JP5537905B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。

デジタルカメラ等の撮像装置において、オートフォーカス（ＡＦ）を行う方式として、コントラスト検出方式と瞳分割型位相差検出方式とが知られている。

コントラスト方式は、記録画像用の撮像素子を活用できるが、焦点をずらして複数枚撮像する必要があるため、ＡＦスピードが遅いという欠点がある。

一方で、瞳分割型位相差検出方式は、記録画像用のセンサとは別途に位相差検出用のセンサを設けるため、ＡＦスピードを高速化することができるが、装置の大型化や高コストの点で不利となる。

特許文献１は、撮像面に配置された複数の画素のうち一部、マイクロレンズに対するフォトダイオードの位置を偏らせることで位相差センサとして機能させるものである。

特許文献２は、半導体基板の表面に配列された複数の光電変換素子と、半導体基板の上方に赤外波長に感度を有する光電変換層と、光電変換層の上方に設けられたカラーフィルタ層とを備える撮像素子に関する。この撮像素子は、１回の撮像によってカラー画像データと赤外画像データとを得るものである。

特開２０００−１５６８２３号公報 特開２００８−８５１６０号公報

特許文献１のように、撮像面の一部の領域を位相差を検出するための領域として用いる場合には、別途、位相差センサを設ける必要がない。しかし、この場合には、記録画像の画角の一部でしかＡＦを行うことができない。また、この領域に相当する画素では記録画像としては適さないため、記録画像の画質が劣化することが考えられる。
特許文献２は、上方の光電変換層が赤外光に感度を有し、半導体基板に設けられた光電変換素子は、赤外光とは異なる波長の光を光電変換するものである。
従来、入射光のうち同一の波長の光を用いて、記録画像用の信号電荷と位相差ＡＦ用の信号電荷を生成するものはなかった。

本発明は、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができ、記録画像の全体に対してＡＦを行うことができ、記録画像の劣化を防止できる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明は、２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
上記画素が、上記入射光を集光するマイクロレンズと、各画素の上記マイクロレンズと第１の光電変換部と間に設けられたカラーフィルタと、上記マイクロレンズと該マイクロレンズの上記カラーフィルタを透過した光に対する焦点との間に設けられた上記第１の光電変換部と、上記マイクロレンズの上記焦点と重なる位置に設けられ、且つ、上記マイクロレンズの光軸に対して偏った方向に光電変換領域を有する第２の光電変換部と、上記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
上記第１の光電変換部及び上記第２の光電変換部は、いずれも可視光を光電変換するものであり、
上記複数の画素は、上記第２の光電変換部の光電変換領域が上記光軸に対して所定の方向に偏る第１画素群と、上記第２の光電変換部の光電変換領域が上記光軸に対して上記第１画素群の反対側に偏る第２画素群とを含む撮像素子である。

また、本発明は、２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
上記画素が、上記入射光を集光するマイクロレンズと、各画素の上記マイクロレンズと第１の光電変換部と間に設けられたカラーフィルタと、上記マイクロレンズと該マイクロレンズの上記カラーフィルタを透過した光に対する焦点との間に設けられた上記第１の光電変換部と、上記マイクロレンズの上記焦点と重なる位置に設けられた第２の光電変換部と、上記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
上記第１の光電変換部及び上記第２の光電変換部は、いずれも可視光を光電変換するものであり、
上記第２の光電変換部が、上記マイクロレンズの光軸中心に対称となるようにそれぞれ異なる方向に偏って形成された複数の光電変換領域を有する撮像素子である。

更に、本発明は、上記の撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記第１の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて記録画像を生成できるとともに、前記第２の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて、位相差を検出し焦点演算する手段を有する撮像装置である。

上記の撮像素子は、第１の光電変換部において、記録画像用の信号電荷を生成する。また、第１の光電変換部に対して撮像面上で同じ位置にある第２の光電変換部では、第１画素群と第２画素群との光電変換領域の偏る方向に応じて焦点検出のための信号電荷を生成する。第１画素群及び第２画素群のそれぞれで得られた信号電荷に基いて位相差を検出することができる。そして、検出された位相差に応じて、撮像部などの光学系を制御し合焦状態やデフォーカス量を調整することができる。撮像素子の複数の画素それぞれに第１の光電変換部と第２の光電変換部が設けられているため、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができる。また、記録画像の全体に対してＡＦを行うことができ、記録画像の劣化を防止することができる。

また、上記特許文献２のように半導体基板上に光電変換膜を設けた構成では、入射光が光電変換膜の厚みや吸収係数に応じて減衰するものの、一部の光が光電変換膜を透過する。この撮像素子は、光電変換膜を透過した光を各画素の第２の光電変換部で光電変換して位相差ＡＦ用の信号電荷を生成することで有効に活用している。

本発明によれば、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができ、記録画像の全体に対してＡＦを行うことができ、記録画像の劣化を防止できる撮像素子及び撮像装置を提供できる。

撮像素子を示す断面図である。 光電変換膜の光電変換領域とフォトダイオードの光電変換領域との位置関係を示す図である。 画素の配置の例を示す図である。 画素の配置の例を示す図である。 図１に示す信号読出部の構成を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 図６の撮像素子の構成において、光電変換膜の光電変換領域とフォトダイオードの光電変換領域との位置関係を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像素子の他の構成例を示す図である。 撮像装置を示す図である。

図１は、撮像素子を示す断面図である。撮像素子１０は、ｎ型シリコン基板１上にｐウェル層２が形成された半導体基板を備える。図１では、撮像素子１０の光入射側を上側とした状態を示している。このため、以下の図１にかかる説明では、撮像素子１０の光入射側の方向を「上方」又は「上」とし、光入射側に対して反対側の方向を「下方」又は「下」とする。

ｐウェル層２には埋め込み型のフォトダイオード３と、ｎ型の不純物拡散領域４と、信号読出部５とが設けられている。信号読出部５は、フォトダイオード３と不純物拡散領域４のそれぞれに対して１つずつ設けられている。

ｐウェル層２の上には透明な絶縁膜６が設けられている。絶縁膜６の上面には、該上面と同一平面を形成するように埋め込まれた複数の画素電極１１が設けられている。画素電極１１は、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。

絶縁膜６内には、柱状のコンタクト部８が該絶縁膜６の厚み方向に延設されている。コンタクト部８の上方端部が各画素電極１１に接続され、下方端部が半導体基板のｐウェル層２の表面に設けられた不純物拡散領域４に接続されている。コンタクト部８は、画素電極１１及び不純物拡散領域４以外とは電気的に導通しないように、絶縁処理が施されていてもよい。絶縁処理としては、例えば、コンタクト部８と他の導電性材料との間に僅かに隙間を形成し、その隙間に絶縁材料で埋める構成が挙げられる。

また、絶縁膜６内には、可視光に対して遮光性を有するタングステン等の材料からなる遮光膜７が形成されている。遮光膜７は、フォトダイオード３の上方が開口している。不純物拡散領域４と信号読出部５の上方は、遮光膜７によって覆われているため、半導体基板のフォトダイオード３以外の領域が遮光される。

絶縁膜６及び画素電極１１の上面を覆うように、単一の層からなる光電変換膜１２が形成されている。光電変換膜１２は有機材料やアモルファスシリコンからなる光電変換材料を用いる。光電変換膜１２は、入射光を光電変換することで信号電荷を生成する。光電変換膜１２としては、可視光波長全域にわたって感度を有する、所謂、パンクロ膜を用いる。光電変換膜１２は、入射光のうち約７０%を光電変換しており、残りの約３０%が該光電変換膜１２を透過する。

光電変換膜１２上には単一の層からなる対向電極１４が設けられている。対向電極１４は、画素電極１１と同様に、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。

対向電極１４上には保護膜１６が設けられている。保護膜１６上には、複数のカラーフィルタ１８が配置されている。複数のカラーフィルタ１８は、赤色波長の光を透過するＲカラーフィルタと、緑色波長の光を透過するＧカラーフィルタと、青色波長の光を透過するＢカラーフィルタとをベイヤー配列で配置したものである。なお、カラーフィルタ１８の配置はベイヤー配列に限定されない。

各カラーフィルタ１８上には、入射光を集光するマイクロレンズ２４が設けられている。

撮像素子１０は、図中の水平方向に対して平行な２次元平面を想定した場合に、２次元状に配置された複数の画素を有する。ここで、画素とは、１つのフォトダイオード３と、該フォトダイオード３の上方に設けられた画素電極１１と、該画素電極１１上の光電変換膜１２及び対向電極１４の領域を含む。また、画素とは、画素電極１１の上方に配置された１つのカラーフィルタ１８と１つのマイクロレンズ２４とを含む。更に、画素は、信号電荷を読み出すための信号読出部５を含む。図１では、複数の画素のうち、隣り合う３つの画素を示している。

図１の一点鎖線で示す線は、入射光と、マイクロレンズ２４によって集光される光の光路を示している。また図中のＦは、マイクロレンズ２４の焦点を示している。図中のＣは、マイクロレンズ２４の光軸を示している。光軸Ｃは、マイクロレンズ２４の中心を通る直線で、該マイクロレンズ２４によって集光された光束と焦点Ｆで交わる線である。

撮像素子１０は、各画素の光電変換膜１２が、マイクロレンズ２４と、該マイクロレンズ２４の焦点Ｆとの間に設けられている。また、フォトダイオード３がマイクロレンズ２４の焦点Ｆと重なる位置に設けられ、かつ、マイクロレンズ２４の光軸Ｃに対して偏った方向に光電変換領域を有する。フォトダイオード３の光電変換領域は、遮光膜７の開口した領域に対応する。つまり、遮光膜７の開口が、マイクロレンズ２４の光軸Ｃに対して偏った位置にある。

この撮像素子１０の例では、光電変換膜１２が記録画像用の信号電荷を生成する第１の光電変換部として機能し、フォトダイオード３が位相差ＡＦ用の信号電荷を生成する第２の光電変換部として機能する。

図２は、光電変換膜の光電変換領域とフォトダイオードの光電変換領域との位置関係を示す図である。図２は、複数の画素が配列された面（撮像面）に対して垂直にみた状態である。なお、図１で説明した撮像素子１０の構成を適宜参照する。図２では、矢印ｘ−ｙの２次元平面に配置された４つの画素の各光電変換領域が示されている。ここで、矢印ｘで示す方向を、撮像素子において撮像面の水平方向とし、矢印ｙで示す方向を垂直方向とする。

図２のＳ１は、光電変換膜１２の光電変換領域を示している。光電変換膜１２の光電変換領域Ｓ１は、図１を参照すると、光電変換膜１２のうち、各画素において画素電極１１と対向電極１４とで挟まれた領域に相当する。光電変換膜１２の光電変換領域Ｓ１の中心は、マイクロレンズ２４の光軸Ｃとほぼ同じ位置である。

図２のＳ２は、フォトダイオード３の光電変換領域を示している。フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２は、図１を参照すると、フォトダイオード３のうち、遮光膜７の開口を通過した光が入射することで光電変換によって信号電荷が生成される領域に相当する。フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２は、遮光膜７の開口の位置で規定されるものである。フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２は、マイクロレンズ２４の光軸Ｃに対して偏っている。

図２の例では、複数の画素のうち、フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が光軸Ｃに対して水平方向ｘの一方に偏る第１画素群Ｐ１と、光電変換領域Ｓ２が光軸Ｃに対して第１画素群Ｐ１の反対側、つまり、水平方向ｘの他方に偏る第２画素群Ｐ２とを含む。第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２はそれぞれ、フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が光軸Ｃに対し、水平方向ｘの異なる方向に偏る。第１画素群Ｐ１のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２と、第２画素群Ｐ２のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２とは、光軸Ｃに対して対称な位置関係である。

各画素の光電変換膜１２は、入射光を光電変換して記録画像用の信号電荷を生成する。フォトダイオード３は、光電変換膜１２を透過した光の一部を光電変換して、位相差ＡＦ用の信号電荷を生成する。このとき、フォトダイオード３の信号電荷によって、水平方向ｘを瞳分割方向として位相差を検出できる。

図２の他の構成として、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２はそれぞれ、フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が光軸Ｃに対し、垂直方向ｙの異なる方向に偏るように構成されてもよい。この場合には、フォトダイオード３の信号電荷によって、垂直方向ｙを瞳分割方向として位相差を検出する。

また、図２の画素の配置で、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２がそれぞれ、緑色波長域の光を透過させるＧカラーフィルタを有する構成とすることが好ましい。この配置によれば、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２から得られる位相差ＡＦ用の信号電荷が、同じＧの出力となり、位相差の検出の精度を向上させることができる。

図３及び図４は、画素の配置の例を示す図である。以下の例では、複数の画素が第１画素群Ｐ１及び第２画素群Ｐ２に加え、更に、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４とを含む。なお、各画素は、フォトダイオード３の位置関係を除き、いずれも同じ構成である。

図３に示す例では、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２は、フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が水平方向ｘに偏った配置である。第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４は、フォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が垂直方向ｙに偏った配置である。つまり、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４間のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が偏る方向が、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２間のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が偏る方向に対して垂直である。図３の例では、第１画素群Ｐ１からなる行と第２画素群Ｐ２からなる行とが垂直方向ｙに並んでに配置されている。また、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４とが水平方向ｘに交互に配置されている。

図３の画素の配置によれば、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２とによって水平方向ｘを瞳分割方向とする位相差ＡＦ用の信号電荷を得るとともに、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４とによって垂直方向ｙを瞳分割方向とする位相差ＡＦ用の信号電荷を得ることができる。

図４に示す例では、図３と同様に、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２はフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が水平方向ｘに偏った配置であり、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４はフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が垂直方向ｙに偏った配置である。また、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４間のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が偏る方向が、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２間のフォトダイオード３の光電変換領域Ｓ２が偏る方向に対して垂直である。図４の例では、２画素×２画素を１つのブロックとしたとき、第１画素群Ｐ１が水平方向ｘに２つ並んだ行と、第２画素群Ｐ２が水平方向ｘに２つ並んだ行とからなるブロックと、第３画素群Ｐ３が垂直方向ｙに２つ並んだ列と、第４画素群Ｐ４が垂直方向ｙに２つ並んだ列とからなるブロックで構成された配置である。このとき第１画素群Ｐ１、第２画素群Ｐ２からなるブロックに対して、第３画素群Ｐ３、第４画素群Ｐ４からなるブロックが隣り合うように配置されている。

図４の画素の配置によれば、図３と同様に、第１画素群Ｐ１と第２画素群Ｐ２とによって水平方向ｘを瞳分割方向とする位相差ＡＦ用の信号電荷を得るとともに、第３画素群Ｐ３と第４画素群Ｐ４とによって垂直方向ｙを瞳分割方向とする位相差ＡＦ用の信号電荷を得ることができる。

次に、信号読出部の構成を説明する。図５は、図１に示す信号読出部の構成を示す図である。信号読出部５は、３個のトランジスタを有するＭＯＳ回路である。なお、信号読出部５の構成は、それぞれの画素で同じである。

図５において図１と同様の構成には同一符号を付してある。信号読出部５は、リセットトランジスタ４３，４６と、出力トランジスタ４２，４７と、行選択トランジスタ４１，４８とを備えている。

リセットトランジスタ４３は、ドレインが不純物拡散領域４に接続され、ソースが電源Ｖｎに接続されている。
出力トランジスタ４２は、ゲートがリセットトランジスタ４３のドレインに接続され、ソースが電源Ｖｃｃに接続されている。
行選択トランジスタ４１は、ソースが出力トランジスタ４２のドレインに接続され、ドレインが信号出力線４５に接続されている。
リセットトランジスタ４６は、ドレインがフォトダイオード３に接続され、ソースが電源Ｖｎに接続されている。
出力トランジスタ４７は、ゲートがリセットトランジスタ４６のドレインに接続され、ソースが電源Ｖｃｃに接続されている。
行選択トランジスタ４８は、ソースが出力トランジスタ４７のドレインに接続され、ドレインが信号出力線４９に接続されている。

画素電極１１と対向電極１４との間にバイアス電圧を印加することで、光電変換膜１２で入射した光に応じて電荷が生成され、この電荷が画素電極７とコンタクト部８を通して不純物拡散領域４へと移動する。不純物拡散領域４に蓄積された電荷は、出力トランジスタ４２でその電荷量に応じた信号に変換される。そして、行選択トランジスタ４１をＯＮにすることで信号出力線４５に信号が出力される。信号出力後は、リセットトランジスタ４３によって不純物拡散領域４内の電荷がリセットされる。

光電変換膜１２を透過した光がフォトダイオード３に入射すると、フォトダイオード３では光電変換によって電荷が生成される。フォトダイオード３で生成された電荷は、出力トランジスタ４７でその電荷量に応じた信号に変換される。そして、行選択トランジスタ４８をＯＮにすることで信号出力線４９に信号が出力される。信号出力後は、リセットトランジスタ４６によってフォトダイオード３内の電荷がリセットされる。

信号読出部５によって、光電変換膜１２とフォトダイオード３で生成された電荷がそれぞれ信号電荷として別々に読み出される。そして、光電変換膜１２の信号電荷が記録画像用の信号電荷として処理され、フォトダイオード３の信号電荷が位相差ＡＦ用の信号電荷として処理される。

このような撮像素子１０によれば、複数の画素それぞれに光電変換膜１２とフォトダイオード３とが設けられているため、記録画像の撮像と位相差の検出を同時に行うことができる。また、記録画像の全体に対して位相差ＡＦを行うことができ、記録画像の劣化を防止することができる。

撮像時に、各画素において入射光のうち一部が光電変換膜１２を透過し、透過した光がフォトダイオード３で受光され、光電変換される。各画素のフォトダイオード３で光電変換によって位相差ＡＦ用の信号電荷が生成される。撮像素子は、光電変換膜１２が可視光領域全体に対して感度を有し、入射した光の多くを光電変換して記録画像用の信号電荷を生成することができる。また、光電変化膜１２を透過した光を位相差ＡＦ用の信号電荷に光電変換しているため、入射光を有効に利用することができる。

図６は、撮像素子の他の構成例を示す図である。図６の撮像素子の構成は、図１の撮像素子の構成とほぼ同じである。以下の説明では、異なる構成について説明し、既に説明した部材と同じものについては同じ参照番号を付すことで説明を省略する。

この撮像素子１０は、各画素の半導体基板のｐウェル層２に２つの埋め込む型のフォトダイオード３ａ，３ｂが設けられている。フォトダイオード３ａ，３ｂはそれぞれ同じ構成であり、その不純物濃度や半導体基板に対する大きさがともに同じである。半導体基板の、フォトダイオード３ａ，３ｂが設けられた領域以外の領域は遮光膜７によって覆われ遮光されている。このため、入射光のうち、光電変換膜１２を透過した光の一部が、フォトダイオード３ａ，３ｂに入射することで、フォトダイオード３ａ，３ｂのそれぞれで光電変換により位相差ＡＦ用の信号電荷が生成される。この例では、フォトダイオード３ａ，３ｂが第２の光電変換部として機能し、それぞれ光電変換領域を有する。なお、この構成では、ｐウェル層２においてフォトダイオード３ａ，３ｂの間にフォトダイオード３ａ，３ｂから信号電荷を読み出すための信号読出部５が設けられ、該信号読出部５の上にも遮光膜７の一部が設けられている。

この例では、半導体基板に２つのフォトダイオード３ａ，３ｂを設ける構成としたが、２つに限定されず、３個以上設けてもよい。

図７は、図６の撮像素子の構成において、光電変換膜の光電変換領域とフォトダイオードの光電変換領域との位置関係を示す図である。この図では平面視した状態を示している。

図７のＳ１は、光電変換膜１２の光電変換領域を示し、光電変換膜１２のうち、各画素において画素電極１１と対向電極１４とで挟まれた領域に相当する。光電変換膜１２の光電変換領域Ｓ１の中心は、マイクロレンズ２４の光軸Ｃとほぼ同じ位置である。

図７では、フォトダイオード３ａの光電変換領域Ｓ２１とフォトダイオード３ｂの光電変換領域Ｓ２２とを示している。フォトダイオード３ａ，３ｂの各光電変換領域Ｓ２１，２２は、フォトダイオード３ａ，３ｂのうち、遮光膜７の開口を通過した光が入射することで光電変換によって信号電荷が生成される領域に相当する。フォトダイオード３ａ，３ｂに対応する遮光膜７の開口はいずれも等しい大きさの開口であり、光電変換領域Ｓ２１，Ｓ２２の大きさはほぼ等しい。

光電変換領域Ｓ２１，Ｓ２２は、マイクロレンズ２４の光軸Ｃに対称となるようにそれぞれ異なる方向に偏っている。図７では、光電変換領域Ｓ２１，Ｓ２２が光軸Ｃに対称となるように、それぞれ水平方向ｘに偏っている。なお、図７では、光電変換領域Ｓ２１，Ｓ２２が光軸Ｃに対称となるように、それぞれ垂直方向ｙに偏っていてもよい。

複数の画素間で、光電変換領域Ｓ２１，Ｓ２２の光軸に対する偏る方向が同じになる。こうすれば、より正確に位相差のＡＦ検出を行うことができる。このような配置は、画素のサイズが大きく、各画素で一つのマイクロレンズに対して複数の光電変換領域を形成できる場合に適している。

図８は、撮像素子の他の構成例を示す図である。図８の撮像素子の構成は、図１の撮像素子の構成とほぼ同じである。この例では、半導体基板のｐウェル層２に埋め込み型のフォトダイオードを設けるかわりに、光電変換膜１２の下方に、同様の光電変換膜３２を設けた構成である。

この撮像素子１０は、ｐウェル層２に、ｎ型の不純物拡散領域３ｎと、ｎ型の不純物拡散領域４と、信号読出部５とが設けられている。信号読出部５は、不純物拡散領域３ｎと不純物拡散領域４とに対して１つずつ設けられている。

ｐウェル層２の上には透明な絶縁膜３６が設けられている。絶縁膜３６の上面には、該上面と同一平面を形成するように埋め込まれた複数の画素電極３１が設けられている。画素電極３１は、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。

絶縁膜３６内には、柱状のコンタクト部３８が該絶縁膜３６の厚み方向に延設されている。コンタクト部３８の上方端部が各画素電極３１に接続され、下方端部が半導体基板のｐウェル層２の表面に設けられた不純物拡散領域３ｎに接続されている。

絶縁膜３６及び画素電極３１の上面を覆うように、単一の層からなる光電変換膜３２が形成されている。光電変換膜３２は、光電変換膜１２と同じように有機材料やアモルファスシリコンからなる光電変換材料を用いる。

光電変換膜３２上には単一の層からなる対向電極３４が設けられている。対向電極３４は、画素電極３１と同様に、ＩＴＯ等の可視光に対して透明な電極材料で構成されている。

対向電極３４上には、透明な絶縁膜６が設けられている。図１の撮像素子と同様に、絶縁膜６には、複数の画素電極１１と、遮光膜７と、コンタクト部８が形成されている。コンタクト部８は、各画素電極１１からｐウェル層２の不純物拡散領域４までを貫通するように設けられ、各画素で画素電極１１と不純物拡散領域４とを電気的に導通する。なお、コンタクト部８と対向電極３４とが通電しないように、コンタクト部８における対向電極３４を貫通する部位に絶縁処理が施されている。

絶縁膜６及び画素電極１１の上面を覆うように、単一の層からなる光電変換膜１２が設けられ、該光電変換膜１２上には、単一の層からなる対向電極１４が設けられている。更に、対向電極１４上には、先に説明した撮像素子の例と同様に、保護膜１６、カラーフィルタ１８、マイクロレンズ２４がこの順で設けられている。

撮像時に、各画素において入射光のうち一部が光電変換膜１２を透過し、透過した光が光電変換膜３２で受光され、光電変換される。各画素の光電変換膜３２で光電変換によって位相差ＡＦ用の信号電荷が生成される。撮像素子は、光電変換膜１２が可視光領域全体に対して感度を有し、入射した光の多くを光電変換して記録画像用の信号電荷を生成することができる。また、光電変化膜１２を透過した光を位相差ＡＦ用の信号電荷に光電変換しているため、入射光を有効に利用することができる。

図９は、撮像素子の他の例を示す断面図である。この撮像素子の構成は、図８の撮像素子の構成と基本的に同じである。
各画素は、２つの画素電極３１ａ，３１ｂを有している。画素電極３１ａ，３１ｂ上には、単一の層である光電変換膜３２と対向電極３４とがこの順に設けられている。対向電極３４の上には絶縁膜６が形成されている。なお、絶縁膜６に設けられる画素電極１１や、絶縁膜６上に設けられる光電変換膜１２、対向電極１４、保護層１６、カラーフィルタ１８、マイクロレンズ２４の構成は、上述した撮像素子の構成と同じである。絶縁膜６内に設けられる遮光膜７は、画素電極３１ａ，３１ｂそれぞれの上方に対応する位置が開口するように形成されている。

光電変換膜３２は、対向電極３４と画素電極３１ａとの間と、対向電極３４と画素電極３１ｂとの間のそれぞれに光電変換領域（それぞれＳ２１，Ｓ２２とする。）が形成される。絶縁膜６内に設けられる遮光膜７は、これら光電変換領域を除く領域を覆うように設けられている。

半導体基板のｐウェル層２には、画素電極１１とコンタクト部８によって電気的に接続された不純物拡散領域４と、信号読出部５とが設けられている。また、ｐウェル層２には、画素電極３１ａとコンタクト部３８ａによって電気的に接続された不純物拡散領域３３ａと、画素電極３１ｂとコンタクト部３８ｂによって電気的に接続された不純物拡散領域３３ｂと、が形成されている。信号読出部５は、不純物拡散領域４、３３ａ、３３ｂに対して１つずつ設けられている。

光電変換膜３２における、画素電極３１ａ上の光電変換領域と画素電極３１ｂ上の光電変換領域の位置関係は、図７に示すフォトダイオード３ａ，３ｂの各光電変換領域Ｓ２１，２２と同様である。すなわち、それぞれの光電変換領域の大きさはほぼ等しく、マイクロレンズ２４の光軸Ｃに対称となるようにそれぞれ異なる方向に偏っている。複数の画素は、それぞれの光電変換領域が光軸Ｃに対称となるように、それぞれ水平方向ｘ又は垂直方向ｙに偏って配置されている。

複数の画素間で、光電変換膜３２のそれぞれの光電変換領域が光軸中心に対称となるように偏る配置とすれば、より正確に位相差のＡＦ検出を行うことができる。このような配置は、画素のサイズが大きく、各画素で一つのマイクロレンズに対して複数の光電変換領域を形成できる場合に適している。

図１０は、撮像装置を示す図である。この例では撮像装置として、デジタルカメラの構成を例に説明するが、デジタルビデオカメラやカメラ付き携帯端末であってもよい。

撮像装置は、撮像部に、レンズ群５１と、撮像素子１０と、この両者の間に設けられた絞り５２と、赤外線カットフィルタ５３と、光学ローパスフィルタ５４とが設けられている。撮像素子１０は上記と同じものを用いることができる。

レンズ群５１には、それぞれ、ズーム位置を調整するためのズームレンズと、フォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズ等が含まれている。

デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部６１は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成されている。システム制御部６１は、レンズ駆動部５８を制御してレンズ群５１のフォーカスレンズ位置やズームレンズ位置の調整や、絞り駆動部５９を介し絞り５２の開口量を制御して露光量調整を行う。

また、システム制御部６１は、撮像素子駆動部６０を介して撮像素子１０を駆動し、レンズ群５１を通して撮像した被写体画像を撮像信号として出力させる。システム制御部６１には、操作部６４を通してユーザからの指示信号が入力される。

デジタルカメラの電気制御系は、更に、撮像素子１０の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部５６と、このアナログ信号処理部５６から出力された撮像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路５７とを備え、これらはシステム制御部６１によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ６６と、メインメモリ６６に接続されたメモリ制御部６５と、Ａ／Ｄ変換回路５７から出力される撮像信号にそれぞれ所定のデジタル信号処理（補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等）を行って画像データを生成するデジタル信号処理部６７と、デジタル信号処理部６７で生成された画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする圧縮伸張処理部６８と、着脱自在の記録媒体７１が接続される外部メモリ制御部７０と、画像データに基づく画像を立体視可能に表示する表示部７３が接続される表示制御部７２とを備え、これらは、制御バス７４及びデータバス７５によって相互に接続され、システム制御部６１からの指令によって制御される。

表示部７３は、記録画像を表示するための画像表示部として利用されるとともに、各種設定時にＧＵＩとして利用される。また、撮影時には、表示部７３に撮像素子１０で撮像した画像がスルー画として連続的に表示され、電子ファインダ等として利用される。

撮像装置は、撮像素子で検出された位相差ＡＦ用の信号電荷に基づいて位相差を演算する焦点演算部６９を備えている。焦点演算部６９は、制御バス７４及びデータバス７５に接続され、システム制御部６１からの指令によって制御される。

撮像時に、撮像装置は撮像素子から位相差ＡＦ用の信号電荷を読み出す。焦点演算部６９は、位相差ＡＦ用の信号電荷に基づいて、第１画素群から読み出された画像データと第２画素群とから読み出された画像データとを比較して位相差を検出する。この位相差に応じて合焦状態となるために必要なレンズ移動距離を算出する。システム制御部６１は、焦点演算部６９の信号に基づいてレンズ駆動部５８に駆動制御し、焦点の調整を行う。

撮像装置において、位相差ＡＦ用の信号電荷は、記録画像用の信号電荷のように、常時読み出す必要はない。例えば、第１の光電変換部で生成した記録画像を所定のフレームレート（例えば３０ｆｐｓ）でスルー画表示を行いつつ、第２の光電変換部で、スルー画より低いフレームレート（例えば１０ｆｐｓ）で位相差ＡＦ用の信号電荷を読み出すことができる。こうすれば、第２の光電変換部による位相差ＡＦ用の信号電荷の露光時間を確保することができる。

上記の例では各画素にカラーフィルタ１８を設けることでカラーの記録画像用の信号電荷を取得する構成としたが、カラーフィルタを設けない構成として白黒の記録画像用の信号電荷を取得する構成としてもよい。

本明細書は、次の事項を含む。
（１）２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
前記画素が、前記入射光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズと該マイクロレンズの焦点との間に設けられた第１の光電変換部と、前記マイクロレンズの焦点と重なる位置に設けられ、かつ、前記マイクロレンズの光軸に対して偏った方向に光電変換領域を有する第２の光電変換部と、前記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
前記複数の画素は、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対して所定の方向に偏る第１画素群と、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対して前記第１画素群の反対側に偏る第２画素群とを含む撮像素子。
（２）上記（１）に記載の撮像素子であって、
前記第１画素群と前記第２画素群はそれぞれ、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対し、撮像面の水平方向において異なる方向に偏る撮像素子。
（３）上記（１）に記載の撮像素子であって、
前記第１画素群と前記第２画素群はそれぞれ、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対し、撮像面の垂直方向において異なる方向に偏る撮像素子。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
各画素の前記マイクロレンズと前記第１の光電変換部と間にカラーフィルタが設けられ、前記カラーフィルタがベイヤー配列で配置され、前記第１画素群と前記第２画素群がそれぞれ、少なくとも一部に緑色波長域の光を透過するＧカラーフィルタを有する撮像素子。
（５）上記（４）に記載の撮像素子であって、
前記複数の画素が正方格子状に配列され、前記第１画素群のうちＧカラーフィルタを有する画素と、前記第２画素群のうちＧカラーフィルタを有する画素とが隣り合わないようにもっと近い位置に配置される撮像素子。
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記画素群は、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対してそれぞれ異なる方向に偏る第３画素群と第４画素群とを含み、
前記第３画素群と前記第４画素群間の前記第２の光電変換部の光電変換領域が偏る方向が、前記第１画素群と前記第２画素群間の前記第２の光電変換部の光電変換領域が偏る方向に対して垂直である撮像素子。
（７）上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、前記第２光電変換部の光電変換領域以外の領域を覆うように遮光膜が設けられている撮像素子。
（８）２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
前記画素が、前記入射光を集光するマイクロレンズと、前記マイクロレンズと該マイクロレンズの焦点との間に設けられた第１の光電変換部と、前記マイクロレンズの焦点と重なる位置に設けられた第２の光電変換部と、前記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
前記第２の光電変換部が、前記マイクロレンズの光軸中心に対称となるようにそれぞれ異なる方向に偏って形成された複数の光電変換領域を有する撮像素子。
（９）上記（８）に記載の撮像素子であって、
前記第２の光電変換部は、前記複数の画素間で、前記複数の光電変換領域の前記光軸に対する偏る方向が同じである撮像素子。
（１０）上記（９）に記載の撮像素子であって、
各画素の前記マイクロレンズと前記第１の光電変換部との間にカラーフィルタが設けられ、前記カラーフィルタがベイヤー配列で配置される撮像素子。
（１１）上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記第１の光電変換部が有機材料を含む光電変換膜であり、
前記第２の光電変換部が半導体基板内に設けられたフォトダイオードである撮像素子。
（１２）上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が有機材料を含む光電変換膜である撮像素子。
（１３）上記（１）から（１２）のいずれか１つに記載の撮像素子を備えた撮像装置であって、
前記第１の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて記録画像を生成できるとともに、前記第２の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて、位相差を検出し焦点演算する手段を有する撮像装置。

撮像素子は、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラに好適である。また、内視鏡や携帯端末に搭載される撮像素子に適用することができる。

３ フォトダイオード
１０ 撮像素子
１２ 光電変換膜
２４ マイクロレンズ
Ｃ 光軸
Ｆ 焦点

Claims (13)

1. ２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
   前記画素が、前記入射光を集光するマイクロレンズと、各画素の前記マイクロレンズと第１の光電変換部と間に設けられたカラーフィルタと、前記マイクロレンズと該マイクロレンズの前記カラーフィルタを透過した光に対する焦点との間に設けられた前記第１の光電変換部と、前記マイクロレンズの前記焦点と重なる位置に設けられ、且つ、前記マイクロレンズの光軸に対して偏った方向に光電変換領域を有する第２の光電変換部と、前記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
   前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、いずれも可視光を光電変換するものであり、
   前記複数の画素は、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対して所定の方向に偏る第１画素群と、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対して前記第１画素群の反対側に偏る第２画素群とを含む撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子であって、
   前記第１画素群と前記第２画素群はそれぞれ、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対し、撮像面の水平方向において異なる方向に偏る撮像素子。
3. 請求項１に記載の撮像素子であって、
   前記第１画素群と前記第２画素群はそれぞれ、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対し、撮像面の垂直方向において異なる方向に偏る撮像素子。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
   各画素の前記マイクロレンズと前記第１の光電変換部と間にカラーフィルタが設けられ、前記カラーフィルタがベイヤー配列で配置され、前記第１画素群と前記第２画素群がそれぞれ、少なくとも一部に緑色波長域の光を透過するＧカラーフィルタを有する撮像素子。
5. 請求項４に記載の撮像素子であって、
   前記複数の画素が正方格子状に配列され、前記第１画素群のうちＧカラーフィルタを有する画素と、前記第２画素群のうちＧカラーフィルタを有する画素が隣り合わないように最も近い位置に配置される撮像素子。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
   前記画素群は、前記第２の光電変換部の光電変換領域が前記光軸に対してそれぞれ異なる方向に偏る第３画素群と第４画素群とを含み、
   前記第３画素群と前記第４画素群間の前記第２の光電変換部の光電変換領域が偏る方向が、前記第１画素群と前記第２画素群間の前記第２の光電変換部の光電変換領域が偏る方向に対して垂直である撮像素子。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
   前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部との間に、前記第２光電変換部の光電変換領域以外の領域を覆うように遮光膜が設けられている撮像素子。
8. ２次元状に配置された複数の画素を有し、各画素が入射光を光電変換して信号電荷を生成する撮像素子であって、
   前記画素が、前記入射光を集光するマイクロレンズと、各画素の前記マイクロレンズと第１の光電変換部と間に設けられたカラーフィルタと、前記マイクロレンズと該マイクロレンズの前記カラーフィルタを透過した光に対する焦点との間に設けられた前記第１の光電変換部と、前記マイクロレンズの前記焦点と重なる位置に設けられた第２の光電変換部と、前記信号電荷を読み出す信号読出部と、を有し、
   前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、いずれも可視光を光電変換するものであり、
   前記第２の光電変換部が、前記マイクロレンズの光軸中心に対称となるようにそれぞれ異なる方向に偏って形成された複数の光電変換領域を有する撮像素子。
9. 請求項８に記載の撮像素子であって、
   前記第２の光電変換部は、前記複数の画素間で、前記複数の光電変換領域の前記光軸に対する偏る方向が同じである撮像素子。
10. 請求項９に記載の撮像素子であって、
    各画素の前記マイクロレンズと前記第１の光電変換部との間にカラーフィルタが設けられ、前記カラーフィルタがベイヤー配列で配置される撮像素子。
11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
    前記第１の光電変換部が有機材料を含む光電変換膜であり、
    前記第２の光電変換部が半導体基板内に設けられたフォトダイオードである撮像素子。
12. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の撮像素子であって、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部が有機材料を含む光電変換膜である撮像素子。
13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の撮像素子を備えた撮像装置であって、
    前記第１の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて記録画像を生成できるとともに、前記第２の光電変換部から得られる信号電荷に基づいて、位相差を検出し焦点演算する手段を有する撮像装置。

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