２次元固体撮像装置
【課題】入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき発生した近接場光を応用し、色情報を確実に再現し得る２次元固体撮像装置を提供する。
【解決手段】２次元固体撮像装置は、２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層３０及び光電変換素子２１が絶縁膜３１を挟んで配置されており、開口部に対して少なくとも１つの光電変換素子２１が配置されており、開口部３１の射影像は光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、開口部３１は入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【解決手段】２次元固体撮像装置は、２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層３０及び光電変換素子２１が絶縁膜３１を挟んで配置されており、開口部に対して少なくとも１つの光電変換素子２１が配置されており、開口部３１の射影像は光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、開口部３１は入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元固体撮像装置に関し、より詳しくは、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって発生した近接場光を検出する２次元固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラ、カムコーダ（ビデオカメラといった撮影部と録画部とを一体型にしたもので、カメラ・アンド・レコーダの略称）等、被写体を２次元固体撮像素子から成る光電変換素子にて撮影して画像化する２次元固体撮像装置が増えている。そして、現在主流の固体撮像素子であるＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子の画素サイズは微細化が進んでおり、１画素の物理的サイズは可視光の波長の２倍程度にまでなっている。ここで、これらの光電変換素子にあっては、光電変換素子への入射電磁波の入射面積が小さくなると、即ち、入射電磁波に対する光電変換素子の開口面積が小さくなると、光電変換素子全体としての感度は低下する。オンチップ・レンズによる集光効率の改善（例えば、特開平９−１４８５４９参照）や、トランジスタの共有による開口面積の確保（例えば、文献：高橋秀和 著、映像情報メディア学会誌 Vol.60, No.3, p.295-298, 2006 参照）、裏面照射型構造の採用による導波路における光学的ロスの軽減（特許第４１２４１９０号参照）といった種々の対策はなされているものの、これらの方法は、「入射電磁波に対して光電変換素子の実効的な開口面積が小さくなると、各画素における光電変換素子の感度は低下する」といった問題の根本的解決策にはなっていない。
【０００３】
一方、特定の周期パターンを有する金属面に光を照射すると、その周期パターンに相当する周波数成分の電磁波によって金属表面に共鳴モード［表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）］が発生し、プラズモン共振によって通常光よりも１０2乃至１０3倍も強い電場（近接場光）が生じることが知られている（例えば、文献：L. Salomon et al., Physical Review Letters, Vol.86, No.6, p.1110-1113, 2001、書籍：「光ナノテクノロジーの基礎」、福井萬壽夫・大津元一（オーム社）ISBN4-274-19713-1 参照）。
【０００４】
近接場光とは、物質に電磁波（光）を照射したとき、その電磁波の波長に比べて微小距離だけしか物質表面から離れていない領域に生じる、閉じた電気力線に起因した非伝播の光である。物質から入射電磁波の波長程度以上離れた領域では、近接場光は指数関数的に減衰して、観測できなくなる。従って、表面プラズモン・ポラリトンが励起されている領域の極近傍に光電変換素子を配置することによってのみ、近接場光を電気信号として検出することができる。近接場光は、入射電磁波の波長によって一意に決まる回折限界よりも小さい構造に感度を有し、また、回折限界よりも小さいスポットに集光させることができる。そして、その電場強度は、近接場光の発生ポイントに近いほど強く、発生ポイントから１０ｎｍ程度の極近傍領域では、伝播光に比べて２桁〜３桁も強くなる。このため、入射電磁波に対する光電変換素子の開口面積を小さくしても電場強度を高めることが可能となる。従って、発生ポイントに光電変換素子を近づけることによって、「光電変換素子の実効的な開口面積が小さくなると、各画素における光電変換素子の感度は低下する」という従来の技術の問題に対する根本的な解決策となり得る。
【０００５】
例えば、近接場光を応用した光検出素子が、特開２００８−２３３０４９に開示されている。この特許公開公報に開示された技術にあっては、微小共振器３０１がＳｉから成る基板３０２上に、例えば厚さ５ｎｍのＳｉＯ2から成る絶縁膜３０３を挟んで形成されている。微小共振器３０１及び絶縁膜３０３は、例えば、平面形状が不等辺三角形のナノドットから構成されている。そして、微小共振器３０１に入射した光が局在表面プラズモン共鳴を生じさせる結果、金属ナノドットの３つの頂点で電場増強が生じ、強い近接場光が生じる。この金属ナノドットの頂点の部分近傍にはフォトダイオード領域３０４が形成されており、３つの頂点のそれぞれの近傍の光強度を独立に受光する。フォトダイオード領域３０４は電場強度の強さを電荷として出力し、この電荷が蓄積された後に増幅トランジスタ３０５で増幅され、さらに行選択トランジスタ３０６によって位置情報を持って出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４８５４９
【特許文献２】特許第４１２４１９０号
【特許文献３】特開２００８−２３３０４９
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】高橋秀和、映像情報メディア学会誌 Vol.60, No.3, p.295-298, 2006
【非特許文献２】L. Salomon et al., Physical Review Letters, Vol.86, No.6, p.1110-1113, 2001
【非特許文献３】「光ナノテクノロジーの基礎」、福井萬壽夫・大津元一（オーム社）ISBN4-274-19713-1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特開２００８−２３３０４９に開示された技術にあっては、不等辺三角形のナノドットといった構造に基づき、赤色、緑色、青色の三原色の色情報を取得しているが、複数の共振波長によって混在した色情報が１点に集約される。即ち、不等辺三角形の或る頂点Ａに生じる光強度は、赤色の光が頂点Ａにつくる光強度と、緑色の光が頂点Ａにつくる光強度と、青色の光が頂点Ａにつくる光強度が混在した状態になっている。従って、色情報の再現性が不十分になる虞がある。また、特定の偏光成分を検出する技術は開示されていない。更には、２次元固体撮像素子を実現するための具体的な２次元画素配置に関する記載は無い。
【０００９】
従って、本発明の第１の目的は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって発生した近接場光を検出し、しかも、色情報を確実に再現し得る２次元固体撮像装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、本発明の第１の目的に加え、特定の偏光成分を検出し得る構成、構造を有する２次元固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の第１の目的を達成するための本発明の２次元固体撮像装置は、
２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、
各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、
入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層、及び、光電変換素子が、絶縁膜を挟んで配置されており、
各副画素領域に含まれる金属層の部分に設けられた開口部に対して、少なくとも１つの光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像は、光電変換素子の受光領域内に含まれており、
開口部は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、
該共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する。尚、このような本発明の２次元固体撮像装置を、便宜上、『本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００１１】
上記の第２の目的を達成するための本発明の２次元固体撮像装置は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置において、
金属層の部分に設けられた１つの開口部に対して、複数の光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像が光電変換素子の受光領域内に含まれる代わりに、開口部縁部の射影像が複数の光電変換素子の受光領域内に含まれており、
入射電磁波波長及び周期的な開口部の分布パターンに基づく共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する。尚、このような本発明の２次元固体撮像装置を、便宜上、『本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の２次元固体撮像装置にあっては、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させ、係る共鳴状態により開口部近傍（より具体的には、開口部縁部の近傍）において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換するので、高感度、且つ、微小開口径を有する２次元固体撮像装置を実現することができる。しかも、画素領域は複数の副画素領域から構成されており、各副画素領域に含まれる金属層の部分には開口部が設けられているので、即ち、隣接する開口部と開口部とによって一種の微小共振器が構成され、開口部間の距離を最適化することで、副画素領域のそれぞれにおいて異なる波長成分に対応する近接場光を検出し、色情報を確実に再現することが可能となる。尚、カラーフィルター等の従来の色分離システムとは異なり、金属層の構造それ自体によって色情報を検出するので、紫外線や高エネルギー線といった入射電磁波に起因した特性劣化が少なく、安定して色情報を得ることができる。更には、１つの開口部に対して複数の光電変換素子を配置することで、特定の偏光成分を検出することが可能である。
【００１３】
また、入射光をシリコン基板で光電変換する従来の固体撮像素子にあっては、入射電磁波は、波長に応じた基板の深さの所で光電変換される。つまり、可視光波長帯において、青色の光（波長約４００ｎｍ）はシリコン基板の０．２μｍ程度の深さの所で光電変換され、赤色の光（波長約７００ｎｍ）はシリコン基板の２μｍ程度の深さの所で光電変換される。従って、可視光波長帯に感度を有する固体撮像素子にあっては、少なくとも数μｍの基板厚さが必要とされる。一方、近接場光を検出する本発明の２次元固体撮像装置にあっては、金属層に設けられた開口部間の距離に基づいて近接場光を励起し、検出するので、光電変換素子の厚さと検出波長との間には何らの関係が無い。近接場光は入射電磁波波長程度の領域にしか到達しないが故に、光電変換素子の厚さを充分に薄くすること、具体的には、１μｍ程度にまで薄型化することが可能である。
【００１４】
また、シリコン基板をベースにした従来の固体撮像素子においては、そのエネルギーバンドギャップが１．１ｅＶであることから、１．１μｍよりも長波長の赤外線を検出することが不可能であった。一方、表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって近接場光を発生させ、検出する本発明の２次元固体撮像装置にあっては、金属層に設けられた開口部間の距離に基づいた入射波長に対応する近接場光が生じるため、開口部間の距離を調整することで任意の電磁波波長を検出することが可能である。つまり、１．１μｍよりも長波長の赤外線を、シリコン基板ベースの光電変換素子で検出することが可能となる。
【００１５】
しかも、従来の２次元固体撮像装置に比べて光電変換素子の開口面積を小さくすることが可能になり、これにより、光電変換素子全体の面積を保ちつつ、単位面積当たりの画素数を飛躍的に増加させることができる。また、光電変換素子の開口面積が小さくてよいので、光電変換素子と光電変換素子との間に各画素領域用の記憶装置等を配置するなど、光電変換素子の多機能化を図ることができる。更には、信号配線等の設計自由度の増加を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図である。
【図２】図２は、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図３】図３の（Ａ）は、図２の矢印に沿って実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図であり、図３の（Ｂ）は、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置に関する概念図であり、図３の（Ｃ）は、実施例１の２次元固体撮像装置における１つの副画素領域の等価回路図であり、図３の（Ｄ）は、図５の矢印に沿って実施例１の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図である。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、金属層の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部を切断したときの開口部の断面形状を示す模式的な一部断面図である。
【図５】図５は、実施例１の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図６】図６は、実施例２の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施例３の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図８】図８は、実施例５の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図９】図９は、実施例６の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、実施例６の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１１】図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図であり、図１１の（Ｃ）は、図１１の（Ｂ）の矢印に沿って実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図である。
【図１２】図１２は、実施例７の２次元固体撮像装置における１つの副画素領域の等価回路図である。
【図１３】図１３は、実施例７の２次元固体撮像装置における開口部の平面形状の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例７の２次元固体撮像装置の別の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、実施例５の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１６】図１６の（Ａ）は、光電変換素子としてＰＩＮダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図であり、図１６の（Ｂ）及び（Ｃ）は、部分的な配置図（開口部を上方から眺めた模式図）である。
【図１７】図１７の（Ａ）〜（Ｄ）は、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図である。
【図１８】図１８の（Ａ）は、光電変換素子として水平方向のＰＮ接合により構成されたフォトダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図であり、図１８の（Ｂ）及び（Ｃ）は、光電変換素子として閾値変調型イメージセンサ（ＣＭＤ）を用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の第１の態様及び第２の態様に係る２次元固体撮像装置、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置、第１の構成）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１の更に別の変形）
６．実施例５（実施例１の変形、第２の構成）
７．実施例６（実施例５の変形）
８．実施例７（本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置、その他）
【００１８】
［本発明の第１の態様及び第２の態様に係る２次元固体撮像装置、全般に関する説明］
本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置にあっては、１つの開口部に対して複数（Ｐ0個）の光電変換素子を配置することで、Ｐ0種類の入射電磁波の偏光に関する情報を取得することができるが、１つの開口部に対して２Ｐ0個の光電変換素子が環状に配置されており、第ｐ番目の光電変換素子（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子とを一対として、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する形態とすることで、より一層確実にＰ0種類の入射電磁波の偏光に関する情報を取得することができる。ここで、Ｐ0の値として、２、３又は４を挙げることができる。
【００１９】
上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、絶縁膜の厚さは１×１０-7ｍ（１００ｎｍ）以下である形態とすることが望ましい。絶縁膜の厚さは薄ければ薄い程好ましい。シリコン酸化膜を用いる場合、金属層と光電変換素子との間の絶縁耐力等を考慮すると、絶縁膜の厚さは５×１０-9ｍ（５ｎｍ）以上であることが望ましい。また、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ）、ＨｆＳｉＯＮ等の所謂Ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが、絶縁膜間のリーク電流を軽減することができ、好適である。
【００２０】
上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｍ番目の副画素領域［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬmとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、便宜上、『第１の構成の２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００２１】
そして、第１の構成の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第１の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する構成とすることができる。
【００２２】
具体的には、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑ＝２又は３）の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２及び４、並びに、ｍ＝３）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因したｑ種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関して最大４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正方形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと直交する辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよいし、更には、場合によっては、線分ＡＣと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＢＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想正方形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２３】
あるいは又、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関して最大４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想長方形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと交わる辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよいし、更には、場合によっては、線分ＢＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想長方形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２４】
あるいは又、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑ＝３又は４）の波長成分及びｑ種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因したｑ種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、この場合、Ｐ0の値としてｑを挙げることができ、入射電磁波の偏光に関するｑ種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想平行四辺形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと交わる辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよく（ｑ＝３の場合）、更には、場合によっては、線分ＢＤと平行に更に一対の光電変換素子を配置すればよい（ｑ＝４の場合）。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想平行四辺形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２５】
あるいは又、上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、便宜上、『第２の構成の２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００２６】
そして、第２の構成の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第２の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の中心に位置する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第２の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点、あるいは、仮想正八角形の頂点に位置する構成とすることもできる。
【００２７】
具体的には、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の中心に位置する場合、入射電磁波の１種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び１種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した１種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する３種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正六角形ＡＢＣＤＥＦとしたとき、各画素領域において、辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、辺ＢＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、辺ＣＦと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想正六角形ＡＢＣＤＥＦを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２８】
あるいは又、具体的には、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｎ＝２，４，６，８、並びに、ｎ＝３，５，７，９）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として４を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正方形ＡＢＣＤ、仮想正方形ＡＤＥＦ、仮想正方形ＡＦＧＨ、仮想正方形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと直交する辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。
【００２９】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として４を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想長方形ＡＢＣＤ、仮想長方形ＡＤＥＦ、仮想長方形ＡＦＧＨ、仮想長方形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと直交する辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。
【００３０】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’＝３又は４）の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値としてｑ’を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関するｑ’種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想平行四辺形ＡＢＣＤ、仮想平行四辺形ＡＤＥＦ、仮想平行四辺形ＡＦＧＨ、仮想平行四辺形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと交わる辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し（ｑ＝３の場合）、必要に応じて、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい（ｑ＝４の場合）。
【００３１】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の２次元固体撮像装置、第２の構成の２次元固体撮像装置を含む本発明の２次元固体撮像装置において、開口部の光入射側には、屈折率変化層が設けられている構成とすることができる。ここで、屈折率変化層を構成する材料として、入射する光に対して透明な絶縁材料、具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ2）や、ＳｉＯ2を主成分とする複合素材が好適である。また、その他、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）等の酸化物や窒化物を挙げることもできる。あるいは又、屈折率変化層は、入射電磁波の波長よりも小さい凹凸周期構造を有する構成とすることができる。この場合、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）若しくは空気を低屈折率の媒質とすればよいし、窒化シリコン（ＳｉＮ）、 酸化チタン（ＴｉＯ2）、 酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を高屈折率の媒質とすればよい。そして、これらの媒質を入射電磁波よりも有意に小さい物理的スケールで１次元的若しくは２次元的に周期的に配置することで、実効的な屈折率は、双方の媒質が有する屈折率を体積比率で平均化した値となる。つまり、低屈折率の媒質と高屈折率の媒質の中間の屈折率であれば任意の屈折率を得ることができる。
【００３２】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の２次元固体撮像装置、第２の構成の２次元固体撮像装置を含む本発明の２次元固体撮像装置（以下、これらを総称して、『本発明の２次元固体撮像装置等』と呼ぶ場合がある）にあっては、光電変換素子として、具体的には、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）型の信号増幅型イメージセンサーを挙げることができるし、ＰＩＮダイオードを挙げることもできる。また、ボロメーター等の熱検出型のセンサーを挙げることもできる。従来のＣＣＤ型信号増幅型イメージセンサーにあっては、長波長（赤色：７００ｎｍ程度）の光電変換がシリコン基板の深部あるいは２μｍ程度の深さの所で生じるが故に、シリコンの光吸収係数をベースにした深さ方向で光電変換を行う従来のイメージセンサーにあっては、その厚さを数μｍ以下にすることは技術的に不可能であった。本発明の２次元固体撮像装置にあっては、開口部縁部（エッジ部分）において発生する近接場光を検出して光電変換するので、シリコン基板の厚さが薄くても問題はない。具体的には、光電変換素子は、シリコン基板に形成されており、シリコン基板の表面から１μｍ以下の浅い領域で光電変換を行う構造とすることができる。また、低温ポリシリコンを用いたＴＦＴを用いることも可能である。本発明の２次元固体撮像装置等として、表面照射型の２次元固体撮像装置あるいは裏面照射型の２次元固体撮像装置を挙げることができる。本発明の２次元固体撮像装置等から、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、カムコーダを構成することができる。また、光通信機器、情報通信システム、車車間通信や路車間通信のための光情報送受信装置システムを構成することができる。
【００３３】
場合によっては、近接場光を効率良く検出するために、光電変換素子の受光領域の中央部を凸状とし、光電変換素子の受光領域の頂面と金属層との間の距離、あるいは、光電変換素子の受光領域の頂面と開口部縁部（エッジ部分）との間の距離の短縮化を図ってもよい。また、開口部縁部（エッジ部分）に発生する近接場光を効率良く検出するために、開口部縁部（エッジ部分）の下方あるいは直下に光電変換素子の受光領域の中心を配置してもよい。
【００３４】
本発明の２次元固体撮像装置等において、複数の画素領域は、全体としてＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されている。
【００３５】
本発明の２次元固体撮像装置等にあっては、入射電磁波として、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光を挙げることができるし、あるいは又、波長０．４μｍ以下の紫外線、波長０．７μｍ以上の赤外線を挙げることもできる。
【００３６】
開口部の開口径ｄは、検出すべき入射電磁波の波長よりも小さいことが望ましく、可視光波長帯の検出にあっては、開口部の開口径ｄは０．１μｍ〜０．３μｍ程度であることが好ましい。あるいは又、開口部の開口径ｄは、光電変換素子が検出する電磁波の波長における回折限界でのスポット広がりの半分以下であることが望ましい。隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄは、検出すべき電磁波の波長と同程度とすればよく、可視光波長帯の検出にあっては、０．４μｍ〜０．８μｍ程度とすることが好ましい。開口部を、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の入射電磁波に対して透明な媒質（例えば、誘電体材料から成る屈折率変化層）で充填してもよい。尚、この場合には、媒質の屈折率をｎ0としたとき、開口部の中心間の距離Ｄは、開口部を媒質で充填しない場合の距離Ｄの、例えば（１／ｎ0）倍とすればよい。一例として、可視光波長を考えた場合、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長λR，λG，λBはおおよそ、
λR：６００ｎｍ〜８００ｎｍ
λG：５００ｎｍ〜６００ｎｍ
λB：３８０ｎｍ〜５００ｎｍ
であるので、媒質の屈折率を１．５とした場合の開口部の中心間の距離（赤色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤR、緑色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤG、青色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤB）を、例えば、
ＤR：４００ｎｍ〜５３０ｎｍ
ＤG：３３０ｎｍ〜４００ｎｍ
ＤB：２５０ｎｍ〜３３０ｎｍ
とすればよい。このように、「開口部の中心間の距離Ｄ」には、媒質の屈折率が考慮された、所謂、実効的な距離も包含される。また、この場合の媒質の比誘電率は、光電変換素子を構成する材料の有する比誘電率と同じ値、あるいは、近い値であることが好ましい。
【００３７】
開口部の射影像は、光電変換素子の法線方向から眺めた射影像である。開口部の平面形状として、円形、三角形、四角形、六角形、八角形、菱形、楕円形、星形、十字形状等、任意の平面形状とすることができ、可視光波長〜近赤外線波長領域で表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）を励起できる周期構造を備えていれば、平面形状は特には限定されない。金属層の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部を切断したときの開口部の断面形状として、矩形形状（金属層の上面における開口部の平面形状と、金属層の下面における開口部の平面形状とが同じ形状）とすることもできるし、あるいは又、金属層の上面から下面に向かって階段状に断面積が小さくなるステップ状の断面形状（ステップの数は１以上であればよい）、金属層の上面から下面に向かって単調に断面積が小さくなるスロープ状の断面形状を挙げることができる。尚、金属層の上面から電磁波が入射するとする。ステップ状あるいはスロープ状の断面形状とすることで、金属層の異なる深さで異なる開口径を実現することができるので、表面プラズモン・ポラリトンに基づき発生する共鳴状態における共鳴波長の広帯域化を図ることが可能となる。
【００３８】
金属層を構成する材料として、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等のプラズモン損失が小さい貴金属の他、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、酸化チタン等の導電材料を挙げることができる。あるいは又、例えばシリコン系材料の表面をこれらの導電材料で被覆した構造とすることもできるし、ナノロッド、ナノワイヤー等の線状素材やナノ粒子等の球状粒子若しくは誘電体微小球をこれらの導電材料で被覆した構造とすることもできる。金属層の厚さとして、１×１０-8ｍ（１０ｎｍ）乃至１×１０-6ｍ（１μｍ）、具体的には、５０ｎｍ程度を例示することができる。
【００３９】
絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、ＨｆＳｉＯＮといった絶縁性に優れ、薄膜化に適した材料から構成することが望ましく、絶縁膜の厚さは薄ければ薄いほど好ましい。具体的には、絶縁膜の厚さは、上述したとおり、１×１０-7ｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
金属層における開口部の作製方法として、金属層の成膜技術、並びに、リソグラフィ技術とエッチング技術（例えば、四フッ化炭素ガス、六フッ化硫黄ガス、トリフルオロメタンガス、二フッ化キセノンガス等を用いた異方性ドライエッチング技術や、物理的エッチング技術）による金属層のパターニング技術との組合せ、あるいは又、所謂リフトオフ技術を挙げることができる。金属層の成膜方法として、各種の真空蒸着法やスパッタリング法といった物理的気相成長法（ＰＶＤ法）だけでなく、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、メッキ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法を挙げることができる。リソグラフィ技術として、フォトリソグラフィ技術（高圧水銀灯のｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等を光源として用いたリソグラフィ技術）、電子線リソグラフィ技術、Ｘ線リソグラフィを挙げることができる。あるいは又、フェムト秒レーザ等の極短時間パルスレーザによる微細加工技術や、ナノインプリント法に基づき、開口部を有する金属層を形成することもできる。
【実施例１】
【００４１】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置に関し、更には、第１の構造の２次元固体撮像装置に関する。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７における２次元固体撮像装置は、複数の画素領域が、全体としてＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されている。
【００４２】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図を図１の（Ａ）あるいは（Ｂ）に示す。また、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図２に模式的に示し、図２の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図３の（Ａ）に示し、更には、画素領域及び副画素領域の配置に関する概念図を図３の（Ｂ）に示し、１つの副画素領域の等価回路図を図３の（Ｃ）に示す。尚、図３の（Ｃ）において、光電変換素子（受光素子）を点線で囲んで示した。また、その他の図面においては、光電変換素子（受光素子）を実線の四角形で示した。
【００４３】
実施例１の２次元固体撮像装置は、２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、各画素領域は、複数の副画素領域１０から構成されている。ここで、図面においては、画素領域を一点鎖線で囲み、副画素領域１０を点線で囲っている。そして、入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部３１が設けられた金属層３０、及び、光電変換素子（受光素子）２１が、絶縁膜３２を挟んで配置されており、各副画素領域１０に含まれる金属層３０の部分に設けられた開口部３１に対して、少なくとも１つの光電変換素子２１が配置されている。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６にあっては、開口部３１に対して１つの光電変換素子２１が配置されている。そして、開口部３１の射影像は、光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、開口部３１は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、この共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。即ち、開口部３１は、入射電磁波に基づき表面プラズモン・ポラリトン共鳴が生じるように配列されており、この表面プラズモン・ポラリトン共鳴により開口部３１近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。ここで、より具体的には、近接場光は開口部縁部の近傍において発生するが、開口部３１の射影像が光電変換素子２１の受光領域内に含まれているが故に、即ち、開口部縁部の下方には必ず光電変換素子２１の受光領域が存在するが故に、近接場光を光電変換素子２１において確実に検出することができる。
【００４４】
更には、実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、各副画素領域１０は１つの開口部３１を有している。そして、第１番目の副画素領域１０1を構成する開口部３１の中心から、第ｍ番目の副画素領域１０m［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部３１の中心までの距離をＬmとしたとき、入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmの周期構造に依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。即ち、隣接する開口部３１と開口部３１とによって一種の微小共振器が構成されている。
【００４５】
具体的には、実施例１にあっては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。ここで、実施例１にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は仮想正方形の頂点に位置する。
【００４６】
より具体的には、概念図を図３の（Ｂ）に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置しており、入射電磁波の２種類の波長成分及び２種類の距離Ｌmの周期構造（具体的には、例えば、ｍ＝２及び４、並びに、ｍ＝３）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００４７】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００４８】
第１の波長成分に対応する近接場光及び第２の波長成分に対応する近接場光を各副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換するが、第１の波長成分に対応する近接場光に基づく電気信号と、第２の波長成分に対応する近接場光に基づく電気信号との分離に関しては、実施例７にて説明する。
【００４９】
第２番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第４番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様である。以下の説明においても同様である。
【００５０】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、絶縁膜３２の厚さは１×１０-7ｍ以下、具体的には、例えば１０ｎｍである。ここで、絶縁膜３２はＳｉＯ2から成る。また、金属層３０は、厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）層から成る。開口部３１の平面形状を円形とした。但し、絶縁膜３２、金属層３０、開口部３１の形状は、これらに限定するものではない。また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、入射電磁波として、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光を挙げることができるし、あるいは又、波長０．４μｍ以下の紫外線、波長０．７μｍ以上の赤外線を挙げることもできる。
【００５１】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、光電変換素子２１をＣＭＯＳ型の信号増幅型イメージセンサーから構成したが、これに限定するものではなく、その他、ＣＣＤ型、ＣＭＤ型の信号増幅型イメージセンサーを採用してもよいし、ＰＩＮダイオードを採用してもよい。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置にあっては、光電変換素子２１が検出（受光）する電磁波は、例えば、可視光である。ＣＭＯＳ型の信号増幅型イメージセンサーを採用する場合、素子分離として、ＬＯＣＯＳ構造、ＥＤＩ（Expanding Photodiode Design for Isolation）構造、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造等の、周知の構造を採用すればよい。
【００５２】
ここで、図１の（Ａ）に示す２次元固体撮像装置は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１の（Ｂ）に示す２次元固体撮像装置は、裏面照射型の２次元固体撮像装置である。図１の（Ａ）に示す表面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、オンチップ・マイクロ凸レンズから成る集光素子２４によって集光された光は、ＳｉＯ2やＳｉＮといった透明な物質から成る平滑化層２２を通過する。そして、金属層３０に衝突する結果、金属層３０に設けられた開口部３１近傍において近接場光が発生し、この近接場光が光電変換素子２１に導かれる。尚、金属層３０は、所謂遮光層を兼ねている。そして、近接場光は、光電変換により電荷として蓄積された後、電気信号として外部に読み出される。尚、参照番号１１はシリコン基板から成る基板を示し、参照番号２３はアルミニウム（Ａｌ）から構成された配線層を示す。光電変換素子２１は基板１１に形成されている。尚、金属層３０に設けられた開口部３１は、実際には、平滑化層２２によって充填されている。一方、図１の（Ｂ）に示す裏面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、集光素子２４によって集光された光は基板１１を通過する。そして，金属層３０に衝突する結果、金属層３０に設けられた開口部３１近傍において近接場光が発生し、この近接場光が光電変換素子２１に導かれる。そして、近接場光は、光電変換により電荷として蓄積された後、電気信号として外部に読み出される。尚、開口部３１は、入射電磁波に対して透明な媒質３３によって充填されている。集光素子を、オンチップ・マイクロ凸レンズの他にも、光電変換素子２１に入射する電磁波（例えば、可視光）の波長よりも小さい物理スケールの周期構造を有するサブ波長レンズ（Sub-Wavelength Lens：ＳＷＬＬ）から構成することができる。
【００５３】
金属層３０の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部３１を切断したときの開口部３１の断面形状は、図３の（Ａ）に示し、あるいは、図４の（Ａ）に示すように、矩形形状（金属層３０の上面における開口部３１の平面形状と、金属層３０の下面における開口部３１の平面形状とが同じ形状）とすることができる。あるいは又、図４の（Ｂ）、（Ｃ）に模式的に図示するように、金属層３０の上面から下面に向かって階段状に断面積が小さくなるステップ状の断面形状（ステップの数は１以上であればよい）としてもよいし、図４の（Ｄ）に模式的に図示するように、金属層３０の上面から下面に向かって単調に断面積が小さくなるスロープ状の断面形状としてもよい。
【００５４】
また、画素領域及び副画素領域の配置を図５に模式的に示し、図５の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図３の（Ｄ）に示すように、開口部３１の開口径を副画素領域によって異ならせてもよい。
【００５５】
実施例１の２次元固体撮像装置は、開口部３１を有する金属層３０を絶縁膜３２上に形成する点を除き、従来の２次元固体撮像装置と基本的に同じ方法にて製造することができるし、金属層３０の微細加工は、半導体装置の製造技術を転用することで容易に達成することができる。それ故、実施例１の２次元固体撮像装置の製造方法の説明は省略する。後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置においても同様である。
【００５６】
実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させ（表面プラズモン・ポラリトン共鳴の発生）、係る共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光（表面プラズモン・ポラリトン共鳴により発生する近接場光）を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。それ故、高感度、且つ、微小開口径を有する２次元固体撮像装置を実現することができる。しかも、画素領域は複数の副画素領域１０から構成されており、各副画素領域１０に含まれる金属層３０の部分には開口部３１が設けられているので、開口部間の距離を最適化することで、副画素領域１０のそれぞれにおいて異なる波長成分の近接場光を検出し、色情報を確実に再現することができる。また、実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、金属層３０に設けられた開口部間の距離に基づいて近接場光を励起し、検出するので、光電変換素子２１の厚さと検出波長との間には何らの関係も無い。近接場光は電磁波波長程度の領域にしか到達しないが故に、光電変換素子２１の厚さを充分に薄くすることが可能である。しかも、開口部３１の開口径は入射電磁波の波長よりも小さいので、従来の２次元固体撮像装置に比べて光電変換素子２１の開口面積を小さくすることが可能になり、これにより、光電変換素子全体の面積を保ちつつ、単位面積当たりの画素数を飛躍的に増加させることができる。
【実施例２】
【００５７】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例１にあっては、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置するとした。一方、実施例３にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想長方形の頂点に位置する。
【００５８】
より具体的には、画素領域及び副画素領域の配置を図６に模式的に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置しており、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００５９】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００６０】
第２番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第４番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様である。
【００６１】
以上の点を除き、実施例２の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００６２】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例３にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想平行四辺形の頂点に位置する。
【００６３】
より具体的には、画素領域及び副画素領域の配置を図７に模式的に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置しており、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。このような例は、上述した実施例２の１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合と同じである。
【００６４】
あるいは又、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離の更なる最適化を図ることで、以下に説明する形態とすることもできる。即ち、入射電磁波の４種類の波長成分及び４種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した４種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００６５】
具体的には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2-4（図７参照）によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第４の距離Ｄ4（≠Ｄ1，≠Ｄ2，≠Ｄ3）が規定され、更には、入射電磁波の第４の波長成分が規定され、これらの第４の距離Ｄ4と入射電磁波の第４の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第４の波長成分に対応する近接場光を、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、この場合、距離Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4によって規定される距離Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4により励起される近接場光に相当する波長成分を、各々の光電変換素子によって電気信号に変換する。また、Ｐ0の値として１を挙げることができ、この場合、光電変換素子は、各開口間距離とそれぞれに対応する電磁波波長との共鳴状態に起因する近接場光を、混在した状態で検出する。
【００６６】
第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做し、第４番目の副画素領域を第２番目の副画素領域１０2と見做したときも同様である。
【００６７】
以上の点を除き、実施例４の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例４】
【００６８】
実施例４も、実施例１の変形である。実施例４にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、不規則な四辺形の頂点に位置する。ここで、不規則な四辺形とは、四辺形ＡＢＣＤにおいて、ＡＢの長さ、ＡＣの長さ、ＡＤの長さ、ＢＣの長さ、ＣＤの長さ、ＢＤの長さが、相互に異なっており、例えば、以下に説明するように近接場光を検出する。
【００６９】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７０】
また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７１】
更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７２】
以上の点を除き、実施例４の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例５】
【００７３】
実施例５も、実施例１の変形であるが、第２の構成に関する。実施例５の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図８に模式的に示す。
【００７４】
実施例５あるいは後述する実施例６〜実施例７の２次元固体撮像装置にあっては、
各画素領域は、第１番目の副画素領域１０1、及び、第１番目の副画素領域１０1を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部３１を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部３１の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部３１の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７５】
ここで、実施例５あるいは後述する実施例６〜実施例７の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７６】
また、実施例５の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正六角形の中心に位置する。
【００７７】
具体的には、実施例５にあっては、入射電磁波の１種類以上、Ｎ種類以下（例えば、１種類）の波長成分及び１種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した１種類以上、Ｎ種類以下（例えば、１種類）の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。このような実施例５の２次元固体撮像装置は、単一の色に対して感度を有する。尚、２種類以上の波長成分に対応する近接場光を得ようとする場合には、副画素領域における開口部３１を充填する媒質（屈折率変化層）を異ならせればよい。以下の説明においても同様である。
【００７８】
即ち、例えば、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１を充填する媒質、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を充填する媒質、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を充填する媒質を、適宜、変えることで、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７９】
以上の点を除き、実施例５の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例６】
【００８０】
実施例６は、実施例５の変形である。実施例６にあっては、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する。実施例６の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を、図９（仮想正方形の頂点に位置する例）、あるいは、図１０（仮想平行四辺形の頂点に位置する例）に模式的に示す。
【００８１】
具体的には、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合（図９参照）、入射電磁波の２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｎ＝２，４，６，８、並びに、ｎ＝３，５，７，９）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する構成とすることができる。
【００８２】
ここで、１つの画素領域は、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3、第４番目の副画素領域１０4、第５番目の副画素領域１０5、第６番目の副画素領域１０6、第７番目の副画素領域１０7、第８番目の副画素領域１０8、及び、第９番目の副画素領域１０9から構成されている。更には、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域は、（第１番目の副画素領域１０1，第２番目の副画素領域１０2，第３番目の副画素領域１０3，第４番目の副画素領域１０4）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第４番目の副画素領域１０4，第５番目の副画素領域１０5，第６番目の副画素領域１０6）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第６番目の副画素領域１０6，第７番目の副画素領域１０7，第８番目の副画素領域１０8）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第８番目の副画素領域１０8，第９番目の副画素領域１０9，第２番目の副画素領域１０2）の組である。以下の説明においても同様である。
【００８３】
即ち、例えば、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ6、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第８番目の副画素領域１０8における開口部３１の中心との間の距離Ｌ8によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第４番目の副画素領域１０4、第６番目の副画素領域１０6及び第８番目の副画素領域１０8における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ5、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ7、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第９番目の副画素領域１０9における開口部３１の中心との間の距離Ｌ9によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3、第５番目の副画素領域１０5、第７番目の副画素領域１０7及び第９番目の副画素領域１０9における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８４】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８５】
即ち、例えば、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ6によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第６番目の副画素領域１０6における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第８番目の副画素領域１０8における開口部３１の中心との間の距離Ｌ8によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第８番目の副画素領域１０8における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ5、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ7、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第９番目の副画素領域１０9における開口部３１の中心との間の距離Ｌ9によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3、第５番目の副画素領域１０5、第７番目の副画素領域１０7及び第９番目の副画素領域１０9における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８６】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合（図１０参照）、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類又は４種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、このような例は、基本的には、上述した１つの画素領域において８つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合と同様とすることができるし、あるいは、実施例３にて説明したと同様とすることができる。
【００８７】
尚、実施例６あるいは前述した実施例５にあっては、隣接する画素領域間において表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態が生じないように、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄが決められている。但し、これに限定するものではなく、隣接する画素領域間において表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態が生じるように、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄを決めてもよい。この場合には、例えば、図９に示した例にあっては、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3及び第４番目の副画素領域１０4から構成された第１画素領域、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4、第５番目の副画素領域１０5及び第６番目の副画素領域１０6から構成された第２画素領域、第１番目の副画素領域１０1、第６番目の副画素領域１０6、第７番目の副画素領域１０7及び第８番目の副画素領域１０8から構成された第３画素領域、並びに、第１番目の副画素領域１０1、第８番目の副画素領域１０8、第９番目の副画素領域１０9及び第２番目の副画素領域１０2から構成された第４画素領域の４つの画素領域から画素領域群が構成され、この画素領域群を、実施例６における画素領域と見做せばよい。他の副画素領域の配置においても同様である。
【００８８】
以上の点を除き、実施例６の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例７】
【００８９】
実施例７は、実施例１の変形であるが、本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置に関する。実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図１１の（Ａ）及び（Ｂ）に模式的に示し、図１１の（Ｂ）の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図１１の（Ｃ）に示す。また、１つの副画素領域の等価回路図を図１２に示すが、このような回路に限定するものではない。
【００９０】
入射電磁波の縦偏光成分・横偏光成分を考えると、近接場光はＴＭモードなので、それぞれの偏光成分に平行な金属薄膜層の周期構造によって表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が励起される。また、表面プラズモン・ポラリトンにより発生する近接場光は、開口部縁部（エッジ部分）で強い電場強度を有することが知られている。即ち、直線上に並ぶ複数の開口部において、近接場光の電場強度が最も強くなるのは開口部直下の数１０ｎｍ程度の広がりを持つスポット領域であり、しかも、開口部の配列方向によって検出できる偏光成分が異なってくる。従って、各々の開口部の中心を通る直線が２つの開口部の縁部（エッジ部分）と交わる部分の内の少なくとも一方の部分の下方、望ましくは、両方の部分（尚、これらの部分は相互に対向している）の下方に、光電変換素子の受光領域を配置すれば、２つの開口部の中心を通る直線と平行な偏光成分を、光電変換素子にて検出することができる。
【００９１】
実施例７の２次元固体撮像装置においては、
金属層３０の部分に設けられた１つの開口部３１に対して、複数の光電変換素子２１が配置されており、
開口部３１の射影像が光電変換素子２１の受光領域内に含まれる代わりに、開口部３１縁部の射影像が複数の光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、
共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子２１にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する。更には、開口部３１の周期的な間隔に対応する入射電磁波の波長（色）に関する情報を取得する。
【００９２】
実施例７にあっては、副画素領域の配置を実施例５にて説明した配置と同様とした。そして、１つの開口部３１に対して、２Ｐ0個の光電変換素子２１が環状に配置されており、第ｐ番目の光電変換素子２１（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子２１とを一対として、入射電磁波の波長・偏光に関する情報を取得する。
【００９３】
図１１の（Ａ）に示す例は実施例５の変形であり、Ｎ個（６個）の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の頂点に位置している。ここで、２Ｐ0の値は６である。即ち、１つの副画素領域に配置する２Ｐ0個の光電変換素子２１の数は６である。尚、図１１の（Ａ）及び（Ｂ）においては、１つの副画素領域における２Ｐ0個の光電変換素子２１を図示している。
【００９４】
そして、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ａの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第１の偏光成分を、光電変換素子Ａにて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ｂの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分を、光電変換素子Ｂにて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ｃの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第３の偏光成分を、光電変換素子Ｃにて検出することができる。そして、こうして得られた入射電磁波の偏光に関する３種類の情報（偏光成分）を演算することで、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-max、偏光最小強度ＩPL-min、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-maxが得られる偏光方向θPL-max、偏光成分に関する強度である偏光成分強度ＩPLを得ることができる。
【００９５】
尚、表面プラズモン・ポラリトンによって発生する近接場光は、先端が尖った形状の頂点に強い電場を形成する傾向がある。この傾向は、先端が尖った形状の頂点では電子が動き回れる領域が狭くなり電場が集中することに起因すると考えられている。そのため、開口部の平面形状を、図１３に示すように、各々の頂点に発生した強い近接場光を検出できるように、星形とすることも有効である。また、Ｎ個（８個）の副画素領域における開口部の中心が仮想正八角形の頂点に位置している構成とすることもできる。
【００９６】
あるいは又、図１１の（Ｂ）に示す例は実施例６の変形であり、Ｎ＝８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置している。ここで、１つの副画素領域に配置する２Ｐ0個の光電変換素子２１の数は８である。
【００９７】
そして、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第１の偏光成分、及び、主に第１の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分、及び、主に第２の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第８番目の副画素領域１０8における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第３の偏光成分、及び、主に第３の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第５番目の副画素領域１０5及び第９番目の副画素領域１０9における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第４の偏光成分、及び、主に第４の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。そして、こうして得られた入射電磁波の偏光に関する４種類の情報（偏光成分）を演算することで、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-max、偏光最小強度ＩPL-min、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-maxが得られる偏光方向θPL-max、偏光成分に関する強度である偏光成分強度ＩPLを得ることができる。更には、第１の波長成分に対応する近接場光、第２の波長成分に対応する近接場光、第３の波長成分に対応する近接場光及び第４の波長成分に対応する近接場光を分離した状態を得ることができる。
【００９８】
１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が、仮想長方形の頂点に位置し、あるいは又、仮想平行四辺形の頂点に位置するといった実施例６の変形例に対しても、同様に、１つの副画素領域に２Ｐ0個（＝８）の光電変換素子２１を配置することができる。
【００９９】
また、実施例７を実施例１にて説明した２次元固体撮像装置に適用した場合の画素領域及び副画素領域の配置を模式的に図１４に示す。この場合にあっては、第１番目の副画素領域１０1には３つの光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃが配置されており、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3、及び、第４番目の副画素領域１０4のそれぞれにも３つの光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃが配置されている。
【０１００】
そして、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ａの受光領域を配置し、第３番目の副画素領域１０3及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｆの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこれら直線と平行な第１の偏光成分、及び、主に第１の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ａ，Ｆにて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｂの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分、及び、主に第２の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｂにて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｃの受光領域を配置し、第２番目の副画素領域１０2及び第３目の副画素領域１０3における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｅの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこれらの直線と平行な第３の偏光成分、及び、主に第３の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｃ，Ｅにて検出することができる。また、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｄの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第４の偏光成分、及び、主に第４の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｄにて検出することができる。更には、第１の波長成分に対応する近接場光、第２の波長成分に対応する近接場光、第３の波長成分に対応する近接場光及び第４の波長成分に対応する近接場光を分離した状態を得ることができる。
【０１０１】
更には、同様に、実施例７を実施例２〜実施例４にて説明した２次元固体撮像装置に適用することができる。
【０１０２】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例においては、例えば、可視光波長帯を検出する固体撮像素子を説明したが、赤外線や紫外線を検出する固体撮像素子の場合、それらの波長に応じて、開口部間の距離を拡大・縮小することで、任意の波長帯で機能する２次元固体撮像装置を得ることができる。開口部３１の平面形状は円形や星形に限定されず、その他、三角形、四角形、六角形、八角形、菱形、楕円形、十字形状等、任意の平面形状とすることができる。また、開口部３１の光入射側に、入射電磁波の波長よりも小さい周期を有する凹凸周期構造を有する構成（サブ波長構造体とも呼ばれ、例えば、特開２００１−１０８８１２や、ＷＯ ２００５／１０１０６７ Ａ１参照）の屈折率変化層を設けてもよい。
【０１０３】
実施例５においては、単一の色に対して感度を有する２次元固体撮像装置を説明したが、実施例５における金属層及び開口部の構成、構造を、例えば、ベイヤ配列に適用し、図１５に画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示すように、４つの副画素領域の内、１つの副画素領域１０Rにおいては赤色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とし、１つの副画素領域１０Bにおいては青色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とし、残りの２つの副画素領域１０Gにおいては緑色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とすることもできる。この場合、各副画素領域１０R，１０B，１０Gのそれぞれに、１つの光電変換素子（受光素子）を設ければよい。尚、開口部を充填する媒質の屈折率をｎ0としたとき、赤色を検出する副画素領域１０Rにおいては、開口部間の距離を、例えば、７００／ｎ0（ｎｍ）とすればよいし、緑色を検出する副画素領域１０Gにおいては、開口部間の距離を、例えば、５５０／ｎ0（ｎｍ）とすればよいし、青色を検出する副画素領域１０Bにおいては、開口部間の距離を、例えば、４００／ｎ0（ｎｍ）とすればよい。尚、開口部３１を充填する媒質を、各副画素領域１０R，１０B，１０Gにおいて変えてもよい。更には、ベイヤ配列に限らず、３種類以上の任意の波長成分を検出する副画素領域を任意に配列、配置してもよい。
【０１０４】
図１６の（Ａ）に模式的な一部断面図にて概念図を示し、図１６の（Ｂ）及び（Ｃ）に部分的な配置図（開口部を上方から眺めた模式図）として示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子としてＰＩＮダイオードを用いることもできる。ここで、ＰＩＮダイオードの絶縁部４２は、金属層３０に設けられた開口部３１の縁部の射影像を含む位置に配置されている。ＰＩＮには逆バイアス電圧が印加されている。金属層３０の開口部縁部で発生した近接場光は絶縁部４２で吸収され、電子−正孔対が生成される。そして、生成した電子−正孔対は、各々が反対方向にドリフトして、負荷抵抗の両端で信号電圧として検出される。実施例１と同様に、開口部３１に１つのＰＩＮダイオードを配置する場合、図１６の（Ｂ）に示すように、リング状及び円形状にｎ型半導体領域４１及びｐ型半導体領域４３のそれぞれを配置すればよい。また、実施例７と同様に、開口部３１に複数のＰＩＮダイオードを配置する場合、図１６の（Ｃ）に示すように、複数のｎ型半導体領域４１が円形状のｐ型半導体領域４３を円環状に取り囲むように、ｎ型半導体領域４１及びｐ型半導体領域４３を配置すればよい。尚、図中、点線は、開口部３１の縁部の射影像を示す。
【０１０５】
図１７の（Ａ）〜（Ｄ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを用いることもできる。図１７の（Ａ）は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１７の（Ｂ）は、裏面照射型の２次元固体撮像装置であり、それぞれ、実施例１と同様に、開口部に１つの埋め込み型フォトダイオードを配置する場合を示している。ここで、参照番号５０はＰ型ウエルを意味し、参照番号５１、参照番号５２、及び、参照番号５３は、埋め込み型フォトダイオードを構成するｐ型半導体層、ｎ型半導体層、及び、ｐ型半導体層を意味し、参照番号５６は層間絶縁層を意味し、参照番号５７は絶縁層を意味し、参照番号５８は半導体層を意味する。近接場光は埋め込み型フォトダイオード中で電子−正孔対を生成させ、電子が蓄積される。蓄積された電子はゲート部５４を介してＦＤ領域（フローティング・ディフュージョン領域）５５にて電位として読み出される。図１７の（Ｃ）は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１７の（Ｄ）は、裏面照射型の２次元固体撮像装置であり、それぞれ、実施例７と同様に、開口部に複数の埋め込み型フォトダイオードを配置する場合を示している。
【０１０６】
図１８の（Ａ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として水平方向のＰＮ接合により構成されたフォトダイオードを用いることもできる。ここで、参照番号６０はＰ型ウエルを意味し、参照番号６１及び参照番号６２は、フォトダイオードを構成するｎ型半導体領域及びｐ型半導体領域を意味し、参照番号６６は層間絶縁層を意味する。金属層３０の開口部３１の縁部で発生した近接場光は、フォトダイオード中で電子−正孔対を生成させ、電子がｎ型半導体領域６１に蓄積される。更には、蓄積された電子はゲート部６４を介してＦＤ領域６５にて電位として読み出される。
【０１０７】
図１８の（Ｂ）及び（Ｃ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として閾値変調型イメージセンサ（ＣＭＤ）を用いることもできる。図１８の（Ｂ）は、実施例１と同様に、開口部に１つの閾値変調型イメージセンサを配置する場合を示す。ここで、参照番号７１及び参照番号７２は、閾値変調型イメージセンサを構成するｎ型半導体層及びｐ型半導体層を意味し、参照番号７３、参照番号７４、参照番号７５、参照番号７６は、それぞれ、ｎ型半導体層、ゲート部、ｎ+半導体領域から成るドレイン領域、及び、ｎ+半導体領域から成るソース領域を意味する。近接場光は、閾値変調型イメージセンサ中で電子−正孔対を生成させる。そして、生成された電子若しくは正孔は、画素トランジスタの閾値電圧を変調させるので、その変化量を蓄積信号量として読み出すことができる。図１８の（Ｃ）は、実施例７と同様に、開口部に複数の閾値変調型イメージセンサを配置した例を示している。
【符号の説明】
【０１０８】
１０・・・副画素領域、２１・・・光電変換素子、２２・・・平滑化層、２３・・・配線層、２４・・・集光素子、３０・・・金属層、３１・・・開口部、３２・・・絶縁膜、３３・・・媒質、４１・・・ｎ型半導体領域、４２・・・絶縁部、４３・・・ｐ型半導体領域、５１・・・ｐ型半導体層、５２・・・ｎ型半導体層、５４・・・ゲート部、５５・・・ＦＤ領域、５６・・・層間絶縁層、５８・・・半導体層、６０・・・Ｐ型ウエル、６１・・・ｎ型半導体領域、６２・・・ｐ型半導体領域、６４・・・ゲート部、６５・・・ＦＤ領域、６６・・・層間絶縁層、７１・・・ｎ型半導体層、７２・・・ｐ型半導体層、７３・・・ｎ型半導体層、７４・・・ゲート部、７５・・・ドレイン領域、７６・・・ソース領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元固体撮像装置に関し、より詳しくは、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって発生した近接場光を検出する２次元固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラ、カムコーダ（ビデオカメラといった撮影部と録画部とを一体型にしたもので、カメラ・アンド・レコーダの略称）等、被写体を２次元固体撮像素子から成る光電変換素子にて撮影して画像化する２次元固体撮像装置が増えている。そして、現在主流の固体撮像素子であるＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子の画素サイズは微細化が進んでおり、１画素の物理的サイズは可視光の波長の２倍程度にまでなっている。ここで、これらの光電変換素子にあっては、光電変換素子への入射電磁波の入射面積が小さくなると、即ち、入射電磁波に対する光電変換素子の開口面積が小さくなると、光電変換素子全体としての感度は低下する。オンチップ・レンズによる集光効率の改善（例えば、特開平９−１４８５４９参照）や、トランジスタの共有による開口面積の確保（例えば、文献：高橋秀和 著、映像情報メディア学会誌 Vol.60, No.3, p.295-298, 2006 参照）、裏面照射型構造の採用による導波路における光学的ロスの軽減（特許第４１２４１９０号参照）といった種々の対策はなされているものの、これらの方法は、「入射電磁波に対して光電変換素子の実効的な開口面積が小さくなると、各画素における光電変換素子の感度は低下する」といった問題の根本的解決策にはなっていない。
【０００３】
一方、特定の周期パターンを有する金属面に光を照射すると、その周期パターンに相当する周波数成分の電磁波によって金属表面に共鳴モード［表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）］が発生し、プラズモン共振によって通常光よりも１０2乃至１０3倍も強い電場（近接場光）が生じることが知られている（例えば、文献：L. Salomon et al., Physical Review Letters, Vol.86, No.6, p.1110-1113, 2001、書籍：「光ナノテクノロジーの基礎」、福井萬壽夫・大津元一（オーム社）ISBN4-274-19713-1 参照）。
【０００４】
近接場光とは、物質に電磁波（光）を照射したとき、その電磁波の波長に比べて微小距離だけしか物質表面から離れていない領域に生じる、閉じた電気力線に起因した非伝播の光である。物質から入射電磁波の波長程度以上離れた領域では、近接場光は指数関数的に減衰して、観測できなくなる。従って、表面プラズモン・ポラリトンが励起されている領域の極近傍に光電変換素子を配置することによってのみ、近接場光を電気信号として検出することができる。近接場光は、入射電磁波の波長によって一意に決まる回折限界よりも小さい構造に感度を有し、また、回折限界よりも小さいスポットに集光させることができる。そして、その電場強度は、近接場光の発生ポイントに近いほど強く、発生ポイントから１０ｎｍ程度の極近傍領域では、伝播光に比べて２桁〜３桁も強くなる。このため、入射電磁波に対する光電変換素子の開口面積を小さくしても電場強度を高めることが可能となる。従って、発生ポイントに光電変換素子を近づけることによって、「光電変換素子の実効的な開口面積が小さくなると、各画素における光電変換素子の感度は低下する」という従来の技術の問題に対する根本的な解決策となり得る。
【０００５】
例えば、近接場光を応用した光検出素子が、特開２００８−２３３０４９に開示されている。この特許公開公報に開示された技術にあっては、微小共振器３０１がＳｉから成る基板３０２上に、例えば厚さ５ｎｍのＳｉＯ2から成る絶縁膜３０３を挟んで形成されている。微小共振器３０１及び絶縁膜３０３は、例えば、平面形状が不等辺三角形のナノドットから構成されている。そして、微小共振器３０１に入射した光が局在表面プラズモン共鳴を生じさせる結果、金属ナノドットの３つの頂点で電場増強が生じ、強い近接場光が生じる。この金属ナノドットの頂点の部分近傍にはフォトダイオード領域３０４が形成されており、３つの頂点のそれぞれの近傍の光強度を独立に受光する。フォトダイオード領域３０４は電場強度の強さを電荷として出力し、この電荷が蓄積された後に増幅トランジスタ３０５で増幅され、さらに行選択トランジスタ３０６によって位置情報を持って出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４８５４９
【特許文献２】特許第４１２４１９０号
【特許文献３】特開２００８−２３３０４９
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】高橋秀和、映像情報メディア学会誌 Vol.60, No.3, p.295-298, 2006
【非特許文献２】L. Salomon et al., Physical Review Letters, Vol.86, No.6, p.1110-1113, 2001
【非特許文献３】「光ナノテクノロジーの基礎」、福井萬壽夫・大津元一（オーム社）ISBN4-274-19713-1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特開２００８−２３３０４９に開示された技術にあっては、不等辺三角形のナノドットといった構造に基づき、赤色、緑色、青色の三原色の色情報を取得しているが、複数の共振波長によって混在した色情報が１点に集約される。即ち、不等辺三角形の或る頂点Ａに生じる光強度は、赤色の光が頂点Ａにつくる光強度と、緑色の光が頂点Ａにつくる光強度と、青色の光が頂点Ａにつくる光強度が混在した状態になっている。従って、色情報の再現性が不十分になる虞がある。また、特定の偏光成分を検出する技術は開示されていない。更には、２次元固体撮像素子を実現するための具体的な２次元画素配置に関する記載は無い。
【０００９】
従って、本発明の第１の目的は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって発生した近接場光を検出し、しかも、色情報を確実に再現し得る２次元固体撮像装置を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、本発明の第１の目的に加え、特定の偏光成分を検出し得る構成、構造を有する２次元固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の第１の目的を達成するための本発明の２次元固体撮像装置は、
２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、
各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、
入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層、及び、光電変換素子が、絶縁膜を挟んで配置されており、
各副画素領域に含まれる金属層の部分に設けられた開口部に対して、少なくとも１つの光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像は、光電変換素子の受光領域内に含まれており、
開口部は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、
該共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する。尚、このような本発明の２次元固体撮像装置を、便宜上、『本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００１１】
上記の第２の目的を達成するための本発明の２次元固体撮像装置は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置において、
金属層の部分に設けられた１つの開口部に対して、複数の光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像が光電変換素子の受光領域内に含まれる代わりに、開口部縁部の射影像が複数の光電変換素子の受光領域内に含まれており、
入射電磁波波長及び周期的な開口部の分布パターンに基づく共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する。尚、このような本発明の２次元固体撮像装置を、便宜上、『本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の２次元固体撮像装置にあっては、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させ、係る共鳴状態により開口部近傍（より具体的には、開口部縁部の近傍）において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換するので、高感度、且つ、微小開口径を有する２次元固体撮像装置を実現することができる。しかも、画素領域は複数の副画素領域から構成されており、各副画素領域に含まれる金属層の部分には開口部が設けられているので、即ち、隣接する開口部と開口部とによって一種の微小共振器が構成され、開口部間の距離を最適化することで、副画素領域のそれぞれにおいて異なる波長成分に対応する近接場光を検出し、色情報を確実に再現することが可能となる。尚、カラーフィルター等の従来の色分離システムとは異なり、金属層の構造それ自体によって色情報を検出するので、紫外線や高エネルギー線といった入射電磁波に起因した特性劣化が少なく、安定して色情報を得ることができる。更には、１つの開口部に対して複数の光電変換素子を配置することで、特定の偏光成分を検出することが可能である。
【００１３】
また、入射光をシリコン基板で光電変換する従来の固体撮像素子にあっては、入射電磁波は、波長に応じた基板の深さの所で光電変換される。つまり、可視光波長帯において、青色の光（波長約４００ｎｍ）はシリコン基板の０．２μｍ程度の深さの所で光電変換され、赤色の光（波長約７００ｎｍ）はシリコン基板の２μｍ程度の深さの所で光電変換される。従って、可視光波長帯に感度を有する固体撮像素子にあっては、少なくとも数μｍの基板厚さが必要とされる。一方、近接場光を検出する本発明の２次元固体撮像装置にあっては、金属層に設けられた開口部間の距離に基づいて近接場光を励起し、検出するので、光電変換素子の厚さと検出波長との間には何らの関係が無い。近接場光は入射電磁波波長程度の領域にしか到達しないが故に、光電変換素子の厚さを充分に薄くすること、具体的には、１μｍ程度にまで薄型化することが可能である。
【００１４】
また、シリコン基板をベースにした従来の固体撮像素子においては、そのエネルギーバンドギャップが１．１ｅＶであることから、１．１μｍよりも長波長の赤外線を検出することが不可能であった。一方、表面プラズモン・ポラリトン共鳴によって近接場光を発生させ、検出する本発明の２次元固体撮像装置にあっては、金属層に設けられた開口部間の距離に基づいた入射波長に対応する近接場光が生じるため、開口部間の距離を調整することで任意の電磁波波長を検出することが可能である。つまり、１．１μｍよりも長波長の赤外線を、シリコン基板ベースの光電変換素子で検出することが可能となる。
【００１５】
しかも、従来の２次元固体撮像装置に比べて光電変換素子の開口面積を小さくすることが可能になり、これにより、光電変換素子全体の面積を保ちつつ、単位面積当たりの画素数を飛躍的に増加させることができる。また、光電変換素子の開口面積が小さくてよいので、光電変換素子と光電変換素子との間に各画素領域用の記憶装置等を配置するなど、光電変換素子の多機能化を図ることができる。更には、信号配線等の設計自由度の増加を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図である。
【図２】図２は、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図３】図３の（Ａ）は、図２の矢印に沿って実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図であり、図３の（Ｂ）は、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置に関する概念図であり、図３の（Ｃ）は、実施例１の２次元固体撮像装置における１つの副画素領域の等価回路図であり、図３の（Ｄ）は、図５の矢印に沿って実施例１の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図である。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、金属層の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部を切断したときの開口部の断面形状を示す模式的な一部断面図である。
【図５】図５は、実施例１の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図６】図６は、実施例２の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施例３の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図８】図８は、実施例５の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図９】図９は、実施例６の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１０】図１０は、実施例６の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１１】図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図であり、図１１の（Ｃ）は、図１１の（Ｂ）の矢印に沿って実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図である。
【図１２】図１２は、実施例７の２次元固体撮像装置における１つの副画素領域の等価回路図である。
【図１３】図１３は、実施例７の２次元固体撮像装置における開口部の平面形状の変形例を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例７の２次元固体撮像装置の別の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、実施例５の２次元固体撮像装置の変形例における画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示す図である。
【図１６】図１６の（Ａ）は、光電変換素子としてＰＩＮダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図であり、図１６の（Ｂ）及び（Ｃ）は、部分的な配置図（開口部を上方から眺めた模式図）である。
【図１７】図１７の（Ａ）〜（Ｄ）は、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図である。
【図１８】図１８の（Ａ）は、光電変換素子として水平方向のＰＮ接合により構成されたフォトダイオードを用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図であり、図１８の（Ｂ）及び（Ｃ）は、光電変換素子として閾値変調型イメージセンサ（ＣＭＤ）を用いた２次元固体撮像装置を模式的な一部断面図にて概念図として示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の第１の態様及び第２の態様に係る２次元固体撮像装置、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置、第１の構成）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１の更に別の変形）
６．実施例５（実施例１の変形、第２の構成）
７．実施例６（実施例５の変形）
８．実施例７（本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置、その他）
【００１８】
［本発明の第１の態様及び第２の態様に係る２次元固体撮像装置、全般に関する説明］
本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置にあっては、１つの開口部に対して複数（Ｐ0個）の光電変換素子を配置することで、Ｐ0種類の入射電磁波の偏光に関する情報を取得することができるが、１つの開口部に対して２Ｐ0個の光電変換素子が環状に配置されており、第ｐ番目の光電変換素子（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子とを一対として、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する形態とすることで、より一層確実にＰ0種類の入射電磁波の偏光に関する情報を取得することができる。ここで、Ｐ0の値として、２、３又は４を挙げることができる。
【００１９】
上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、絶縁膜の厚さは１×１０-7ｍ（１００ｎｍ）以下である形態とすることが望ましい。絶縁膜の厚さは薄ければ薄い程好ましい。シリコン酸化膜を用いる場合、金属層と光電変換素子との間の絶縁耐力等を考慮すると、絶縁膜の厚さは５×１０-9ｍ（５ｎｍ）以上であることが望ましい。また、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ランタン（Ｌａ2Ｏ）、ＨｆＳｉＯＮ等の所謂Ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いることが、絶縁膜間のリーク電流を軽減することができ、好適である。
【００２０】
上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｍ番目の副画素領域［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬmとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、便宜上、『第１の構成の２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００２１】
そして、第１の構成の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第１の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する構成とすることができる。
【００２２】
具体的には、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑ＝２又は３）の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２及び４、並びに、ｍ＝３）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因したｑ種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関して最大４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正方形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと直交する辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよいし、更には、場合によっては、線分ＡＣと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＢＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想正方形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２３】
あるいは又、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関して最大４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想長方形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと交わる辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよいし、更には、場合によっては、線分ＢＤと平行に一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想長方形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２４】
あるいは又、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑ＝３又は４）の波長成分及びｑ種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因したｑ種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、この場合、Ｐ0の値としてｑを挙げることができ、入射電磁波の偏光に関するｑ種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想平行四辺形ＡＢＣＤとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢと平行に一対の光電変換素子を配置し、この辺ＡＢと交わる辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよく（ｑ＝３の場合）、更には、場合によっては、線分ＢＤと平行に更に一対の光電変換素子を配置すればよい（ｑ＝４の場合）。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想平行四辺形ＡＢＣＤを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２５】
あるいは又、上記の好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る２次元固体撮像装置において、
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、便宜上、『第２の構成の２次元固体撮像装置』と呼ぶ。
【００２６】
そして、第２の構成の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第２の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の中心に位置する構成とすることができる。あるいは又、このような構成を含む第２の構成の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点、あるいは、仮想正八角形の頂点に位置する構成とすることもできる。
【００２７】
具体的には、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の中心に位置する場合、入射電磁波の１種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び１種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した１種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する３種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正六角形ＡＢＣＤＥＦとしたとき、各画素領域において、辺ＡＤと平行に一対の光電変換素子を配置し、辺ＢＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、辺ＣＦと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。また、Ｐ0の値として１を用いることで、任意の偏光成分を区別せずに取得することも可能である。この場合、仮想正六角形ＡＢＣＤＥＦを成す開口部に１つの光電変換素子を配置すればよい。
【００２８】
あるいは又、具体的には、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｎ＝２，４，６，８、並びに、ｎ＝３，５，７，９）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として４を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想正方形ＡＢＣＤ、仮想正方形ＡＤＥＦ、仮想正方形ＡＦＧＨ、仮想正方形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと直交する辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。
【００２９】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値として４を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関する４種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想長方形ＡＢＣＤ、仮想長方形ＡＤＥＦ、仮想長方形ＡＦＧＨ、仮想長方形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと直交する辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい。
【００３０】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’＝３又は４）の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、この場合、Ｐ0の値としてｑ’を挙げることができ、入射電磁波の偏光に関するｑ’種類の情報を取得することができる。具体的には、仮想平行四辺形ＡＢＣＤ、仮想平行四辺形ＡＤＥＦ、仮想平行四辺形ＡＦＧＨ、仮想平行四辺形ＡＨＩＢとしたとき、各画素領域において、辺ＡＢ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、これらの辺ＡＢ，ＡＥと交わる辺ＡＤ，ＡＥと平行に一対の光電変換素子を配置し、線分ＡＣ，ＡＧと平行に一対の光電変換素子を配置し（ｑ＝３の場合）、必要に応じて、線分ＡＥ，ＡＩと平行に残りの一対の光電変換素子を配置すればよい（ｑ＝４の場合）。
【００３１】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の２次元固体撮像装置、第２の構成の２次元固体撮像装置を含む本発明の２次元固体撮像装置において、開口部の光入射側には、屈折率変化層が設けられている構成とすることができる。ここで、屈折率変化層を構成する材料として、入射する光に対して透明な絶縁材料、具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ2）や、ＳｉＯ2を主成分とする複合素材が好適である。また、その他、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）等の酸化物や窒化物を挙げることもできる。あるいは又、屈折率変化層は、入射電磁波の波長よりも小さい凹凸周期構造を有する構成とすることができる。この場合、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）若しくは空気を低屈折率の媒質とすればよいし、窒化シリコン（ＳｉＮ）、 酸化チタン（ＴｉＯ2）、 酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を高屈折率の媒質とすればよい。そして、これらの媒質を入射電磁波よりも有意に小さい物理的スケールで１次元的若しくは２次元的に周期的に配置することで、実効的な屈折率は、双方の媒質が有する屈折率を体積比率で平均化した値となる。つまり、低屈折率の媒質と高屈折率の媒質の中間の屈折率であれば任意の屈折率を得ることができる。
【００３２】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の２次元固体撮像装置、第２の構成の２次元固体撮像装置を含む本発明の２次元固体撮像装置（以下、これらを総称して、『本発明の２次元固体撮像装置等』と呼ぶ場合がある）にあっては、光電変換素子として、具体的には、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型、ＣＭＤ（Charge Modulation Device）型の信号増幅型イメージセンサーを挙げることができるし、ＰＩＮダイオードを挙げることもできる。また、ボロメーター等の熱検出型のセンサーを挙げることもできる。従来のＣＣＤ型信号増幅型イメージセンサーにあっては、長波長（赤色：７００ｎｍ程度）の光電変換がシリコン基板の深部あるいは２μｍ程度の深さの所で生じるが故に、シリコンの光吸収係数をベースにした深さ方向で光電変換を行う従来のイメージセンサーにあっては、その厚さを数μｍ以下にすることは技術的に不可能であった。本発明の２次元固体撮像装置にあっては、開口部縁部（エッジ部分）において発生する近接場光を検出して光電変換するので、シリコン基板の厚さが薄くても問題はない。具体的には、光電変換素子は、シリコン基板に形成されており、シリコン基板の表面から１μｍ以下の浅い領域で光電変換を行う構造とすることができる。また、低温ポリシリコンを用いたＴＦＴを用いることも可能である。本発明の２次元固体撮像装置等として、表面照射型の２次元固体撮像装置あるいは裏面照射型の２次元固体撮像装置を挙げることができる。本発明の２次元固体撮像装置等から、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、カムコーダを構成することができる。また、光通信機器、情報通信システム、車車間通信や路車間通信のための光情報送受信装置システムを構成することができる。
【００３３】
場合によっては、近接場光を効率良く検出するために、光電変換素子の受光領域の中央部を凸状とし、光電変換素子の受光領域の頂面と金属層との間の距離、あるいは、光電変換素子の受光領域の頂面と開口部縁部（エッジ部分）との間の距離の短縮化を図ってもよい。また、開口部縁部（エッジ部分）に発生する近接場光を効率良く検出するために、開口部縁部（エッジ部分）の下方あるいは直下に光電変換素子の受光領域の中心を配置してもよい。
【００３４】
本発明の２次元固体撮像装置等において、複数の画素領域は、全体としてＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されている。
【００３５】
本発明の２次元固体撮像装置等にあっては、入射電磁波として、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光を挙げることができるし、あるいは又、波長０．４μｍ以下の紫外線、波長０．７μｍ以上の赤外線を挙げることもできる。
【００３６】
開口部の開口径ｄは、検出すべき入射電磁波の波長よりも小さいことが望ましく、可視光波長帯の検出にあっては、開口部の開口径ｄは０．１μｍ〜０．３μｍ程度であることが好ましい。あるいは又、開口部の開口径ｄは、光電変換素子が検出する電磁波の波長における回折限界でのスポット広がりの半分以下であることが望ましい。隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄは、検出すべき電磁波の波長と同程度とすればよく、可視光波長帯の検出にあっては、０．４μｍ〜０．８μｍ程度とすることが好ましい。開口部を、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の入射電磁波に対して透明な媒質（例えば、誘電体材料から成る屈折率変化層）で充填してもよい。尚、この場合には、媒質の屈折率をｎ0としたとき、開口部の中心間の距離Ｄは、開口部を媒質で充填しない場合の距離Ｄの、例えば（１／ｎ0）倍とすればよい。一例として、可視光波長を考えた場合、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長λR，λG，λBはおおよそ、
λR：６００ｎｍ〜８００ｎｍ
λG：５００ｎｍ〜６００ｎｍ
λB：３８０ｎｍ〜５００ｎｍ
であるので、媒質の屈折率を１．５とした場合の開口部の中心間の距離（赤色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤR、緑色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤG、青色の光を検出する副画素領域における開口部の中心間の距離ＤB）を、例えば、
ＤR：４００ｎｍ〜５３０ｎｍ
ＤG：３３０ｎｍ〜４００ｎｍ
ＤB：２５０ｎｍ〜３３０ｎｍ
とすればよい。このように、「開口部の中心間の距離Ｄ」には、媒質の屈折率が考慮された、所謂、実効的な距離も包含される。また、この場合の媒質の比誘電率は、光電変換素子を構成する材料の有する比誘電率と同じ値、あるいは、近い値であることが好ましい。
【００３７】
開口部の射影像は、光電変換素子の法線方向から眺めた射影像である。開口部の平面形状として、円形、三角形、四角形、六角形、八角形、菱形、楕円形、星形、十字形状等、任意の平面形状とすることができ、可視光波長〜近赤外線波長領域で表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）を励起できる周期構造を備えていれば、平面形状は特には限定されない。金属層の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部を切断したときの開口部の断面形状として、矩形形状（金属層の上面における開口部の平面形状と、金属層の下面における開口部の平面形状とが同じ形状）とすることもできるし、あるいは又、金属層の上面から下面に向かって階段状に断面積が小さくなるステップ状の断面形状（ステップの数は１以上であればよい）、金属層の上面から下面に向かって単調に断面積が小さくなるスロープ状の断面形状を挙げることができる。尚、金属層の上面から電磁波が入射するとする。ステップ状あるいはスロープ状の断面形状とすることで、金属層の異なる深さで異なる開口径を実現することができるので、表面プラズモン・ポラリトンに基づき発生する共鳴状態における共鳴波長の広帯域化を図ることが可能となる。
【００３８】
金属層を構成する材料として、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等のプラズモン損失が小さい貴金属の他、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、酸化チタン等の導電材料を挙げることができる。あるいは又、例えばシリコン系材料の表面をこれらの導電材料で被覆した構造とすることもできるし、ナノロッド、ナノワイヤー等の線状素材やナノ粒子等の球状粒子若しくは誘電体微小球をこれらの導電材料で被覆した構造とすることもできる。金属層の厚さとして、１×１０-8ｍ（１０ｎｍ）乃至１×１０-6ｍ（１μｍ）、具体的には、５０ｎｍ程度を例示することができる。
【００３９】
絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、ＨｆＳｉＯＮといった絶縁性に優れ、薄膜化に適した材料から構成することが望ましく、絶縁膜の厚さは薄ければ薄いほど好ましい。具体的には、絶縁膜の厚さは、上述したとおり、１×１０-7ｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
金属層における開口部の作製方法として、金属層の成膜技術、並びに、リソグラフィ技術とエッチング技術（例えば、四フッ化炭素ガス、六フッ化硫黄ガス、トリフルオロメタンガス、二フッ化キセノンガス等を用いた異方性ドライエッチング技術や、物理的エッチング技術）による金属層のパターニング技術との組合せ、あるいは又、所謂リフトオフ技術を挙げることができる。金属層の成膜方法として、各種の真空蒸着法やスパッタリング法といった物理的気相成長法（ＰＶＤ法）だけでなく、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、メッキ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法を挙げることができる。リソグラフィ技術として、フォトリソグラフィ技術（高圧水銀灯のｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等を光源として用いたリソグラフィ技術）、電子線リソグラフィ技術、Ｘ線リソグラフィを挙げることができる。あるいは又、フェムト秒レーザ等の極短時間パルスレーザによる微細加工技術や、ナノインプリント法に基づき、開口部を有する金属層を形成することもできる。
【実施例１】
【００４１】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る２次元固体撮像装置に関し、更には、第１の構造の２次元固体撮像装置に関する。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７における２次元固体撮像装置は、複数の画素領域が、全体としてＸ方向及びＹ方向の２次元マトリクス状に配列されている。
【００４２】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置の模式的な一部断面図を図１の（Ａ）あるいは（Ｂ）に示す。また、実施例１の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図２に模式的に示し、図２の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図３の（Ａ）に示し、更には、画素領域及び副画素領域の配置に関する概念図を図３の（Ｂ）に示し、１つの副画素領域の等価回路図を図３の（Ｃ）に示す。尚、図３の（Ｃ）において、光電変換素子（受光素子）を点線で囲んで示した。また、その他の図面においては、光電変換素子（受光素子）を実線の四角形で示した。
【００４３】
実施例１の２次元固体撮像装置は、２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、各画素領域は、複数の副画素領域１０から構成されている。ここで、図面においては、画素領域を一点鎖線で囲み、副画素領域１０を点線で囲っている。そして、入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部３１が設けられた金属層３０、及び、光電変換素子（受光素子）２１が、絶縁膜３２を挟んで配置されており、各副画素領域１０に含まれる金属層３０の部分に設けられた開口部３１に対して、少なくとも１つの光電変換素子２１が配置されている。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例６にあっては、開口部３１に対して１つの光電変換素子２１が配置されている。そして、開口部３１の射影像は、光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、開口部３１は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、この共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。即ち、開口部３１は、入射電磁波に基づき表面プラズモン・ポラリトン共鳴が生じるように配列されており、この表面プラズモン・ポラリトン共鳴により開口部３１近傍において発生する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。ここで、より具体的には、近接場光は開口部縁部の近傍において発生するが、開口部３１の射影像が光電変換素子２１の受光領域内に含まれているが故に、即ち、開口部縁部の下方には必ず光電変換素子２１の受光領域が存在するが故に、近接場光を光電変換素子２１において確実に検出することができる。
【００４４】
更には、実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、各副画素領域１０は１つの開口部３１を有している。そして、第１番目の副画素領域１０1を構成する開口部３１の中心から、第ｍ番目の副画素領域１０m［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部３１の中心までの距離をＬmとしたとき、入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmの周期構造に依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。即ち、隣接する開口部３１と開口部３１とによって一種の微小共振器が構成されている。
【００４５】
具体的には、実施例１にあっては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。ここで、実施例１にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は仮想正方形の頂点に位置する。
【００４６】
より具体的には、概念図を図３の（Ｂ）に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置しており、入射電磁波の２種類の波長成分及び２種類の距離Ｌmの周期構造（具体的には、例えば、ｍ＝２及び４、並びに、ｍ＝３）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００４７】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００４８】
第１の波長成分に対応する近接場光及び第２の波長成分に対応する近接場光を各副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換するが、第１の波長成分に対応する近接場光に基づく電気信号と、第２の波長成分に対応する近接場光に基づく電気信号との分離に関しては、実施例７にて説明する。
【００４９】
第２番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第４番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様である。以下の説明においても同様である。
【００５０】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、絶縁膜３２の厚さは１×１０-7ｍ以下、具体的には、例えば１０ｎｍである。ここで、絶縁膜３２はＳｉＯ2から成る。また、金属層３０は、厚さ５０ｎｍの金（Ａｕ）層から成る。開口部３１の平面形状を円形とした。但し、絶縁膜３２、金属層３０、開口部３１の形状は、これらに限定するものではない。また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、入射電磁波として、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光を挙げることができるし、あるいは又、波長０．４μｍ以下の紫外線、波長０．７μｍ以上の赤外線を挙げることもできる。
【００５１】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７にあっては、光電変換素子２１をＣＭＯＳ型の信号増幅型イメージセンサーから構成したが、これに限定するものではなく、その他、ＣＣＤ型、ＣＭＤ型の信号増幅型イメージセンサーを採用してもよいし、ＰＩＮダイオードを採用してもよい。実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置にあっては、光電変換素子２１が検出（受光）する電磁波は、例えば、可視光である。ＣＭＯＳ型の信号増幅型イメージセンサーを採用する場合、素子分離として、ＬＯＣＯＳ構造、ＥＤＩ（Expanding Photodiode Design for Isolation）構造、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造等の、周知の構造を採用すればよい。
【００５２】
ここで、図１の（Ａ）に示す２次元固体撮像装置は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１の（Ｂ）に示す２次元固体撮像装置は、裏面照射型の２次元固体撮像装置である。図１の（Ａ）に示す表面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、オンチップ・マイクロ凸レンズから成る集光素子２４によって集光された光は、ＳｉＯ2やＳｉＮといった透明な物質から成る平滑化層２２を通過する。そして、金属層３０に衝突する結果、金属層３０に設けられた開口部３１近傍において近接場光が発生し、この近接場光が光電変換素子２１に導かれる。尚、金属層３０は、所謂遮光層を兼ねている。そして、近接場光は、光電変換により電荷として蓄積された後、電気信号として外部に読み出される。尚、参照番号１１はシリコン基板から成る基板を示し、参照番号２３はアルミニウム（Ａｌ）から構成された配線層を示す。光電変換素子２１は基板１１に形成されている。尚、金属層３０に設けられた開口部３１は、実際には、平滑化層２２によって充填されている。一方、図１の（Ｂ）に示す裏面照射型の２次元固体撮像装置にあっては、集光素子２４によって集光された光は基板１１を通過する。そして，金属層３０に衝突する結果、金属層３０に設けられた開口部３１近傍において近接場光が発生し、この近接場光が光電変換素子２１に導かれる。そして、近接場光は、光電変換により電荷として蓄積された後、電気信号として外部に読み出される。尚、開口部３１は、入射電磁波に対して透明な媒質３３によって充填されている。集光素子を、オンチップ・マイクロ凸レンズの他にも、光電変換素子２１に入射する電磁波（例えば、可視光）の波長よりも小さい物理スケールの周期構造を有するサブ波長レンズ（Sub-Wavelength Lens：ＳＷＬＬ）から構成することができる。
【００５３】
金属層３０の厚さ方向と平行な仮想平面で開口部３１を切断したときの開口部３１の断面形状は、図３の（Ａ）に示し、あるいは、図４の（Ａ）に示すように、矩形形状（金属層３０の上面における開口部３１の平面形状と、金属層３０の下面における開口部３１の平面形状とが同じ形状）とすることができる。あるいは又、図４の（Ｂ）、（Ｃ）に模式的に図示するように、金属層３０の上面から下面に向かって階段状に断面積が小さくなるステップ状の断面形状（ステップの数は１以上であればよい）としてもよいし、図４の（Ｄ）に模式的に図示するように、金属層３０の上面から下面に向かって単調に断面積が小さくなるスロープ状の断面形状としてもよい。
【００５４】
また、画素領域及び副画素領域の配置を図５に模式的に示し、図５の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図３の（Ｄ）に示すように、開口部３１の開口径を副画素領域によって異ならせてもよい。
【００５５】
実施例１の２次元固体撮像装置は、開口部３１を有する金属層３０を絶縁膜３２上に形成する点を除き、従来の２次元固体撮像装置と基本的に同じ方法にて製造することができるし、金属層３０の微細加工は、半導体装置の製造技術を転用することで容易に達成することができる。それ故、実施例１の２次元固体撮像装置の製造方法の説明は省略する。後述する実施例２〜実施例７の２次元固体撮像装置においても同様である。
【００５６】
実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させ（表面プラズモン・ポラリトン共鳴の発生）、係る共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光（表面プラズモン・ポラリトン共鳴により発生する近接場光）を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。それ故、高感度、且つ、微小開口径を有する２次元固体撮像装置を実現することができる。しかも、画素領域は複数の副画素領域１０から構成されており、各副画素領域１０に含まれる金属層３０の部分には開口部３１が設けられているので、開口部間の距離を最適化することで、副画素領域１０のそれぞれにおいて異なる波長成分の近接場光を検出し、色情報を確実に再現することができる。また、実施例１の２次元固体撮像装置にあっては、金属層３０に設けられた開口部間の距離に基づいて近接場光を励起し、検出するので、光電変換素子２１の厚さと検出波長との間には何らの関係も無い。近接場光は電磁波波長程度の領域にしか到達しないが故に、光電変換素子２１の厚さを充分に薄くすることが可能である。しかも、開口部３１の開口径は入射電磁波の波長よりも小さいので、従来の２次元固体撮像装置に比べて光電変換素子２１の開口面積を小さくすることが可能になり、これにより、光電変換素子全体の面積を保ちつつ、単位面積当たりの画素数を飛躍的に増加させることができる。
【実施例２】
【００５７】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例１にあっては、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置するとした。一方、実施例３にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想長方形の頂点に位置する。
【００５８】
より具体的には、画素領域及び副画素領域の配置を図６に模式的に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置しており、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００５９】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００６０】
第２番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様であるし、第４番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做したときも同様である。
【００６１】
以上の点を除き、実施例２の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００６２】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例３にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想平行四辺形の頂点に位置する。
【００６３】
より具体的には、画素領域及び副画素領域の配置を図７に模式的に示すように、１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置しており、入射電磁波の３種類の波長成分及び３種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。このような例は、上述した実施例２の１つの画素領域において４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合と同じである。
【００６４】
あるいは又、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離の更なる最適化を図ることで、以下に説明する形態とすることもできる。即ち、入射電磁波の４種類の波長成分及び４種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｍ＝２，ｍ＝３、並びに、ｍ＝４）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した４種類の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第ｍ番目の副画素領域１０mにおける光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００６５】
具体的には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2-4（図７参照）によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第４の距離Ｄ4（≠Ｄ1，≠Ｄ2，≠Ｄ3）が規定され、更には、入射電磁波の第４の波長成分が規定され、これらの第４の距離Ｄ4と入射電磁波の第４の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第４の波長成分に対応する近接場光を、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。尚、この場合、Ｐ0の値として３を挙げることができ、この場合、距離Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4によって規定される距離Ｄ2，Ｄ3，Ｄ4により励起される近接場光に相当する波長成分を、各々の光電変換素子によって電気信号に変換する。また、Ｐ0の値として１を挙げることができ、この場合、光電変換素子は、各開口間距離とそれぞれに対応する電磁波波長との共鳴状態に起因する近接場光を、混在した状態で検出する。
【００６６】
第３番目の副画素領域を第１番目の副画素領域１０1と見做し、第４番目の副画素領域を第２番目の副画素領域１０2と見做したときも同様である。
【００６７】
以上の点を除き、実施例４の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例４】
【００６８】
実施例４も、実施例１の変形である。実施例４にあっては、Ｍの値は３であり、１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部３１の中心は、不規則な四辺形の頂点に位置する。ここで、不規則な四辺形とは、四辺形ＡＢＣＤにおいて、ＡＢの長さ、ＡＣの長さ、ＡＤの長さ、ＢＣの長さ、ＣＤの長さ、ＢＤの長さが、相互に異なっており、例えば、以下に説明するように近接場光を検出する。
【００６９】
即ち、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第２番目の副画素領域１０2における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７０】
また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第３番目の副画素領域１０3における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７１】
更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第４番目の副画素領域１０4における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７２】
以上の点を除き、実施例４の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例５】
【００７３】
実施例５も、実施例１の変形であるが、第２の構成に関する。実施例５の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図８に模式的に示す。
【００７４】
実施例５あるいは後述する実施例６〜実施例７の２次元固体撮像装置にあっては、
各画素領域は、第１番目の副画素領域１０1、及び、第１番目の副画素領域１０1を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部３１を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部３１の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部３１の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７５】
ここで、実施例５あるいは後述する実施例６〜実施例７の２次元固体撮像装置においては、入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７６】
また、実施例５の２次元固体撮像装置にあっては、Ｎの値は６であり、１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正六角形の中心に位置する。
【００７７】
具体的には、実施例５にあっては、入射電磁波の１種類以上、Ｎ種類以下（例えば、１種類）の波長成分及び１種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した１種類以上、Ｎ種類以下（例えば、１種類）の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。このような実施例５の２次元固体撮像装置は、単一の色に対して感度を有する。尚、２種類以上の波長成分に対応する近接場光を得ようとする場合には、副画素領域における開口部３１を充填する媒質（屈折率変化層）を異ならせればよい。以下の説明においても同様である。
【００７８】
即ち、例えば、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１を充填する媒質、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を充填する媒質、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を充填する媒質を、適宜、変えることで、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００７９】
以上の点を除き、実施例５の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例６】
【００８０】
実施例６は、実施例５の変形である。実施例６にあっては、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する。実施例６の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を、図９（仮想正方形の頂点に位置する例）、あるいは、図１０（仮想平行四辺形の頂点に位置する例）に模式的に示す。
【００８１】
具体的には、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置する場合（図９参照）、入射電磁波の２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び２種類の距離Ｌm（具体的には、例えば、ｎ＝２，４，６，８、並びに、ｎ＝３，５，７，９）に依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した２種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する構成とすることができる。
【００８２】
ここで、１つの画素領域は、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3、第４番目の副画素領域１０4、第５番目の副画素領域１０5、第６番目の副画素領域１０6、第７番目の副画素領域１０7、第８番目の副画素領域１０8、及び、第９番目の副画素領域１０9から構成されている。更には、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域は、（第１番目の副画素領域１０1，第２番目の副画素領域１０2，第３番目の副画素領域１０3，第４番目の副画素領域１０4）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第４番目の副画素領域１０4，第５番目の副画素領域１０5，第６番目の副画素領域１０6）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第６番目の副画素領域１０6，第７番目の副画素領域１０7，第８番目の副画素領域１０8）の組である。また、（第１番目の副画素領域１０1，第８番目の副画素領域１０8，第９番目の副画素領域１０9，第２番目の副画素領域１０2）の組である。以下の説明においても同様である。
【００８３】
即ち、例えば、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ6、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第８番目の副画素領域１０8における開口部３１の中心との間の距離Ｌ8によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第４番目の副画素領域１０4、第６番目の副画素領域１０6及び第８番目の副画素領域１０8における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ5、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ7、及び、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第９番目の副画素領域１０9における開口部３１の中心との間の距離Ｌ9によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3、第５番目の副画素領域１０5、第７番目の副画素領域１０7及び第９番目の副画素領域１０9における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８４】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８５】
即ち、例えば、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第２番目の副画素領域１０2における開口部３１の中心との間の距離Ｌ2、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第６番目の副画素領域１０6における開口部３１の中心との間の距離Ｌ6によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第１の距離Ｄ1が規定され、更には、入射電磁波の第１の波長成分が規定され、これらの第１の距離Ｄ1と入射電磁波の第１の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第１の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第６番目の副画素領域１０6における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。また、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第４番目の副画素領域１０4における開口部３１の中心との間の距離Ｌ4、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第８番目の副画素領域１０8における開口部３１の中心との間の距離Ｌ8によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第２の距離Ｄ2（≠Ｄ1）が規定され、更には、入射電磁波の第２の波長成分が規定され、これらの第２の距離Ｄ2と入射電磁波の第２の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第２の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第８番目の副画素領域１０8における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。更には、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第３番目の副画素領域１０3における開口部３１の中心との間の距離Ｌ3、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第５番目の副画素領域１０5における開口部３１の中心との間の距離Ｌ5、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第７番目の副画素領域１０7における開口部３１の中心との間の距離Ｌ7、第１番目の副画素領域１０1における開口部３１の中心と第９番目の副画素領域１０9における開口部３１の中心との間の距離Ｌ9によって、隣接する副画素領域における開口部の中心間の第３の距離Ｄ3（≠Ｄ1，≠Ｄ2）が規定され、更には、入射電磁波の第３の波長成分が規定され、これらの第３の距離Ｄ3と入射電磁波の第３の波長成分とに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した第３の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3、第５番目の副画素領域１０5、第７番目の副画素領域１０7及び第９番目の副画素領域１０9における光電変換素子２１にて電気信号に変換する。
【００８６】
あるいは又、Ｎの値は８であり、１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想平行四辺形の頂点に位置する場合（図１０参照）、入射電磁波の３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分及び３種類又は４種類の距離Ｌmに依存して励起される表面プラズモン・ポラリトン共鳴に起因した３種類以上、Ｎ種類以下の波長成分に対応する近接場光を、第１番目の副画素領域及び第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子２１にて電気信号に変換する構成とすることができる。尚、このような例は、基本的には、上述した１つの画素領域において８つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想長方形の頂点に位置する場合と同様とすることができるし、あるいは、実施例３にて説明したと同様とすることができる。
【００８７】
尚、実施例６あるいは前述した実施例５にあっては、隣接する画素領域間において表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態が生じないように、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄが決められている。但し、これに限定するものではなく、隣接する画素領域間において表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態が生じるように、隣接する副画素領域における開口部の中心間の距離Ｄを決めてもよい。この場合には、例えば、図９に示した例にあっては、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3及び第４番目の副画素領域１０4から構成された第１画素領域、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4、第５番目の副画素領域１０5及び第６番目の副画素領域１０6から構成された第２画素領域、第１番目の副画素領域１０1、第６番目の副画素領域１０6、第７番目の副画素領域１０7及び第８番目の副画素領域１０8から構成された第３画素領域、並びに、第１番目の副画素領域１０1、第８番目の副画素領域１０8、第９番目の副画素領域１０9及び第２番目の副画素領域１０2から構成された第４画素領域の４つの画素領域から画素領域群が構成され、この画素領域群を、実施例６における画素領域と見做せばよい。他の副画素領域の配置においても同様である。
【００８８】
以上の点を除き、実施例６の２次元固体撮像装置の構成、構造は、実施例１の２次元固体撮像装置の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例７】
【００８９】
実施例７は、実施例１の変形であるが、本発明の第２の態様に係る２次元固体撮像装置に関する。実施例７の２次元固体撮像装置における画素領域及び副画素領域の配置を図１１の（Ａ）及び（Ｂ）に模式的に示し、図１１の（Ｂ）の矢印に沿って画素領域及び副画素領域を切断したときの模式的な一部端面図を図１１の（Ｃ）に示す。また、１つの副画素領域の等価回路図を図１２に示すが、このような回路に限定するものではない。
【００９０】
入射電磁波の縦偏光成分・横偏光成分を考えると、近接場光はＴＭモードなので、それぞれの偏光成分に平行な金属薄膜層の周期構造によって表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が励起される。また、表面プラズモン・ポラリトンにより発生する近接場光は、開口部縁部（エッジ部分）で強い電場強度を有することが知られている。即ち、直線上に並ぶ複数の開口部において、近接場光の電場強度が最も強くなるのは開口部直下の数１０ｎｍ程度の広がりを持つスポット領域であり、しかも、開口部の配列方向によって検出できる偏光成分が異なってくる。従って、各々の開口部の中心を通る直線が２つの開口部の縁部（エッジ部分）と交わる部分の内の少なくとも一方の部分の下方、望ましくは、両方の部分（尚、これらの部分は相互に対向している）の下方に、光電変換素子の受光領域を配置すれば、２つの開口部の中心を通る直線と平行な偏光成分を、光電変換素子にて検出することができる。
【００９１】
実施例７の２次元固体撮像装置においては、
金属層３０の部分に設けられた１つの開口部３１に対して、複数の光電変換素子２１が配置されており、
開口部３１の射影像が光電変換素子２１の受光領域内に含まれる代わりに、開口部３１縁部の射影像が複数の光電変換素子２１の受光領域内に含まれており、
共鳴状態により開口部３１近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子２１にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する。更には、開口部３１の周期的な間隔に対応する入射電磁波の波長（色）に関する情報を取得する。
【００９２】
実施例７にあっては、副画素領域の配置を実施例５にて説明した配置と同様とした。そして、１つの開口部３１に対して、２Ｐ0個の光電変換素子２１が環状に配置されており、第ｐ番目の光電変換素子２１（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子２１とを一対として、入射電磁波の波長・偏光に関する情報を取得する。
【００９３】
図１１の（Ａ）に示す例は実施例５の変形であり、Ｎ個（６個）の副画素領域における開口部の中心が仮想正六角形の頂点に位置している。ここで、２Ｐ0の値は６である。即ち、１つの副画素領域に配置する２Ｐ0個の光電変換素子２１の数は６である。尚、図１１の（Ａ）及び（Ｂ）においては、１つの副画素領域における２Ｐ0個の光電変換素子２１を図示している。
【００９４】
そして、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第５番目の副画素領域１０5における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ａの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第１の偏光成分を、光電変換素子Ａにて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ｂの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分を、光電変換素子Ｂにて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子Ｃの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第３の偏光成分を、光電変換素子Ｃにて検出することができる。そして、こうして得られた入射電磁波の偏光に関する３種類の情報（偏光成分）を演算することで、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-max、偏光最小強度ＩPL-min、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-maxが得られる偏光方向θPL-max、偏光成分に関する強度である偏光成分強度ＩPLを得ることができる。
【００９５】
尚、表面プラズモン・ポラリトンによって発生する近接場光は、先端が尖った形状の頂点に強い電場を形成する傾向がある。この傾向は、先端が尖った形状の頂点では電子が動き回れる領域が狭くなり電場が集中することに起因すると考えられている。そのため、開口部の平面形状を、図１３に示すように、各々の頂点に発生した強い近接場光を検出できるように、星形とすることも有効である。また、Ｎ個（８個）の副画素領域における開口部の中心が仮想正八角形の頂点に位置している構成とすることもできる。
【００９６】
あるいは又、図１１の（Ｂ）に示す例は実施例６の変形であり、Ｎ＝８であり、１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が仮想正方形の頂点に位置している。ここで、１つの副画素領域に配置する２Ｐ0個の光電変換素子２１の数は８である。
【００９７】
そして、第１番目の副画素領域１０1、第２番目の副画素領域１０2及び第６番目の副画素領域１０6における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第１の偏光成分、及び、主に第１の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第３番目の副画素領域１０3及び第７番目の副画素領域１０7における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分、及び、主に第２の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1、第４番目の副画素領域１０4及び第８番目の副画素領域１０8における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第３の偏光成分、及び、主に第３の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1、第５番目の副画素領域１０5及び第９番目の副画素領域１０9における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき２箇所）の下方に光電変換素子の受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第４の偏光成分、及び、主に第４の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子にて検出することができる。そして、こうして得られた入射電磁波の偏光に関する４種類の情報（偏光成分）を演算することで、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-max、偏光最小強度ＩPL-min、画素領域に入射する光の偏光最大強度ＩPL-maxが得られる偏光方向θPL-max、偏光成分に関する強度である偏光成分強度ＩPLを得ることができる。更には、第１の波長成分に対応する近接場光、第２の波長成分に対応する近接場光、第３の波長成分に対応する近接場光及び第４の波長成分に対応する近接場光を分離した状態を得ることができる。
【００９８】
１つの画素領域において隣接する４つの副画素領域における開口部３１の中心が、仮想長方形の頂点に位置し、あるいは又、仮想平行四辺形の頂点に位置するといった実施例６の変形例に対しても、同様に、１つの副画素領域に２Ｐ0個（＝８）の光電変換素子２１を配置することができる。
【００９９】
また、実施例７を実施例１にて説明した２次元固体撮像装置に適用した場合の画素領域及び副画素領域の配置を模式的に図１４に示す。この場合にあっては、第１番目の副画素領域１０1には３つの光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃが配置されており、第２番目の副画素領域１０2、第３番目の副画素領域１０3、及び、第４番目の副画素領域１０4のそれぞれにも３つの光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃが配置されている。
【０１００】
そして、第１番目の副画素領域１０1及び第２番目の副画素領域１０2における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ａの受光領域を配置し、第３番目の副画素領域１０3及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｆの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこれら直線と平行な第１の偏光成分、及び、主に第１の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ａ，Ｆにて検出することができる。また、第１番目の副画素領域１０1及び第３番目の副画素領域１０3における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｂの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第２の偏光成分、及び、主に第２の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｂにて検出することができる。更には、第１番目の副画素領域１０1及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｃの受光領域を配置し、第２番目の副画素領域１０2及び第３目の副画素領域１０3における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｅの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこれらの直線と平行な第３の偏光成分、及び、主に第３の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｃ，Ｅにて検出することができる。また、第２番目の副画素領域１０2及び第４番目の副画素領域１０4における開口部３１を結ぶ直線が、これらの開口部３１の縁部（エッジ部分）のそれぞれと交わる部分（各開口部につき１箇所）の下方に光電変換素子Ｄの受光領域を配置すれば、開口部の中心を通るこの直線と平行な第４の偏光成分、及び、主に第４の波長成分に対応する近接場光を、光電変換素子Ｄにて検出することができる。更には、第１の波長成分に対応する近接場光、第２の波長成分に対応する近接場光、第３の波長成分に対応する近接場光及び第４の波長成分に対応する近接場光を分離した状態を得ることができる。
【０１０１】
更には、同様に、実施例７を実施例２〜実施例４にて説明した２次元固体撮像装置に適用することができる。
【０１０２】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例においては、例えば、可視光波長帯を検出する固体撮像素子を説明したが、赤外線や紫外線を検出する固体撮像素子の場合、それらの波長に応じて、開口部間の距離を拡大・縮小することで、任意の波長帯で機能する２次元固体撮像装置を得ることができる。開口部３１の平面形状は円形や星形に限定されず、その他、三角形、四角形、六角形、八角形、菱形、楕円形、十字形状等、任意の平面形状とすることができる。また、開口部３１の光入射側に、入射電磁波の波長よりも小さい周期を有する凹凸周期構造を有する構成（サブ波長構造体とも呼ばれ、例えば、特開２００１−１０８８１２や、ＷＯ ２００５／１０１０６７ Ａ１参照）の屈折率変化層を設けてもよい。
【０１０３】
実施例５においては、単一の色に対して感度を有する２次元固体撮像装置を説明したが、実施例５における金属層及び開口部の構成、構造を、例えば、ベイヤ配列に適用し、図１５に画素領域及び副画素領域の配置を模式的に示すように、４つの副画素領域の内、１つの副画素領域１０Rにおいては赤色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とし、１つの副画素領域１０Bにおいては青色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とし、残りの２つの副画素領域１０Gにおいては緑色を検出し得る金属層及び開口部の構成、構造とすることもできる。この場合、各副画素領域１０R，１０B，１０Gのそれぞれに、１つの光電変換素子（受光素子）を設ければよい。尚、開口部を充填する媒質の屈折率をｎ0としたとき、赤色を検出する副画素領域１０Rにおいては、開口部間の距離を、例えば、７００／ｎ0（ｎｍ）とすればよいし、緑色を検出する副画素領域１０Gにおいては、開口部間の距離を、例えば、５５０／ｎ0（ｎｍ）とすればよいし、青色を検出する副画素領域１０Bにおいては、開口部間の距離を、例えば、４００／ｎ0（ｎｍ）とすればよい。尚、開口部３１を充填する媒質を、各副画素領域１０R，１０B，１０Gにおいて変えてもよい。更には、ベイヤ配列に限らず、３種類以上の任意の波長成分を検出する副画素領域を任意に配列、配置してもよい。
【０１０４】
図１６の（Ａ）に模式的な一部断面図にて概念図を示し、図１６の（Ｂ）及び（Ｃ）に部分的な配置図（開口部を上方から眺めた模式図）として示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子としてＰＩＮダイオードを用いることもできる。ここで、ＰＩＮダイオードの絶縁部４２は、金属層３０に設けられた開口部３１の縁部の射影像を含む位置に配置されている。ＰＩＮには逆バイアス電圧が印加されている。金属層３０の開口部縁部で発生した近接場光は絶縁部４２で吸収され、電子−正孔対が生成される。そして、生成した電子−正孔対は、各々が反対方向にドリフトして、負荷抵抗の両端で信号電圧として検出される。実施例１と同様に、開口部３１に１つのＰＩＮダイオードを配置する場合、図１６の（Ｂ）に示すように、リング状及び円形状にｎ型半導体領域４１及びｐ型半導体領域４３のそれぞれを配置すればよい。また、実施例７と同様に、開口部３１に複数のＰＩＮダイオードを配置する場合、図１６の（Ｃ）に示すように、複数のｎ型半導体領域４１が円形状のｐ型半導体領域４３を円環状に取り囲むように、ｎ型半導体領域４１及びｐ型半導体領域４３を配置すればよい。尚、図中、点線は、開口部３１の縁部の射影像を示す。
【０１０５】
図１７の（Ａ）〜（Ｄ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として埋め込み型フォトダイオードを用いることもできる。図１７の（Ａ）は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１７の（Ｂ）は、裏面照射型の２次元固体撮像装置であり、それぞれ、実施例１と同様に、開口部に１つの埋め込み型フォトダイオードを配置する場合を示している。ここで、参照番号５０はＰ型ウエルを意味し、参照番号５１、参照番号５２、及び、参照番号５３は、埋め込み型フォトダイオードを構成するｐ型半導体層、ｎ型半導体層、及び、ｐ型半導体層を意味し、参照番号５６は層間絶縁層を意味し、参照番号５７は絶縁層を意味し、参照番号５８は半導体層を意味する。近接場光は埋め込み型フォトダイオード中で電子−正孔対を生成させ、電子が蓄積される。蓄積された電子はゲート部５４を介してＦＤ領域（フローティング・ディフュージョン領域）５５にて電位として読み出される。図１７の（Ｃ）は、表面照射型の２次元固体撮像装置であり、図１７の（Ｄ）は、裏面照射型の２次元固体撮像装置であり、それぞれ、実施例７と同様に、開口部に複数の埋め込み型フォトダイオードを配置する場合を示している。
【０１０６】
図１８の（Ａ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として水平方向のＰＮ接合により構成されたフォトダイオードを用いることもできる。ここで、参照番号６０はＰ型ウエルを意味し、参照番号６１及び参照番号６２は、フォトダイオードを構成するｎ型半導体領域及びｐ型半導体領域を意味し、参照番号６６は層間絶縁層を意味する。金属層３０の開口部３１の縁部で発生した近接場光は、フォトダイオード中で電子−正孔対を生成させ、電子がｎ型半導体領域６１に蓄積される。更には、蓄積された電子はゲート部６４を介してＦＤ領域６５にて電位として読み出される。
【０１０７】
図１８の（Ｂ）及び（Ｃ）に模式的な一部断面図にて概念図を示すように、実施例１〜実施例７にて説明した２次元固体撮像装置において、光電変換素子として閾値変調型イメージセンサ（ＣＭＤ）を用いることもできる。図１８の（Ｂ）は、実施例１と同様に、開口部に１つの閾値変調型イメージセンサを配置する場合を示す。ここで、参照番号７１及び参照番号７２は、閾値変調型イメージセンサを構成するｎ型半導体層及びｐ型半導体層を意味し、参照番号７３、参照番号７４、参照番号７５、参照番号７６は、それぞれ、ｎ型半導体層、ゲート部、ｎ+半導体領域から成るドレイン領域、及び、ｎ+半導体領域から成るソース領域を意味する。近接場光は、閾値変調型イメージセンサ中で電子−正孔対を生成させる。そして、生成された電子若しくは正孔は、画素トランジスタの閾値電圧を変調させるので、その変化量を蓄積信号量として読み出すことができる。図１８の（Ｃ）は、実施例７と同様に、開口部に複数の閾値変調型イメージセンサを配置した例を示している。
【符号の説明】
【０１０８】
１０・・・副画素領域、２１・・・光電変換素子、２２・・・平滑化層、２３・・・配線層、２４・・・集光素子、３０・・・金属層、３１・・・開口部、３２・・・絶縁膜、３３・・・媒質、４１・・・ｎ型半導体領域、４２・・・絶縁部、４３・・・ｐ型半導体領域、５１・・・ｐ型半導体層、５２・・・ｎ型半導体層、５４・・・ゲート部、５５・・・ＦＤ領域、５６・・・層間絶縁層、５８・・・半導体層、６０・・・Ｐ型ウエル、６１・・・ｎ型半導体領域、６２・・・ｐ型半導体領域、６４・・・ゲート部、６５・・・ＦＤ領域、６６・・・層間絶縁層、７１・・・ｎ型半導体層、７２・・・ｐ型半導体層、７３・・・ｎ型半導体層、７４・・・ゲート部、７５・・・ドレイン領域、７６・・・ソース領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、
各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、
入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層、及び、光電変換素子が、絶縁膜を挟んで配置されており、
各副画素領域に含まれる金属層の部分に設けられた開口部に対して、少なくとも１つの光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像は、光電変換素子の受光領域内に含まれており、
開口部は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、
該共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する２次元固体撮像装置。
【請求項２】
絶縁膜の厚さは１×１０-7ｍ以下である請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項３】
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｍ番目の副画素領域［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬmとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項４】
入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する請求項３に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項５】
Ｍの値は３であり、
１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する請求項３に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項６】
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項７】
入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項８】
Ｎの値は６であり、
１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の中心に位置する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項９】
Ｎの値は８であり、
１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１０】
金属層の部分に設けられた１つの開口部に対して、複数の光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像が光電変換素子の受光領域内に含まれる代わりに、開口部縁部の射影像が複数の光電変換素子の受光領域内に含まれており、
入射電磁波波長及び周期的な開口部の分布パターンに基づく共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１１】
１つの開口部に対して、２Ｐ0個の光電変換素子が環状に配置されており、
第ｐ番目の光電変換素子（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子とを一対として、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する請求項１０に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１２】
Ｐ0の値は、２、３又は４である請求項１１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１３】
開口部の光入射側には、屈折率変化層が設けられている請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１４】
光電変換素子は、ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ型、ＰＩＮダイオード又はＣＭＤ型の信号増幅型イメージセンサーから成る請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１５】
入射電磁波は、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光である請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１６】
入射電磁波は、波長０．４μｍ以下の紫外線、又は、波長０．７μｍ以上の赤外線である請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１】
２次元マトリクス状に配置された画素領域を有し、
各画素領域は、複数の副画素領域から構成されており、
入射電磁波の波長よりも小さい開口径を有する開口部が設けられた金属層、及び、光電変換素子が、絶縁膜を挟んで配置されており、
各副画素領域に含まれる金属層の部分に設けられた開口部に対して、少なくとも１つの光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像は、光電変換素子の受光領域内に含まれており、
開口部は、入射電磁波によって励起される表面プラズモン・ポラリトンに基づき共鳴状態を発生させるように配列されており、
該共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する２次元固体撮像装置。
【請求項２】
絶縁膜の厚さは１×１０-7ｍ以下である請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項３】
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域に隣接するＭ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｍ番目の副画素領域［但し、ｍは、２，３・・・（Ｍ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬmとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項４】
入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は２以上、Ｍ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌmに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｍ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する請求項３に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項５】
Ｍの値は３であり、
１つの画素領域において、４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する請求項３に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項６】
各画素領域は、第１番目の副画素領域、及び、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域から構成されており、
各副画素領域は１つの開口部を有し、
第１番目の副画素領域を構成する開口部の中心から、第ｎ番目の副画素領域［但し、ｎは、２，３・・・（Ｎ＋１）］を構成する開口部の中心までの距離をＬnとしたとき、
入射電磁波の波長成分及び距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を光電変換素子にて電気信号に変換する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項７】
入射電磁波のｑ種類（但し、ｑは１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の波長成分及びｑ’種類（但し、ｑ’は１以上、Ｎ以下のいずれかの自然数）の距離Ｌnに依存した波長成分に対応する近接場光を、少なくとも第ｎ番目の副画素領域における光電変換素子にて電気信号に変換する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項８】
Ｎの値は６であり、
１つの画素領域において、第１番目の副画素領域を取り囲むＮ個の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の頂点に位置し、第１番目の副画素領域における開口部の中心は、仮想正六角形の中心に位置する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項９】
Ｎの値は８であり、
１つの画素領域において、隣接する４つの副画素領域における開口部の中心は、仮想正方形、仮想長方形又は仮想平行四辺形の頂点に位置する請求項６に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１０】
金属層の部分に設けられた１つの開口部に対して、複数の光電変換素子が配置されており、
開口部の射影像が光電変換素子の受光領域内に含まれる代わりに、開口部縁部の射影像が複数の光電変換素子の受光領域内に含まれており、
入射電磁波波長及び周期的な開口部の分布パターンに基づく共鳴状態により開口部近傍において発生する近接場光を複数の光電変換素子にて電気信号に変換し、以て、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する請求項１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１１】
１つの開口部に対して、２Ｐ0個の光電変換素子が環状に配置されており、
第ｐ番目の光電変換素子（但し、ｐは１，２・・・Ｐ0）と第（ｐ＋Ｐ0）番目の光電変換素子とを一対として、入射電磁波の偏光に関する情報を取得する請求項１０に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１２】
Ｐ0の値は、２、３又は４である請求項１１に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１３】
開口部の光入射側には、屈折率変化層が設けられている請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１４】
光電変換素子は、ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ型、ＰＩＮダイオード又はＣＭＤ型の信号増幅型イメージセンサーから成る請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１５】
入射電磁波は、波長０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光である請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【請求項１６】
入射電磁波は、波長０．４μｍ以下の紫外線、又は、波長０．７μｍ以上の赤外線である請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の２次元固体撮像装置。
【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】
【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】
【公開番号】特開２０１０−２７１０４９（Ｐ２０１０−２７１０４９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２０５７９（Ｐ２００９−１２０５７９）
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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