特許 7541853 光電変換装置、光電変換システム及び移動体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-21

(45)【発行日】2024-08-29

(54)【発明の名称】光電変換装置、光電変換システム及び移動体

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240822BHJP

   H04N 25/70 20230101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 A

H04N25/70

【請求項の数】 37

(21)【出願番号】P 2020097704

(22)【出願日】2020-06-04

(65)【公開番号】P2021190659

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-06-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100101498

【弁理士】

【氏名又は名称】越智 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100136799

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 亜希

(72)【発明者】

【氏名】長友 靖浩

【審査官】田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１２５７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１２７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６７６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０３８１７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９１７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６５６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１９６０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３０５６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１５７３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７９９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０４５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１２９５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９８５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４７３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９６５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２３５１７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－１９５７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１４３１９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２２４７４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｈ０４Ｎ ２５／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面及び第２面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素と、
前記半導体基板の前記第１面の一部を覆うように配された遮光層と、
前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された配線層と、
を有し、
前記複数の画素は、前記第１面の側からの入射光に基づく画素信号を出力する第１画素と、黒レベルの基準信号を出力する第２画素とを含み、
前記半導体基板は、前記遮光層によって遮光されていない第１領域と、前記遮光層によって遮光されており、前記第２画素が配された第２領域と、平面視において前記第１領域と前記第２領域の間に配された第３領域とを有し、
前記第１領域に入射され、前記半導体基板を導波路として前記第２領域に伝搬する導波光を減衰させる減衰部材が前記第３領域に配されており、
前記第１領域には、前記減衰部材が配されておらず、
前記減衰部材は、前記第２面と前記配線層の間に配され、
前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された行方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記行方向における長さよりも長く、
前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された列方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記列方向における長さよりも長い
ことを特徴とする光電変換装置。

【請求項2】

前記第１領域には前記第１画素が配されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。

【請求項3】

前記第２領域及び前記第３領域のいずれにも前記第１画素が配されていない
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。

【請求項4】

複数の配線層を有し、
前記複数の配線層は、前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された前記配線層を含み、
前記複数の配線層のうち、前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された前記配線層が前記第２面に最も近接している
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項5】

前記第２面に対する平面視において、
前記減衰部材は、前記複数の画素に亘って延在している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項6】

第１面及び第２面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素と、
前記半導体基板の前記第１面の一部を覆うように配された遮光層と、
前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された配線層と、
を有し、
前記複数の画素は、前記第１面の側からの入射光に基づく画素信号を出力する第１画素と、黒レベルの基準信号を出力する第２画素とを含み、
前記半導体基板は、前記遮光層によって遮光されていない第１領域と、前記遮光層によって遮光されており、前記第２画素が配された第２領域と、平面視において前記第１領域と前記第２領域の間に配された第３領域とを有し、
前記第１領域に入射され、前記半導体基板を導波路として前記第２領域に伝搬する導波光を減衰させる減衰部材が前記第３領域に配されており、
前記平面視において、前記第１領域は、前記第２領域よりも前記半導体基板の外周側に配され、
前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された行方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記行方向における長さよりも長く、
前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された列方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記列方向における長さよりも長い
ことを特徴とする光電変換装置。

【請求項7】

前記第１領域、前記第２領域及び前記第３領域のいずれにも前記第１画素が配されていない
ことを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。

【請求項8】

前記減衰部材は、前記第２面に接し、前記配線層に接しない
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項9】

前記半導体基板の材料は、シリコンを主たる成分とする
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項10】

前記減衰部材は、前記導波光を吸収する光吸収部材である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項11】

前記光吸収部材の材料はタングステンを主たる成分とする
ことを特徴とする請求項１０に記載の光電変換装置。

【請求項12】

前記光吸収部材は、前記半導体基板に対して前記第２面の側に配されている
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光電変換装置。

【請求項13】

前記光吸収部材は、前記第２面と前記配線層の間に配されている
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項14】

前記光吸収部材は、前記半導体基板に対して前記第１面の側に配されている
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の光電変換装置。

【請求項15】

前記光吸収部材は、前記第１面と前記遮光層の間に配されている
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項16】

前記光吸収部材の材料と前記遮光層の材料は異なる
ことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光電変換装置。

【請求項17】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が１００ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項18】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が８０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項19】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が７０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項20】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項21】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が４０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項22】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が２０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項23】

前記光吸収部材と前記半導体基板の距離が１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項24】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記光吸収部材の長さが１５μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１０乃至２３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項25】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記光吸収部材の長さが３０μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１０乃至２３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項26】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記光吸収部材の長さが４５μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１０乃至２３のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項27】

前記減衰部材は、前記導波光を前記半導体基板の外部に回折させる回折格子である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項28】

前記回折格子は、前記半導体基板の前記第１面又は前記第２面に所定のピッチで配されたトレンチにより構成されている
ことを特徴とする請求項２７に記載の光電変換装置。

【請求項29】

前記回折格子は、前記半導体基板の前記第１面又は前記第２面に所定のピッチで配されたポリシリコンにより構成されている
ことを特徴とする請求項２７に記載の光電変換装置。

【請求項30】

前記回折格子は、前記半導体基板の前記第１面又は前記第２面に所定のピッチで配された金属層により構成されている
ことを特徴とする請求項２７に記載の光電変換装置。

【請求項31】

前記金属層の材料はタングステンである
ことを特徴とする請求項３０に記載の光電変換装置。

【請求項32】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記回折格子の長さが３５μｍ以上である
ことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項33】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記回折格子の長さが７０μｍ以上である
ことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項34】

前記半導体基板の前記第１面及び前記第２面に平行な方向において、前記回折格子の長さが１０５μｍ以上である
ことを特徴とする請求項２７乃至３１のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項35】

前記複数の画素は、前記画素信号及び前記基準信号をいずれも出力しない第３画素を更に含み、
前記第３領域には前記第３画素が配されている
ことを特徴とする請求項１乃至３４のいずれか１項に記載の光電変換装置。

【請求項36】

請求項１乃至３５のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置から出力される信号を処理する信号処理部と、
を有することを特徴とする光電変換システム。

【請求項37】

移動体であって、
請求項１乃至３５のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置からの信号に基づく視差画像から、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段と、
前記距離情報に基づいて前記移動体を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電変換装置、光電変換システム及び移動体に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、裏面照射型の光電変換装置が開示されている。裏面照射型の光電変換装置は、配線層が形成された側の面とは反対側の面から入射光を取り込むことができるように半導体基板が薄化されている。これにより、配線層での光の反射による損失の低減等の要因によって光電変換装置の感度が向上する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００３－０３１７８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

遮光膜で遮光されている画素を含むオプティカルブラック画素領域を有する光電変換装置がある。オプティカルブラック画素領域の画素は、黒レベルの基準信号を出力する。薄い半導体基板を有する裏面照射型の光電変換装置にこの構成を適用すると、遮光膜がない領域から入射された光が半導体基板を導波路としてオプティカルブラック画素領域に入射する場合がある。この場合、オプティカルブラック画素領域で取得される基準信号の誤差が増大し得る。

【0005】

本発明は、黒レベルの基準信号をより高精度に取得することができる光電変換装置、光電変換システム及び移動体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】

【0006】

本発明の一観点によれば、第１面及び第２面を有する半導体基板と、前記半導体基板に複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素と、前記半導体基板の前記第１面の一部を覆うように配された遮光層と、前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された配線層と、を有し、前記複数の画素は、前記第１面の側からの入射光に基づく画素信号を出力する第１画素と、黒レベルの基準信号を出力する第２画素とを含み、前記半導体基板は、前記遮光層によって遮光されていない第１領域と、前記遮光層によって遮光されており、前記第２画素が配された第２領域と、平面視において前記第１領域と前記第２領域の間に配された第３領域とを有し、前記第１領域に入射され、前記半導体基板を導波路として前記第２領域に伝搬する導波光を減衰させる減衰部材が前記第３領域に配されており、前記第１領域には、前記減衰部材が配されておらず、前記減衰部材は、前記第２面と前記配線層の間に配され、前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された行方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記行方向における長さよりも長く、前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された列方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記列方向における長さよりも長いことを特徴とする光電変換装置が提供される。

【0007】

本発明の他の一観点によれば、第１面及び第２面を有する半導体基板と、前記半導体基板に複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素と、前記半導体基板の前記第１面の一部を覆うように配された遮光層と、前記半導体基板に対して前記第２面の側に配された配線層と、を有し、前記複数の画素は、前記第１面の側からの入射光に基づく画素信号を出力する第１画素と、黒レベルの基準信号を出力する第２画素とを含み、前記半導体基板は、前記遮光層によって遮光されていない第１領域と、前記遮光層によって遮光されており、前記第２画素が配された第２領域と、平面視において前記第１領域と前記第２領域の間に配された第３領域とを有し、前記第１領域に入射され、前記半導体基板を導波路として前記第２領域に伝搬する導波光を減衰させる減衰部材が前記第３領域に配されており、前記平面視において、前記第１領域は、前記第２領域よりも前記半導体基板の外周側に配され、前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された行方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記行方向における長さよりも長く、前記半導体基板の前記第１面に平行な方向において、前記減衰部材の前記複数の画素が配された列方向における長さは、前記複数の画素のうちの１つの画素の前記列方向における長さよりも長いことを特徴とする光電変換装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、黒レベルの基準信号をより高精度に取得することができる光電変換装置、光電変換システム及び移動体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る画素の回路図である。

【図3】第１実施形態に係る半導体基板の平面模式図である。

【図4】第１実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。

【図5】第１実施形態に係る光電変換装置のＢ－Ｂ’線における断面模式図である。

【図6】第１実施形態に係る半導体基板内の導波光を説明する断面模式図である。

【図7】第１実施形態に係る光吸収部材への光の侵入量を説明する模式図である。

【図8】第１実施形態に係る半導体基板と光吸収部材の距離の影響を説明するグラフである。

【図9】第１実施形態に係る導波光の強度と伝搬距離の関係を示すグラフである。

【図10】第２実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。

【図11】第３実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。

【図12】第３実施形態に係る回折格子における光の反射を説明する断面模式図である。

【図13】第３実施形態に係る回折格子における光の反射率を示すグラフである。

【図14】第３実施形態に係る回折格子における光の反射率と回折格子の深さとの関係を示すグラフである。

【図15】第３実施形態に係る回折格子における光の反射率と回折格子のピッチとの関係を示すグラフである。

【図16】第３実施形態に係る導波光の強度と伝搬距離の関係を示すグラフである。

【図17】第４実施形態に係る撮像システムの構成例を示すブロック図である。

【図18】第５実施形態に係る撮像システム及び移動体の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。

【0011】

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る光電変換装置の概略構成を示すブロック図である。光電変換装置は、画素アレイ２０、垂直走査回路３０、列増幅回路４０、水平走査回路５０、制御回路６０及び出力回路７０を備える。これらの回路は１又は２以上の半導体基板上に形成され得る。なお、本実施形態の光電変換装置は、画像を取得する撮像装置であるものとするが、これに限定されるものではない。例えば、光電変換装置は、焦点検出装置、測距装置、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－Ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）カメラ等であってもよい。

【0012】

なお、本明細書において、「光」とはあらゆる波長の電磁波を含み得る。すなわち、「光」は、可視光に限定されるものではなく、赤外線、紫外線、Ｘ線等の不可視光を含み得る。

【0013】

画素アレイ２０は、複数の行及び複数の列をなすように配置された複数の画素１０を備える。垂直走査回路３０は、画素１０に含まれるトランジスタをオン（導通状態）又はオフ（非導通状態）に制御するための制御信号を画素１０の各行に設けられた制御信号線６を介して供給する走査回路である。垂直走査回路３０は、シフトレジスタ又はアドレスデコーダにより構成され得る。ここで、各画素１０に供給される制御信号は複数の種類の制御信号を含み得るため、各行の制御信号線６は複数の駆動配線の組として構成され得る。画素１０の各列には列信号線５が設けられており、画素１０からの信号が列ごとに列信号線５に読み出される。

【0014】

列増幅回路４０は列信号線５に出力された画素信号の増幅、相関二重サンプリング処理等の処理を行う。水平走査回路５０は、列増幅回路４０の増幅器に接続されたスイッチをオン又はオフに制御するための制御信号を供給する。水平走査回路５０は、シフトレジスタ又はアドレスデコーダにより構成され得る。出力回路７０はバッファアンプ、差動増幅器等から構成され、列増幅回路４０からの画素信号を撮像装置１の外部の信号処理部に出力する。なお、撮像装置１が、ＡＤ変換部を更に有することにより、デジタルの画像信号を出力し得る構成であってもよい。例えば、列増幅回路４０はＡＤ変換部を含み得る。制御回路６０は、垂直走査回路３０、列増幅回路４０、水平走査回路５０の動作タイミング等を制御する。

【0015】

図２は、本実施形態に係る画素１０の回路図である。画素１０は、光電変換部１１、フローティングディフュージョン（以下、ＦＤ）１２、転送トランジスタ１３、リセットトランジスタ１４、ソースフォロアトランジスタ（以下、ＳＦトランジスタ）１５及び選択トランジスタ１６を備える。これらのトランジスタは、制御電極としてゲート電極を有するＭＯＳトランジスタにより構成され得る。転送トランジスタ１３、リセットトランジスタ１４及び選択トランジスタ１６のゲートには、垂直走査回路３０から制御信号線６を介して、これらのトランジスタを制御するための制御信号が入力される。

【0016】

光電変換部１１は、光電変換により入射光に応じた電荷を生成するとともに、当該電荷を蓄積する光電変換素子である。光電変換部１１は半導体基板内に形成されたフォトダイオードにより構成され得る。光電変換部１１を構成するフォトダイオードのアノードは接地電位を有する接地電位線に接続されており、カソードは転送トランジスタ１３のソースに接続されている。

【0017】

転送トランジスタ１３のドレイン、リセットトランジスタ１４のソース及びＳＦトランジスタ１５のゲートはＦＤ１２に接続されている。転送トランジスタ１３は、オンとなることにより光電変換部１１の電荷をＦＤ１２に転送する。図２中のＦＤ１２に接続された容量は、ＦＤ１２に生じる容量を示している。この容量により、ＦＤ１２の電位は光電変換部１１から転送された電荷に応じて変化する。

【0018】

リセットトランジスタ１４のドレイン及びＳＦトランジスタ１５のドレインは、電源電位を有する電位線１７に接続されている。ＳＦトランジスタ１５のソースは、選択トランジスタ１６のドレインに接続されている。選択トランジスタ１６のソースは、列信号線５に接続されている。ＳＦトランジスタ１５は、列信号線５に接続された不図示の定電流源とともにソースフォロア回路を構成する。このソースフォロア回路は、ＦＤ１２の電圧に基づく信号を選択トランジスタ１６を介して列信号線５に出力する。リセットトランジスタ１４は、オンとなることによりＦＤ１２の電位をリセットする。

【0019】

画素１０の各々は、入射光が光電変換部１１に導かれるまでの光路上に配されたマイクロレンズ及びカラーフィルタを有している（マイクロレンズ及びカラーフィルタの配置については図４等を参照）。マイクロレンズは、入射光を光電変換部１１に集光する。カラーフィルタは、所定の色の光を選択的に透過する。

【0020】

図３は、本実施形態に係る半導体基板の平面模式図である。画素アレイ２０内には、有効画素領域１０１、オプティカルブラック画素領域１０２及びダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂが配されている。有効画素領域１０１（第１領域）は、入射光に基づく画素信号を出力する画素１０である有効画素（第１画素）が配されている領域である。オプティカルブラック画素領域１０２（第２領域）は、光電変換部１１が遮光層によって遮光されることにより、黒レベルの基準信号を出力する画素１０であるオプティカルブラック画素（第２画素）が配されている領域である。ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂ（第３領域）は、上述の画素信号と基準信号をいずれも出力しないダミー画素（第３画素）が配されている領域である。

【0021】

有効画素領域１０１は、画素アレイ２０が配されている半導体基板の中心付近に配されている。ダミー画素領域１０３ａは、有効画素領域１０１を囲うように配されている。オプティカルブラック画素領域１０２は、ダミー画素領域１０３ａを囲うように配されている。ダミー画素領域１０３ｂは、オプティカルブラック画素領域１０２を囲うように配されている。ダミー画素領域１０３ｂの外側のチップ端部１０５との間の領域には、外周領域１０４（第１領域）が配されている。すなわち、外周領域１０４は、オプティカルブラック画素領域１０２よりも半導体基板の外周側に配されている。外周領域１０４には、例えば、半導体基板と外部との導通のためのパッド及びパッドを形成するために遮光層が開口されている開口部が設けられている。

【0022】

このように、平面視において、オプティカルブラック画素領域１０２と有効画素領域１０１との間には、ダミー画素領域１０３ａが配されている。平面視において、オプティカルブラック画素領域１０２と外周領域１０４との間には、ダミー画素領域１０３ｂが配されている。ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂが配されていることにより、有効画素領域１０１又は外周領域１０４への入射光がオプティカルブラック画素領域１０２に入射されにくくなる。

【0023】

図４は、本実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。光電変換装置は、半導体基板２０１、絶縁層２０２、２０６、カラーフィルタ２０３、マイクロレンズ２０４、遮光層２０５、配線層２０７及び光吸収部材２０８を有している。

【0024】

半導体基板２０１は、第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２を有している。第１面Ｆ１は裏面と呼ばれることがあり、第２面Ｆ２は表面（おもて面）と呼ばれることもある。半導体基板２０１の主たる材料は、典型的にはシリコンである。半導体基板２０１は主たる材料としてシリコンを含んでいればよく、シリコン以外の材料が含まれていても良い。図２に示した光電変換部１１、各種トランジスタは、半導体基板２０１内の半導体領域に形成される。半導体基板２０１の厚さは、典型的には３μｍ程度である。

【0025】

絶縁層２０２は半導体基板２０１の第１面Ｆ１の上に配される。絶縁層２０２の材料は、典型的には酸化シリコンである。絶縁層２０２の半導体基板２０１とは反対側の面上には、カラーフィルタ２０３及びマイクロレンズ２０４が順に配されている。１つのカラーフィルタ２０３と１つのマイクロレンズ２０４とが複数の画素１０のうちの１つに対応して配されている。半導体基板２０１の第１面Ｆ１側から入射された光は、マイクロレンズ２０４、カラーフィルタ２０３及び絶縁層２０２を通過して半導体基板２０１の第１面Ｆ１に入射される。このように、本実施形態の光電変換装置は、半導体基板２０１の裏面側から入射される光を検出する構造を有しているため、裏面照射型と呼ばれる。

【0026】

オプティカルブラック画素領域１０２及びダミー画素領域１０３ａにおいて、第１面Ｆ１の上には絶縁層２０２を介して遮光層２０５が配されている。遮光層２０５の材料は、典型的には、アルミニウムであり、遮光層２０５の厚さは、典型的には２００ｎｍ程度である。

【0027】

オプティカルブラック画素領域１０２及びダミー画素領域１０３ａのマイクロレンズ２０４に入射された光は、遮光層２０５によって遮光されるため、半導体基板２０１に入射されない。これにより、オプティカルブラック画素領域１０２内の画素１０は、黒レベルの基準信号を出力することができる。

【0028】

一方、有効画素領域１０１においては、遮光層２０５が配されていないため、有効画素領域１０１のマイクロレンズ２０４に入射された光は、半導体基板２０１に入射される。これにより、有効画素領域１０１内の画素１０は、入射光に基づく画素信号を出力することができる。

【0029】

絶縁層２０６は半導体基板２０１の第２面Ｆ２の上に配される。絶縁層２０６の材料は、典型的には酸化シリコンである。半導体基板２０１の第２面Ｆ２の上には、絶縁層２０６を介して配線層２０７が配される。裏面照射型の光電変換装置は、配線層２０７が配されている側の面（表面）とは反対側の面（裏面）から光が入射される構造であるため、配線層２０７で入射光が反射することに起因する損失が抑制されている。

【0030】

光吸収部材２０８は、ダミー画素領域１０３ａにおいて、第２面Ｆ２の上に長さＬにわたって配されている。長さＬを定義する向きは、第１面Ｆ１又は第２面Ｆ２に平行な方向である。光吸収部材２０８の材料は、半導体基板２０１を伝搬する光を吸収する材料であればよく、典型的には、アルミニウム、タングステン等の金属である。なお、光吸収部材２０８の材料としてアルミニウムあるいはタングステンを用いる場合、そのほかの金属をさらに含んでいても良い。光吸収部材２０８の厚さは、典型的には１５０ｎｍ程度である。光吸収部材２０８を設けることによる効果については後述する。

【0031】

図５は、本実施形態に係る光電変換装置のＢ－Ｂ’線における断面模式図である。ダミー画素領域１０３ａと同様に、ダミー画素領域１０３ｂにおいては、第１面Ｆ１の上には絶縁層２０２を介して遮光層２０５が配されている。また、ダミー画素領域１０３ａと同様に、ダミー画素領域１０３ｂにおいては、光吸収部材２０８が第２面Ｆ２の上に配されている。

【0032】

また、有効画素領域１０１と同様に、外周領域１０４においては、遮光層２０５が配されていないため、外周領域１０４のマイクロレンズ２０４に入射された光は、半導体基板２０１に入射される。外周領域１０４は、半導体基板２０１と外部との導通のためのパッドの形成等が行われる領域であるため、図５に示されているように外周領域１０４の少なくとも一部において遮光層２０５が開口されている。有効画素領域１０１及び外周領域１０４は、入射光が遮光層２０５によって遮光されない領域であるため、これらの総称として、非遮光領域（第１領域）と呼ばれることもある。

【0033】

次に、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂにおいて光吸収部材２０８を設けることによる効果を説明する。非遮光領域から入射された光は、半導体基板２０１を導波路としてオプティカルブラック画素領域１０２に伝搬される場合がある。図６は、本実施形態に係る半導体基板内の導波光を説明する断面模式図である。伝搬角θが全反射条件を満たす場合、導波光２０９は、半導体基板２０１の内部で全反射を繰り返すことにより、半導体基板２０１内に閉じ込められて面方向に導波する。導波光は、半導体基板２０１の内部を伝搬する過程で徐々に半導体基板２０１に吸収されて減衰するものの、吸収されずに残った光がオプティカルブラック画素領域１０２に入射することがある。この場合、黒レベルの基準信号のレベルが変動し、精度が低下する場合がある。特に、裏面照射型では、半導体基板２０１が薄いため、半導体基板２０１の内部での導波が生じやすく、この要因による精度低下が顕著になり得る。

【0034】

半導体基板２０１の材料がシリコンである場合、シリコンが光を吸収することによる光の減衰の程度は、光の波長に依存する。例えば、波長５５０ｎｍの可視光に対するシリコンの吸収係数は約７０００ｃｍ^－１であり、シリコン中を１μｍ伝搬すると光強度は約半分に減衰する。一方、波長１０００ｎｍの近赤外光に対する吸収係数は約１００ｃｍ^－１であり、シリコン中を１μｍ伝搬したときの吸収率は０．５％程度である。光強度を半分に減衰させるためには波長５５０ｎｍの約７０倍の７０μｍの伝搬距離が必要となる。以上の理由により、一般的に可視光に比べて近赤外光の方がシリコン内で減衰せずにオプティカルブラック画素領域１０２まで到達する割合が高く、精度低下の要因となりやすい。

【0035】

オプティカルブラック画素領域１０２に到達する光を低減するためには、非遮光領域とオプティカルブラック画素領域１０２との間の距離、すなわち、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂを長くすればよい。しかしながら、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂを長くすることはチップサイズの増大又は有効画素数の減少の要因になるため好ましくない場合もある。特に、上述のように、近赤外光を減衰させるためには長い距離が必要となるため、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂを配置することだけではオプティカルブラック画素領域１０２に到達する光を十分に低減するためには不十分である場合もある。

【0036】

そこで、本実施形態では、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂにおいて光吸収部材２０８が配されている。これにより、半導体基板２０１を導波路として導波光が伝搬される際に、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂで減衰される割合を大きくすることができ、オプティカルブラック画素領域１０２に入射される導波光の強度を小さくすることができる。したがって、本実施形態によれば、黒レベルの基準信号をより高精度に取得することができる光電変換装置が提供される。

【0037】

導波光の減衰をより効果的なものとするためには、光吸収部材２０８の材料は、半導体基板２０１の材料よりも吸収係数が大きい材料であることが望ましい。波長１０００ｎｍにおいて、シリコンの吸収係数は約１００ｃｍ^－１であるのに対し、アルミニウムの吸収係数は約１．２×１０^６ｃｍ^－１であり、タングステンの吸収係数は約４．３×１０^５ｃｍ^－１である。このように、アルミニウム、タングステン等の金属は、シリコンに比べて吸収係数がはるかに大きい。したがって、半導体基板２０１がシリコンである場合には、光吸収部材２０８の材料がアルミニウム、タングステン等の金属であれば、上述の条件が満たされる。

【0038】

光吸収部材２０８は、減衰量を十分に確保する観点から、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂ内に可能な限り広範囲に設けられていることが望ましい。より具体的には、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂは、最低でも１画素の長さよりも長いことから、光吸収部材２０８の長さＬも１画素分の長さよりも長いことが望ましい。

【0039】

光吸収部材２０８は、有効画素領域１０１及びオプティカルブラック画素領域１０２には配されていない。有効画素領域１０１及びオプティカルブラック画素領域１０２には、画素１０を構成する回路等が配置されるためである。なお、外周領域１０４には、光吸収部材２０８は配されていてもよく、配されていなくてもよい。

【0040】

次に、光吸収部材２０８の材料、配置等についてのより好ましい形態について、シミュレーション結果を適宜示しつつ説明する。なお、以下のシミュレーション等において、半導体基板２０１の材料はシリコンであるものとする。シリコン中を導波する光には、異なる伝搬角で伝搬する複数の導波モードが存在する。また、偏光方向の違いによりＴＥモードとＴＭモードが存在する。これらのモードに応じて導波モードの伝搬損失は異なる。ここでは、そのうちの典型的な１つのモードとして、ＴＥモードでかつ伝搬角４５°付近のモードの計算結果を示す。ここで言う伝搬角とは、水平方向に対して光の進行方向がなす角（図６におけるθ）と定義する。

【0041】

この導波モードにおいて、波長１０００ｎｍにおける伝搬損失を計算した結果、光吸収部材２０８を設けない場合、つまりシリコンの吸収のみの場合、導波モードの伝搬損失は１４０ｃｍ^－１であった。一方、光吸収部材２０８としてアルミニウムを用いた場合の導波モードの伝搬損失は３６０ｃｍ^－１であった。また、光吸収部材２０８としてタングステンを用いた場合の導波モードの伝搬損失は１８４０ｃｍ^－１であった。

【0042】

上述の計算結果を用いて、特定の距離、例えば３０μｍの距離を光が伝搬した場合の光強度は、光吸収部材２０８を設けない場合には０．６６倍に減衰する。これに対し、光吸収部材２０８としてアルミニウムを用いた合には光強度は０．３４倍に減衰し、光吸収部材２０８としてタングステンを用いた場合には光強度は０．００４倍に減衰する。このように、光吸収部材２０８を設けない場合に比べ、光吸収部材２０８としてアルミニウムを用いた場合は光強度を約半分にすることができ、光吸収部材２０８としてタングステンを用いた場合は光強度を約１６５分の１に低減することができる。

【0043】

上述のように、材料自体の吸収係数の大きさは、アルミニウムの方がタングステンより大きい。それにも関わらず光吸収部材２０８としてアルミニウムを用いた場合よりもタングステンを用いた場合の方が伝搬損失が大きくなる理由について、図７（ａ）及び図７（ｂ）を用いて説明する。

【0044】

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本実施形態に係る光吸収部材２０８への光の侵入量を説明する模式図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、波長１０００ｎｍにおける導波モードの、半導体基板２０１（シリコン）と光吸収部材２０８（アルミニウム又はタングステン）との界面付近の光強度の分布を計算した結果を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）の縦軸は厚さ方向の位置を示しており、横軸は導波モードの光強度を示している。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）の曲線は光強度の分布を示している。この曲線において、各層におけるハッチングされた部分の面積が大きい程、その層に多くの導波光が伝搬しているといえる。

【0045】

図７（ａ）は、光吸収部材２０８としてアルミニウムが設けられている場合の光強度分布を示しており、図７（ｂ）は、光吸収部材２０８としてタングステンが設けられている場合の光強度分布を示している。いずれの分布においても、半導体基板２０１から光吸収部材２０８に染み出した光（エバネッセント波）は指数関数的に減衰している。しかしながら、図７（ａ）と図７（ｂ）を対比すると、光吸収部材２０８がタングステンである場合に比べて、光吸収部材２０８がアルミニウムである場合の方が、光吸収部材２０８への光の侵入量が少ないことがわかる。

【0046】

光の侵入量に差が生じる理由は、アルミニウムの屈折率（ｎ＝１．３５）がタングステンの屈折率（ｎ＝３．０４）に比べて小さいためである。半導体基板２０１を構成するシリコンの屈折率（ｎ＝３．５８）との差が大きいほど、半導体基板２０１を導波する光が光吸収部材２０８に染み出す量が小さくなり、結果として光吸収量が小さくなる。したがって、光吸収部材２０８の材料としては、タングステンの方がアルミニウムよりも好適である。以上説明したように、光吸収部材２０８の材料の選定にあたっては、材料自身の吸収係数だけでなく、半導体基板２０１との屈折率の関係も考慮する必要がある。

【0047】

次に、半導体基板２０１と光吸収部材２０８との間の距離による伝搬損失への影響について説明する。上述の伝搬損失の計算結果は、半導体基板２０１と光吸収部材２０８とが接している場合のものである。しかしながら、半導体基板２０１と光吸収部材２０８とが接していない場合、すなわち、両者の間に別の層が挟まれている場合であっても、伝搬損失を増大させる効果はある。ただし、半導体基板２０１から染み出すエバネッセント波が十分に存在する範囲に光吸収部材２０８を配する必要がある。また、十分な伝搬損失を得るためには、半導体基板２０１に近い位置に光吸収部材２０８を配することが望ましい。

【0048】

図８は、半導体基板２０１と光吸収部材２０８の距離の影響を説明するグラフである。図８の横軸は、半導体基板２０１（シリコン）と光吸収部材２０８（タングステン）の間の距離を示している。ここで、半導体基板２０１と光吸収部材２０８との間には酸化シリコンが配されている。すなわち、図８の横軸は、酸化シリコンの厚さである。図８の縦軸は、伝搬損失を示している。図８に示されているように、半導体基板２０１と光吸収部材２０８の距離が離れるにしたがって伝搬損失が減少し、光吸収部材２０８を設けない場合の伝搬損失（１４０ｃｍ^－１）に漸近する。

【0049】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は１００ｎｍ以下であることが望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を２倍大きくすることができる。

【0050】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は８０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を２．５倍大きくすることができる。

【0051】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は７０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を３倍大きくすることができる。

【0052】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は５０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を４倍大きくすることができる。

【0053】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は４０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を５倍大きくすることができる。

【0054】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は２０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を８倍大きくすることができる。

【0055】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離は１０ｎｍ以下であることが更に望ましく、その場合、光吸収部材２０８を設けない場合に比べて伝搬損失を１０倍大きくすることができる。

【0056】

半導体基板２０１と光吸収部材２０８の間の距離がゼロ、すなわち、半導体基板２０１と光吸収部材２０８が接していることが更に望ましく、その場合、伝搬損失を最大化することができる。

【0057】

このように、光吸収部材２０８は半導体基板２０１のできるだけ近傍に配置することが望ましい。通常、電気的な接続等に用いられる配線層２０７のうちの最も半導体基板２０１に近い層であっても、半導体基板２０１から上述した距離よりも離れた位置に配されている。そのため、光吸収部材２０８は、配線層２０７とは共用せず、配線層２０７よりも半導体基板２０１に近い位置に設けることが望ましい。

【0058】

半導体基板２０１内の導波光は、伝搬距離と単位長さあたりの伝搬損失の積に応じて指数関数的に減衰する。図９は、本実施形態に係る導波光の強度と伝搬距離の関係を示すグラフである。図９の計算においては、半導体基板２０１（シリコン）の第２面Ｆ２に接するように光吸収部材２０８（タングステン）が配されている。光吸収部材２０８の厚さは１５０ｎｍであり、半導体基板２０１の厚さは３μｍである。半導体基板２０１の上下の絶縁層２０２、２０６の材料は酸化シリコンである。図９のグラフの縦軸は波長１０００ｎｍの光に対する導波光の強度を示しており、横軸は伝搬距離を示している。また、図９には、光吸収部材２０８を配置していない場合のグラフが破線で示されており、光吸収部材２０８が配置されている場合のグラフが実線で示されている。なお、縦軸の値は、伝搬距離が０のときの強度によって規格化されている。

【0059】

図９の破線により示されているように、光吸収部材２０８が配置されていない場合であっても、半導体基板２０１自体の吸収のため、伝搬距離に応じて光強度が徐々に低下する。しかしながら、仮に３００μｍ伝搬したとしても約１％の光が吸収されずに残る。一方、光吸収部材２０８が配置されている場合は伝搬距離が約３０μｍにおいて光強度が１％以下に低減される。伝搬距離、すなわち、光吸収部材２０８が設けられる長さＬは、導波光をどれだけ減衰させる必要があるかに応じて決定される。

【0060】

光吸収部材２０８を設ける長さは１５μｍ以上であることが望ましく、その場合、導波光の強度を１／１０に低減させることができる。

【0061】

光吸収部材２０８を設ける長さは３０μｍ以上であることが更に望ましく、その場合、導波光の強度を１／１００に低減させることができる。

【0062】

光吸収部材２０８を設ける長さは４５μｍ以上であることが更に望ましく、その場合、導波光の強度を１／１０００に低減させることができる。

【0063】

上述の長さは、一般に光電変換装置の１画素以上の長さである。したがって、光吸収部材２０８を設ける長さＬは１画素以上にわたっていることが望ましい。なお、光吸収部材２０８の一部が途切れていてもよく、その場合であっても、合計の長さが上述の値を満たしていれば同等の効果を得ることができる。

【0064】

オプティカルブラック画素領域１０２に光が侵入する経路は、図３及び図４における有効画素領域１０１からの経路と、オプティカルブラック画素領域１０２の外側、すなわち図３及び図５における外周領域１０４からの経路がある。したがって、光吸収部材２０８は、有効画素領域１０１とオプティカルブラック画素領域１０２の間のダミー画素領域１０３ａと、オプティカルブラック画素領域１０２と外周領域１０４の間のダミー画素領域１０３ｂとの両方に配置されていることが望ましい。

【0065】

また、図４及び図５に示されている構造図では、図３のＡ－Ａ’線及びＢ－Ｂ’線、すなわち、図３の横方向の断面のみが示されている。しかしながら、図３の縦方向の断面においても同様の構造を有していることが望ましい。すなわち、図３の縦方向の断面においても光吸収部材２０８が図４及び図５と同様に設けられていることが望ましい。この場合、図３において縦方向にオプティカルブラック画素領域１０２に侵入する導波光の影響を低減することができる。

【0066】

［第２実施形態］
本実施形態の光電変換装置は、第１実施形態における光吸収部材２０８が設けられる位置を変えた変形例である。光吸収部材２０８の位置が異なること以外の装置構造は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

【0067】

図１０は、本実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。本実施形態においては、光吸収部材２０８は、ダミー画素領域１０３ａにおいて第１面Ｆ１と遮光層２０５の間に配されている。言い換えると、半導体基板２０１の第１面Ｆ１の側には、光吸収部材２０８と遮光層２０５の積層構造が設けられている。

【0068】

本実施形態の構成においても、第１実施形態と同様のメカニズムにより、半導体基板２０１を導波路とする導波光が光吸収部材２０８によって減衰する。したがって、本実施形態の構成においても、第１実施形態と同様に黒レベルの基準信号をより高精度に取得することができる光電変換装置が提供される。

【0069】

光吸収部材２０８と遮光層２０５には異なる性能が要求されるため、これらは異なる材料であることが望ましい。より具体的には、光吸収部材２０８の材料がタングステンであり、遮光層２０５の材料がアルミニウムであることが望ましい。その理由について詳細に説明する。

【0070】

第１実施形態で述べたように、材料自体の吸収係数としては、タングステンの吸収係数よりもアルミニウムの吸収係数の方が大きい。したがって、入射面からオプティカルブラック画素領域１０２への入射光を遮光する遮光層２０５の材料としては、タングステンよりもアルミニウムの方が好適である。これに対し、半導体基板２０１内の導波光に対する減衰の効果は、吸収係数だけでなく、屈折率にも依存する。この影響により、第１実施形態で述べたように、光吸収部材２０８の材料としては、アルミニウムよりもタングステンの方が好適である。光吸収部材２０８の材料がタングステンであり、遮光層２０５の材料がアルミニウムである構成を採用することにより、これらを両立することができる。

【0071】

光吸収部材２０８が設けられる層は、図１０に示したものに限定されるものではないが、図１０に示されているように半導体基板２０１の第１面Ｆ１と遮光層２０５の間の層であることが望ましい。遮光層２０５による遮光の効果は半導体基板２０１との距離にあまり依存しないため、遮光層２０５と半導体基板２０１との距離はある程度離れていてもよい。これに対し、第１実施形態で述べたように、光吸収部材２０８と半導体基板２０１との距離の伝搬損失に対する影響は大きいため、光吸収部材２０８と半導体基板２０１との距離はできる限り近いことが望ましい。そのため、光吸収部材２０８は、半導体基板２０１の第１面Ｆ１と遮光層２０５の間に配されていることが望ましい。なお、遮光層２０５と光吸収部材２０８は接していてもよく、これらの間に酸化シリコン等の別の層が配されていてもよい。

【0072】

［第３実施形態］
本実施形態の光電変換装置は、第１実施形態における光吸収部材２０８に代えて回折格子２１０が設けられている変形例である。光吸収部材２０８が回折格子２１０に置き換えられている点以外の装置構造は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

【0073】

図１１は、本実施形態に係る光電変換装置のＡ－Ａ’線における断面模式図である。本実施形態においては、第１実施形態の光吸収部材２０８に代えて、回折格子２１０が半導体基板２０１の第２面Ｆ２の近傍に配されている。回折格子２１０は、導波光の一部を回折させて半導体基板２０１の外部に漏出させることにより、導波光を減衰させる。

【0074】

回折格子２１０が導波光の一部を回折させて半導体基板２０１の外部に漏出させるメカニズムについて、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照して説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本実施形態に係る回折格子２１０における光の反射を説明する図である。

【0075】

図１２（ａ）は、回折格子２１０が設けられていない場合における半導体基板２０１の界面での反射を示している。半導体基板２０１の内側から界面に光が入射される場合、入射角δが全反射条件を満たしていれば図１２（ａ）に示されているように、界面において全反射が起こり、光は半導体基板２０１内に閉じ込められる。

【0076】

図１２（ｂ）は、回折格子２１０が設けられている場合における半導体基板２０１の界面での反射を示している。このとき、半導体基板２０１の内側から回折格子２１０に光が入射されると、光の一部が回折により伝搬角度が変化して全反射条件を満たさなくなる。そのため、図１２（ｂ）に示されているように、導波光の一部が半導体基板２０１の外部に漏出する。このように回折格子を用いて導波光を外に取り出す技術は、グレーティングカップラと呼ばれている。

【0077】

回折格子２１０は、屈折率を周期的に変調させるように構成する。回折格子２１０の材料は、誘電体材料、半導体材料又は金属材料であり得る。回折格子２１０は、導波光が回折格子２１０に入射される位置に配される。

【0078】

回折格子２１０は、例えば、導波路である半導体基板２０１の表面に直接形成され得る。半導体基板２０１の表面に回折格子２１０を直接形成する手法の一例としては、半導体基板２０１の表面に酸化シリコンのトレンチを周期的に形成するというものが挙げられる。トレンチは、半導体デバイスにおいて一般的に用いられているシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）と同様の工程によって形成することができる。

【0079】

半導体基板２０１に回折格子２１０を直接形成せず、半導体基板２０１の近傍に回折格子２１０を形成してもよい。その場合、回折格子２１０は、半導体基板２０１からエバネッセント波として光が染み出す程度の近傍に設けられる。半導体基板２０１の近傍に回折格子２１０を形成する手法の一例としては、半導体基板２０１の表面に酸化シリコンを間に挟んでポリシリコンの回折格子２１０を形成するというものが挙げられる。酸化シリコンの厚さが十分に薄ければエバネッセント波がポリシリコンの回折格子２１０にまで染み出すため、光の回折が生じる。ポリシリコンの回折格子２１０は、半導体デバイスにおいて一般的に用いられているポリシリコンゲートと同様の工程によって形成することができる。

【0080】

半導体基板２０１の近傍に回折格子２１０を形成する手法の別の例としては、金属層（例えば、タングステン）により形成された回折格子２１０を半導体基板２０１の近傍に配するというものも挙げられる。金属層によって形成された回折格子２１０は、回折により導波光を漏出させる効果と導波光を吸収する効果の両方を有するため、半導体基板２０１の伝搬損失をより大きくすることができる。第１実施形態で述べたようにタングステンは光吸収部材２０８の材料として好適であるため、回折格子２１０用の金属層の材料としても好適である。

【0081】

回折格子２１０は、有効画素領域１０１及びオプティカルブラック画素領域１０２には配されていない。有効画素領域１０１及びオプティカルブラック画素領域１０２には、画素１０を構成する回路等が配置されるためである。なお、外周領域１０４には、回折格子２１０が配されていてもよく、配されていなくてもよい。

【0082】

図１３は、本実施形態に係る回折格子２１０における光の反射率を示すグラフである。図１３の縦軸は反射率を示しており、図１３の横軸は図１２（ａ）のδにより示されている入射角を示している。図１３の実線は回折格子２１０に波長１０００ｎｍの光が半導体基板２０１側から入射した場合の反射率の計算結果を示しており、図１３の破線は回折格子２１０がない場合の比較例の計算結果を示している。なお、半導体基板２０１の材料はシリコンであり、回折格子２１０は、シリコンの表面に酸化シリコンによって形成されたトレンチである。トレンチの深さは２００ｎｍであり、トレンチの幅は３００ｎｍであり、トレンチのピッチは６００ｎｍである。

【0083】

回折格子２１０が設けられていない場合、全反射が起こる臨界角（シリコンと酸化シリコンの界面では２３．９°）以上の角度で入射した光は１００％反射されている。そのため、臨界角以上の角度の光は全反射を繰り返して半導体基板２０１内を導波する。一方、回折格子２１０が設けられている場合、臨界角以上の光であっても反射率が１００％にならず、半導体基板２０１の外側に光が漏れる。これは上述のように回折により一部の光の伝搬角度が変化して臨界角以下となることにより、全反射しない成分が生じるためである。

【0084】

図１３に示した反射率は一例であり、反射率は回折格子２１０の深さ、ピッチ等の形状にも影響される。図１４は、本実施形態に係る回折格子２１０における光の反射率と回折格子２１０の深さとの関係を示すグラフである。図１４には、トレンチの深さを０～３００ｎｍの範囲で変えた場合の、反射率の計算結果が示されている。なお、光の波長は１０００ｎｍ、回折格子２１０のトレンチの幅は３００ｎｍ、トレンチのピッチは６００ｎｍである。

【0085】

トレンチの深さが０～２００ｎｍの範囲の計算結果を比較すると、溝の深さが深くなるほど臨界角以上での反射率の低減効果が大きいことがわかる。しかしながら、トレンチの深さが２００ｎｍの場合とトレンチの深さが３００ｎｍの場合とを比較すると、反射率の低減効果はほぼ同等であることがわかる。この結果より、回折格子２１０のトレンチがある臨界値（本例では２００ｎｍ程度）の範囲まではトレンチが深いほど光を漏出させる効果が向上するが、その臨界値を超えるとそれ以上トレンチを深くしても光を漏出させる効果は飽和するといえる。したがって、反射率の低減効果を十分に得るためには、トレンチの深さは、２００ｎｍ以上であることが望ましい。

【0086】

図１５は、本実施形態に係る回折格子２１０における光の反射率と回折格子２１０のピッチとの関係を示すグラフである。図１５には、トレンチのピッチを４００～７００ｎｍの範囲で変えた場合の、反射率の計算結果が示されている。なお、光の波長は１０００ｎｍ、回折格子２１０のトレンチの幅はピッチの半分、トレンチの深さは２００ｎｍである。

【0087】

図１５の計算結果から理解されるように、ピッチを変えることにより、反射率の低減効果が変化する。最適なピッチは屈折率、波長等に依存して変化し得るが、上述の計算条件の下ではピッチが６００ｎｍの場合が最も反射率を低減する効果が高いという結果が得られている。

【0088】

図１６は、導波光の強度と伝搬距離の関係を示すグラフである。図１６のグラフの縦軸は導波光の強度を示しており、横軸は伝搬距離を示している。図１６の計算においては、半導体基板２０１（シリコン）の第１面Ｆ１に酸化シリコンにより構成されたトレンチにより回折格子２１０が配されている。光の波長は１０００ｎｍ、入射角は４５°、トレンチの深さは２００ｎｍ、トレンチの幅は３００ｎｍ、トレンチのピッチは６００ｎｍである。この構成では光が回折格子２１０で１回反射されるごとに約３４％の光が半導体基板２０１の外側に漏出する。なお、この計算では半導体基板２０１を構成するシリコンによる光の吸収は無視しており、回折格子２１０による効果のみを考慮している。

【0089】

図１６の計算結果から理解されるように、伝搬距離に応じて導波光が減衰する。必要な伝搬距離、すなわち、回折格子２１０が設けられる長さＬは、導波光をどれだけ減衰させる必要があるかに応じて決定される。

【0090】

回折格子２１０を設ける長さは３５μｍ以上であることが望ましく、その場合、導波光の強度を１／１０に低減させることができる。

【0091】

回折格子２１０を設ける長さは７０μｍ以上であることが更に望ましく、その場合、導波光の強度を１／１００に低減させることができる。

【0092】

回折格子２１０を設ける長さは１０５μｍ以上であることが更に望ましく、その場合、導波光の強度を１／１０００に低減させることができる。

【0093】

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による撮像システムについて、図１７を用いて説明する。図１７は、本実施形態による撮像システムの概略構成を示すブロック図である。図１７に示す撮像装置１は、上述の第１乃至第３実施形態で述べた光電変換装置である。すなわち、本実施形態による撮像システム５００は、上述の第１乃至第３実施形態で述べた光電変換装置が適用され得る光電変換システムの一例である。

【0094】

本実施形態による撮像システム５００は、特に限定されるものではないが、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルカムコーダ、カメラヘッド、複写機、ファックス、携帯電話、車載カメラ、観測衛星等に適用可能である。

【0095】

撮像システム５００は、図１７に示すように、撮像装置１、レンズ５０２、絞り５０４、バリア５０６、信号処理部５０８、タイミング発生部５２０、全体制御・演算部５１８を有している。撮像システム５００は、また、メモリ部５１０、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５１６、外部Ｉ／Ｆ部５１２を有している。

【0096】

レンズ５０２は、被写体の光学像を撮像装置１の画素アレイ２０に結像するためのものである。絞り５０４は、レンズ５０２を通った光量を可変にするためのものである。バリア５０６は、レンズ５０２の保護のためのものである。撮像装置１は、先の実施形態で説明した光電変換装置であって、レンズ５０２により結像された光学像に基づく信号を信号処理部５０８に出力するものである。

【0097】

信号処理部５０８は、撮像装置１より出力される信号に対して、所望の処理、補正、データ圧縮等を行うものである。信号処理部５０８は、撮像装置１と同じ基板に搭載されていてもよいし、別の基板に搭載されていてもよい。また、信号処理部５０８の一部の機能が撮像装置１と同じ基板に搭載され、信号処理部５０８の他の一部の機能が別の基板に搭載されていてもよい。また、撮像装置１はデジタル信号ではなく、ＡＤ変換前のアナログ信号を出力するものであってもよい。その場合、信号処理部５０８には、ＡＤ変換器が更に含まれ得る。

【0098】

タイミング発生部５２０は、撮像装置１及び信号処理部５０８に、各種タイミング信号を出力するためのものである。全体制御・演算部５１８は、撮像システム５００の全体の駆動及び演算処理を司る制御部である。ここで、タイミング信号等の制御信号は撮像システム５００の外部から入力されてもよく、撮像システム５００は、少なくとも撮像装置１と、撮像装置１から出力された信号を処理する信号処理部５０８とを有していればよい。

【0099】

メモリ部５１０は、画像データを一時的に記憶するためのフレームメモリ部である。記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５１６は、記録媒体５１４への記録或いは記録媒体５１４からの読み出しを行うためのインターフェース部である。外部Ｉ／Ｆ部５１２は、外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。記録媒体５１４は、撮像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。

【0100】

このようにして、第１乃至第３実施形態による光電変換装置を適用した撮像システム５００を構成することにより、高品質な画像を取得し得る高性能の撮像システム５００を実現することができる。

【0101】

［第５実施形態］
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、本実施形態による撮像システム６００及び移動体の構成を示す図である。図１８（ａ）は、車載カメラに関する撮像システム６００の一例を示したものである。撮像システム６００は、上述の第１乃至第３実施形態のいずれかに記載の光電変換装置の一例である撮像装置１を有する。撮像システム６００は、撮像装置１により取得された複数の画像データに対し、画像処理を行う画像処理部６１２と、撮像システム６００により取得された複数の画像データから視差（視差画像の位相差）の算出を行う視差算出部６１４を有する。また、撮像システム６００は、算出された視差に基づいて対象物までの距離を算出する距離計測部６１６と、算出された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部６１８と、を有する。ここで、視差算出部６１４及び距離計測部６１６は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、視差、デフォーカス量、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部６１８はこれらの距離情報のいずれかを用いて、衝突可能性を判定してもよい。距離情報取得手段は、専用に設計されたハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアモジュールによって実現されてもよい。また、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等によって実現されてもよいし、これらの組合せによって実現されてもよい。

【0102】

撮像システム６００は、車両情報取得装置６２０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、撮像システム６００には、衝突判定部６１８での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ６３０が接続されている。すなわち、制御ＥＣＵ６３０は、距離情報に基づいて移動体を制御する移動体制御手段の一例である。また、撮像システム６００は、衝突判定部６１８での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置６４０とも接続されている。例えば、衝突判定部６１８の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ６３０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置６４０は、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える等によりユーザに警告を行う。

【0103】

本実施形態では、車両の周囲、例えば前方又は後方を撮像システム６００で撮像する。図１８（ｂ）に、車両前方（撮像範囲６５０）を撮像する場合の撮像システム６００の構成を示す。車両情報取得装置６２０は、撮像システム６００を動作させ撮像を実行させるように指示を送る。

【0104】

このようにして、第１乃至第３実施形態による光電変換装置を適用した撮像システム６００及び移動体を構成することにより、高品質の画像を取得し得る高性能の撮像システム６００及び高精度に制御を行い得る移動体を実現することができる。

【0105】

以上の説明では、他の車両と衝突しないように制御する例を述べたが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、撮像システムは、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、産業用ロボット等の移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

【0106】

［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。

【0107】

第１実施形態及び第２実施形態では、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂに光吸収部材２０８が設けられており、第３実施形態では、ダミー画素領域１０３ａ、１０３ｂに回折格子２１０が設けられている。これらの光吸収部材２０８及び回折格子２１０は、本発明に適用可能な減衰部材の一例である。しかしながら、本発明に適用可能な減衰部材はこれらに限定されるものではない。すなわち、オプティカルブラック画素領域１０２に伝搬する導波光を減衰させることができるものであれば、減衰部材の構造は、第１乃至第３実施形態で述べた光吸収部材２０８又は回折格子２１０に限定されない。

【0108】

第１実施形態では、光吸収部材２０８が半導体基板２０１の第２面Ｆ２に配されており、第２実施形態では、光吸収部材２０８が半導体基板２０１の第１面Ｆ１に配されているが、これらを組み合わせてもよい。すなわち、光吸収部材２０８が半導体基板２０１の第１面Ｆ１と第２面Ｆ２の両面に配されていてもよい。この場合、半導体基板２０１の両面で導波光が吸収されるため、オプティカルブラック画素領域１０２に入射される導波光の強度を更に小さくすることができる。

【0109】

第１実施形態及び第２実施形態の光吸収部材２０８と第３実施形態の回折格子２１０を組み合わせてもよい。例えば、第１面Ｆ１に光吸収部材２０８が配され、第２面Ｆ２に回折格子２１０が配される構成であってもよい。この場合も、光吸収部材２０８と回折格子２１０の一方のみを設ける場合と比べてオプティカルブラック画素領域１０２に入射される導波光の強度を更に小さくすることができる。

【0110】

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

【0111】

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を、他の実施形態に追加した実施形態、あるいは他の実施形態の一部の構成と置換した実施形態も本発明を適用し得る実施形態であると理解されるべきである。

【符号の説明】

【0112】

１０ 画素
１０１ 有効画素領域
１０２ オプティカルブラック画素領域
１０３ａ、１０３ｂ ダミー画素領域
１０４ 外周領域
２０１ 半導体基板
２０５ 遮光層
２０７ 配線層
２０８ 光吸収部材
２１０ 回折格子
Ｆ１ 第１面
Ｆ２ 第２面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】