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(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】2024-09-30
(45)【発行日】2024-10-08
(54)【発明の名称】撮像素子及び撮像装置
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20241001BHJP
H04N 25/70 20230101ALI20241001BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20241001BHJP
G02B 1/118 20150101ALI20241001BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20241001BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H04N25/70
G02B3/00 A
G02B1/118
G02B5/18
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2022557229
(86)(22)【出願日】2020-10-12
(86)【国際出願番号】 JP2020038458
(87)【国際公開番号】W WO2022079756
(87)【国際公開日】2022-04-21
【審査請求日】2023-01-26
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】宮田 将司
(72)【発明者】
【氏名】根本 成
(72)【発明者】
【氏名】中島 光雅
(72)【発明者】
【氏名】橋本 俊和
【審査官】今井 聖和
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１８４９８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０９４１７８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００９－１５７３９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２３２５９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３３５７２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０９２６３２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０３３０５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７９１７８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－０１５４２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０５１８６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３６５６４０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００６４４４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００９－１３５２３６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
Ｈ０４Ｎ ２５／７０
Ｇ０２Ｂ ３／００
Ｇ０２Ｂ １／１１８
Ｇ０２Ｂ ５／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
各々が複数の光電変換素子を含み、２次元方向に配置された複数の光電変換素子群と、前記複数の光電変換素子群に対向し、前記２次元方向を面方向として延在する透明層と、
前記透明層上又は前記透明層内において、前記複数の光電変換素子群に対応して前記透明層の面方向に配置された複数の構造体群と、
を備え、
前記複数の構造体群の各々は、同じパターンで配置された複数の構造体を含み、対応する前記光電変換素子群の光電変換素子それぞれに向けて入射光を分光するように配置され、
平面視したときに、対応する前記光電変換素子群と前記構造体群との相対位置が、２次元上の位置に応じて異なっていることを特徴とする、
撮像素子。
【請求項2】
前記２次元上の中心部分での前記相対位置を基準とした場合、前記２次元上の外周部分に向かうにつれて前記相対位置のずれが大きくなることを特徴とする、請求項１に記載の撮像素子。
【請求項3】
前記複数の構造体は、前記複数の構造体どうしの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、平面視したときに、前記複数の構造体のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる幅を有し、
側面視したときに、前記複数の構造体は、同じ高さを有することを特徴とする、
請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項4】
前記複数の構造体は、前記複数の構造体どうしの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、前記複数の構造体のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる屈折率を有し、
側面視したときに、前記複数の構造体は、同じ高さを有することを特徴とする、
請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項5】
各々が前記複数の構造体群それぞれに対応して設けられた複数のレンズを備え、平面視したときに、対応する前記構造体群と前記レンズとの相対位置が、２次元上の位置に応じて異なっていることを特徴とする、
請求項１～４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項6】
各々が前記複数の構造体群それぞれに対応して設けられ、前記２次元上の位置に応じた形状を有する複数のレンズを備えることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項7】
前記複数の光電変換素子群の少なくとも一部を覆うように周期的に設けられ、前記複数の光電変換素子群の屈折率とは異なる大きさの有効屈折率を有する複数の回折格子を備えることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項8】
前記複数の回折格子は、前記複数の光電変換素子群の各々に含まれる複数の光電変換素子のうちの特定の光電変換素子を覆うことなく露出させ、前記撮像素子は、前記露出している光電変換素子を隙間なく覆うように設けられ、前記複数の光電変換素子群の屈折率とは異なる大きさの屈折率を有する膜を備えることを特徴とする、
請求項７に記載の撮像素子。
【請求項9】
請求項１～８のいずれか１項に記載の撮像素子と、前記撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部と、
を備えることを特徴とする、
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、撮像素子及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
撮像装置において、撮像素子の中心部分と外周部分とで光の入射角度が異なることが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特表２００６－５２８４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
入射角度がずれると、変換素子に効率よく光を導くことができず、受光効率が低下するという問題がある。
【0005】
本開示の一側面は、受光効率を向上させることを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一側面に係る撮像素子は、各々が複数の光電変換素子を含み、２次元方向に配置された複数の光電変換素子群と、複数の光電変換素子群に対向し、２次元方向を面方向として延在する透明層と、透明層上又は透明層内において、複数の光電変換素子群に対応して透明層の面方向に配置された複数の構造体群と、を備え、複数の構造体群の各々は、同じパターンで配置された複数の構造体を含み、対応する光電変換素子群の光電変換素子それぞれに向けて入射光を分光するように配置され、平面視したときに、対応する光電変換素子群と構造体群との相対位置が、２次元上の位置に応じて異なっていることを特徴とする。
【0007】
本開示の一側面に係る撮像装置は、上記の撮像素子と、撮像素子から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、受光効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面に示される形状、大きさ及び位置関係等は概略的なものに過ぎず、それによって本発明が限定されることはない。同一部分には同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
【0011】
図１は、実施形態に係る撮像素子及び撮像装置の概略構成の例を示す図である。撮像装置１０は、物体１（被写体）からの光を入射光として、物体１を撮像する。この例では、物体１は、白抜き矢印として図示される。入射光は、レンズ光学系１１を介して、撮像素子１２に入射する。信号処理部１３は、撮像素子１２からの電気信号を処理して画像信号を生成する。図１に示されるように、撮像素子１２に入射する光の方向（撮像素子１２への入射角度）は、撮像素子１２の位置によって異なる。
【0012】
図２は、撮像素子の概略構成の例を示す図である。図において、ＸＹＺ座標系が示されるとともに、入射光の進行方向が矢印によって模式的に示される。Ｚ軸方向は、後述するＰＤ層４及び透明層５の積層方向に相当する。ＸＹ平面方向は、それらの層の面方向に相当する。以下、「平面視」は、Ｚ軸方向に（例えばＺ軸負方向に）視ることを示し、「側面視」は、Ｘ軸方向又はＹ軸方向（例えばＹ軸正方向に）視ることを示す。図２は、側面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す断面図である。
【0013】
撮像素子１２は、配線層３と、ＰＤ（フォトダイオード）層４と、透明層５とを含む。
【0014】
配線層３及びＰＤ層４のうちのＰＤ層４から述べると、ＰＤ層４は、層の面方向に並んで設けられる（２次元方向（２次元状に）配置されたともいえる）複数のＰＤ群４０を含む。各ＰＤ群４０は、層の面方向に並んで設けられた複数のＰＤを含む。複数のＰＤは、半導体基板１００に形成される。各ＰＤで発生した電荷は、図示しないトランジスタ等によって画素信号の基礎となる電気信号に変換され、配線層３を介して画素２の外部に出力される。各ＰＤに対応するいくつかの配線が配線３０として図示される。
【0015】
透明層５は、複数のＰＤ群４０の光電変換素子それぞれに向けて入射光を分光する光学素子である。光学素子の例はメタサーフェスであり、以下では、透明層５がメタサーフェスである場合について説明する。メタサーフェスは光の波長以下の幅を持った複数の微細構造体からなる素子で、２次元構造でもよいし、３次元構造であってもよい。光学素子にメタサーフェスを用いることで、微細構造体のパラメータを変えるだけで、光の特性（波長・偏波・入射角）に応じて位相と光強度を制御することが出来るというような効果があり、３次元構造にする場合には上記の設計自由度が上がるという効果がある。透明層５は、ＰＤ層４に対向して設けられ、この例ではＰＤ層４の上面（Ｚ軸正方向側の面）上に設けられる。透明層５は、ＰＤ層４の面方向を層の面方向として延在する。透明層５は、層の面方向に配置された複数の構造体群５０を含む。図２に示される例では、複数の構造体群５０は、透明層５内に設けられる。ただし、複数の構造体群５０は、透明層５上に設けられてもよい。複数の構造体群５０は、透明基板の下面に設けられてもよく、その場合、透明層５は、空気層である。複数の構造体群５０を構成する構造体は、入射光の波長（ナノオーダー）と同程度もしくは入射光の波長よりも小さい寸法を有する微細構造体である。
【0016】
透明層５において構造体が設けられていない部分は、構造体の屈折率よりも低い屈折率を有してよい。そのような透明層５の材料の例は、ＳｉＯ２等である。透明層５は空隙であってもよく、その場合、透明層５の屈折率は空気の屈折率である。
【0017】
先に図１を参照しても説明したように、入射光の撮像素子１２への入射光の角度は、撮像素子１２上の位置によって異なる。図２に示される例では、透明層５への光の入射角度が、２次元上の（ＸＹ平面上の）位置によって異なる。撮像素子１２において、２次元上の中心部分（以下、単に「中心部分」という場合もある）における入射角度は、この例では０°であり、したがって、光は透明層５に垂直に入射する。撮像素子１２において、２次元上の外周部分（以下、単位「外周部分」という場合もある。）における入射角度は、中心部分における入射角度からずれる。入射角度のずれは、中心部分から外周部分に向かうにつれて大きくなる。
【0018】
図３及び図４は、中心部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。図３は、側面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す断面図である。図４は、平面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す図である。なお、ＰＤ群４０は、構造体群５０の下側（Ｚ軸負方向側）に位置しているので、図４では破線で示される。
【0019】
ＰＤ群４０に含まれる複数のダイオードとして、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３が例示される。ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３は、ＰＤ層４の面方向（この例ではＸ軸方向）に順に設けられる。ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３は、対応する色に応じた波長帯域の光が入射することが想定されている。例えば、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）に対応する。
【0020】
構造体群５０に含まれる複数の構造体として、構造体５１、構造体５２及び構造体５３が例示される。構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、各々が同じパターンで配置された複数の構造体である。同じパターンとは、例えば、透明層５の面方向における各構造体の大きさ（幅）及び間隔が同じであることを意味する。積層方向における各構造体の大きさ（高さ）が同じであってもよい。構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、対応するＰＤ群４０のＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれに向けて入射光を分光するように配置される。より具体的に、構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、入射光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。入射光は、例えば上述したようなＲＧＢの各色に応じた波長帯域の光に分光され、各色に対応するＰＤ４１、ＰＤ４２及び４３に到達する。なお、図３及び図４に示される例では、構造体群５０の中心が、ＰＤ群４０の中心上（この例ではＰＤ４２上）に位置している。
【0021】
【0022】
【0023】
この例では、構造体５１は、微細な柱状構造体である。構造体５１は、透明層５の他の部分の屈折率ｎ0よりも高い屈折率ｎ1を有するＳｉＮ等の材料から形成されており、構造の厚さｈ（Ｚ軸方向の長さ）は一定である。
【0024】
構造体５１の底面および上面は、正方形である。構造体５１は、上述の屈折率の差から、光を構造内に閉じ込めて伝搬させる光導波路として機能する。したがって、上面側から光が入射すると、光は構造体５１内に強く閉じ込められながら伝搬し、光導波路の実効的な屈折率ｎeffにより決定される光位相遅延効果を受けて、底面側から出射する。具体的に、透明層５の厚さ分の長さを伝搬した光の位相を基準とした際、構造体５１による光位相遅延量φは、光の真空中での波長をλとおくと、φ＝（ｎeff－ｎ0）×２πｈ／λで表わされる。この光位相遅延量は、波長λによって異なるため、同一の構造体５１に入射した光に対して波長帯域（色）に応じて異なる光位相遅延量を与える。構造体５１の底面および上面が正方形であるため、偏光方向を変化させた場合においても、光位相遅延効果を含む光学特性に変化はない。ｎeffは構造寸法の関数であることが知られており、ｎ0＜ｎeff＜ｎ1の値をとる。したがって、構造体５１の幅Ｗを変化させることで、任意の光位相遅延量を設定することができる。構造体５１の屈折率を変化させることでも、任意の光位相遅延量を設定することができる。屈折率の異なる構造体５１は、屈折率の異なる材料を用いて作られてよい。構造体５２及び構造体５３についても同様である。
【0025】
図３及び図４も参照し、構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、構造体群５０を透過した光に対して、波長領域毎に異なる光位相遅延分布を与えて光波面を変化させるように、異なる幅を有する。光の出射方向（伝搬方向）が光波面によって決定されるので、構造体群５０を透過した光が、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の対応する色（波長帯域）に応じて空間的に分離される。このようにして、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれに向けて入射光が分光される。
【0026】
複数の構造体群５０ではいずれも構造体５１、構造体５２及び構造体５３が同じパターンで配置されるので、各構造体群５０における光の入射角度と出射角度との関係も同じである。入射角度が異なると、出射角度も異なる。先にも述べたように外周部分における入射角度が中心部分における入射角度からずれるので、透明層５からＰＤ層４に向かって出射する光の出射角度もずれる。出射角度がずれると、対応するＰＤ群４０のＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３に効率よく光を導くことができなくなる。そこで、撮像素子１２では、入射角度のずれ（これに起因する出射角度ともいえる）に対応して、ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が定められる。
【0027】
図７及び図８は、外周部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。図７は、側面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す断面図である。図８は、平面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す図である。
【0028】
外周部分において、構造体群５０に入射する光の入射角度は、中心部分における入射角度（図３）からずれている。入射角度のずれに起因して、構造体群５０からＰＤ群４０に向かって出射する光の出射角度もずれている。ただし、ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置も、中心部分における相対位置（図３及び図４）からずれている。この例では、ＰＤ群４０に対する構造体群５０の位置が、ＰＤ群４０のＰＤ４１側にずれており、具体的に、構造体群５０の中心位置が、ＰＤ群４０のＰＤ４１側部分の上（この例ではＰＤ４１上）に位置している。ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置がずれた分、構造体群５０からＰＤ群４０をみた方向（角度）もずれている。この構造体群５０からＰＤ群４０をみた方向（角度）のずれが上述の出射角度のずれを打ち消すように、ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が定められる。その結果、外周部分においても、構造体群５０は、入射する光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光する。
【0029】
なお、仮に外周部分におけるＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が、中心部分における相対位置と同じである場合には、構造体群５０によって分光された光が、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心に向かわなくなる。これについて、図９を参照して説明する。
【0030】
図９は、比較例を示す図である。例示される撮像素子１２Ｅでは、ＰＤ群４０と構造体群５０Ｅとの相対位置が、中央部分における相対位置と同じである。構造体５１Ｅ、構造体５２Ｅ及び構造体５３Ｅによって分光された光は、入射角度のずれに起因して出射角度がずれた分だけ、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心から離れた位置に到達する。この問題が実施形態に係る撮像素子１２によって低減又は解消されることは、先に図７及び図８を参照して説明したとおりである。
【0031】
図１０及び図１１は、中間部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。中間部分は、中心部分と外周部分との間の部分である。図１０は、側面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す断面図である。図１１は、平面視したときの撮像素子１２の概略構成の例を示す図である。
【0032】
中間部分において、入射角度のずれは、外周部分における入射角度のずれ（図７）よりは小さい。入射角度のずれに起因する出射角度のずれも、外周部における出射角度のずれよりは小さい。したがって、ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置のずれも、外周部分における相対位置のずれよりは小さい。中間部分においても、構造体群５０は、入射する光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光する。
【0033】
例えば以上のように、撮像素子１２では、対応するＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が、２次元上の（ＸＹ平面状の）位置に応じて異なっている。より具体的には、中心部分でのＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置を基準とした場合、外周部分に向かうにつれて相対位置のずれが大きくなる。仮に相対位置がいずれの位置でも同じであるとすると、先に図９を参照して説明したように、構造体群５０によって分光された光が、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心から離れた位置に到達する。その結果、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３に効率よく光が入射せず、例えば受光感度が劣化するといった問題が生じる。これに対し、撮像素子１２では、対応するＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置をずらすことにより、構造体群５０による分光方向を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心に近づけることができる。したがって、受光効率を向上させることができる。
【0034】
再び図１を参照し、撮像装置１０の信号処理部１３について説明する。信号処理部１３は、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画素信号を生成する。電気信号を得るために、信号処理部１３は、撮像素子１２の制御も行う。撮像素子１２の制御は、撮像素子１２の画素２の露光、ＰＤ層４に蓄積された電荷の電気信号への変換、電気信号の読出し等を含む。
【0035】
以上、本開示の一実施形態について説明したが、実施形態に係る撮像素子及び撮像装置は、実施形態の趣旨を逸脱しない範囲において、さまざまな変形が可能である。いくつかの変形例について述べる。
【0036】
上記実施形態では、入射光のずれに起因する問題に対して、ＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置で対処する手法について説明した。この手法とともに或いはこの手法に代えて、他のさまざまな手法が用いられてよい。
【0037】
【0038】
図１２は、中心部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。例示される撮像素子１２Ａは、撮像素子１２（図３等）と比較して、透明層５に代えて透明層５Ａを含む点、及び、複数のレンズ６１をさらに含む点において相違する。透明層５Ａは、複数の構造体群５０Ａを含む。
【0039】
複数のレンズ６１の各々は、複数の構造体群５０Ａそれぞれに対して設けられるマイクロレンズである。レンズ６１は、２次元上の位置に応じた形状を有する。この例では、レンズ６１は、入射光の方向を変更しない。構造体群５０Ａの構造体５１Ａ、構造体５２Ａ及び構造体５３Ａは、レンズ６１からの光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。
【0040】
外周部分及び中間部分において構造体群５０Ａに入射する光の入射角度は、中心部分における入射角度（図１２）からずれている。このずれを低減する手法の例として、２つの手法について述べる。第１の手法は、これまで説明したＰＤ群に対する構造体群の位置をずらす原理を、複数のレンズ６１にも適用したものである。第１の手法について、図１３及び図１４を参照して説明する。
【0041】
図１３は、外周部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。中心部分（図１２）と比較して、複数のレンズ６１と構造体群５０との相対位置が、中心部分における相対位置からずれている。この例では、構造体群５０Ａに対する複数のレンズ６１の位置が、ＰＤ群４０のＰＤ４１側にずれている。レンズ６１は、構造体群５０Ａに向かう光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけるように配置される。構造体群５０Ａの構造体５１Ａ、構造体５２Ａ及び構造体５３Ａは、レンズ６２からの光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。
【0042】
図１４は、中間部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。中心部分（図１２）と比較して、複数のレンズ６１と構造体群５０との相対位置が、中心部分における相対位置からずれている。このずれは、外周部分（図１３）におけるずれよりは小さい。レンズ６１は、構造体群５０Ａに向かう光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけるように配置される。構造体群５０Ａの構造体５１Ａ、構造体５２Ａ及び構造体５３Ａは、レンズ６２からの光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。
【0043】
【0044】
図１５は、外周部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。中心部分（図１２）と比較して、撮像素子１２Ａは、複数のレンズ６１に代えて複数のレンズ６２を備える。複数のレンズ６２の各々は、複数の構造体群５０Ａそれぞれに対して設けられるマイクロレンズである。レンズ６２は、構造体群５０に向かう光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけるように構成される。レンズ６２は、２次元上の位置に応じた形状を有し、レンズ６１（図１２）の形状から変形された形状を有する。構造体群５０Ａの構造体５１Ａ、構造体５２Ａ及び構造体５３Ａは、レンズ６２からの光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。
【0045】
図１６は、中間部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。中心部分（図１２）と比較して、撮像素子１２Ａは、複数のレンズ６１に代えて複数のレンズ６３を備える。複数のレンズ６３の各々は、複数の構造体群５０Ａそれぞれに対して設けられるマイクロレンズである。レンズ６３は、構造体群５０に向かう光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけるように構成される。レンズ６３は、２次元上の位置に応じた形状を有し、レンズ６１（図１２）の形状から変形された形状を有する。この変形の程度は、レンズ６２（図１５）の変形の程度よりは小さい。構造体群５０Ａの構造体５１Ａ、構造体５２Ａ及び構造体５３Ａは、レンズ６３からの光を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向けて分光するように配置される。
【0046】
以上、図１２～図１６に示されるように、対応する複数のレンズ６１と構造体群５０との相対位置が２次元上の位置に応じて異なるようにしたり、２次元上の位置に応じた形状を有するレンズ６１、レンズ６２及びレンズ６３を設けたりすることで、外周部分及び中間部分において透明層５に入射する光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけることができる。これにより、例えば、複数の構造体群５０Ａだけを用いる場合よりも、ＰＤ群４０のＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心に向かって光を分光しやすくなる。なお、例えばレンズ６１等だけで外周部分及び中間部分における入射角度を中心部分における入射角度に十分に近づけることができるのであれば、対応する構造体群５０ＡとＰＤ群４０との相対位置がずれていなくてもよい。各構造体群５０Ａが、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれの中心に向かって光を分光するからである。
【0047】
【0048】
【0049】
反射抑制層７は、ＰＤ層４を覆うように設けられ、ＰＤ層４に入射する光の反射を抑制する。この例では、反射抑制層７は、ＰＤ層４と透明層５との間に設けられる。
【0050】
図１７に示される例では、反射抑制層７は、複数の回折格子７０を含む。複数の回折格子７０は、反射抑制層７の面方向に周期的に配置される。複数の回折格子７０は、ＰＤ層４の屈折率とは異なる大きさの有効屈折率を有する。有効屈折率とは、回折格子が仮想的な屈折率を与えると仮定した場合のその屈折率の値であり、反射抑制層７は、有効屈折率を有する部分（材料、部材等ともいえる）として機能する。周期的に配置された複数の回折格子によって所望の有効屈折率を実現する手法は公知であるので、ここでは端的に説明する。有効屈折率は、格子周期（ＸＹ平面方向における回折格子７０の配置間隔）、格子高さ（Ｚ軸方向における回折格子７０の長さ）等によって決定される。格子周期は、入射光の波長以下に設定されてよい。回折格子７０の材料の例は、プラスチック等の樹脂、ガラス等である。
【0051】
回折格子７０は、ＰＤ層４の屈折率と、回折格子７０を挟んでＰＤ層４とは反対側の部分の屈折率との間の大きさの有効屈折率を有する。ＰＤ層４の屈折率は、ＰＤ層４が半導体基板１００に形成されるので、半導体基板１００と同じ屈折率でありうる。反対側の部分の屈折率は、この例では透明層５の屈折率である。それらの屈折率の間の大きさの有効屈折率を回折格子７０が有することで、反射抑制層７は、ＰＤ層４の屈折率と透明層５の屈折率との不連続を低減し、ＰＤ層４に入射する光の反射を抑制する。
【0052】
図１７に示されるように反射抑制層７を設けることで、光の反射を抑制し、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３に効率よく光を入射させることができる。
【0053】
なお、上記では、反射抑制層７が、複数の構造体群５０を含む透明層５と併用される例について説明したが、反射抑制層７のみによってある程度効率よく光を入射させることができるのであれば、複数の構造体群５０が無くてもよい。その場合、構造体群５０に代えて、種々の公知の分光素子が用いられてよい。
【0054】
上述の撮像素子１２Ｂにおいて、特定のＰＤが回折格子７０で覆われていなくてよい。特定のＰＤの例は、構造体群５０の直下に位置するとともに、構造体群５０からの光が垂直に入射するＰＤである。そのような特定のＰＤは、回折格子７０の代わりに反射抑制膜で覆われていてよい。これについて、図１８を参照して説明する。
【0055】
図１８は、特定のＰＤの部分における撮像素子の概略構成の例を示す図である。例示される撮像素子１２Ｂ－２は、撮像素子１２Ｂ（図１７）と比較して、反射抑制層７に代えて反射抑制層７Ａを備える点において相違する。
【0056】
反射抑制層７Ａは、複数の回折格子７０Ａに加えて、反射抑制膜７１を含む。複数の回折格子７０Ａは、ＰＤ４１及びＰＤ４３を覆う一方で、ＰＤ４２は覆わずに露出させる。回折格子７０Ａの構成は、回折格子７０と同様であるので説明は繰り返さない。反射抑制膜７１は、露出しているＰＤ４２を隙間なく覆うように設けられる。反射抑制膜７１は、ＰＤ群４０の屈折率とは異なる屈折率を有する。ＰＤ４２は、例えば緑色（Ｇ）に対応する光電変換素子である。反射抑制膜７１の材料の例は、プラスチック等の樹脂、ガラス等である。
【0057】
図１８に示されるように、複数の回折格子７０及び反射抑制膜７１という２種類の反射抑制部材を備える反射抑制層７Ａを用いることで、例えば、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３ごとに反射抑制量を調節することができる。
【0058】
以上、本開示の一実施形態について説明したが、実施形態に係る撮像素子及び撮像装置は、実施形態の趣旨を逸脱しない範囲において、さまざまな変形が可能である。
【0059】
上記実施形態では、複数の構造体群５０が透明層５内に設けられる例について説明した。ただし、複数の構造体群５０は、透明層５上（例えばＺ軸正方向側の面上）に設けられてもよい。
【0060】
上記実施形態では、構造体５１等の材料としてＳｉＮ及びＴｉＯ２を挙げたが、これらに限定されない。例えば、波長が３８０ｎｍ～１０００ｎｍの光（可視光～近赤外光）の光に対しては、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、ＧａＮ等が構造体５１等の材料として用いられてよい。屈折率が高く、吸収損失が少ないため適している。波長が８００～１０００ｎｍの光（近赤外光）で用いる場合は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮ等が構造体５１等の材料として用いられてよい。低損失であるため適している。長波長帯の近赤外領域（通信波長である１．３μｍや１．５５μｍ等）の光に対しては、上述の材料に加えて、ＩｎＰ等を構造体５１等の材料として用いることができる。
【0061】
構造体５１等が、貼り付け、塗布等によって形成される場合、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマー等が材料として挙げられる。
【0062】
上記実施形態では、透明層５の材料としてＳｉＯ２及び空気層を想定した例を示したが、これらに限定されない。一般的なガラス材料等も含め、構造体５１等の材料の屈折率より小さい屈折率を有し、入射光の波長に対して低損失なものであればよい。透明層５は、複数の材料からなる積層構造を有する透明層であってもよい。また透明層６０は、対応するＰＤに到達すべき波長に対して十分に低損失であればよいため、カラーフィルタと同様の材質であってもよく、例えば樹脂などの有機材料であってもよい。
【0063】
上記実施形態では、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３が対応する色として、ＲＧＢの３原色を例に挙げて説明したが、３原色以外の波長の光（例えば、赤外光や紫外光）に対応していてもよい。
【0064】
上記実施形態では、一つのＰＤ群４０がＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の３つのＰＤを含む例について説明したが、一つのＰＤ群が２つ又は４つ以上のＰＤを含んでもよい。それらのＰＤは、１次元方向に（例えばＸ軸方向又はＹ軸方向に）配置されてもよいし、２次元方向に（例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に）配置されてもよい。
【0065】
以上、本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【0066】
以上説明した撮像素子は、例えば次のように特定される。図１～図１１等を参照して説明したように、撮像素子１２は、複数のＰＤ群４０と、透明層５と、複数の構造体群５０とを備える。複数のＰＤ群４０の各々は、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３を含み、２次元方向（ＸＹ平面方向）に配置される。透明層５は、複数のＰＤ群４０に対向し、２次元方向を面方向として延在する。複数の構造体群５０は、透明層５上又は透明層５内において、複数のＰＤ群４０に対応して透明層５の面方向に配置される。複数の構造体群５０の各々は、同じパターンで配置された構造体５１、構造体５２及び構造体５３を含み、対応するＰＤ群４０のＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれに向けて入射光を分光するように配置される。平面視したときに、対応するＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が、２次元上の（ＸＹ平面上の）位置に応じて異なっている。
【0067】
上記の撮像素子１２では、対応するＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置が、２次元上の位置に応じて異なっている。仮に相対位置が２次元上のいずれの位置でも同じであるとすると、先に図９を参照して説明したように、構造体群５０によって分光された光が、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心から離れた位置に到達する。その結果、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３に効率よく光が入射せず、例えば受光感度が劣化するといった問題が生じる。これに対し、撮像素子１２では、対応するＰＤ群４０と構造体群５０との相対位置をずらすことにより、構造体群５０による分光方向を、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心に近づけることができる。したがって、受光感度を向上させることができる。
【0068】
撮像素子１２における２次元上の中心部分での相対位置を基準とした場合、２次元上の外周部分に向かうにつれて相対位置のずれが大きくなってよい。これにより、外周部に向かうにつれて大きくなる入射角度のずれに対応した相対位置を定めることができる。
【0069】
図５及び図６等を参照して説明したように、構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、それらの間の部分の屈折率よりも高い屈折率を有する柱状構造体であり、平面視したときに、構造体５１、構造体５２及び構造体５３のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる幅を有し、側面視したときに、構造体５１、構造体５２及び構造体５３は、同じ高さを有してよい。構造体５１、構造体５２及び構造体５３のうちの少なくとも一部の構造体は、互いに異なる屈折率を有してもよい。例えばこのような構造体５１、構造体５２及び構造体５３を配置することで構造体群５０に（透明層５に）分光機能を持たせ、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３それぞれに向けて入射光を分光することができる。また、例えば高さの異なる複数の構造体を設ける場合よりも、容易に製造することができる。
【0070】
図１２～図１４等を参照して説明したように、撮像素子１２Ａは、各々が複数の構造体群５０Ａそれぞれに対応して設けられた複数のレンズ６１を備え、平面視したときに、対応する構造体群５０Ａとレンズ６１との相対位置が、２次元上の位置に応じて異なっていてよい。あるいは、図１２、図１５及び図１６等を参照して説明したように、撮像素子１２Ａは、各々が複数の構造体群５０Ａそれぞれに対して設けられ、２次元上の位置に応じた形状を有するレンズ６１、レンズ６２及びレンズ６３を備えてよい。これにより、外周部分及び中間部分において透明層５Ａに入射する光の入射角度を、中心部分における入射角度に近づけることができる。例えば、複数の構造体群５０だけを用いる場合よりも、ＰＤ群４０のＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３の中心に向かって光を分光しやすくなる。
【0071】
図１７等を参照して説明したように、撮像素子１２Ｂは、複数のＰＤ群４０の少なくとも一部を覆うように周期的に設けられ、複数のＰＤ群４０の屈折率とは異なる大きさの有効屈折率を有する複数の回折格子７０を備えてよい。これにより、光の反射を抑制し、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３に効率よく光を入射させることができる。
【0072】
図１８等を参照して説明したように、複数の回折格子７０は、複数のＰＤ群４０の各々に含まれるＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３のうちのＰＤ４２を覆うことなく露出させ、撮像素子１２は、露出しているＰＤ４２を隙間なく覆うように設けられ、複数のＰＤ群４０の屈折率とは異なる大きさの屈折率を有する反射抑制膜７１を備えてよい。例えばこのような複数の回折格子７０及び反射抑制膜７１という２種類の反射抑制部材を備える反射抑制層７Ａを用いることで、ＰＤ４１、ＰＤ４２及びＰＤ４３ごとに反射抑制量を調節することができる。
【0073】
図１等を参照して説明した撮像装置１０も、本開示の一態様である。すなわち、撮像装置１０は、撮像素子１２と、撮像素子１２から得られた電気信号に基づいて画像信号を生成する信号処理部１３とを備える。これにより、受光効率を向上させることができる撮像装置１０が得られる。
【符号の説明】
【0074】
３ 配線層
４ ＰＤ層
５ 透明層
７ 反射抑制層
１０ 撮像装置
１２ 撮像素子
１３ 信号処理部
４０ ＰＤ群
４１ ＰＤ
４２ ＰＤ
４３ ＰＤ
５０ 構造体群
５１ 構造体
５２ 構造体
５３ 構造体
６１ レンズ
６２ レンズ
６３ レンズ
７０ 回折格子
７１ 反射抑制膜
４ ＰＤ層
５ 透明層
７ 反射抑制層
１０ 撮像装置
１２ 撮像素子
１３ 信号処理部
４０ ＰＤ群
４１ ＰＤ
４２ ＰＤ
４３ ＰＤ
５０ 構造体群
５１ 構造体
５２ 構造体
５３ 構造体
６１ レンズ
６２ レンズ
６３ レンズ
７０ 回折格子
７１ 反射抑制膜
【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】