特許 6283762 光学センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6283762

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】光学センサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20180208BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20180208BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 D

   H01L31/10 A

   H04N5/369

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-77948(P2017-77948)

(22)【出願日】2017年4月11日

【審査請求日】2017年4月11日

(31)【優先権主張番号】15/354,337

(32)【優先日】2016年11月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507296388

【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105946

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 富彦

(72)【発明者】

【氏名】林 國峰

(72)【発明者】

【氏名】謝 錦全

【審査官】 鈴木 肇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１５６４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２２５６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９６３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２７４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７９５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０６６６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７９５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０３６００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７２６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９２５２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトダイオードを含む感知層、
前記感知層の上に配置された第１の下部、および前記第１の下部の上に配置された第１の上部を含み、前記第１の上部は、前記第１の下部に連結された第１の底面、前記第１の底面に対して傾斜した第１の傾斜面、および前記第１の傾斜面に対向し、前記第１の底面に対して傾斜した第２の傾斜面を含む第１のカラーフィルター、
前記第１の上部を囲む格子構造、および
前記第１の下部を囲む遮光構造を含み、
前記格子構造は、前記遮光構造の上に配置され、
前記第１の傾斜面と前記第１の底面の間は、第１の鋭角であり、前記第２の傾斜面と前記第１の底面の間は、第２の鋭角であり、
前記格子構造は、前記遮光構造の上に配置された第１の格子層、前記第１の格子層の上に配置された第２の格子層、および前記第２の格子層の上に配置された第３の格子層を含み、前記第１の格子層の屈折率は、前記第２の格子層の屈折率より大きく、前記第２の格子層の屈折率は、前記第３の格子層の屈折率より大きく、
前記第１の格子層、および前記第２の格子層の断面は、Ｖ形状であり、前記第１の格子層、前記第２の格子層、および前記第３の格子層の材料は異なる光学センサ。

【請求項2】

前記第１の鋭角と前記第２の鋭角は、約６５度〜８９度の範囲にあり、前記第１の鋭角は、前記第２の鋭角と等しく、前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面は、前記第１のカラーフィルターの対称面を中心として対称的に配置される請求項１に記載の光学センサ。

【請求項3】

前記第１の上部は、前記第１の底面に対向する上面を更に含み、前記第１の上部は、前記第１の底面から前記上面に徐々に狭くなり、前記第１の上部の断面は、台形を有し、前記第１の上部の断面は、前記第１の底面と前記第１の傾斜面に垂直であり、前記第１の下部と前記第１の上部は、一体に形成され、同じ材料を含む請求項１に記載の光学センサ。

【請求項4】

前記第１のカラーフィルターの厚さは、１μｍより大きい請求項１に記載の光学センサ。

【請求項5】

前記第１のカラーフィルターは、前記第１の上部に配置され、アーチ形上面を含む第１のドーム部を更に含み、前記第１の下部、前記第１の上部、および前記ドーム部は、一体に形成され、同じ材料を含む請求項１に記載の光学センサ。

【請求項6】

フォトダイオードを含む感知層、
前記感知層の上に配置された第１の下部、および前記第１の下部の上に配置された第１の上部を含み、前記第１の上部は、前記第１の下部に連結された第１の底面、前記第１の底面に対して傾斜した第１の傾斜面、および前記第１の傾斜面に対向し、前記第１の底面に対して傾斜した第２の傾斜面を含む第１のカラーフィルター、
前記感知層の上に配置された第２の下部、および前記第２の下部の上に配置された第２の上部を含み、前記第２の上部は、前記第２の下部に連結された第２の底面、および前記第２の底面に対して傾斜した第３の傾斜面を含む第２のカラーフィルター、
前記感知層の上に配置された第３の下部、および前記第３の下部の上に配置された第３の上部を含み、前記第３の上部は、前記第３の下部に連結された第３の底面、および前記第３の底面に対して傾斜した第４の傾斜面を含む第３のカラーフィルター、および
前記第１の上部、前記第２の上部、および前記第３の上部を囲む格子構造を含み、
前記第１の傾斜面と前記第１の底面の間は、第１の鋭角であり、前記第２の傾斜面と前記第１の底面の間は、第２の鋭角であり、
前記第３の傾斜面と前記第２の底面の間は、第３の鋭角であり、前記第４の傾斜面と前記第３の底面の間は、第４の鋭角であり、前記第１の鋭角は、前記第３の鋭角より大きく、前記第３の鋭角は、前記第４の鋭角より大きい光学センサ。

【請求項7】

前記第１のカラーフィルターは、前記第１の上部の上に配置された第１のドーム部を更に含み、前記第２のカラーフィルターは、前記第２の上部の上に配置された第２のドーム部を更に含み、前記第３のカラーフィルターは、前記第３の上部の上に配置された第３のドーム部を更に含む請求項６に記載の光学センサ。

【請求項8】

前記第１の上部に対する前記第１のドーム部の高さは、前記第２の上部に対する前記第２のドーム部の高さより大きく、前記第２の上部に対する前記第２のドーム部の高さは、前記第３の上部に対する前記第３のドーム部の高さより大きく、第１の上部に対する前記第１のドーム部、前記第２の上部に対する前記第２のドーム部、および前記第３の上部に対する前記第３のドーム部の高さは、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲にある請求項７に記載の光学センサ。

【請求項9】

前記第１の上部、前記第２の上部、および前記第３の上部の上に配置された反射防止膜を更に含み、前記反射防止膜の厚さは、約１００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲にあり、前記第１の上部の上方の前記反射防止膜の厚さは、前記第２の上部の上方の前記反射防止膜の厚さより大きく、前記第２の上部の上方の前記反射防止膜の厚さは、前記第３の上部の上方の前記反射防止膜の厚さより大きい請求項６に記載の光学センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学センサに関し、特に、カラーフィルターを有する光学センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

光学センサ、例えば、スペクトルセンサ、または画像センサなどは、光の検出または物体の画像を撮像する。光学センサは、一般的に電子装置、例えば分光器、またはカメラなどに実装されている。

【0003】

図１は、従来の光学センサＢ１の概略図である。光学センサは、感知層Ｂ１０、カラーフィルターＢ２０、およびマイクロレンズＢ３０を含む。感知層Ｂ１０は、光線を感知し、その光線を電気信号に変換するフォトダイオードＢ１１を含む。カラーフィルターＢ２０は、感知層Ｂ１０に配置され、カラーフィルターＢ２０の断面は、長方形である。マイクロレンズＢ３０は、カラーフィルターＢ２０の上に配置され、光線をフォトダイオードＢ１１に集束する。

【0004】

しかしながら、電子装置の発展に伴い、電子装置に対する薄型化および製造コストの低減が求められている。従って、従来の光学センサＢ１の厚さは、薄型化した電子装置の厚さに対応するように減少される必要がある。よって、光学センサを向上させる解決法が提供されることが望ましい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、より薄型化した、且つ製造コストがより低減した光学センサを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、感知層、第１のカラーフィルター、および格子構造を含む光学センサを提供する。感知層は、フォトダイオードを含む。第１のカラーフィルターは、感知層の上に配置された第１の下部、および第１の下部の上に配置された第１の上部を含む。第１の上部は、第１の下部に連結された第１の底面、第１の底面に対して傾斜した第１の傾斜面、および第１の傾斜面に対向し、第１の底面に対して傾斜した第２の傾斜面を含む。

【0007】

格子構造は、第１の上部を囲む。第１の傾斜面と第１の底面の間は、第１の鋭角であり、第２の傾斜面と第１の底面の間は、第２の鋭角である。

【0008】

いくつかの実施形態では、第１の鋭角と第２の鋭角は、約６５度〜８９度の範囲にある。いくつかの実施形態では、第１の鋭角は、第２の鋭角と等しい。第１の傾斜面と第２の傾斜面は、第１のカラーフィルターの対称面を中心として対称的に配置される。

【0009】

いくつかの実施形態では、第１の上部は、第１の底面に対向する上面を更に含み、第１の上部は、第１の底面から上面に徐々に狭くなる。

【0010】

いくつかの実施形態では、第１の上部の断面は、台形を有し、第１の上部の断面は、第１の底面と第１の傾斜面に垂直である。

【0011】

いくつかの実施形態では、第１の下部と第１の上部は、一体に形成され、同じ材料からなる。

【0012】

いくつかの実施形態では、遮光構造は第１の下部を囲み、格子構造は、遮光構造の上に配置される。

【0013】

いくつかの実施形態では、格子構造は、遮光構造の上に配置された第１の格子層、第１の格子層の上に配置された第２の格子層、および第２の格子層の上に配置された第３の格子層を含む。第１の格子層の屈折率は、第２の格子層の屈折率より大きく、第２の格子層の屈折率は、第３の格子層の屈折率より大きい。

【0014】

いくつかの実施形態では、第１の格子層、および第２の格子層の断面は、Ｖ型である。第１の格子層、第２の格子層、および第３の格子層の材料は異なる。いくつかの実施形態では、いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルターの厚さは、１μｍより大きい。

【0015】

いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルターは、第１の上部に配置された第１のドーム部を更に含み、第１のドーム部は、アーチ形上面を含む。第１の下部、第１の上部、およびドーム部は、一体成型に形成され、同じ材料からなる。

【0016】

いくつかの実施形態では、カラーフィルターは、第２のカラーフィルターと第３のカラーフィルターを更に含む。第２のカラーフィルターは、感知層の上に配置された第２の下部、および第２の下部に配置された第２の上部を含む。第２の上部は、第２の下部に連結された第２の底面、および第２の底面に対して傾斜した第３の傾斜面を含む。

【0017】

第３のカラーフィルターは、感知層の上に配置された第３の下部、および第３の下部の上に配置された第３の上部を含む。第３の上部は、第３の下部に連結された第３の底面、および第３の底面に対して傾斜した第４の傾斜面を含む。第３の傾斜面と第２の底面の間は、第３の鋭角である。第４の傾斜面と第３の底面の間は、第４の鋭角である。第１の鋭角は、第３の鋭角より大きく、第３の鋭角は、第４の鋭角より大きい。

【0018】

いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルターは、青色カラーフィルターであり、第２のカラーフィルターは、緑色カラーフィルターであり、第３のカラーフィルターは、赤色カラーフィルターである。

【0019】

いくつかの実施形態では、第１のカラーフィルターは、第１の上部の上に配置された第１のドーム部を更に含む。第２のカラーフィルターは、第２の上部の上に配置された第２のドーム部を更に含む。第３のカラーフィルターは、第３の上部の上に配置された第３のドーム部を更に含む。

【0020】

いくつかの実施形態では、第１の上部に対する第１のドーム部の高さは、第２の上部に対する第２のドーム部の高さより大きい。第２の上部に対する第２のドーム部の高さは、第３の上部に対する第３のドーム部の高さより大きい。

【0021】

いくつかの実施形態では、第１の上部に対する第１のドーム部、第２の上部に対する第２のドーム部、および第３の上部に対する第３のドーム部の高さは、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲にある。

【0022】

いくつかの実施形態では、反射防止膜は、第１の上部、第２の上部、および第３の上部の上に配置される。反射防止膜の厚さは、約１００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲にある。

【0023】

いくつかの実施形態では、第１の上部の上方の反射防止膜の厚さは、第２の上部の上方の反射防止膜の厚さより大きい。第２の上部の上方の反射防止膜の厚さは、第３の上部の上方の反射防止膜の厚さより大きい。

【0024】

このように、光学センサは、カラーフィルターの構造によっては従来のマイクロレンズを含む必要がなくなる。従って、光学センサの厚さおよび製造コストは減少される。

【図面の簡単な説明】

【0025】

添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。

【図1】従来の光学センサＢ１の概略図である。

【図2】本開示のいくつかの実施形態に係る、光学センサの概略図である。

【図3】本開示の光学センサおよび従来のマイクロレンズを有する光学センサの波長対ＱＥ(量子効率)スペクトルの図である。

【図4A】時間領域有限差分（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ； ＦＤＴＤ）シミュレーション法を用いて、本開示の光学センサを波長５３０ｎｍの光線で照明するシミュレーションの結果である本開示の光学センサの断面における電場分布図である。

【図4B】同じＦＤＴＤシミュレーション法を用いて、従来の光学センサを波長５３０ｎｍの光線で照明するシミュレーションの結果である従来の光学センサの断面における電場分布図である。

【図5A】本開示のいくつかの実施形態に係る光学センサおよび従来の光学センサの鋭角対ＳＮＲ１０の図を示している。

【図5B】本開示のいくつかの実施形態に係る光学センサおよび従来の光学センサの鋭角対Ｇ感度（Ｇ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）の図を示している。

【図6】本開示の光学センサおよび従来のマイクロレンズを有する光学センサに入射された波長５３０ｎｍの入射光線の入射角対量子効率のスペクトルの図である。

【図7】本開示のいくつかの実施形態に係る光学センサの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

次の開示では、異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施の形態または実施例を提供する。本開示を簡素化するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。例えば、下記の開示の第２の特徴の上方、または上への第１の特徴の形成は、第１と第２の特徴が直接接触で形成される複数の実施形態を含むことができ、且つ第１と第２の特徴が直接接触でないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成された複数の実施形態を含むこともできる。

【0027】

また、本開示は、種々の実施例において、参照番号および／または文字を繰り返し用いている。この反復は、簡素化と明確さの目的のためであって、種々の実施の形態および／または議論された構成との間の関係を規定するものではない。また、図面は単に例示するためであり、図の形状、大きさ、または厚さは、説明を明確にするために縮尺通りに描かれない、または簡易化される可能性もある。

【0028】

追加のステップが本方法の後、本方法の前、または本方法の間に提供されることができ、且つ記載されたいくつかのステップが本方法の他の実施形態で置き換えられる、または削除されてもよいことは理解されるべきである。

【0029】

図２は、本開示のいくつかの実施形態に係る、光学センサ１の概略図である。光学センサ１は、光線を感知し、その光線を電気信号に変換する。

【0030】

いくつかの実施形態では、光学センサ１は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサである。いくつかの実施形態では、光学センサ１は、裏面照射型（ＢＳＩ）ＣＭＯＳセンサである。いくつかの実施形態では、光学センサ１は、画像を撮像する画像センサである。画像センサは、デジタルカメラなどの撮像装置に用いられることができる。

【0031】

いくつかの実施形態では、光学センサ１は、物体のスペクトルを検出するスペクトルセンサである。スペクトルセンサは、分光器に用いられることができる。

【0032】

光学センサ１は、感知層１０、カラーフィルター２０、遮光構造３０、格子構造４０、および反射防止膜５０を含む。感知層10は基準面Ｐ１に沿って延伸する。感知層１０は、感知層１０に入射する光線に基づいて、入射光線を検出する。

【0033】

感知層１０は、下記の構成要素の全てを含むことができるが、感知層１０の目的が達成されるならば、必ずしも下記の構成要素の全てを含まなくてもよい。感知層１０は、基板１１とフォトダイオード１２を含む。いくつかの実施形態では、感知層１０は、他の構成要素または層（図示されていない）、例えば、フォトダイオード１２の下方の電気回路、および電気回路を保護する保護層を更に含む。

【0034】

フォトダイオード１２は、基板１１内に配置され、基準面Ｐ１にアレイ状に配置される。各フォトダイオード１２は、その上に入射する光線の強さに基づいて、光線を感知し、電気信号を生成する。いくつかの実施形態では、画像は、処理チップ（図示されていない）によって電気信号に基づいて生成されることができる。

【0035】

カラーフィルター２０は、感知層１０の上に配置される。いくつかの実施形態では、カラーフィルター２０は、導波（ｗａｖｅ−ｇｕｉｄｅｄ）カラーフィルターである。各カラーフィルター２０は、積層方向Ｄ１にフォトダイオード１２の１つの上に配置される。積層方向Ｄ１は、感知層１０および基準面Ｐ１に垂直である。カラーフィルター２０は、基準面Ｐ１に平行した面の上にアレイ状に配置される。カラーフィルター２０の厚さは、１μｍより大きい。

【0036】

各カラーフィルター２０は、光線の所定範囲の波長を通過させる。いくつかの実施形態では、カラーフィルター２０は、赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター、および青色カラーフィルターを含む。例えば、赤色カラーフィルターは、６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ（赤色光）の範囲の光線の波長をフォトダイオード１２に通過させる。緑色カラーフィルターは、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ（緑色光）の範囲の光線の波長をフォトダイオード１２に通過させる。青色カラーフィルターは、４７６ｎｍ〜４９５ｎｍ（青色光）の範囲の光線の波長をフォトダイオード１２に通過させる。

【0037】

カラーフィルター２０は、下部２１と上部２２を含む。下部２１は、感知層１０上に配置され、上部２２は、下部２１上に配置される。下部２１と上部２２は、一体に形成され、同じ材料を含む。

【0038】

遮光構造３０は、感知層１０上に配置される。遮光構造３０は、下部２１を囲み、連結される。遮光構造３０は、基準面Ｐ１に平行する面に配置される。いくつかの実施形態では、遮光構造３０は３０％以下の透過率を有する。遮光構造３０は、光線が通過するのを遮蔽するように構成される。従って、１つのカラーフィルター２０への光線が隣接するカラーフィルター２０に透過する光線の量が低下する。

【0039】

格子構造４０は、遮光構造３０上に配置される。格子構造４０は、上部２２を囲み、連結される。格子構造４０は、基準面Ｐ１に平行する面に配置される。格子構造４０は、遮光構造３０に連結された下端４４、および反射防止膜５０に連結された上面４５を含む。いくつかの実施形態では、格子構造４０の上面４５は、フラット面である。

【0040】

格子構造４０は、８０％または９０％より大きい透過率を有する。格子構造４０は、カラーフィルター２０での光線をフォトダイオード１２に向けて反射させるように構成される。

【0041】

いくつかの実施形態では、格子構造４０および／または遮光構造３０の屈折率は、カラーフィルター２０の屈折率より低く、従って、カラーフィルター２０、格子構造４０および／または遮光構造３０は、光パイプ構造を形成し、光線をフォトダイオード１２に導く。

【0042】

いくつかの実施形態では、格子構造４０の屈折率は、約１．２〜１．５の範囲にある。遮光構造３０は、約１．３〜１．９の範囲の屈折率を含む。カラーフィルター２０の屈折率は、約１．７〜３．２の範囲にある。

【0043】

反射防止膜５０は、上部２２と格子構造４０の上に配置される。反射防止膜５０は、光学センサ１に伝送された光線の反射を減少するように構成される。いくつかの実施形態では、反射防止膜５０は、平坦構造であり、感知層１０に平行する。反射防止膜５０の厚さは、約１００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲にある。

【0044】

図２に示されるように、下部２１の断面は、長方形を有する。上部２２の断面は、台形を有する。遮光構造３０の断面は、長方形を含む。格子構造４０の断面は三角形を含む。

【0045】

上述の断面は、基準面Ｐ１、基準面Ｐ２、底面２２１、および感知層１０に対して垂直である。いくつかの実施形態では、上述の断面は、傾斜面２２３、および／または傾斜面２２４に垂直である。

【0046】

各上部２２は、底面２２１、上面２２２、傾斜面２２３、および傾斜面２２４を含む。いくつかの実施形態では、底面２２１、上面２２２、傾斜面２２３、および／または傾斜面２２４は、平坦面である。

【0047】

底面２２１は、下部２１に連結される。いくつかの実施形態では、底面２２１および遮光構造３０の上面は、基準面Ｐ１と平行する基準面Ｐ２に配置される。

【0048】

上面２２２は、底面２２１に対向し、底面２２１に平行する。上面２２２は、反射防止膜５０に連結される。底面２２１の面積は、上面２２２の面積より大きい。上部２２は、底面２２１から上面２２２に徐々に狭くなる。

【0049】

傾斜面２２３は、底面２２１に対して傾斜している。傾斜面２２４は、傾斜面２２３と対向し、底面２２１に対して傾斜している。傾斜面２２３と傾斜面２２４は、カラーフィルター２０の対称面Ｐ３に対して対称的に配置される。対称面Ｐ３は、カラーフィルター２０の中心に位置し、底面２２１に垂直である。

【0050】

傾斜面２２３と底面２２１の間は、鋭角Ａ１である。傾斜面２２４と底面２２１の間は、鋭角Ａ２である。鋭角Ａ１と鋭角Ａ２は、約６５度〜８９度の範囲にある。この実施形態では、鋭角Ａ１は、鋭角Ａ２と等しい。

【0051】

傾斜面２２３と傾斜面２２４の間の距離は、底面２２１から上面２２２に徐々に減少される。距離は、底面２２１に平行する方向で測定される。

【0052】

カラーフィルター２０と格子構造４０の構造と設計によって、光学センサ１に入射された光線は、フォトダイオード１２に好ましく導かれる。この実施形態では、従来のマイクロレンズは、光学センサ１で省略されることができる。従来のマイクロレンズを省略することで、光学センサ１の厚さと製造コストが減少される。

【0053】

図３は、本開示の光学センサ１および従来のマイクロレンズを有する光学センサの入射光の波長対ＱＥ（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；量子効率）スペクトルの図である。このケースでは、例えば、光学センサ１の鋭角Ａ１とＡ２は、７８度である。図３では、異なる波長の光線は、赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター、および青色カラーフィルターに入射される。

【0054】

図３に示されるように、本開示の光学センサ１の感度に関する効果は、ＱＥ（量子効率）スペクトルに基づいて向上される。光学センサ１のＱＥピークは、従来のマイクロレンズを有する光学センサと比べ、増加される。また、光学センサ１の光学的クロストークは、従来の光学センサと比べ、減少される。

【0055】

図４Ａに示されるように、本開示の光学センサ１では、電場の強さは、緑色カラーフィルター２０ｂの領域および緑色カラーフィルター２０ｂの下方の感知層１０で、より観察可能である。また、例えば、緑色カラーフィルター２０ｂに隣接する赤色カラーフィルターまたは青色カラーフィルターなどのカラーフィルター２０の領域、および緑色カラーフィルター２０ｂに隣接するカラーフィルター２０の下方の感知層１０の領域の電場分布は、非常に少ない。従って、光学センサ１の光学的クロストークは、低下される。また、カラーフィルター２０の反射は少なく、カラーフィルター２０の定在波効果は低下する。緑色カラーフィルター２０ｂおよび下に位置する感知層１０を通過する電場は、図４Ａに示すように、より深く、より垂直であるという事実によれば、緑色カラーフィルター２０ｂおよび下に位置する感知層１０は高い光子束を有する。

【0056】

図４Ｂに示すように、図４Ａと比較すると、従来の光学センサでは、緑色カラーフィルターおよび下に位置する感知層(図４Ｂの破線の左側)を通過する電場は、浅く、図４Ａに示す電場のように感知層を垂直に通過しない。これは、従来の光学センサの緑色カラーフィルターおよび下に位置する感知層１０は、低い光子束を有することを意味する。また、赤色カラーフィルターや青色カラーフィルター（図４Ｂの破線の右側）等の緑色カラーフィルターに隣接する領域では、電場分布は図４Ａに示すものより密度が高い。これは従来の光学センサでは、光学的クロストークの問題がより深刻であることを意味する。結果として、本開示の光学センサ１では、ＱＥを増加させることができ、光学的クロストークを低減させることができる。

【0057】

図５Ａは、本開示のいくつかの実施形態に係る光学センサ１および従来の光学センサの鋭角対ＳＮＲ１０の図を示している。低照度でのＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio)は、イメージセンサ（光学センサ）の重要な性能である。低照度は、曇りの環境、夜間の環境、屋内環境等の低照度の環境に代表される環境である。ＳＮＲが所定の値で制御されるとき、対応する照明のレベルは、許容可能な画像が得られる可能な限り最小であることが期待される。通常、ＳＮＲ=１０であるとき、光学センサにより生成された画像は許容可能である。従って、ＳＮＲ１０は、低い照明条件でのＳＮＲの性能メトリックとして用いられている。ＳＮＲ１０は、ホワイトバランス及び色補正後に目標ＳＮＲ=１０に到達する照度(lux)を表す。

【0058】

図５Ａに示すように、ＳＮＲ１０（照度、lux）が低いとき、光学センサ１は、低い照明環境下で、ＳＮＲ＝１０の画像品質を生成することができる。鋭角Ａ１および鋭角Ａ２が６５度より大きいとき、本開示の光学センサ１のＳＮＲ１０は、従来の光学センサより低い。よって、同様な低い照明条件下では、本開示の光学センサ１により生成される画像の品質は、従来の光学センサにより生成される画像の品質よりも良好である。

【0059】

図５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態に基づいた光学センサ１および従来の光学センサの鋭角対Ｇ感度（Ｇ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）の図を示している。鋭角Ａ１および鋭角Ａ２が６５度より大きいとき、本開示の光学センサ１のＧ感度は、従来の光学センサより大きい。

【0060】

図６は、本開示の光学センサおよび従来のマイクロレンズを有する光学センサに入射された波長５３０ｎｍの入射光線の入射角対ＱＥ（量子効率）スペクトルの図である。光学センサ１のＱＥ Ｇ−ｐｅａｋは、波長５３０ｎｍの光線の入射角が、約０度〜３０度の範囲にあるとき、従来の光学センサと比べ、向上される。光学センサ１のＱＥ Ｒ−ｐｅａｋおよびＱＥ Ｂ−ｐｅａｋも波長５３０ｎｍの光線の入射角が、約０度〜３０度の範囲にあるとき、従来の光学センサと比べ、向上される。

【0061】

従って、光学センサ１は、カラーフィルター２０の構造および設計によって優れた性能を有することができる。従来のマイクロレンズは、光学センサ１に不要となる。

【0062】

図７は、本開示のいくつかの実施形態に基づいた光学センサの概略図である。格子構造４０は、互いに堆積された少なくとも２つの格子層を含み、少なくとも２種類の材料を含む。この実施形態では、格子構造４０は、第１の格子層４１、第２の格子層４２、および第３の格子層４３を含む。第１の格子層４１は、遮光構造３０上に配置される。第２の格子層４２は、第１の格子層上に配置される。第３の格子層４３は、第２の格子層４２上に配置される。

【0063】

第１の格子層４１、第２の格子層４２、および第３の格子層４３の材料は異なる。いくつかの実施形態では、第１の格子層４１の屈折率は、第２の格子層４２の屈折率より大きい。第２の格子層４２の屈折率は、第３の格子層４３の屈折率より大きい。いくつかの実施形態では、第１の格子層４１、および第２の格子層４２の断面は、Ｖ型である。第３の格子層４３の断面は、三角形である。当該断面は底面２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃと垂直である。

【0064】

格子構造４０の構造と設計によって、光学センサ１に入射された光線は、フォトダイオード１２に好ましく導かれる。

【0065】

いくつかの実施形態では、カラーフィルター２０は、カラーフィルター２０ａ、２０ｂ、および２０ｃを含む。カラーフィルター２０ａは、青色カラーフィルターである。カラーフィルター２０ｂは、緑色カラーフィルターである。カラーフィルター２０ｃは、赤色カラーフィルターである。

【0066】

カラーフィルター２０ａの上部２２ａの傾斜面２２３ａは、底面２２１ａに対して傾斜している。傾斜面２２３ａと底面２２１ａの間は、鋭角Ａ３である。カラーフィルター２０ｂの上部２２ｂの傾斜面２２３ｂは、底面２２１ｂに対して傾斜している。傾斜面２２３ｂと底面２２１ｂの間は、鋭角Ａ４である。

【0067】

カラーフィルター２０ｃの上部２２ｃの傾斜面２２３ｃは、底面２２１ｃに対して傾斜している。傾斜面２２３ｃと底面２２１ｃの間は、鋭角Ａ５である。鋭角Ａ３は、鋭角Ａ４より大きい。鋭角Ａ４は、鋭角Ａ５より大きい。鋭角Ａ３、Ａ４、およびＡ５は、約６５度〜８９度の範囲にある。

【0068】

カラーフィルター２０の上述された鋭角Ａ３、Ａ４、およびＡ５によって、カラーフィルター２０ａ内に導光された光線の量は、カラーフィルター２０ｂ内に導光された光線の量より大きい。カラーフィルター２０ｂ内に導光された光線の量は、カラーフィルター２０ｃ内に導光された光線の量より大きい。従って、光学センサ１で生じた画像は、カラーフィルター２０の鋭角Ａ３、Ａ４、およびＡ５を調整することによって向上されることができる。

【0069】

カラーフィルター２０は、上部２２の上に配置されたドーム部２３を更に含む。各ドーム部２３は、アーチ形上面２３１を含む。従って、ドーム部２３は、従来のマイクロレンズとして機能する。ドーム部２３は、光線をフォトダイオード１２に集光させる。ドーム部２３の構造と設計によって、光学センサ１に入射された光線は、フォトダイオード１２に好ましく導かれる。

【0070】

いくつかの実施形態では、カラーフィルター２０ａは、上部２２ａの上に配置されたドーム部２３ａを更に含む。カラーフィルター２０ｂは、上部２２ｂの上に配置されたドーム部２３ｂを更に含む。カラーフィルター２０ｃは、上部２２ｃの上に配置されたドーム部２３ｃａを更に含む。上部２２ａに対するドーム部２３ａの高さは、上部２２ｂに対するドーム部２３ｂの高さより大きい。上部２２ｂに対するドーム部２３ｂの高さは、上部２２ｃに対するドーム部２３ｃの高さより大きい。ドーム部２３ａ、２３ｂ、および２３ｃの高さは、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲にある。

【0071】

ドーム部２３ｂ、２３ｃの高さによって、カラーフィルター２０ｂ内に導光された光線の量は、カラーフィルター２０ｃ内に導光された光線の量より大きい。光学センサ１で生じた画像は、ドーム部２３ａ、２３ｂ、２３ｃの高さを調整することによって向上されることができる。

【0072】

いくつかの実施形態では、上部２２ａの上方の反射防止膜５０の厚さは、上部２２ｂの上方の反射防止膜５０の厚さより大きい。上部２２ｂの上方の反射防止膜５０の厚さは、上部２２ｃの上方の反射防止膜５０の厚さより大きい。

【0073】

反射防止膜５０の厚さによって、カラーフィルター２０ｂ内に導光された光線の量は、カラーフィルター２０ｃ内に導光された光線の量より大きい。光学センサ１で生じた画像は、反射防止膜５０の厚さを調整することによって向上されることができる。

【0074】

このように、光学センサは、カラーフィルターの構造によっては従来マイクロレンズを含む必要がなくなる。従って、光学センサの厚さおよび製造コストは減少される。

【0075】

本発明の特徴は、特定の実施形態に限定されるものでなく、特定の実施形態に限定されずに、１つ以上の本発明の実施形態に好適な方式で組み合わせ、変更、または代替されることができる。

【0076】

本発明は、例として及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

【符号の説明】

【0077】

１ 光学センサ
１０ 感知層
１１ 基板
１２ フォトダイオード
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ カラーフィルターユニット
２１ 上部
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 下部
２２１、２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃ 底面
２２２ 上面
２２３ 傾斜面
２２４ 傾斜面
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ ドーム部
２３１ アーチ形上面
３０ 遮光構造
４０ 格子構造
４１ 第１の格子層
４２ 第２の格子層
４３ 第３の格子層
４４ 下端
４５ 上面
５０ 反射防止膜
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５ 鋭角
Ｂ１ 光学センサ
Ｂ１０ 感知層
Ｂ１１ フォトダイオード
Ｂ２０ カラーフィルター
Ｂ３０ マイクロレンズ
Ｄ１ 積層方向
Ｐ１、Ｐ２ 基準面
Ｐ３ 対称面

【要約】

【課題】 より薄型化した、且つ製造コストがより低減した光学センサを提供する。
【解決手段】 光学センサは、フォトダイオードを含む感知層、感知層の上に配置された第１の下部、および第１の下部の上に配置された第１の上部を含み、第１の上部は、第１の下部に連結された第１の底面、第１の底面に対して傾斜した第１の傾斜面、および第１の傾斜面に対向し、第１の底面に対して傾斜した第２の傾斜面を含む第１のカラーフィルター、および第１の上部を囲む格子構造を含み、第１の傾斜面と第１の底面の間は、第１の鋭角であり、第２の傾斜面と第１の底面の間は、第２の鋭角である。
【選択図】 図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】