(57)【要約】【課題】光利用効率が高いイメージセンサ、および当該イメージセンサを含む撮像装置を提供する。【解決手段】入射光を、第１原色光と第３原色光とが混合された光と、第２原色光とに分離する第１色分離素子、および第１色分離素子で分離されて入射される光のうち、第１原色光をセンシングする第１光センシング層と、第３原色光をセンシングする第３光センシング層とが積層された第１画素領域と、第２原色光をセンシングする第２光センシング層を含む第２画素領域と、を含み、第１画素領域および第２画素領域が交互に反復されて、第１軸および第２軸に沿って二次元的に配列されたセンサアレイ部を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を、第１原色光と第３原色光とが混合された光と、第２原色光とに分離する第１色分離素子と、
前記第１色分離素子で分離されて入射される光のうち、前記第１原色光をセンシングする第１光センシング層と、前記第３原色光をセンシングする第３光センシング層とが積層された第１画素領域と、前記第２原色光をセンシングする第２光センシング層を含む第２画素領域と、を含み、前記第１画素領域および前記第２画素領域が交互に反復されて、第１軸および第２軸に沿って二次元的に配列されたセンサアレイ部と、を含むイメージセンサ。
【請求項２】
前記第１画素領域は、前記第１光センシング層と第３光センシング層とのうち、波長が短い光をセンシングする層が、前記第１色分離素子に近い位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記第１色分離素子は、
前記第２画素領域と対向する位置に配置され、
前記第２原色光を、前記第２画素領域に向かう第１方向に分岐させ、かつ、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させることを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記第１色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第１軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記第１色分離素子は、複数個であり、
互いに隣接するように配置される前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺方向が互いに垂直であることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ、
【請求項７】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺が、前記第２画素領域の対角方向と平行であることを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第１軸の軸方向および前記第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第２画素領域の２つの対角方向と平行であることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記第１色分離素子は、
前記第１画素領域と対向する位置に配置され、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第１方向に分岐させ、
前記第２原色光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させることを特徴とする請求項１または２に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記第１画素領域に対向するように配置され、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第３方向に分岐させ、前記第２原色光を、前記第３方向に対して対称な２つの方向に分岐させる第２色分離素子をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であることを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
前記第１色分離素子および第２色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第１軸の軸方向または第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
【請求項１５】
前記第１色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第１軸と平行であり、
前記第２色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
【請求項１６】
前記第１色分離素子および第２色分離素子の前記断面形状の長辺は、それぞれ前記第２画素領域の対角方向、および前記第１画素領域の対角方向と平行であることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であることを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。
【請求項１８】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第１軸の軸方向および第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
【請求項１９】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第１画素領域の２つの対角方向と平行であることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
【請求項２０】
入射光を、第１原色光と第３原色光とが混合された光と、第２原色光とに分離する第１色分離素子と、
前記第１色分離素子で分離されて入射される光のうち、前記第１原色光をセンシングする第１光センシング層を含む第１画素領域と、前記第２原色光をセンシングする第２光センシング層を含む第２画素領域と、前記第３原色光をセンシングする第３光センシング層と、前記第１原色光を吸収する光吸収層とが積層された第３画素領域を含み、前記第１画素領域、前記第２画素領域、および前記第３画素領域が相互に反復されて、第１軸および第２軸に沿って二次元的に配列され、前記第１光センシング層と前記第３光センシング層は、前記第１色分離素子からの距離が互いに異なる深さ位置に配置されるセンサアレイ部と、を含むイメージセンサ。
【請求項２１】
前記第１画素領域および前記第３画素領域において、
前記第１光センシング層と前記第３光センシング層とのうち、波長が短い光をセンシングする層が、前記第１色分離素子に近い位置に配置されることを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサ。
【請求項２２】
前記第１色分離素子は、
前記第２画素領域と対向する位置に配置され、
前記第２原色光を、前記第２画素領域に向かう第１方向に分岐させ、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させることを特徴とする請求項２０または２１に記載のイメージセンサ。
【請求項２３】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であることを特徴とする請求項２２に記載のイメージセンサ。
【請求項２４】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であることを特徴とする請求項２２に記載のイメージセンサ。
【請求項２５】
前記第１色分離素子は、
前記第１画素領域と対向する位置に配置され、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第２方向に分岐させ、
前記第２原色光を、前記第２方向に対して対称な２つの方向に分岐させることを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサ。
【請求項２６】
前記第１画素領域に対向するように配置され、
前記第１原色光と前記第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第３方向に分岐させ、前記第２原色光を、前記第３方向に対して対称な２つの方向に分岐させる第２色分離素子をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載のイメージセンサ。
【請求項２７】
前記第１色分離素子および前記第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であることを特徴とする請求項２６に記載のイメージセンサ。
【請求項２８】
前記第１色分離素子および前記第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺が、前記第１軸の軸方向または前記第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項２７に記載のイメージセンサ。
【請求項２９】
前記第１色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第１軸の軸方向と平行であり、
前記第２色分離素子の前記断面形状の長辺は、前記第２軸の軸方向と平行であることを特徴とする請求項２７に記載のイメージセンサ。
【請求項３０】
前記第１色分離素子および前記第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であることを特徴とする請求項２６に記載のイメージセンサ。
【請求項３１】
物体から反射された光を集束して光学像を形成する撮影レンズ部と、
前記撮影レンズ部で形成した光学像を電気的信号に変換する、請求項１ないし３０のうちいずれか１項に記載のイメージセンサと、を含む撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色分離素子を含むイメージセンサ、およびイメージセンサを含む撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、イメージセンサのピクセル数が増加しており、それによって、ピクセルの小型化が要求されている。ピクセルの小型化のためには、光量確保およびノイズ除去が重要な課題になる。
【０００３】
光信号の損失は、カラーフィルタ層で主に発生する。イメージセンサに採用されるカラーフィルタは、吸収型カラーフィルタであり、当該色の光を除いた残りの色の光を吸収するために、光利用効率が低下してしまう。たとえば、ＲＧＢカラーフィルタを使用する場合、入射光の１／３のみを透過させ、残りの２／３は吸収してしまうので、光利用効率は約３３％に過ぎない。
【０００４】
したがって、光効率を高めるために、カラーフィルタを使用せず、画素別にカラー光量をセンシングするための技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００５８３５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光利用効率が高いイメージセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一類型によれば、入射光を、第１原色光と第３原色光とが混合された光と、第２原色光とに分離する第１色分離素子、および前記第１色分離素子で分離されて入射される光のうち、前記第１原色光をセンシングする第１光センシング層と、前記第３原色光をセンシングする第３光センシング層とが積層された第１画素領域と、前記第２原色光をセンシングする第２光センシング層を含む第２画素領域と、を含み、前記第１画素領域および第２画素領域が交互に反復され、第１軸および第２軸に沿って二次元的に配列されたセンサアレイ部、を含むイメージセンサが提供される。
【０００８】
前記第１画素領域は、前記第１光センシング層と第３光センシング層とのうち、波長が短い光をセンシングする層が、前記第１色分離素子に近い位置に配置され得る。
【０００９】
前記第１色分離素子は、前記第２画素領域と対向する位置に配置され、前記第２原色光を、前記第２画素領域に向かう第１方向に分岐させ、かつ、前記第１原色光と第３原色光とが混合された光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させ得る。
【００１０】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であり得る。
【００１１】
前記第１色分離素子の前記断面の長辺は、前記第１軸方向または第２軸方向と平行であり得る。
【００１２】
前記第１色分離素子は、複数個であり、互いに隣接するように配置される第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺方向が互いに垂直であり得る。
【００１３】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺が、前記第２画素領域の対角方向と平行であり得る。
【００１４】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であり得る。
【００１５】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第１軸方向および第２軸方向と平行であり得る。
【００１６】
または、前記十字形をなす２方向は、前記第２画素領域の２つの対角方向と平行であり得る。
【００１７】
前記第１色分離素子は、前記第１画素領域と対向する位置に配置され、第１原色光と第３原色光とが混合された光を、第１画素領域に向かう第１方向に分岐させ、第２原色光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させ得る。
【００１８】
前記イメージセンサは、前記第１画素領域に対向するように配置され、前記第１原色光と第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第３方向に分岐させ、前記第２原色光を、前記第３方向に対して対称な２つの方向に分岐させる第２色分離素子をさらに含み得る。
【００１９】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であり得る。
【００２０】
前記第１色分離素子および第２色分離素子の前記断面の長辺は、前記第１軸方向または第２軸方向と平行であり得る。
【００２１】
前記第１色分離素子の前記断面の長辺は、前記第１軸方向と平行であり、前記第２色分離素子の前記断面の長辺は、前記第２軸方向と平行であり得る。
【００２２】
前記第１色分離素子および第２色分離素子の前記断面の長辺は、それぞれ前記第２画素領域の対角方向、および前記第１画素領域の対角方向と平行であり得る。
【００２３】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であり得る。
【００２４】
前記十字形をなす２方向は、それぞれ前記第１軸方向および第２軸方向と平行であり得る。
【００２５】
または、前記十字形をなす２方向は、前記第１画素領域の２つの対角方向と平行であり得る。
【００２６】
また、一類型によれば、入射光を、第１原色光と第３原色光とが混合された光と、第２原色光とに分離する第１色分離素子、および前記第１色分離素子で分離されて入射される光のうち、前記第１原色光をセンシングする第１光センシング層を含む第１画素領域と、前記第２原色光をセンシングする第２光センシング層を含む第２画素領域と、前記第３原色光をセンシングする第３光センシング層と、前記第１原色光を吸収する光吸収層とが積層された第３画素領域を含み、前記第１画素領域、第２画素領域、および第３画素領域が相互に反復されて、第１軸および第２軸に沿って二次元的に配列され、前記第１光センシング層と第３光センシング層は、前記第１色分離素子からの距離が互いに異なる深さ位置に配置されるセンサアレイ部；を含むイメージセンサが提供される。
【００２７】
前記第１画素領域および第３画素領域において、前記第１光センシング層と第３光センシング層とのうち、波長が短い光をセンシングする層が、前記第１色分離素子に近い位置に配置され得る。
【００２８】
前記第１色分離素子は、第２画素領域と対向する位置に配置され、第２原色光を、前記第２画素領域に向かう第１方向に分岐させ、第１原色光と第３原色光とが混合された光を、前記第１方向に対して対称な２つの方向に分岐させ得る。
【００２９】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であり得る。
【００３０】
前記第１色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であり得る。
【００３１】
前記第１色分離素子は、前記第１画素領域と対向する位置に配置され、第１原色光と第３原色光とが混合された光を、第１画素領域に向かう第２方向に分岐させ、第２原色光を、前記第２方向に対して対称な２つの方向に分岐させることができる。
【００３２】
前記イメージセンサは、前記第１画素領域に対向するように配置され、前記第１原色光と第３原色光とが混合された光を、前記第１画素領域に向かう第３方向に分岐させ、前記第２原色光を、前記第３方向に対して対称な２つの方向に分岐させる第２色分離素子をさらに含み得る。
【００３３】
前記第１色分離素子及び第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が長方形であり得る。
【００３４】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面の長辺が、前記第１軸方向または第２軸方向と平行であり得る。
【００３５】
前記第１色分離素子の前記断面の長辺は、前記第１軸方向と平行であり、前記第２色分離素子の前記断面の長辺は、前記第２軸方向と平行であり得る。
【００３６】
前記第１色分離素子および第２色分離素子は、前記センサアレイ部と対向する断面形状が十字形であり得る。
【００３７】
また、一類型によれば、物体から反射した光を集束して光学像を形成する撮影レンズ部と、前記撮影レンズ部で形成した光学像を電気的信号に変換する、前述のいずれか１つのイメージセンサと、を含む撮像装置が提供される。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係るイメージセンサによれば、光利用効率を向上することにより、色純度を向上させることができる。さらに、撮像装置に採用されることで画質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図２】図１のイメージセンサにおいて、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【図３】図１のイメージセンサにおいて、第２画素領域に吸収される光のスペクトルを例示的に示すグラフである。
【図４】図１のイメージセンサにおいて、第１画素領域に吸収される光のスペクトルを例示的に示すグラフである。
【図５】比較例によるイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図６】図５のイメージセンサの光センシング層それぞれで吸収される光のスペクトルを示す図面である。
【図７】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図８】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図９】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１０】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１１】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図１２】図１１のイメージセンサにおいて、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【図１３】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図１４】図１３のイメージセンサにおいて、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【図１５】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１６】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１７】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１８】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す平面図である。
【図１９】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図２０】図１９のイメージセンサの画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【図２１】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図２２】他の実施形態に係るイメージセンサの概略的な構成を示す断面図である。
【図２３】本発明の実施形態に係る撮像装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明には多様な変更を加えることができ、さまざまな実施形態を含み得るが、いくつかの実施形態を図面に例示し、詳細に説明する。本発明の特徴、効果、およびそれらを達成するための手段は、図面を参照して説明される実施形態に基づいて、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下開示される実施形態に限定されるものではなく、多様な実施形態によって具現され得る。
【００４１】
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明するが、図面においては、同一または対応する構成要素は、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４２】
以下の実施形態において、第１、第２のような用語は、構成要素を限定する意味ではなく、構成要素を他の構成要素と区別する目的で使用される。また、単数の表現は、明示しない限り、複数の場合を含む。
【００４３】
本明細書において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴または構成要素が存在するということを意味するものであり、１以上の他の特徴または構成要素が付加され得ることを前もって排除するものではない。
【００４４】
本明細書において、膜、領域、構成要素などの部分が、他の部分の上にまたは上部にあるとするとき、他の部分の真上にある場合だけではなく、それらの間に他の膜、領域、構成要素などが介在されている場合も含む。
【００４５】
図面においては、説明の便宜のために、構成要素の大きさが拡大または縮小され得る。たとえば、図面に示された各構成要素の大きさおよび厚さなどは、説明の便宜のために任意に誇張されており、本発明は、必ずしも図示された大きさおよび厚さなどに限定されない。
【００４６】
図１は、本発明の一実施形態に係るイメージセンサ１の概略的な構成を示す断面図であり、図２は、図１のイメージセンサ１において、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【００４７】
イメージセンサ１は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域が配列されたセンサアレイ部１１０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１１０に入射させる第１色分離素子１５０と、を含む。
【００４８】
センサアレイ部１１０は、二次元的に反復配列された第１画素領域ＰＸ１と、第２画素領域ＰＸ２とを含む。図２に示されているように、第１画素領域ＰＸ１と第２画素領域ＰＸ２は、第１軸Ａ１方向及び第２軸Ａ２方向に沿って反復的に配列され得る。第１画素領域ＰＸ１は、積層配置された第１光センシング層１１２と第３光センシング層１１６とを含み、第２画素領域ＰＸ２は、第２光センシング層１１４を含む。第１光センシング層１１２、第２光センシング層１１４および第３光センシング層１１６は、光を感知し、電気的信号を発生させる素子であり、それぞれ第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、第３原色光Ｃ３を感知するように構成される。第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、第３原色光Ｃ３は、それぞれ青色、緑色、赤色の光であり得る。以下、第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、および第３原色光Ｃ３を、それぞれ青色、緑色、赤色の光と仮定して説明する。第１光センシング層１１２、第２光センシング層１１４および第３光センシング層１１６は、半導体物質からなるフォトダイオードを含み得る。各フォトダイオードは、例えば、シリコン基盤のフォトダイオードであって、ドーピング濃度を適切に調整することにより、バンドギャップエネルギーを所望のバンドギャップエネルギーに設定し得る。第１画素領域ＰＸ１において、第１光センシング層１１２と第３光センシング層１１６とのうち、高いバンドギャップエネルギーを有する層が上部に、すなわち、第１色分離素子１５０に近い方に配置される。例えば、第１光センシング層１１２は、青色光に該当するエネルギー以上の光を吸収して電気的信号を発生するようにバンドギャップエネルギーが設定された層であり、第３光センシング層１１６は、赤色光に該当するエネルギー以上の光を吸収して電気的信号が発生されるようにバンドギャップエネルギーが設定された層である。その場合、多様な波長帯域の光を含む光が第１画素領域ＰＸ１に入射されれば、第１光センシング層１１２、および第３光センシング層１１６を順次通過するとき、第１光センシング層１１２において、青色光がセンシングされ、第３光センシング層１１６で赤色光がセンシングされる。
【００４９】
第１色分離素子１５０は、センサアレイ部１１０に対し光入射側に配置され、互いに異なる波長の光が、互いに異なる画素領域に入射するように、入射光を波長によってそれぞれ分離する。第１色分離素子１５０は、センサアレイ部１１０上に形成された透明誘電体層１３０内に埋め込まれる形態を有することができる。第１色分離素子１５０は、波長によって異なる光の回折特性または屈折特性を利用して、入射光の波長によって、光の進路を変えることにより、色を分離することができる。第１色分離素子１５０は、入射光の波長サイズに近い幅を有し、周辺物質より大きい屈折率の物質からなる構造を有する。そのような構造において、物質と物質との光学的境界が明確に定義されず、第１色分離素子１５０の周辺には、第１色分離素子１５０の大きさ、周辺との屈折率差によって決まる所定の屈折率変化を示す領域が生ずる。その領域には、例えば、グレーデッドインデックスレンズ（ｇｒａｄｅｄ  ｉｎｄｅｘ  ｌｅｎｓ）のような効果を示す屈折率分布が形成され、そのような屈折率分布内に入射した光の経路が変化する。屈折率分布が生ずる領域の大きさは、波長によって異なるために、入射光が多様な波長の光を含む場合、その波長によって、入射光の経路は、互いに異なるように変化する。すなわち、第１色分離素子１５０の屈折率および大きさ、ならびに透明誘電体層１３０の屈折率の適切な設計により、所望の色分離機能を実現できる。
【００５０】
第１色分離素子１５０は、周辺の透明誘電体層１３０より高い屈折率を有する材料からなる。例えば、透明誘電体層１３０は、ＳｉＯ２やシラノール系ガラス（ＳＯＧ：ｓｉｌｏｘａｎｅ−ｂａｓｅｄ  Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）からなり、第１色分離素子１５０は、例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＮ３、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ３Ｎ４のような高屈折率材料からなる。出射光に対して、所望のスペクトル分布によって第１色分離素子１５０の大きさ、形状に関する多様な設計が可能である。
【００５１】
透明誘電体層１３０の上部には、入射光Ｌを第１色分離素子１５０に集束させるマイクロレンズアレイ１９０がさらに具備され得る。
【００５２】
本実施形態において、第１色分離素子１５０は、入射光Ｌを、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）と、第２原色光Ｃ２とに分離する。第１色分離素子１５０は、第２画素領域ＰＸ２に対向するように配置され、第２原色光Ｃ２を、第２画素領域ＰＸ２に向かう方向に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２原色光Ｃ２が向かう方向を挟む２つの方向に分岐させる。第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）は、第２原色光Ｃ２が向かう方向に対称である２つの方向に分岐され、例えば、第２画素領域ＰＸ２の両側に配置された２つの第１画素領域ＰＸ１に向かう方向に分岐される。第１色分離素子１５０がセンサアレイ部１１０と対向する断面形状は、例えば、長方形であり、長方形の長辺が、第２軸Ａ２方向と平行になるように、第１色分離素子１５０が配置され得る。
【００５３】
第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が入射される。すなわち、例えば、第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、および第３原色光Ｃ３が、それぞれ青色、緑色、赤色の光である場合、マゼンタ光が入射される。そして、第２画素領域ＰＸ２には、緑色光が入射される。図２に示す実線の矢印は、第１色分離素子１５０によってマゼンタ光が分岐される方向を表示している。マゼンタ光は、第２画素領域ＰＸ２に横方向に隣接する第１画素領域ＰＸ１に入射する。緑色光は、第１色分離素子１５０の直下部に位置する第２画素領域ＰＸ２に入射する。
【００５４】
第１画素領域ＰＸ１に入射されたマゼンタ光が、第１光センシング層１１２を通過するとき、青色光成分が吸収される。そして、吸収された青色光量に対応する大きさの電気的信号が、第１光センシング層１１２から発生する。次に、第３光センシング層１１６で赤色光が吸収され、吸収された赤色光量に対応する大きさの電気的信号が、第３光センシング層１１６から発生する。
【００５５】
図３は、図１のイメージセンサ１において、第２画素領域ＰＸ２に吸収される光のスペクトルを例示的に示し、図４は、図１のイメージセンサ１において、第１画素領域ＰＸ１に吸収される光のスペクトルを例示的に示している。
【００５６】
上述したように、第１色分離素子１５０によって緑色光は、第２画素領域ＰＸ２に向かう方向に分岐され、赤色光と青色光とが混合された光は、第１画素領域ＰＸ１に向かう方向に分岐される。
【００５７】
図３を参照すれば、第２画素領域ＰＸ２で吸収される光のスペクトルは、主に緑色波長帯域である。ここで、緑色波長帯域光以外に、赤色、青色の波長帯域光を一部含むのは、第１色分離素子１５０の色分離効率に起因すると考えられる。
【００５８】
図４を参照すれば、第１画素領域ＰＸ１で吸収される光のスペクトルは、赤色波長帯域および青色波長帯域であり、色分離効率に起因して、緑色波長帯域の光が一部含まれている。第１画素領域ＰＸ１は、青色光と赤色光とを順次にセンシングする積層構造を採用しているので、青色（ｂｌｕｅ）と表示した波長帯域が、第１光センシング層１１２でセンシングされ、赤色（ｒｅｄ）と表示した波長帯域の第３光センシング層１１６でセンシングされる。図４に図示されるように、これらの波長帯域の重畳は非常に少なく、そのような現象は、第１画素領域ＰＸ１でセンシングする赤色、青色の色純度に反映されるので、良好な色純度が実現される。
【００５９】
上述したように、本実施形態に係るイメージセンサ１は、入射光のカラー成分を抽出するためのカラーフィルタを使用せず、光をカラーによって分岐させる色分離素子を使用して色分離を行うので、光効率が高い。また、図４から判るように、第１画素領域ＰＸ１には、青色波長帯域と赤色波長帯域とが混合された光が入射され、そのとき、積層型の光センシング構造を採用し、波長差が大きい、青色光と赤色光とを順次センシングするため、カラー重畳が少なくすることができ、第１画素領域ＰＸ１で感知される光の色純度を向上できる。
【００６０】
図５は、比較例によるイメージセンサの概略的な構成を示す断面図であり、図６は、図５のイメージセンサの光センシング層それぞれで吸収される光のスペクトルを示している。
【００６１】
比較例によるイメージセンサは、青色、緑色、赤色を感知する光センシング層４１，４２，４３が積層された形態を有する。そのような形態のイメージセンサは、カラーフィルタを使用せず、光センシング層４１，４２，４３でカラーを分離してセンシングすることができる。光センシング層４１，４２，４３それぞれは、青色光、緑色光、赤色光に相当するエネルギーを吸収し、電気的信号が発生するように、エネルギーバンドギャップが設定されるが、光センシング層４１，４２，４３それぞれで吸収される光の波長帯域の重畳が発生する。
【００６２】
図６を参照すれば、Ｂで表示したグラフは、光センシング層４１で吸収される光のスペクトルであり、Ｇで表示したグラフは、光センシング層４２で吸収される光のスペクトルであり、Ｒで表示したグラフは、光センシング層４３で吸収される光のスペクトルである。
【００６３】
各光センシング層４１，４２，４３で吸収される光の波長帯域には、重畳が相当あり、このことは、色純度を低下させる原因になる。
【００６４】
一方、本実施形態によるイメージセンサ１は、比較例と異なり、一部画素領域でのみ光センシング層の積層構造を採用する。その際、波長帯域の重畳が減少するように、赤色光センシング層と青色光センシング層とを積層した形態とすることにより、光効率向上および色純度向上が共に実現できる。
【００６５】
以下、変形例によるイメージセンサの構造について説明する。
【００６６】
図７は、他の実施形態に係るイメージセンサ２の概略的な構成を示す平面図である。
【００６７】
本実施形態に係るイメージセンサ２は、互いに隣接するように配置される第１色分離素子１５１，１５２の配置形態が、図１のイメージセンサ１と異なる。第１色分離素子１５１，１５２がセンサアレイ部１１０と対向する断面形状は長方形であり、それぞれ長辺の方向が互いに垂直するように互い違いに配置される。すなわち、第１色分離素子１５１は、長辺が第２軸Ａ２方向と平行に配置され、第１色分離素子１５２は、長辺が第１軸Ａ１方向と平行に配置される。
【００６８】
図面に示す実線の矢印は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が分岐される方向を示す。すなわち、第１色分離素子１５１，１５２は、第２原色光Ｃ２を、直下部の第２画素領域ＰＸ２に入射させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２画素領域ＰＸ２に隣接する第１画素領域ＰＸ１に入射させる。具体的には、第１色分離素子１５１は、第２画素領域ＰＸ２と横方向、すなわち、第１軸Ａ１方向に隣接した両側の第１画素領域ＰＸ１に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を入射させる。第１色分離素子１５２は、第２画素領域ＰＸ２と縦方向、すなわち、第２軸Ａ２方向に隣接した両側の第１画素領域ＰＸ１に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を入射させる。このような第１色分離素子１５１，１５２の配置形態によって、第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光が入射され、第２画素領域ＰＸ２には、第２原色光Ｃ２が入射される。
【００６９】
図８は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ３の概略的な構成を示す平面図である。
【００７０】
本実施形態に係るイメージセンサ３は、第１色分離素子１５３の断面形状が、上述の実施形態と異なる。第１色分離素子１５３は、第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、センサアレイ部１１０と対向する断面形状が十字形である。十字形をなす２方向は、画素領域が配列された第１軸Ａ１方向および第２軸Ａ２方向と平行な方向である。第１色分離素子１５３は、対向する第２画素領域ＰＸ２と、第１軸Ａ１方向および第２軸Ａ２方向に隣接した４つの第１画素領域ＰＸ１に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を入射させ、対向するように配置された第２画素領域ＰＸ２に、第２原色光Ｃ２を入射させる。
【００７１】
図９は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ４の概略的な構成を示す平面図である。
【００７２】
本実施形態に係るイメージセンサ４は、第１色分離素子１５４が第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、第２画素領域ＰＸ２と対向する形状が長方形であり、長方形の長辺が、第２画素領域ＰＸ２の対角方向と平行になるように配置される。複数の第１色分離素子１５４は、第２画素領域ＰＸ２の対角方向と平行な方向に沿って互いに連結された形態をなし得る。
【００７３】
第１色分離素子１５４は、対向する第２画素領域ＰＸ２に、第２原色光Ｃ２を入射させ、第２画素領域ＰＸ２に、横方向、縦方向に隣接する４つの第１画素領域ＰＸ１に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を入射させる。
【００７４】
図１０は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ５の概略的な構成を示す平面図である。
【００７５】
本実施形態に係るイメージセンサ５の第１色分離素子１５５は、第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、第２画素領域ＰＸ２と対向する形状が十字形であり、十字形をなす２方向は、第２画素領域ＰＸ２の２つの対角方向と平行な方向である。また、複数の第１色分離素子１５５は、複数の第２画素領域ＰＸ２の２つの対角方向と平行な方向に沿って互いに連結された形態をなし得る。
【００７６】
第１色分離素子１５５は、対向する第２画素領域ＰＸ２に、第２原色光Ｃ２を入射させ、第２画素領域ＰＸ２に横方向、縦方向に隣接する４つの第１画素領域ＰＸ１に、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を入射させる。
【００７７】
図１１は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ６の概略的な構成を示す断面図であり、図１２は、図１１のイメージセンサ６において、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【００７８】
イメージセンサ６は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域が配列されたセンサアレイ部１１０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１１０に入射させる第２色分離素子１６０と、を含む。
【００７９】
本実施形態に係るイメージセンサ６の第２色分離素子１６０は、配置位置および色を分岐させる方式において、上述の実施形態と異なる。
【００８０】
第２色分離素子１６０は、第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置される。第２色分離素子１６０は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、対向する第１画素領域ＰＸ１に向かう方向に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、前記方向に対し対称な２つの方向に、すなわち、第１画素領域ＰＸ１の両側の２つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【００８１】
図１２の平面図に示す点線の矢印は、第２原色光Ｃ２が分岐される方向を示している。第２色分離素子１６０の上述の色分離機能によって、第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光が入射され、第２画素領域ＰＸ２には、第２原色光Ｃ２が入射される。
【００８２】
このような色分離機能を有する第２色分離素子１６０の配置は、図７ないし図１０で説明したところと同じ配置に変形され得る。
【００８３】
図１３は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ７の概略的な構成を示す断面図であり、図１４は、図１３のイメージセンサ７において、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【００８４】
イメージセンサ７は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域が配列されたセンサアレイ部１１０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１１０に入射させる第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０を含む。
【００８５】
本実施形態に係るイメージセンサ７は、互いに異なる色分離機能を有する第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０を含む。
【００８６】
第１色分離素子１５０は、第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光を、第２画素領域ＰＸ２に隣接する両側の第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。
【００８７】
第２色分離素子１６０は、第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置され、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光を、対向する第１画素領域ＰＸ１に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１に隣接する両側の第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【００８８】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０は、上述したように、構造物の形状および屈折率によって、出射光の分布形態を調節することができる素子であり、第１色分離素子１５０と第２色分離素子１６０は、互いに異なる材質および／または互いに異なる形状を有することができる。例えば、同じ材質かつ異なる形状で構成されるか、あるいは異なる材質かつ同じ形状で構成され得る。第１色分離素子１５０と第２色分離素子１６０とを同じ材質かつ互いに異なる形状で形成することが、製造過程上より容易である。図示されているように、例えば、第２色分離素子１６０は、第１色分離素子１５０より、縦の長さおよび横幅が大きい形状を有し得る。
【００８９】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０は、透明誘電体層１３０内に埋め込まれ、透明誘電体層１３０の上部には、入射光Ｌを、第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０それぞれに集束させるマイクロレンズアレイ１９０がさらに具備され得る。
【００９０】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０の断面形状は、長方形でもあり、長辺が第２軸Ａ２と平行な方向になるように、第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０が配置され得る。
【００９１】
図１４に示す実線の矢印は、第１色分離素子１５０によって、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光が分岐される方向を示し、点線の矢印は、第２色分離素子１６０によって第２原色光Ｃ２が分岐される方向を示す。
【００９２】
第１画素領域ＰＸ１には、対向する第２色分離素子１６０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）と、第２色分離素子１６０に隣接する両側の第１色分離素子１５０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光とが入射される。第２画素領域ＰＸ２には、対向する第１色分離素子１５０によって分岐された第２原色光Ｃ２と、第１色分離素子１５０に隣接する両側の第２色分離素子１６０によって分岐された第２原色光Ｃ２とが入射される。
【００９３】
本実施形態のように、二種類の色分離素子を採用する場合、構造は若干複雑になるが、第１画素領域ＰＸ１と第２画素領域ＰＸ２とにカラー光を分離入射させる効率は、さらに高くなる。
【００９４】
図１５は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ８の概略的な構成を示す平面図である。
【００９５】
本実施形態に係るイメージセンサ８は、第１色分離素子１５１および第２色分離素子１６１の配置形態が、図１３のイメージセンサ７と異なる。
【００９６】
第１色分離素子１５１および第２色分離素子１６１の断面形状は、長方形であり、第１色分離素子１５１の長辺は、第２軸Ａ２と平行に配置され、第２色分離素子１６１の長辺は、第１軸Ａ１と平行に配置されている。したがって、第１色分離素子１５１は、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２画素領域ＰＸ２に横方向に隣接した２つの第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。そして、第２色分離素子１６１は、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１に縦方向に隣接した、２つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【００９７】
第１画素領域ＰＸ１には第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が入射され、第２画素領域ＰＸ２には、第２原色光Ｃ２が入射される。
【００９８】
図１６は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ９の概略的な構成を示す平面図である。
【００９９】
第１色分離素子１５２および第２色分離素子１６２の断面形状は、十字形状であり、十字をなす２方向は、第１軸Ａ１および第２軸Ａ２にそれぞれ平行な方向である。
【０１００】
第１色分離素子１５２は、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２画素領域ＰＸ２に横方向および縦方向に隣接した４つの第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。そして、第２色分離素子１６２は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、対向する第１画素領域ＰＸ１に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１に横方向および縦方向に隣接した、４つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【０１０１】
第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が入射され、第２画素領域ＰＸ２には第２原色光Ｃ２が入射される。
【０１０２】
図１７は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ１０の概略的な構成を示す平面図である。
【０１０３】
第１色分離素子１５３は、第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、第１色分離素子１５３の断面形状は、長方形であり、長方形の長辺が、第２画素領域ＰＸ２の対角方向と平行に配置される。
【０１０４】
第２色分離素子１６３は、第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置され、第２色分離素子１６３の断面形状は、長方形であり、長方形の長辺が、第１画素領域ＰＸ１の対角方向と平行に配置される。
【０１０５】
複数の第１色分離素子１５３は、第２画素領域ＰＸ２の対角方向と平行な方向に沿って連結された形態を有し得る。そして、複数の第２色分離素子１６３は、第１画素領域ＰＸ１の対角方向と平行な方向に沿って連結された形態を有し得る。
【０１０６】
第１色分離素子１５３は、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）は、第２画素領域ＰＸ２に横方向および縦方向に隣接した４つの第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。そして、第２色分離素子１６３は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、対向する第１画素領域ＰＸ１に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１に横方向および縦方向に隣接した、４つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【０１０７】
第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が入射され、第２画素領域ＰＸ２には第２原色光Ｃ２が入射される。
【０１０８】
図１８は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ１１の概略的な構成を示す平面図である。
【０１０９】
第１色分離素子１５４および第２色分離素子１６４は、それぞれ第２画素領域ＰＸ２および第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置され、第１色分離素子１５４および第２色分離素子１６４の断面形状は、十字形であり、十字をなす２方向は、画素領域の２つの対角方向と平行な方向である。
【０１１０】
第１色分離素子１５４は、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２画素領域ＰＸ２と横方向および縦方向に隣接した４つの第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。そして、第２色分離素子１６４は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、対向する第１画素領域ＰＸ１に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１と横方向および縦方向に隣接した、４つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【０１１１】
第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）が入射され、第２画素領域ＰＸ２には第２原色光Ｃ２が入射される。
【０１１２】
図１９は、さらに他の実施形態によるイメージセンサ１２の概略的な構成を示す断面図であり、図２０は、図１９のイメージセンサ１２の、画素領域と色分離素子との相対的な配置関係を示す平面図である。
【０１１３】
イメージセンサ１２は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域がアレイされたセンサアレイ部１２０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１２０に入射させる第１色分離素子１５０と、を含む。
【０１１４】
本実施形態に係るイメージセンサ１２は、センサアレイ部１２０の具体的な構成が、上述の実施形態と異なる。センサアレイ部１２０は、第１画素領域ＰＸ１、第２画素領域ＰＸ２および第３画素領域ＰＸ３を含む。
【０１１５】
第１色分離素子１５０は、上述の実施形態で説明したように、センサアレイ部１２０の光入射側に配置され、互いに異なる波長の光が互いに異なる画素領域に入射するように、入射光を波長によってそれぞれ分離する。第１色分離素子１５０は、第２画素領域ＰＸ２に対向するように配置され、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、第２画素領域ＰＸ２の両側に配置された第１画素領域ＰＸ１および第３画素領域ＰＸ３に向かう２つの方向に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第２画素領域ＰＸ２に向かう方向に分枝させる。
【０１１６】
センサアレイ部１２０は、二次元的に反復配列された、第１画素領域ＰＸ１、第２画素領域ＰＸ２、および第３画素領域ＰＸ３を含む。図２０の平面図を参照すれば、最初の行（ｒｏｗ）には、第１画素領域ＰＸ１、第２画素領域ＰＸ２、第３画素領域ＰＸ３、第２画素領域ＰＸ２の順で、規則的に画素領域が配置され、２行目には、第２画素領域ＰＸ２、第３画素領域ＰＸ３、第２画素領域ＰＸ２、第１画素領域ＰＸ１の順で、規則的に画素領域が配置される。
【０１１７】
第１画素領域ＰＸ１は、第１原色光Ｃ１をセンシングする第１光センシング層１２２を含み、第２画素領域ＰＸ２は、第２原色光Ｃ２をセンシングする第２光センシング層１２４を含み、第３画素領域ＰＸ３は、第３原色光Ｃ３をセンシングする第３光センシング層１２６を含む。第１光センシング層１２２と第３光センシング層１２６は、第１色分離素子１５０からの距離が互いに異なる深さ位置に配置される。すなわち、第１画素領域ＰＸ１には、光が入射する方向に沿って、第１光センシング層１２２、光吸収層１２３が順に配置され、第３画素領域ＰＸ３には、光が入射する方向に沿って、光吸収層１２５、第３光センシング層１２６が順に配置される。
【０１１８】
第１光センシング層１２２、第２光センシング層１２４、および第３光センシング層１２６は、光を感知し、電気的信号を発生させる素子であり、それぞれ第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、第３原色光Ｃ３を感知するように構成される。第１原色光Ｃ１、第２原色光Ｃ２、第３原色光Ｃ３は、それぞれ青色、緑色、赤色の光であり得る。第１光センシング層１２２、第２光センシング層１２４、および第３光センシング層１２６は、半導体物質からなるフォトダイオードを含み得る。フォトダイオードは、例えば、シリコン基盤のフォトダイオードであり、ドーピング濃度を適切に設定し、バンドギャップエネルギーを所望のバンドギャップエネルギーに設定できる。第１画素領域ＰＸ１の第１光センシング層１２２と、第３画素領域ＰＸ３の第３光センシング層１２６とのうち、高いバンドギャップエネルギーを有する層、すなわち、波長が短い光をセンシングする層が、第１色分離素子１５０に対し、より近くに配置される。
【０１１９】
光吸収層１２３，１２５は、半導体物質からなり得る。光吸収層１２３，１２５は、入射光を吸収するが、入射光の吸収による電気的信号の生成がない層であり、例えば、Ｐ−Ｎ接合構造が形成されていないシリコン層であり得る。このような半導体物質において光が吸収されるとき、通常、短波長の光が長波長の光より先に吸収される。したがって、青色光である第１原色光Ｃ１をセンシングする第１光センシング層１２２は、光吸収層１２３上に配置され、第１色分離素子１５０から分離された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光が第１画素領域ＰＸ１に入射すれば、第１原色光Ｃ１が第１光センシング層１１２によってセンシングされる。そして、赤色光である第３原色光Ｃ３をセンシングする第３光センシング層１２６は、光吸収層１２５下に配置され、第３画素領域ＰＸ３に入射される光（Ｃ１＋Ｃ３）のうち、短波長帯域の第１原色光Ｃ１が光吸収層１２５で吸収された後、第３原色光Ｃ３が第３光センシング層１２６でセンシングされる。
【０１２０】
このような構造によって、センサアレイ部１２０は、第１画素領域ＰＸ１で青色光をセンシングし、第２画素領域ＰＸ２で緑色光をセンシングし、第３画素領域ＰＸ３で赤色光をセンシングする。センサアレイ部１２０でセンシングする光のカラー配置は、イメージセンサに一般的に使用されるバイヤー（Ｂａｙｅｒ）カラーフィルタのカラー配置と同一のパターンである。すなわち、センサアレイ部１２０は、１四分面ないし４四分面のカラー配置が、青色、緑色、赤色、緑色になる基本単位が反復される形態で光をセンシングすることができる。したがって、既存イメージセンサでの色処理方式をそのまま使用することができる。
【０１２１】
本実施形態においては、第１色分離素子１５０の断面形状が、長辺が第２軸Ａ２と平行な長方形であると説明したが、図７ないし図１０で説明した多様な変形例が、本実施形態に適用され得る。すなわち、第１色分離素子１５０の断面形状は、長方形であって長辺の方向の第１軸Ａ１と平行な方向であってもよく、複数の第１色分離素子１５０の長方形長辺の方向が、第１軸Ａ１および第２軸Ａ２にそれぞれ平行な２つの形態となるように交互に配置されてもよい。それ以外にも、第１色分離素子１５０の長方形の断面形状の長辺が、第２画素領域ＰＸ２の対角方向と平行であってもよく、十字形であってもよい。
【０１２２】
図２１は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ１３の概略的な構成を示す断面図である。
【０１２３】
イメージセンサ１３は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域が配列されたセンサアレイ部１２０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１２０に入射させる第２色分離素子１６０と、を含む。
【０１２４】
センサアレイ部１２０は、二次元的に反復配列された、第１画素領域ＰＸ１、第２画素領域ＰＸ２、および第３画素領域ＰＸ３を含む。第１画素領域ＰＸ１には、第１原色光Ｃ１をセンシングする第１光センシング層１２２を含み、第２画素領域ＰＸ２は、第２原色光Ｃ２をセンシングする第２光センシング層１２４を含み、第３画素領域ＰＸ３は、第３原色光をセンシングする第３光センシング層１２６を含む。第１光センシング層１２２と第３光センシング層１２６は、第２色分離素子１６０からの距離が異なる深さ位置に配置される。
【０１２５】
第２色分離素子１６０は、第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置される。第２色分離素子１６０は、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）を、対向する第１画素領域ＰＸ１に向かう方向に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、当該方向に対し対称な２つの方向に、すなわち、第１画素領域ＰＸ１の両側の２つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【０１２６】
このような色分離機能を有する第２色分離素子１６０の配置は、図７ないし図１０で説明した配置と同じにし得る。
【０１２７】
図２２は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ１４の概略的な構成を示す断面図である。
【０１２８】
イメージセンサ１４は、光をセンシングする光センシング層を具備する多数の画素領域が配置されたセンサアレイ部１２０と、入射光を色分離し、センサアレイ部１２０に入射させる第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０と、を含む。
【０１２９】
本実施形態に係るイメージセンサ１４は、互いに異なる色分離機能を有する第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０を含む。
【０１３０】
第１色分離素子１５０は、第２画素領域ＰＸ２と対向するように配置され、第２原色光Ｃ２を、対向する第２画素領域ＰＸ２に分岐させ、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光を、第２画素領域ＰＸ２に隣接する両側の第１画素領域ＰＸ１に分岐させる。
【０１３１】
第２色分離素子１６０は、第１画素領域ＰＸ１と対向するように配置され、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光を、対向する第１画素領域ＰＸ１に分岐させ、第２原色光Ｃ２を、第１画素領域ＰＸ１に隣接する両側の２つの第２画素領域ＰＸ２に分岐させる。
【０１３２】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０は、上述のように、構造物の形状および屈折率によって、出射光の分布形態を調節することができる素子である。第２色分離素子１６０は、第１色分離素子１５０より縦の長さおよび横幅がさらに大きい形状を有し得る。
【０１３３】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０は、透明誘電体層１３０内に埋め込まれ、透明誘電体層１３０の上部には、入射光Ｌを、第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０にそれぞれ集束させるマイクロレンズアレイ１９０をさらに具備し得る。
【０１３４】
第１画素領域ＰＸ１には、対向する第２色分離素子１６０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）と、第２色分離素子１６０に隣接した両側の第１色分離素子１５０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光とが入射される。第２画素領域ＰＸ２には、対向する第１色分離素子１５０によって分岐された第２原色光Ｃ２と、第１色分離素子１５０に隣接した両側の第２色分離素子１６０によって分岐された第２原色光Ｃ２とが入射される。第３画素領域ＰＸ３には、対向する第２色分離素子１６０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）と、第２色分離素子１６０に隣接した両側の第１色分離素子１５０によって分岐された第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光とが入射される。
【０１３５】
第１画素領域ＰＸ１と第３画素領域ＰＸ３とに入射される、第１原色光Ｃ１と第３原色光Ｃ３とが混合された光（Ｃ１＋Ｃ３）は、第１原色光Ｃ１が、第１画素領域ＰＸ１の第１光センシング層１２２でセンシングされ、第３原色光Ｃ３が、第３画素領域ＰＸ３の第３光センシング層１２６でセンシングされる。
【０１３６】
本実施形態のように、二種類の色分離素子を採用する場合、第１画素領域ＰＸ１、第２画素領域ＰＸ２、および第３画素領域ＰＸ３にそれぞれカラー光を分離入射させる効率は、さらに高くなる。
【０１３７】
第１色分離素子１５０および第２色分離素子１６０の形状は、図１５ないし図１８で例示した形態であってもよい。
【０１３８】
以上、色分離素子によって、光をカラー別に分離し、光をセンシングする画素領域は、光センシング層の積層構造および水平構造を共に採用し、光効率と色純度とを向上できる多様な実施形態について説明した。説明された具体的な実施形態は、例示的なものであり、それらの多様な変形および組み合わせが可能である。
【０１３９】
図２３は、本発明の実施形態に係る撮像装置１０００の概略的な構成を示すブロック図である。
【０１４０】
撮像装置１０００は、物体ＯＢＪから反射された光を集束し、光学像（ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｍａｇｅ）を形成する撮影レンズ部１２００と、撮影レンズ部１２００で形成した光学像を、電気的信号に変換するイメージセンサ１４００とを含む。イメージセンサ１４００と撮影レンズ部１２００との間には、赤外線遮断フィルタがさらに配置され得る。
【０１４１】
イメージセンサ１４００は、上述の実施形態のイメージセンサ１ないし１４のうちいずれか一つ、またはそれらを選択的に組み合わせた形態のイメージセンサで有り得る。
【０１４２】
撮像装置１０００はまた、イメージセンサ１４００での電気的信号を映像信号に処理する映像処理部１６００を含む。映像処理部１６００は、イメージセンサ１４００でセンシングされたカラー別信号に対して、ノイズ除去、色補間（ｃｏｌｏｒ  ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）などの処理をして映像を形成する。撮像装置１０００はまた、映像処理部１６００で形成した映像を表示するディスプレイ部１７００、映像処理部１６００で形成した映像データを保存するメモリ１８００をさらに含み得る。
【０１４３】
イメージセンサ１４００は、上述のように、光をカラー別に分離し、複数の画素領域に入射させる色分離素子を具備し、光をセンシングする画素領域は、光センシング層の積層構造および水平構造を共に採用することにより、光効率と色純度とを向上できる。
【０１４４】
本発明に係るイメージセンサ、およびイメージセンサを備える撮像装置は、発明理解の一助とするために、図面に示された実施形態を参照して説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当業者により、それらの多様な変形、および均等な他の実施形態が可能であるという点が理解されるであろう。したがって、本発明の技術的保護範囲は、特許請求範囲によって定められる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明に係るイメージセンサ、およびイメージセンサを含む撮像装置は、例えば、撮像関連の技術分野に適用できる。
【符号の説明】
【０１４６】
１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１４００    イメージセンサ、
１１０    センサアレイ部、
１１２    第１光センシング層、
１１４    第２光センシング層、
１１６    第３光センシング層、
１３０    透明誘電体層、
１５０    第１光分離素子、
１６０    第２光分離素子、
１９０    マイクロレンズアレイ、
１０００    撮像装置、
１２００    撮影レンズ、
１６００    映像処理部、
１７００    ディスプレイ部、
１８００    メモリ、
Ｃ１    第１原色光、
Ｃ２    第２原色光、
Ｃ３    第３原色光、
Ｌ    入射光、
ＰＸ１    第１画素領域、
ＰＸ２    第２画素領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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