WO2021153298A1 - 受光素子、撮像素子、撮像装置 - Google Patents
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- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
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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 technology relates to a light receiving element, an image pickup element, and an image pickup device, and for example, a light receiving element, an image pickup element, and an image pickup device whose sensitivity does not decrease even when receiving a long wavelength.
- CMOS complementary metal Oxide Semiconductor
- CMOS image sensors In recent years, in CMOS image sensors, the miniaturization of PD itself is required with the miniaturization of devices. However, if the light receiving area of the PD is simply reduced, the light receiving sensitivity is lowered, and it becomes difficult to realize high-definition image quality. Therefore, in the CMOS image sensor, it is required to improve the light receiving sensitivity while miniaturizing the PD.
- Patent Documents 1 and 2 describe a plurality of pns in a comb shape with respect to the depth direction of PD by implanting impurities (ion implantation). A method of forming a junction region has been proposed.
- This technology was made in view of such a situation, and makes it possible to reduce the size and height of a light receiving element that receives a long wavelength while maintaining a desired light receiving sensitivity. ..
- the light receiving element on one aspect of the present technology receives a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light converted into the first wavelength band by the conversion unit, and performs photoelectric conversion.
- a second surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side is provided with a photoelectric conversion unit to perform surface plasmon resonance in the first wavelength band, and the incident light of the conversion unit is incident on the second surface.
- the surfaces resonate with surface plasmons in the second wavelength band.
- the first imaging element on one aspect of the present technology receives a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit.
- a first pixel including a first photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, a transmission unit that transmits light in a second wavelength band of the incident light, and a second wavelength that has passed through the transmission unit.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side is provided with a pixel array unit in which a second pixel including a second photoelectric conversion unit that receives light in the band and performs photoelectric conversion is arranged. Resonates with the surface plasmon in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident resonates with the surface plasmon in the third wavelength band.
- the second image sensor on one aspect of the present technology receives a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit.
- a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion is provided, and the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon in the first wavelength band, and the incident light of the conversion unit is incident.
- the second surface includes a pixel array portion in which a plurality of pixels that resonate with surface plasmons in the second wavelength band are arranged.
- the first imaging device on one aspect of the present technology receives a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit.
- a first pixel including a first photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion, a transmission unit that transmits light in a second wavelength band of the incident light, and a second wavelength that has passed through the transmission unit.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side is provided with a pixel array unit in which a second pixel including a second photoelectric conversion unit that receives light in the band and performs photoelectric conversion is arranged.
- the second imaging device on one aspect of the present technology receives a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit.
- a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion is provided, and the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon in the first wavelength band, and the incident light of the conversion unit is incident.
- the second surface includes an imaging element including a pixel array unit in which a plurality of pixels that resonate with surface plasmon resonance in the second wavelength band are arranged, and a processing unit that processes a signal from the imaging element.
- a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light converted into the first wavelength band by the conversion unit are received and photoelectric conversion is performed.
- a photoelectric conversion unit is provided. Further, the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is surface plasmon in the second wavelength band. It is configured to resonate.
- a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit are received and photoelectric.
- a first pixel provided with a first photoelectric conversion unit for conversion, a transmission unit that transmits light in the second wavelength band of incident light, and light in the second wavelength band that has passed through the transmission unit.
- a pixel array unit is provided in which a second pixel is provided, which is provided with a second photoelectric conversion unit that receives light and performs photoelectric conversion.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon in the first wavelength band
- the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is surface plasmon resonance in the third wavelength band. It is configured to do.
- a conversion unit that converts incident light into light in the first wavelength band and light that has been converted into the first wavelength band by the conversion unit are received and photoelectric. It is provided with a photoelectric conversion unit that performs conversion. Further, the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is surface plasmon in the second wavelength band.
- a pixel array unit in which a plurality of resonating pixels are arranged is provided.
- the first image pickup device on one aspect of the present technology is configured to include the first image pickup element.
- the second image pickup device on one aspect of the present technology is configured to include the second image pickup element.
- the imaging device may be an independent device or an internal block constituting one device.
- FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an imaging device which is a kind of electronic device to which the present technology is applied.
- the image pickup device 10 of FIG. 1 includes, for example, a digital camera capable of capturing both a still image and a moving image. Further, the imaging device 10 is, for example, a conventional R (red), G (green), B (blue), or Y (yellow), M (magenda), C ( It comprises a multispectral camera capable of detecting light (multispectral) in 4 or more wavelength bands (4 bands or more), which is larger than 3 wavelength bands (3 bands) of (cyan).
- the image pickup device 10 includes an optical system 11, an image pickup element 12, a memory 13, a signal processing unit 14, an output unit 15, and a control unit 16.
- the optical system 11 includes, for example, a zoom lens, a focus lens, an aperture, etc. (not shown), and allows light from the outside to enter the image sensor 12. Further, the optical system 11 is provided with various filters such as a polarizing filter, if necessary.
- the image sensor 12 is composed of, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
- the image sensor 12 receives the incident light from the optical system 11, performs photoelectric conversion, and outputs image data corresponding to the incident light.
- CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
- the memory 13 temporarily stores the image data output by the image sensor 12.
- the signal processing unit 14 performs signal processing (for example, processing such as noise removal and white balance adjustment) using the image data stored in the memory 13 and supplies the signal to the output unit 15.
- signal processing for example, processing such as noise removal and white balance adjustment
- the output unit 15 outputs the image data from the signal processing unit 14.
- the output unit 15 has a display (not shown) composed of a liquid crystal or the like, and displays a spectrum (image) corresponding to the image data from the signal processing unit 14 as a so-called through image.
- the output unit 15 includes a driver (not shown) for driving a recording medium such as a semiconductor memory, a magnetic disk, or an optical disk, and records image data from the signal processing unit 14 on the recording medium.
- the output unit 15 functions as a communication interface for communicating with an external device (not shown), and transmits image data from the signal processing unit 14 to the external device wirelessly or by wire.
- the control unit 16 controls each unit of the image pickup apparatus 10 according to a user operation or the like.
- FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the circuit of the image sensor 12 of FIG.
- the image pickup element 12 includes a pixel array unit 31, a row scanning circuit 32, a PLL (Phase Locked Loop) 33, a DAC (Digital Analog Converter) 34, a column ADC (Analog Digital Converter) circuit 35, a column scanning circuit 36, and a sense amplifier. 37 is provided.
- PLL Phase Locked Loop
- DAC Digital Analog Converter
- column ADC Analog Digital Converter
- a plurality of pixels 51 are arranged two-dimensionally in the pixel array unit 31.
- the pixels 51 are arranged at points where the horizontal signal line H connected to the row scanning circuit 32 and the vertical signal line V connected to the column ADC circuit 35 intersect, respectively, as a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion. It includes a functioning photodiode 61 and several types of transistors for reading the stored signal. That is, the pixel 51 includes a photodiode 61, a transfer transistor 62, a floating diffusion 63, an amplification transistor 64, a selection transistor 65, and a reset transistor 66, as shown enlarged on the right side of FIG.
- the electric charge accumulated in the photodiode 61 is transferred to the floating diffusion 63 via the transfer transistor 62.
- the floating diffusion 63 is connected to the gate of the amplification transistor 64.
- the selection transistor 65 is turned on from the row scanning circuit 32 via the horizontal signal line H, and the signal of the selected pixel 51 uses the amplification transistor 64 as a source follower. By driving, it is read out to the vertical signal line V as a pixel signal corresponding to the accumulated charge amount of the electric charge accumulated in the photodiode 61. Further, the pixel signal is reset by turning on the reset transistor 66.
- the row scanning circuit 32 sequentially outputs drive signals for driving the pixels 51 of the pixel array unit 31 (for example, transfer, selection, reset, etc.) for each row.
- the PLL 33 generates and outputs a clock signal having a predetermined frequency necessary for driving each part of the image sensor 12 based on a clock signal supplied from the outside.
- the DAC 34 generates and outputs a lamp signal having a shape (substantially saw-shaped) that returns to a predetermined voltage value after the voltage drops from a predetermined voltage value with a constant slope.
- the column ADC circuit 35 has a number of comparators 71 and counters 72 corresponding to the rows of pixels 51 of the pixel array unit 31, and CDS (Correlated Double Sampling: correlation) is obtained from the pixel signals output from the pixels 51.
- the signal level is extracted by the double sampling) operation, and the pixel data is output. That is, the comparator 71 compares the lamp signal supplied from the DAC 34 with the pixel signal (luminance value) output from the pixel 51, and supplies the comparison result signal obtained as a result to the counter 72. Then, the counter 72 counts the counter clock signal having a predetermined frequency according to the comparison result signal output from the comparator 71, so that the pixel signal is A / D converted.
- the column scanning circuit 36 sequentially supplies a signal for outputting pixel data to the counter 72 of the column ADC circuit 35 at a predetermined timing.
- the sense amplifier 37 amplifies the pixel data supplied from the column ADC circuit 35 and outputs the pixel data to the outside of the image sensor 12.
- the pixel 51 is also described as a light receiving element. Further, the description will be continued on the assumption that the image pickup device 12 has a configuration including a plurality of pixels 51 (light receiving elements).
- FIG. 3 schematically shows a configuration example of a cross section of the image sensor 12 of FIG.
- FIG. 3 shows a cross section of four pixels of pixels 51-1 to 51-4 of the image sensor 12.
- the pixel 51 when it is not necessary to distinguish the pixels 51-1 to 51-4 individually, it is simply referred to as the pixel 51.
- the image sensor 12 is composed of a back-illuminated CMOS image sensor in which the photoelectric conversion element layer 105 is arranged on the incident side of light from the wiring layer 106.
- the on-chip lens 101 is an optical element for condensing light on the photoelectric conversion element layer 105 of each pixel 51.
- the interlayer film 102 and the interlayer film 104 are made of a dielectric material such as SiO2. As will be described later, it is desirable that the dielectric constants of the interlayer film 102 and the interlayer film 104 are as low as possible.
- Each pixel 51 is provided with a wavelength selection conversion unit 103, which selects and transmits light in a predetermined wavelength band from the incident light (propagates to the surface opposite to the incident surface) and also in another wavelength band. It has a function to convert.
- the wavelength selection conversion unit 103 includes a wavelength selection unit that selects light in a predetermined wavelength band from the incident light, and a wavelength conversion unit that converts the wavelength selected by the wavelength selection unit into light in another wavelength band. It is composed of.
- the wavelength selection unit and the wavelength conversion unit have the same basic configuration, and the wavelength selection unit and the wavelength conversion unit have a configuration using surface plasmon.
- the plasmon filter used as the wavelength selection unit and the wavelength conversion unit will be described, and the surface plasmon and the like will be described.
- the wavelength selection unit is, for example, a kind of metal thin film filter using a metal thin film such as aluminum, and a plasmon filter using surface plasmon can be used.
- the photoelectric conversion element layer 105 includes, for example, the photodiode 61 of FIG. 2, passes through the wavelength selection conversion unit 103, receives light whose wavelength has been converted, and converts the received light into electric charges. Further, the photoelectric conversion element layer 105 is configured such that each pixel 51 is electrically separated by an element separation layer.
- the wiring layer 106 is provided with wiring or the like for reading the electric charge accumulated in the photoelectric conversion element layer 105.
- FIG. 4 shows a configuration example of the plasmon filter 121A having a hole array structure.
- the plasmon filter 121A is composed of a plasmon resonator in which holes 132A are arranged in a honeycomb shape in a metal thin film (hereinafter referred to as a conductor thin film) 131A.
- Each hole 132A penetrates the conductor thin film 131A and acts as a waveguide. Since the wavelength selection conversion unit 103 has a function of selecting a predetermined wavelength and then converting the wavelength, the wavelength selection conversion unit 103 is configured not to penetrate the conductor thin film 131A. However, here, the understanding of the wavelength selection conversion unit 103 will be understood. To help, a filter that selects light in a predetermined wavelength band from incident light and transmits it will be described. Therefore, here, the description will be made from the case where the hole 132A penetrates the conductor thin film 131A.
- a waveguide has a cutoff frequency and a cutoff wavelength determined by the shape such as the length and diameter of the side, and has the property that light with a frequency lower than that (wavelength higher than that) does not propagate.
- the cutoff wavelength of the hole 132A mainly depends on the opening diameter D1, and the smaller the opening diameter D1, the shorter the cutoff wavelength.
- the aperture diameter D1 is set to a value smaller than the wavelength of the light to be transmitted.
- FIG. 5 is a graph showing the dispersion relation of surface plasmons.
- the horizontal axis of the graph shows the angular wavenumber vector k, and the vertical axis shows the angular frequency ⁇ .
- ⁇ p indicates the plasma frequency of the conductor thin film 131A.
- ⁇ sp indicates the surface plasma frequency at the interface between the interlayer film 102 and the conductor thin film 131A, and is represented by the following equation (1).
- ⁇ d indicates the dielectric constant of the dielectric material constituting the interlayer film 102.
- the surface plasma frequency ⁇ sp becomes higher as the plasma frequency ⁇ p becomes higher. Further, the surface plasma frequency ⁇ sp becomes higher as the dielectric constant ⁇ d becomes smaller.
- Line L1 indicates the light dispersion relation (light line) and is represented by the following equation (2).
- Line L2 represents the dispersion relation of surface plasmons and is represented by the following equation (3).
- ⁇ m indicates the dielectric constant of the conductor thin film 131A.
- ⁇ indicates the wavelength of the incident light.
- ⁇ indicates the incident angle of the incident light.
- G x and G y are represented by the following equation (5).
- a 0 represents the lattice constant of the hole array structure composed of hole 132A of the conductive thin film 131A.
- the left side of the equation (4) shows the angular wavenumber vector of the surface plasmon
- the right side shows the angular wavenumber vector of the Hall array period of the conductor thin film 131A. Therefore, when the angular wavenumber vector of the surface plasmon and the angular wavenumber vector of the hole array period of the conductor thin film 131A become equal, an abnormal transmission phenomenon of plasmon occurs. Then, the value of ⁇ at this time becomes the resonance wavelength of plasmon (transmission wavelength of the plasmon filter 121A).
- the angular wavenumber vector of the surface plasmon on the left side of the equation (4) is determined by the dielectric constant ⁇ m of the conductor thin film 131A and the dielectric constant ⁇ d of the interlayer film 102.
- the angular wavenumber vector of the hole array period on the right side is determined by the incident angle ⁇ of light and the pitch (hole pitch) P1 between adjacent holes 132A of the conductor thin film 131A. Therefore, the resonance wavelength and the resonance frequency of the plasmon are determined by the dielectric constant ⁇ m of the conductor thin film 131A, the dielectric constant ⁇ d of the interlayer film 102, the incident angle ⁇ of light, and the hole pitch P1.
- the resonance wavelength and resonance frequency of plasmon are determined by the dielectric constant ⁇ m of the conductor thin film 131A, the dielectric constant ⁇ d of the interlayer film 102, and the hole pitch P1.
- the transmission band (plasmon resonance wavelength) of the plasmon filter 121A includes the material and film thickness of the conductor thin film 131A, the material and film thickness of the interlayer film 102, and the pattern period of the hole array (for example, the hole 132A opening diameter D1 and the hole pitch). It changes depending on P1) and the like.
- the transmission band of the plasmon filter 121A changes depending on the pattern period of the hole array, particularly the hole pitch P1. That is, as the hole pitch P1 becomes narrower, the transmission band of the plasmon filter 121A shifts to the short wavelength side, and as the hole pitch P1 becomes wider, the transmission band of the plasmon filter 121A shifts to the long wavelength side.
- FIG. 6 is a graph showing an example of the spectral characteristics of the plasmon filter 121A when the hole pitch P1 is changed.
- the horizontal axis of the graph shows the wavelength (unit is nm), and the vertical axis shows the sensitivity (unit is arbitrary unit).
- the line L11 shows the spectral characteristics when the hole pitch P1 is set to 250 nm
- the line L12 shows the spectral characteristics when the hole pitch P1 is set to 325 nm
- the line L13 shows the spectral characteristics when the hole pitch P1 is set to 500 nm. The spectral characteristics of the case are shown.
- the plasmon filter 121A When the hole pitch P1 is set to 250 nm, the plasmon filter 121A mainly transmits light in the blue wavelength band. When the hole pitch P1 is set to 325 nm, the plasmon filter 121A mainly transmits light in the green wavelength band. When the hole pitch P1 is set to 500 nm, the plasmon filter 121A mainly transmits light in the red wavelength band. However, when the hole pitch P1 is set to 500 nm, the plasmon filter 121A transmits a large amount of light in a wavelength band lower than red due to the waveguide mode.
- the plasmon filter 121A'of FIG. 7A is composed of a negative-positive inverted structure with respect to the plasmon resonator of the plasmon filter 121A of FIG. 4, that is, a plasmon resonator in which dots 133A are arranged in a honeycomb shape on the dielectric layer 134A. Has been done. A dielectric layer 134A is filled between the dots 133A.
- the plasmon filter 121A' is used as a complementary color filter because it absorbs light in a predetermined wavelength band.
- the wavelength band of light absorbed by the plasmon filter 121A'(hereinafter referred to as absorption band) changes depending on the pitch between adjacent dots 133A (hereinafter referred to as dot pitch) P3 and the like. Further, the diameter D3 of the dot 133A is adjusted according to the dot pitch P3.
- the plasmon filter 121B'of B in FIG. 7 is composed of a plasmon resonator structure in which dots 133B are arranged in an orthogonal matrix on the dielectric layer 134B. A dielectric layer 134B is filled between the dots 133B.
- the absorption band of the plasmon filter 121B' changes depending on the dot pitch P4 or the like between the adjacent dots 133B. Further, the diameter D3 of the dot 133B is adjusted according to the dot pitch P4.
- the dot pitch P3 becomes narrower, the absorption band of the plasmon filter 121A'shifts to the short wavelength side, and as the dot pitch P3 becomes wider, the absorption band of the plasmon filter 121A' shifts to the long wavelength side.
- the transmission band or the absorption band can be adjusted simply by adjusting the pitch in the plane direction of the holes or dots. Therefore, for example, it is possible to individually set the transmission band or the absorption band for each pixel simply by adjusting the pitch of holes or dots in the lithography process, and it is possible to increase the number of colors of the filter in a smaller number of processes. ..
- the thickness of the plasmon filter is about 100 to 500 nm, which is almost the same as that of the organic material color filter, and the process affinity is good.
- a filter having a shape called a bull's eye (hereinafter referred to as a bull's eye structure) can be applied.
- the bullseye structure is a name given because it resembles a darts target or a bow and arrow target.
- the plasmon filter 171 having a bullseye structure has a through hole 181 in the center, and is composed of a plurality of concentric recesses 182 formed around the through hole 181. There is. That is, the plasmon filter 171 having a bullseye structure has a shape to which a metal diffraction grating structure that causes plasmon resonance is applied.
- the transmission band of the plasmon filter 171 shifts to the short wavelength side as the pitch P6 becomes narrower, and the plasmon filter 171 becomes wider as the pitch P6 becomes wider.
- the transmission band has a feature of shifting to the long wavelength side.
- FIG. 9 describes a cross-sectional configuration example of the hole array type plasmon filter 121A shown in FIG. 4 and the plasmon filter 171 having a bullseye structure shown in FIG.
- the upper view of A in FIG. 9 shows the hole array type plasmon filter 121A shown in FIG. 4, and the lower figure shows an example of cross-sectional configuration.
- the hole array type plasmon filter 121A has a structure in which the hole 132A penetrates the conductor thin film 131A.
- the upper view of B in FIG. 9 shows the plasmon filter 171 having the bullseye structure shown in FIG. 8, and the lower figure shows a cross-sectional configuration example.
- the through hole 181 is configured to penetrate the conductor thin film.
- the space between the recesses 182 is formed non-penetratingly.
- the wavelength selection conversion unit 103 described below has a configuration in which the surface plasmon applied to such a plasmon filter and the abnormal transmission phenomenon are applied. Therefore, the above-mentioned matters relating to the plasmon filter can also be applied to the wavelength selection conversion unit 103 described below.
- the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter is the pitch P6 between the recesses 182 (FIG. 8), the metal used, and the dielectric of the layer in contact with the plasmon filter (for example, interlayer films 102 and 104). It is a matter that is set by the rate or the like.
- an on-chip lens 101, an interlayer film 102, a wavelength selection conversion unit 201, an interlayer film 104, and a photodiode 61 are laminated in this order from the top of the drawing.
- the wavelength selection conversion unit 201 constitutes the wavelength selection conversion unit 103 in FIG. 3, and the photodiode 61 represents one photoelectric conversion element included in the photoelectric conversion element layer 105.
- the photodiode 61 is composed of a P-type semiconductor region 61-1 and an N-type semiconductor region 61-2. Although not shown in FIG. 10, the P-type semiconductor region 61-1 may be formed so as to surround the N-type semiconductor region 61-2. The P-type semiconductor region 61-1 also serves as a hole charge storage region for suppressing dark current.
- the N-type semiconductor region 61-2 is the region of the main part of the photodiode 61 and the read charge is an electron will be continued as an example, but the main part of the photodiode 61 will be continued.
- This technique can be applied even if the region of is a P-type semiconductor region and the readout charge is a hole.
- FIG. 12, and FIG. 13 are diagrams showing a configuration example of the wavelength selection conversion unit 201.
- the configuration of the wavelength selection conversion unit 201 a case where a ring array structure is applied as in the plasmon filter 171 having a bullseye structure described with reference to FIG. 8 will be described as an example.
- the ring array structure a plurality of rings (circles) are arranged concentrically, and one ring is composed of concave portions (or convex portions).
- This technology can also apply the structure of a hole array type or dot array type plasmon filter.
- FIG. 11 is a perspective view including a cross section of the wavelength selection conversion unit 201.
- FIG. 12 is a cross-sectional view of the wavelength selection conversion unit 201.
- the left view of FIG. 13 is a plan view of the wavelength selection conversion unit 201 when viewed from the A direction (incident surface side) of FIG. 12, and the right view of FIG. 13 is from the B direction (radiation surface side) of FIG. It is a top view of the wavelength selection conversion unit 201 when seen.
- the wavelength selection conversion unit 201 is composed of a metal film 222.
- the metal film 222 is selected from metals that easily generate surface plasmon resonance, and is, for example, Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr, Ti, and the like.
- the film thickness of the metal film 222 is appropriately determined in consideration of the light absorption rate and the like.
- a cylindrical recess 223 having a diameter of d1 and a depth of h1 is formed with a period of p1.
- a cylindrical recess 223 having a diameter of d2 and a depth of h2 is formed in a period p2. Since the recess 221 and the recess 223 are formed in a ring shape as shown in FIG. 13, the period in the horizontal direction is shown by p1 and p2 in FIG. 12, but the vertical direction (direction perpendicular to the paper surface). Similarly, the period is p1 and p2.
- the cross section of the recesses 221 and 223 in the direction perpendicular to the surface has a rectangular shape.
- the recess 221 formed on the light incident surface side of the metal film 222 is formed in a ring shape.
- This shape is the same as that of the plasmon filter 171 having a bullseye structure shown in FIG. 8A, and the recesses 221 formed in a ring shape are arranged concentrically so that the intervals thereof have a period p1. There is.
- the plasmon filter 171 having a bullseye structure shown in FIG. 8 has a through hole 181 formed in the center, but is not formed in the wavelength selection conversion unit 201. That is, as shown in FIGS. 11 to 13, in the wavelength selection conversion unit 201, the central recess 221 corresponding to the through hole 181 is formed non-penetrating like the other recesses 221.
- the light incident surface side of the wavelength selection conversion unit 201 functions as a wavelength selection unit that selects light in a predetermined wavelength band among the incident light.
- the predetermined wavelength band may be the wavelength band of infrared light or the wavelength band of visible light (of which a predetermined color).
- the period p1 of the recess 221 formed on the light incident surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is set to a period suitable for the wavelength band to be selected. For example, when it is desired to select the wavelength band of infrared light, the period p1 for exciting the surface plasmon with respect to the wavelength band of infrared light is set.
- the recess 223 formed on the radial surface side of the metal film 222 is formed in a ring shape.
- This shape is the same as that of the plasmon filter 171 having a bullseye structure shown in FIG. 8A, and the concave portions 223 formed in a ring shape are arranged concentrically so that the intervals thereof have a period p2. There is.
- the wavelength selection conversion unit 201 on the radiation surface side also does not have a recess 223 corresponding to the through hole 181 of the plasmon filter 171 (FIG. 8) having a bullseye structure. That is, as shown in FIGS. 11 to 13, in the wavelength selection conversion unit 201 on the radiation surface side, the central recess 223 corresponding to the through hole 181 is formed non-penetrating like the other recesses 223.
- the radiation surface side of the wavelength selection conversion unit 201 functions as a wavelength conversion unit that converts light in a predetermined wavelength band selected on the incident surface side into light in a predetermined wavelength band.
- the predetermined wavelength band after conversion may be the wavelength band of infrared light or the wavelength band of visible light (of which a predetermined color).
- the period p2 of the recess 223 formed on the radiation surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is set to be a period matching the wavelength band after conversion. For example, when it is desired to convert to the wavelength band of visible light, the period p2 for exciting the surface plasmon with respect to the wavelength band of visible light is set.
- the depth h1 of the recess 221 of the wavelength selection conversion unit 201 and the depth h2 of the recess 223 need to be set to a certain depth in order to obtain sufficient absorption by the surface plasmon. If the depth of the recess is at least 1/4 of the wavelength, resonance will occur in the recess. Therefore, the depth h1 of the recess 221 of the wavelength selection conversion unit 201 is set to at least 1/4 of the wavelength of the light to be absorbed. Similarly, the depth h2 of the recess 223 of the wavelength selection conversion unit 201 is set to at least 1/4 of the wavelength of the light to be absorbed.
- the wavelength selection conversion unit 201 selects light in a predetermined wavelength band from the incident light, converts the light in the predetermined wavelength band into light in another wavelength band, and radiates the light.
- the wavelength selection conversion unit 201 selects light in the wavelength band of infrared light from incident light, converts the infrared light into light in the wavelength band of visible light, and emits the light.
- the wavelength selection conversion unit 201 functions as a changing element that converts a long wavelength into a short wavelength.
- the wavelength selection and conversion by the wavelength selection conversion unit 201 will be described with reference to FIG.
- the graph shown in FIG. 14 is a graph showing the relationship between the incident light or the reflected light and the interval of the plasmon filter (corresponding to the period p1 and the period p2 in FIG. 12).
- the vertical axis of the graph shown in FIG. 14 represents the wavelength [nm] of the incident light or the reflected light, and the horizontal axis represents the interval [nm] of the plasmon filter.
- the interval of the plasmon filter formed on the incident surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is 525 nm. Will be done. That is, when the distance between the plasmon filters formed on the incident surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is formed at about 525 nm, the wavelength selection conversion unit 201 selects the wavelength of 800 nm from the incident light. It can function as a part.
- the distance between the plasmon filters formed on the radiation surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is 325 nm, light having a wavelength of 500 nm is emitted from the radiation surface side of the wavelength selection conversion unit 201.
- the interval of the plasmon filter formed on the radiation surface side of the wavelength selection conversion unit 201 is formed at 325 nm.
- the wavelength selection conversion unit 201 is subjected to incident light (of which, light in the selected frequency band).
- incident light of which, light in the selected frequency band.
- the wavelength selection conversion unit 201 that absorbs 800 nm light, converts it into 500 nm light, and emits it can be used.
- the pixel 51 provided with such a wavelength selection conversion unit 201 functions as a light receiving element that receives light of 800 nm.
- the photodiode 61 absorbs light of 500 nm
- the design of the photodiode 61 (such as the depth on a silicon substrate described later) can be treated as a pixel 51 that receives light of 500 nm.
- a light receiving element (which includes the wavelength selection conversion unit 201 and receives light in a desired wavelength band is provided and is shown in FIG. 10). (Pixels having a different configuration). Moreover, such light can be converted into light in a desired wavelength band. For example, a light receiving element that receives infrared light can be treated as a light receiving element that receives visible light.
- the depth of the photodiode 61 will be further described.
- I 0 represents the light intensity on the surface of the substance, and ⁇ represents the absorption coefficient.
- FIG. 15 shows the relationship between the absorption coefficient ⁇ of single crystal silicon and the wavelength of light.
- the horizontal axis of the graph shown in FIG. 15 represents the wavelength of light, and the vertical axis represents the absorption coefficient ⁇ . From the graph of FIG. 15, it can be read that the absorption coefficient ⁇ changes according to the wavelength of the light incident on the single crystal silicon and is not constant. That is, it can be seen that the absorption coefficient ⁇ largely depends on the substance and the wavelength of the incident light.
- FIG. 16 shows the relationship between the light intensity and the penetration depth in single crystal silicon.
- the horizontal axis of the graph shown in FIG. 16 represents the depth of light penetration, and the vertical axis represents the light intensity.
- the sensitivity can be improved by forming the photodiode 61 on the silicon surface.
- the photodiode 61 is formed at a deep position of silicon, for example, at a position deeper than 0.3um, the intensity of blue light weakens before reaching the photodiode 61, and the blue light reaching the photodiode 61 is reduced.
- the sensitivity is reduced.
- the photodiode 61 is formed at a position suitable for the wavelength of the light transmitted by the wavelength selection conversion unit 201, it can receive light efficiently, but it is suitable for the wavelength of the light transmitted by the wavelength selection conversion unit 201. It can be seen that if the photodiode 61 is formed at a position that does not exist, light cannot be efficiently received.
- the wavelength selection conversion unit 201 can extract, for example, infrared light, convert the light into visible light, for example, blue light, and radiate it to the photodiode 61. Therefore, if the photodiode 61 is formed to a depth that allows it to receive blue light, it can receive light with high sensitivity. Therefore, even if the light receiving element receives infrared light, the desired sensitivity can be obtained even if the thickness of the silicon is not increased, in other words, the photodiode 61 is formed at a shallow position. It can be a light receiving element capable of
- the wavelength selection conversion unit 201 can be manufactured by patterning the metal film 222 using, for example, photolithography. Specifically, it can be produced by using the following steps 1 to 6.
- Step 1 Prepare the metal film 222.
- Step 2 Apply a photoresist to the surface of the metal film 222.
- Step 3 A mask pattern is overlaid on the photoresist to expose the photoresist.
- Step 4 The photoresist is developed to form a resist mask.
- Step 5 The metal film 222 exposed by dry etching using a halogen-based gas is etched. Alternatively, ion beam etching may be used.
- Step 6 By removing the resist mask with an organic solvent, a recess 223 is formed on the surface of the metal film 222.
- wet etching may be used instead of the dry etching in step 5.
- the recess 223 can be formed.
- wavelength selection conversion unit 201 may be a metal film having a thickness that does not allow light to pass through.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing another configuration of the wavelength selection conversion unit 201.
- the wavelength selection conversion unit 201 shown in FIG. 17 is formed of a main body 231 and a metal film 222 provided so as to cover the entire surface thereof.
- the main body 231 is made of, for example, a dielectric material such as a silicon oxide film (SiO2), silicon nitride (SiN), or silicon (Si), or a semiconductor. It should be noted that the material is not limited to these materials as long as it is a material that can easily process an uneven pattern on the surface.
- the metal film 222 is selected from metals such as Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr, and Ti that are likely to cause surface plasmon resonance.
- the film thickness of the metal film 222 may be a thickness that does not transmit incident light. With such a film thickness, only the surface plasmon resonance on the surface of the metal film 222 affects the absorption and radiation of electromagnetic waves, and the main body 231 does not have an optical effect on the absorption or the like.
- the film thickness ⁇ of the metal film 222 of the wavelength selection conversion unit 201 satisfies the following relationship with respect to the absorption wavelength.
- ⁇ (2 / ⁇ ) 1/2
- ⁇ is the film thickness of the metal film 222
- ⁇ is the magnetic permeability of the metal film 222
- ⁇ is the electrical conductivity of the metal film 222
- ⁇ is the angular frequency of the incident light. If the skin depth ⁇ represented by this equation has at least twice the thickness (about several tens of nm to several hundreds of nm), the leakage of incident light to the main body 231 is sufficiently small. can.
- a periodic structure is first formed on the surface side of the main body 231 made of a dielectric or a semiconductor by using photolithography and dry etching, and then the metal film 222 is manufactured. Is formed by sputtering or the like. Next, the metal film 222 is formed on the back surface in the same manner after the periodic structure is produced.
- the diameters of the recesses 221 and 223 are as small as several ⁇ m, it is better to form the metal film after etching the main body to form the recesses than to directly etch the metal film to form the recesses. Becomes easier. Further, since an expensive material such as Au or Ag is used for the metal film, the amount of metal used can be reduced and the cost can be reduced by using a dielectric or a semiconductor body.
- FIG. 18A is a diagram showing the resonance direction of the wavelength selection conversion unit 201 to which a plasmon filter having a whole array structure is applied.
- the resonance direction is the direction in which the holes are periodically arranged. For example, as shown in FIG. 18A, when holes are periodically arranged in the vertical direction, the horizontal direction, and the diagonal direction, these directions are the resonance directions.
- FIG. 18B is a diagram showing the resonance direction of the wavelength selection conversion unit 201 to which a plasmon filter having a ring array structure is applied.
- the resonance direction is the direction in which the rings are periodically arranged. Since the rings are arranged concentrically, the resonance direction is all directions from the center when the center is used as a reference.
- arrows are shown in the vertical direction, the horizontal direction, and the diagonal direction to show the resonance direction, but the resonance direction is all directions.
- the pixel 51 in the first embodiment has a configuration in which a color filter and a wavelength selection conversion unit 201 are used in combination.
- FIG. 19 is a view showing a plan view of the incident surface side and a plan view of the radiating surface side of the 2 ⁇ 2 4 pixels 51.
- the wavelength selection conversion unit 201 is arranged in one pixel 51-1 of the four pixels 51-1 to 51-1, and the color filters 301-1 to 301-are in the remaining three pixels 51-2 to 54-1. 3 is arranged.
- the color filters 301-1 to 301-3 can be organic material-based color filters.
- the color filter 301-1 arranged in the pixel 51-2 is a filter that transmits red light (R)
- the color filter 301-arranged in the pixel 53-1 Reference numeral 1 denotes a filter that transmits green light (G)
- color filter 301-3 arranged in pixels 51-4 is a filter that transmits blue light (B).
- RGB Bayer array can be applied to the color sequence of the color filter 301.
- Pixels 51-2 to 54-1 in which the color filter 301 is arranged are pixels that receive visible light.
- the pixel 51-1 is a pixel that receives infrared light.
- a wavelength selection conversion unit 201 is arranged on the pixel 51-1 that receives infrared light.
- the plasmon filter formed on the incident side of the light of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently receive 900 nm, which is the wavelength band of infrared light. Further, the plasmon filter formed on the light emitting side of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently emit 500 nm, which is the wavelength band of visible light.
- the pixel 51-1 that receives light having a wavelength of 500 nm is the pixel 51-4 that receives blue light. Even if the photodiode 61 is formed at a position as deep as the pixel 51-3 that receives green light, the same sensitivity as the pixel 51-4 or the pixel 51-3 can be obtained.
- the pixel 51-1 that receives infrared light having a wavelength of 900 nm may be provided with a photodiode 61 that receives visible light having a wavelength of 500 nm, and other pixels in which the color filter 301 is arranged may be provided. Even if the configuration is equivalent to that of 51-2 to 51-4, for example, the position of the photodiode 61 in the silicon substrate is the same as shown in FIG. 20, the desired sensitivity can be ensured. ..
- FIG. 20 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of pixels 51-1 and 51-2 shown in FIG.
- Pixel 51-1 has the same configuration as the pixel 51 shown in FIG. 10, and has a configuration in which a wavelength selection conversion unit 201 is provided between the interlayer film 102 and the interlayer film 104.
- Pixel 51-2 is provided with a color filter 301 between the interlayer film 102 and the interlayer film 104.
- the wavelength selection conversion unit 201 can be formed with the same thickness as the color filter 301, as shown in FIG. 20, even if the wavelength selection conversion unit 201 and the color filter 301 are arranged side by side, they are arranged without causing a step or the like. can do.
- an inter-pixel light-shielding film 311 is formed between the pixels.
- the inter-pixel light-shielding film 311 is between the pixels of the pixel 51 and is formed in the interlayer film 104.
- the inter-pixel light-shielding film 311 is formed of a light-shielding material such as metal so that light does not leak to adjacent pixels 51.
- the pixel 51 in the second embodiment includes the wavelength selection conversion unit 201 described above will be described.
- the pixel 51 in the second embodiment has a configuration in which a wavelength selection conversion unit 201 and a plasmon filter are used in combination.
- FIG. 21 is a view showing a plan view of the incident surface side and a plan view of the radiating surface side of the 2 ⁇ 2 4 pixels 51.
- FIG. 22 is a cross-sectional view of two pixels 51 arranged adjacent to each other.
- the wavelength selection conversion unit 201 is arranged in one pixel 51-1 of the four pixels 51-1 to 51-1, and the remaining three pixels 51-2 to 54-1 are plasmons. Filters 171-1 to 171-3 are arranged.
- FIG. 21 shows the case where the plasmon filter 171 adopts the plasmon filter having the bullseye structure described with reference to FIG. 8. Therefore, a through hole 181 is formed in the central portion of the plasmon filters 171-1 to 171-3.
- the plasmon filter 171-1 arranged in the pixel 51-2 is a filter that transmits light having a wavelength of 700 nm (light classified as red light).
- the plasmon filter 171-1 arranged in the pixel 51-3 is a filter that transmits light having a wavelength of 500 nm (light classified as green light).
- the plasmon filter 171-3 arranged in the pixel 51-4 is a filter that transmits light having a wavelength of 400 nm (light classified as blue light).
- an RGB Bayer arrangement can be applied.
- the plasmon filter 171 is a plasmon filter having a bullseye structure
- only the central ring has a through hole 181 as described with reference to FIG. Therefore, as shown in the lower figure of FIG. 21, when the plasmon filters 171-1 to 171-3 are viewed from the radiation side, the plasmon filters have a shape having a hole corresponding to the through hole 181 near the center.
- Pixels 51-2 to 54-1 in which the plasmon filter 171 is arranged are pixels that receive visible light.
- the pixel 51-1 is a pixel that receives infrared light.
- a wavelength selection conversion unit 201 is arranged on the pixel 51-1 that receives infrared light.
- the plasmon filter formed on the incident side of the light of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently receive 900 nm, which is the wavelength band of infrared light. Further, the plasmon filter formed on the light emitting side of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently emit 500 nm, which is the wavelength band of visible light.
- the pixel 51-1 (FIG. 21) in the second embodiment also receives infrared light having a wavelength of 900 nm and has a wavelength of 500 nm. It can be treated as a pixel that converts to visible light and receives light, and has the same configuration as the other pixels 51-2 to 54-1 in which the plasmon filter 171 is arranged, for example, as shown in FIG. 22, a photodiode. Even if the positions of 61 in the silicon substrate are the same, the desired sensitivity can be ensured for each pixel 51.
- FIG. 22 is a diagram showing an example of cross-sectional configuration of pixels 51-1 and 51-2 shown in FIG. 21.
- Pixel 51-1 has the same configuration as the pixel 51 shown in FIG. 10, and has a configuration in which a wavelength selection conversion unit 201 is provided between the interlayer film 102 and the interlayer film 104.
- Pixel 51-2 is provided with a plasmon filter 171 between the interlayer film 102 and the interlayer film 104. In the plasmon filter 171, a through hole 181 is formed near the center, and the other recesses are formed non-penetrating.
- the wavelength selection conversion unit 201 can be formed to have the same thickness as the plasmon filter 171, the wavelength selection conversion unit 201 and the plasmon filter 171 are arranged side by side without causing a step or the like, as shown in FIG. can do.
- inter-pixel light-shielding film 311 is formed between the pixels.
- the inter-pixel light-shielding film 311 is between pixels and is formed in the interlayer film 104.
- an inter-pixel light-shielding film 311 is provided. It may be configured without.
- plasmon resonance occurs in a direction having periodicity, but when a plurality of circles are arranged concentrically, the periodicity is interrupted in the portion between pixels. Since the circle is interrupted between the pixels, the periodicity is also broken. Therefore, since plasmon resonance is unlikely to occur between pixels, the leakage of light to adjacent pixels is reduced even if the inter-pixel light-shielding film 311 that prevents light leakage to adjacent pixels is not formed. Is.
- the pixel 51 in the third embodiment includes the wavelength selection conversion unit 201 described above will be described.
- the pixel 51 in the third embodiment has a configuration in which only the wavelength selection conversion unit 201 is arranged.
- FIG. 23 is a view showing a plan view of the incident surface side and a plan view of the radiating surface side of the 2 ⁇ 2 4 pixels 51.
- FIG. 24 is a cross-sectional view of two pixels 51 arranged adjacent to each other.
- wavelength selection conversion units 211-1 to 201-4 are arranged in each of the four pixels 51-1 to 51-4.
- the imaging device 10 (FIG. 1) having the pixel array unit 31 in which the pixels 51 shown in FIGS. 23 and 24 are arranged in an array is suitable for use in, for example, an imaging device that receives and processes infrared light. It is said that it has a similar structure.
- the wavelength selection conversion units 21-1 to 201-4 are provided with a plasmon filter that efficiently receives the wavelength band of infrared light on the incident side, and a plasmon filter that efficiently emits the wavelength band of visible light on the radiation side. I have.
- the wavelength selection conversion unit 201 on the incident side will be described with reference to the upper figure of FIG. 23.
- the wavelength selection conversion unit 201-1a arranged in the pixel 51-1 functions as a filter for selecting light having a wavelength of 900 nm.
- the wavelength selection conversion unit 201-2a arranged in the pixel 51-2 functions as a filter for selecting light having a wavelength of 850 nm.
- the wavelength selection conversion unit 201-3a arranged in the pixel 51-3 functions as a filter for selecting light having a wavelength of 1000 nm.
- the wavelength selection conversion unit 201-4a arranged in the pixels 51-4 functions as a filter for selecting light having a wavelength of 950 nm.
- Pixels 51-1 to 51-4 shown in FIG. 23 function as pixels that receive light in a wavelength band of 850 to 1000 nm.
- the pixel 51 When the pixel 51 receives infrared light, it is designed as the pixel 51 that receives light in a wavelength band of about 700 to 1100 nm.
- the wavelength selection conversion units 201-1a to 201-4a are designed so that light in the wavelength band of 700 to 11100 nm can be received.
- the wavelength selection conversion unit 201 on the radiation side will be described with reference to the lower figure of FIG. 23.
- the wavelength selection conversion units 211-1b to 201-4b on the radiation side are configured to emit light having a wavelength of 500 nm.
- the plasmon filter formed on the incident side of the light of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently receive 850 to 1000 nm, which is the wavelength band of infrared light. Further, the plasmon filter formed on the light emitting side of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently emit 500 nm, which is the wavelength band of visible light.
- the pixels 51-1 to 51-4 (FIG. 23) in the third embodiment also receive infrared light having a wavelength of 850 to 1000 nm. However, it can be treated as a pixel that receives light by converting the wavelength into visible light of 500 nm.
- FIG. 24 is a diagram showing a cross-sectional configuration example of pixels 51-1 and 51-2 shown in FIG. 23. Pixels 51-1 and 51-2 have the same configuration as the pixel 51 shown in FIG. 10, and the wavelength selection conversion unit 201 is provided between the interlayer film 102 and the interlayer film 104. Has been done.
- the inter-pixel light-shielding film 311 is formed between the pixels, but as in the second embodiment described above, the inter-pixel light-shielding film 311 is not provided. Is also good. Further, even when the inter-pixel light-shielding film 311 is not provided, the pixels 51 having the configuration shown in FIGS. 23 and 24 have a structure in which light leakage to adjacent pixels is reduced. ..
- the pixel 51 in the fourth embodiment including the wavelength selection conversion unit 201 described above will be described.
- the pixel 51 in the fourth embodiment is the same as the pixel 51 (FIG. 23) in the third embodiment in that only the wavelength selection conversion unit 201 is arranged, but the light receiving target is The difference is that the wavelength band used is visible light.
- FIG. 25 is a view showing a plan view of the incident surface side and a plan view of the radiating surface side of the 2 ⁇ 2 4 pixels 51.
- wavelength selection conversion units 201-1 to 201-4 are arranged in each of the four pixels 51-1 to 51-4.
- the image pickup apparatus 10 (FIG. 1) having the pixel array section 31 in which the pixels 51 shown in FIG. 25 are arranged in an array is suitable for use in, for example, an imaging apparatus that receives and processes visible light. ing.
- the wavelength selection conversion units 21-1 to 201-4 are provided with a plasmon filter that efficiently receives the wavelength band of visible light on the incident side and a plasmon filter that efficiently emits the wavelength band of visible light on the radiation side. ing.
- the plasmon filter on the incident side of the wavelength selection conversion unit 201-1a arranged in the pixel 51-1 selects light having a wavelength of 500 nm (light classified as green light). It is a filter.
- the plasmon filter on the incident side of the wavelength selection conversion unit 201-2a arranged in the pixel 51-2 is a filter that selects light having a wavelength of 700 nm (light classified as red light).
- the plasmon filter on the incident side of the wavelength selection conversion unit 201-3a arranged in the pixel 51-3 is a filter that selects light having a wavelength of 500 nm (light classified as green light).
- the plasmon filter on the incident side of the wavelength selection conversion unit 201-4a arranged in the pixel 51-4 is a filter that selects light having a wavelength of 400 nm (light classified as blue light).
- the pixels 51 (wavelength selection conversion unit 201) shown in FIG. 25 have an RGB Bayer arrangement.
- the present technology can also be applied to pixels (equipped with) that receive visible light and process visible light.
- the wavelength selection conversion unit 201 on the radiation side will be described with reference to the lower figure of FIG. 25.
- the wavelength selection conversion units 201-1b to 201-4b on the radiation side are configured to function as a filter that emits light having a wavelength of 500 nm.
- the plasmon filter formed on the incident side of the light of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently receive the wavelength band of visible light of 400 to 700 nm. Further, the plasmon filter formed on the light emitting side of the wavelength selection conversion unit 201 is configured to efficiently emit 500 nm, which is the wavelength band of visible light.
- the pixel 51 in the fourth embodiment can be treated as a pixel that receives visible light having a wavelength of 400 to 700 nm, converts the wavelength into visible light having a wavelength of 500 nm, and receives the light.
- the photodiode 61 since the light from the wavelength selection conversion unit 201 is light converted into light having a wavelength of 500 nm, the photodiode 61 should be formed at a position where the light having a wavelength of 500 nm is most efficiently received. Therefore, there is no difference in sensitivity between pixels, and it is possible to obtain pixels with increased sensitivity.
- the wavelength selection conversion unit 201 arranged in the pixels 51-4 functions as a filter that selects 400 nm light, converts it into 500 nm light, and emits it. In this way, it is also possible to configure the wavelength selection conversion unit 201 in a configuration that extracts a wavelength shorter than the wavelength of the emitted light. In other words, the wavelength selection conversion unit 201 can also be designed as a filter that converts a short wavelength into a long wavelength.
- the cross section of the pixel 51 provided with the wavelength selection conversion unit 201 shown in FIG. 25 is the same as that shown in FIG. 24. That is, the pixels 51-1 and 51-2 have the same configuration as the pixel 51 shown in FIG. 10, and the wavelength selection conversion unit 201 is provided between the interlayer film 102 and the interlayer film 104. It is composed.
- the plasmon filter on the radiation side of the wavelength selection conversion unit 201 has been described as being a filter suitable for emitting light of 500 nm, but for example, it may be a filter suitable for emitting light of 300 nm. good.
- the photodiode 61 is formed on a silicon substrate. Generally, it is known that the light having a shorter wavelength is absorbed in a shallower part of the silicon substrate than the light incident on the silicon substrate.
- the plasmon filter on the radiation side of the wavelength selection conversion unit 201 as a filter that emits light of a short wavelength, it becomes possible to efficiently absorb light even in a shallow place of a silicon substrate, so that the light receiving element can be made more suitable. It can be made shorter.
- the light receiving element can be a low profile light receiving element.
- the wavelength selection conversion unit 201 shown in FIG. 25 does not have a shape in which a ring is formed between pixels, but shows an example in which a ring is formed only in a region where the ring can be formed without chipping. In this case, there is a region in which no ring is formed in the region near the pixels. It is also possible to eliminate as much as possible a region in which such a ring is not formed, and to provide the ring up to a region near between pixels.
- FIG. 26 is a diagram showing a plan view of the wavelength selection conversion unit 201 when the wavelength selection conversion unit 201 is arranged in the 2 ⁇ 2 4 pixels 51 as in the pixel 51 of the fourth embodiment. be.
- the wavelength selection conversion unit 201 is a plasmon filter having a ring array structure, and a ring (recess) is formed up to a point (boundary) where the pixels 51 and the pixels 51 are in contact with each other.
- the ring is formed in a state where a part of the ring is hung or only a part of the ring is formed.
- plasmon resonance occurs in the direction in which the periodicity is maintained. It is considered that plasmon resonance occurs in a part having periodicity, in this case, a part where the ring spacing is constant.
- the region of plasmon resonance can be increased and more plasmon resonance can be generated.
- the plasmon filter on the radiation side of the wavelength selection conversion unit 201 also has a ring (recess) formed up to the boundary portion of the pixel, similarly to the plasmon filter formed on the incident side. There is. Therefore, it is possible to increase the plasmon resonance region and generate more plasmon resonance on the radiation surface side as well.
- plasmon resonance also occurs at the boundary portion of the pixel and light leaks to the adjacent but side, but at the boundary portion of the pixel, the ring
- the periodicity of the ring is broken because the ring is missing or only a part of the ring is formed. Therefore, where the periodicity is broken, plasmon resonance does not occur (even if it does occur, it is weak), so that it is possible to prevent light from leaking to adjacent pixels.
- plasmon resonance can be caused by concentrating in the center direction of the pixel. Therefore, also in this respect, the structure is such that it is possible to prevent light from leaking to adjacent pixels.
- the holes and dots near the pixel boundary lose their periodicity. It may be formed in a thinned state, or it may be formed in a large or small shape. By doing so, it is possible to break the periodicity in the vicinity of the pixels and prevent light from leaking to the adjacent pixels.
- a case where a plasmon filter having a ring array structure is formed on the incident side and the radiation side of the wavelength selection conversion unit 201 has been described as an example.
- the present technology is not limited to the case where both the incident side and the reflective side of the wavelength selection conversion unit 201 are composed of a plasmon filter having a ring array structure.
- one surface of the wavelength selective conversion unit 201 on the incident side and the reflective side is composed of a plasmon filter having a ring array structure, and the other surface is composed of a plasmon filter having a hole array structure (or a dot array structure). You may want to be there.
- FIG. 27 is a diagram showing a pixel structure when, for example, the plasmon filter 121 having a hole array structure shown in FIG. 4 is used as a filter for selecting light in a predetermined wavelength band (a filter corresponding to a conventional color filter). Is. Further, FIG. 27 is a diagram for explaining a case where the photodiode 61 is formed at a depth appropriate for the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121.
- a graph of the spectral characteristics of the plasmon filter 121 is shown in the upper part of FIG. 27, and the configuration of the pixel 51 when such a graph of the spectral characteristics is obtained. Shown at the bottom of.
- the configuration of the pixel 51 shown at the bottom of FIG. 27 is the same as the configuration of the pixel 51 shown in FIG. 10, but the depth of the photodiode 61 (N-type semiconductor region 61-2 constituting the photodiode 61). Is different.
- depth of the photodiode 61 is assumed to be the depth of the N-type semiconductor region 61-2 constituting the photodiode 61.
- the “depth of the photodiode 61” is the distance from the interface (boundary with the interlayer film 104) of the silicon substrate on which the photodiode 61 is formed to the position where the depletion layer spreads, and the depletion layer is the distance. It is assumed that the expanding region is the N-type semiconductor region 61-2.
- the depth of the photodiode 61 can be the distance from the interface of the silicon substrate to the position where the depletion layer spreads, to the depletion layer, that is, in this case, the interface (upper end) of the N-type semiconductor region 61-2. It may be the distance to the central portion of the N-type semiconductor region 61-2. Here, the description will be continued as the distance to the interface of the N-type semiconductor region 61-2.
- the depth of the photodiode 61 will be described by taking the case of a physical depth as an example, but as a method of changing the depth of the photodiode 61, channel cut or the depth of the p + region on the surface is used. It is also possible to change the thickness (impurity concentration profile) or the well depth (impurity concentration profile), and the depth of the photodiode 61 may be changed by such a method.
- FIG. 27A shows the configuration of the pixel 51a when the plasmon filter 121a in which 450 nm is set as the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121a is used.
- the photodiode 61a is formed at the position of the depth d1.
- FIG. 27B shows the configuration of the pixel 51b when the plasmon filter 121b in which 530 nm is set as the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121b is used.
- the photodiode 61b is formed at the position of the depth d2.
- FIG. 27 shows the configuration of the pixel 51c when the plasmon filter 121c in which 600 nm is set as the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121c is used.
- the photodiode 61c is formed at a depth d3.
- D in FIG. 27 shows the configuration of the pixels 51d when the plasmon filter 121d in which 650 nm is set as the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121d is used.
- the photodiode 61d is formed at a depth d4.
- the depth at which the photodiode 61 is formed is different.
- the respective depths of the pixels 51a to 51d are a depth d1, a depth d2, a depth d3, and a depth d4.
- the depths d1 to d4 are Depth d1 ⁇ Depth d2 ⁇ Depth d3 ⁇ Depth d4 The relationship is satisfied.
- the plasmon filters 121a to 121d are filters designed to transmit light having wavelengths of 450 nm, 530 nm, 600 nm, and 650 nm most efficiently, respectively. That is, the wavelength of the transmitted light shifts to the longer wavelength side in the order of the plasmon filter 121a, the plasmon filter 121b, the plasmon filter 121c, and the plasmon filter 121d.
- the depth of the photodiode 61 When the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121 shifts to the longer wavelength side, the depth of the photodiode 61 also becomes deeper.
- the depth of the photodiode 61 is formed to a depth suitable for the wavelength of the light transmitted through the plasmon filter 121.
- the photodiode 61 is formed on a silicon substrate. Generally, it is known that the longer the wavelength of light, the deeper the light incident on the silicon substrate reaches the deeper part of the silicon substrate. Taking advantage of this, the photodiode 61 is formed at a position on the silicon substrate where the light of the wavelength transmitted by the plasmon filter 121 reaches, so that the photodiode 61 is formed according to the wavelength of the light transmitted by the plasmon filter 121. , The position where the photodiode 61 is formed is different.
- the photodiode 61 when the photodiode 61 is formed at a position where the plasmon filter 121 is used to transmit light in a desired wavelength band and absorb light in that wavelength band most efficiently, as shown in FIG. 27.
- the pixels in which the photodiode 61 is located at a different position for each wavelength will be arranged in the pixel array unit 31.
- the built-in is performed according to a predetermined wavelength band, and the built-in is performed from the viewpoint of sacrificing the sensitivity of a wavelength band other than the predetermined wavelength band to some extent.
- the wavelength selection conversion unit 201 emits light converted into a predetermined wavelength band.
- the wavelength selection conversion unit 201 is designed as a filter that emits light having a wavelength of 500 nm, it radiates (incidents) on the photodiode 61. ) Can be aligned with light having a wavelength of 500 nm.
- the position of the photodiode 61 of the pixel 51 arranged in the pixel array unit 31 is a position where light having a wavelength of 500 nm can be absorbed most efficiently, the pixel with the best quantum efficiency can be set. That is, as shown in FIG. 28, the positions of the photodiodes 61 formed on all the pixels (pixels 51-1 to 51-4 in FIG. 28) can be aligned.
- the photodiode 61 does not have to be formed at a deep position. In other words, even if it is formed at a shallow position, the quantum efficiency does not decrease.
- the photodiode 61 is the most suitable regardless of the thickness of the silicon substrate. It can be formed at a position that absorbs light, and quantum efficiency can be improved. In particular, even in the case of receiving infrared light, the quantum efficiency can be improved without thickening the silicon substrate.
- FIG. 29 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an endoscopic surgery system to which the technique according to the present disclosure (the present technique) can be applied.
- FIG. 29 shows a surgeon (doctor) 11131 performing surgery on patient 11132 on patient bed 11133 using the endoscopic surgery system 11000.
- the endoscopic surgery system 11000 includes an endoscope 11100, other surgical tools 11110 such as an abdominal tube 11111 and an energy treatment tool 11112, and a support arm device 11120 that supports the endoscope 11100.
- a cart 11200 equipped with various devices for endoscopic surgery.
- the endoscope 11100 is composed of a lens barrel 11101 in which a region having a predetermined length from the tip is inserted into the body cavity of the patient 11132, and a camera head 11102 connected to the base end of the lens barrel 11101.
- the endoscope 11100 configured as a so-called rigid mirror having a rigid barrel 11101 is illustrated, but the endoscope 11100 may be configured as a so-called flexible mirror having a flexible barrel. good.
- An opening in which an objective lens is fitted is provided at the tip of the lens barrel 11101.
- a light source device 11203 is connected to the endoscope 11100, and the light generated by the light source device 11203 is guided to the tip of the lens barrel by a light guide extending inside the lens barrel 11101 to be an objective. It is irradiated toward the observation target in the body cavity of the patient 11132 through the lens.
- the endoscope 11100 may be a direct endoscope, a perspective mirror, or a side endoscope.
- An optical system and an image pickup element are provided inside the camera head 11102, and the reflected light (observation light) from the observation target is focused on the image pickup element by the optical system.
- the observation light is photoelectrically converted by the image sensor, and an electric signal corresponding to the observation light, that is, an image signal corresponding to the observation image is generated.
- the image signal is transmitted as RAW data to the camera control unit (CCU: Camera Control Unit) 11201.
- CCU Camera Control Unit
- the CCU11201 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), etc., and comprehensively controls the operations of the endoscope 11100 and the display device 11202. Further, the CCU 11201 receives an image signal from the camera head 11102, and performs various image processing on the image signal for displaying an image based on the image signal, such as development processing (demosaic processing).
- a CPU Central Processing Unit
- GPU Graphics Processing Unit
- the display device 11202 displays an image based on the image signal processed by the CCU 11201 under the control of the CCU 11201.
- the light source device 11203 is composed of, for example, a light source such as an LED (light emission diode), and supplies irradiation light to the endoscope 11100 when photographing an operating part or the like.
- a light source such as an LED (light emission diode)
- the input device 11204 is an input interface for the endoscopic surgery system 11000.
- the user can input various information and input instructions to the endoscopic surgery system 11000 via the input device 11204.
- the user inputs an instruction to change the imaging conditions (type of irradiation light, magnification, focal length, etc.) by the endoscope 11100.
- the treatment tool control device 11205 controls the drive of the energy treatment tool 11112 for cauterizing, incising, sealing a blood vessel, or the like of a tissue.
- the pneumoperitoneum device 11206 uses a gas in the pneumoperitoneum tube 11111 to inflate the body cavity of the patient 11132 for the purpose of securing the field of view by the endoscope 11100 and securing the work space of the operator.
- the recorder 11207 is a device capable of recording various information related to surgery.
- the printer 11208 is a device capable of printing various information related to surgery in various formats such as text, images, and graphs.
- the light source device 11203 that supplies the irradiation light to the endoscope 11100 when photographing the surgical site can be composed of, for example, an LED, a laser light source, or a white light source composed of a combination thereof.
- a white light source is configured by combining RGB laser light sources, the output intensity and output timing of each color (each wavelength) can be controlled with high accuracy. Therefore, the light source device 11203 adjusts the white balance of the captured image. It can be carried out.
- the laser light from each of the RGB laser light sources is irradiated to the observation target in a time-division manner, and the drive of the image sensor of the camera head 11102 is controlled in synchronization with the irradiation timing to correspond to each of RGB. It is also possible to capture the image in a time-division manner. According to this method, a color image can be obtained without providing a color filter on the image sensor.
- the drive of the light source device 11203 may be controlled so as to change the intensity of the output light at predetermined time intervals.
- the drive of the image sensor of the camera head 11102 in synchronization with the timing of changing the light intensity to acquire an image in a time-divided manner and synthesizing the image, so-called high dynamic without blackout and overexposure. A range image can be generated.
- the light source device 11203 may be configured to be able to supply light in a predetermined wavelength band corresponding to special light observation.
- special light observation for example, by utilizing the wavelength dependence of light absorption in body tissue to irradiate light in a narrow band as compared with the irradiation light (that is, white light) in normal observation, the surface layer of the mucous membrane. So-called narrow band imaging, in which a predetermined tissue such as a blood vessel is photographed with high contrast, is performed.
- fluorescence observation may be performed in which an image is obtained by fluorescence generated by irradiating with excitation light.
- the body tissue is irradiated with excitation light to observe the fluorescence from the body tissue (autofluorescence observation), or a reagent such as indocyanine green (ICG) is locally injected into the body tissue and the body tissue is injected. It is possible to obtain a fluorescence image by irradiating excitation light corresponding to the fluorescence wavelength of the reagent.
- the light source device 11203 may be configured to be capable of supplying narrow band light and / or excitation light corresponding to such special light observation.
- FIG. 30 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the camera head 11102 and CCU11201 shown in FIG. 29.
- the camera head 11102 includes a lens unit 11401, an imaging unit 11402, a driving unit 11403, a communication unit 11404, and a camera head control unit 11405.
- CCU11201 includes a communication unit 11411, an image processing unit 11412, and a control unit 11413.
- the camera head 11102 and CCU11201 are communicatively connected to each other by a transmission cable 11400.
- the lens unit 11401 is an optical system provided at a connection portion with the lens barrel 11101.
- the observation light taken in from the tip of the lens barrel 11101 is guided to the camera head 11102 and incident on the lens unit 11401.
- the lens unit 11401 is configured by combining a plurality of lenses including a zoom lens and a focus lens.
- the image sensor constituting the image pickup unit 11402 may be one (so-called single plate type) or a plurality (so-called multi-plate type).
- each image pickup element may generate an image signal corresponding to each of RGB, and a color image may be obtained by synthesizing them.
- the image pickup unit 11402 may be configured to have a pair of image pickup elements for acquiring image signals for the right eye and the left eye corresponding to 3D (dimensional) display, respectively.
- the 3D display enables the operator 11131 to more accurately grasp the depth of the biological tissue in the surgical site.
- a plurality of lens units 11401 may be provided corresponding to each image pickup element.
- the imaging unit 11402 does not necessarily have to be provided on the camera head 11102.
- the imaging unit 11402 may be provided inside the lens barrel 11101 immediately after the objective lens.
- the drive unit 11403 is composed of an actuator, and the zoom lens and focus lens of the lens unit 11401 are moved by a predetermined distance along the optical axis under the control of the camera head control unit 11405. As a result, the magnification and focus of the image captured by the imaging unit 11402 can be adjusted as appropriate.
- the communication unit 11404 is composed of a communication device for transmitting and receiving various information to and from the CCU11201.
- the communication unit 11404 transmits the image signal obtained from the image pickup unit 11402 as RAW data to the CCU 11201 via the transmission cable 11400.
- the communication unit 11404 receives a control signal for controlling the drive of the camera head 11102 from the CCU 11201 and supplies the control signal to the camera head control unit 11405.
- the control signal includes, for example, information to specify the frame rate of the captured image, information to specify the exposure value at the time of imaging, and / or information to specify the magnification and focus of the captured image, and the like. Contains information about the condition.
- the imaging conditions such as the frame rate, exposure value, magnification, and focus may be appropriately specified by the user, or may be automatically set by the control unit 11413 of CCU11201 based on the acquired image signal. good.
- the so-called AE (Auto Exposure) function, AF (Auto Focus) function, and AWB (Auto White Balance) function are mounted on the endoscope 11100.
- the camera head control unit 11405 controls the drive of the camera head 11102 based on the control signal from the CCU 11201 received via the communication unit 11404.
- the communication unit 11411 is composed of a communication device for transmitting and receiving various information to and from the camera head 11102.
- the communication unit 11411 receives an image signal transmitted from the camera head 11102 via the transmission cable 11400.
- the communication unit 11411 transmits a control signal for controlling the drive of the camera head 11102 to the camera head 11102.
- Image signals and control signals can be transmitted by telecommunications, optical communication, or the like.
- the image processing unit 11412 performs various image processing on the image signal which is the RAW data transmitted from the camera head 11102.
- the control unit 11413 performs various controls related to the imaging of the surgical site and the like by the endoscope 11100 and the display of the captured image obtained by the imaging of the surgical site and the like. For example, the control unit 11413 generates a control signal for controlling the drive of the camera head 11102.
- control unit 11413 causes the display device 11202 to display an image captured by the surgical unit or the like based on the image signal processed by the image processing unit 11412.
- the control unit 11413 may recognize various objects in the captured image by using various image recognition techniques. For example, the control unit 11413 detects the shape, color, and the like of the edge of an object included in the captured image to remove surgical tools such as forceps, a specific biological part, bleeding, and mist when using the energy treatment tool 11112. Can be recognized.
- the control unit 11413 may superimpose and display various surgical support information on the image of the surgical unit by using the recognition result. By superimposing and displaying the surgical support information and presenting it to the surgeon 11131, it is possible to reduce the burden on the surgeon 11131 and to allow the surgeon 11131 to proceed with the surgery reliably.
- the transmission cable 11400 that connects the camera head 11102 and CCU11201 is an electric signal cable that supports electric signal communication, an optical fiber that supports optical communication, or a composite cable thereof.
- the communication is performed by wire using the transmission cable 11400, but the communication between the camera head 11102 and the CCU11201 may be performed wirelessly.
- the technology according to the present disclosure can be applied to various products.
- the technology according to the present disclosure is realized as a device mounted on a moving body of any kind such as an automobile, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a motorcycle, a bicycle, a personal mobility, an airplane, a drone, a ship, and a robot. You may.
- FIG. 31 is a block diagram showing a schematic configuration example of a vehicle control system, which is an example of a mobile control system to which the technique according to the present disclosure can be applied.
- the vehicle control system 12000 includes a plurality of electronic control units connected via the communication network 12001.
- the vehicle control system 12000 includes a drive system control unit 12010, a body system control unit 12020, an outside information detection unit 12030, an in-vehicle information detection unit 12040, and an integrated control unit 12050.
- a microcomputer 12051, an audio image output unit 12052, and an in-vehicle network I / F (Interface) 12053 are shown as a functional configuration of the integrated control unit 12050.
- the drive system control unit 12010 controls the operation of the device related to the drive system of the vehicle according to various programs.
- the drive system control unit 12010 provides a driving force generator for generating the driving force of the vehicle such as an internal combustion engine or a driving motor, a driving force transmission mechanism for transmitting the driving force to the wheels, and a steering angle of the vehicle. It functions as a control device such as a steering mechanism for adjusting and a braking device for generating a braking force of a vehicle.
- the body system control unit 12020 controls the operation of various devices mounted on the vehicle body according to various programs.
- the body system control unit 12020 functions as a keyless entry system, a smart key system, a power window device, or a control device for various lamps such as headlamps, back lamps, brake lamps, blinkers or fog lamps.
- the body system control unit 12020 may be input with radio waves transmitted from a portable device that substitutes for the key or signals of various switches.
- the body system control unit 12020 receives inputs of these radio waves or signals and controls a vehicle door lock device, a power window device, a lamp, and the like.
- the vehicle outside information detection unit 12030 detects information outside the vehicle equipped with the vehicle control system 12000.
- the image pickup unit 12031 is connected to the vehicle exterior information detection unit 12030.
- the vehicle outside information detection unit 12030 causes the image pickup unit 12031 to capture an image of the outside of the vehicle and receives the captured image.
- the vehicle exterior information detection unit 12030 may perform object detection processing or distance detection processing such as a person, a vehicle, an obstacle, a sign, or a character on the road surface based on the received image.
- the imaging unit 12031 is an optical sensor that receives light and outputs an electric signal according to the amount of the light received.
- the image pickup unit 12031 can output an electric signal as an image or can output it as distance measurement information. Further, the light received by the imaging unit 12031 may be visible light or invisible light such as infrared light.
- the in-vehicle information detection unit 12040 detects the in-vehicle information.
- a driver state detection unit 12041 that detects the driver's state is connected to the in-vehicle information detection unit 12040.
- the driver state detection unit 12041 includes, for example, a camera that images the driver, and the in-vehicle information detection unit 12040 determines the degree of fatigue or concentration of the driver based on the detection information input from the driver state detection unit 12041. It may be calculated, or it may be determined whether or not the driver has fallen asleep.
- the microcomputer 12051 calculates the control target value of the driving force generator, the steering mechanism, or the braking device based on the information inside and outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030 or the vehicle interior information detection unit 12040, and the drive system control unit.
- a control command can be output to 12010.
- the microcomputer 12051 realizes ADAS (Advanced Driver Assistance System) functions including vehicle collision avoidance or impact mitigation, follow-up driving based on inter-vehicle distance, vehicle speed maintenance driving, vehicle collision warning, vehicle lane deviation warning, and the like. It is possible to perform cooperative control for the purpose of.
- ADAS Advanced Driver Assistance System
- the microcomputer 12051 controls the driving force generator, the steering mechanism, the braking device, and the like based on the information around the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030 or the vehicle interior information detection unit 12040. It is possible to perform coordinated control for the purpose of automatic driving, etc., which runs autonomously without depending on the operation.
- the microcomputer 12051 can output a control command to the body system control unit 12030 based on the information outside the vehicle acquired by the vehicle exterior information detection unit 12030.
- the microcomputer 12051 controls the headlamps according to the position of the preceding vehicle or the oncoming vehicle detected by the external information detection unit 12030, and performs coordinated control for the purpose of anti-glare such as switching the high beam to the low beam. It can be carried out.
- the audio image output unit 12052 transmits an output signal of at least one of audio and an image to an output device capable of visually or audibly notifying information to the passenger or the outside of the vehicle.
- an audio speaker 12061, a display unit 12062, and an instrument panel 12063 are exemplified as output devices.
- the display unit 12062 may include, for example, at least one of an onboard display and a heads-up display.
- FIG. 32 is a diagram showing an example of the installation position of the imaging unit 12031.
- the imaging unit 12031 includes imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, and 12105.
- the imaging units 12101, 12102, 12103, 12104, 12105 are provided at positions such as, for example, the front nose, side mirrors, rear bumpers, back doors, and the upper part of the windshield in the vehicle interior of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12101 provided on the front nose and the imaging unit 12105 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior mainly acquire an image in front of the vehicle 12100.
- the imaging units 12102 and 12103 provided in the side mirrors mainly acquire images of the side of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or the back door mainly acquires an image of the rear of the vehicle 12100.
- the imaging unit 12105 provided on the upper part of the windshield in the vehicle interior is mainly used for detecting a preceding vehicle, a pedestrian, an obstacle, a traffic light, a traffic sign, a lane, or the like.
- FIG. 32 shows an example of the photographing range of the imaging units 12101 to 12104.
- the imaging range 12111 indicates the imaging range of the imaging unit 12101 provided on the front nose
- the imaging ranges 12112 and 12113 indicate the imaging ranges of the imaging units 12102 and 12103 provided on the side mirrors, respectively
- the imaging range 12114 indicates the imaging range of the imaging units 12102 and 12103.
- the imaging range of the imaging unit 12104 provided on the rear bumper or the back door is shown. For example, by superimposing the image data captured by the imaging units 12101 to 12104, a bird's-eye view image of the vehicle 12100 as viewed from above can be obtained.
- At least one of the imaging units 12101 to 12104 may have a function of acquiring distance information.
- at least one of the image pickup units 12101 to 12104 may be a stereo camera composed of a plurality of image pickup elements, or may be an image pickup element having pixels for phase difference detection.
- the microcomputer 12051 has a distance to each three-dimensional object within the imaging range 12111 to 12114 based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104, and a temporal change of this distance (relative velocity with respect to the vehicle 12100). By obtaining can. Further, the microcomputer 12051 can set an inter-vehicle distance to be secured in front of the preceding vehicle in advance, and can perform automatic braking control (including follow-up stop control), automatic acceleration control (including follow-up start control), and the like. In this way, it is possible to perform coordinated control for the purpose of automatic driving or the like in which the vehicle travels autonomously without depending on the operation of the driver.
- automatic braking control including follow-up stop control
- automatic acceleration control including follow-up start control
- the microcomputer 12051 converts three-dimensional object data related to a three-dimensional object into two-wheeled vehicles, ordinary vehicles, large vehicles, pedestrians, utility poles, and other three-dimensional objects based on the distance information obtained from the imaging units 12101 to 12104. It can be classified and extracted and used for automatic avoidance of obstacles. For example, the microcomputer 12051 distinguishes obstacles around the vehicle 12100 into obstacles that can be seen by the driver of the vehicle 12100 and obstacles that are difficult to see. Then, the microcomputer 12051 determines the collision risk indicating the risk of collision with each obstacle, and when the collision risk is equal to or higher than the set value and there is a possibility of collision, the microcomputer 12051 is used via the audio speaker 12061 or the display unit 12062. By outputting an alarm to the driver and performing forced deceleration and avoidance steering via the drive system control unit 12010, driving support for collision avoidance can be provided.
- At least one of the imaging units 12101 to 12104 may be an infrared camera that detects infrared rays.
- the microcomputer 12051 can recognize a pedestrian by determining whether or not a pedestrian is present in the captured image of the imaging units 12101 to 12104.
- pedestrian recognition includes, for example, a procedure for extracting feature points in an image captured by an imaging unit 12101 to 12104 as an infrared camera, and pattern matching processing for a series of feature points indicating the outline of an object to determine whether or not the pedestrian is a pedestrian. It is done by the procedure to determine.
- the audio image output unit 12052 When the microcomputer 12051 determines that a pedestrian is present in the captured images of the imaging units 12101 to 12104 and recognizes the pedestrian, the audio image output unit 12052 outputs a square contour line for emphasizing the recognized pedestrian.
- the display unit 12062 is controlled so as to superimpose and display. Further, the audio image output unit 12052 may control the display unit 12062 so as to display an icon or the like indicating a pedestrian at a desired position.
- the system represents the entire device composed of a plurality of devices.
- the present technology can also have the following configurations.
- a converter that converts incident light into light in the first wavelength band
- a photoelectric conversion unit that receives light converted into the first wavelength band by the conversion unit and performs photoelectric conversion is provided.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with surface plasmon resonance in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is the second wavelength band.
- the first surface has recesses periodically provided in a first period of surface plasmon resonance with light in the first wavelength band.
- the light receiving element according to (1), wherein the second surface has recesses periodically provided in a second cycle that resonates with surface plasmon resonance with light in the second wavelength band.
- the first wavelength band is a wavelength band of visible light.
- the light receiving element according to (2) above, wherein the second wavelength band is a wavelength band of infrared light.
- the first wavelength band is 300 to 700 nm.
- the light receiving element according to (2) above, wherein the second wavelength band is 700 to 1100 nm.
- the light receiving element according to (2) above, wherein the recess is formed in a ring shape.
- the light receiving element according to any one of (1) to (5) above, wherein the first surface or the second surface is composed of a plasmon filter having a hole array structure or a dot array type plasmon filter.
- a converter that converts incident light into light in the first wavelength band, A first pixel including a first photoelectric conversion unit that receives light converted into the first wavelength band by the conversion unit and performs photoelectric conversion.
- a transmitting portion that transmits light in the second wavelength band of the incident light,
- a pixel array unit is provided in which a second pixel including a second photoelectric conversion unit that receives light in the second wavelength band transmitted through the transmission unit and performs photoelectric conversion is arranged.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with a surface plasmon resonance in the first wavelength band
- the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is a third wavelength band.
- An image sensor that resonates with surface plasmons.
- the transmissive portion is a color filter made of an organic material.
- the transmission portion is a plasmon filter that resonates with a surface plasmon in the second wavelength band.
- the first wavelength band and the second wavelength band are visible light wavelength bands.
- a converter that converts incident light into light in the first wavelength band, A photoelectric conversion unit that receives light converted into the first wavelength band by the conversion unit and performs photoelectric conversion is provided.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with a surface plasmon resonance in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is the second wavelength band.
- An image sensor having a pixel array section in which a plurality of pixels that resonate with surface plasmon resonance are arranged.
- the first wavelength band is a wavelength band of visible light.
- the image pickup device according to (12) above, wherein the second wavelength band is a wavelength band of infrared light.
- the image pickup device wherein the first wavelength band and the second wavelength band are visible light wavelength bands.
- a transmitting portion that transmits light in the second wavelength band of the incident light, A pixel array unit is provided in which a second pixel including a second photoelectric conversion unit that receives light in the second wavelength band transmitted through the transmission unit and performs photoelectric conversion is arranged.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with a surface plasmon resonance in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is a third wavelength band.
- An image pickup device including a processing unit that processes a signal from the image pickup element.
- a converter that converts incident light into light in the first wavelength band, A photoelectric conversion unit that receives light converted into the first wavelength band by the conversion unit and performs photoelectric conversion is provided.
- the first surface of the conversion unit on the photoelectric conversion unit side resonates with a surface plasmon resonance in the first wavelength band, and the second surface on which the incident light of the conversion unit is incident is the second wavelength band.
- An image pickup device including a processing unit that processes a signal from the image pickup element.
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Abstract
本技術は、赤外光を受光する受光素子を小型化することができるようにする受光素子、撮像素子、撮像装置に関する。 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、変換部により第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とを備え、変換部の光電変換部側の第1の面は、第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、変換部の入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する。本技術は、例えば、赤外光を受光する受光素子であり、小型化、低背化した受光素子に適用できる。
Description
本技術は受光素子、撮像素子、撮像装置に関し、例えば、長波長を受光する場合でも感度が低下しない受光素子、撮像素子、撮像装置に関する。
デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、スマートフォン、ウェアラブルデバイスなどにおける撮像装置として、光電変換素子であるフォトダイオード(PD)のpn接合容量に蓄積した光電荷を、MOSトランジスタを介して読み出すCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサがある。
近年、CMOSイメージセンサでは、デバイスの微細化に伴って、PD自体の微細化が要求されている。しかしながら、単純にPDの受光面積を小さくしてしまうと、受光感度が低下してしまい、高精細な画質を実現することが難しくなる。そのため、CMOSイメージセンサでは、PDの微細化を行いつつ、受光感度の向上が求められている。
シリコン基板を用いたCMOSイメージセンサの受光感度を向上させる技術として、特許文献1,2では、不純物を注入(イオンインプランテーション)することによって、PDの深さ方向に対して櫛状に複数のpn接合領域を形成する方法が提案されている。
赤外光などの長波長の光を受光する受光素子において、所望の受光感度を得たい場合、PDを設けるシリコン基板の厚さを厚く形成する必要があった。よって、長波長の光を受光する受光素子を、所望の受光感度を維持したまま小型化、低背化することは困難であった。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、長波長を受光する受光素子を、所望の受光感度を維持したまま小型化、低背化することができるようにするものである。
本技術の一側面の受光素子は、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とを備え、前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する。
本技術の一側面の第1の撮像素子は、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部とを備える第1の画素と、前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部とを備える第2の画素とが配置されている画素アレイ部を備え、前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する。
本技術の一側面の第2の撮像素子は、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とを備え、前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する画素が複数配置されている画素アレイ部を備える。
本技術の一側面の第1の撮像装置は、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部とを備える第1の画素と、前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部とを備える第2の画素とが配置されている画素アレイ部を備え、前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する撮像素子と、前記撮像素子からの信号を処理する処理部とを備える。
本技術の一側面の第2の撮像装置は、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とを備え、前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する画素が複数配置されている画素アレイ部を備える撮像素子と、前記撮像素子からの信号を処理する処理部とを備える。
本技術の一側面の受光素子においては、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、変換部により第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とが備えられる。また、変換部の光電変換部側の第1の面は、第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、変換部の入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴するように構成されている。
本技術の一側面の第1の撮像素子においては、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、変換部により第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部とが備えられる第1の画素と、入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、透過部を透過した第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部とが備えられる第2の画素とが配置されている画素アレイ部が備えられている。また変換部の光電変換部側の第1の面は、第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、変換部の入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴するように構成されている。
本技術の一側面の第2の撮像素子においては、入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、変換部により第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部とが備えられている。また、変換部の光電変換部側の第1の面は、第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、変換部の入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する画素が複数配置されている画素アレイ部が備えられている。
本技術の一側面の第1の撮像装置においては、前記第1の撮像素子が含まれる構成とされている。
本技術の一側面の第2の撮像装置においては、前記第2の撮像素子が含まれる構成とされている。
なお、撮像装置は、独立した装置であっても良いし、1つの装置を構成している内部ブロックであっても良い。
以下に、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。
<撮像装置の構成例>
図1は、本技術を適用した電子機器の一種である撮像装置の一実施の形態を示すブロック図である。
図1は、本技術を適用した電子機器の一種である撮像装置の一実施の形態を示すブロック図である。
図1の撮像装置10は、例えば、静止画及び動画のいずれも撮像することが可能なデジタルカメラからなる。また、撮像装置10は、例えば、色の3原色若しくは等色関数に基づく従来のR(赤)、G(緑)、B(青)、又は、Y(黄)、M(マゼンダ)、C(シアン)の3つの波長帯域(3バンド)より多い4以上の波長帯域(4バンド以上)の光(マルチスペクトル)を検出可能なマルチスペクトルカメラからなる。
撮像装置10は、光学系11、撮像素子12、メモリ13、信号処理部14、出力部15、及び、制御部16を備える。
光学系11は、例えば、図示せぬズームレンズ、フォーカスレンズ、絞り等を備え、外部からの光を、撮像素子12に入射させる。また、光学系11には、必要に応じて偏光フィルタ等の各種のフィルタが設けられる。
撮像素子12は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサからなる。撮像素子12は、光学系11からの入射光を受光し、光電変換を行って、入射光に対応する画像データを出力する。
メモリ13は、撮像素子12が出力する画像データを一時的に記憶する。
信号処理部14は、メモリ13に記憶された画像データを用いた信号処理(例えば、ノイズの除去、ホワイトバランスの調整等の処理)を行い、出力部15に供給する。
出力部15は、信号処理部14からの画像データを出力する。例えば、出力部15は、液晶等で構成されるディスプレイ(不図示)を有し、信号処理部14からの画像データに対応するスペクトル(画像)を、いわゆるスルー画として表示する。例えば、出力部15は、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体を駆動するドライバ(不図示)を備え、信号処理部14からの画像データを記録媒体に記録する。例えば、出力部15は、図示せぬ外部の装置との通信を行う通信インタフェースとして機能し、信号処理部14からの画像データを、外部の装置に無線又は有線で送信する。
制御部16は、ユーザの操作等に従い、撮像装置10の各部を制御する。
<撮像素子の回路の構成例>
図2は、図1の撮像素子12の回路の構成例を示すブロック図である。
図2は、図1の撮像素子12の回路の構成例を示すブロック図である。
撮像素子12は、画素アレイ部31、行走査回路32、PLL(Phase Locked Loop)33、DAC(Digital Analog Converter)34、カラムADC(Analog Digital Converter)回路35、列走査回路36、及び、センスアンプ37を備える。
画素アレイ部31には、複数の画素51が2次元に配列されている。
画素51は、行走査回路32に接続される水平信号線Hと、カラムADC回路35に接続される垂直信号線Vとが交差する点にそれぞれ配置されており、光電変換を行う光電変換部として機能するフォトダイオード61と、蓄積された信号を読み出すための数種類のトランジスタを備える。すなわち、画素51は、図2の右側に拡大して示されているように、フォトダイオード61、転送トランジスタ62、フローティングディフュージョン63、増幅トランジスタ64、選択トランジスタ65、及び、リセットトランジスタ66を備える。
フォトダイオード61に蓄積された電荷は、転送トランジスタ62を介してフローティングディフュージョン63に転送される。フローティングディフュージョン63は、増幅トランジスタ64のゲートに接続されている。画素51が信号の読み出しの対象となると、行走査回路32から水平信号線Hを介して選択トランジスタ65がオンにされ、選択された画素51の信号は、増幅トランジスタ64をソースフォロワ(Source Follower)駆動することで、フォトダイオード61に蓄積された電荷の蓄積電荷量に対応する画素信号として、垂直信号線Vに読み出される。また、画素信号はリセットトランジスタ66をオンすることでリセットされる。
行走査回路32は、画素アレイ部31の画素51の駆動(例えば、転送、選択、リセット等)を行うための駆動信号を、行ごとに順次、出力する。
PLL33は、外部から供給されるクロック信号に基づいて、撮像素子12の各部の駆動に必要な所定の周波数のクロック信号を生成して出力する。
DAC34は、所定の電圧値から一定の傾きで電圧が降下した後に所定の電圧値に戻る形状(略鋸形状)のランプ信号を生成して出力する。
カラムADC回路35は、比較器71及びカウンタ72を、画素アレイ部31の画素51の列に対応する個数だけ有しており、画素51から出力される画素信号から、CDS(Correlated Double Sampling:相関2重サンプリング)動作により信号レベルを抽出して、画素データを出力する。すなわち、比較器71が、DAC34から供給されるランプ信号と、画素51から出力される画素信号(輝度値)とを比較し、その結果得られる比較結果信号をカウンタ72に供給する。そして、カウンタ72が、比較器71から出力される比較結果信号に応じて、所定の周波数のカウンタクロック信号をカウントすることで、画素信号がA/D変換される。
列走査回路36は、カラムADC回路35のカウンタ72に、順次、所定のタイミングで、画素データを出力させる信号を供給する。
センスアンプ37は、カラムADC回路35から供給される画素データを増幅し、撮像素子12の外部に出力する。
なお、以下の説明においては、画素51を受光素子とも記述する。また撮像素子12は、複数の画素51(受光素子)を含む構成であるとして説明を続ける。
<撮像素子の構成>
図3は、図1の撮像素子12の断面の構成例を模式的に示している。図3には、撮像素子12の画素51-1乃至画素51-4の4画素分の断面が示されている。なお、以下、画素51-1乃至画素51-4を個々に区別する必要がない場合、単に画素51と称する。
図3は、図1の撮像素子12の断面の構成例を模式的に示している。図3には、撮像素子12の画素51-1乃至画素51-4の4画素分の断面が示されている。なお、以下、画素51-1乃至画素51-4を個々に区別する必要がない場合、単に画素51と称する。
各画素51においては、上から順に、オンチップレンズ101、層間膜102、波長選択変換部103、層間膜104、光電変換素子層105、及び、配線層106が積層されている。すなわち、撮像素子12は、光電変換素子層105が配線層106より光の入射側に配置された裏面照射型のCMOSイメージセンサからなる。
オンチップレンズ101は、各画素51の光電変換素子層105に光を集光するための光学素子である。
層間膜102及び層間膜104は、SiO2等の誘電体からなる。後述するように、層間膜102及び層間膜104の誘電率は、できる限り低い方が望ましい。
各画素51には、波長選択変換部103が設けられ、入射光のうち所定の波長帯域の光を選択して透過(入射面とは逆側の面に伝搬)させるとともに、他の波長帯域に変換する機能を有する。波長選択変換部103は、入射光のうち、所定の波長帯域の光を選択する波長選択部と、その波長選択部で選択された波長を、他の波長帯域の光に変換する波長変換部とから構成されている。
後述するように、波長選択部と波長変換部は、基本的な構成は同様であり、また、波長選択部と波長変換部は、表面プラズモンを用いた構成とされている。まず、波長選択部や波長変換部として用いられるプラズモンフィルタについて説明を加え、表面プラズモンなどに関する説明を加える。
波長選択部は、例えば、アルミニウム等の金属製の薄膜を用いた金属薄膜フィルタの一種であり、表面プラズモンを利用したプラズモンフィルタを用いることができる。
光電変換素子層105は、例えば、図2のフォトダイオード61等を備え、波長選択変換部103を透過し、波長が変換された光を受光し、受光した光を電荷に変換する。また、光電変換素子層105は、各画素51間が素子分離層により電気的に分離されて構成されている。
配線層106には、光電変換素子層105に蓄積された電荷を読み取るための配線等が設けられる。
<プラズモンフィルタについて>
次に、波長選択変換部103(の波長選択部)に用いることが可能なプラズモンフィルタについて説明する。
次に、波長選択変換部103(の波長選択部)に用いることが可能なプラズモンフィルタについて説明する。
図4は、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタ121Aの構成例を示している。
プラズモンフィルタ121Aは、金属製の薄膜(以下、導体薄膜と称する)131Aにホール132Aがハニカム状に配置されたプラズモン共鳴体により構成されている。
各ホール132Aは、導体薄膜131Aを貫通しており、導波管として作用する。なお、波長選択変換部103は、所定の波長を選択してから、変換する機能を有するため、導体薄膜131Aを貫通しない構成とされているが、ここでは、波長選択変換部103についての理解を助けるために、入射光から、所定の波長帯の光を選択し、透過させるフィルタについて説明を加える。よって、ここではホール132Aは、導体薄膜131Aを貫通している場合から説明を行う。
一般的に導波管には、辺の長さや直径などの形状により決まる遮断周波数及び遮断波長が存在し、それ以下の周波数(それ以上の波長)の光は伝搬しないという性質がある。ホール132Aの遮断波長は、主に開口径D1に依存し、開口径D1が小さいほど遮断波長も短くなる。なお、開口径D1は透過させたい光の波長よりも小さい値に設定される。
一方、光の波長以下の短い周期でホール132Aが周期的に形成されている導体薄膜131Aに光が入射すると、ホール132Aの遮断波長より長い波長の光を透過する現象が発生する。この現象をプラズモンの異常透過現象という。この現象は、導体薄膜131Aとその上層の層間膜102との境界において表面プラズモンが励起されることによって発生する。
ここで、図5を参照して、プラズモンの異常透過現象(表面プラズモン共鳴)の発生条件について説明する。
図5は、表面プラズモンの分散関係を示すグラフである。グラフの横軸は角波数ベクトルkを示し、縦軸は角周波数ωを示している。ωpは導体薄膜131Aのプラズマ周波数を示している。ωspは層間膜102と導体薄膜131Aとの境界面における表面プラズマ周波数を示しており、次式(1)により表される
式(1)より、表面プラズマ周波数ωspは、プラズマ周波数ωpが高くなるほど高くなる。また、表面プラズマ周波数ωspは、誘電率εdが小さくなるほど、高くなる。
線L1は、光の分散関係(ライトライン)を示し、次式(2)で表される
線L2は、表面プラズモンの分散関係を表し、次式(3)で表される
線L2により表される表面プラズモンの分散関係は、角波数ベクトルkが小さい範囲では、線L1で表されるライトラインに漸近し、角波数ベクトルkが大きくなるにつれて、表面プラズマ周波数ωspに漸近する。
そして、次式(4)が成り立つとき、プラズモンの異常透過現象が発生する
|Gx|=|Gy|=2π/a0 ・・・(5)
a0は、導体薄膜131Aのホール132Aからなるホールアレイ構造の格子定数を示している。
a0は、導体薄膜131Aのホール132Aからなるホールアレイ構造の格子定数を示している。
式(4)の左辺は、表面プラズモンの角波数ベクトルを示し、右辺は、導体薄膜131Aのホールアレイ周期の角波数ベクトルを示している。従って、表面プラズモンの角波数ベクトルと導体薄膜131Aのホールアレイ周期の角波数ベクトルが等しくなるとき、プラズモンの異常透過現象が発生する。そして、このときのλの値が、プラズモンの共鳴波長(プラズモンフィルタ121Aの透過波長)となる。
なお、式(4)の左辺の表面プラズモンの角波数ベクトルは、導体薄膜131Aの誘電率εm及び層間膜102の誘電率εdにより決まる。一方、右辺のホールアレイ周期の角波数ベクトルは、光の入射角θ、及び、導体薄膜131Aの隣接するホール132A間のピッチ(ホールピッチ)P1により決まる。従って、プラズモンの共鳴波長及び共鳴周波数は、導体薄膜131Aの誘電率εm、層間膜102の誘電率εd、光の入射角θ、及び、ホールピッチP1により決まる。なお、光の入射角が0°の場合、プラズモンの共鳴波長及び共鳴周波数は、導体薄膜131Aの誘電率εm、層間膜102の誘電率εd、及び、ホールピッチP1により決まる。
従って、プラズモンフィルタ121Aの透過帯域(プラズモンの共鳴波長)は、導体薄膜131Aの材質及び膜厚、層間膜102の材質及び膜厚、ホールアレイのパターン周期(例えば、ホール132A開口径D1及びホールピッチP1)等により変化する。特に、導体薄膜131A及び層間膜102の材質及び膜厚が決まっている場合、プラズモンフィルタ121Aの透過帯域は、ホールアレイのパターン周期、特にホールピッチP1により変化する。すなわち、ホールピッチP1が狭くなるにつれて、プラズモンフィルタ121Aの透過帯域は短波長側にシフトし、ホールピッチP1が広くなるにつれて、プラズモンフィルタ121Aの透過帯域は長波長側にシフトする。
図6は、ホールピッチP1を変化させた場合のプラズモンフィルタ121Aの分光特性の例を示すグラフである。グラフの横軸は波長(単位はnm)を示し、縦軸は感度(単位は任意単位)を示している。線L11は、ホールピッチP1を250nmに設定した場合の分光特性を示し、線L12は、ホールピッチP1を325nmに設定した場合の分光特性を示し、線L13は、ホールピッチP1を500nmに設定した場合の分光特性を示している。
ホールピッチP1を250nmに設定した場合、プラズモンフィルタ121Aは、主に青色の波長帯域の光を透過する。ホールピッチP1を325nmに設定した場合、プラズモンフィルタ121Aは、主に緑色の波長帯域の光を透過する。ホールピッチP1を500nmに設定した場合、プラズモンフィルタ121Aは、主に赤色の波長帯域の光を透過する。ただし、ホールピッチP1を500nmに設定した場合、プラズモンフィルタ121Aは、導波管モードにより、赤色より低波長の帯域の光も多く透過する。
<他のプラズモンフィルタの例>
図7を参照して、ドットアレイ構造のプラズモンフィルタについて説明する。
図7を参照して、ドットアレイ構造のプラズモンフィルタについて説明する。
図7のAのプラズモンフィルタ121A’は、図4のプラズモンフィルタ121Aのプラズモン共鳴体に対してネガポジ反転した構造、すなわち、ドット133Aが誘電体層134Aにハニカム状に配置されたプラズモン共鳴体により構成されている。各ドット133A間には、誘電体層134Aが充填されている。
プラズモンフィルタ121A’は、所定の波長帯域の光を吸収するため、補色系のフィルタとして用いられる。プラズモンフィルタ121A’が吸収する光の波長帯域(以下、吸収帯域と称する)は、隣接するドット133A間のピッチ(以下、ドットピッチと称する)P3等により変化する。また、ドットピッチP3に合わせて、ドット133Aの径D3が調整される。
図7のBのプラズモンフィルタ121B’は、ドット133Bが誘電体層134Bに直行行列状に配置されたプラズモン共鳴体構造により構成されている。各ドット133B間には、誘電体層134Bが充填されている。プラズモンフィルタ121B’の吸収帯域は、隣接するドット133B間のドットピッチP4等により変化する。また、ドットピッチP4に合わせて、ドット133Bの径D3が調整される。
ドットピッチP3が狭くなるにつれて、プラズモンフィルタ121A’の吸収帯域は短波長側にシフトし、ドットピッチP3が広くなるにつれて、プラズモンフィルタ121A’の吸収帯域は長波長側にシフトする。
なお、ホールアレイ構造及びドットアレイ構造のいずれのプラズモンフィルタにおいても、ホール又はドットの平面方向のピッチを調整するだけで、透過帯域又は吸収帯域を調整することができる。従って、例えば、リソグラフィ工程においてホール又はドットのピッチを調整するだけで、画素毎に透過帯域又は吸収帯域を個別に設定することが可能であり、より少ない工程でフィルタの多色化が可能になる。
また、プラズモンフィルタの厚さは、有機材料系のカラーフィルタとほぼ同様の約100~500nm程度であり、プロセスの親和性が良い。
プラズモンフィルタとして、上記したホールアレイ構造、ドットアレイ構造以外の形状として、例えば、ブルズアイ(Bull’s eye)と称される形状(以下、ブルズアイ構造と記述する)のフィルタを適用することもできる。ブルズアイ構造とは、ダーツの的や弓矢の的と似ていることから付けられた名称である。
図8のAに示したように、ブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171は、中央に、貫通孔181を有し、その貫通孔181を中心とする同心円状に形成された複数の凹部182から構成されている。すなわち、ブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171は、プラズモン共鳴を生じさせる金属の回折格子構造を適用した形状である。
ブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171は、凹部182間をピッチP6とした場合、ピッチP6が狭くなるにつれて、プラズモンフィルタ171の透過帯域は短波長側にシフトし、ピッチP6が広くなるにつれて、プラズモンフィルタ171の透過帯域は長波長側にシフトするという特徴を有する。
図9に、図4に示したホールアレイ型のプラズモンフィルタ121Aと、図8に示したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171の断面構成例について説明する。図9のAの上図は、図4に示したホールアレイ型のプラズモンフィルタ121Aを示し、下図は、断面構成例を示す。図9のAの下図に示したように、ホールアレイ型のプラズモンフィルタ121Aは、ホール132Aが、導体薄膜131Aを貫通した構成とされている。
図9のBの上図は、図8に示したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171を示し、下図は、断面構成例を示す。図9のBの下図に示したように、ブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171は、中央に貫通孔181が設けられているため、この貫通孔181は、導体薄膜を貫通した構成とされている。一方で、凹部182の間は、非貫通に形成されている。
以下に説明する波長選択変換部103は、このようなプラズモンフィルタに適用されている表面プラズモンや、異常透過現象を適用した構成とされている。よって、上記したプラズモンフィルタに関する事項は、以下に説明する波長選択変換部103に対しても適用できる。プラズモンフィルタに関する事項とは、例えば、プラズモンフィルタが透過する光の波長は、凹部182間のピッチP6(図8)や、用いる金属や、プラズモンフィルタと接する層(例えば層間膜102,104)の誘電率などにより設定されるといった事項である。
以下の説明においては、図10に示したような簡略化した画素の構成を参照して説明を行う。図10に示した画素は、図中上から順に、オンチップレンズ101、層間膜102、波長選択変換部201、層間膜104、およびフォトダイオード61が積層されている。波長選択変換部201は、図3においては波長選択変換部103を構成し、フォトダイオード61は、光電変換素子層105に含まれる1光電変換素子を表している。
フォトダイオード61は、P型の半導体領域61-1とN型の半導体領域61-2から構成されている。なお、図10では図示していないが、N型の半導体領域61-2の周りを、P型の半導体領域61-1が囲むように形成されていても良い。このP型の半導体領域61-1は、暗電流抑制のための正孔電荷蓄積領域を兼ねている。
以下の説明においては、N型の半導体領域61-2が、フォトダイオード61の主要部分の領域であり、読み出し電荷が電子である場合を例に挙げて説明を続けるが、フォトダイオード61の主要部分の領域が、P型の半導体領域であり、読み出し電荷が正孔であるフォトダイオードであっても、本技術を適用できる。
<波長選択変換部の構成>
図11、図12、図13は、波長選択変換部201の構成例を示す図である。以下の説明においては、波長選択変換部201の構成として、図8を参照して説明したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171と同じく、リングアレイ構造を適用した場合を例に挙げて説明する。リングアレイ構造とは、複数のリング(円)が、同心円状に配置され、1つのリングは、凹部(または凸部)で構成されている。
図11、図12、図13は、波長選択変換部201の構成例を示す図である。以下の説明においては、波長選択変換部201の構成として、図8を参照して説明したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171と同じく、リングアレイ構造を適用した場合を例に挙げて説明する。リングアレイ構造とは、複数のリング(円)が、同心円状に配置され、1つのリングは、凹部(または凸部)で構成されている。
本技術は、ホールアレイ型やドットアレイ型のプラズモンフィルタの構造を適用することもできる。
図11は、波長選択変換部201の断面を含む斜視図である。図12は、波長選択変換部201の断面図である。図13の左図は、図12のA方向(入射面側)から見たとき波長選択変換部201の平面図であり、図13の右図は、図12のB方向(放射面側)から見たときの波長選択変換部201の平面図である。
波長選択変換部201は、金属膜222からなる。金属膜222は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属から選択され、例えば、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Ti等である。金属膜222の膜厚は、光の吸収率など考慮して適宜決定される。
図12に示すように、金属膜222の表面(光入射面)には、直径がd1、深さがh1の円柱形の凹部223が、周期p1で形成されている。また、金属膜222の裏面(放射面)には、直径がd2、深さがh2の円柱形の凹部223が、周期p2で形成されている。凹部221や凹部223は、図13に示したようにリング形状で形成されているため、図12では、横方向の周期がp1,p2で示してあるが、縦方向(紙面に垂直な方向)においても、その周期は、同様にp1,p2である。図12に示すように、凹部221,223の表面に垂直な方向の断面は、矩形形状である。
図13の左図に示すように、金属膜222の光入射面側に形成されている凹部221は、リング形状に形成されている。この形状は、図8のAに示したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171と同じ形状であり、リング形状に形成されている凹部221が、同心円状に、その間隔が周期p1となるように配置されている。
なお、図8に示したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171は、中央に、貫通孔181が形成されているが、波長選択変換部201においては形成されていない。すなわち図11乃至図13に示すように、波長選択変換部201において、貫通孔181に該当する中央の凹部221は、他の凹部221と同じく、非貫通に形成されている。
また、波長選択変換部201の光入射面側は、入射光のうちの所定の波長帯域の光を選択する波長選択部として機能する。例えば、所定の波長帯域として、赤外光の波長帯域であったり、可視光(のうちの所定の色)の波長帯域であったりする。波長選択変換部201の光入射面側に形成されている凹部221の周期p1は、選択したい波長帯域にあった周期とされている。例えば、赤外光の波長帯域を選択したい場合、赤外光の波長帯域に対して表面プラズモンを励起する周期p1に設定されている。
図13の右図に示すように、金属膜222の放射面側に形成されている凹部223は、リング形状に形成されている。この形状は、図8のAに示したブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171と同じ形状であり、リング形状に形成されている凹部223が、同心円状に、その間隔が周期p2となるように配置されている。
放射面側の波長選択変換部201にも、ブルズアイ構造のプラズモンフィルタ171(図8)の貫通孔181に該当する凹部223は形成されていない。すなわち図11乃至図13に示すように、放射面側の波長選択変換部201においても、貫通孔181に該当する中央の凹部223は、他の凹部223と同じく、非貫通に形成されている。
また、波長選択変換部201の放射面側は、入射面側で選択された所定の波長帯域の光を所定の波長帯域の光に変換する波長変換部として機能する。例えば、変換後の所定の波長帯域は、赤外光の波長帯域であったり、可視光(のうちの所定の色)の波長帯域であったりする。波長選択変換部201の放射面側に形成されている凹部223の周期p2は、変換後の波長帯域にあった周期とされている。例えば、可視光の波長帯域に変換したい場合、可視光の波長帯域に対して表面プラズモンを励起する周期p2に設定されている。
波長選択変換部201の凹部221の深さh1や、凹部223の深さh2は、十分な表面プラズモンによる吸収を得るためにはある程度の深さとする必要がある。凹部の深さが、波長の少なくとも1/4であれば、凹部内において共鳴が生じる。よって、波長選択変換部201の凹部221の深さh1は、吸収したい光の波長の少なくとも1/4に設定される。同じく、波長選択変換部201の凹部223の深さh2は、吸収したい光の波長の少なくとも1/4に設定される。
波長選択変換部201は、このように、入射光から、所定の波長帯域の光を選択し、その所定の波長帯域の光を、他の波長帯域の光に変換して放射する。例えば、波長選択変換部201は、入射光から、赤外光の波長帯域の光を選択し、その赤外光を、可視光の波長帯域の光に変換して放射する。波長選択変換部201は、長波長を短波長に変換する変化素子として機能する。
図14を参照して波長選択変換部201による波長の選択と変換について説明を加える。図14に示したグラフは、入射光または反射光と、プラズモンフィルタの間隔(図12における周期p1、周期p2に該当)との関係を示すグラフである。図14に示したグラフの縦軸は、入射光または反射光の波長[nm]を表し、横軸は、プラズモンフィルタの間隔[nm]を表す。
波長選択変換部201に入射される入射光から、所定の帯域の波長として、800nmの波長を選択したい場合、波長選択変換部201の入射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔は、525nmとされる。すなわち、波長選択変換部201の入射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔が約525nmに形成されている場合、波長選択変換部201を、入射光から800nmの波長の光を選択する波長選択部として機能させることができる。
波長選択変換部201の放射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔が、325nmに形成されていると、波長選択変換部201の放射面側からは、波長が500nmの光が放射される。換言すれば、波長選択変換部201の放射面側から、500nmの光を放射させたい場合、波長選択変換部201の放射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔は、325nmで形成される。
すなわち、波長選択変換部201の放射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔が約325nmに形成されている場合、波長選択変換部201を、入射光(のうち、選択された周波数帯域の光)を500nmの波長の光に変換する波長選択部として機能させることができる。
波長選択変換部201の入射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔を525nmとし、放射面側に形成されているプラズモンフィルタの間隔を325nmとした場合、波長選択変換部201に入射された光のうち、800nmの光を吸収し、500nmの光に変換して放射する波長選択変換部201とすることができる。
このような波長選択変換部201を備える画素51は、800nmの光を受光する受光素子として機能する。一方で、フォトダイオード61は、500nmの光を吸収するため、フォトダイオード61の設計(後述するシリコン基板での深さなど)は、500nmの光を受光する画素51として扱うことができる。
このように、波長選択変換部201の入射面側のプラズモンフィルタの周期を調整することで、所望の波長帯域の光を受光する受光素子(波長選択変換部201を備え、図10に示したような構成を有する画素)とすることができる。また、そのような光を、所望の波長帯域の光に変換することができる。例えば、赤外光を受光する受光素子を、可視光を受光する受光素子として扱うことが可能となる。
ここで、フォトダイオード61の深さについてさらに説明を加える。一般的に、物質の表面から光が入射した場合、表面からの深さxでの光強度Iは、
I=I0e-αx
となる。I0は物質表面での光強度を表し、αは吸収係数を表す。
I=I0e-αx
となる。I0は物質表面での光強度を表し、αは吸収係数を表す。
吸収係数αが大きいほど物質表面で光は吸収され、小さいと物質の深いところまで侵入する。
図15に、単結晶シリコンの吸収係数αと光の波長との関係を示す。図15に示したグラフの横軸は、光の波長を表し、縦軸は、吸収係数αを表す。図15のグラフから、単結晶シリコンに入射してきた光の波長に応じて、吸収係数αが変化し、一定では無いことが読み取れる。すなわち、吸収係数αは、物質や、入射してきた光の波長に大きく依存することがわかる。
図16に、単結晶シリコンにおける光強度と侵入深さの関係を示す。図16に示したグラフの横軸は、光が侵入する深さを表し、縦軸は、光強度を表す。また、図16には、波長λ=450nmの青色光が入射されたときのグラフ、波長λ=530nmの緑色光が入射されたときのグラフ、波長λ=700nmの赤色光が入射されたときのグラフを、それぞれ図示してある。
図16に示したグラフから、例えば、光強度が50%(図中、一点鎖線で示した部分)となる深さ、すなわち、I/I0=0.5 となる深さは、青色光の場合、0.3um、緑色光の場合、0.8um、赤色光の場合、3.2umであることが読み取れる。この結果から、青色光は、シリコンに入射して比較的浅い部分で強度が半減するが、赤色光は、シリコンに入射して比較的深い部分で強度が半減することが読み取れる。
例えば、青色光を透過するカラーフィルタやプラズモンフィルタを用いた場合に、シリコン表面にフォトダイオード61を形成すれば、感度を向上させることができる。一方で、シリコンの深い位置、例えば0.3umよりも深い位置にフォトダイオード61を形成すると、青色光は、フォトダイオード61に到達する前に強度が弱まり、フォトダイオード61に到達する青色光は低減し、感度は低下してしまう。
このことから、波長選択変換部201が透過する光の波長に適した位置にフォトダイオード61が形成されていれば、効率良く受光できるが、波長選択変換部201が透過する光の波長に適していない位置にフォトダイオード61が形成されていると、効率良く受光できないことがわかる。
図16では図示していないが、赤色光よりも波長が長い赤外光では、赤色光よりもさらに深いにフォトダイオード61を形成しないと、所望のとされる感度が得られない。しかしながら、フォトダイオード61を深い位置に形成する場合、シリコンの厚みを厚くする必要があるが、例えば受光素子の小型化などの要因により、シリコンの厚みとして確保できる厚みには限界がある。
波長選択変換部201は、上記したように、例えば、赤外光の光を抽出し、その光を可視光、例えば青色光に変換して、フォトダイオード61に放射することができる。よって、フォトダイオード61は、青色光を受光できる深さに形成されていれば、感度良く受光することができる。よって、赤外光を受光する受光素子であっても、シリコンの厚みを厚くしなくても、換言すれば、フォトダイオード61の形成位置を浅い位置に形成しても、所望の感度を得ることができる受光素子とすることができる。
<波長選択変換部の製造>
このような効果を得られる波長選択変換部201の製造の仕方について、簡便に説明を加える。波長選択変換部201は、例えばフォトリソグラフィを用いて金属膜222をパターニングすることにより作製することができる。具体的には、以下のような工程1乃至6を用いて作製することができる。
このような効果を得られる波長選択変換部201の製造の仕方について、簡便に説明を加える。波長選択変換部201は、例えばフォトリソグラフィを用いて金属膜222をパターニングすることにより作製することができる。具体的には、以下のような工程1乃至6を用いて作製することができる。
工程1:金属膜222を準備する。
工程2:金属膜222の表面にフォトレジストを塗布する。
工程3:フォトレジストの上にマスクパターンを重ねてフォトレジストを露光する。
工程2:金属膜222の表面にフォトレジストを塗布する。
工程3:フォトレジストの上にマスクパターンを重ねてフォトレジストを露光する。
工程4:フォトレジストを現像してレジストマスクを形成する。
工程5:ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属膜222をエッチングする。あるいはイオンビームエッチングでもよい。
工程6:レジストマスクを有機溶剤で除去することにより、金属膜222の表面に凹部223が形成される。
工程5:ハロゲン系ガスを用いたドライエッチングにより露出した金属膜222をエッチングする。あるいはイオンビームエッチングでもよい。
工程6:レジストマスクを有機溶剤で除去することにより、金属膜222の表面に凹部223が形成される。
なお、工程5のドライエッチングに代えてウエットエッチングを用いても良い。同様の工程を金属膜222の裏面に対して行うことで、凹部223を形成することができる。
<波長選択変換部201の他の構成>
上述したように、波長選択変換部201は、少なくとも最表面が、光の透過しない厚さの金属膜であればよい。図17は、波長選択変換部201の他の構成を示す断面図である。
上述したように、波長選択変換部201は、少なくとも最表面が、光の透過しない厚さの金属膜であればよい。図17は、波長選択変換部201の他の構成を示す断面図である。
図17に示した波長選択変換部201は、本体231と、その表面全体を覆うように設けられた金属膜222から形成される。本体231は、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、シリコン(Si)等の誘電体材料あるいは半導体からなる。なお、表面に凹凸パターンを加工しやすい材料であればこれらの材料に限らない。
金属膜222は、Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Ti等の表面プラズモン共鳴を生じやすい金属から選択される。金属膜222の膜厚は入射光を透過しない厚さであれば良い。このような膜厚であれば、金属膜222の表面における表面プラズモン共鳴のみが電磁波の吸収および放射に影響し、本体231は吸収等に光学的な影響を与えない。
例えば、波長選択変換部201の金属膜222の膜厚δは、吸収波長に対して以下の関係を満たす。
δ=(2/μσω)1/2
ここで、δは金属膜222の膜厚、μは金属膜222の透磁率、σは金属膜222の電気伝導率、ωは入射光の角振動数である。この式で表される表皮効果の厚さ(skin depth)δの、少なくとも2倍の厚さ(数10nmから数100nm程度)を有すれば、本体231への入射光の漏れ出しは充分に小さくできる。
δ=(2/μσω)1/2
ここで、δは金属膜222の膜厚、μは金属膜222の透磁率、σは金属膜222の電気伝導率、ωは入射光の角振動数である。この式で表される表皮効果の厚さ(skin depth)δの、少なくとも2倍の厚さ(数10nmから数100nm程度)を有すれば、本体231への入射光の漏れ出しは充分に小さくできる。
図17に示す波長選択変換部201の作製は、誘電体あるいは半導体からなる本体231に対して、まず、表面側に対してフォトリソグラフィとドライエッチングを用いて周期構造を形成した後に、金属膜222をスパッタ等で形成する。次に、裏面についても同様に、周期構造を作製した後に金属膜222を形成する。
なお、凹部221,223の直径は数μm程度と小さくなるため、金属膜を直接エッチングして凹部を形成するより、本体をエッチングして凹部を形成した後に金属膜を形成する方が、製造工程が容易となる。また、金属膜にはAuやAgのような高価な材料が使用されるため、誘電体あるいは半導体の本体を用いることで金属の使用量を減らし、コストを低減することができる。
<ホールとリングの共鳴方向について>
図18を参照し、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201と、リングアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201の共鳴方向について説明する。
図18を参照し、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201と、リングアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201の共鳴方向について説明する。
図18のAは、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201の共鳴方向を示す図である。ホールアレイ構造のプラズモンフィルタの場合、共鳴方向は、ホールが周期的に配置されている方向となる。例えば、図18のAに示したように、上下方向、左右方向、斜め方向にホールが周期的に配置されていた場合、これらの方向が、共鳴方向となる。
図18のBは、リングアレイ構造のプラズモンフィルタを適用した波長選択変換部201の共鳴方向を示す図である。リングアレイ構造のプラズモンフィルタの場合、共鳴方向は、リングが周期的に配置されている方向となる。リングは、同心円状に配置されているため、中心を基準とした場合、その中心から全方向が共鳴方向となる。図18のBでは、上下方向、左右方向、斜め方向に矢印を示し、共鳴方向を図示しているが、共鳴方向は、全方向である。
このようなことから、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタを用いた場合よりも、リングアレイ構造(ブルズアイ構造)のプラズモンフィルタを用いた場合の方が、より効率良くプラズモン共鳴を起こさせることができ、所望の波長帯域の光の選択や、所望の波長帯域への光の変換や放射を効率よく行うことができる。
<波長選択変換部を備える画素の第1の実施の形態>
次に、上記した波長選択変換部201を備える画素51について説明する。第1の実施の形態における画素51は、カラーフィルタと波長選択変換部201を併用した構成とされている。
次に、上記した波長選択変換部201を備える画素51について説明する。第1の実施の形態における画素51は、カラーフィルタと波長選択変換部201を併用した構成とされている。
図19は、2×2の4画素51の入射面側の平面図と放射面側の平面図を示す図である。4画素51-1乃至51-4のうちの1画素51-1には波長選択変換部201が配置され、残りの3画素51-2乃至51-4には、カラーフィルタ301-1乃至301-3が配置されている。カラーフィルタ301-1乃至301-3は、有機材料系のカラーフィルタとすることができる。
図19に示した例においては、画素51-2に配置されているカラーフィルタ301-1は、赤色光(R)を透過するフィルタであり、画素51-3に配置されているカラーフィルタ301-1は、緑色光(G)を透過するフィルタであり、画素51-4に配置されているカラーフィルタ301-3は、青色光(B)を透過するフィルタとされている。このカラーフィルタ301の色の並びには、RGBのベイヤー配列を適用することができる。
ここでは、R(赤)、G(緑)、B(青)のカラーフィルタを配置した場合を例に挙げて説明するが、Y(黄)、M(マゼンダ)、C(シアン)の配置であっても良い。
カラーフィルタ301が配置されている画素51-2乃至51-4は、可視光を受光する画素である。これに対して、画素51-1は、赤外光を受光する画素とされている。赤外光を受光する画素51-1には、波長選択変換部201が配置されている。
図19に示した例では、波長選択変換部201の光の入射側に形成されているプラズモンフィルタは、赤外光の波長帯域である900nmを効率よく受光する構成とされている。また、波長選択変換部201の光の放射側に形成されているプラズモンフィルタは、可視光の波長帯域である500nmを効率よく放射する構成とされている。
図16に示したように、青色光の波長は450nmであり、緑色光の波長は530nmであるため、波長が500nmの光を受光する画素51-1は、青色光を受光する画素51-4や、緑色光を受光する画素51-3と同程度の深さの位置にフォトダイオード61が形成されていても、画素51-4や画素51-3と同程度の感度を得られる。
すなわちこの場合、波長が900nmの赤外光を受信する画素51-1は、波長が500nmの可視光を受光するフォトダイオード61を備えていればよく、カラーフィルタ301が配置されている他の画素51-2乃至51-4と、同等の構成、例えば、図20に示すように、フォトダイオード61のシリコン基板内での位置が同等の構成であっても、所望の感度を確保することができる。
図20は、図19に示した画素51-1と画素51-2の断面構成例を示す図である。画素51-1は、図10に示した画素51と同様の構成を有しており、層間膜102と層間膜104の間に、波長選択変換部201が設けられた構成とされている。画素51-2は、層間膜102と層間膜104との間に、カラーフィルタ301が設けられている。
波長選択変換部201は、カラーフィルタ301と同程度の厚さで形成することができるため、図20に示すように、波長選択変換部201とカラーフィルタ301を並べても段差などが生じることなく配置することができる。
図20に示した画素51では、画素間に、画素間遮光膜311が形成されている例を示した。画素間遮光膜311は、画素51の画素間であり、層間膜104内に形成されている。画素間遮光膜311は、隣接する画素51に光が漏れ込まないように、例えば、金属などの遮光性を有する材料で形成されている。
<波長選択変換部を備える画素の第2の実施の形態>
次に、上記した波長選択変換部201を備える第2の実施の形態における画素51について説明する。第2の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201とプラズモンフィルタが併用された構成とされている。
次に、上記した波長選択変換部201を備える第2の実施の形態における画素51について説明する。第2の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201とプラズモンフィルタが併用された構成とされている。
図21は、2×2の4画素51の入射面側の平面図と放射面側の平面図を示す図である。図22は、隣接して配置されている2画素51の断面図である。
図21を参照するに、4画素51-1乃至51-4のうちの1画素51-1には波長選択変換部201を配置し、残りの3画素51-2乃至51-4には、プラズモンフィルタ171-1乃至171-3を配置する。
プラズモンフィルタ171は、図8を参照して説明したブルズアイ構造のプラズモンフィルタを採用した場合を、図21では示している。よって、プラズモンフィルタ171-1乃至171-3の中央部には、貫通孔181が形成されている。
図21に示した例においては、画素51-2に配置されているプラズモンフィルタ171-1は、波長が700nmの光(赤色光に分類される光)を透過するフィルタである。画素51-3に配置されているプラズモンフィルタ171-1は、波長が500nmの光(緑色光に分類される光)を透過するフィルタである。画素51-4に配置されているプラズモンフィルタ171-3は、波長が400nmの光(青色光に分類される光)を透過するフィルタである。このプラズモンフィルタ171の色の並びは、RGBのベイヤー配列を適用することができる。
プラズモンフィルタ171を、ブルズアイ構造のプラズモンフィルタとした場合、図8を参照して説明したように、中央のリングだけ貫通孔181とされる。よって、図21の下図に示したように、プラズモンフィルタ171-1乃至171-3を、放射側から見た場合、中央付近に、貫通孔181に該当する孔がある形状となる。
プラズモンフィルタ171が配置されている画素51-2乃至51-4は、可視光を受光する画素である。これに対して、画素51-1は、赤外光を受光する画素とされている。赤外光を受光する画素51-1には、波長選択変換部201が配置されている。
図21に示した例では、波長選択変換部201の光の入射側に形成されているプラズモンフィルタは、赤外光の波長帯域である900nmを効率よく受光する構成とされている。また、波長選択変換部201の光の放射側に形成されているプラズモンフィルタは、可視光の波長帯域である500nmを効率よく放射する構成とされている。
第1の実施の形態における画素51-1(図19)と同じく、第2の実施の形態における画素51-1(図21)も、波長が900nmの赤外光を受信し、波長を500nmの可視光に変換して受光する画素として扱うことができ、プラズモンフィルタ171が配置されている他の画素51-2乃至51-4と、同等の構成、例えば、図22に示すように、フォトダイオード61のシリコン基板内での位置が同じ構成であっても、それぞれの画素51において所望される感度を確保することができる。
図22は、図21に示した画素51-1と画素51-2の断面構成例を示す図である。画素51-1は、図10に示した画素51と同様の構成を有しており、層間膜102と層間膜104の間に、波長選択変換部201が設けられた構成とされている。画素51-2は、層間膜102と層間膜104との間に、プラズモンフィルタ171が設けられている。プラズモンフィルタ171は、中央付近に、貫通孔181が形成され、他の凹部は、非貫通に形成されている。
波長選択変換部201は、プラズモンフィルタ171と同程度の厚さで形成することができるため、図22に示すように、波長選択変換部201とプラズモンフィルタ171を、段差などが生じることなく並べて配置することができる。
図22に示した画素51では、画素間に、画素間遮光膜311が形成されている例を示した。画素間遮光膜311は、画素間であり、層間膜104内に形成されている。
なお、後述するように、波長選択変換部201とプラズモンフィルタ171を、ブルズアイ構造のように、複数のリング(円)が同心円状に形成されている構造とした場合、画素間遮光膜311を設けない構成としても良い。
プラズモンフィルタは、図18を参照して説明したように、周期性がある方向にプラズモン共鳴が起こるが、複数の円が同心円状に配置されたとき、画素間の部分では、周期性が途切れる。画素間では、円が途切れるため、周期性も崩れることになる。よって、画素間では、プラズモン共鳴は起こりづらいため、隣接する画素への光の漏れ込みを防ぐ画素間遮光膜311を形成しなくても、隣接する画素への光の漏れ込みは低減される構造である。
<波長選択変換部を備える画素の第3の実施の形態>
次に、上記した波長選択変換部201を備える第3の実施の形態における画素51について説明する。第3の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201のみが配置された構成とされている。
次に、上記した波長選択変換部201を備える第3の実施の形態における画素51について説明する。第3の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201のみが配置された構成とされている。
図23は、2×2の4画素51の入射面側の平面図と放射面側の平面図を示す図である。図24は、隣接して配置されている2画素51の断面図である。
図23を参照するに、4画素51-1乃至51-4のそれぞれには、波長選択変換部201-1乃至201-4が配置されている。図23、図24に示した画素51がアレイ状に配置されている画素アレイ部31を有する撮像装置10(図1)は、例えば、赤外光を受光して処理する撮像装置に用いて好適な構成とされている。
波長選択変換部201-1乃至201-4は、赤外光の波長帯域を効率よく受光するプラズモンフィルタを、入射側に備え、可視光の波長帯域を効率よく放射するプラズモンフィルタを、放射側に備えている。
図23の上図を参照して、入射側の波長選択変換部201について説明する。画素51-1に配置されている波長選択変換部201-1aは、波長が900nmの光を選択するフィルタとして機能する。画素51-2に配置されている波長選択変換部201-2aは、波長が850nmの光を選択するフィルタとして機能する。
画素51-3に配置されている波長選択変換部201-3aは、波長が1000nmの光を選択するフィルタとして機能する。画素51-4に配置されている波長選択変換部201-4aは、波長が950nmの光を選択するフィルタとして機能する。
図23に示した画素51-1乃至51-4は、850~1000nmの波長帯域の光を受光する画素として機能する。
なお、赤外光を受光する画素51とする場合、700~1100nm程度の波長帯域の光を受光する画素51として設計される。この700~11100nmの波長帯域の光を受光できるように、波長選択変換部201-1a乃至201-4aが設計される。
図23の下図を参照して、放射側の波長選択変換部201について説明する。放射側の波長選択変換部201-1b乃至201-4bは、波長が500nmの光を放射するように構成されている。
図23に示した例では、波長選択変換部201の光の入射側に形成されているプラズモンフィルタは、赤外光の波長帯域である850~1000nmを効率よく受光する構成とされている。また、波長選択変換部201の光の放射側に形成されているプラズモンフィルタは、可視光の波長帯域である500nmを効率よく放射する構成とされている。
第1の実施の形態における画素51-1(図19)と同じく、第3の実施の形態における画素51-1乃至51-4(図23)も、波長が850~1000nmの赤外光を受信し、波長を500nmの可視光に変換して受光する画素として扱うことができる。
図24は、図23に示した画素51-1と画素51-2の断面構成例を示す図である。画素51-1、画素51-2は、図10に示した画素51と同様の構成を有しており、層間膜102と層間膜104の間に、波長選択変換部201が設けられた構成とされている。
図24に示した画素51では、画素間に、画素間遮光膜311が形成されている例を示したが、上記した第2の実施の形態と同じく、画素間遮光膜311を設けない構成としても良い。また、画素間遮光膜311を設けない構成とした場合であっても、図23,図24に示した構成の画素51は、隣接する画素への光の漏れ込みは低減している構造である。
<波長選択変換部を備える画素の第4の実施の形態>
次に、上記した波長選択変換部201を備える第4の実施の形態における画素51について説明する。第4の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201のみが配置されている構成である点で、第3の実施の形態における画素51(図23)と同様であるが、受光対象とされている波長帯域が可視光である点が異なる。
次に、上記した波長選択変換部201を備える第4の実施の形態における画素51について説明する。第4の実施の形態における画素51は、波長選択変換部201のみが配置されている構成である点で、第3の実施の形態における画素51(図23)と同様であるが、受光対象とされている波長帯域が可視光である点が異なる。
図25は、2×2の4画素51の入射面側の平面図と放射面側の平面図を示す図である。図25を参照するに、4画素51-1乃至51-4のそれぞれには、波長選択変換部201-1乃至201-4が配置されている。図25に示した画素51がアレイ状に配置されている画素アレイ部31を有する撮像装置10(図1)は、例えば、可視光を受光して処理する撮像装置に用いて好適な構成とされている。
波長選択変換部201-1乃至201-4は、可視光の波長帯域を効率よく受光するプラズモンフィルタを、入射側に備え、可視光の波長帯域を効率よく放射するプラズモンフィルタを、放射側に備えている。
図25に示した例においては、画素51-1に配置されている波長選択変換部201-1aの入射側のプラズモンフィルタは、波長が500nmの光(緑色光に分類される光)を選択するフィルタである。画素51-2に配置されている波長選択変換部201-2aの入射側のプラズモンフィルタは、波長が700nmの光(赤色光に分類される光)を選択するフィルタである。
画素51-3に配置されている波長選択変換部201-3aの入射側のプラズモンフィルタは、波長が500nmの光(緑色光に分類される光)を選択するフィルタである。画素51-4に配置されている波長選択変換部201-4aの入射側のプラズモンフィルタは、波長が400nmの光(青色光に分類される光)を選択するフィルタである。
図25に示した画素51(波長選択変換部201)は、RGBのベイヤー配列とされている。可視光を受光し、可視光を処理する画素(を備える装置)に対しても、本技術を適用することができる。
図25の下図を参照して、放射側の波長選択変換部201について説明する。放射側の波長選択変換部201-1b乃至201-4bは、波長が500nmの光を放射するフィルタとして機能するように構成されている。
図25に示した例では、波長選択変換部201の光の入射側に形成されているプラズモンフィルタは、可視光の波長帯域である400~700nmを効率よく受光する構成とされている。また、波長選択変換部201の光の放射側に形成されているプラズモンフィルタは、可視光の波長帯域である500nmを効率よく放射する構成とされている。
第4の実施の形態における画素51は、波長が400~700nmの可視光を受信し、波長を500nmの可視光に変換して受光する画素として扱うことができる。この場合、波長選択変換部201からの光は、波長が500nmの光に変換された光であるため、波長が500nmの光を最も効率良く受光する位置に、フォトダイオード61を形成しておくことで、画素間における感度の違いがなく、感度を高めた画素とすることができる。
画素51-4に配置されている波長選択変換部201は、400nmの光を選択し、500nmの光に変換して放射するフィルタとして機能する。このように、放射する光の波長よりも短い波長を抽出する構成に、波長選択変換部201を構成することも可能である。換言すれば、波長選択変換部201は、短波長を長波長に変換するフィルタとして設計することもできる。
図25に示した波長選択変換部201を設けた画素51の断面は、図24に示した場合と同様である。すなわち、画素51-1、画素51-2は、図10に示した画素51と同様の構成を有しており、層間膜102と層間膜104の間に、波長選択変換部201が設けられた構成とされている。
図25では、波長選択変換部201の放射側のプラズモンフィルタは、500nmの光を放射するのに適したフィルタであるとして説明したが、例えば、300nmの光を放射するのに適したフィルタとしても良い。フォトダイオード61は、シリコン基板に形成されている。一般的にシリコン基板に入射してきた光は、短波長の光ほど、シリコン基板の浅いところで吸収されることが知られている。
よって、波長選択変換部201の放射側のプラズモンフィルタを、短波長の光を放射するフィルタとすることで、シリコン基板の浅いところでも、効率良く光を吸収できるようになるため、受光素子をより低背化することができる。
本技術によれば、赤外光を効率よく受光する受光素子を提供できる。また、その受光素子は、低背化された受光素子とすることができる。
<画素間に形成されているプラズモンフィルタについて>
例えば、図25に示した波長選択変換部201は、画素間までリングが形成されている形状ではなく、リングが欠けることなく形成できる領域にのみ形成されている例を示した。この場合、画素間付近の領域に、リングが形成されていない領域が存在する。このようなリングが形成されていない領域をできる限りなくし、リングを、画素間付近の領域まで設ける構成とすることもできる。
例えば、図25に示した波長選択変換部201は、画素間までリングが形成されている形状ではなく、リングが欠けることなく形成できる領域にのみ形成されている例を示した。この場合、画素間付近の領域に、リングが形成されていない領域が存在する。このようなリングが形成されていない領域をできる限りなくし、リングを、画素間付近の領域まで設ける構成とすることもできる。
図26では、第4の実施の形態の画素51と同じく、2×2の4画素51に、波長選択変換部201が配置されている場合の、波長選択変換部201の平面図を表す図である。図26の上図を参照するに、波長選択変換部201は、リングアレイ構造のプラズモンフィルタとされ、リング(凹部)は、画素51と画素51が接するところ(境界)まで形成されている。
境界部分では、リングの一部はかけている状態、またはリングの一部のみが形成されている状態で、リングが形成されている。プラズモンフィルタにおいては、周期性が保たれている方向にプラズモン共鳴が起こる。周期性がある部分、この場合、リングの間隔が一定である部分ではプラズモン共鳴が発生すると考えられる。画素51の境界部分までリング(の一部)を形成することで、リングの間隔が一定である部分を、画素51の境界部分まではリングを形成していない場合(例えば、図25に示したような場合)と比べて増やすことができる。
リングを画素の境界部分まで設けることで、プラズモン共鳴する領域を増やし、より多くのプラズモン共鳴を発生させることができる。
図26の下図に示したように、波長選択変換部201の放射側のプラズモンフィルタも、入射側に形成されているプラズモンフィルタと同じように、画素の境界部分までリング(凹部)が形成されている。よって、放射面側においても、プラズモン共鳴する領域を増やし、より多くのプラズモン共鳴を発生させることができる。
また画素の境界部分までリング(凹部)が形成されることで、画素の境界部分でも、プラズモン共鳴が発生し、隣接するが側に光が漏れることも考えられるが、画素の境界部分では、リングが欠けていたり、リングの一部しか形成されていなかったりするため、リングの周期性が崩れている。よって、周期性が崩れているところでは、プラズモン共鳴は起きない(起きても弱い)ため、隣接する画素に光が漏れるようなことは防がれる。
また、リングアレイ構造でプラズモンフィルタを構成すると、異なる画素では、同心円状の中心が異なるため、プラズモン共鳴が起こる方向を異ならせることができる。すなわち、画素の中心方向に集中してプラズモン共鳴を起こさせることができる。よって、この点でも、隣接する画素に光が漏れるようなことを防ぐことができる構造となっている。
図示はしないが、ホールアレイ構造やドットアレイ構造のプラズモンフィルタを、波長選択変換部201の入射面側や放射面側に配置した場合、画素境界付近のホールやドットは、周期性が崩れるように間引かれた状態で形成されたり、形状を大きくまたは小さく形成されたりする。このようにすることで、画素間付近で、周期性を崩すことができ、隣接する画素への光の漏れを防ぐことができる。
上述した実施の形態においては、波長選択変換部201の入射側と放射側には、リングアレイ構造のプラズモンフィルタが形成されている場合を例に挙げて説明した。本技術は、このような、波長選択変換部201の入射側と反射側の両面が、リングアレイ構造のプラズモンフィルタで構成されている場合に限定されるわけではない。
例えば、波長選択変換部201の入射側と反射側の一方の面を、リングアレイ構造のプラズモンフィルタで構成し、他方の面を、ホールアレイ構造(またはドットアレイ構造)のプラズモンフィルタで構成されているようにしても良い。
<波長選択変換部を備える画素と備えない画素との比較>
図27、図28を参照し、波長選択変換部201を備える画素と、波長選択変換部201を備えない画素とを比較し、本技術を適用する効果についてさらに説明を加える。
図27、図28を参照し、波長選択変換部201を備える画素と、波長選択変換部201を備えない画素とを比較し、本技術を適用する効果についてさらに説明を加える。
図27は、例えば、図4に示したホールアレイ構造のプラズモンフィルタ121を、所定の波長帯域の光を選択するフィルタ(従来のカラーフィルタに相当するフィルタ)として用いた場合の画素構造を示す図である。また図27は、プラズモンフィルタ121が透過する光の波長に適切な深さにフォトダイオード61が形成されている場合について説明するための図である。
図27の上部には、プラズモンフィルタ121の分光特性のグラフを示し、そのような分光特性のグラフが得られるときの画素51の構成であり、本技術を適用した画素51の構成を、図27の下部に示す。
図27の下部に示した画素51の構成は、図10に示した画素51の構成と同じであるが、フォトダイオード61(フォトダイオード61を構成するN型の半導体領域61-2)の深さが異なる。
以下、“フォトダイオード61の深さ”と記載するが、“フォトダイオード61の深さ”とは、フォトダイオード61を構成するN型の半導体領域61-2の深さであるとする。また、“フォトダイオード61の深さ”とは、フォトダイオード61が形成されているシリコン基板の界面(層間膜104との境界)から、空乏層が広がる位置までの距離であり、この空乏層が広がる領域が、N型の半導体領域61-2であるとする。
フォトダイオード61の深さは、シリコン基板の界面から、空乏層が広がる位置までの距離とすることができ、この空乏層、すなわちこの場合、N型の半導体領域61-2の界面(上端)までの距離としても良いし、N型の半導体領域61-2の中心部分までの距離としても良い。ここでは、N型の半導体領域61-2の界面までの距離として説明を続ける。
なお、フォトダイオード61の深さは、物理的な深さである場合を例に挙げて説明を続けるが、フォトダイオード61の深さを変更する方法としては、チャネルカットや表面のp+領域の深さ(不純物濃度プロファイル)を変えたり、ウェルの深さ(不純物濃度プロファイル)を変えたりしても可能であり、そのような方法により、フォトダイオード61の深さを変更しても良い。
図27のAは、プラズモンフィルタ121aを透過する光の波長として、450nmが設定されたプラズモンフィルタ121aを用いた場合の画素51aの構成を示す。画素51aにおいて、フォトダイオード61aは、深さd1の位置に形成されている。
図27のBは、プラズモンフィルタ121bを透過する光の波長として、530nmが設定されたプラズモンフィルタ121bを用いた場合の画素51bの構成を示す。画素51bにおいて、フォトダイオード61bは、深さd2の位置に形成されている。
図27のCは、プラズモンフィルタ121cを透過する光の波長として、600nmが設定されたプラズモンフィルタ121cを用いた場合の画素51cの構成を示す。画素51cにおいて、フォトダイオード61cは、深さd3の位置に形成されている。
図27のDは、プラズモンフィルタ121dを透過する光の波長として、650nmが設定されたプラズモンフィルタ121dを用いた場合の画素51dの構成を示す。画素51dにおいて、フォトダイオード61dは、深さd4の位置に形成されている。
図27のA乃至Dに示した画素51a乃至51dを参照するに、フォトダイオード61が形成されている深さが異なる。画素51a乃至51dのそれぞれの深さは、深さd1、深さd2、深さd3、および深さd4である。この深さd1乃至d4は、
深さd1<深さd2<深さd3<深さd4
という関係が満たされている。
深さd1<深さd2<深さd3<深さd4
という関係が満たされている。
プラズモンフィルタ121a乃至121dは、それぞれ波長が450nm、530nm、600nm、および650nmの光を最も効率良く透過するように設計されたフィルタとされている。すなわち、プラズモンフィルタ121a、プラズモンフィルタ121b、プラズモンフィルタ121c、プラズモンフィルタ121dの順で、透過する光の波長が長波長側へとシフトする。
プラズモンフィルタ121で透過する光の波長が、長波長側にシフトすると、フォトダイオード61の深さも深くなるように構成されている。フォトダイオード61の深さは、プラズモンフィルタ121で透過する光の波長に適した深さに形成されている。
フォトダイオード61は、シリコン基板に形成されている。一般的にシリコン基板に入射してきた光は、長波長の光ほど、シリコン基板の深いところまで到達することが知られている。このようなことを利用し、シリコン基板のうち、プラズモンフィルタ121で透過する波長の光が到達する位置に、フォトダイオード61が形成されているため、プラズモンフィルタ121で透過する光の波長に応じて、フォトダイオード61が形成されている位置が異なる。
仮に、プラズモンフィルタ121を用いて、所望の波長帯域の光を透過させ、かつ、その波長帯域の光を最も効率良く吸収する位置に、フォトダイオード61を形成した場合、図27に示したように、波長毎に異なる位置にフォトダイオード61が位置する画素が、画素アレイ部31に配置されることになる。
このような画素51毎にフォトダイオード61の位置が異なるような画素を配置した画素アレイ部を製造するのは、プロセス的に手間がかかり現実的ではない。一般的には、所定の波長帯域に合わせた作り込みが行われ、所定の波長帯域以外の波長帯域の感度は多少犠牲にする観点で作り込みが行われている。
一方、本技術を適用し、波長選択変換部201を備える画素とすることで、図28に示すような画素アレイ部31とすることができる。上記したように、波長選択変換部201からは、所定の波長帯域に変換された光が放射される。例えば、図23や図25を参照して説明したように、波長選択変換部201の放射側のプラズモンフィルタを、波長が500nmの光を放射するフィルタとして設計すれば、フォトダイオード61に放射(入射)される光は、波長が500nmの光で揃えることができる。
この場合、画素アレイ部31に配置される画素51のフォトダイオード61の位置は、波長が500nmの光を最も効率良く吸収できる位置とすれば、量子効率が最も良い画素とすることができる。すなわち、図28に示すように、全画素(図28では、画素51-1乃至51-4)にそれぞれ形成されているフォトダイオード61の位置を揃えた構成とすることができる。
図28に示したように、フォトダイオード61の位置を揃えても、フォトダイオード61に入射されるのは、波長選択変換部201により、例えば、500nmの波長の光に変換された光であるため、画素間で感度差が生じるようなことはない。
さらに、赤外光などの長波長を受光する受光素子として、本技術を適用した画素51を用いた場合であっても、上述してきたように、フォトダイオード61を深い位置に形成しなくても、換言すれば、浅い位置に形成しても、量子効率が落ちるようなことはない。
また、本技術を適用することで、フォトダイオード61の位置を、シリコン基板の浅い位置に形成しても、量子効率が落ちないため、シリコン基板の厚さにかかわらず、フォトダイオード61を、最も光を吸収する位置に形成することができ、量子効率を向上させることができる。特に、赤外光を受信するような場合でも、シリコン基板を厚くしなくても量子効率を向上させることができる。
<内視鏡手術システムへの応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図29は、本開示に係る技術(本技術)が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図29では、術者(医師)11131が、内視鏡手術システム11000を用いて、患者ベッド11133上の患者11132に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム11000は、内視鏡11100と、気腹チューブ11111やエネルギー処置具11112等の、その他の術具11110と、内視鏡11100を支持する支持アーム装置11120と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート11200と、から構成される。
内視鏡11100は、先端から所定の長さの領域が患者11132の体腔内に挿入される鏡筒11101と、鏡筒11101の基端に接続されるカメラヘッド11102と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒11101を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡11100を図示しているが、内視鏡11100は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒11101の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡11100には光源装置11203が接続されており、当該光源装置11203によって生成された光が、鏡筒11101の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者11132の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡11100は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド11102の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光(観察光)は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、RAWデータとしてカメラコントロールユニット(CCU: Camera Control Unit)11201に送信される。
CCU11201は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等によって構成され、内視鏡11100及び表示装置11202の動作を統括的に制御する。さらに、CCU11201は、カメラヘッド11102から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理(デモザイク処理)等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置11202は、CCU11201からの制御により、当該CCU11201によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置11203は、例えばLED(light emitting diode)等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡11100に供給する。
入力装置11204は、内視鏡手術システム11000に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置11204を介して、内視鏡手術システム11000に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡11100による撮像条件(照射光の種類、倍率及び焦点距離等)を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置11205は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具11112の駆動を制御する。気腹装置11206は、内視鏡11100による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者11132の体腔を膨らめるために、気腹チューブ11111を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ11207は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ11208は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡11100に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置11203は、例えばLED、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。RGBレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色(各波長)の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置11203において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、RGBレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御することにより、RGBそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置11203は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド11102の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置11203は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光(すなわち、白色光)に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察(Narrow Band Imaging)が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること(自家蛍光観察)、又はインドシアニングリーン(ICG)等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置11203は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び/又は励起光を供給可能に構成され得る。
図30は、図29に示すカメラヘッド11102及びCCU11201の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド11102は、レンズユニット11401と、撮像部11402と、駆動部11403と、通信部11404と、カメラヘッド制御部11405と、を有する。CCU11201は、通信部11411と、画像処理部11412と、制御部11413と、を有する。カメラヘッド11102とCCU11201とは、伝送ケーブル11400によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット11401は、鏡筒11101との接続部に設けられる光学系である。鏡筒11101の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド11102まで導光され、当該レンズユニット11401に入射する。レンズユニット11401は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部11402を構成する撮像素子は、1つ(いわゆる単板式)であってもよいし、複数(いわゆる多板式)であってもよい。撮像部11402が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってRGBそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部11402は、3D(dimensional)表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための1対の撮像素子を有するように構成されてもよい。3D表示が行われることにより、術者11131は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部11402が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット11401も複数系統設けられ得る。
また、撮像部11402は、必ずしもカメラヘッド11102に設けられなくてもよい。例えば、撮像部11402は、鏡筒11101の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部11403は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部11405からの制御により、レンズユニット11401のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部11402による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部11404は、CCU11201との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11404は、撮像部11402から得た画像信号をRAWデータとして伝送ケーブル11400を介してCCU11201に送信する。
また、通信部11404は、CCU11201から、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部11405に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに/又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてCCU11201の制御部11413によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるAE(Auto Exposure)機能、AF(Auto Focus)機能及びAWB(Auto White Balance)機能が内視鏡11100に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部11405は、通信部11404を介して受信したCCU11201からの制御信号に基づいて、カメラヘッド11102の駆動を制御する。
通信部11411は、カメラヘッド11102との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部11411は、カメラヘッド11102から、伝送ケーブル11400を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部11411は、カメラヘッド11102に対して、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部11412は、カメラヘッド11102から送信されたRAWデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部11413は、内視鏡11100による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部11413は、カメラヘッド11102の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部11413は、画像処理部11412によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置11202に表示させる。この際、制御部11413は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部11413は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具11112の使用時のミスト等を認識することができる。制御部11413は、表示装置11202に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者11131に提示されることにより、術者11131の負担を軽減することや、術者11131が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド11102及びCCU11201を接続する伝送ケーブル11400は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル11400を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド11102とCCU11201との間の通信は無線で行われてもよい。
<移動体への応用例>
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
本開示に係る技術(本技術)は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図31は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム12000は、通信ネットワーク12001を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図31に示した例では、車両制御システム12000は、駆動系制御ユニット12010、ボディ系制御ユニット12020、車外情報検出ユニット12030、車内情報検出ユニット12040、及び統合制御ユニット12050を備える。また、統合制御ユニット12050の機能構成として、マイクロコンピュータ12051、音声画像出力部12052、及び車載ネットワークI/F(Interface)12053が図示されている。
駆動系制御ユニット12010は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット12010は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット12020は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット12020は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット12020には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット12020は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット12030は、車両制御システム12000を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット12030には、撮像部12031が接続される。車外情報検出ユニット12030は、撮像部12031に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット12030は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部12031は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部12031は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部12031が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット12040は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット12040には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部12041が接続される。運転者状態検出部12041は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット12040は、運転者状態検出部12041から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット12010に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むADAS(Advanced Driver Assistance System)の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030又は車内情報検出ユニット12040で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット12030に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車外情報検出ユニット12030で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部12052は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図31の例では、出力装置として、オーディオスピーカ12061、表示部12062及びインストルメントパネル12063が例示されている。表示部12062は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図32は、撮像部12031の設置位置の例を示す図である。
図32では、撮像部12031として、撮像部12101、12102、12103、12104、12105を有する。
撮像部12101、12102、12103、12104、12105は、例えば、車両12100のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部12101及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として車両12100の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部12102、12103は、主として車両12100の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部12104は、主として車両12100の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部12105は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図32には、撮像部12101ないし12104の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲12111は、フロントノーズに設けられた撮像部12101の撮像範囲を示し、撮像範囲12112,12113は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部12102,12103の撮像範囲を示し、撮像範囲12114は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部12104の撮像範囲を示す。例えば、撮像部12101ないし12104で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両12100を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を基に、撮像範囲12111ないし12114内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化(車両12100に対する相対速度)を求めることにより、特に車両12100の進行路上にある最も近い立体物で、車両12100と略同じ方向に所定の速度(例えば、0km/h以上)で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ12051は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御(追従停止制御も含む)や自動加速制御(追従発進制御も含む)等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、2輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ12051は、車両12100の周辺の障害物を、車両12100のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ12051は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ12061や表示部12062を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット12010を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部12101ないし12104の少なくとも1つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ12051は、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部12101ないし12104の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ12051が、撮像部12101ないし12104の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部12052は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部12062を制御する。また、音声画像出力部12052は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部12062を制御してもよい。
本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
受光素子。
(2)
前記第1の面は、前記第1の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第1の周期で周期的に設けられた凹部を有し、
前記第2の面は、前記第2の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第2の周期で周期的に設けられた凹部を有する
前記(1)に記載の受光素子。
(3)
前記変換部は、光を透過しない膜厚の金属で覆われている
前記(1)または(2)に記載の受光素子。
(4)
前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(2)に記載の受光素子。
(5)
前記第1の波長帯域は、300乃至700nmであり、
前記第2の波長帯域は、700乃至1100nmである
前記(2)に記載の受光素子。
(6)
前記凹部は、リング形状で形成されている
前記(2)に記載の受光素子。
(7)
前記第1の面または前記第2の面は、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタまたはドットアレイ型のプラズモンフィルタで構成されている
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の受光素子。
(8)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子。
(9)
前記透過部は、有機材料で形成されているカラーフィルタである
前記(8)に記載の撮像素子。
(10)
前記透過部は、前記第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴するプラズモンフィルタである
前記(8)に記載の撮像素子。
(11)
前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第3の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(8)乃至(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(12)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子。
(13)
前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(12)に記載の撮像素子。
(14)
前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域である
前記(12)に記載の撮像素子。
(15)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。
(16)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。
(1)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
受光素子。
(2)
前記第1の面は、前記第1の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第1の周期で周期的に設けられた凹部を有し、
前記第2の面は、前記第2の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第2の周期で周期的に設けられた凹部を有する
前記(1)に記載の受光素子。
(3)
前記変換部は、光を透過しない膜厚の金属で覆われている
前記(1)または(2)に記載の受光素子。
(4)
前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(2)に記載の受光素子。
(5)
前記第1の波長帯域は、300乃至700nmであり、
前記第2の波長帯域は、700乃至1100nmである
前記(2)に記載の受光素子。
(6)
前記凹部は、リング形状で形成されている
前記(2)に記載の受光素子。
(7)
前記第1の面または前記第2の面は、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタまたはドットアレイ型のプラズモンフィルタで構成されている
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の受光素子。
(8)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子。
(9)
前記透過部は、有機材料で形成されているカラーフィルタである
前記(8)に記載の撮像素子。
(10)
前記透過部は、前記第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴するプラズモンフィルタである
前記(8)に記載の撮像素子。
(11)
前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第3の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(8)乃至(10)のいずれかに記載の撮像素子。
(12)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子。
(13)
前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
前記(12)に記載の撮像素子。
(14)
前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域である
前記(12)に記載の撮像素子。
(15)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。
(16)
入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。
10 撮像装置, 11 光学系, 12 撮像素子, 13 メモリ, 14 信号処理部, 15 出力部, 16 制御部, 31 画素アレイ部, 32 行走査回路, 33 PLL, 35 カラムADC回路, 36 列走査回路, 37 センスアンプ, 51 画素, 61 フォトダイオード, 62 転送トランジスタ, 63 フローティングディフュージョン, 64 増幅トランジスタ, 65 選択トランジスタ, 66 リセットトランジスタ, 71 比較器, 72 カウンタ, 101 オンチップレンズ, 102 層間膜, 103 波長選択変換部, 104 層間膜, 105 光電変換素子層, 106 配線層, 121 プラズモンフィルタ, 131 導体薄膜, 132 ホール, 133 ドット, 134 誘電体層, 171 プラズモンフィルタ, 181 貫通孔, 182 凹部, 201 波長選択変換部, 221 凹部, 222 金属膜, 223 凹部, 231 本体, 301 カラーフィルタ, 311 画素間遮光膜
Claims (16)
- 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
受光素子。 - 前記第1の面は、前記第1の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第1の周期で周期的に設けられた凹部を有し、
前記第2の面は、前記第2の波長帯域の光で表面プラズモン共鳴する第2の周期で周期的に設けられた凹部を有する
請求項1に記載の受光素子。 - 前記変換部は、光を透過しない膜厚の金属で覆われている
請求項1に記載の受光素子。 - 前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
請求項2に記載の受光素子。 - 前記第1の波長帯域は、300乃至700nmであり、
前記第2の波長帯域は、700乃至1100nmである
請求項2に記載の受光素子。 - 前記凹部は、リング形状で形成されている
請求項2に記載の受光素子。 - 前記第1の面または前記第2の面は、ホールアレイ構造のプラズモンフィルタまたはドットアレイ型のプラズモンフィルタで構成されている
請求項1に記載の受光素子。 - 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子。 - 前記透過部は、有機材料で形成されているカラーフィルタである
請求項8に記載の撮像素子。 - 前記透過部は、前記第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴するプラズモンフィルタである
請求項8に記載の撮像素子。 - 前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第3の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
請求項8に記載の撮像素子。 - 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子。 - 前記第1の波長帯域は、可視光の波長帯域であり、
前記第2の波長帯域は、赤外光の波長帯域である
請求項12に記載の撮像素子。 - 前記第1の波長帯域と前記第2の波長帯域は、可視光の波長帯域である
請求項12に記載の撮像素子。 - 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う第1の光電変換部と
を備える第1の画素と、
前記入射光のうちの第2の波長帯域の光を透過する透過部と、
前記透過部を透過した前記第2の波長帯域の光を受光し、光電変換を行う第2の光電変換部と
を備える第2の画素と
が配置されている画素アレイ部を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第3の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。 - 入射光を、第1の波長帯域の光に変換する変換部と、
前記変換部により前記第1の波長帯域に変換された光を受光し、光電変換を行う光電変換部と
を備え、
前記変換部の前記光電変換部側の第1の面は、前記第1の波長帯域で表面プラズモン共鳴し、前記変換部の前記入射光が入射される第2の面は、第2の波長帯域で表面プラズモン共鳴する
画素が複数配置されている画素アレイ部を備える
撮像素子と、
前記撮像素子からの信号を処理する処理部と
を備える撮像装置。
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Legal Events
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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