WO2021181818A1 - 固体撮像素子および電子機器 - Google Patents
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Definitions
- This technology relates to a solid-state image sensor. More specifically, the present invention relates to a solid-state image sensor and an electronic device including a filter having a periodic pattern array.
- a technique of performing a plurality of spectroscopy in multiple bands of three or more primary colors of light by using a filter such as a surface plasmon resonance filter is known.
- a filter such as a surface plasmon resonance filter
- a plurality of spectra can be performed by providing a filter having a periodic pattern array.
- the spectral shape changes depending on the incident direction, so that the wavelength accuracy of the multi-spectral spectrum may deteriorate.
- the half-value width after signal processing increases or the peak wavelength shift occurs in the multi-spectrum as the multi-spectral. It may cause deterioration of accuracy.
- This technology was created in view of such a situation, and aims to obtain a spectral spectrum with high spectral accuracy in a solid-state image sensor.
- the present technology has been made to solve the above-mentioned problems, and the first side surface thereof is a semiconductor substrate on which a photodiode is formed and a multilayer structure laminated on the light receiving surface side of the semiconductor substrate.
- the incident direction of the main light beam and the rotation angle of the periodic pattern array coincide with each other in at least one pixel included in the predetermined pixel group as a unit. It may be. This has the effect of absorbing changes in the spectral shape of the main light beam depending on the incident direction for each pixel.
- the filter may make the incident direction of the main light ray seen from the center of the imaging surface coincide with the rotation angle of the periodic pattern array. This has the effect of absorbing changes in the spectral shape depending on the incident direction of the main light beam.
- the filter may have different periodic pitches of the periodic pattern array depending on the incident direction of the main light beam. This has the effect of correcting the long wavelength shift of the peak wavelength of the spectrum.
- the filter may have different periods so as to be proportional to the cosine of the angle of the incident direction of the main ray. This has the effect of approximately correcting the long wavelength shift of the peak wavelength of the spectrum.
- the filter may be a plasmon resonance filter.
- the filter may be a propagation type surface plasmon resonance filter or a localized surface plasmon resonance filter.
- a moth-eye structure arranged on the outermost surface of the upper layer than the above filter may be further provided. This has the effect of reducing surface reflections.
- the filter performs a plurality of spectroscopys in multiple bands of three or more primary colors of light. This has the effect of being applied to applications using multiple spectra.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the device structure of the solid-state image sensor 100 according to the embodiment of the present technology.
- the solid-state image sensor 100 has a plurality of pixels arranged in an array.
- the device structure of this solid-state imaging device is a semiconductor substrate 110, an antireflection film 120, a silicon oxide film 130, a light-shielding film 140, a filter 200, a silicon oxide film 150, a silicon oxynitride film 160, and silicon nitride. It has a multilayer structure in which a film 170, a silicon oxynitride film 180, and a silicon oxide film 190 are laminated. A PN junction photodiode is formed on the semiconductor substrate 110 for each pixel.
- the antireflection film 120 prevents reflection of light on the surface of the semiconductor substrate 110, and is configured by, for example, forming a film of hafnium oxide, silicon nitride, or the like on the surface of the semiconductor substrate 110.
- the silicon oxide films 130, 150 and 190 are insulating films having an insulating property, and are formed of, for example, SiO 2 .
- the light-shielding film 140 shields light from leaking between pixels to prevent color mixing to adjacent pixels.
- the light-shielding film 140 is formed by, for example, W.
- the filter 200 is an optical element for performing spectroscopy. In this embodiment, it is assumed that a plasmon resonance filter is used as the filter 200.
- the silicon oxynitride films 160 and 180 are antireflection layers, and are formed of, for example, SION.
- the silicon nitride film 170 is a passivation film for protecting the filter 200 from oxidation.
- the silicon nitride film 170 is formed of, for example, Si 3 N 4 .
- OCL On Chip Lens
- FIG. 2 is a diagram showing an example of the incident direction of the main light beam of the solid-state image sensor 100 according to the embodiment of the present technology.
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the surface shape of the propagation type surface plasmon resonance filter according to the embodiment of the present technology.
- the propagation type surface plasmon resonance filter which is a kind of plasmon resonance filter, has a configuration in which a plurality of holes are periodically provided in the metal film.
- the plurality of holes function as a diffraction grating, and the spectral characteristics can be controlled by controlling the period and the hole diameter of the holes.
- the direction of a nearby hole is defined as the X direction with respect to a certain hole. That is, the X direction is set every 60 degrees in one cycle with one as a reference.
- the direction in the middle of the X direction is the Y direction.
- the Y direction is the Y direction every 60 degrees in one cycle with one as a reference.
- the half-value width after signal processing increases or peaks as multi-spectroscopy in which spectroscopy is performed in multiple bands of three or more primary colors of light. A phenomenon occurs in which a wavelength shift occurs. As a result, the accuracy of multi-spectroscopy may deteriorate.
- 4 to 6 are diagrams showing an example of the spectral characteristics of the surface plasmon resonance filter.
- the incident angle ⁇ is 25 degrees in FIG. 4, 30 degrees in FIG. 5, and 35 degrees in FIG.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of a pattern of a propagation type surface plasmon resonance filter according to an embodiment of the present technology.
- the propagation type surface plasmon resonance filter has a configuration in which a plurality of holes 220 are periodically provided in a film of a metal 210.
- a metal 210 for example, AlCu is assumed, but it may be a metal such as pure Al, Au, or Ag.
- the thickness of this propagation type surface plasmon resonance filter is, for example, about 150 nm.
- a dielectric such as an oxide film may be present in the upper and lower layers and the holes 220 of this propagation type surface plasmon resonance filter.
- a dielectric such as an oxide film may be present in the upper and lower layers and the holes 220 of this propagation type surface plasmon resonance filter.
- the structure of the hole 220 is circular here, it may have any shape such as a square, a rectangle, or a hexagon.
- the rhombic lattice is used as the unit lattice as the arrangement of the holes 220 of the propagation type surface plasmon resonance filter. Then, each pixel on the imaging surface is rotated and arranged so that the incident direction of the main light beam and the positional relationship of the arrangement of the rhombic lattice are always constant. That is, it includes an arrangement in which the periodic pattern array of the unit cell is rotated according to the incident direction of the main light beam. As a result, the incident direction of the main light beam and the rotation angle of the periodic pattern array coincide with each other when viewed from the center of the imaging surface. By changing the orientation of the filter array of each pixel by rotating it little by little with respect to the imaging surface, it is possible to obtain multi-spectral spectral characteristics that are constant regardless of the image plane position and the incident direction of the main light beam.
- FIG. 8 is a diagram showing another example of the pattern of the propagation type surface plasmon resonance filter in the embodiment of the present technology.
- the rhombus array was described, but as in this example, even in the case of a square array, by rotating the orientation in the same manner, it is possible to obtain the spectral characteristics of multi-spectroscopy that are always constant.
- FIG. 9 is a diagram showing an example of a unit cell of the filter 200 according to the embodiment of the present technology.
- a in the figure shows an example when the unit cell is a square array.
- Reference numeral b in the figure shows an example in which the unit cell is a rectangular array.
- c shows an example when the unit cell is a parallelogram array.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of the surface shape of the localized surface plasmon resonance filter according to the embodiment of the present technology.
- the localized surface plasmon resonance filter has a structure in which the metal 240 is scattered on the dielectric 230.
- the dielectric 230 for example, SiO 2 is assumed.
- the arrangement of the metals 240 is used as the unit cell.
- the periodic pattern array of the unit cell is provided by rotating it according to the incident direction of the main ray.
- the periodic pattern array of the unit cell of the filter by rotating the periodic pattern array of the unit cell of the filter according to the incident direction of the main ray, it becomes constant regardless of the image plane position and the incident direction of the main ray.
- the spectral characteristics of multi-spectral can be obtained.
- FIG. 11 is a diagram showing surface plasmon excitation by the diffraction grating of the surface plasmon resonance filter in the embodiment of the present technology.
- the structural condition of the wave number k SP of the surface plasmon in the presence of the diffraction grating is expressed by the following equation from the X component k 0 Sin ⁇ of the wave number of the incident light and the wave number 2 ⁇ m / S of the diffraction grating.
- k SP -k 0 Sin ⁇ + 2 ⁇ m / S-expression (1)
- k 0 is the wave number of the incident light
- ⁇ is the angle of the incident light.
- m is the order
- S is the period of the diffraction grating.
- k SP ( ⁇ / c) (( ⁇ 1 ⁇ 2 ) / ( ⁇ 1 + ⁇ 2 )) 1/2 equation (2)
- c is the speed of light
- ⁇ is the plasma frequency.
- ⁇ 1 and ⁇ 2 are the permittivity of the metal and the peripheral medium, respectively.
- FIG. 12 is a diagram showing the resonance conditions of the surface plasmon of the surface plasmon resonance filter according to the embodiment of the present technology.
- the horizontal axis is the wave number k x
- the vertical axis is the plasma frequency ⁇ .
- Vertical or diagonal lines are the structural conditions of equation (1).
- the curve is the physical characteristic condition of equation (2).
- ⁇ P is the plasma frequency
- the angular frequency ⁇ P (ne / ⁇ 0 * m) 1/2 determined by the dielectric constant ⁇ 0 of the vacuum.
- the condition of the intersection that satisfies the above equations (1) and (2) is required.
- the wave number component k 0 Sin ⁇ of the left term of the equation (1) decreases in the case of oblique incident, resulting in a long wavelength shift.
- FIGS. 13 to 15 are diagrams showing examples of spectral characteristics before and after correction of the surface plasmon resonance filter.
- FIG. 16 is a diagram showing an example of a pattern arrangement of the filter 200 according to the embodiment of the present technology.
- 16 spectra are arranged in 4 ⁇ 4 pixels by changing the period and hole diameter of the holes of each pixel, and 16 spectra are arranged in a repeating pattern as a unit of one cycle.
- the repetition pattern may be n ⁇ n pixels of arbitrary n (n is an integer).
- a repeating pattern of m ⁇ n pixels may be used assuming an arbitrary m (m is an integer) so that the aspect ratios are different.
- a multi-spectral image By applying signal processing to such a plurality of spectra, a multi-spectral image can be obtained.
- This multi-spectral signal can be applied to various applications such as agriculture and biological detection, as will be described later.
- the surface may have a Moth Eye structure.
- the surface reflection can be reduced, the vibration (ripple) of the spectrum due to the optical interference with the surface reflected wave is eliminated, and the accuracy as the multi-spectral can be further improved.
- FIG. 17 is a cross-sectional view showing a modified example of the device structure of the solid-state image sensor 100 according to the embodiment of the present technology.
- the device structure of this modified example includes a moth-eye structure 300 on the surface of the structure of the above-described embodiment.
- This moth-eye structure 300 suppresses the reflectance on the surface on the upper layer side of the filter 200 to 1% or less. As a result, the moth-eye structure 300 can weaken the interference effect in the upper layer than the filter 200.
- FIG. 18 is a diagram showing a first example of a method for manufacturing the moth-eye structure 300 according to the embodiment of the present technology.
- the mold 30 which is a mold is prepared in advance.
- a silicon substrate may be processed by dry etching to form a mold with a pattern smaller than the wavelength order with a resist by electron beam lithography.
- an ultraviolet curable resin 320 is applied onto the substrate 310 by spin coating. Further, the resin 320 is hardened by irradiating ultraviolet rays while pressing the mold. Next, when the mold is peeled off, the moth-eye structure is transferred to the resin 320.
- FIG. 19 is a diagram showing a second example of a method for manufacturing the moth-eye structure 300 according to the embodiment of the present technology.
- a moth-eye structure 300 is formed on the surface of the resin substrate 301 separately from the structure from the semiconductor substrate 110 to the silicon oxynitride film 180, and the solid-state image sensor 100 is formed by laminating the structure 300. Can be manufactured.
- FIG. 20 is a diagram showing an example of the spectral characteristics of the solid-state imaging device 100 including the moth-eye structure 300 according to the embodiment of the present technology.
- This graph shows the results of simulating the spectral sensitivity characteristics when light is incident on the solid-state image sensor 100 having the moth-eye structure 300 from above by the three-dimensional FDTD (Finite-Difference Time-Domain) method. ..
- FDTD Finite-Difference Time-Domain
- FIG. 21 is a diagram showing an example of application of the solid-state image sensor 100 in the embodiment of the present technology to growing agricultural products and the like.
- the figure shows the spectral characteristics of reflectance depending on the vegetative state.
- An index showing the distribution status and activity of such vegetation is called NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).
- NDVI Normalized Difference Vegetation Index
- the reflectance differs between healthy plants, weakened plants, and dead plants due to the large change in reflectance depending on the vegetation state in the wavelength range of 600 to 800 nm.
- this reflectance is primarily from the leaves of the plant.
- the vegetation state of the plant can be sensed by acquiring multi-spectral characteristics of two or more wavelengths at least with a wavelength of 600 to 800 nm in between or at a wavelength of 600 to 800 nm.
- a solid-state image sensor that detects a wavelength in the 600 to 700 nm range and a solid-state image sensor that detects a wavelength in the 700 to 800 nm range can be used to detect the vegetation state from the relationship between the two signal values. Further, the vegetation state can be sensed from the relationship between the two signal values by using a solid-state image sensor that detects a wavelength in the range of 400 to 600 nm and a solid-state image sensor that detects a wavelength in the wavelength range of 800 to 1000 nm. Further, in order to improve the detection accuracy, three or more solid-state imaging devices may be used to detect three or more wavelength regions, and the vegetation state may be detected from the relationship between the signal values. ..
- a solid-state image sensor capable of detecting such a wavelength range can be mounted on a small unmanned aerial vehicle such as a drone, and the growing state of the crop can be observed from the sky to proceed with the growing of the crop.
- FIG. 22 is a diagram showing an example of application of the solid-state image sensor 100 in the embodiment of the present technology to human skin detection.
- the figure shows the spectral spectral characteristics of the reflectance of human skin, and it can be seen from the figure that the reflectance changes significantly in the wavelength range of 450 to 650 nm. From these changes, it becomes possible to authenticate whether the subject is human skin. For example, by detecting three spectra having wavelengths of 450 nm, 550 nm, and 650 nm, it is possible to authenticate whether or not the subject is human skin. For example, when the subject is a material other than human skin, the spectral characteristics of the reflectance change, so that it can be distinguished from human skin.
- a solid-state image sensor capable of detecting such a wavelength range in, for example, a biometric authentication device, it can be applied to prevent counterfeiting of faces, fingerprints, irises, etc., and more accurate biometric authentication can be performed. It will be possible.
- FIG. 23 is a diagram showing a configuration example of an electronic device which is an application example of the solid-state image sensor 100 in the embodiment of the present technology.
- the electronic device includes a lens 400, a solid-state image sensor 100, a signal processing circuit 510, a monitor 530, and a memory 520. This electronic device can capture still images and moving images.
- the lens 400 includes at least one lens, and guides the incident light from the subject to the solid-state imaging element 100 to form an image on the light-receiving surface of the solid-state imaging element 100.
- Charges are accumulated in the solid-state image sensor 100 for a certain period of time according to the image formed on the light receiving surface via the lens 400. Then, the signal accumulated in the solid-state image sensor 100 and corresponding to the electric charge is supplied to the signal processing circuit 510.
- the signal processing circuit 510 performs various signal processing on the pixel signal output from the solid-state image sensor 100.
- the image data obtained by performing signal processing by the signal processing circuit 510 is supplied to the monitor 530 and displayed, or supplied to the memory 530 and stored.
- the present technology can have the following configurations.
- Solid-state image sensor Solid-state image sensor.
- a solid-state image sensor including a semiconductor substrate on which a photodiode is formed and a filter included in a multilayer structure laminated on the light receiving surface side of the semiconductor substrate and whose periodic pattern array is rotated according to the incident direction of the main light beam.
- the filter performs a plurality of spectroscopy in multiple bands of three or more primary colors of light.
- Solid-state image sensor 110
- Semiconductor substrate 120
- Silicon oxide film 140
- Light-shielding film 160
- Silicon oxynitride film 170
- Silicon nitride film 200
- Metal 220 Hole 230 Dielectric 300
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Abstract
固体撮像素子において、分光精度の高い分光スペクトルを得る。 固体撮像素子は、半導体基板とフィルタとを備える。半導体基板には、フォトダイオードが形成される。フィルタは、半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれる。フィルタは、主光線の入射方向に従って、周期パターン配列を回転させたものである。フィルタとしては、例えば、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタや、局在型表面プラズモン共鳴フィルタが用いられる。
Description
本技術は、固体撮像素子に関する。詳しくは、周期パターン配列を有するフィルタを備える固体撮像素子および電子機器に関する。
従来、マルチ分光を検知することができる固体撮像素子として、例えば、表面プラズモン共鳴フィルタなどのフィルタを用いて、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行う技術が知られている。例えば、所定の周期間隔で凹凸構造を持つ導体金属の構造体であるプラズモン共鳴体により構成されるフィルタを備えた撮像素子が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
上述の従来技術では、周期パターン配列を有するフィルタを備えることにより、複数の分光を行うことができる。しかしながら、上述の従来技術では、像面に主光線が入射する場合、入射方向によって分光形状が変化するため、マルチ分光の波長精度が劣化するおそれがある。この場合、像高だけでなく、その像面位置によって分光特性が変化するため、マルチ分光としては信号処理後の半値幅が増加し、または、ピーク波長のシフトが起こることにより、マルチ分光としての精度劣化を引き起こすおそれがある。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、固体撮像素子において、分光精度の高い分光スペクトルを得ることを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、フォトダイオードが形成される半導体基板と、上記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタとを具備する固体撮像素子および電子機器である。これにより、主光線の入射方向による分光形状の変化を吸収するという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、所定の画素群を単位としてその画素群に含まれる少なくとも1つの画素において上記主光線の入射方向と上記周期パターン配列の回転角度とが一致するようにしてもよい。これにより、主光線の入射方向による分光形状の変化を画素毎に吸収するという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、撮像面の中心から見た上記主光線の入射方向と上記周期パターン配列の回転角度とが一致するようにしてもよい。これにより、主光線の入射方向による分光形状の変化を吸収するという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、上記主光線の入射方向に応じて上記周期パターン配列の周期ピッチが異なるようにしてもよい。これにより、分光のピーク波長の長波長シフトを補正するという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、上記主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように周期が異なるようにしてもよい。これにより、分光のピーク波長の長波長シフトを近似的に補正するという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、プラズモン共鳴フィルタであってもよい。この場合において、上記フィルタは、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタであってもよく、また、局在型表面プラズモン共鳴フィルタであってもよい。
また、この第1の側面において、上記フィルタよりも上層の最表面に配置されるモスアイ構造をさらに具備してもよい。これにより、表面反射を減少させるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行うことが想定される。これにより、複数の分光を用いたアプリケーションに応用するという作用をもたらす。
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.実施の形態
2.変形例
3.応用例
4.適用例
1.実施の形態
2.変形例
3.応用例
4.適用例
<1.実施の形態>
[デバイス構造]
図1は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100のデバイス構造の一例を示す断面図である。
[デバイス構造]
図1は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100のデバイス構造の一例を示す断面図である。
固体撮像素子100は、複数の画素がアレイ状に配置されたものである。この固体撮像素子のデバイス構造は、半導体基板110に、反射防止膜120と、シリコン酸化膜130と、遮光膜140と、フィルタ200と、シリコン酸化膜150と、シリコン酸窒化膜160と、シリコン窒化膜170と、シリコン酸窒化膜180と、シリコン酸化膜190とを積層した多層構造を備える。半導体基板110には、PN接合のフォトダイオードが画素ごとに形成される。
反射防止膜120は、半導体基板110の表面における光の反射を防止するものであり、例えば、酸化ハフニウムや窒化シリコンなどが半導体基板110の表面に成膜されることにより構成される。
シリコン酸化膜130、150および190は、絶縁性を備えた絶縁膜であり、例えば、SiO2により形成される。
遮光膜140は、画素間の光の漏れを遮光して、隣接画素への混色を防止するものである。この遮光膜140は、例えば、Wにより形成される。
フィルタ200は、分光を行うための光学素子である。この実施の形態では、フィルタ200としてプラズモン共鳴フィルタを利用することを想定する。
シリコン酸窒化膜160および180は、反射防止のための層であり、例えば、SiONにより形成される。
シリコン窒化膜170は、フィルタ200を酸化から保護するためのパッシベーション膜である。このシリコン窒化膜170は、例えば、Si3N4により形成される。
なお、これらの構造の上に、入射光を集光するためのOCL(On Chip Lens)を備えてもよい。
[分光特性]
図2は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の主光線の入射方向の一例を示す図である。
図2は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の主光線の入射方向の一例を示す図である。
像面に主光線が入射する場合、像高が高くなるにつれて、固体撮像素子100の受光面の中心Oに対して垂直に入射する光の主光線40に対する傾きが大きくなる。これにより、光の主光線41がレンズ400を介して固体撮像素子100の受光面に入射する角度(Chief Ray Angle:CRA)θが大きくなる。プラズモン共鳴フィルタでは、この入射角θによって分光形状が変化することが知られている。
図3は、本技術の実施の形態における伝播型表面プラズモン共鳴フィルタの表面形状の一例を示す図である。
プラズモン共鳴フィルタの一種である伝播型表面プラズモン共鳴フィルタでは、金属膜に複数の孔が周期的に設けられた構成を備える。複数の孔は、回折格子として機能し、孔の周期や孔径を制御することによって、分光特性を制御することが可能である。
ここでは、孔の配置として菱形を単位格子とした場合において説明する。この場合、ある孔を基準として近傍の孔の方向をX方向とする。すなわち、1つを基準として1周期60度毎にX方向となる。一方、X方向の中間の方向をY方向とする。Y方向についても同様に、1つを基準として1周期60度毎にY方向となる。このとき、同じ角度の斜め入射でも、X方向とY方向とで異なる分光となる。このことは、入射方向によって分光形状が変化することを意味する。
すなわち、像高だけでなく、その像面位置によって分光特性が変化するために、光の3原色以上の多帯域で分光を行うマルチ分光としては信号処理後の半値幅が増加し、または、ピーク波長のシフトが起こるという現象が生じる。これにより、マルチ分光としての精度劣化が生じるおそれがある。
図4乃至図6は、表面プラズモン共鳴フィルタの分光特性の例を示す図である。
フィルタ条件は、何れも周期S0=350nm、孔径Φ=210nmである。入射角度θは、図4が25度、図5が30度、図6が35度である。また、比較のために、像高ゼロの角度 θ=0度の垂直入射のときの分光特性も同時に示している。
これらの結果から、垂直入射に比べて、斜め入射することにより主ピークが長波長側にシフトすることが示されている。また、X方向とY方向の入射方向でも分光が変化しているが、角度が大きくなるほど、主ピーク強度が低下するとともに、X方向とY方向の入射方向の違いによる分光の乖離が大きくなる傾向がある。
[フィルタ配列]
図7は、本技術の実施の形態における伝播型表面プラズモン共鳴フィルタのパターンの一例を示す図である。
図7は、本技術の実施の形態における伝播型表面プラズモン共鳴フィルタのパターンの一例を示す図である。
伝播型表面プラズモン共鳴フィルタは、金属210の膜に複数の孔220が周期的に設けられた構成を備える。金属210としては、例えば、AlCuが想定されるが、純Al、Au、Ag等の金属であってもよい。この伝播型表面プラズモン共鳴フィルタの厚みは、例えば150nm程度である。
また、この伝播型表面プラズモン共鳴フィルタの上下層および孔220の中には、酸化膜等の誘電体が存在してもよい。また、孔220の構造をここでは円形としているが、正方形、長方形、六方形など、何れの形状であってもよい。
ここでは、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタの孔220の配列として菱形格子を単位格子とする。そして、撮像面の各画素に対して、主光線の入射方向と菱形格子の配列の位置関係が常に一定になるように回転させて配列させる。すなわち、単位格子の周期パターン配列を、主光線の入射方向に従って回転させた配置を備える。これにより、撮像面の中心から見て、主光線の入射方向と周期パターン配列の回転角度とが一致する。このように各画素のフィルタ配列の方位を撮像面に対して少しずつ回転させて変化させることにより、像面位置や主光線の入射方向によらず一定になるマルチ分光の分光特性が得られる。
図8は、本技術の実施の形態における伝播型表面プラズモン共鳴フィルタのパターンの他の例を示す図である。
上の例では菱形配列について説明したが、この例のように、正方形配列であっても、同様に方位を回転させることにより、常に一定になるマルチ分光の分光特性を得ることができる。
図9は、本技術の実施の形態におけるフィルタ200の単位格子の例を示す図である。
同図におけるaは、単位格子が正方形配列である場合の例を示す。同図におけるbは、単位格子が長方形配列である場合の例を示す。同図におけるcは、単位格子が平行四辺形配列である場合の例を示す。
これらの配列およびその他の配列でも、全ての配列において、主光線の入射方向と配列の関係を一致させることによって、同様の効果が得られる。
図10は、本技術の実施の形態における局在型表面プラズモン共鳴フィルタの表面形状の一例を示す図である。
上述の説明では伝播型表面プラズモン共鳴フィルタへの適用例について説明したが、この実施の形態は局在型表面プラズモン共鳴フィルタに適用してもよい。局在型表面プラズモン共鳴フィルタでは、誘電体230に金属240が点在した構造を備える。誘電体230としては、例えば、SiO2が想定される。この場合、金属240の配列を単位格子とする。そして、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタと同様に、単位格子の周期パターン配列を、主光線の入射方向に従って回転させた配置を備える。
このように、本技術の実施の形態によれば、フィルタの単位格子の周期パターン配列を、主光線の入射方向に従って回転させることにより、像面位置や主光線の入射方向によらず一定になるマルチ分光の分光特性を得ることができる。
<2.変形例>
[補正]
上述の実施の形態では、フィルタの単位格子の周期パターン配列を主光線の入射方向に従って回転させることにより、分光特性の改善を図っていた。これに対し、さらに、像高が高くなるにつれて同時に孔の周期を短くして、分光のピーク波長の長波長シフトを補正してもよい。
[補正]
上述の実施の形態では、フィルタの単位格子の周期パターン配列を主光線の入射方向に従って回転させることにより、分光特性の改善を図っていた。これに対し、さらに、像高が高くなるにつれて同時に孔の周期を短くして、分光のピーク波長の長波長シフトを補正してもよい。
図11は、本技術の実施の形態における表面プラズモン共鳴フィルタの回折格子による表面プラズモン励起を示す図である。
回折格子が存在する場合の表面プラズモンの波数kSPの構造条件は、入射光の波数のX成分k0Sinθと回折格子の波数2πm/Sから、次式により表される。
kSP=-k0Sinθ+2πm/S 式(1)
ここで、k0は入射光の波数であり、θは入射光の角度である。また、mは次数で、Sは回折格子の周期である。
kSP=-k0Sinθ+2πm/S 式(1)
ここで、k0は入射光の波数であり、θは入射光の角度である。また、mは次数で、Sは回折格子の周期である。
さらに、金属とその周辺媒質で決まる表面プラズモンの波数kSPの物性条件は、次式により表される。
kSP=(ω/c)((ε1ε2)/(ε1+ε2))1/2 式(2)
ここでcは光速であり、ωはプラズマ周波数である。また、ε1およびε2は、それぞれ金属および周辺媒質の誘電率である。
kSP=(ω/c)((ε1ε2)/(ε1+ε2))1/2 式(2)
ここでcは光速であり、ωはプラズマ周波数である。また、ε1およびε2は、それぞれ金属および周辺媒質の誘電率である。
図12は、本技術の実施の形態における表面プラズモン共鳴フィルタの表面プラズモンの共鳴条件を示す図である。
同図において、横軸は波数kxであり、縦軸はプラズマ周波数ωである。垂直または斜めの線が式(1)の構造条件である。曲線が式(2)の物性条件である。なお、この表面プラズモンの曲線は、
ω=ωP/21/2
に漸近する。ここで、ωPは、プラズマ周波数であり、真空の誘電率ε0で決まる角振動数ωP=(ne/ε0*m)1/2となる。
ω=ωP/21/2
に漸近する。ここで、ωPは、プラズマ周波数であり、真空の誘電率ε0で決まる角振動数ωP=(ne/ε0*m)1/2となる。
表面プラズモンの共鳴条件のためには、上の式(1)と式(2)を満たす交点の条件が必要となる。ここで、垂直入射のときに比べて、斜入射のときに式(1)の左項の波数成分k0Sinθほど減少するため、結果として長波長シフトする。これを補正するためには、図のようにフィルタの孔の周期Sを変化させる。S'をその補正周期とすると、厳密には
S'={1/(1+Sinθ)}×S
となる。このとき、近似的に
S'=Cosθ×S
としてもよい。すなわち、表面プラズモン共鳴フィルタは、主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように、その周期が異なる。
S'={1/(1+Sinθ)}×S
となる。このとき、近似的に
S'=Cosθ×S
としてもよい。すなわち、表面プラズモン共鳴フィルタは、主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように、その周期が異なる。
図13乃至図15は、表面プラズモン共鳴フィルタの補正前後の分光特性の例を示す図である。フィルタ条件は、何れも周期S0=350nm、孔径Φ=210nmである。
図13におけるaは、補正していない場合の角度θ=25度で斜めに光入射したときの分光特性である。なお、角度θ=0度(Ref.)の垂直入射の分光特性も同時にプロットしている。
図13におけるbは、角度θ=25度で光入射に対して各像面に対して主光線のフィルタ配列に対する入射方向をX方向だけ、または、Y方向だけの2通りに限って補正して、かつ、周期Sを同時に補正した分光特性と、角度θ=0度(Ref.)の垂直入射の分光特性(補正無)を示す。このときの周期補正Sは、
S=S0×Cos(25度)=317nm
となる。この結果から、補正処理の分光では主ピークの波長が、垂直入射のピーク波長にほぼ一致していることが分かる。
S=S0×Cos(25度)=317nm
となる。この結果から、補正処理の分光では主ピークの波長が、垂直入射のピーク波長にほぼ一致していることが分かる。
同様に、図14は、入射角度θ=30度で光を斜入射したときの同様な補正(S=300nm)の有無の分光特性を示す。また、図15は、入射角度θ=35度で光を斜入射したときの同様な補正(S=287nm)の有無の分光特性を示す。これらの結果から、像高の高い主光線の入射角度 θ=30~35度でも、補正後の分光では主ピークの波長がほぼ撮像面中心(像高ゼロの垂直入射)のピーク波長に一致し、ピーク波長の補正ができていることが分かる。なお、パターンを回転させることにより、X方向のみまたはY方向のみの何れかの分光に統一することが可能である。また、X方向およびY方向の中間の任意の方向であってもよい。
[繰り返しパターン配列]
図16は、本技術の実施の形態におけるフィルタ200のパターン配列の例を示す図である。
図16は、本技術の実施の形態におけるフィルタ200のパターン配列の例を示す図である。
この例では、4×4画素において各画素の孔の周期と孔径を変えて16分光を配置し、さらに16分光を1周期のユニットとして繰り返しパターンで配列している。ここでは4×4画素の例を示したが、繰り返しパターンは任意のn(nは整数)のn×n画素であってもよい。また、縦横比が異なるように、任意のm(mは整数)を想定してm×n画素の繰り返しパターンであってもよい。
このような複数の分光に信号処理を施すことによって、マルチ分光の画像を得ることができる。このマルチ分光による信号から、後述するように、農業や生体検知などの様々なアプリケーションに応用することができる。
[モスアイ構造]
上述の実施の形態において、表面をモスアイ(Moth Eye)構造としてもよい。これにより表面反射を減少させて、表面反射波との光干渉での分光の振動(リップル)が無くなり、よりマルチ分光としての精度を向上させることができる。
上述の実施の形態において、表面をモスアイ(Moth Eye)構造としてもよい。これにより表面反射を減少させて、表面反射波との光干渉での分光の振動(リップル)が無くなり、よりマルチ分光としての精度を向上させることができる。
図17は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100のデバイス構造の変形例を示す断面図である。
この変形例のデバイス構造は、上述の実施の形態の構造の表面にモスアイ構造300を備える。このモスアイ構造300は、フィルタ200よりも上層側の表面における反射率を1%以下に抑制する。これにより、モスアイ構造300は、フィルタ200よりも上層での干渉効果を弱めることができる。
図18は、本技術の実施の形態におけるモスアイ構造300の製造方法の第1の例を示す図である。
モスアイ構造300を製造するためには、波長以下の微細加工が必要である。そこで、ここではナノインプリント技術を用いた製造方法について説明する。まず、鋳型であるモールド30を予め準備する。例えば、電子線リソグラフィーによるレジストで波長オーダより小さいパターンで、例えばシリコン基板をドライエッチングで加工してモールドとしてもよい。
そして、基板310上に、例えば紫外線硬化性の樹脂320をスピンコートで塗布する。さらに、モールドを押し当てた状態で紫外線を照射して樹脂320を固める。次に、モールドを剥離すれば、樹脂320にモスアイ構造が転写される。
図19は、本技術の実施の形態におけるモスアイ構造300の製造方法の第2の例を示す図である。
この第2の例では、半導体基板110からシリコン酸窒化膜180までの構造体とは別個に、樹脂基板301の表面上にモスアイ構造300を形成し、これを貼り合わせることにより固体撮像素子100を製造することができる。
図20は、本技術の実施の形態におけるモスアイ構造300を備える固体撮像素子100の分光特性の例を示す図である。
このグラフは、モスアイ構造300を備える固体撮像素子100に対して上側から光を入射したときの分光感度特性を、3次元のFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法でシミュレーションした結果を示している。このようにモスアイ構造を採用することにより、リップルが低減され、マルチ分光としての精度を向上させることができる。
<3.応用例>
[農作物等育成]
図21は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の農作物等育成への応用例を示す図である。
[農作物等育成]
図21は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の農作物等育成への応用例を示す図である。
同図は、植物状態による反射率の分光特性を示している。このような植生の分布状況や活性度を示す指標は、NDVI(Normalized Difference Vegetation Index:正規化差植生指標)と称される。同図より、波長600~800nmの範囲において植生状態によって大きく反射率が変化することにより、健康な植物、弱った植物、および枯れた植物で反射率が異なることが分かる。例えば、この反射率は主に植物の葉からのものである。そして、これらの結果から、少なくとも波長600~800nmを挟んで、または、波長600~800nmにおいて、2つ以上の波長のマルチな分光特性を取得することで、植物の植生状態を感知できることができる。
例えば、波長600~700nm域を検出する固体撮像素子と、波長700~800nm域を検出する固体撮像素子との2つを用いて、2つの信号値の関係から植生状態を感知することができる。また、波長400~600nm域を検出する固体撮像素子と、波長800~1000nm域を検出する固体撮像素子との2つを用いて、2つの信号値の関係から植生状態を感知することができる。さらに、検出精度の向上を図るために、3つ以上の固体撮像素子を用いて、3つ以上の複数の波長域を検出して、それらの信号値の関係から植生状態を感知してもよい。
したがって、このような波長域を検出可能な固体撮像素子を、例えば、ドローン等の小型無人航空機に搭載して、上空から農作物の育成状態を観測して、作物の育成を進めることができる。
[人肌検知]
図22は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の人肌検知への応用例を示す図である。
図22は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の人肌検知への応用例を示す図である。
同図は人肌の反射率の分光スペクトル特性であり、同図から波長450~650nmの範囲において反射率が大きく変化することが分かる。これらの変化から、被写体が人肌かどうかの認証が可能となる。例えば、波長450nm、550nm、および、650nmの3分光を検知することにより、被写体が人肌かどうかの認証が可能となる。例えば、被写体が人肌でない別の材料の場合、反射率の分光特性が変わるため、人肌と区別することができる。
したがって、このような波長域を検出可能な固体撮像素子を、例えば、生体認証装置に搭載することで、顔や指紋、虹彩などの偽造防止に応用することができ、より精度の高い生体認証が可能となる。
<4.適用例>
[電子機器]
図23は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の適用例である電子機器の構成例を示す図である。
[電子機器]
図23は、本技術の実施の形態における固体撮像素子100の適用例である電子機器の構成例を示す図である。
電子機器は、レンズ400、固体撮像素子100、信号処理回路510、モニタ530、および、メモリ520を備える。この電子機器は、静止画像および動画像を撮像可能である。
レンズ400は、少なくとも1枚のレンズを備え、被写体からの入射光を固体撮像素子100に導いて、固体撮像素子100の受光面に結像させる。
固体撮像素子100には、レンズ400を介して受光面に結像される像に応じて、一定期間、電荷が蓄積される。そして、固体撮像素子100に蓄積され電荷に応じた信号が信号処理回路510に供給される。
信号処理回路510は、固体撮像素子100から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路510が信号処理を施すことにより得られた画像データは、モニタ530に供給されて表示され、または、メモリ530に供給されて記憶される。
このような電子機器において、固体撮像素子100に上述の実施の形態のフィルタ200を使用することにより、像面位置や主光線の入射方向によらず一定になるマルチ分光の分光特性を得ることができる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
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なく、また、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)フォトダイオードが形成される半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタと
を具備する固体撮像素子。
(2)前記フィルタは、所定の画素群を単位としてその画素群に含まれる少なくとも1つの画素において前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)前記フィルタは、撮像面の中心から見た前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)前記フィルタは、前記主光線の入射方向に応じて前記周期パターン配列の周期ピッチが異なる
前記(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)前記フィルタは、前記主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように周期が異なる
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)前記フィルタは、プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)前記フィルタは、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)前記フィルタは、局在型表面プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)前記フィルタよりも上層の最表面に配置されるモスアイ構造をさらに具備する
前記(1)から(8)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行う
前記(1)から(9)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)フォトダイオードが形成される半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタとを備える固体撮像素子
を具備する電子機器。
(12)前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行い、
前記複数の分光の分布に応じて分析を行うための前記(11)に記載の電子機器。
(1)フォトダイオードが形成される半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタと
を具備する固体撮像素子。
(2)前記フィルタは、所定の画素群を単位としてその画素群に含まれる少なくとも1つの画素において前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)前記フィルタは、撮像面の中心から見た前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)前記フィルタは、前記主光線の入射方向に応じて前記周期パターン配列の周期ピッチが異なる
前記(1)から(3)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)前記フィルタは、前記主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように周期が異なる
前記(1)から(4)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(6)前記フィルタは、プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(5)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)前記フィルタは、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)前記フィルタは、局在型表面プラズモン共鳴フィルタである
前記(1)から(6)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)前記フィルタよりも上層の最表面に配置されるモスアイ構造をさらに具備する
前記(1)から(8)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行う
前記(1)から(9)のいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)フォトダイオードが形成される半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタとを備える固体撮像素子
を具備する電子機器。
(12)前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行い、
前記複数の分光の分布に応じて分析を行うための前記(11)に記載の電子機器。
30 モールド
100 固体撮像素子
110 半導体基板
120 反射防止膜
130、150、190 シリコン酸化膜
140 遮光膜
160、180 シリコン酸窒化膜
170 シリコン窒化膜
200 フィルタ
210、240 金属
220 孔
230 誘電体
300 モスアイ構造
400 レンズ
100 固体撮像素子
110 半導体基板
120 反射防止膜
130、150、190 シリコン酸化膜
140 遮光膜
160、180 シリコン酸窒化膜
170 シリコン窒化膜
200 フィルタ
210、240 金属
220 孔
230 誘電体
300 モスアイ構造
400 レンズ
Claims (12)
- フォトダイオードが形成される半導体基板と、
前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタと
を具備する固体撮像素子。 - 前記フィルタは、所定の画素群を単位としてその画素群に含まれる少なくとも1つの画素において前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、撮像面の中心から見た前記主光線の入射方向と前記周期パターン配列の回転角度とが一致する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、前記主光線の入射方向に応じて前記周期パターン配列の周期ピッチが異なる
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、前記主光線の入射方向の角度の余弦に比例するように周期が異なる
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、プラズモン共鳴フィルタである
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、伝播型表面プラズモン共鳴フィルタである
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、局在型表面プラズモン共鳴フィルタである
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタよりも上層の最表面に配置されるモスアイ構造をさらに具備する
請求項1記載の固体撮像素子。 - 前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行う
請求項1記載の固体撮像素子。 - フォトダイオードが形成される半導体基板と、前記半導体基板の受光面側に積層される多層構造に含まれて主光線の入射方向に従って周期パターン配列を回転させたフィルタとを備える固体撮像素子
を具備する電子機器。 - 前記フィルタは、光の3原色以上の多帯域で複数の分光を行い、
前記複数の分光の分布に応じて分析を行うための請求項11記載の電子機器。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020039487A JP2021141264A (ja) | 2020-03-09 | 2020-03-09 | 固体撮像素子および電子機器 |
JP2020-039487 | 2020-03-09 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2021181818A1 true WO2021181818A1 (ja) | 2021-09-16 |
Family
ID=77669112
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2020/047960 WO2021181818A1 (ja) | 2020-03-09 | 2020-12-22 | 固体撮像素子および電子機器 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021141264A (ja) |
WO (1) | WO2021181818A1 (ja) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013055202A (ja) * | 2011-09-02 | 2013-03-21 | Toshiba Corp | 固体撮像素子 |
JP2014158267A (ja) * | 2014-03-17 | 2014-08-28 | Sony Corp | カラーフィルタ、撮像素子、画像処理装置および画像処理方法 |
JP2019145563A (ja) * | 2018-02-16 | 2019-08-29 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサ装置および電子機器 |
-
2020
- 2020-03-09 JP JP2020039487A patent/JP2021141264A/ja active Pending
- 2020-12-22 WO PCT/JP2020/047960 patent/WO2021181818A1/ja active Application Filing
Patent Citations (3)
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JP2014158267A (ja) * | 2014-03-17 | 2014-08-28 | Sony Corp | カラーフィルタ、撮像素子、画像処理装置および画像処理方法 |
JP2019145563A (ja) * | 2018-02-16 | 2019-08-29 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサ装置および電子機器 |
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Publication number | Publication date |
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JP2021141264A (ja) | 2021-09-16 |
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