異なることが必要である。
　透明性を有する散乱粒子としては、シリカ粒子を例示できる。不透明の散乱粒子としては、チタニア粒子を例示できる。
　光電変換素子１の断面視において、位相調整層３０の上面３０Ｔに接するとともに基板１０に対して平行な平面を第一面ＰＬ１とし、位相調整層３０の下面３０Ｂを第二面ＰＬ２とする。このとき、光電変換素子１に対して垂直に反射光ＲＬが入射した場合に、反射光ＲＬが第一面ＰＬ１を通過してから第二面ＰＬ２に至るまでの光路長が、第一面ＰＬ１上における反射光ＲＬの入射位置（図１において符号ＲＬで示された位置）に応じて異なるように、位相調整層３０は構成されている。
　上記のように構成された本実施形態の光電変換素子１における入射光の挙動について説明する。
　光電変換素子１に入射する光は、誘電体層に到達する前に、位相調整層３０に入射する。位相調整層３０に入射した光の一部は、散乱粒子３２に当たって様々な方向に光路を変化させる結果、様々な光路長の光が生じる。その結果、散乱粒子３２に当たった光と散乱粒子３２に当たらなかった光との間に光路長の変化による位相差が発生する。さらに、散乱粒子３２に当たった光の間でも位相差が発生する。
　位相調整層３０から出射された光は、様々な入射角で高屈折率層２２に入射し、入射角の違いによっても光路長が変化して位相差が発生する。
　誘電体層２０内においては、低屈折率層２１と高屈折率層２２との多層構成による干渉が生じ、反射率が振動する。しかしながら、位相調整層３０を透過して高屈折率層２２に入射する光には、上述したように光路長が異なる複数種類の光が含まれている。このため、位相差により振動の一部が相殺され、振幅が低減する。
　以上により、誘電体層２０内における干渉振動の振幅は、位相調整層３０を設けない場合に比べて低減される。したがって、低屈折率層２１および高屈折率層２２の膜厚や材質を考慮しなくても、極めて簡便に干渉振動の振幅を低減できる。その結果、単一画素を有する撮像システムの場合は、製品ごとの感度ばらつきを抑えることができ、複数の画素を有する撮像システムの場合は、画素ごとの感度ばらつきを抑えることができる。いずれの場合も、位相調整層３０を備えた本実施形態の構成は、測距精度の安定化に寄与する。
　位相調整層３０が干渉振動の振幅を低減できるか否かは、入射する光の波長によって変化する。すなわち、位相が１／２周期ずれた光の干渉振動は、互いに打ち消しあう。往復で光路長を１／２波長増加させるためには、位相調整層３０を通った光に１／４波長以上光路長が増加した光が含まれるように、位相調整層３０を設計すればよい。
　例えば、近赤外領域の波長の光を用いる撮像システムに本実施形態の光電変換素子１を適用する場合、光源から出射される光の具体的な波長に応じて、位相調整層３０を通った光に１９０ｎｍ～３５０ｎｍ程度以上光路長が増加した光が含まれるように、位相調整層３０を設計すればよい。
　位相調整層３０の設計の例として、散乱粒子３２による散乱は、透過率を高めるためには前方散乱であることが望ましい。前方散乱は、幾何学散乱であってもミー散乱であってもよいが、いずれの場合も位相調整層３０が厚くなるにつれて画素領域外へと散乱される光が増大する。そのため、位相調整層３０を薄く設計する観点からは散乱粒子３２の粒径は小さいほうが望ましく、例えば３μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましい。
　一方、散乱粒子３２の粒形が波長に対して十分小さくなると、レイリー散乱となり、後方散乱成分が増大するため好ましくない。そのため、近赤外光の領域においては、散乱粒子３２の粒径は、１０ｎｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。
（第二実施形態）
　本発明の第二実施形態について、図２から図５を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
　図２は、本実施形態に係る光電変換素子２０１を示す模式断面図である。誘電体層２０上に形成された位相調整層２３０は、散乱粒子を含まず、表面２３０ａに微細凹凸を有する。すなわち、位相調整層２３０の材質は、均一であるが、微細凹凸により部位ごとに厚みが異なり、複数種類の厚さ寸法を有する。
　したがって、位相調整層２３０において、最も薄い部分の厚さ寸法Ｔｈ１と、最も厚い部分Ｔｈ２との差を、光源から出射される光の波長の１／４以上にすることにより、第一実施形態と同様に、極めて簡便に干渉振動の振幅を低減できる。
　本実施形態において、微細凹凸の構造は適宜設定できる。例えば、位相調整層２３０のように、厚さが一定の部位を複数設け、段差を有する構造としてもよいし、図３に示す位相調整層２３０Ａのように、所定の断面において厚さが連続的に滑らかに変化し、段差を有さない構造であってもよい。段差を有さない構造の場合、図４に示す位相調整層２３０Ｂのように、所定の断面において厚さが連続的かつ直線的に変化してもよい。
　また、厚さが増減する構造についても特に制限はない。したがって、図５に示す位相調整層２３０Ｃのように、厚さの増減に関して所定の周期を繰り返す構造であってもよいし、図６に示す位相調整層２３０Ｄや図７に示す位相調整層２３０Ｅ等のように、光電変換素子１の所定の断面において線対称となるように厚さが増減する構造であってもよい。
　発明者は、誘電体層２０上に位相調整層２３０を配置することにより、上述した振幅を低減する効果（以下、振幅低減効果と称する）を見出し、シミュレーションによりその効果を高めるための検討を行った。以下に、その内容を示す。
　図８は、誘電体層２０上に、位相調整層２３０の厚みを０．２μｍずつ増加させて配置した場合の、光電変換素子２０１における光吸収量の変化を示したグラフである。
　光電変換素子２０１は、一辺の長さが１６．８μｍである正方形（対角２３．８μｍ）とした。図８は、基板１０の第一面１０ａ側から深さ１３μｍまでの範囲で吸収される光吸収量を示している。
　図８に示すように、基準厚さの位相調整層では、波長７５０ｎｍ付近、および波長８００ｎｍ付近に光吸収量の落ち込みが認められる。これに対し、基準よりも０．２μｍ厚さが増した「＋Δｚ１」では、波長８００ｎｍ付近の落ち込みがないことが分かる。基準よりも０．４μｍ厚さが増した「＋Δｚ１」では、波長７５０ｎｍ付近の落ち込みがないことが分かる。
　すなわち、位相調整層内に複数の厚みを有する領域を設けることで、光吸収の落ち込みが互いに補完され、波長に伴う光吸収の干渉振幅を抑制できることが図８からわかる。
　一方、図８は、位相調整層２３０の厚みのみが変化しても、光吸収量の干渉振幅のピーク値は、あまり変化しないことも示している。これは、位相調整層２３０の厚みのみが変化しても、誘電体層２０内の光路長は変化していないことによる。
　干渉振幅のピーク部分を抑制するには誘電体層２０内の光路長を変化させることが有効である。誘電体層２０内における光路長を変化させるには、誘電体層に対する光の入射角を複数種類生じさせればよい。具体的には、上述した位相調整層２３０Ａや２３０Ｂのように、位相調整層の厚さを連続的に変化させることが好ましい。
　位相調整層の厚さが連続的に変化することで、位相調整層の表面の一部に斜面が生じる。斜面に入射した光は、屈折して誘電体層２０内を斜めに進むため、光路長が変化する。
　図９に示すシミュレーション結果では、入射角が低屈折率層２１内で約１７度変化する（Ａｎｇｌｅ　１）と、振幅が概ね反転していることがわかる。
　したがって、位相調整層に厚みの異なる箇所を複数設け、その箇所間において厚さを連続的に変化することで、厚さの変化による干渉抑制効果と、誘電体層２０における光路長変化による干渉抑制効果との両方を発揮させる事ができる。
　他の例として、入射する光を位相調整層の凹凸構造により回折させても、誘電体層２０に入射する光の角度を偏向することができる。このとき、凹凸構造の周期は５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下である。
　本実施形態の各実施形態に係る光電変換素子は、単独でも使用できるが、二次元マトリクス状に複数配置されて撮像素子を構成してもよい。
　図１０に撮像素子の一例をブロック図として示す。撮像素子４０は、複数の光電変換素子１が二次元配列された受光領域４１を有する。撮像素子４０は、制御回路５０、垂直駆動回路６０、水平駆動回路７０、およびＡＤ変換回路８０、および出力回路９０を備えているが、この構造は、撮像素子の一例であり、仕様等を考慮して公知の各種構成が適宜組み合わされてよい。光電変換素子１に代えて、光電変換素子２０１を用いてもよいことは当然である。
　撮像素子４０においては、受光領域４１に配置される光電変換素子の数や配置についても、適宜設定できる。複数の光電変換素子は、隙間なく二次元配列されてよい。その際、単一の半導体ウエハに二次元配列された複数の光電変換素子を形成してもよい。
　図１１に、本実施形態の光電変換素子を適用した撮像システムの一例を模式的に示す。図１１に示す撮像システム１００は、光源１０１を有する発光部１１０と、撮像センサ１２１を有する受光部１２０とを備える。光源１０１は、所定の波長および波長帯域（波長プロファイル）を有する出射光Ｌ１を被写体Ｏに向けて出射する。出射光Ｌ１が被写体Ｏに反射されて生じた反射光Ｌ２は、受光部１２０の撮像センサ１２１に入射する。撮像センサ１２１としては、単独の光電変換素子、および複数の光電変換素子を備える撮像素子４０のいずれも使用できる。
　撮像センサ１２１における位相調整層を、出射光Ｌ１の波長帯域に基づいて設計することにより、測距精度のばらつきが少ない撮像システムとすることができる。
（変形例）
　本発明における位相調整層は、上述した実施形態には限られない。
　図１２に示す変形例の位相調整層３３０は、屈折率の異なる第一領域３３１、第二領域３３２、第三領域３３３、および第四領域３３４を有する。屈折率が異なる領域を透過した光は、実質的光路長が異なるため、位相調整層３３０においてすべての領域の厚さが同一であっても、各領域の屈折率を光源波長等に基づいて適切に設定することにより、振幅低減効果を奏する。各領域の数や配列は適宜設定できる。例えば、屈折率が徐々に増加または減少するように並べられてもよいし、図１２のように無規則に配置されてもよい。
　図１３に示す位相調整層３３０Ａのように、各領域３３１～３３４の厚さを異ならせたり、さらに厚さを連続的に変化させたりすることで、振幅低減効果を高めることができる。
　図１４に示す位相調整層３３０Ｂのように、各領域３３１～３３４が位相調整層の厚さ方向に並べて配置されてもよい。
　また、散乱粒子３２は、位相調整層２３０や位相調整層３３０に含まれてもよい。
（第三実施形態）
　本発明の第三実施形態について、図１５から図１７を参照して説明する。
　図１５は、本実施形態に係る光電変換素子３０１を示す模式断面図である。光電変換素子３０１は、半導体で形成された基板１０と、基板１０上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０上に形成された位相調整レンズ３０Ｌとを備えている。位相調整レンズ３０Ｌは、本発明の位相調整層に相当する。
　位相調整レンズ３０Ｌは、高屈折率層２２上に形成されている。
　本実施形態において、位相調整レンズ３０Ｌの底面直径ｄと厚さｈとの比であるアスペクト比（ｈ／ｄ）は、０．６以上１．０以下である。このようなアスペクト比を有するマイクロレンズ自体は公知とはいえないが、適切な製造条件を適宜設定することにより、公知のマイクロレンズ技術により製造できる。
　位相調整レンズ３０Ｌの配置等により、平面視における位相調整レンズ３０Ｌの形状が四角形である場合において、円形形状を有する位相調整レンズ３０Ｌの直径よりも、四角形の対角線長さが短いことが考えられる。この場合は、位相調整レンズ３０Ｌの上方の曲面を位相調整レンズ３０Ｌの底面まで延長させ、位相調整レンズ３０Ｌの形状の直径を底面直径ｄと定義する。
　上記のように構成された本実施形態の光電変換素子３０１における入射光の挙動について説明する。
　光電変換素子３０１に入射する光は、誘電体層２０に到達する前に、位相調整レンズ３０Ｌのレンズ面３０ａに対して様々な入射角で入射し、光路長が変化する。その結果、位相調整レンズ３０Ｌに入射した光の間で位相差が発生した状態で高屈折率層２２に入射する。
　誘電体層２０内においては、低屈折率層２１と高屈折率層２２との多層構成による干渉が生じ、反射率が振動する。しかしながら、位相調整レンズ３０Ｌから高屈折率層２２に入射する光には、様々な位相の光が含まれている。このため、振動の一部が相殺され、振幅が低減する。
　以上により、誘電体層２０内における干渉振動の振幅は、位相調整レンズ３０Ｌを設けない場合に比べて低減される。したがって、低屈折率層２１および高屈折率層２２の膜厚や材質を考慮しなくても、極めて簡便に干渉振動の振幅を低減できる。その結果、単一画素を有する撮像システムの場合は、製品ごとの感度ばらつきを抑えることができ、複数の画素を有する撮像システムの場合は、画素ごとの感度ばらつきを抑えることができる。いずれの場合も、位相調整レンズ３０Ｌを備えた本実施形態の構成は、測距精度の安定化に寄与する。
　位相調整レンズ３０Ｌが干渉振動の振幅を低減できるか否かは、入射する光の波長によって変化する。すなわち、位相が１／２周期ずれた光の干渉振動は互いに打ち消しあう。往復で光路長を１／２波長増加させるためには、位相調整レンズ３０Ｌを通った光に１／４波長以上光路長が増加した光が含まれるように、位相調整レンズ３０Ｌを設計すればよい。
　例えば、近赤外領域の波長の光を用いる撮像システムに本実施形態の光電変換素子３０１を適用する場合、光源から出射される光の具体的な波長に応じて、位相調整レンズ３０Ｌを通った光に１９０ｎｍ～３５０ｎｍ程度以上光路長が増加した光が含まれるように、位相調整レンズ３０Ｌのレンズ形状を設計すればよい。
　発明者は、誘電体層２０上に位相調整レンズ３０Ｌを配置することにより、上述した振幅低減効果を見出し、シミュレーションによりその効果を高めるための検討を行った。以下に、その内容を示す。
　図１６は、シミュレーション条件における光電変換素子３０１の平面視における寸法を示す。光電変換素子３０１の平面視における形状及び寸法を、一辺の長さが１６．８μｍの正方形（対角線長２３．８μｍ）とした。位相調整レンズ３０Ｌの底面直径ｄは、２０．０μｍとした。位相調整レンズ３０Ｌの光軸と光電変換素子３０１の平面視中心とが一致するように位相調整レンズ３０Ｌを配置した。この状態において、基板１０の約９５％が位相調整レンズ３０Ｌによって被覆された。
　光電変換素子３０１に入射する光の波長を８００～９００ｎｍに設定し、位相調整レンズ３０Ｌの高さｈを変化させて、振幅低減効果の変化を検討した。指標として、基板１０の第一面１０ａ側から深さ１３μｍまでの範囲で吸収される光の量（光吸収量）を用いた。
　結果を図１７に示す。図１７において、横軸は、位相調整レンズ３０Ｌのアスペクト比を示しており、縦軸は、入射光の平均波長に対する振幅の比率を示している。位相調整レンズ３０Ｌを設けない場合、基板の光吸収量は、入射光の平均波長８５０ｎｍの約５０％の範囲で振動した。
　位相調整レンズ３０Ｌを配置することにより、振幅は低減した。位相調整レンズ３０Ｌのアスペクト比が高くなるにつれて振幅低減効果は増大し、アスペクト比０．３５の条件で、振幅は、位相調整レンズ３０Ｌを設けない場合の振幅の約１／２まで低減された。
　アスペクト比がさらに大きくなると、振幅低減効果はさらに高まったが、振幅低減効果が約１／３となるアスペクト比０．６を超えたところから、振幅低減効果の高まりが鈍くなることが見て取れる。
　位相調整レンズ３０Ｌのアスペクト比が高まると、位相調整レンズ３０Ｌの厚みと、光屈折によって入射光の光路長を増大させるレンズ面の接線角度範囲と、が増大することで干渉を打ち消し合い、干渉による振幅低減効果が高まる。しかしながら、アスペクト比が０．５を超えると、位相調整レンズ３０Ｌの厚みは増大するが、レンズ面の接線角度範囲は、これ以上増大しない。
　アスペクト比０．５の位相調整レンズ３０Ｌのレンズ面の接線角度範囲のうち高角成分の占める割合は少ない。アスペクト比０．５～０．６の範囲においては、レンズ面の接線の高角成分が増大していくため干渉の振幅低減効果は高まる。しかしながら、アスペクト比０．６を超えたあたりからレンズ面の接線高角成分が過剰になり始め、干渉の振幅低減効果が鈍くなり始める。
　アスペクト比が０．７を超えると、効果の高まりは更に鈍くなり、アスペクト比１．０で飽和した。なお、アスペクト比が１．２を超える位相調整レンズを実質的に製造することが困難である。
　以上より、位相調整レンズの製造のし易さと振幅低減効果とを併せ考えると、位相調整レンズ３０Ｌのアスペクト比は、０．３５以上１．２以下が好ましく、０．６以上１．０以下がより好ましいと考えられた。
　図１６に示す例では、位相調整レンズ３０Ｌの被覆率（位相調整レンズが、光電変換素子の平面視において基板を覆っている割合）を約９５％とした。位相調整レンズ３０Ｌの被覆率が少なくとも７５％以上であれば、本発明の効果を得ることができる。なお、光電変換素子３０１を平面視した際に電荷生成領域１１を完全に覆うことがより望ましい。
　電荷生成領域１１が基板１０に占める面積は、光電変換素子３０１を構成する画素のレイアウト設計によって異なるが、光電変換素子３０１の平面視において３０％～５０％程度が一般的である。
　一方で、電荷生成領域１１の平面視形状は、画素のレイアウト設計によって、正方形や長方形、台形など様々な形状を採用することが可能である。従って、位相調整レンズ３０Ｌの被覆率は、７５％以上であることが望ましい。
　例えば、平面視において正方形の光電変換素子３０１に対して、底面の形状が円形である位相調整レンズ３０Ｌを約７５％の被覆率で被覆すると、正方形の光電変換素子３０１に対して位相調整レンズ３０Ｌが概ね内接する位置関係となる。このため、電荷生成領域１１の面積・形状によらず、位相調整レンズ３０Ｌが電荷生成領域１１の全体を覆うことが可能となる。
　また、光電変換素子３０１の平面視において、電荷生成領域１１の中心と位相調整レンズ３０Ｌの光軸中心とが一致していることが更に望ましい。
　本実施形態に係る光電変換素子３０１は、単独でも使用できるが、二次元マトリクス状に複数配置されて撮像素子を構成してもよい。
　例えば、図１０に示すブロック図のように、撮像素子４０は、複数の光電変換素子３０１が二次元配列された受光領域４１を有してもよい。
　撮像素子４０においては、受光領域４１に配置される光電変換素子３０１の数や配置についても、適宜設定できる。また、光電変換素子３０１のそれぞれの位相調整レンズ３０Ｌの形状も適宜設定できる。
　例えば、光電変換素子３０１において、図１６に示すように、平面視において基板１０の一辺の長さよりも位相調整レンズ３０Ｌの直径ｄが大きい場合がある。この場合には、基板１０の形状に合わせて、位相調整レンズ３０Ｌの周縁の一部を除去するように、つまり、平面視において基板１０の辺の外側に突出する位相調整レンズ３０Ｌの一部を除去するように、位相調整レンズ３０Ｌを形成する。これにより、隣り合う位相調整レンズ３０Ｌが互いに干渉することなく、複数の光電変換素子３０１を隙間なく二次元配列できる。また、単一の半導体ウエハに二次元配列された複数の光電変換素子を形成してもよい。
　例えば、図１１に示すように、撮像素子４０は、複数の光電変換素子３０１を備えた撮像センサ１２１が撮像システムに適用されてもよい。撮像センサ１２１としては、単独の光電変換素子３０１、および複数の光電変換素子３０１を備える撮像素子４０のいずれも使用できる。
　撮像センサ１２１における位相調整レンズ３０Ｌを、出射光Ｌ１の波長帯域に基づいて設計することにより、測距精度のばらつきが少ない撮像システムとすることができる。
　以上、本発明の各実施形態及び変形例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。
　例えば、第二実施形態に記載の位相調整層２３０の構造が第三実施形態に係る位相調整レンズ３０Ｌに適用されてもよい。この場合、位相調整レンズ３０Ｌの表面（レンズ面）の表面に微細凹凸が形成された構造が得られる。
　例えば、上述の実施形態及び変形例では、いわゆる表面照射型の光電変換素子の例を説明したが、本発明は、いわゆる裏面照射型の光電変換素子にも適用可能である。
１、２０１、３０１　光電変換素子
１０　基板
１１　電荷生成領域
２０　誘電体層
３０、２３０、２３０Ａ、２３０Ｂ、２３０Ｃ、２３０Ｄ、２３０Ｅ、３３０、３３０Ａ、３３０Ｂ　位相調整層
３０Ｌ　位相調整レンズ（位相調整層）
３０Ｔ　上面
３０Ｂ　下面
３２　散乱粒子
４０　撮像素子
１００　撮像システム
１０１　光源
Ｌ１　出射光
ＲＬ、Ｌ２　反射光
ＰＬ１　第一面
ＰＬ２　第二面

Claims (10)

  1. 　光源から出射された所定の波長帯域を有する出射光が被写体で反射された反射光を受光する光電変換素子であって、
    　電荷生成領域を有する基板と、
    　前記基板上に形成された誘電体層と、
    　前記誘電体層上に配置され、上面と下面を有する位相調整層と、
    　を備え、
    　前記光電変換素子の断面視において、前記位相調整層の前記上面に接するとともに前記基板に対して平行な平面を第一面とし、前記位相調整層の前記下面を第二面とするとき、
    　前記光電変換素子に対して垂直に前記反射光が入射した場合に、前記反射光が前記第一面を通過してから前記第二面に至るまでの光路長が、前記第一面上における前記反射光の入射位置に応じて異なるように、前記位相調整層は構成されている、
    　光電変換素子。
  2. 　前記位相調整層を透過した前記反射光の光路長差の最大値が、前記出射光の平均波長の１／４以上である、
    　請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 　前記位相調整層は、底面直径ｄと高さｈの比であるアスペクト比ｈ／ｄが０．３５以上１．２以下である位相調整レンズである、
    　請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
  4. 　前記位相調整レンズが、前記光電変換素子の平面視において前記基板の７５％以上を覆っている、
    　請求項３に記載の光電変換素子。
  5. 　前記位相調整層は、微細凹凸を有する、
    　請求項１又は請求項２に記載の光電変換素子。
  6. 　前記位相調整層は、複数の散乱粒子を有する、
    　請求項１、２、及び５のいずれか一項に記載の光電変換素子。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光電変換素子を複数備え、
    　前記光電変換素子が二次元配列されている、
    　撮像素子。
  8. 　請求項３又は請求項４に記載の光電変換素子を複数備え、
    　前記光電変換素子が二次元配列されており、
    　前記光電変換素子の平面視において、前記基板の辺の長さよりも前記位相調整レンズの直径が大きく、
    　前記位相調整レンズは、前記基板の前記辺の外側に突出する前記位相調整レンズの一部が除去された形状を有する、
    　撮像素子。
  9. 　所定の波長帯域を有する出射光を出射する光源と、
    　請求項７又は請求項８に記載の撮像素子と、
    　を備える、
    　撮像システム。
  10. 　所定の波長帯域を有する出射光を出射する光源と、
    　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光電変換素子と、
    　を備える、
    　撮像システム。
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