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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】2025-02-14
(45)【発行日】2025-02-25
(54)【発明の名称】イメージセンサ
(51)【国際特許分類】
H10F 39/12 20250101AFI20250217BHJP
H10F 39/18 20250101ALI20250217BHJP
G02B 5/04 20060101ALN20250217BHJP
G02B 3/00 20060101ALN20250217BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H01L27/146 A
G02B5/04 F
G02B3/00 A
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2023074436
(22)【出願日】2023-04-28
(65)【公開番号】P2024115492
(43)【公開日】2024-08-26
【審査請求日】2023-04-28
(31)【優先権主張番号】18/169,126
(32)【優先日】2023-02-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】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
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100206335
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 和宏
(72)【発明者】
【氏名】劉 浩偉
(72)【発明者】
【氏名】鄭 聖傳
(72)【発明者】
【氏名】呉 慶強
【審査官】加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－０６５２７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０６５１４３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０２８２４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０７３３２１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
Ｇ０２Ｂ ５／０４
Ｇ０２Ｂ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一のユニットを備える、イメージセンサであって、前記第一のユニットが、
第一の寸法を有する第一のフォトダイオードと、
前記第一のフォトダイオードに隣接して配置され、前記第一の寸法よりも大きい第二の寸法を有する第二のフォトダイオードと、
前記第一のフォトダイオード及び前記第二のフォトダイオードに重なり、前記第一のフォトダイオードの上面全体及び第二のフォトダイオードの上面全体を覆う第一のカラーフィルタと、
前記第一のカラーフィルタに配置され、前記第一のフォトダイオードと重なる第一の内部リフレクタであって、前記第一の内部リフレクタは前記第一のカラーフィルタの上面から前記第二のフォトダイオードに向かって傾斜した傾斜受光面を有し、前記第一の内部リフレクタの屈折率は前記第一のカラーフィルタの屈折率よりも小さい、第一の内部リフレクタと、
を備える、イメージセンサ。
【請求項2】
前記第一の内部リフレクタの屈折率と前記第一のカラーフィルタの屈折率との差が０．２より大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項3】
前記第一のユニットは、前記第一のカラーフィルタを取り囲むグリッドを備え、前記グリッドの高さに対する前記第一の内部リフレクタの高さの比は０．３～１であり、前記第一の内部リフレクタは第五の寸法を有し、前記第五の寸法は前記第一のフォトダイオードの前記第一の寸法より大きく、前記第一のフォトダイオードの前記第一の寸法と、前記第二のフォトダイオードの前記第二の寸法の半分との和より小さい、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項4】
前記第一のユニットは、前記第一のカラーフィルタを取り囲むグリッドを備え、前記第一の内部リフレクタは、前記傾斜受光面と前記第一のフォトダイオードとの間に角度θ１を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項5】
前記角度θ１は、【数1】
Ｈ１は前記グリッドの高さ、Ｗ１は前記第一のフォトダイオードの前記第一の寸法、Ｗ２は前記第二のフォトダイオードの前記第二の寸法である、
請求項４に記載のイメージセンサ。
【請求項6】
前記第一の内部リフレクタは前記第二のフォトダイオードの一部と重なり、前記第一の内部リフレクタは透明な有機材料で作られ、前記第一の内部リフレクタは三角プリズムである、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項7】
第二のユニットをさらに備える、請求項１に記載のイメージセンサであって、前記第二のユニットが、
第三の寸法を有する第三のフォトダイオードと、
前記第三のフォトダイオードに隣接して配置され、前記第三の寸法よりも大きい第四の寸法を有する第四のフォトダイオードと、
前記第三のフォトダイオード及び前記第四のフォトダイオードに重なる第二のカラーフィルタと、
前記第二のカラーフィルタに配置され、前記第三のフォトダイオードと重なる第二の内部リフレクタであって、前記第二の内部リフレクタは前記第二のカラーフィルタの上面から前記第四のフォトダイオードに向かって傾斜した傾斜受光面を有し、前記第二の内部リフレクタの屈折率は前記第二のカラーフィルタの屈折率よりも小さく、前記第二の内部リフレクタの透明度は前記第一の内部リフレクタの透明度と異なる、第二の内部リフレクタと、
を備える、イメージセンサ。
【請求項8】
前記第二の内部リフレクタの屈折率と前記第二のカラーフィルタの屈折率との差が０．２より大きく、前記第二のユニットは前記第二のカラーフィルタを取り囲むグリッドを備え、前記グリッドの高さに対する前記第二の内部リフレクタの高さの比は０．３～１である、請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項9】
前記第二の内部リフレクタは第六の寸法を有し、前記第六の寸法は前記第三のフォトダイオードの前記第三の寸法より大きく、前記第三のフォトダイオードの前記第三の寸法と、前記第四のフォトダイオードの前記第四の寸法の半分との和より小さい、請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項10】
前記第二のユニットは、前記第二のカラーフィルタを取り囲むグリッドを備え、前記第二の内部リフレクタは、前記傾斜受光面と前記第三のフォトダイオードとの間に角度θ２を有し、前記角度θ２は、【数2】
Ｈ１は前記グリッドの高さ、Ｗ３は前記第三のフォトダイオードの前記第三の寸法、Ｗ４は前記第四のフォトダイオードの前記第四の寸法である、
請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項11】
前記第二のカラーフィルタは、前記第三のフォトダイオードから前記第四のフォトダイオードまで連続的に延び、前記第二の内部リフレクタの消衰係数は０．１～０．３であり、前記第二の内部リフレクタは三角プリズムであり、前記第二の内部リフレクタは前記第四のフォトダイオードの一部と重なる、請求項７に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、イメージセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
高速イメージセンサは、自動車、マシンビジョン、プロフェッショナルなビデオ撮影など、様々な分野の多くの用途で幅広く使用されてきた。イメージセンサ、特に相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサを製造する技術は、急速に進歩し続けてきた。例えば、フレームレートをより高くして、電力消費を削減することが必要なために、そのようなイメージセンサのさらなる小型化及び統合が促進されてきた。
【0003】
自動車産業のようないくつかの技術分野では、デジタルビデオカメラを車両に配置し、運転手のために車室内に小型ディスプレイを提供することによって、運転中の車両の全体的な安全性を向上させる取り組みが継続的に行われている。移動体を正確に認識し、あらゆる光条件下で高い色再現性で検出することが望まれている。このような用途では、１０－１ルクス（暗視用）から１０５ルクス（明るい太陽光やヘッドライトの直接照射条件）までのシーン照明の範囲をキャプチャするためのハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）が必要である。このハイダイナミックレンジは、少なくとも１００ｄＢ以上のダイナミックレンジに相当する。現在のＣＭＯＳセンサは、フルウェル限界とノイズフロア限界のため、このレンジを実現するのは困難である。ＣＭＯＳイメージセンサの用途をハイダイナミックレンジ分野まで拡大するためには、ハイダイナミックレンジセンサ設計が必要である。
【発明の概要】
【0004】
本開示の態様は、第一のユニットを含むイメージセンサを提供する。第一のユニットは、第一の寸法を有する第一のフォトダイオードと、第一のフォトダイオードに隣接して配置され、第一の寸法よりも大きい第二の寸法を有する第二のフォトダイオードと、第一のフォトダイオード及び第二のフォトダイオードに重なる第一のカラーフィルタと、第一のカラーフィルタに配置され、第一のフォトダイオードと重なる第一の内部リフレクタと、を備える。第一の内部リフレクタは、第一のカラーフィルタの上面から第二のフォトダイオードに向かって傾斜した傾斜受光面を有し、第一の内部リフレクタの屈折率は、第一のカラーフィルタの屈折率よりも小さい。
【0005】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一の内部リフレクタの屈折率は、１より大きい。
【0006】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一の内部リフレクタの屈折率と第一のカラーフィルタの屈折率との差は、０．２より大きい。
【0007】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一のユニットは、第一のカラーフィルタを取り囲むグリッドをさらに含み、グリッドの高さに対する第一の内部リフレクタの高さの比は、０．３～１である。
【0008】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一の内部リフレクタは第五の寸法を有し、第五の寸法は第一のフォトダイオードの第一の寸法より大きく、第一のフォトダイオードの第一の寸法と、第二のフォトダイオードの第二の寸法の半分との和より小さい。
【0009】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一のユニットは、第一のカラーフィルタを取り囲むグリッドをさらに含む。第一の内部リフレクタは、傾斜受光面と第一のフォトダイオードとの間に角度θ１を有し、角度θ１は、
を満たし、Ｈ１はグリッドの高さ、Ｗ１は第一のフォトダイオードの第一の寸法、Ｗ２は第二のフォトダイオードの第二の寸法である。
【数1】
【0010】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一のカラーフィルタは、第一のフォトダイオードから第二のフォトダイオードまで連続的に延びる。
【0011】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一のフォトダイオード及び第二のフォトダイオードは、対称軸を共有する。
【0012】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一の内部リフレクタは、透明な有機材料で作られている。
【0013】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一の内部リフレクタは、三角プリズムである。
【0014】
本開示のいくつかの実施形態によれば、イメージセンサは、第二のユニットをさらに備え、第二のユニットは、第三の寸法を有する第三のフォトダイオードと、第三のフォトダイオードに隣接して配置され、第三の寸法よりも大きい第四の寸法を有する第四のフォトダイオードと、第三のフォトダイオード及び第四のフォトダイオードに重なる第二のカラーフィルタと、第二のカラーフィルタに配置され、第三のフォトダイオードと重なる第二の内部リフレクタと、を含む。第二の内部リフレクタは、第二のカラーフィルタの上面から第四のフォトダイオードに向かって傾斜した傾斜受光面を有し、第二の内部リフレクタの屈折率は第二のカラーフィルタの屈折率より小さく、第二の内部リフレクタの透明度は第一の内部リフレクタの透明度と異なる。
【0015】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二の内部リフレクタの屈折率は、１より大きい。
【0016】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二の内部リフレクタの屈折率と第二のカラーフィルタの屈折率との差は、０．２より大きい。
【0017】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二のユニットは、第二のカラーフィルタを取り囲むグリッドをさらに含み、グリッドの高さに対する第二の内部リフレクタの高さの比は、０．３～１である。
【0018】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二の内部リフレクタは第六の寸法を有し、第六の寸法は第三のフォトダイオードの第三の寸法より大きく、第三のフォトダイオードの第三の寸法と、第四のフォトダイオードの第四の寸法の半分との和より小さい。
【0019】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二のユニットは、第二のカラーフィルタを取り囲むグリッドをさらに含み、第二の内部リフレクタは、傾斜受光面と第三のフォトダイオードとの間に角度θ２を有し、角度θ２が
を満たし、Ｈ１はグリッドの高さ、Ｗ３は第三のフォトダイオードの第三の寸法、Ｗ４は第四のフォトダイオードの第四の寸法である。
【数2】
【0020】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二のカラーフィルタは、第三のフォトダイオードから第四のフォトダイオードまで連続的に延びる。
【0021】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二の内部リフレクタの消衰係数は、０．１～０．３である。
【0022】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第二の内部リフレクタは、三角プリズムである。
【0023】
本開示のいくつかの実施形態によれば、第一のユニットは、第一のフォトダイオード上の第一のレンズと、第二のフォトダイオード上の第二のレンズとをさらに含む。
【0024】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも例によるものであり、特許請求される本発明のさらなる説明を提供することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0025】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を示すものであり、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【0026】
【図1】本開示のいくつかの実施形態によるイメージセンサの上面図である。
【図3A】本開示のいくつかの実施形態による第一のユニットの異なる光路の概略図である。
【図3B】本開示のいくつかの実施形態による第一のユニットの異なる光路の概略図である。
【図3C】本開示のいくつかの実施形態による第一のユニットの異なる光路の概略図である。
【図4】本開示の第一のユニットの異なる実施形態の断面図である。
【図5】本開示の第一のユニットの異なる実施形態の断面図である。
【図8】本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサのユニットの大型フォトダイオードの正規化された感度ピークである。
【図9】本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサのユニットの小型フォトダイオードの正規化された感度ピークである。
【発明を実施するための形態】
【0027】
ここで、本発明の本実施形態について詳細に言及するが、その例は、添付の図面に例示されている。可能な限り、図面及び説明において、同じ参照番号は、同様又は類似のパーツを参照するために使用される。
【0028】
図１を参照すると、この図は、本開示のいくつかの実施形態によるイメージセンサの上面図である。イメージセンサ１０は、複数の第一のユニット１００、複数の第二のユニット２００、及び複数の第三のユニット３００を含む。第一のユニット１００、第二のユニット２００、及び第三のユニット３００は、異なる光学特性及び構造設計を有する。いくつかの実施形態では、イメージセンサ１０の第一のユニット１００、第二のユニット２００、及び第三のユニット３００の比率及び配置は、異なる要件に従って設計することができる。
【0029】
図１及び図２を参照すると、図２は、図１の線Ａ－Ａに沿って取られた断面図で、本開示のいくつかの実施形態による第一のユニットの断面を示す。第一のユニット１００は、第一の寸法Ｗ１を有する第一のフォトダイオード１１０と、第二の寸法Ｗ２を有する第二のフォトダイオード１２０とを含む。第二のフォトダイオード１２０は、第一のフォトダイオード１１０に隣接して配置され、第二のフォトダイオード１２０の第二の寸法Ｗ２は、第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法Ｗ１より大きい。いくつかの実施形態では、第一のフォトダイオード１１０及び第二のフォトダイオード１２０は、対称軸Ｌを共有する。
【0030】
より具体的には、第一のユニット１００は、第一のフォトダイオード１１０を第二のフォトダイオード１２０から分離するように構成されたディープトレンチ分離構造１０２を含む。第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法Ｗ１は、対称軸Ｌの方向において第一のフォトダイオード１１０の反対側にある一対のディープトレンチ分離構造１０２の中心間距離の間で測定され、第二のフォトダイオード１２０の第二の寸法Ｗ２は、対称軸Ｌの方向において第二のフォトダイオード１２０の反対側にある一対のディープトレンチ分離構造１０２の中心間距離の間で測定される。
【0031】
第一のユニット１００は、第一のフォトダイオード１１０及び第二のフォトダイオード１２０に重なる第一のカラーフィルタ１３０をさらに含む。第一のカラーフィルタ１３０は、Ｒ／Ｇ／Ｂカラーフィルタ又はＣ／Ｙ／Ｍカラーフィルタであり得る。第一のカラーフィルタ１３０は、第一のフォトダイオード１１０から第二のフォトダイオード１２０まで連続的に延びる。
【0032】
第一のユニット１００は、第一のカラーフィルタ１３０を取り囲む第一のグリッド１４０をさらに含む。第一のカラーフィルタ１３０は、第一のフォトダイオード１１０と第二のフォトダイオード１２０に重なり、第二のフォトダイオード１２０の第二の寸法Ｗ２は、第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法Ｗ１より大きいので、第一のグリッド１４０は、矩形の形状ではなく、第一のフォトダイオード１１０と第二のフォトダイオード１２０との間の部分を有さない。
【0033】
より具体的には、第一のカラーフィルタ１３０は、第一のフォトダイオード１１０の真上にある第一の部分１３２と、第二のフォトダイオード１２０の真上にある第二の部分１３４とを有し、第一の部分１３２と第二の部分１３４とは、同じ波長帯を透過させる。第一のカラーフィルタ１３０の第一の部分１３２は、第一のグリッド１４０のいかなる部分もその間に介在することなく、第一のカラーフィルタ１３０の第二の部分１３４に直接接続される。
【0034】
第一のユニット１００は、第一のカラーフィルタ１３０内に配置され、第一のフォトダイオード１１０に重なる第一の内部リフレクタ１５０をさらに含む。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は、三角プリズムである。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は、透明な有機材料で作られている。第一の内部リフレクタ１５０は、傾斜受光面１５２と、第二のフォトダイオード１２０を指す頂点１５４とを有する。より具体的には、第一の内部リフレクタ１５０は三角形の断面を有し、第一の内部リフレクタ１５０の底面１５１は第一のフォトダイオード１１０の受光面に平行かつ隣接し、第一の内部リフレクタ１５０の側面１５３は第一のフォトダイオード１１０の受光面に垂直であり、傾斜受光面１５２は第一の内部リフレクタ１５０の底面１５１と側面１５３を相互接続し、第一のカラーフィルタ１３０の上面から第二のフォトダイオード１２０に向かって傾斜している。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は、第一のカラーフィルタ１３０に完全に埋め込まれる。
【0035】
第一の内部リフレクタ１５０の屈折率は、第一のカラーフィルタ１３０の屈折率よりも小さく、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との間の界面によって指示光の光路が変更され、より大きな寸法Ｗ２を有する第二のフォトダイオード１２０に、より多くの光量を入れることができるようになっている。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０の屈折率は、１より大きい。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０の屈折率と第一のカラーフィルタ１３０の屈折率との差は、０．２より大きい。
【0036】
第一のユニット１００は、第一のレンズ１６０と、第二のレンズ１７０とをさらに含む。第一のレンズ１６０は、第一のフォトダイオード１１０上に配置され、第二のレンズ１７０は、第二のフォトダイオード１２０上に配置される。また、第二のレンズ１７０のサイズは、第一のレンズ１６０のサイズよりも大きい。
【0037】
図３Ａ～図３Ｃを参照する。図３Ａ～図３Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による第一のユニット１００の異なる光路の概略図である。第一のユニット１００の光路は、少なくとも、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との屈折率の差、第一の内部リフレクタ１５０の傾斜角、及び入射光の入射角に従って決定される。
【0038】
いくつかの状況では、図３Ａに示すように、入射光Ｌ１の入射角Φ１は、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との間の界面の全内部反射（ＴＩＲ）角と実質的に等しい。入射光Ｌ１が第一のカラーフィルタ１３０から第一の内部リフレクタ１５０への界面に到達すると、入射光Ｌ１は第一の内部リフレクタ１５０に屈折せず、第一のカラーフィルタ１３０に反射しない。入射光Ｌ１は、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との間の界面に沿って実質的に透過し、したがって、ほとんどの入射光Ｌ１が第二のフォトダイオード１２０に行く。
【0039】
いくつかの他の状況では、図３Ｂに示すように、入射光Ｌ２の入射角Φ２は、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との間の界面のＴＩＲ角よりも大きい。入射光Ｌ２が第一のカラーフィルタ１３０から第一の内部リフレクタ１５０への界面に到達すると、入射光Ｌ２は第一の内部リフレクタ１５０に屈折せず、第一のカラーフィルタ１３０に全反射する。入射光Ｌ２は、第一のカラーフィルタ１３０において実質的に透過し、したがって、ほとんどの入射光Ｌ２が第二のフォトダイオード１２０に行く。
【0040】
さらに他のいくつかの状況では、図３Ｃに示すように、入射光Ｌ３の入射角Φ３は、第一の内部リフレクタ１５０と第一のカラーフィルタ１３０との間の界面のＴＩＲ角よりも小さい。入射光Ｌ３が第一のカラーフィルタ１３０から第一の内部リフレクタ１５０への界面に到達すると、入射光Ｌ３の一部は第一の内部リフレクタ１５０に屈折して、その後、第一のフォトダイオード１１０に入射し、入射光Ｌ３の別の一部は第一のカラーフィルタ１３０に反射して、その後、第二のフォトダイオード１２０に入射する。第二のフォトダイオード１２０の受光量は、第二のフォトダイオード１２０に直接入射する入射光と、第一のフォトダイオード１１０からの入射光の一部とを含む。
【0041】
図３Ａ～図３Ｃで説明したように、第一のカラーフィルタ１３０に第一の内部リフレクタ１５０を追加することによって、第一のユニット１００への入射光の光路が再配列され、寸法Ｗ１が小さい第一のフォトダイオード１１０の感度は、第一の内部リフレクタ１５０により低下するようになる。一方、寸法Ｗ２が大きい第二のフォトダイオード１２０の感度は、第一の内部リフレクタ１５０によって向上され得る。
【0042】
図２に戻って参照する。第一の内部リフレクタ１５０の構造は、入射光の光路を制御するために慎重に設計される。いくつかの実施形態では、第一のグリッド１４０の高さＨ１に対する第一の内部リフレクタ１５０の高さＨ２の比は、０．３～１である。第一の内部リフレクタ１５０が高すぎたり短すぎたりすると、入射光の少なくとも一部を第二のフォトダイオード１２０に案内する機能が破綻する。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は第五の寸法Ｗ５を有し、第五の寸法Ｗ５は第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法Ｗ１よりも大きく、第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法Ｗ１と、第二のフォトダイオード１２０の第二の寸法Ｗ２の半分との和より小さい。すなわち、第一の内部リフレクタ１５０は、少なくとも第一のフォトダイオード１１０と重なり、第二のフォトダイオード１２０の半分以上とは重ならない。いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は、第一のフォトダイオード１１０と、第二のフォトダイオード１２０の一部分とに重なっている。
【0043】
いくつかの実施形態では、第一の内部リフレクタ１５０は、傾斜受光面１５２と第一のフォトダイオード１１０（例えば、第一の内部リフレクタ１５０の底面１５１）との間に角度θ１を有し、角度θ１は、
を満たし、ここで、Ｈ１は第一のグリッド１４０の高さ、Ｗ１は第一のフォトダイオード１１０の第一の寸法、Ｗ２は第二のフォトダイオード１２０の第二の寸法である。第一の内部リフレクタ１５０の角度θ１が上記式を満たさない場合、入射光の光路は、所望のように再配列されない。
【数3】
【0044】
したがって、本開示の第一のユニットの異なる実施形態の断面図である図４及び図５に示すように、第一の内部リフレクタ１５０の高さＨ２が高くなると、第一の内部リフレクタ１５０の第五の寸法Ｗ５もそれに伴って大きくなる。一方、第一の内部リフレクタ１５０の高さＨ２が低くなると、第一の内部リフレクタ１５０の第五の寸法Ｗ５は、それに伴って小さくなる。いくつかの実施形態では、図４に示すように、第一の内部リフレクタ１５０は、第一のカラーフィルタ１３０よりも短く、第一の内部リフレクタ１５０は、第一のフォトダイオード１１０上にあり、第二のフォトダイオード１２０上にない。いくつかの実施形態では、図５に示すように、第一の内部リフレクタ１５０は、第一のフォトダイオード１１０上、第一のフォトダイオード１１０と第二のフォトダイオード１２０との間のディープトレンチ分離構造１０２の部分上、及び部分的に第二のフォトダイオード１２０上にある。
【0045】
図６を参照すると、この図は、図１の線Ｂ－Ｂに沿って取られた断面図で、本開示のいくつかの実施形態による第二のユニットの断面を示す。第二のユニット２００は、第三の寸法Ｗ３を有する第三のフォトダイオード２１０と、第四の寸法Ｗ４を有する第四のフォトダイオード２２０とを含む。第四のフォトダイオード２２０は、第三のフォトダイオード２１０に隣接して配置され、第四のフォトダイオード２２０の第四の寸法Ｗ４は、第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法Ｗ３より大きい。いくつかの実施形態では、第三のフォトダイオード２１０及び第四のフォトダイオード２２０は、対称軸Ｌ’を共有する。
【0046】
より具体的には、第二のユニット２００は、第三のフォトダイオード２１０を第四のフォトダイオード２２０から分離するように構成されたディープトレンチ分離構造２０２を含む。第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法Ｗ３は、対称軸Ｌ’の方向において第三のフォトダイオード２１０の反対側にある一対のディープトレンチ分離構造２０２の中心間距離の間で測定され、第四のフォトダイオード２２０の第四の寸法Ｗ４は、対称軸Ｌ’の方向において第四のフォトダイオード２２０の反対側にある一対のディープトレンチ分離構造２０２の中心間距離の間で測定される。
【0047】
第二のユニット２００は、第三のフォトダイオード２１０及び第四のフォトダイオード２２０に重なる第二のカラーフィルタ２３０をさらに含む。第二のカラーフィルタ２３０は、Ｒ／Ｇ／Ｂカラーフィルタ又はＣ／Ｙ／Ｍカラーフィルタであり得る。第二のカラーフィルタ２３０は、第三のフォトダイオード２１０から第四のフォトダイオード２２０まで連続的に延びる。いくつかの実施形態では、第二のカラーフィルタ２３０の色は、第一のカラーフィルタ１３０の色と同じにすることも、異なるようにすることも可能である。
【0048】
第二のユニット２００は、第二のカラーフィルタ２３０を取り囲む第二のグリッド２４０をさらに含む。第二のカラーフィルタ２３０は、第三のフォトダイオード２１０と第四のフォトダイオード２２０に重なり、第四のフォトダイオード２２０の第四の寸法Ｗ４は、第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法Ｗ３より大きいので、第二のグリッド２４０は、矩形の形状ではなく、第三のフォトダイオード２１０と第四のフォトダイオード２２０の間の部分を有さない。
【0049】
より具体的には、第二のカラーフィルタ２３０は、第三のフォトダイオード２１０の真上にある第一の部分２３２と、第四のフォトダイオード２２０の真上にある第二の部分２３４とを有し、第一の部分２３２と第二の部分２３４とは、同じ波長帯を透過させる。第二のカラーフィルタ２３０の第一の部分２３２は、第二のグリッド２４０のいかなる部分もその間に介在することなく、第二のカラーフィルタ２３０の第二の部分２３４に直接接続される。
【0050】
第二のユニット２００は、第二のカラーフィルタ２３０に配置され、第三のフォトダイオード２１０に重なる第二の内部リフレクタ２５０をさらに含む。第二の内部リフレクタ２５０の屈折率は第二のカラーフィルタ２３０の屈折率よりも小さく、第二の内部リフレクタ２５０の透明度は第一の内部リフレクタ１５０の透明度とは異なる。例えば、第一の内部リフレクタ１５０は透明な材料から作られており、第二の内部リフレクタ２５０の透明度は、第一の内部リフレクタ１５０の透明度よりも小さい。すなわち、第二の内部リフレクタ２５０は、ゼロより大きい消衰係数を有する。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０の消衰係数は、０．１～０．３である。
【0051】
いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０は、ゼロより大きい消衰係数を有する三角プリズムである。第二の内部リフレクタ２５０は、傾斜受光面２５２と、第四のフォトダイオード２２０を指す頂点２５４とを有する。より具体的には、第二の内部リフレクタ２５０は三角形の断面を有し、第二の内部リフレクタ２５０の底面２５１は第三のフォトダイオード２１０の受光面に平行かつ隣接し、第二の内部リフレクタ２５０の側面２５３は第三のフォトダイオード２１０の受光面に垂直であり、傾斜受光面２５２は第二の内部リフレクタ２５０の底面２５１と側面２５３を相互接続し、第二のカラーフィルタ２３０の上面から第四のフォトダイオード２２０に向かって傾斜している。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０は、第二のカラーフィルタ２３０に完全に埋め込まれる。第二のユニット２００は、第三のフォトダイオード２１０上の第三のレンズ２６０と、第四のフォトダイオード２２０上の第四のレンズ２７０とをさらに含む。
【0052】
第一のユニット１００と同様に、第二の内部リフレクタ２５０の屈折率は、第二のカラーフィルタ２３０の屈折率よりも小さく、図３Ａ～図３Ｃで説明したように、第二の内部リフレクタ２５０と第二のカラーフィルタ２３０との間の界面によって指示光の光路が変更され、より大きな寸法Ｗ４を有する第四のフォトダイオード２２０に、より多くの光量を入れることができるようになっている。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０の屈折率は、１より大きい。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０の屈折率と第二のカラーフィルタ２３０の屈折率との間の差は、０．２より大きい。
【0053】
いくつかの実施形態では、第二のグリッド２４０の高さＨ１に対する第二の内部リフレクタ２５０の高さＨ３の比は、０．３～１である。第二の内部リフレクタ２５０が高すぎたり短すぎたりすると、入射光の少なくとも一部を第四のフォトダイオード２２０に案内する機能が破綻する。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０は第六の寸法Ｗ６を有し、第六の寸法Ｗ６は第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法Ｗ３より大きく、第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法Ｗ３と、第四のフォトダイオード２２０の第四の寸法Ｗ４の半分との和より小さい。すなわち、第二の内部リフレクタ２５０は、少なくとも第三のフォトダイオード２１０と重なり、第四のフォトダイオード２２０の半分以上とは重ならない。いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０は、第三のフォトダイオード２１０と、第四のフォトダイオード２２０の一部分とに重なっている。
【0054】
いくつかの実施形態では、第二の内部リフレクタ２５０は、傾斜受光面２５２と第三のフォトダイオード２１０（例えば、第二の内部リフレクタ２５０の底面２５１）との間に角度θ２を有し、角度θ２は、
を満たし、ここで、Ｈ１は第二のグリッド２４０の高さ、Ｗ３は第三のフォトダイオード２１０の第三の寸法、Ｗ４は第四のフォトダイオード２２０の第四の寸法である。第二の内部リフレクタ２５０の角度θ２が上記式を満たさない場合、入射光の光路は、所望のように再配列されない。第一のグリッド１４０と第二のグリッド２４０は、実質的に同じプロセスで形成され、したがって、第一のグリッド１４０と第二のグリッド２４０の高さは、実質的に同じであることに留意されたい。
【数4】
【0055】
図７を参照すると、この図は、図１の線Ｃ－Ｃに沿って取られた断面図で、本開示のいくつかの実施形態による第三のユニットの断面を示す。第三のユニット３００は、第七の寸法Ｗ７を有する第五のフォトダイオード３１０と、第八の寸法Ｗ８を有する第六のフォトダイオード３２０とを含む。第五のフォトダイオード３１０は、第六のフォトダイオード３２０に隣接して配置され、第六のフォトダイオード３２０の第八の寸法Ｗ８は、第五のフォトダイオード３１０の第七の寸法Ｗ７より大きい。第三のユニット３００は、第五のフォトダイオード３１０及び第六のフォトダイオード３２０に重なる第三のカラーフィルタ３３０をさらに含む。第三のカラーフィルタ３３０は、Ｒ／Ｇ／Ｂカラーフィルタ又はＣ／Ｙ／Ｍカラーフィルタであり得る。いくつかの実施形態では、第三のカラーフィルタ３３０の色は、第一のカラーフィルタ１３０及び／又は第二のカラーフィルタ２３０の色と同じであることも、あるいは異なることもできる。第三のカラーフィルタ３３０には、内部リフレクタは存在しない。
【0056】
第三のユニット３００は、第三のカラーフィルタ３３０を取り囲む第三のグリッド３４０をさらに含む。より具体的には、第三のカラーフィルタ３３０は、第五のフォトダイオード３１０の真上にある第一の部分３３２と、第六のフォトダイオード３２０の真上にある第二の部分３３４とを有し、第一の部分３３２と第二の部分３３４とは、同じ波長帯を透過させる。第三のカラーフィルタ３３０の第一の部分３３２は、第三のグリッド３４０の一部分によって第三のカラーフィルタ３３０の第二の部分３３４と間隔を空けて配置される。すなわち、第三のグリッド３４０は、第三のカラーフィルタ３３０の第一の部分３３２及び第二の部分３３４を取り囲み、その間に介在する部分を有している。第三のユニット３００は、第五のフォトダイオード３１０上の第五のレンズ３６０と、第六のフォトダイオード３２０上の第六のレンズ３７０とをさらに含む。
【0057】
図８及び図９を参照すると、これらの図は、本開示のいくつかの実施形態による、イメージセンサのユニットの大型フォトダイオード及び小型フォトダイオードの正規化された感度ピークである。第三のユニットの第六のフォトダイオードのように、内部リフレクタなし（ｗ／ｏ ＩＴＲ）のユニットの大型フォトダイオードの感度ピークは、１として決定される。第一のユニットの第二のフォトダイオードのように、透明内部リフレクタ（ＩＴＲ１）を有するユニットの大型フォトダイオードの感度ピークは、１より大きい。第二のユニットの第四のフォトダイオードのように、消衰係数を有する内部リフレクタ（ＩＴＲ２）を有するユニットの大型フォトダイオードの感度ピークも、１より大きい。
【0058】
第三のユニットの第五のフォトダイオードのように、内部リフレクタなし（ｗ／ｏ ＩＴＲ）のユニットの小型フォトダイオードの感度ピークは、１として決定される。第一のユニットの第一のフォトダイオードのように、透明内部リフレクタ（ＩＴＲ １）を有するユニットの小型フォトダイオードの感度ピークは、１未満である。第二のユニットの第三のフォトダイオードのように、消衰係数を有する内部リフレクタ（ＩＴＲ２）を有するユニットの小型フォトダイオードの感度ピークも、１未満である。
【0059】
図８及び図９の結果によれば、ユニット内に内部リフレクタを追加することにより、大型フォトダイオードへの入射光は増加し、小型フォトダイオードへの入射光は減少する。第一、第二、及び第三のユニットを混合する利用は、イメージセンサのより多くの感度の組み合わせを生成することができるので、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）のための多感度比の目的を達成することができる。
【0060】
本発明は、その特定の実施形態を参照して、かなり詳細に説明されたが、他の実施形態も可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲は、本明細書に含まれる実施形態の説明に限定されるべきではない。
【0061】
本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明の構造に様々な修正及び変形を加えることができることは、当業者にとって明らかである。以上のことから、本発明は、本発明の修正及び変形が以下の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に入るのであれば、それらの修正及び変形もカバーすることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
