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。
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)
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)
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)
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)
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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