JP2023166200A - 受光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】メタレンズの位相設計に基づく焦点位置よりも光入射面に近い位置に光を集光させることができる受光素子を提供する。【解決手段】受光素子１は、少なくとも１つの受光領域ＬＡと被検出光Ｌが入射する光入射面２ａとを有する光検出基板２と、格子状に配列された複数の単位構造体３１によって構成され、被検出光Ｌを集光するように光入射面２ａ上に配置されたメタレンズ３０と、を備え、光検出基板２の厚さ方向から見た場合に、メタレンズ３０の中心Ｃを含む領域には、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａが設けられている。【選択図】図７

Description

本開示は、受光素子に関する。
従来、非特許文献１に開示されているように、格子状に配置された複数の微細な単位構造体（ピラー）によって構成されるメタレンズが知られている。
Paul R. West, James L. Stewart, Alexander V. Kildishev, Vladimir M.Shalaev, Vladimir V. Shkunov, Friedrich Strohkendl, Yuri A. Zakharenkov, RobertK. Dodds, and Robert Byren, "All-dielectric subwavelength metasurface focusing lens", Vol. 22, No. 21, OPTICSEXPRESS pp.26212-26221, 17 Oct 2014.
上述したメタレンズは、例えば、受光素子（光センサ）の受光感度を高めるために受光素子の表面（光入射面）に配置される場合がある。受光素子の表面にメタレンズを配置することにより、被検出光を受光領域（有効感度領域）に効率的に集光させることが期待できる。ところで、受光素子の受光感度を効果的に高める観点から、受光素子が備える光検出基板（シリコン基板等）のなるべく浅い位置（表面から近い位置）に被検出光を集光させたい場合がある。しかし、非特許文献１に開示されているような従来のメタレンズを用いる場合には、メタレンズが複数の単位構造体の周期構造によって構成されるという構造上の制約下での位相設計で可能な範囲でしか焦点距離を短くすることができなかった。
そこで、本開示の一側面は、メタレンズの位相設計に基づく焦点位置よりも光入射面に近い位置に光を集光させることができる受光素子を提供することを目的とする。
本開示は、以下の［１］～［１０］の受光素子を含んでいる。
［１］少なくとも１つの受光領域と被検出光が入射する光入射面とを有する光検出基板と、格子状に配列された複数の単位構造体によって構成され、被検出光を集光するように光入射面上に配置されたメタレンズと、を備え、光検出基板の厚さ方向から見た場合に、メタレンズの中心を含む領域には、単位構造体が形成されていない開口領域が設けられている、受光素子。
上記受光素子によれば、メタレンズ（複数の単位構造体）による回折と開口領域による回折（開口回折）とを同時に発生させることができる。このように２種類の回折を同時に発生させることにより、メタレンズによる回折のみが生じる場合の焦点（すなわち、メタレンズを構成する複数の単位構造体によって設定される焦点）よりも光入射面に近い位置に集光点を形成することが可能となる。すなわち、上記受光素子によれば、開口領域を設けることにより、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に光を集光させることができる。
［２］光検出基板とメタレンズとの間に配置され、光検出基板の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体層を更に備える、［１］に記載の受光素子。上記受光素子によれば、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に形成される集光点への集光効果を向上させることができる。
［３］メタレンズの開口数ＮＡは、下記式を満たすように設定されており、下記式において、λｅｆｆはメタレンズを通過した被検出光の実効波長であり、Ｐは複数の単位構造体が配列される周期である、［１］又は［２］に記載の受光素子。上記受光素子によれば、より確実に、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に集光点を形成することができる。
［４］厚さ方向から見た場合に、開口領域は矩形状である、［１］～［３］のいずれかに記載の受光素子。上記受光素子によれば、開口領域を矩形状以外の形状（例えば円形状）にする場合と比較して、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に形成される集光点への集光効果を向上させることができる。
［５］複数の単位構造体は、メタレンズの位相分布が二次位相パターンに従うように構成されている、［１］～［４］のいずれかに記載の受光素子。上記受光素子によれば、メタレンズの位相分布に二次位相パターン以外のパターン（例えばフレネルパターン）を適用する場合と比較して、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に形成される集光点への集光効果を向上させることができる。
［６］光検出基板は、アバランシェフォトダイオードを有する、［１］～［５］のいずれかに記載の受光素子。上記受光素子によれば、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置（すなわち、ＰＮ接合の界面からなるべく近い位置）に集光点を形成することにより、アバランシェフォトダイオードの受光感度を効果的に向上させることができる。
［７］厚さ方向から見た場合に、メタレンズは、受光領域に隣接する隣接領域、及び受光領域と隣接領域との境界に沿った受光領域の内側の領域である周縁領域の両方と重なるように形成されている、［１］～［６］のいずれかに記載の受光素子。上記受光素子によれば、受光領域が小さい場合であっても、隣接領域及び周縁領域の両方と重なる部分にメタレンズ（単位構造体）を形成することにより、確実に受光領域に被検出光を集光させることができる。
［８］メタレンズは、第１距離が第２距離の４０％以上且つ９０％以下となるように形成されており、第２距離は、厚さ方向における、メタレンズからメタレンズの位相設計に基づく焦点までの距離であり、第１距離は、厚さ方向における、メタレンズから開口領域が設けられていることにより上記焦点よりも光入射面に近い位置に形成される集光点までの距離である、［１］～［７］のいずれかに記載の受光素子。
［９］メタレンズは、第１距離が第２距離の５０％以上且つ８０％以下となるように形成されている、［８］に記載の受光素子。
［１０］厚さ方向から見た場合に、開口領域の幅は、メタレンズの幅の１／２以上である、［１］～［９］のいずれかに記載の受光素子。上記受光素子によれば、開口領域の幅をメタレンズの幅に対して十分に大きくすることにより、より確実に、メタレンズの位相設計に基づく焦点よりも光入射面に近い位置に集光点を形成することができる。
本開示の一側面によれば、メタレンズの位相設計に基づく焦点位置よりも光入射面に近い位置に光を集光させることができる受光素子を提供することができる。
一実施形態の受光素子の積層構造を模式的に示す図である。 図１に示される光検出基板の概略平面図である。 図１に示される受光素子の回路図である。 図１に示される光検出基板の一部分の平面図である。 図１に示される光検出基板の一部分の断面図である。 図１に示される光検出基板の底面図である。 図１に示される受光素子の１つの光検出部に対応する一部分の断面図である。 図７に示されるメタレンズの概略平面図である。 図８に示される領域Ａ１の拡大図である。 メタレンズの単位構造体の一例を示す図である。 メタレンズの製造工程の一例を示す図である。 第１実施例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第３実施例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第４実施例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 比較例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第１変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第２変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 第３変形例の受光素子の１つの光検出部に対応する一部分の断面図である。 第３変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
図１に示されるように、受光素子１は、光検出基板２と、レンズ層３と、誘電体層４と、を有している。図２に示されるように、受光素子１は、二次元に配置された複数の光検出部１０と、共通電極Ｅ３と、を有している。複数の光検出部１０は、マトリックス状に配置されている。レンズ層３は、複数の光検出部１０の各々に対応して設けられた複数のメタレンズ３０によって構成されている。誘電体層４は、光検出基板２とレンズ層３（複数のメタレンズ３０）との間に配置されている。なお、説明の便宜上、いくつかの図面には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる３次元直交座標が図示されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、複数の光検出部１０が配列される行方向及び列方向に対応する。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向であり、光検出基板２の厚さ方向に対応する。
光検出基板２は、複数の受光領域ＬＡ（図７参照）と、被検出光Ｌ（図７参照）が入射する光入射面２ａと、を有している。１つの光検出部１０に対して１つの受光領域ＬＡが設けられている。被検出光Ｌは、受光素子１によって検出される対象となる光である。一例として、被検出光Ｌの波長帯域は、３００ｎｍ～６μｍの範囲に含まれる。
図２に示されるように、光検出基板２は、一例として、Ｚ軸方向から見た場合に矩形状を呈している。共通電極Ｅ３は、Ｚ軸方向から見た場合に光検出基板２の中央に位置している。共通電極Ｅ３には、各光検出部１０において発生した電荷が収集される。つまり、光検出基板２は、複数のＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）（光検出部１０）を有するＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）である。なお、図２では、Ｘ軸方向における光検出基板２の両端部の領域に配置される一部の光検出部１０のみが図示されているが、複数の光検出部１０は、共通電極Ｅ３を除く光検出基板２の全領域に形成されている。光検出部１０は、一例として、Ｚ軸方向から見た場合に矩形状を呈している。ただし、Ｚ軸方向から見た場合の光検出部１０の形状は、矩形状以外の形状（例えば円形状）であってもよい。
図３に示されるように、本実施形態では一例として、信号処理を行う配線基板５が、複数の受光素子１（光検出基板２）によって共有されている。また、各光検出基板２において、各光検出部１０は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤと、クエンチング抵抗Ｒ１と、を有している。すなわち、光検出基板２は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤを有している。クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されている。クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、光検出基板２が有する読出配線ＴＬを介して、共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。つまり、複数の光検出部１０は、並列に接続されており、各光検出部１０において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤとクエンチング抵抗Ｒ１とは、直列に接続されている。光検出基板２では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレイクダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）がアバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加される。すなわち、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードには、電位Ｖ１が印加され、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードには、電位Ｖ１に対して正の電位Ｖ２が印加される。これらの電位の極性は相対的なものであり、例えば、いずれか一方の電位が接地電位であってもよい。
配線基板５には、信号処理部ＳＰが設けられている。信号処理部ＳＰは、各光検出基板２を各チャンネルとして、各光検出基板２から出力された信号を処理する。信号処理部ＳＰは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。信号処理部ＳＰは、各光検出基板２から出力された信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいてもよい。
図４に示されるように、光検出基板２において、読出配線ＴＬは、複数の信号線ＴＬ１と、複数の信号線ＴＬ２と、を含んでいる。一例として、各信号線ＴＬ１は、Ｘ軸方向において隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＹ軸方向に延在している。各信号線ＴＬ２は、Ｙ軸方向において隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＸ軸方向に延在している。複数の信号線ＴＬ１及び複数の信号線ＴＬ２は、交点で互いに接続されるように格子状に延在しており、共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、信号線ＴＬ１に接続されている。つまり、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１を介してアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬを介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
図５に示されるように、光検出基板２は、半導体層１１を有している。半導体層１１は、Ｎ型（第１導電型）の半導体領域１２と、Ｐ型（第２導電型）の半導体領域１３と、複数のＰ型の半導体領域１４と、を含んでいる。半導体領域１３は、半導体領域１２における光入射側の表面に形成されている。複数の半導体領域１４は、半導体領域１３における光入射側の表面に沿って半導体領域１３内に形成されている。各半導体領域１４の不純物濃度は、半導体領域１３の不純物濃度よりも高い。
光検出基板２では、１つの半導体領域１４と、半導体領域１２，１３のうちＺ軸方向において当該１つの半導体領域１４に重なる領域（すなわち、受光領域ＬＡ（図７参照））と、によって、１つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤが構成されている。つまり、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｎ型の半導体領域１２と、Ｎ型の半導体領域１２とＰＮ接合を構成するＰ型の半導体領域１３，１４と、を含んでいる。Ｐ型の半導体領域１３，１４は、Ｎ型の半導体領域１２に対して光検出基板２の光入射面２ａ側に位置している。
半導体領域１３における光入射側の表面には、絶縁層１６が形成されている。絶縁層１６上には、共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬが配置されている。共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬは、絶縁層１７によって覆われている。光検出基板２では、絶縁層１７における光入射側の表面が、光入射面２ａに相当する。なお、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１（図４参照）の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの半導体領域１３，１４に電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬに電気的に接続されている。
半導体層１１には、貫通孔ＴＨが形成されている。貫通孔ＴＨの内面、及び半導体領域１２における光入射側とは反対側の表面には、絶縁層１８が形成されている。貫通孔ＴＨの内面には、絶縁層１８を介して貫通電極ＴＥが配置されている。貫通電極ＴＥは、貫通孔ＴＨにおける光入射側の開口において、共通電極Ｅ３に接続されている。貫通電極ＴＥ上には、アンダーバンプメタルＢＭを介してバンプ電極Ｂ１が配置されている。貫通電極ＴＥ及び絶縁層１８は、パッシベーション膜ＰＦによって覆われている。なお、半導体領域１２における光入射側の表面のうち貫通孔ＴＨを包囲する領域には、Ｎ型の半導体領域１ＰＣが形成されている。半導体領域１ＰＣは、Ｎ型の半導体領域１２とＰ型の半導体領域１３，１４とで構成されたＰＮ接合が貫通孔ＴＨに至るのを防止している。
図６に示されるように、パッシベーション膜ＰＦには、Ｚ軸方向から見た場合に貫通孔ＴＨを包囲するように溝が形成されており、当該溝内においては、半導体領域１２が露出している。当該溝内において露出した半導体領域１２上には、複数のバンプ電極Ｂ２が配置されている。バンプ電極Ｂ１、及び複数のバンプ電極Ｂ２は、光検出基板２に対してレンズ層３が位置する側とは反対側に配置された配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。つまり、光検出基板２は、配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。
以上のように構成された光検出基板２では、各光検出部１０において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。この状態で、光入射面２ａ側から半導体領域１２に光が入射すると、半導体領域１２において光電変換が起こり、半導体領域１２において光電子（電荷）が発生する。光電子が発生したアバランシェフォトダイオードＡＰＤでは、半導体領域１３においてアバランシェ増倍が起こり、増幅された電子群（電荷）が、半導体領域１４及びクエンチング抵抗Ｒ１を介して共通電極Ｅ３に収集される。各光検出部１０から共通電極Ｅ３に収集された電荷は、信号として配線基板５の信号処理部ＳＰ（図３参照）に入力される。
なお、半導体層１１は、例えば、Ｓｉ（シリコン）によって形成されている。半導体層１１において、Ｐ型の不純物は、例えば、Ｂ（ホウ素）等の３族元素であり、Ｎ型の不純物は、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）等の５族元素である。これらの不純物の添加方法は、例えば、拡散法、イオン注入法である。各絶縁層１６，１７，１８は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮによって形成されている。各絶縁層１６，１７，１８の形成方法は、例えば、熱酸化法、スパッタ法である。電極Ｅ１、共通電極Ｅ３、及び貫通電極ＴＥは、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。電極Ｅ１、共通電極Ｅ３、及び貫通電極ＴＥの形成方法は、例えば、スパッタ法である。クエンチング抵抗Ｒ１の抵抗率は、電極Ｅ１及び共通電極Ｅ３の抵抗率よりも高い。クエンチング抵抗Ｒ１は、例えば、ポリシリコンによって形成されている。クエンチング抵抗Ｒ１の形成方法は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法である。クエンチング抵抗Ｒ１の材料は、例えば、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒ等であってもよい。
図７に示されるように、光検出基板２は、トレンチ１９を有している。トレンチ１９は、半導体層１１における光入射側の表面において、隣り合う光検出部１０を互いに仕切るように設けられている。トレンチ１９は、各受光領域ＬＡを形成する各アバランシェフォトダイオードＡＰＤを分離する分離領域として機能する。トレンチ１９内には、例えば、シリコン酸化物等の絶縁材料、タングステン等の金属材料、ポリシリコン等が配置され得る。
図７、図８及び図９に示されるように、本実施形態では、レンズ層３に含まれる各メタレンズ３０は、誘電体層４における光検出基板２とは反対側の上面４ａに設けられている。すなわち、各メタレンズ３０は、誘電体層４を介して光検出基板２の光入射面２ａ上に配置されている。メタレンズ３０は、光入射面２ａに入射する被検出光を集光するレンズとして機能するメタサーフェス構造体である。
誘電体層４は、被検出光Ｌを透過させる光透過基板である。誘電体層４は、光透過性を有する接着剤によって光検出基板２の光入射面２ａに接合されている。誘電体層４は、光検出基板２（半導体層１１）の屈折率ｎ１よりも低い屈折率ｎ２（ｎ２＜ｎ１）を有する材料によって形成されている。誘電体層４は、例えば、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＣ等によって形成され得る。誘電体層４の厚さｔ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、１μｍ～１０μｍである。
各メタレンズ３０は、各光検出部１０に対応するように配置されている。すなわち、１つの光検出部１０に対して１つのメタレンズ３０が設けられている。ある光検出部１０に対応するメタレンズ３０は、被検出光Ｌを当該光検出部１０の受光領域ＬＡに集光するように、光入射面２ａ上に配置されている。各メタレンズ３０は、例えば、ａ－Ｓｉ（アモルファスシリコン）、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２等のメタレンズ材料によって形成されている。
図８に示されるように、１つの光検出部１０に対応する１つのメタレンズ３０は、一例として、Ｚ軸方向（光検出基板２の厚さ方向）から見た場合に、矩形状（本実施形態では正方形状）に形成されている。メタレンズ３０は、複数の単位構造体３１によって構成されている。本実施形態では、単位構造体３１は、円柱状のピラーである。
Ｚ軸方向から見た場合に、メタレンズ３０の中心Ｃを含む領域には、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａが設けられている。すなわち、複数の単位構造体３１は、メタレンズ３０が配置される領域（本実施形態では正方形状の領域）のうち開口領域３０ａを除いた環状（本実施形態では四角環状）の領域Ａに形成されており、開口領域３０ａ内には形成されていない。なお、図８では、メタレンズ３０が配置される領域の左上隅部分に形成された一部の単位構造体３１のみが図示されているが、複数の単位構造体３１は、開口領域３０ａを除いた環状の領域Ａの全体に形成されている。
Ｚ軸方向から見た場合に、開口領域３０ａは矩形状である。本実施形態では一例として、開口領域３０ａは正方形状である。開口領域３０ａの幅Ｒは、メタレンズ３０の幅Ｄの１／２以上である。本実施形態のように開口領域３０ａが正方形状に形成される場合には、開口領域３０ａの幅Ｒは、開口領域３０ａの一辺の長さである。また、後述する第２変形例のように開口領域３０ａが円形状に形成される場合には、開口領域３０ａの幅Ｒは、開口領域３０ａの直径である。メタレンズ３０の幅Ｄも、開口領域３０ａの幅Ｒと同様に、メタレンズ３０が正方形状である場合にはメタレンズ３０の一辺の長さであり、メタレンズ３０が円形状である場合にはメタレンズ３０の直径である。
また、図７に示されるように、Ｚ軸方向から見た場合に、メタレンズ３０（すなわち、単位構造体３１が形成された領域Ａ）は、受光領域ＬＡに隣接する隣接領域（受光領域ＬＡの外側の部分）、及び受光領域ＬＡと隣接領域との境界に沿った受光領域ＬＡの内側の領域である周縁領域の両方と重なるように形成されている。すなわち、メタレンズ３０（領域Ａ）は、隣接領域と重なる部分３０Ａと、周縁領域と重なる部分３０Ｂと、を有している。上記構成によれば、受光領域ＬＡが小さい場合であっても、隣接領域及び周縁領域の両方と重なる部分にメタレンズ３０（単位構造体３１）を形成することにより、確実に受光領域ＬＡに被検出光Ｌを集光させることができる。
図９は、図８に示される領域Ａ１の拡大図である。図９に示されるように、複数の単位構造体３１は、格子状（本実施形態では正方格子状）に配列されている。より具体的には、図９において破線で区切られた単位領域Ｕが格子状に配列されている。領域Ａに含まれる１つの単位領域Ｕ１には、１つの単位構造体３１が設けられている。各単位領域Ｕ１に含まれる単位構造体３１の幅ｄ（図１０参照）は、メタレンズ３０の位相設計に基づいて設定されている。一方、領域Ａ１のうち開口領域３０ａに含まれる領域Ａ２に含まれる各単位領域Ｕ２には、メタレンズ３０を構成する単位構造体３１が設けられていない。なお、単位構造体３１は、必ずしも領域Ａに含まれる全ての単位領域Ｕ１に設けられていなくてもよく、本発明の効果を十分に発揮する程度に領域Ａに含まれる複数の単位領域Ｕ１に設けられていればよい。すなわち、開口領域３０ａの外側の領域Ａに含まれる一部の単位領域Ｕ１に単位構造体３１が形成されていなくてもよい。上記に関連して、開口領域３０ａは、必ずしもその全周が複数の単位構造体３１に囲まれた領域である必要はない。例えば、図９に示されるように、領域Ａに含まれる一部の領域Ａ３において、単位構造体３１が形成されていなくてもよい。
図１０に示されるように、メタレンズ３０は、単位構造体３１が形成される領域Ａにおいて、基本構成（単位格子）である単位領域Ｕ１がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子状に周期的に配列されたナノ構造体（微細凹凸構造）である。一例として、単位領域Ｕ１は、Ｚ軸方向から見て正方形状の領域である。単位構造体３１は、単位領域Ｕ１の中央部において、誘電体層４の上面４ａに立設されている。
単位構造体３１の周期Ｐ（すなわち、隣接する単位構造体３１の中心間距離であり、単位領域Ｕ１の１辺の長さ）は、分析対象の被検出光Ｌの波長よりも短くなるように設定される。すなわち、メタレンズ３０は、被検出光Ｌのサブ波長構造を有する。
一例として、被検出光Ｌの波長λが９０５ｎｍであって、単位構造体３１がａ－Ｓｉによって形成される場合、単位構造体３１の周期Ｐは、例えば３７５ｎｍに設定され、単位構造体３１の高さｈは、例えば４９０ｎｍに設定され、単位構造体３１の幅ｄ（直径）は、位相設計及び単位領域Ｕ１の位置に応じて、例えば１４０ｎｍ～２７０ｎｍの範囲から選択される。
他の例として、被検出光Ｌの波長λが９０５ｎｍであって、単位構造体３１がＴｉＯ２によって形成される場合、単位構造体３１の周期Ｐは、例えば４４１ｎｍに設定され、単位構造体３１の高さｈは、例えば１０００ｎｍに設定され、単位構造体３１の幅ｄ（直径）は、位相設計及び単位領域Ｕ１の位置に応じて、例えば８０ｎｍ～３８０ｎｍの範囲から選択され得る。
上記例のように、メタレンズ３０全体（すなわち、全ての単位領域Ｕ１）において、単位構造体３１の高さｈは一定の値に設定される。一方、各単位領域Ｕ１の単位構造体３１の幅ｄは、各単位領域Ｕ１の位置に応じて、上記範囲から選択される。このように、各単位領域Ｕ１の単位構造体３１の幅ｄが各単位領域Ｕ１の位置に応じて設定されることで、各単位領域Ｕ１の位置毎に位相変調量が制御され、集光レンズとして機能するメタレンズ３０が得られる。例えば、メタレンズ３０は、Ｚ軸方向から見た場合に、メタレンズ３０の外側から中心Ｃに向かう径方向に沿って位相が連続的に２π分変化するように形成された１周期分の領域（複数の単位領域Ｕ１を含む領域）を、上記方向に沿って複数繰り返し配列した構造を有する。
上述したメタレンズ３０の構造について補足する。メタレンズ構造（メタサーフェス構造）のタイプとして、いわゆる屈折率変調型及び共鳴型が知られている。メタレンズ３０は、上記のいずれのメタサーフェス構造を有してもよい。屈折率変調型のメタサーフェス構造は、各単位領域Ｕ１におけるメタレンズ材料の充填率（占有率）により定まる実効屈折率を制御する方式である。共鳴型のメタサーフェス構造は、各単位領域Ｕ１の構造（すなわち、規則的に配列された複数の凹凸構造からなるナノ構造の形状及び大きさ）によって電気共鳴及び磁気共鳴を調整することで、位相及び透過率を制御する方式である。より具体的には、共鳴型のメタサーフェス構造は、下記式（１）により示される透過率係数ｔを調整することで、上述したレンズ機能を実現する方式である。なお、下記式（１）において、ωｅ,kはｋ次モードの電気共鳴に関する共鳴周波数を表し、ωｍ,kはｋ次モードの磁気共鳴に関する共鳴周波数を表す。また、ωは電子分極を記述するローレンツ振動子モデルにおける共鳴角周波数を表す。γｅ，ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの電気共鳴に関する減衰係数を表し、γｍ，ｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの磁気共鳴に関する減衰係数を表す。ａｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの電気共鳴の寄与度を表すパラメータであり、ｂｋは上記ローレンツ振動子モデルにおけるｋ次モードの磁気共鳴の寄与度を表すパラメータである。なお、共鳴型のメタサーフェス構造は、下記式（１）において「ｍ＝ｎ＝１」とする場合（すなわち、単一モードの電気双極子及び磁気双極子の共鳴を利用する場合）に対応するホイヘンス型（Nanodisk型）と、下記式（１）において「ｍ＝ｎ＝１」以外の場合（すなわち、高次モードの共鳴を利用する場合）に対応するＨＣＧ型（Micropost型）と、を含む。メタレンズ３０を共鳴型のメタサーフェス構造によって構成する場合、上述のホイヘンス型及びＨＣＧ型のいずれのタイプが用いられてもよい。
メタレンズ３０の構造として屈折率変調型を採用した場合には、共鳴型を採用する場合と比較して、被検出光Ｌの波長の変化に対するロバスト性を確保することができる。一方、共鳴型を採用した場合には、屈折率変調型と比較して位相変化をシャープにすることができると共に高い透過率を確保することができる。また、ホイヘンス型を採用した場合には、屈折率変調型及びＨＣＧ型と比較して、単位構造体３１のアスペクト比を低くすること（すなわち、単位構造体３１の幅に対する高さの割合を小さくすること）ができるため、メタレンズ３０の構造をより一層堅牢なものとすることができる。一方、ＨＣＧ型を採用した場合には、複数の高次モードの共鳴を利用することができるため、メタレンズ３０の構造設計の自由度を高くすることができる。
図１１を参照して、メタレンズ３０の製造工程の一例について説明する。まず、スパッタリング法によって、誘電体層４（例えば、石英基板）の上面４ａ上に、メタレンズ３０（すなわち、複数の単位構造体３１）になる予定の部分を含むシリコン層１３０（アモルファスシリコン）が成膜される（ステップＳ１）。シリコン層１３０の膜厚は、単位構造体３１の高さｈの設計値（上記例では４９０ｎｍ）に設定される。続いて、シリコン層１３０の表面（誘電体層４側とは反対側の面）上に、３００ｎｍ程度の膜厚のＥＢ（電子線）レジスト１００が塗布される（ステップＳ２）。続いて、ＥＢリソグラフィ法によって、ＥＢレジスト１００に対して、予め設計されたパターンがＥＢ描画される（ステップＳ３）。具体的には、上述した領域Ａに含まれる各単位領域Ｕ１のうち単位構造体３１が形成されない部分と、開口領域３０ａと、に対応する開口１００ａが、ＥＢレジスト１００に形成される。続いて、ＥＢレジスト１００をマスクとして用いたエッチング（例えば、誘導結合型（ＩＣＰ－ＲＩＥ）エッチング等のドライエッチング）が実行されることにより、シリコン層１３０のうちＥＢレジスト１００の開口１００ａに対応する部分（すなわち、露出部分）が除去される。その後、ＥＢレジスト１００が剥離される（ステップＳ４）。以上により、誘電体層４の上面４ａ上に、メタレンズ３０（すなわち、複数の単位構造体３１が周期的に配列された構造）が形成される。
図７に示されるように、メタレンズ３０を通過して誘電体層４を通る被検出光Ｌとメタレンズ３０の光軸ＡＸとがなす最大角度をθとし、メタレンズ３０を通過した被検出光Ｌが通る媒質（この例では誘電体層４）の屈折率をｎとすると、メタレンズ３０の開口数ＮＡは、下記式（２）により決定される。光軸ＡＸは、メタレンズ３０の中心Ｃを通りＺ軸方向に平行な軸線である。
ＮＡ＝ｎ×ｓｉｎθ …（２）
また、誘電体層４を通過する被検出光Ｌの実効波長λｅｆｆは、被検出光Ｌの空気中での波長をλとすると、下記式（３）により決定される。メタレンズ３０の周期Ｐは、下記式（４）を満たす範囲内に設定される。
λｅｆｆ＝λ／ｎ …（３）
λｅｆｆ／２＜Ｐ＜λｅｆｆ …（４）
このとき、メタレンズ３０の開口数ＮＡは、下記式（５）を満たすように選択されることが好ましい。
上記式（５）を満たす範囲内で開口数ＮＡを設定することにより、最大角度θ（図７参照）は、下記式（６）を満たすように設定される。
また、選択された最大角度θに応じた仮想的な焦点Ｆ（メタレンズ３０を通過してから焦点に至るまでに被検出光Ｌが通過する媒質が誘電体層４のみと仮定した場合の焦点）までの焦点距離ｆは、下記式（７）により決定される。焦点距離ｆは、光軸ＡＸと誘電体層４の上面４ａとの交点を原点ＯＰとした場合の原点ＯＰから焦点Ｆまでの距離である。
ｆ＝Ｄ／（２×ｔａｎθ） …（７）
本実施形態では、誘電体層４を通過した被検出光Ｌは、半導体層１１を通過する。なお、被検出光Ｌは、絶縁層１６，１７も通過するが、絶縁層１６，１７は誘電体層４及び半導体層１１と比較して非常に薄いため、誤差範囲内であるとしてここでは無視する。この場合、原点ＯＰから被検出光Ｌが半導体層１１内を通過することが考慮された実効的な焦点Ｆｅｆｆまでの焦点距離ｆｅｆｆ（第２距離）は、誘電体層４の厚さをｔと表し、半導体層１１（本実施形態ではＳｉ）の屈折率をｎＳｉと表すと、下記式（８）により決定される。ここで、焦点Ｆｅｆｆは、メタレンズ３０の位相設計（及びメタレンズ３０を通過した後に被検出光Ｌが通過する媒質）に基づく焦点であり、開口領域３０ａとは関係なく定まる焦点である。
ｆｅｆｆ＝ｔ＋（ｆ－ｔ）×ｎＳｉ／ｎ …（８）
本実施形態では一例として、メタレンズ３０を構成する各単位構造体３１の幅ｄは、各座標（ｘ，ｙ）における位相φ（ｘ，ｙ）が下記式（９）を満たすように設定される。すなわち、複数の単位構造体３１は、メタレンズ３０の位相分布が二次位相（Quadratic Phase）パターンに従うように構成されている。ここで、座標（ｘ，ｙ）は、図８に示されるように、中心Ｃを原点（０，０）とした場合の二次元座標である。
本発明者の鋭意研究により、以下の知見が得られた。すなわち、メタレンズ３０に上述したような開口領域３０ａを設けることにより、実効的な焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる回折（開口回折）の影響に起因する集光点Ｆａｐ（図７参照）が形成される。なお、図７の例では、集光点Ｆａｐは、焦点Ｆと焦点Ｆｅｆｆとの間に位置しているが、集光点Ｆａｐは、焦点Ｆよりも光入射面２ａに近い位置に形成され得る。また、メタレンズ３０の幅Ｄに対する開口領域３０ａの幅Ｒの大きさ、メタレンズ３０の位相分布パターン（本実施形態では、二次位相パターン）、メタレンズ３０の開口数ＮＡ等を調整することにより、集光点Ｆａｐの位置を調整することができる。上記の知見を踏まえて、好ましくは、メタレンズ３０は、原点ＯＰから集光点Ｆａｐまでの集光距離ｆａｐ（第１距離）が焦点距離ｆｅｆｆの４０％以上且つ９０％以下となるように形成される。より好ましくは、メタレンズ３０は、集光距離ｆａｐが焦点距離ｆｅｆｆの５０％以上且つ８０％以下となるように形成される。
以上説明した受光素子１によれば、メタレンズ３０（複数の単位構造体３１）による回折と開口領域３０ａによる回折（開口回折）とを同時に発生させることができる。このように２種類の回折を同時に発生させることにより、メタレンズ３０による回折のみが生じる場合の焦点（すなわち、メタレンズ３０を構成する複数の単位構造体３１によって設定される焦点Ｆｅｆｆ）よりも光入射面２ａに近い位置に集光点Ｆａｐを形成することが可能となる。すなわち、受光素子１によれば、開口領域３０ａを設けることにより、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に光を集光させることができる。
また、光検出基板２は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤを有している。本実施形態では、半導体領域１２と半導体領域１３との境界面がＰＮ接合の界面となる。このような界面からなるべく近い位置（すなわち、半導体領域１２のうち半導体領域１３になるべく近い部分）に集光させることにより、光検出部１０（アバランシェフォトダイオードＡＰＤ）の受光感度を効果的に向上させることができる。また、本実施形態のように光検出基板２がＳｉＰＭである場合、光検出基板２のなるべく手前側（光入射面２ａに近い位置）に被検出光Ｌを集光させることにより、時間分解能の向上を図ることもできる。上述したように、受光素子１によれば、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも半導体領域１２と半導体領域１３との境界面に近い位置に集光点Ｆａｐが形成される。その結果、光検出部１０の受光感度を効果的に向上させることができる。また、本実施形態のように、表面入射型フォトダイオードである光検出基板２に開口付きメタレンズ（すなわち、開口領域３０ａが設けられたメタレンズ３０）を組み合わせることにより、半導体層１１のなるべく浅い位置に被検出光Ｌを集光させることが可能となり、その結果、受光感度を効果的に向上させることができる。
また、メタレンズ３０の開口数ＮＡは、上記式（５）を満たすように設定されている。本発明者の知見によれば、上記構成により、より確実に、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に集光点Ｆａｐを形成することができる。
また、Ｚ軸方向から見た場合に、開口領域３０ａの幅Ｒは、メタレンズ３０の幅Ｄの１／２以上である。本発明者の知見によれば、上記のように開口領域３０ａの幅Ｒをメタレンズ３０の幅Ｄに対して十分に大きくすることにより、より確実に、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に集光点Ｆａｐを形成することができる。
以下、第１実施例～第４実施例（図１２～図１５）及び比較例（図１６）に基づいて、本実施形態（第１実施例～第４実施例）の受光素子１の効果について説明する。各実施例及び比較例のメタレンズのパラメータを下表（表１）に示す。なお、いずれについても、メタレンズの位相分布パターンは、上記式（９）に示される二次位相パターンである。
Figure 2023166200000007
（第１実施例）
図１２は、第１実施例の受光素子１のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。より具体的には、（Ａ）は、メタレンズ３０の中心Ｃ（図８参照）を原点（０，０）とする位相パターンを示している。（Ｂ）は、原点ＯＰを原点（０，０）とし、原点ＯＰから半導体層１１に向かう方向をＺ軸方向の正方向とした場合の各座標における被検出光Ｌの強度の分布を示している。（Ｃ）は、光軸ＡＸに沿った各位置（Ｚ軸座標）における被検出光Ｌの強度の分布を示している。なお、後述する図１３～図１８及び図２０の（Ａ）～（Ｃ）も、図１２の（Ａ）～（Ｃ）と同様である。
図１２の（Ａ）に示される中央部の矩形状の黒い領域は、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａに対応している。図１２の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第１実施例の受光素子１によれば、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
（第２実施例）
図１３は、第２実施例の受光素子１のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。図１３の（Ａ）に示される中央部の矩形状の黒い領域は、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａに対応している。図１３の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第２実施例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
（第３実施例）
図１４は、第３実施例の受光素子１のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。図１４の（Ａ）に示される中央部の矩形状の黒い領域は、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａに対応している。図１４の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第３実施例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
（第４実施例）
図１５は、第４実施例の受光素子１のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。図１５の（Ａ）に示される中央部の矩形状の黒い領域は、単位構造体３１が形成されていない開口領域３０ａに対応している。図１５の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第４実施例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
（比較例）
図１６は、比較例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。比較例は、開口領域が形成されていない点において、第１実施例と相違している。すなわち、比較例の受光素子のメタレンズにおいては、第１実施例のメタレンズ３０の開口領域３０ａに対応する領域にも、上記式（９）に示される二次位相パターンに従って、複数の単位構造体３１が形成されている。このため、図１６の（Ａ）に示されるように、メタレンズ３０が配置される領域の全体において、位相パターンが形成されている。また、図１６の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、比較例では、メタレンズの位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆのみが形成されており、第１実施例～第４実施例における集光点Ｆａｐに対応する集光点が形成されていない。
以上のように、メタレンズのパラメータ（メタレンズの幅Ｄ、開口領域の幅Ｒ、開口数ＮＡ）に応じて焦点Ｆｅｆｆ及び集光点Ｆａｐの位置並びに光の強度分布が変化するものの、いずれの実施例についても、焦点Ｆｅｆｆよりも手前に集光点Ｆａｐが形成される効果が得られることが確認された。これに対して、開口領域が形成されていないメタレンズを用いる比較例においては、集光点Ｆａｐに対応する集光点は形成されず、上記効果が得られないことが確認された。すなわち、上記のシミュレーションの結果から、メタレンズ３０の中心Ｃを含む領域に開口領域３０ａを形成することにより、メタレンズ３０のみによる焦点Ｆｅｆｆよりもメタレンズ３０に近い位置に集光点Ｆａｐを形成できることが確認された。
（第１変形例）
上記実施形態では、メタレンズ３０の位相分布が上記式（９）に示される二次位相パターンに従うように、複数の単位構造体３１が構成されたが、メタレンズ３０の位相分布パターンとして、二次位相パターン以外のパターンが用いられてもよい。第１変形例の受光素子１では、メタレンズ３０を構成する各単位構造体３１の幅ｄは、各座標（ｘ，ｙ）における位相φ（ｘ，ｙ）が下記式（１０）を満たすように設定される。すなわち、第１変形例の受光素子１では、複数の単位構造体３１は、メタレンズ３０の位相分布が二次位相（Quadratic Phase）パターンではなく、フレネルパターンに従うように構成される。ここで、座標（ｘ，ｙ）は、図８に示されるように、中心Ｃを原点（０，０）とした場合の二次元座標である。
第１変形例は、メタレンズ３０の位相パターンが上記式（１０）に示されるフレネルパターンに従っている点において第１実施例と相違しており、それ以外のメタレンズのパラメータ（メタレンズの幅Ｄ、開口領域の幅Ｒ、開口数ＮＡ）については第１実施例と同一である。
図１７は、第１変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。図１７の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第１変形例例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
ただし、第１実施例（図１２）における集光点Ｆａｐでの光の強度（コントラスト）の方が、第１変形例（図１７）における集光点Ｆａｐでの光の強度よりも大きくなっている。すなわち、メタレンズ３０の位相分布が二次位相パターンに従うように複数の単位構造体３１を構成することにより、メタレンズ３０の位相分布に二次位相パターン以外のパターン（例えばフレネルパターン）を適用する場合と比較して、焦点Ｆｅｆｆ（メタレンズの位相設計に基づく焦点）よりも光入射面２ａに近い位置に形成される集光点Ｆａｐｐへの集光効果を向上させることができることが確認できた。
（第２変形例）
上記実施形態では、開口領域３０ａは、矩形状（正方形状）に形成されたが、開口領域３０ａは、矩形状以外の形状に形成されてもよい。第２変形例の受光素子１では、メタレンズ３０の開口領域３０ａは、円形状に形成されている。第２変形例は、開口領域３０ａが、Ｚ軸方向から見た場合に、中心Ｃを中心とする円形状に形成されている点において第１実施例と相違しており、それ以外のメタレンズのパラメータ（メタレンズの幅Ｄ、開口領域の幅Ｒ、開口数ＮＡ）については第１実施例と同一である。すなわち、第２実施例では、開口領域３０ａは、中心Ｃを中心とする直径（幅Ｒ）１０μｍの円形状の領域とされている。
図１８は、第２変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。図１８の（Ａ）に示されるように、第２変形例では、開口領域３０ａ（黒色の領域）が円形状に設けられている。また、図１８の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第２変形例例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
ただし、第１実施例（図１２）における集光点Ｆａｐでの光の強度（コントラスト）の方が、第２変形例（図１８）における集光点Ｆａｐでの光の強度よりも大きくなっている。すなわち、メタレンズ３０の開口領域３０ａを矩形状（正方形状）に形成することにより、開口領域３０ａを矩形状以外の形状（例えば円形状）にする場合と比較して、焦点Ｆｅｆｆ（メタレンズの位相設計に基づく焦点）よりも光入射面２ａに近い位置に形成される集光点Ｆａｐｐへの集光効果を向上させることができることが確認できた。
（第３変形例）
上記実施形態では、受光素子１は、光検出基板２とメタレンズ３０（レンズ層３）との間に設けられる誘電体層４を有していたが、誘電体層４は省略されてもよい。
図１９に示されるように、第３変形例の受光素子１Ａは、誘電体層４を有しておらず、光検出基板２の光入射面２ａ上にメタレンズ３０が直接的に配置されている点において、上記実施形態の受光素子１（図７）と相違している。この場合、上記実施形態における式（２）及び式（３）の屈折率ｎは、半導体層１１の屈折率となる。また、上記実施形態における焦点Ｆと実効的な焦点Ｆｅｆｆとは一致する。
図２０は、第３変形例の受光素子のメタレンズ位相パターン及び光の強度分布のシミュレーション結果を示している。なお、第３変形例では、メタレンズ３０の幅Ｄは１５μｍであり、開口領域３０ａの幅Ｒは１０μｍであり、開口数ＮＡは１．２６に設定されている。図２０の（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、第３変形例例の受光素子１においても、メタレンズ３０の位相設計に基づく焦点Ｆｅｆｆよりも光入射面２ａに近い位置に、開口領域３０ａによる開口回折に起因する集光点Ｆａｐが形成されることが確認された。
ただし、誘電体層４が設けられる上記実施形態（例えば、第１実施例）における集光点Ｆａｐでの光の強度（コントラスト）の方が、第３変形例（図１９）における集光点Ｆａｐでの光の強度よりも大きい。すなわち、メタレンズ３０の開口領域３０ａを矩形状（正方形状）に形成することにより、開口領域３０ａを矩形状以外の形状（例えば円形状）にする場合と比較して、焦点Ｆｅｆｆ（メタレンズの位相設計に基づく焦点）よりも光入射面２ａに近い位置に形成される集光点Ｆａｐｐへの集光効果を向上させることができることが確認できた。
以上、本開示のいくつかの実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限られない。各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。また、上述した一の実施形態又は変形例における一部の構成は、他の実施形態又は変形例における構成に任意に適用することができる。
例えば、複数の単位構造体３１（単位領域Ｕ）は、正方格子状以外の格子状（例えばハニカム格子状）に配置されてもよい。また、単位構造体３１は、円柱状のピラーに限られない。単位構造体３１は、円柱状以外の形状（例えば角柱状）のピラー（凸部）として構成されてもよい。また、メタレンズ３０には、上記実施形態のように複数のピラー（単位構造体３１）が周期的に形成されたピラー構造の代わりに、複数のホール（凹部、単位構造体）が周期的に形成されたホール構造が採用されてもよい。ホール構造は、上記ピラー構造を反転させたような構造である。例えば、ホール構造は、上記実施形態における単位領域Ｕ１のうちピラーが形成されていない部分にメタレンズ材料が形成され、ピラーに対応する部分にホール（凹部）が形成された形状である。ホール構造のメタレンズを用いる場合には、各単位領域Ｕ１のホールの幅（孔径）を調整することにより、メタレンズの位相設計を行うことができる。
また、上記実施形態では、Ｚ軸方向から見た場合に、開口領域３０ａの全体が受光領域ＬＡと重なっており、受光領域ＬＡの外側には開口領域３０ａは設けられていないが、開口領域３０ａは受光領域ＬＡよりも大きく形成されてもよく、受光領域ＬＡの外側に開口領域３０ａが存在してもよい。
また、上記実施形態のように複数のＳＰＡＤ（光検出部１０）を有するＳｉＰＭとして光検出基板２が構成される場合、Ｎ型とＰ型とが逆の構成等の他の構成を有してもよい。また、光検出基板２は、ＳｉＰＭ以外の構成を有してもよい。
１，１Ａ…受光素子、２…光検出基板、２ａ…光入射面、４…誘電体層、３０…メタレンズ、３０ａ…開口領域、３１…単位構造体、ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード、Ｃ…中心、Ｌ…被検出光、ＬＡ…受光領域。

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの受光領域と被検出光が入射する光入射面とを有する光検出基板と、
    格子状に配列された複数の単位構造体によって構成され、前記被検出光を集光するように前記光入射面上に配置されたメタレンズと、
    を備え、
    前記光検出基板の厚さ方向から見た場合に、前記メタレンズの中心を含む領域には、前記単位構造体が形成されていない開口領域が設けられている、
    受光素子。
  2. 前記光検出基板と前記メタレンズとの間に配置され、前記光検出基板の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体層を更に備える、
    請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記メタレンズの開口数ＮＡは、下記式（１）を満たすように設定されており、
    下記式（１）において、λｅｆｆは前記メタレンズを通過した前記被検出光の実効波長であり、Ｐは前記複数の単位構造体が配列される周期である、
    請求項１に記載の受光素子。
  4. 前記厚さ方向から見た場合に、前記開口領域は矩形状である、
    請求項１に記載の受光素子。
  5. 前記複数の単位構造体は、前記メタレンズの位相分布が二次位相パターンに従うように構成されている、
    請求項１に記載の受光素子。
  6. 前記光検出基板は、アバランシェフォトダイオードを有する、
    請求項１に記載の受光素子。
  7. 前記厚さ方向から見た場合に、前記メタレンズは、前記受光領域に隣接する隣接領域、及び前記受光領域と前記隣接領域との境界に沿った前記受光領域の内側の領域である周縁領域の両方と重なるように形成されている、
    請求項１に記載の受光素子。
  8. 前記メタレンズは、第１距離が第２距離の４０％以上且つ９０％以下となるように形成されており、
    前記第２距離は、前記厚さ方向における、前記メタレンズから前記メタレンズによって設定される焦点までの距離であり、
    前記第１距離は、前記厚さ方向における、前記メタレンズから前記開口領域が設けられていることにより前記焦点よりも前記光入射面に近い位置に形成される集光点までの距離である、
    請求項１に記載の受光素子。
  9. 前記メタレンズは、前記第１距離が前記第２距離の５０％以上且つ８０％以下となるように形成されている、
    請求項８に記載の受光素子。
  10. 前記厚さ方向から見た場合に、前記開口領域の幅は、前記メタレンズの幅の１／２以上である、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の受光素子。
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