УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
PHOTOELECTRIC CONVERTER, IMAGING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и системе формирования изображения.
Уровень техники
Устройство фотоэлектрического преобразования необходимо для эффективного сбора падающего света на светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования. В полупроводниковом устройстве восприятия изображения, раскрытом в выложенной патентной заявке Японии №06-224398, промежуточный слой полимера располагается между микролинзой и светочувствительной поверхностью элемента фотоэлектрического преобразования, как показано на фиг.1 в выложенной патентной заявке Японии №06-224398. Слой, имеющий более низкий показатель преломления, чем промежуточный слой, располагается между промежуточным слоем и передающим электродом для переноса зарядов элемента фотоэлектрического преобразования. Согласно выложенной патентной заявке Японии №06-224398, наклонно падающий свет, который не участвует в фотоэлектрическом преобразовании в традиционной технике, может поступать на светочувствительную поверхность элемента фотоэлектрического преобразования благодаря использованию полного отражения на границе раздела между промежуточным слоем и слоем с низким показателем преломления.
Однако полупроводниковое устройство восприятия изображения в выложенной патентной заявке Японии №06-224398 не исследует свет, поступающий в граничную область между промежуточным слоем заранее определенного пикселя и промежуточным слоем пикселя, соседствующего с заранее определенным пикселем. Например, когда свет, распространяющийся перпендикулярно светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования, поступает в граничную область между промежуточным слоем заранее определенного пикселя и промежуточным слоем пикселя, соседствующего с заранее определенным пикселем, трудно направлять свет на светочувствительную поверхность элемента фотоэлектрического преобразования.
С уменьшением площади пикселя, включающего в себя элемент фотоэлектрического преобразования, отношение площади граничной области к площади пикселя возрастает. Свет, поступающий в граничную область, не может быть игнорирован.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы эффективно собирать свет, поступающий в устройство фотоэлектрического преобразования, на светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования в устройстве фотоэлектрического преобразования.
Согласно первому варианту настоящего изобретения, устройство фотоэлектрического преобразования характеризуется тем, что содержит: множество элементов фотоэлектрического преобразования, каждый из которых имеет светочувствительную поверхность; изолирующие пленки, размещенные на множестве элементов фотоэлектрического преобразования; множество световодных участков, размещенных поверх изолирующих пленок, причем каждый из множества световодных участков направляет свет на светочувствительную поверхность каждого из множества элементов фотоэлектрического преобразования; и граничные участки, причем каждый из граничных участков образует границу между соседними световодными участками и выполнен из материала, имеющего более низкий показатель преломления, чем материал, из которого состоит множество световодных участков, в которых ширина каждого из граничных участков не превышает половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света, и высота от нижней поверхности до верхней поверхности каждого из множества световодных участков не меньше удвоенной наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света.
Согласно второму варианту настоящего изобретения, устройство фотоэлектрического преобразования характеризуется тем, что содержит: множество элементов фотоэлектрического преобразования, каждый из которых имеет светочувствительную поверхность; изолирующие пленки, размещенные на множестве элементов фотоэлектрического преобразования; множество световодных участков, размещенных поверх изолирующих пленок из нескольких слоев, причем каждый из множества световодных участков направляет свет на светочувствительную поверхность каждого из множества элементов фотоэлектрического преобразования; и граничные участки, причем каждый из граничных участков образует границу между соседними световодными участками и выполнен из материала, имеющего более низкий показатель преломления, чем материал, из которого состоит множество световодных участков, в которых ширина каждого из граничных участков не превышает половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света, и высота от нижней поверхности до верхней поверхности каждого из множества световодных участков не меньше четырехкратной ширины каждого из граничных участков.
Согласно третьему варианту настоящего изобретения, система формирования изображения отличается тем, что содержит: устройство фотоэлектрического преобразования согласно первому или второму варианту настоящего изобретения; оптическую систему, которая формирует изображение на плоскости восприятия изображения элемента фотоэлектрического преобразования; и блок обработки сигнала, который обрабатывает сигнал, выводимый из устройства фотоэлектрического преобразования, для генерации данных изображения.
Согласно настоящему изобретению, возможно эффективно собирать свет, поступающий в устройство фотоэлектрического преобразования, на светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования в устройстве фотоэлектрического преобразования.
Дополнительные признаки настоящего изобретения явствуют из нижеследующего описания иллюстративных вариантов осуществления, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в разрезе устройства фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления.
Фиг.2 включает в себя 2A и 2B - графики, поясняющие поведение света в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления.
Фиг.3 - вид, поясняющий поведение света в устройстве фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления.
Фиг.4 - график, демонстрирующий соотношение между высотой световодного участка, зазором между световодными участками и коэффициентом сбора света.
Фиг.5 - вид в разрезе устройства фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления.
Фиг.6 - вид сверху устройства фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления.
Фиг.7 включает в себя 7A-7F - виды в разрезе, поясняющие этапы изготовления устройства фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления.
Фиг.8 - вид в разрезе устройства фотоэлектрического преобразования согласно третьему варианту осуществления.
Фиг.9 - блок-схема для пояснения системы формирования изображения.
Осуществление изобретения
Отличительными признаками настоящего изобретения являются структура световодного участка и взаимное расположение световодного участка и других световодных участков, соседствующих со световодным участком, причем световодные участки размещены в соответствии с каждым элементом фотоэлектрического преобразования в устройстве фотоэлектрического преобразования, имеющем множество элементов фотоэлектрического преобразования.
В частности, настоящее изобретение отличается тем, что зазор между соседними световодными участками (т.е. ширина граничного участка) задан так, чтобы он не превышал половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света, и высота световодного участка задана так, чтобы она была не меньше удвоенной наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Эта структура может эффективно направлять (или собирать) свет, поступающий на граничный участок, на светочувствительную поверхность элемента фотоэлектрического преобразования, и, таким образом, увеличивать коэффициент сбора света, выражающий отношение света, направляемого к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования, к свету, поступающему в устройство фотоэлектрического преобразования.
Видимый свет также называют видимым спектром, и он образован электромагнитными волнами в диапазоне видимых электромагнитных спектров. Длина волны видимого света обычно лежит в пределах от 400 нм (включительно) до 750 нм (включительно). См. "Dictionary of Technical Terms of Optics, 3rd ed."(Справочник Технических терминов в оптике, 3-я редакция), Оптоэлектроника в диапазоне длин волн видимого света.
В этом описании изобретения термин "диапазон длин волн видимого света" также означает диапазон длин волн составляющих света, проходящих через цветные светофильтры (например, фильтры красного, зеленого и синего основных цветов), размещенные в соответствии с соответствующими элементами фотоэлектрического преобразования. В этом случае "наименьшая длина волны в диапазоне длин волн видимого света" означает длину волны (например, длину волны синего света), заданную спектральным распределением пропускания цветного светофильтра, цвета, соответствующего наименьшей длине волны среди цветов, заданных цветными светофильтрами, в устройстве фотоэлектрического преобразования. "Наибольшая длина волны в диапазоне длин волн видимого света" означает длину волны (например, длину волны красного света), заданную спектральным распределением пропускания цветного светофильтра, цвета, соответствующего наибольшей длине волны среди цветов, заданных цветными светофильтрами, в устройстве фотоэлектрического преобразования.
Другие термины, используемые в описании изобретения, также будут объяснены.
Пиксель - это минимальный модуль, включающий в себя элемент фотоэлектрического преобразования. Пиксель может включать в себя вышеупомянутый цветной светофильтр, транзистор и т.п., в добавок к элементу фотоэлектрического преобразования.
"Подложка" представляет собой полупроводниковую подложку, служащую материалом основания, но также может включать в себя материал подложки, обрабатываемый следующим образом. Например, подложка означает даже элемент, в котором сформирована одна или множество областей полупроводника и т.п., элемент, подвергаемый ряду производственных процессов, или элемент, подвергнутый ряду производственных процессов.
Настоящее изобретение будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи.
(Первый вариант осуществления)
На фиг.1 показан вид в разрезе устройства 1 фотоэлектрического преобразования, согласно первому варианту осуществления. Световодные участки размещены на множестве элементов фотоэлектрического преобразования в соответствии с соответствующими элементами фотоэлектрического преобразования. Зазор между соседними световодными участками (т.е. ширина граничного участка) и высота световодного участка заданы равными заранее определенным значениям.
На фиг.1 подложка 100 включает в себя канал 101 и элементы 102 фотоэлектрического преобразования. Подложка 100 выполнена, например, из кремния.
Канал 101 содержит примесь первого типа проводимости (например, P-типа) с более низкой концентрацией, чем в элементе 102 фотоэлектрического преобразования.
Элемент 102 фотоэлектрического преобразования содержит примесь второго типа проводимости (например, N-типа), которая соответствует носителю, в более высокой концентрации, чем канал 101. Второй тип проводимости имеет тип проводимости, противоположный первому типу проводимости.
Элемент 102 фотоэлектрического преобразования имеет светочувствительную поверхность 103. Множество элементов 102 фотоэлектрического преобразования размещена в подложке 100. Каждый элемент 102 фотоэлектрического преобразования осуществляет фотоэлектрическое преобразование в запирающем слое, сформированном вблизи границы между элементом 102 фотоэлектрического преобразования и каналом 101, генерируя и накапливая заряды в соответствии со светом, падающим на светочувствительную поверхность 103.
Изолирующие пленки 104a и 104b из нескольких слоев размещены на элементах 102 фотоэлектрического преобразования. Изолирующая пленка 104a изолирует поверхность подложки 100 от слоя 105 разводки (описанного ниже). Изолирующая пленка 104b изолирует слой на ней от слоя 105 разводки. Каждая из изолирующих пленок 104a и 104b выполнена, например, в виде пленки оксида кремния.
Слой 105 разводки располагается между изолирующими пленками 104a и 104b. Слой 105 разводки выполнен, например, из интерметаллического соединения, содержащего, в основном, алюминий.
Множество световодных участков 106 сформировано на изолирующей пленке 104b в соответствии с соответствующими элементами 102 фотоэлектрического преобразования. Материал, образующий световодный участок 106, представляет собой, например, оксид кремния, и воздух заполняет граничный участок 107 между соседними световодными участками. В этой структуре свет, поступающий в световодный участок 106 от верхней поверхности 106a световодного участка 106, легко испытывает полное отражение боковой поверхностью 106c, служащей границей раздела между световодным участком 106 и граничным участком 107, и направляется к нижней поверхности 106b. Когда показатели преломления световодного участка 106 и изолирующей пленки 104b почти равны друг другу, свет с трудом отражается на границе раздела между ними. Поэтому свет, направляемый к нижней поверхности 106b, легко достигает светочувствительной поверхности 103 элемента 102 фотоэлектрического преобразования через изолирующие пленки 104a и 104b.
Высота H каждого световодного участка 106 задана так, чтобы она была не меньше удвоенной наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Зазор W между двумя соседними световодными участками 106 (т.е. ширина W граничного участка 107) задан так, чтобы он не превышал половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. В такой структуре свет, поступающий в область (граничный участок), где не существует световодных участков, преломляется к центру световодного участка, и легко поступает в световодный участок от его боковой поверхности. Как описано выше, свет, поступающий в световодный участок, легко направляется к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования. Это позволяет повысить коэффициент сбора света, выражающий отношение света, направляемого к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования, к свету, поступающему в устройство 1 фотоэлектрического преобразования.
Согласно фиг.1, высота H световодного участка 106 задана так, чтобы она была не меньше удвоенной (например, 1,5 мкм) наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Зазор W между соседними световодными участками 106 (т.е. ширина W граничного участка 107) задан так, чтобы он не превышал половины (например, 200 нм) наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Высота H световодного участка 106, ширина W граничного участка 107 и длина волны собираемого света будут подробно описаны ниже.
На фиг.2, включающей в себя 2A и 2B, показаны результаты моделирования поведения света в устройстве 1 фотоэлектрического преобразования, согласно первому варианту осуществления. В частности, на 2A фиг.2 показан результат анализа поведения света, когда свет поступает на верхнюю поверхность световодного участка перпендикулярно (под углом падения 0°). На 2B фиг.2 показан результат анализа поведения света, когда свет поступает на верхнюю поверхность световодного участка наклонно (под углом падения 20°).
При моделировании длина волны параллельного света составляла 500 нм, высота H световодного участка составляла 5,0 мкм, и зазор W между соседними световодными участками 106 (т.е. ширина W граничного участка 107) составлял 250 нм.
На 2A и 2B фиг.2 прямоугольный экран 200 на черном фоне отображает результат моделирования. Черные и белые полоски на экране 200 отображают поведение света. Более глубокие градации черного и белого означают, что амплитуда световой волны увеличивается, и энергия света, выражаемая квадратом амплитуды, возрастает. Серый участок показывает центр амплитуды и означает, что энергия света мала.
На 2A фиг.2 показан случай, когда параллельные составляющие света поступают на верхнюю поверхность световодного участка под углом падения 0°. На 2B фиг.2 показан случай, когда параллельные составляющие света поступают на верхнюю поверхность световодного участка под углом падения 20°. Контурные стрелки на 2A и 2B фиг.2 схематически поясняют поведение падающего света в зависимости от разницы в угле падения.
На 2A фиг.2 параллельная составляющая света, обозначенная стрелкой 203 и поступающая вблизи центра световодного участка 201, распространяется через световодный участок почти перпендикулярно светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования. Параллельная составляющая света, обозначенная стрелкой 204 и поступающая на граничный участок между световодным участком 201 и световодным участком 202, преломляется боковой поверхностью световодного участка 201 (т.е. границей раздела между световодным участком и граничным участком) в соответствии с разностью между показателями преломления световодного участка 201 (оксида кремния) и граничного участка (воздуха), поступает в световодный участок 201 и распространяется через световодный участок 201 к центру на нижней поверхности световодного участка 201, как указано стрелкой 205.
На 2B фиг.2 параллельная составляющая света 208, которая поступает на световодный участок 206 под углом падения 20°, полностью отражается боковой поверхностью световодного участка 206, и распространяется к центру на нижней поверхности световодного участка 206, как показано, стрелка 210. Аналогично поведению на 2A фиг.2, параллельная составляющая света 209, поступающая на граничный участок между световодным участком 206 и световодным участком 207, преломляется боковой поверхностью световодного участка 206 (т.е. границей раздела между световодным участком и граничным участком) в соответствии с разностью между показателями преломления световодного участка 206 (оксида кремния) и граничного участка (воздуха), поступает в световодный участок 206 и распространяется к центру на нижней поверхности световодного участка 206, как указано стрелкой 210.
В традиционном устройстве фотоэлектрического преобразования, когда свет поступает в граничную область между соседними линзами в линзовой матрице микролинз, размещенных в двух измерениях в соответствии с элементами 102 фотоэлектрического преобразования, свет часто распространяется прямолинейно. Поэтому трудно направлять свет, поступающий в граничную область на линзовой матрице, к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования.
Напротив, в устройстве 1 фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления, свет, поступающий на граничный участок между соседними световодными участками, преломляется боковой поверхностью световодного участка (т.е. границей раздела между световодным участком и граничным участком), поступает в световодный участок, и легко направляется к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования. Таким образом, легко направлять свет, поступающий на граничный участок между соседними световодными участками, к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования. По сравнению с традиционным устройством фотоэлектрического преобразования устройство 1 фотоэлектрического преобразования может повысить коэффициент сбора света, выражающий отношение света, направляемого к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования, к свету, поступающему в устройство 1 фотоэлектрического преобразования.
Поведение света на световодном участке будет подробно описано со ссылкой на фиг.3. На фиг.3 показан вид, поясняющий принцип сбора света, когда параллельные составляющие света поступают на граничный участок между соседними световодными участками. Те же самые позиции, что и на фиг.1, обозначают детали, имеющие те же самые функции.
На фиг.3 два световодных участка 106 для удобства различаются как световодные участки 106-1 и 106-2. На фиг.3 точечные источники 302, 303 и 304 представляют составляющие света сразу после того, как параллельные составляющие 301 света поступают на световодный участок 106-1, граничный участок 107 и световодный участок 106-2, соответственно. Множество световодных участков 106-1 и 106-2 соседствуют друг с другом. Точечные источники 302 и 304 находятся на световодных участках 106-1 и 106-2, тогда как точечный источник 303 находится на граничном участке (промежутке) 107 между световодными участками 106-1 и 106-2. В этом случае ширина граничного участка 107, т.е. зазор между световодными участками 106-1 и 106-2 задан так, чтобы он не превышал половины длины волны падающей параллельной составляющей 301 света, и не превышал половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Высота каждого из световодных участков 106-1 и 106-2 задана так, чтобы она была не меньше удвоенной наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Для удобства объяснения рассмотрим один световодный участок 106-1.
Луч 308 света, попадая на граничный участок 107, распространяется почти прямолинейно. Однако луч 307 света поступает на боковую поверхность 106c-1 световодного участка 106-1 под углом. Луч 307 света преломляется боковой поверхностью 106c-1 световодного участка 106-1, поступает в световодный участок 106-1 и распространяется к центру на нижней поверхности 106b-1 световодного участка 106-1.
Напротив, большинство лучей света 305 и 306, поступая в световодный участок 106-1, полностью отражаются боковой поверхностью 106c-1 световодного участка 106-1, поскольку показатели преломления световодного участка 106-1 и граничного участка 107 отличаются друг от друга (в частности, показатель преломления световодного участка 106-1 выше показателя преломления граничного участка 107), поэтому свет редко поступает на граничный участок 107. Поскольку свет с трудом поступает на граничный участок 107, существует мало лучей света, которые усиливают луч 308 света, распространяющийся прямолинейно через граничный участок 107. Поскольку большинство лучей света, распространяющихся через граничный участок 107, поступает на световодный участок 106-1 или 106-2, энергия 308 луча света, распространяющегося через граничный участок 107, в конце концов, снижается. Таким образом, большая часть света, поступающего на граничный участок 107, собирается на световодном участке.
На фиг.4 показан график, демонстрирующий соотношение между высотой световодного участка, зазором между световодными участками (т.е. шириной граничного участка) и коэффициентом сбора света. График на фиг.4 получен посредством того же моделирования, что и на 2A и 2B фиг.2. На фиг.4 показан коэффициент сбора света в зависимости от высоты световодного участка, когда длина волны падающего света задана равной 500 нм, и зазор между соседними световодными участками (т.е. ширина граничного участка) задан равным 0,25 мкм, 0,5 мкм, 0,75 мкм и 1,0 мкм. Ось абсцисс графика отображает значение длины, приведенной к длине волны, когда верхняя поверхность 106a (см. фиг.1) световодного участка задана как начало отсчета в направлении, перпендикулярном подложке, и направление подложки, в котором распространяется свет, задано как положительное направление. Другими словами, ось абсцисс отображает позицию (оптическое расстояние от позиции на одном уровне с верхней поверхностью 106a световодного участка) на граничном участке. Ось ординат отображает приведенное значение энергии света, оставшейся на граничном участке между соседними световодными участками, когда значение энергии света в позиции граничного участка, который находится на одном уровне с поверхностью световодного участка, задано равным 1. Как описано выше, снижение энергии света, оставшейся на граничном участке между соседними световодными участками, означает, что большая часть света на граничном участке собирается в световодных участках.
Согласно фиг.4, когда позиция на граничном участке между световодными участками перемещается от позиции на одном уровне с поверхностью световодного участка, энергия света в позиции на граничном участке снижается, в то время как зазор между световодными участками остается постоянным. На фиг.4 энергия света, когда свет распространяется на расстояние двух длин волны ("2" на оси абсцисс) через граничный участок, соответствующий зазору 1,0 мкм между световодными участками, сравнивается с энергией света, когда свет распространяется на расстояние двух длин волны через граничный участок, соответствующий зазору 0,25 мкм между световодными участками. Энергия света снижается до около 70% на граничном участке, соответствующем зазору 1,0 мкм между световодными участками, и около 10% на граничном участке, соответствующем зазору 0,25 мкм между ними.
В частности, около 30% света, поступающего на граничный участок, соответствующий зазору 1,0 мкм между световодными участками, поступает в световодные участки. Напротив, около 90% света, поступающего на граничный участок, соответствующий зазору 0,25 мкм между световодными участками, поступает в световодные участки. Это означает, что коэффициент сбора света выше для более узкого зазора между световодными участками (меньшей ширины граничного участка). Кроме того, даже после того, как свет распространяется на расстояние, в 10 раз превышающее длину волны, остается 20% энергии света, когда зазор между световодными участками равен 1,0 мкм. Таким образом, те же эффекты, которые получаются, когда зазор между световодными участками равен 0,25 мкм, не достигаются.
Исходя из этих результатов коэффициент сбора света значительно увеличивается, когда зазор между световодными участками равен половине длины волны (т.е. 0,5λ), и высоту (т.е. 2λ) световодного участка достаточно задать так, чтобы она не меньше, чем в четыре раза, превышала зазор между световодными участками. Кроме того, коэффициент сбора света можно увеличить, сделав зазор между световодными участками короче по отношению к длине волны и сделав световодный участок выше. При наличии распределения по длине волны, как в видимом свете, более желательно сделать зазор между световодными участками не превышающим половины наименьшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света и сделать высоту световодного участка не меньшей удвоенной наибольшей длины волны в диапазоне длин волн видимого света. Эта структура позволяет достигать удовлетворительного эффекта сбора света для всех составляющих света в диапазоне длин волн видимого света. Поскольку для повышения коэффициента сбора света не требуется формировать сложной формы, производственный процесс упрощается, и контроль формы также упрощается.
В вышеупомянутом диапазоне длин волн видимого света наименьшая длина волны равна 400 нм, и наибольшая длина волны равна 750 нм. В этом случае достаточно, чтобы зазор между световодными участками (т.е. ширина граничного участка) был не больше 0,2 мкм и чтобы высота световодного участка была не меньше 1,5 мкм. Например, световодные участки формируются с зазором около 0,2 мкм между световодными участками (т.е. формируется граничный участок шириной около 0,2 мкм) и высота световодного участка составляет около 1,5 мкм. Устройство 1 фотоэлектрического преобразования, имеющее световодные участки, которое увеличивает коэффициент сбора света видимого света, можно использовать, в частности, как устройство фотоэлектрического преобразования видимого света. При этом элемент фотоэлектрического преобразования желательно формировать так, чтобы он имел спектральную чувствительность, соответствующую видимому свету.
Диапазон длин волн света, фактически поступающего в устройство 1 фотоэлектрического преобразования, можно до некоторой степени прогнозировать (например, он определяется длиной волны, проходящей через цветной светофильтр). Таким образом, зазор между световодными участками и высоту световодного участка также можно проектировать на основании диапазона длин волн источника света. Например, предполагается несколько источников света (длин волны, проходящих через светофильтр), и зазор между световодными участками и высота выбираются так, чтобы охватить диапазоны длин волн лучей света от этих источников света.
Наибольшая и наименьшая длины волны, которые определяют высоту световодного участка и зазор между световодными участками, также можно определить с использованием диапазона длин волн видимого света, как описано выше, а также можно определить следующим образом. Например, зазор между световодными участками и высоту световодного участка также можно определить на основании распределения спектральной чувствительности (эффективности фотоэлектрического преобразования по отношению к длине волны падающего света) элемента фотоэлектрического преобразования.
Например, определено нижнее предельное значение спектральной чувствительности, допустимое в распределении спектральной чувствительности элемента фотоэлектрического преобразования. Соответственно, можно задать верхний предел (со стороны инфракрасного диапазона) и нижний предел (со стороны ультрафиолетового диапазона) длины волны.
Например, когда у спектральной чувствительности элемента фотоэлектрического преобразования имеется пик, длины волн на верхнем и нижнем пределах диапазона длины волн, когда интенсивность света достигает половины пикового значения i, также можно использовать. Длины волн на верхнем и нижнем пределах диапазона длин волн, когда интенсивность света достигает половины пикового значения, - это длины волн на нижнем и верхнем пределах при получении полной ширины на половине максимума. Спектральную чувствительность элемента фотоэлектрического преобразования можно надлежащим образом определить в зависимости от типа полупроводника, который образует элемент фотоэлектрического преобразования, способа изготовления и т.п. Световодные участки, заданные вышеописанным образом, могут эффективно собирать свет, соответствующий пику чувствительности элемента фотоэлектрического преобразования.
Когда цветные светофильтры предназначены для разложения света по длинам волн и осуществления фотоэлектрического преобразования в каждом пикселе, диапазон длин волн падающего света можно оценивать и определять из спектра пропускания (интенсивности света, проходящего через цветной светофильтр по отношению к каждой длине волны) цветного светофильтра. Для устройства 1 фотоэлектрического преобразования, имеющего цветные светофильтры основных цветов, достаточно выбрать наименьшую длину волны в диапазоне длин волн видимого света из спектра пропускания синего светофильтра, и наибольшую длину волны из спектра пропускания красного светофильтра. Например, наибольшая длина волны может быть выбрана из длин волн, на которых свет демонстрирует интенсивность в половину пикового значения в спектре пропускания красного светофильтра. Наименьшая длина волны может быть выбрана из длин волн, на которых свет демонстрирует интенсивность в половину пикового значения в спектре пропускания синего светофильтра. Также может быть выбрана длина волны, при которой свет демонстрирует пиковую интенсивность. Длину волны также можно задать, объединив спектральную чувствительность элемента фотоэлектрического преобразования и спектральный коэффициент пропускания цветного светофильтра. Задав, таким образом, длину волны, можно эффективно собирать свет, соответствующий пику чувствительности элемента фотоэлектрического преобразования.
В устройстве 1 фотоэлектрического преобразования согласно первому варианту осуществления свет, поступающий в область (граничный участок), где не существует световодных участков, поступает в световодный участок от его боковой поверхности, распространяется к центру нижней поверхности, и направляется к светочувствительной поверхности элемента фотоэлектрического преобразования, увеличивая коэффициент сбора света. В первом варианте осуществления воздух заполняет пространство между световодными участками, но также можно размещать материал, имеющий более низкий показатель преломления, чем световодный участок. Материал световодного участка не ограничен вышеописанным.
В первом варианте осуществления описана многослойная структура межсоединений, выполненная из изолирующих пленок из нескольких слоев и слоя разводки. Однако первый вариант осуществления применим также к структуре устройства фотоэлектрического преобразования на основе ПЗС и т.п., или к структуре, в которой световодный участок размещен на прозрачном электроде.
(Второй вариант осуществления)
Устройство 5 фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления имеет линзовую матрицу и матрицу цветных светофильтров, соответствующую линзовой матрице. Каждый цветной светофильтр матрицы цветных светофильтров входит в состав световодного участка, в дополнение к структуре первого варианта осуществления. На фиг.5 показан вид в разрезе устройства 5 фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления, и на фиг.6 показан вид сверху устройства 5 фотоэлектрического преобразования. Те же самые позиции, что и на фиг.1, обозначают те же детали, и мы не будем повторять их описание.
Согласно фиг.5, линзы 501 располагаются между световодными участками 505 и изолирующей пленкой 104b. Множество линз 501 образует двухмерную матрицу в соответствии с соответствующими элементами 102 фотоэлектрического преобразования.
Каждый световодный участок 505 включает в себя цветной светофильтр 503. Благодаря расположению линзы 501 между световодным участком 505 и изолирующей пленкой 104b свет, собранный световодным участком 505, можно эффективно собирать на светочувствительной поверхности 103 элемента фотоэлектрического преобразования. Поскольку световодный участок 505 включает в себя цветной светофильтр 503, цветной светофильтр 503 можно размещать без увеличения высоты устройства 5 фотоэлектрического преобразования от светочувствительной поверхности 103. Другими словами, расстояние между светочувствительной поверхностью 103 и цветным светофильтром 503 в устройстве 5 фотоэлектрического преобразования можно уменьшить.
Цветной светофильтр 503 желательно формировать из материала, имеющего такой же показатель преломления, как нижний участок 502 и верхний участок 504 световодного участка 505. Это соотношение показателей преломления позволяет снижать отражение света на границе раздела между цветным светофильтром 503 и нижним участком 502 или верхним участком 504 световодного участка.
Боковая поверхность 503c цветного светофильтра 503, предпочтительно, образует поверхность, продолжающуюся от боковой поверхности 502c нижнего участка 502 световодного участка 505 и боковой поверхности 504c верхнего участка 504.
Если боковая поверхность цветного светофильтра выступает внутрь световодного участка от боковых поверхностей верхнего и нижнего участков световодного участка, даже свет, поступающий в световодный участок 505, может не проходить через цветной светофильтр 503, снижая цветовую чувствительность. Боковая поверхность цветного светофильтра выступает внутрь световодного участка от боковых поверхностей верхнего и нижнего участков световодного участка, когда цветной светофильтр меньше по поперечной ширине, чем верхняя поверхность или нижняя поверхность световодного участка, если смотреть сверху (в направлении, перпендикулярном поверхности листа фиг.5).
Если боковая поверхность цветного светофильтра выступает наружу (по направлению к граничному участку) световодного участка от боковых поверхностей верхнего и нижнего участков световодного участка 505, даже свет, поступающий на граничный участок 506, может не поступать на световодный участок, снижая коэффициент сбора света. Боковая поверхность цветного светофильтра выступает наружу (по направлению к граничному участку) световодного участка от боковых поверхностей верхнего и нижнего участков световодного участка, когда цветной светофильтр больше по поперечной ширине, чем световодный участок, если смотреть сверху (в направлении, перпендикулярном поверхности листа фиг.5).
Соотношение в двухмерном размере между линзой 501 и световодным участком 505 будет объяснено со ссылкой на фиг.6. На фиг.6 показан вид сверху, демонстрирующий схему расположения светочувствительных поверхностей 103 элементов фотоэлектрического преобразования, пикселей 601, включающих в себя элементы фотоэлектрического преобразования, линзы 501 и световодные участки 505. Нижняя поверхность 501a линзы 501 больше, чем верхняя поверхность 504a или нижняя поверхность 502b световодного участка 505 (см. фиг.6). В этой структуре линза 501 может фокусировать свет, собранный световодным участком 505, на светочувствительную поверхность 103 (как указано штрих-пунктирной линией) без каких-либо потерь. Линза 501 выполнена из материала, имеющего более высокий показатель преломления, чем у световодного участка 505, и является выпуклой линзой. Однако, когда показатель преломления линзы 501 ниже, чем у световодного участка 505, линза 501 также может быть вогнутой линзой. Материал и форму линзы 501 можно подобрать надлежащим образом.
Если смотреть в перспективе с направления, перпендикулярного светочувствительной поверхности 103, светочувствительная поверхность 103 элемента фотоэлектрического преобразования включена в нижнюю поверхность 501a линзы 501 (расположена внутри), и включена в верхнюю поверхность 504a и нижнюю поверхность 502b световодного участка 505 (расположена внутри).
На 7A-7F фиг.7 показан способ изготовления устройства 5 фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления.
На этапе 7A фиг.7 посторонние ионы первого типа проводимости внедряются в подложку 100, образуя канал 101 в подложке 100. Далее, посторонние ионы второго типа проводимости внедряются в заранее определенные области подложки 100, образуя элементы 102 фотоэлектрического преобразования, размещенные вокруг канала 101 в подложке 100.
Затем на подложке 100 формируется изолирующая пленка 104a. На изолирующей пленке 104a формируется слой 105 разводки. Изолирующая пленка 104b формируется для покрытия изолирующей пленки 104a и слоя 105 разводки.
Нужное количество изолирующих пленок и слоев разводки устанавливаются друг на друга.
На изолирующей пленке 104b формируют линзы 501. Линзу 501 формируют, например, из нитрида кремния.
На этапе 7B фиг.7 сглаживающий слой 701 формируют для покрытия линз 501. Сглаживающий слой 701 имеет плоскую верхнюю поверхность. Сглаживающий слой 701 и цветные светофильтры 702 формируют, например, из полимера.
На сглаживающем слой 701 формируют красный (R), зеленый (G) и синий (B) светофильтры 702. Цветные светофильтры 702 формируются, например, из полимера.
На этапе 7C фиг.7 прозрачная пленка 703, служащая световодными участками, формируется на цветных светофильтрах 702. Прозрачная пленка 703 может быть выполнена, например, из оксида кремния. Оксид кремния желательно формировать, например, методом spin-on glass (загонки примеси), который позволяет формировать оксид кремния при низкой температуре, чтобы не портить полупроводниковые элементы, линзы и цветные светофильтры, которые уже сформированы.
На этапе 7D фиг.7 на прозрачной пленке 703 формируют маску 704 для травления. Маску 704 для травления формируют путем структурирования фоторезиста в соответствии с образцом (см. фиг.6) световодных участков 505 методом фотолитографии.
На этапе 7E фиг.7 прозрачная пленка 703 подвергается травлению с использованием маски 704 для травления, с образованием верхних участков 504 световодных участков 505. Когда прозрачная пленка выполнена из оксида кремния, анизотропное травление осуществляется с использованием газообразного CF.
На этапе 7F фиг.7, для завершения световодных участков 505, слой 702 цветных светофильтров и сглаживающий слой 701 подвергаются травлению. Согласно методу травления, анизотропное травление производится с использованием кислородосодержащего газа, удаляющего часть слоя цветных светофильтров и сглаживания. В результате формируются цветные светофильтры 503 и нижние участки 502 световодных участков 505. В то же время маска 704 для травления, сформированная на прозрачной пленке 703, также вытравливается. Линза 501, сформированная из нитрида кремния, также может действовать как слой остановки травления.
Далее, на световодных участках 505 формируются микролинзы (не показаны) и т.п.
Таким образом, формируется устройство 5 фотоэлектрического преобразования согласно второму варианту осуществления.
Второй вариант осуществления предусматривает использование цветных светофильтров основных цветов (R, G и B). Следовательно, зазор между световодными участками (т.е. ширину граничного участка) и высоту световодного участка можно проектировать в соответствии с характеристиками цветных светофильтров соответствующих цветов, как описано в первом варианте осуществления. Например, наименьшая длина волны в диапазоне длин волн, на которой свет, проходящий через синий светофильтр, демонстрирует интенсивность в половину пикового значения, задается как наименьшая длина волны в диапазоне длин волн видимого света. Наибольшая длина волны в диапазоне длин волн, на которой свет, проходящий через красный светофильтр, демонстрирует интенсивность в половину пикового значения, задается как наибольшая длина волны в диапазоне длин волн видимого света. На основании этих настроек устанавливаются зазор между световодными участками и высота световодного участка.
Во втором варианте осуществления сглаживающий слой размещается под цветным светофильтром, но это не всегда необходимо. В отсутствие сглаживающего слоя граница раздела между разными средами в световодном участке может быть устранена, снижая внутреннее отражение. Как описано выше, согласно способу изготовления, по второму варианту осуществления, устройство фотоэлектрического преобразования с высокой эффективностью сбора света можно изготавливать простым способом с использованием обработки полупроводников. Этот способ изготовления применим и к другим вариантам осуществления.
(Третий вариант осуществления)
Третий вариант осуществления отличается тем, что фильтр низких частот в качестве оптического элемента размещен на световодные участки. На фиг.8 показан вид в разрезе устройства 8 фотоэлектрического преобразования согласно третьему варианту осуществления. Те же самые позиции, что и на фиг.1, обозначают те же детали, и мы не будем повторять их описание.
На фиг.8 линзы 801 сформированы на изолирующей пленке 104b, и световодные участки 802 сформированы на линзах 801. Детальная структура световодного участка 802 такая же, как в первом варианте осуществления, и мы не будем повторять ее описание. Фильтр 803 низких частот размещен на световодных участках 802.
Традиционно, при размещении фильтра низких частот в устройстве фотоэлектрического преобразования даже с учетом коэффициента сбора света, оптоволоконную пластину (FOP) необходимо располагать между устройством фотоэлектрического преобразования и фильтром низких частот. Необходимо также размещать микролинзу на устройстве фотоэлектрического преобразования и помещать сглаживающий слой между микролинзой и фильтром низких частот.
Напротив, верхняя поверхность световодного участка 802 является плоской в устройстве 8 фотоэлектрического преобразования согласно третьему варианту осуществления, поэтому фильтр 803 низких частот можно размещать на элементе фотоэлектрического преобразования без посредничества FOP или сглаживающего слоя. Поскольку границы раздела, образованные за счет размещения FOP и сглаживающего слоя, могут исчезать, можно предотвращать отражение света на границах раздела.
Третий вариант осуществления предусматривает использование фильтра низких частот в качестве оптического элемента. Другими примерами оптического элемента являются преобразователь длины волны, плосковыпуклая линза, плосковогнутая линза и цветной светофильтр. Эти оптические элементы также можно надлежащим образом комбинировать и укладывать друг на друга. Эта структура облегчает монтаж. Поскольку оптический элемент можно размещать вблизи элемента фотоэлектрического преобразования, коэффициент сбора света можно увеличить, а также можно уменьшить аберрацию.
(Применение к системе формирования изображения)
На фиг.9 показана блок-схема, демонстрирующая применение устройства фотоэлектрического преобразования, описанного согласно вариантам осуществления с первого по третий настоящего изобретения, к системе формирования изображения. Система формирования изображения представляет собой, например, цифровой фотоаппарат или видеокамеру.
Как показано на фиг.9, система 90 формирования изображения в основном содержит оптическую систему, устройство 904 восприятия изображения и блок обработки сигнала. Оптическая система в основном содержит затвор 901, линзу 902 и диафрагму 903. Устройство 904 восприятия изображения включает в себя устройство 1 фотоэлектрического преобразования (или 5 или 8). Блок обработки сигнала в основном содержит схему 905 обработки воспринятого сигнала, А/Ц преобразователь 906, процессор 907 сигнала изображения, память 910, внешний интерфейс 913, тактовый генератор 908, блок 909 общего управления/арифметики, носитель 912 информации, и интерфейс 911 управления носителем информации. Блок обработки сигнала может не содержать носитель 912 информации.
Затвор 901 размещен перед линзой 902 на оптическом пути для управления экспозицией.
Линза 902 преломляет падающий свет, формируя изображение объекта на плоскости восприятия изображения устройства 1 фотоэлектрического преобразования в устройстве 904 восприятия изображения.
Диафрагма 903 располагается между линзой 902 и устройством 1 фотоэлектрического преобразования на оптическом пути и регулирует количество света, направляемого на устройство 1 фотоэлектрического преобразования после прохождения через линзу 902.
Устройство 1 фотоэлектрического преобразования устройства 904 восприятия изображения преобразует изображение объекта, сформированное на плоскости восприятия изображения устройства 1 фотоэлектрического преобразования, в сигнал изображения. Устройство 904 восприятия изображения считывает сигнал изображения из устройства 1 фотоэлектрического преобразования и выводит его.
Схема 905 обработки воспринятого сигнала подключена к устройству 904 восприятия изображения и обрабатывает сигнал изображения, выводимый из устройства 904 восприятия изображения.
А/Ц преобразователь 906 подключен к схеме 905 обработки воспринятого сигнала и преобразует обработанный сигнал изображения (аналоговый сигнал), выводимый из схемы 905 обработки воспринятого сигнала, в сигнал изображения (цифровой сигнал).
Процессор 907 сигнала изображения подключен к А/Ц преобразователю 906 и осуществляет различные арифметические процессы, например коррекцию сигнала изображения (цифрового сигнала), выводимого из А/Ц преобразователя 906, генерируя данные изображения. Процессор 907 сигнала изображения передает данные изображения в память 910, внешний интерфейс 913, блок 909 общего управления/арифметики, интерфейс 911 управления носителем информации, и т.п. в соответствии с настройкой (инструкцией) режима работы, полученной блоком 909 общего управления/арифметики от пользователя через устройство ввода (например, кнопку затвора).
Память 910 подключена к процессору 907 сигнала изображения и хранит (накапливает) данные изображения, выводимые из процессора 907 сигнала изображения.
Внешний интерфейс 913 подключен к процессору 907 сигнала изображения. Внешний интерфейс 913 может передавать данные изображения, выводимые из процессора 907 сигнала изображения, на внешнее устройство, например компьютер или принтер.
Носитель 912 информации подключен с возможностью отсоединения к интерфейсу 911 управления носителем информации. Носитель 912 информации записывает данные изображения, выводимые из процессора 907 сигнала изображения, через интерфейс 911 управления носителем информации.
Тактовый генератор 908 подключен к устройству 904 восприятия изображения, схеме 905 обработки воспринятого сигнала, А/Ц преобразователю 906 и процессору 907 сигнала изображения. Тактовый генератор 908 передает тактовые сигналы на устройство 904 восприятия изображения, схему 905 обработки воспринятого сигнала, А/Ц преобразователь 906 и процессор 907 сигнала изображения. Устройство 904 восприятия изображения, схема 905 обработки воспринятого сигнала, А/Ц преобразователь 906 и процессор 907 сигнала изображения действуют синхронно с тактовыми сигналами.
Блок 909 общего управления/арифметики подключен к тактовому генератору 908, процессору 907 сигнала изображения и интерфейсу 911 управления носителем информации и управляет всеми ими.
Устройство 904 восприятия изображения, включающее в себя устройство 1 фотоэлектрического преобразования и А/Ц преобразователь 906, также может быть сформировано на единой подложке (подложке 100 на фиг.1), или также может быть сформировано на одном этапе. Устройство 904 восприятия изображения, включающее в себя устройство 1 фотоэлектрического преобразования и другие составные элементы системы 90 формирования изображения, также может быть сформировано на единой подложке, и также может быть сформировано на одном этапе.
Когда в системе формирования изображения применяется устройство фотоэлектрического преобразования согласно настоящему изобретению, число монтируемых компонентов для размещения фильтра низких частот и т.п. можно сократить. Можно изготавливать компактную систему формирования изображения.
Как описано выше, настоящее изобретение позволяет изготавливать элемент фотоэлектрического преобразования, повышающий коэффициент сбора света.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми иллюстративными вариантами осуществления. Объем нижеследующей формулы изобретения соответствует самой широкой интерпретации, охватывая все подобные модификации и эквивалентные структуры и функции. Вышеописанные варианты осуществления также можно объединять друг с другом.
Данная заявка притязает на приоритет японской патентной заявки №2007-259874, поданной 3 октября 2007 г., которая, таким образом, в полном объеме включена сюда в порядке ссылки.