JP5538803B2 - 固体撮像素子及びそれを備えたカメラ - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特にデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどに用いられる固体撮像素子に関するものである。
デジタルスチルカメラなどで用いられている固体撮像素子は、画素数が増加する傾向にあり、１画素の大きさは小さくなっている。
それに伴い、光電変換部の面積は小さくなり、受光感度が低下する。また、画素構造のアスペクト比（深さ／幅）が大きくなり、オンチップレンズのＦ値が大きくなるため、集光効率が低下し、隣接画素へ光が漏れてクロストークが生じる。
それに伴い、光電変換部の面積は小さくなり、受光感度が低下する。また、画素構造のアスペクト比（深さ／幅）が大きくなり、オンチップレンズのＦ値が大きくなるため、集光効率が低下し、隣接画素へ光が漏れてクロストークが生じる。
従来、これらの課題を解決する手段として、特許文献１に示すような光導波路を備えた固体撮像素子が提案されている。
以下に、従来例における光導波路を備えた固体撮像素子を図を用いて説明する。図１２に、従来例の固体撮像素子における画素ユニットの概略断面図を示す。
上記従来例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット２００で構成されている。
画素ユニット２００は、シリコン基板２０１と、シリコン基板２０１の内部に配された光電変換部２０２と、シリコン基板２０１の上方に透明材料で形成された層間絶縁部２０５とを有している。
シリコン基板２０１上方の所定の位置には配線部２０６が、層間絶縁部２０５の内部に形成されている。
以下に、従来例における光導波路を備えた固体撮像素子を図を用いて説明する。図１２に、従来例の固体撮像素子における画素ユニットの概略断面図を示す。
上記従来例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット２００で構成されている。
画素ユニット２００は、シリコン基板２０１と、シリコン基板２０１の内部に配された光電変換部２０２と、シリコン基板２０１の上方に透明材料で形成された層間絶縁部２０５とを有している。
シリコン基板２０１上方の所定の位置には配線部２０６が、層間絶縁部２０５の内部に形成されている。
そして、各光電変換部２０２の上方において層間絶縁部２０５内部に、層間絶縁部２０５より高い屈折率を有する高屈折率部２０３が埋め込まれてなる光導波路が構成される。
光導波路の上方には、光入射部２０４に向かって徐々に幅が広くなるテーパー部が配置されている。
このような構成の固体撮像素子とすることで、光入射部２０４から入射した光を、高屈折率部２０３に光を集中させて伝搬することができる。
その結果、シリコン基板２０１上方で発生するクロストークを防ぎながら、光を効率良く導くことができる。
光導波路の上方には、光入射部２０４に向かって徐々に幅が広くなるテーパー部が配置されている。
このような構成の固体撮像素子とすることで、光入射部２０４から入射した光を、高屈折率部２０３に光を集中させて伝搬することができる。
その結果、シリコン基板２０１上方で発生するクロストークを防ぎながら、光を効率良く導くことができる。
上記した従来例における光導波路を備えた固体撮像素子においては、つぎのような課題を有している。
即ち、従来例における光導波路を備えた固体撮像素子では、上記したように、光入射部から入射した光を効率良く光電変換部に導くために、光導波路が高屈折率部によって構成されている。
しかしながら、このような高屈折率部で構成された光導波路によって、斜めから入射した光に対しても効率よく光電変換部に導くためには、屈折角を小さくする必要がある。
そのため、光導波路を構成する高屈折部の屈折率を大きくする必要があるが、この高屈折部の屈折率を大きくした場合、光導波路と入射部との界面での反射が増大し、光導波路による集光効率が損なわれることとなる。
即ち、従来例における光導波路を備えた固体撮像素子では、上記したように、光入射部から入射した光を効率良く光電変換部に導くために、光導波路が高屈折率部によって構成されている。
しかしながら、このような高屈折率部で構成された光導波路によって、斜めから入射した光に対しても効率よく光電変換部に導くためには、屈折角を小さくする必要がある。
そのため、光導波路を構成する高屈折部の屈折率を大きくする必要があるが、この高屈折部の屈折率を大きくした場合、光導波路と入射部との界面での反射が増大し、光導波路による集光効率が損なわれることとなる。
本発明は、上記課題に鑑み、光導波路と入射部との界面での反射の低減と、光導波路による集光効率の向上を両立することが可能となる固体撮像素子を提供することを目的とするものである。
本発明は、つぎのように構成した固体撮像素子を提供するものである。
本発明の固体撮像素子は、光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に設けられた集光部と、を有し、前記光入射側からの入射光が前記集光部を通って前記光電変換部に導かれる固体撮像素子であって、前記集光部は、磁気共鳴を生じさせる構造を有し、前記集光部の前記光入射側の端面に接する媒質の屈折率をＮ１、前記集光部の比誘電率をε、前記集光部の比透磁率をμとしたとき、少なくとも、前記端面において、つぎの（式１）の関係を満たすことを特徴とする。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．６３＜Ｎ１／（√ε／√μ）＜１．５８……（式１）
本発明の固体撮像素子は、光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に設けられた集光部と、を有し、前記光入射側からの入射光が前記集光部を通って前記光電変換部に導かれる固体撮像素子であって、前記集光部は、磁気共鳴を生じさせる構造を有し、前記集光部の前記光入射側の端面に接する媒質の屈折率をＮ１、前記集光部の比誘電率をε、前記集光部の比透磁率をμとしたとき、少なくとも、前記端面において、つぎの（式１）の関係を満たすことを特徴とする。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．６３＜Ｎ１／（√ε／√μ）＜１．５８……（式１）
本発明によれば、光導波路と入射部との界面での反射の低減と、光導波路による集光効率の向上を両立することが可能となる固体撮像素子を実現することができる。
本発明を実施するための形態を、以下の実施例による固体撮像素子の構成例によって説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施例１］
図１を用いて、本発明の実施例１における固体撮像素子の構成例について説明する。
図１には、本実施例の光電変換部を内部に有する基板と、該基板の光入射側に設けられた集光部を有し、該光入射側からの入射光が該集光部を通って該光電変換部に導かれる固体撮像素子における、画素ユニット１００の概略断面図が示されている。
本実施例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット１００で構成されている。
画素ユニット１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の内部に配された光電変換部１０２を有している。
また、画素ユニット１００は、シリコン基板の上方に集光部１０３が形成されている。以下において、集光部１０３の上方の領域を光入射部１０４と記す。
図１を用いて、本発明の実施例１における固体撮像素子の構成例について説明する。
図１には、本実施例の光電変換部を内部に有する基板と、該基板の光入射側に設けられた集光部を有し、該光入射側からの入射光が該集光部を通って該光電変換部に導かれる固体撮像素子における、画素ユニット１００の概略断面図が示されている。
本実施例の固体撮像素子は、マトリックス状に配列された複数の画素ユニット１００で構成されている。
画素ユニット１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の内部に配された光電変換部１０２を有している。
また、画素ユニット１００は、シリコン基板の上方に集光部１０３が形成されている。以下において、集光部１０３の上方の領域を光入射部１０４と記す。
光入射部１０４の屈折率をＮ１、集光部１０３の比誘電率をε、比透磁率をμとする。
このとき、つぎの条件式を満たすようにすることで、以下に述べる理由によって、集光効率を高めつつ、反射が抑えられる固体撮像素子を得ることができる。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、Ｎ１＝√ε／√μ
ここで、まず図２の光の伝播を説明する図を用いて、集光効率を決める条件について説明する。図２に示すように、光入射部１０４から入った光は、集光部１０３との界面で屈折される。
入射角をθ１、屈折角をθ２、集光部１０３の屈折率をＮ２とすると、スネルの法則より
ｓｉｎθ２＝Ｎ１×ｓｉｎθ１／Ｎ２
が成立する。
斜めから入射した光を効率よく光電変換部に導くためには、屈折角θ２の絶対値を小さくする必要がある。
したがって、Ｎ２の絶対値がＮ１の絶対値より大きいほど集光効率が高くなる。
このとき、つぎの条件式を満たすようにすることで、以下に述べる理由によって、集光効率を高めつつ、反射が抑えられる固体撮像素子を得ることができる。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、Ｎ１＝√ε／√μ
ここで、まず図２の光の伝播を説明する図を用いて、集光効率を決める条件について説明する。図２に示すように、光入射部１０４から入った光は、集光部１０３との界面で屈折される。
入射角をθ１、屈折角をθ２、集光部１０３の屈折率をＮ２とすると、スネルの法則より
ｓｉｎθ２＝Ｎ１×ｓｉｎθ１／Ｎ２
が成立する。
斜めから入射した光を効率よく光電変換部に導くためには、屈折角θ２の絶対値を小さくする必要がある。
したがって、Ｎ２の絶対値がＮ１の絶対値より大きいほど集光効率が高くなる。
つぎに、反射率を決める条件について説明する。
領域Ａから領域Ｂへ入射する光のパワー反射率ＲＢＡは、各領域のインピーダンス値をＺＡ、ＺＢとすると、
ＲＢＡ＝（ＺＡ−ＺＢ）2／（ＺＡ＋ＺＢ）2
である。
ここで、インピーダンスは、比透磁率の比誘電率に対する比の平方根である。
即ち、領域Ａの比誘電率をεＡ、比透磁率をμＡとすれば、
ＺＡ＝√μＡ／√εＡ
である。
ＺＢ／ＺＡをＺＢＡとすると、
ＲＢＡ＝（１−ＺＢＡ）2／（１＋ＺＢＡ）2
となる。
したがって、インピーダンス比ＺＢＡが１に近いほど、反射率が小さくなることがわかる。
領域Ａから領域Ｂへ入射する光のパワー反射率ＲＢＡは、各領域のインピーダンス値をＺＡ、ＺＢとすると、
ＲＢＡ＝（ＺＡ−ＺＢ）2／（ＺＡ＋ＺＢ）2
である。
ここで、インピーダンスは、比透磁率の比誘電率に対する比の平方根である。
即ち、領域Ａの比誘電率をεＡ、比透磁率をμＡとすれば、
ＺＡ＝√μＡ／√εＡ
である。
ＺＢ／ＺＡをＺＢＡとすると、
ＲＢＡ＝（１−ＺＢＡ）2／（１＋ＺＢＡ）2
となる。
したがって、インピーダンス比ＺＢＡが１に近いほど、反射率が小さくなることがわかる。
従来の技術で実現できていた通常の媒質では、マイクロ波以上の周波数領域においては、比透磁率はほぼ１である。
これを代入すると、
ＺＢＡ＝√εＡ／√εＢ
となる。
ここで、領域Ａの屈折率ＮＡ、領域Ｂの屈折率ＮＢに対し、
ＮＡ＝√μＡ×√εＡ＝√εＡ、ＮＢ＝√μＢ×√εＢ＝√εＢ
であることを用いると、
ＺＢＡ＝ＮＡ／ＮＢ
であることがわかる。
即ち、従来の媒質においては各領域のインピーダンス比と屈折率比は等価であり、反射率を下げるためには屈折率比を１に近づける必要があることがわかる。
これを代入すると、
ＺＢＡ＝√εＡ／√εＢ
となる。
ここで、領域Ａの屈折率ＮＡ、領域Ｂの屈折率ＮＢに対し、
ＮＡ＝√μＡ×√εＡ＝√εＡ、ＮＢ＝√μＢ×√εＢ＝√εＢ
であることを用いると、
ＺＢＡ＝ＮＡ／ＮＢ
であることがわかる。
即ち、従来の媒質においては各領域のインピーダンス比と屈折率比は等価であり、反射率を下げるためには屈折率比を１に近づける必要があることがわかる。
以上より、図１２に示すような従来の媒質を用いた構成では、光入射部２０４と高屈折率部２０３間の反射率を下げるためには、光入射部２０４の屈折率と高屈折率部２０３の屈折率との比を１に近づける必要がある。
しかし、集光効率を高めるために、高屈折率部２０３の屈折率を光入射部２０４の屈折率よりも大きくしていった場合、屈折率比は１から遠ざかってしまうこととなる。
そのため、従来の媒質を用いた場合、集光効率を高めつつ反射率を低減することは困難である。
これに対して、本実施例の構成では集光部１０３の比透磁率μが１と異なる媒質を用いる。
上述したように、集光効率を高めるためには、屈折率Ｎ２＝√ε×√μの絶対値をＮ１の絶対値より大きくすればよい。
一方、反射率を低減するためにはインピーダンス√μ／√εと１／Ｎ１を近づければよい。
即ち、｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μの条件を満たすことで、集光効率を高めつつ反射を低減可能な固体撮像素子を得ることができる。
この条件は、従来の媒質を用いた場合と異なり、両立することが可能である。例えば、Ｎ１＝１（光入射部が空気）、ε＝−１０、μ＝−１０とすれば、
｜√ε×√μ｜＝１０、√ε／√μ＝１
となって、
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μ
が満たされる。
しかし、集光効率を高めるために、高屈折率部２０３の屈折率を光入射部２０４の屈折率よりも大きくしていった場合、屈折率比は１から遠ざかってしまうこととなる。
そのため、従来の媒質を用いた場合、集光効率を高めつつ反射率を低減することは困難である。
これに対して、本実施例の構成では集光部１０３の比透磁率μが１と異なる媒質を用いる。
上述したように、集光効率を高めるためには、屈折率Ｎ２＝√ε×√μの絶対値をＮ１の絶対値より大きくすればよい。
一方、反射率を低減するためにはインピーダンス√μ／√εと１／Ｎ１を近づければよい。
即ち、｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μの条件を満たすことで、集光効率を高めつつ反射を低減可能な固体撮像素子を得ることができる。
この条件は、従来の媒質を用いた場合と異なり、両立することが可能である。例えば、Ｎ１＝１（光入射部が空気）、ε＝−１０、μ＝−１０とすれば、
｜√ε×√μ｜＝１０、√ε／√μ＝１
となって、
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μ
が満たされる。
上記した
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、Ｎ１＝√ε／√μ
の条件式において、Ｎ１＝√ε／√μは厳密に成立している必要はない。
Ｎ１と√ε／√μの比（Ｎ１／（√ε／√μ））をＺとすると、反射率を５％以内に抑えたい場合には、少なくとも、集光部の光入射側端面において、つぎの（式１）の関係を満たすようにすればよい。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．６３＜Ｚ＜１．５８……（式１）
また、反射率を１％以内に抑えたい場合には、少なくとも、集光部の光入射側端面において、つぎの（式２）の関係を満たすようにすればよい。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．８２＜Ｚ＜１．２２……（式２）
従来の構成における高屈折率部２０３の材料としては屈折率２のＳｉＮを用いる場合が多いが、この時の反射率は１１％程度となる。
反射率の値を比較すれば、集光部１０３の比誘電率と比透磁率を同時に制御することによって、集光効率向上と反射低減が両立できていることがわかる。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、Ｎ１＝√ε／√μ
の条件式において、Ｎ１＝√ε／√μは厳密に成立している必要はない。
Ｎ１と√ε／√μの比（Ｎ１／（√ε／√μ））をＺとすると、反射率を５％以内に抑えたい場合には、少なくとも、集光部の光入射側端面において、つぎの（式１）の関係を満たすようにすればよい。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．６３＜Ｚ＜１．５８……（式１）
また、反射率を１％以内に抑えたい場合には、少なくとも、集光部の光入射側端面において、つぎの（式２）の関係を満たすようにすればよい。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．８２＜Ｚ＜１．２２……（式２）
従来の構成における高屈折率部２０３の材料としては屈折率２のＳｉＮを用いる場合が多いが、この時の反射率は１１％程度となる。
反射率の値を比較すれば、集光部１０３の比誘電率と比透磁率を同時に制御することによって、集光効率向上と反射低減が両立できていることがわかる。
つぎに、図３によって集光部１０３に用いる、従来の媒質にはない比透磁率をもつ材料の具体的な構成について説明する。
図３（ａ）は、集光部１０３に用いる材料の構成を説明する図である。
この構造はフィッシュネット構造と呼ばれ、誘電体によってｚ方向に互いに隔てられたｘ方向に伸びる金属柱ペアを、ｙ方向に伸びる金属柱が結ぶ構成となっている。
ここで、フィッシュネット構造を用いた比透磁率制御について説明する。
フィッシュネット構造に対して、ｘ方向に電場の振動方向、ｙ方向に磁場の振動方向を持つ光が−ｚ方向から入射したとする。
この時、二つのｘ方向に伸びる金属柱間で、互いに＋ｘ方向と−ｘ方向に流れる電流が誘起される。即ち、二つの金属柱がインダクタの役割を果たす。
ところが、金属柱は誘電体によって隔てられており、ここに電荷が蓄積する。即ち、金属柱間に囲まれた領域がキャパシタの役割を果たす。
インダクタとキャパシタによってＬＣ共振器が形成され、特定周波数において磁気双極子共鳴を起こすことができる（図３（ｂ））。
図４（ａ）にフィッシュネット構造の比透磁率の周波数依存性を示す。
ω０は磁気双極子共鳴の共鳴周波数であり、ω０近辺で比透磁率が鋭いローレンツ分散を有している。
ω０と、分散の鋭さを決める共振器のＱ値は、フィッシュネット構造の形状によって決定される。
したがって、共振器の形状を適切に設定すれば、任意の比透磁率を持つ材料が実現できることになる。例えば、フィッシュネット構造の大きさを５０−５００ｎｍ程度にすれば、可視光帯域にω０を持つ共振器が実現できる。
図３（ａ）は、集光部１０３に用いる材料の構成を説明する図である。
この構造はフィッシュネット構造と呼ばれ、誘電体によってｚ方向に互いに隔てられたｘ方向に伸びる金属柱ペアを、ｙ方向に伸びる金属柱が結ぶ構成となっている。
ここで、フィッシュネット構造を用いた比透磁率制御について説明する。
フィッシュネット構造に対して、ｘ方向に電場の振動方向、ｙ方向に磁場の振動方向を持つ光が−ｚ方向から入射したとする。
この時、二つのｘ方向に伸びる金属柱間で、互いに＋ｘ方向と−ｘ方向に流れる電流が誘起される。即ち、二つの金属柱がインダクタの役割を果たす。
ところが、金属柱は誘電体によって隔てられており、ここに電荷が蓄積する。即ち、金属柱間に囲まれた領域がキャパシタの役割を果たす。
インダクタとキャパシタによってＬＣ共振器が形成され、特定周波数において磁気双極子共鳴を起こすことができる（図３（ｂ））。
図４（ａ）にフィッシュネット構造の比透磁率の周波数依存性を示す。
ω０は磁気双極子共鳴の共鳴周波数であり、ω０近辺で比透磁率が鋭いローレンツ分散を有している。
ω０と、分散の鋭さを決める共振器のＱ値は、フィッシュネット構造の形状によって決定される。
したがって、共振器の形状を適切に設定すれば、任意の比透磁率を持つ材料が実現できることになる。例えば、フィッシュネット構造の大きさを５０−５００ｎｍ程度にすれば、可視光帯域にω０を持つ共振器が実現できる。
つぎに、フィッシュネット構造を用いた比誘電率制御について説明する。
フィッシュネット構造に、ｘ方向に電場の振動方向、ｙ方向に磁場の振動方向を持つ光が−ｚ方向から入射したとする。
この時、電場によって金属中の自由電子が分極を起こす。特に金属柱の長手方向（ｘ方向）と電場の振動方向（ｘ方向）が一致しているため、強い分極が生じる。自由電子による分極は一般にドルーデ模型で記述され、比誘電率は図４（ｂ）のような周波数依存性を持つ。
金や銀のプラズマ周波数ωｐは紫外域にあるため、可視光帯域においては、比誘電率は負の値を取る。
ここで、例えば使用する波長帯域において、金属柱の比誘電率の絶対値がＮ１2よりも十分大きい｜εＦＮ｜という値を取ったとする。
この時、フィッシュネット構造の形状を適切に制御することで、使用する波長帯域におけるフィッシュネット構造の比透磁率μＦＮを、
μＦＮ＝εＦＮ／Ｎ１2
とすると、
｜√εＦＮ×√μＦＮ｜＞｜Ｎ１｜、√εＦＮ／√μＦＮ＝Ｎ１
を両立させることができる。
フィッシュネット構造に、ｘ方向に電場の振動方向、ｙ方向に磁場の振動方向を持つ光が−ｚ方向から入射したとする。
この時、電場によって金属中の自由電子が分極を起こす。特に金属柱の長手方向（ｘ方向）と電場の振動方向（ｘ方向）が一致しているため、強い分極が生じる。自由電子による分極は一般にドルーデ模型で記述され、比誘電率は図４（ｂ）のような周波数依存性を持つ。
金や銀のプラズマ周波数ωｐは紫外域にあるため、可視光帯域においては、比誘電率は負の値を取る。
ここで、例えば使用する波長帯域において、金属柱の比誘電率の絶対値がＮ１2よりも十分大きい｜εＦＮ｜という値を取ったとする。
この時、フィッシュネット構造の形状を適切に制御することで、使用する波長帯域におけるフィッシュネット構造の比透磁率μＦＮを、
μＦＮ＝εＦＮ／Ｎ１2
とすると、
｜√εＦＮ×√μＦＮ｜＞｜Ｎ１｜、√εＦＮ／√μＦＮ＝Ｎ１
を両立させることができる。
つぎに、図５を用いて、本実施例における固体撮像素子の製造方法について説明する。
まず、シリコン基板１０１内の所定の位置に光電変換部１０２を形成する（図５（ａ））。
続いて、シリコン基板上にＡＲ−Ｎなどのレジスト１３を塗り、ＥＢ描画と現像によって、フィッシュネット構造の１層目の平面視ネガパターンを作製する（図５（ｂ））。
次に、ＥＢ蒸着法によってレジストがない部分に金などの金属１４を蒸着する。その後、レジストをリフトオフすればフィッシュネットの第一層目が製造できる（図５（ｃ））。
続いて、フィッシュネット構造部分以外をＰＣ４０３などの樹脂１５で埋め、ＣＭＰなどによって平坦化する（図５（ｄ））。その後、（ａ）から（ｃ）までのプロセスを繰り返せば、フィッシュネットの第二層目が製造できる（図５（ｅ））。
フィッシュネット構造を複数積層したい場合はこれまでのプロセスを繰り返せばよい。
なお、本実施例では、集光部１０３の材料にフィッシュネット構造を用いたが、所望の比誘電率や比透磁率を実現できる構造であれば、フィッシュネット構造でなくてもよい。
まず、シリコン基板１０１内の所定の位置に光電変換部１０２を形成する（図５（ａ））。
続いて、シリコン基板上にＡＲ−Ｎなどのレジスト１３を塗り、ＥＢ描画と現像によって、フィッシュネット構造の１層目の平面視ネガパターンを作製する（図５（ｂ））。
次に、ＥＢ蒸着法によってレジストがない部分に金などの金属１４を蒸着する。その後、レジストをリフトオフすればフィッシュネットの第一層目が製造できる（図５（ｃ））。
続いて、フィッシュネット構造部分以外をＰＣ４０３などの樹脂１５で埋め、ＣＭＰなどによって平坦化する（図５（ｄ））。その後、（ａ）から（ｃ）までのプロセスを繰り返せば、フィッシュネットの第二層目が製造できる（図５（ｅ））。
フィッシュネット構造を複数積層したい場合はこれまでのプロセスを繰り返せばよい。
なお、本実施例では、集光部１０３の材料にフィッシュネット構造を用いたが、所望の比誘電率や比透磁率を実現できる構造であれば、フィッシュネット構造でなくてもよい。
例えば、図６（ａ）の間隔のあいた金属板を金属柱が支えるマッシュルーム構造、図６（ｂ）の隙間の空いた二重の金属コイルからなるスプリットリング共振器構造などでも同様に磁気双極子共鳴が起こることが知られており、これらを用いることもできる。
また、図７（ａ）のように集光部１０３と光電変換部１０２の間に更に反射防止手段を設けてもよい。
反射防止手段を設けることで、集光部１０３と光電変換部１０２の間の反射も低減でき、より反射率の低い固体撮像素子が実現できる。
反射防止手段としては、使用する波長帯域における光学的な厚みが、波長の１／４倍であるような誘電体膜などを用いればよい。
さらに、図７（ｂ）のように集光部１０３の光入射側にマイクロレンズを設けてもよい。
マイクロレンズを設けることで、集光部１０３に入射する光の入射角θ１が小さくなり、屈折角θ２をさらに小さくすることが出来る。
これによって、より集光効率の高い固体撮像素子が実現できる。
なお、この場合、光入射部１０４はマイクロレンズの部分に相当する。
したがって、マイクロレンズを形成する媒質の屈折率をＮ１として、
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μ
を満たすように集光部１０３の比誘電率と比透磁率を決定すればよい。
また、図７（ａ）のように集光部１０３と光電変換部１０２の間に更に反射防止手段を設けてもよい。
反射防止手段を設けることで、集光部１０３と光電変換部１０２の間の反射も低減でき、より反射率の低い固体撮像素子が実現できる。
反射防止手段としては、使用する波長帯域における光学的な厚みが、波長の１／４倍であるような誘電体膜などを用いればよい。
さらに、図７（ｂ）のように集光部１０３の光入射側にマイクロレンズを設けてもよい。
マイクロレンズを設けることで、集光部１０３に入射する光の入射角θ１が小さくなり、屈折角θ２をさらに小さくすることが出来る。
これによって、より集光効率の高い固体撮像素子が実現できる。
なお、この場合、光入射部１０４はマイクロレンズの部分に相当する。
したがって、マイクロレンズを形成する媒質の屈折率をＮ１として、
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜、Ｎ１＝√ε／√μ
を満たすように集光部１０３の比誘電率と比透磁率を決定すればよい。
［実施例２］
図８を用いて、実施例２における固体撮像素子の構成例について説明する。
本実施例では、実施例１のものに対してつぎのように構成されている点で異なる。
すなわち、本実施例では集光部１１３の比誘電率εと比透磁率が、｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜の条件式を満たし、且つ光入射側から前記光電変換部側に向かって√ε／√μの値が変化するように構成されている。
光電変換部１０２の屈折率をＮ３とした時、√ε／√μの値は、光入射側で√ε／√μ＝Ｎ１、光電変換部側で√ε／√μ＝Ｎ３が成立するように、ε／μの値は変化している。
図８を用いて、実施例２における固体撮像素子の構成例について説明する。
本実施例では、実施例１のものに対してつぎのように構成されている点で異なる。
すなわち、本実施例では集光部１１３の比誘電率εと比透磁率が、｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜の条件式を満たし、且つ光入射側から前記光電変換部側に向かって√ε／√μの値が変化するように構成されている。
光電変換部１０２の屈折率をＮ３とした時、√ε／√μの値は、光入射側で√ε／√μ＝Ｎ１、光電変換部側で√ε／√μ＝Ｎ３が成立するように、ε／μの値は変化している。
上述したように、境界面における反射率は、境界を接する二つの媒質のインピーダンス比が１に近いほど小さくなるので、√ε／√μ＝Ｎ３が成立していれば、集光部１１３と光電変換部１０２の間の反射も抑えることが可能となる。
さらに、集光部１１３の屈折率の絶対値｜√ε×√μ｜は光入射部１０４の屈折率の絶対値｜Ｎ１｜より高い値を取っているので、集光部１１３を伝播する光の屈折角の絶対値は小さいまま保たれ、高い集光効率を得ることができる。
さらに、集光部１１３の屈折率の絶対値｜√ε×√μ｜は光入射部１０４の屈折率の絶対値｜Ｎ１｜より高い値を取っているので、集光部１１３を伝播する光の屈折角の絶対値は小さいまま保たれ、高い集光効率を得ることができる。
この条件は、集光部１１３のεとμを制御することで実現可能である。
例えば、実施例１と同様にＮ１＝１、光入射側でのε＝−１０、μ＝−１０とし、光電変換部１０２の媒質としてシリコンを想定し、Ｎ３＝４とする。
この時、集光部１１３の光電変換部側でのε＝−８０、μ＝−０．６２５とすれば、√ε／√μ＝４となってＮ３と一致する。
この時、｜√ε×√μ｜＝１０＞｜Ｎ１｜は保たれている。
例えば、実施例１と同様にＮ１＝１、光入射側でのε＝−１０、μ＝−１０とし、光電変換部１０２の媒質としてシリコンを想定し、Ｎ３＝４とする。
この時、集光部１１３の光電変換部側でのε＝−８０、μ＝−０．６２５とすれば、√ε／√μ＝４となってＮ３と一致する。
この時、｜√ε×√μ｜＝１０＞｜Ｎ１｜は保たれている。
実施例１と同様に、集光部１１３にフィッシュネット構造を用いた場合には、フィッシュネット構造の形状を制御することで比透磁率μ、比誘電率εを制御することが可能である。例えば、誘電体のz方向の厚みを薄くすれば磁気共振器の共鳴周波数が増加し、比透磁率が変化する。また、ｘ方向に延びる金属柱のｘ方向の長さを長くすれば、ｘ方向の分極が大きくなって比誘電率が増大する。
したがって、フィッシュネット構造の形状を光入射側から光電変換部側に向かって徐々に変化させれば、｜√ε×√μ｜＞｜Ｎ１｜の条件を満たしつつ、光入射側から前記光電変換部側に向かって√ε／√μの値が変化している集光部が実現できる。
したがって、フィッシュネット構造の形状を光入射側から光電変換部側に向かって徐々に変化させれば、｜√ε×√μ｜＞｜Ｎ１｜の条件を満たしつつ、光入射側から前記光電変換部側に向かって√ε／√μの値が変化している集光部が実現できる。
本実施例では、｜√ε×√μ｜が光入射部側と光電変換部側で一定値を取るように変化させたが、Ｎ１の絶対値より大きい値であれば一定値を取る必要はない。
集光効率を高めるためには、｜√ε×√μ｜が集光部内で大きい値を取り続けていることが好ましい。
集光効率を高めるためには、｜√ε×√μ｜が集光部内で大きい値を取り続けていることが好ましい。
なお、√ε／√μ＝Ｎ３は必ずしも成立している必要はなく、光入射側の√ε／√μよりも、光電変換部側の√ε／√μの方がＮ３に近い値を取っていれば、集光部１１３と光電変換部１０２との間の反射率を低減することが可能である。但し、光電変換部側の√ε／√μの値とＮ３の値とが近いほど、反射率を低減することが可能である。
また、集光部１１３内における√ε／√μの値は、図８（ａ）のように連続的に変化していてもよいし、図８（ｂ）のように集光部１１３が√ε／√μの異なる複数の層１１３ａ〜１１３ｄからなる層構造で形成され、段階的に変化していてもよい。
また、集光部１１３内における√ε／√μの値は、図８（ａ）のように連続的に変化していてもよいし、図８（ｂ）のように集光部１１３が√ε／√μの異なる複数の層１１３ａ〜１１３ｄからなる層構造で形成され、段階的に変化していてもよい。
［実施例３］
図９を用いて、実施例３における固体撮像素子の構成例について説明する。
本実施例では、実施例１のものに対してつぎのように構成されている点で異なる。
すなわち、本実施例では図９（ａ）に示すように、集光部１０３の周囲に障壁部１０５が配置された構造を備える。
さらに、障壁部１０５の比誘電率をε２、比透磁率をμ２としたとき、障壁部１０５はつぎの（式３）の関係を満たすように構成される。
｜√ε２×√μ２｜＜｜√ε×√μ｜……（式３）
集光部１０３の屈折率の絶対値｜√ε×√μ｜を、障壁部１０５の屈折率の絶対値｜√ε２×√μ２｜よりも大きくすれば、光入射部１０４から入射した光を集光部１０３に集中して光電変換部１０２まで導くことができる。
したがって、隣接画素にもれる光を低減することが可能となる。
また、図９（ｂ）に示すように、障壁部内に配線部１０６などを設置した場合、従来の構造では、配線部１０６によって光が散乱し隣接画素に漏れるという課題があった。しかし、本実施例に示す構造では、集光部１０３に光が集中しているため、配線部による光の散乱を低減することが可能となる。
図９を用いて、実施例３における固体撮像素子の構成例について説明する。
本実施例では、実施例１のものに対してつぎのように構成されている点で異なる。
すなわち、本実施例では図９（ａ）に示すように、集光部１０３の周囲に障壁部１０５が配置された構造を備える。
さらに、障壁部１０５の比誘電率をε２、比透磁率をμ２としたとき、障壁部１０５はつぎの（式３）の関係を満たすように構成される。
｜√ε２×√μ２｜＜｜√ε×√μ｜……（式３）
集光部１０３の屈折率の絶対値｜√ε×√μ｜を、障壁部１０５の屈折率の絶対値｜√ε２×√μ２｜よりも大きくすれば、光入射部１０４から入射した光を集光部１０３に集中して光電変換部１０２まで導くことができる。
したがって、隣接画素にもれる光を低減することが可能となる。
また、図９（ｂ）に示すように、障壁部内に配線部１０６などを設置した場合、従来の構造では、配線部１０６によって光が散乱し隣接画素に漏れるという課題があった。しかし、本実施例に示す構造では、集光部１０３に光が集中しているため、配線部による光の散乱を低減することが可能となる。
障壁部１０５は、｜√ε２×√μ２｜＜｜√ε×√μ｜の関係を満たす材料で構成されていればよいが、｜√ε２×√μ２｜の値は小さいほど好ましい。
なぜなら、集光部１０３の屈折率の絶対値が障壁部１０５の屈折率の絶対値より高いほど、集光部１０３に光が集中し、集光効率が向上するからである。
特に、障壁部の比誘電率ε２および比透磁率μ２が、つぎの（式４）の関係を満たすようにすれば、更に集光効率を向上することができるため好ましい。
｜√ε２×√μ２｜＜１……（式４）
ここで、｜√ε２×√μ２｜＜１を満たす通常の媒質は存在しないため、集光部１０３と同様に障壁部１０５にもフィッシュネット構造を用いる。具体的には、図１０に示す誘電率、透磁率の領域を用いればよい。フィッシュネット構造を障壁部１０５に用いたことで、従来の媒質を用いた場合に比べて、更なる集光効率の向上が可能となっている。
｜√ε２×√μ２｜＝０を実現すれば、障壁部１０５内に完全に光が進入できないため更に好ましい。
また、図１１のように、集光部１０３の幅が、光入射側部全体の幅から、光電変換部の幅に向かって狭くなっていると更に好ましい。
なぜなら、光入射部１０４全域から入射した光を、光電変換部１０２の幅に合わせて集光することが可能だからである。
なお、集光部１０３の幅は、図１１（ａ）のように連続的に変化するようにしてもよいし、図１１（ｂ）のように段階的に変化するようにしてもよい。
なぜなら、集光部１０３の屈折率の絶対値が障壁部１０５の屈折率の絶対値より高いほど、集光部１０３に光が集中し、集光効率が向上するからである。
特に、障壁部の比誘電率ε２および比透磁率μ２が、つぎの（式４）の関係を満たすようにすれば、更に集光効率を向上することができるため好ましい。
｜√ε２×√μ２｜＜１……（式４）
ここで、｜√ε２×√μ２｜＜１を満たす通常の媒質は存在しないため、集光部１０３と同様に障壁部１０５にもフィッシュネット構造を用いる。具体的には、図１０に示す誘電率、透磁率の領域を用いればよい。フィッシュネット構造を障壁部１０５に用いたことで、従来の媒質を用いた場合に比べて、更なる集光効率の向上が可能となっている。
｜√ε２×√μ２｜＝０を実現すれば、障壁部１０５内に完全に光が進入できないため更に好ましい。
また、図１１のように、集光部１０３の幅が、光入射側部全体の幅から、光電変換部の幅に向かって狭くなっていると更に好ましい。
なぜなら、光入射部１０４全域から入射した光を、光電変換部１０２の幅に合わせて集光することが可能だからである。
なお、集光部１０３の幅は、図１１（ａ）のように連続的に変化するようにしてもよいし、図１１（ｂ）のように段階的に変化するようにしてもよい。
１００：画素ユニット
１０１：シリコン基板
１０２：光電変換部
１０３、１１３：集光部
１０４：光入射部
１０５：障壁部
１０６：配線部
１０１：シリコン基板
１０２：光電変換部
１０３、１１３：集光部
１０４：光入射部
１０５：障壁部
１０６：配線部
Claims (10)
- 光電変換部を内部に有する基板と、前記基板の光入射側に設けられた集光部と、を有し、前記光入射側からの入射光が前記集光部を通って前記光電変換部に導かれる固体撮像素子であって、
前記集光部は、磁気共鳴を生じさせる構造を有し、
前記集光部の前記光入射側の端面に接する媒質の屈折率をＮ１、前記集光部の比誘電率をε、前記集光部の比透磁率をμとしたとき、
少なくとも、前記端面において、つぎの（式１）の関係を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．６３＜Ｎ１／（√ε／√μ）＜１．５８……（式１） - つぎの（式２）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜
且つ、０．８２＜Ｎ１／（√ε／√μ）＜１．２２……（式２） - 前記光電変換部と前記集光部との間に反射防止手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
- 前記集光部の比誘電率εおよび比透磁率μが、｜Ｎ１｜＜｜√ε×√μ｜の条件を満たすと共に、
前記光入射側から前記光電変換部側に向かって、√ε／√μの値が連続的あるいは段階的に変化していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 前記集光部の周囲に障壁部を有し、前記障壁部の比誘電率をε２、前記障壁部の比透磁率をμ２としたとき、つぎの（式３）の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
｜√ε２×√μ２｜＜｜√ε×√μ｜……（式３） - つぎの（式４）の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
｜√ε２×√μ２｜＜１……（式４） - 前記集光部の幅が、前記光入射側から前記光電変換部側に向かって連続的あるいは段階的に変化していることを特徴とする請求項５または６に記載の固体撮像素子。
- 前記集光部の前記光入射側に、マイクロレンズを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記磁気共鳴を生じさせる構造は、前記基板に垂直な方向に離間した複数の金属構造体を有し、
各金属構造体は前記基板に水平な方向に１次元的に延びた部分構造を有し、
各金属構造体の前記部分構造の長手方向は、同一方向であり、
各金属構造物の前記部分構造は、前記同一方向において重なっていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。 - 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備えたカメラ。
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