JP2009094240A

JP2009094240A - 撮像素子

Info

Publication number: JP2009094240A
Application number: JP2007262525A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Takubo; 洋介田窪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】低損失かつ光利用効率の高い撮像素子を提供する。
【解決手段】射光を光電変換によって電気信号に変換する光電変換手段を有する撮像素子は、素子駆動、信号転送のための電極・配線１８の一部または全部が透明導電体からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素を１次元または２次元に配した撮像素子に関する。

従来、光電変換器を用いて、入射した光量に応じて電気信号を出力する、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子に代表される画素素子を、１次元または２次元に複数並べて構成した撮像素子が知られている。

近年では、鮮明な画像を撮像するために撮像素子の高画素化が進められ、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置で用いられる撮像素子の画素数が数百万以上に及ぶものも登場している。

図６は、従来例に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。

図６において、撮像素子の画素は、マイクロレンズ１１１、カラーフィルタ１２、平坦化層１３、素子駆動及び電気信号転送用の電極・配線１４、平坦化層１５、光電変換素子１６、１７を備える。

光電変換素子１６の領域が信号として有効な光電変換を行う領域である。入射光Ａは撮像素子内を伝播し、光電変換素子１６、１７に到達する。

従来の撮像素子においては、電極・配線１４は、アルミニウム及び銅などの金属、あるいは多結晶シリコンなどの物質によって形成されている。

光電変換素子１６、１７を用いた撮像素子においては、光電変換領域（光電変換素子１６、１７の領域）に到達した光に対応した電気信号が得られる。そのため、撮像素子に入射した光を効率よく対応した光電変換領域へ導くことが重要である。

即ち、入射光Ａの光量に対して対応した光電変換領域に到達した光量の比を光利用効率とすれば、これを向上させることが撮像素子の性能向上に大きな効果を持つことが知られている。

特に、入射光Ａの角度が大きくなる撮像素子の周辺部にある画素において、光利用効率の低下による画像の悪化（劣化）が大きな問題となっている。

撮像素子の光利用効率を向上させる構造として、導光部分に、図６に示すように、マイクロレンズを単層あるいは多層設ける構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、撮像素子の光利用効率を向上させる構造として、導光部分に屈折率の異なる物質からなる導波路を設ける構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、撮像素子の性能を向上させるため、透明導電体を用いて特性を電気的に変化させる構造を持つ撮像素子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−０７２３６４号公報特開２００２−２４６５７９号公報特開２００１−６０６７８号公報

しかしながら、撮像素子の縮小化及び画素の微細化に伴い、光利用効率の低下による画像の悪化（劣化）が問題となってきている。

また、撮像装置の小型化に伴い、入射角の大きな入射光をも利用することが求められており、広い範囲の入射角において、光利用効率のさらなる向上が求められている。

図７は、撮像素子面と入射光がなす入射角の説明図である。

撮像素子７０において、入射光Ａが入射する面に垂直な線と入射光Ａがなす角を入射角θとする。入射角θが大きいとは、即ち、θの絶対値が大きいことを表す。また、図中左側から入射する場合の入射角θを負、右側から入射する場合の入射角θを正とする。

光利用効率を低下させる主な要因のひとつは、光伝播領域にある金属あるいは多結晶シリコンからなる電極あるいは配線による光の散乱、回折、吸収などである。

これを避けるため、電極あるいは配線は、極力小さく、光に影響を与えにくいように配置されているが、必ずしも十分であるとは言えず、より一層の光利用効率の向上が望まれている。

将来、画素の微細化、撮像素子の縮小化などに対して、上記したような要因で画像の悪化がより顕著となることは明らかであり、これらの要因の改善が非常に重要になってきている。

本発明の目的は、低損失かつ光利用効率の高い撮像素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の撮像素子は、入射光を光電変換によって電気信号に変換する光電変換手段を有する撮像素子であって、素子駆動、信号転送のための電極・配線の一部または全部が透明導電体からなることを特徴とする。

本発明によれば、低損失かつ光利用効率の高い撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

但し、例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される撮像素子の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。また、以下で例示する実施の形態においては、マイクロレンズを用いているが、本発明はそれに限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。

図１において、撮像素子の画素は、マイクロレンズ１１、カラーフィルタ１２、平坦化層１３、平坦化層１５、光電変換素子（光電変換手段）１６、１７、素子駆動及び電気信号転送用の電極・配線１８を備える。光電変換素子１６の領域が光電変換を行う領域である。

マイクロレンズ１１、カラーフィルタ１２、平坦化層１３、平坦化層１５は、対応する波長に対してほぼ透明な誘電体層であり、例えば、樹脂材料、酸化シリコン、窒化シリコン、ＳｉＯＮなどの物質を用いることができる。

光電変換素子１６、１７は、例えば、半導体素子を用いることができ、光電変換素子１６として、Ｓｉ基板にイオン注入をすることによって形成されたｎ型領域を用いることができる。また、光電変換素子１７として、例えば、ｐ型Ｓｉ基板を用いることができる。

また、電極・配線１８は、その一部または全部が透明導電体で構成される。そして、電極・配線１８は、例えば、電極・配線は、酸化インジウム（ＩＴＯ）系材料、あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料、あるいは酸化錫（ＳｎＯ）系材料またはそれらを組み合わせて構成される。

また、電極・配線１８は、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ系材料、ＧＺＯ系材料、Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２系材料、ＴｉＮ系材料を単独あるいは組み合わせて構成される。

図２は、ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによって、従来の撮像素子と図１の撮像素子の光利用効率を測定した結果を示す図である。

数値計算においては、電極・配線１８を構成する透明導電体として、ＩＴＯを用いている。

図２において、横軸は入射角、縦軸が光利用効率を示しており、実線が本発明による図１の撮像素子の光利用効率、破線が従来技術による図６の撮像素子の光利用効率を示している。

ほぼすべての入射角に対して、本発明の撮像素子は従来の撮像素子に比べて２０パーセント程度、光利用効率が向上する結果が得られている。

（第２の実施の形態）
図１に示す第１の実施の形態では、図６に示す従来の電極・配線１４を、透明導電体で構成される電極・配線１８に置き換えた例を示した。しかし、本発明は、電極・配線１８が透明導電体であることを特徴とするため、画素の任意の位置に電極・配線１８を配置してもよい。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。また、図４は、本発明の第２の実施の形態の変形例に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。

図３、図４において、撮像素子の画素は、マイクロレンズ１１、カラーフィルタ１２、平坦化層１３、平坦化層１５、光電変換素子１６、１７、素子駆動及び電気信号転送用の電極・配線１８を備える。光電変換素子１６の領域が光電変換を行う領域である。電極・配線１８は、画素の中央付近に配置されている。

また、電極・配線１８は、その一部または全部が透明導電体で構成される。そして、透明導電体として、例えば、ＩＴＯなどを用いることができる。

図５は、ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによって、従来の撮像素子と図３、図４の撮像素子の光利用効率を測定した結果を示す図である。

図５において、横軸は入射角、縦軸が光利用効率を示しており、実線が本発明による図３、図４の撮像素子の光利用効率、破線が従来技術による図６の撮像素子の光利用効率を示している。

本発明の撮像素子は従来の撮像に比べて、すべての入射角範囲において大幅に光利用効率が向上する結果が得られている。特に、入射角が大きい領域で向上の効果が大きく得られている。

尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他さまざまな構成を捕り得る。

本発明に係る撮像素子は、従来金属あるいは多結晶シリコンなどで構成された配線・電極１４によって生じていた光の回折、散乱、吸収などの影響を軽減して、入射光を対応する光電変換領域へ効率よく導くことができる。そのため、低損失かつ光利用効率の高い撮像素子を実現することができる。

加えて、本発明に係る撮像素子は、透明導電体を用いることで、光の伝播路上に電極・配線を配置してもよく、従来に比べて、撮像素子設計に大きな自由度を持たせることができる。即ち、撮像素子性能の向上を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによって、従来の撮像素子と図１の撮像素子の光利用効率を測定した結果を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。本発明の第２の実施の形態の変形例に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。ＦＤＴＤ法を用いた数値計算シミュレーションによって、従来の撮像素子と図３、図４の撮像素子の光利用効率を測定した結果を示す図である。従来例に係る撮像素子の１画素の概略構成図である。撮像素子面と入射光がなす入射角の説明図である。

符号の説明

１１マイクロレンズ
１２カラーフィルタ
１３平坦化層
１５平坦化層
１６、１７光電変換素子
１８電極・配線

Claims

入射光を光電変換によって電気信号に変換する光電変換手段を有する撮像素子であって、素子駆動、信号転送のための電極・配線の一部または全部が透明導電体からなることを特徴とする撮像素子。
前記電極・配線は、酸化インジウム（ＩＴＯ）系材料、あるいは酸化亜鉛（ＺｎＯ）系材料、あるいは酸化錫（ＳｎＯ）系材料またはそれらを組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
前記電極・配線は、Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ系材料、ＧＺＯ系材料、Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２系材料、ＴｉＮ系材料を単独あるいは組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。