JP2010258711A - Near-infrared image sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized near-infrared sensor for obtaining a high S/N signal or a sharp image even if there is a dark current. <P>SOLUTION: A near-infrared image sensor includes: one or more photodetectors each formed on an InP substrate 1 and having a photodetection layer 3; a modulation section 50 positioned at an incident side of near-infrared light; and a signal processing section 70 positioned at a back side of near-infrared light. A band gap wavelength of the photodetection layer 3 is equal to or more than 1.2 μm and less than or equal to 3 μm, the modulation section 50 is formed from MEMS with silicon as a main component, covers one or more photodetectors and is integrated with the photodetectors, and the signal processing section 70 then includes a signal readout circuit for reading out signals of the photodetectors and a signal detector for detecting signals from the photodetectors. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、近赤外域の信号光を対象とした近赤外イメージセンサに関するものである。   The present invention relates to a near-infrared image sensor for signal light in the near-infrared region.

近赤外域の波長域1.7μm程度またはそれより長波長の波長2〜3μm程度に対応するバンドギャップエネルギを持つ化合物半導体として、III−V族化合物半導体が注目され、研究開発が進行している。たとえばInP上に、(InGaAs/GaAsSb)をペアとするタイプIIの多重量子井戸構造の受光層を有する受光素子が提案されている(非特許文献1)。また、波長2.5μm程度まで受光感度を持つ化合物半導体として単層のGaInNAsの提案もなされている(特許文献1)。
しかしながら、上記の受光素子によって近赤外センサを構成しても、鮮明な画像を得ることができない。その大きな理由の一つに、受光素子における暗電流が大きいことをあげることができる。従来技術では、光入力がない場合と光入力がある場合の差分を交互に測定し、測定値を保持することで、画像を得ている。ノイズの大きな一要因である暗電流が大きいと、光入力がないとき光入力レベルはほとんど暗電流で占められ、また光入力があっても、その入力レベルが小さい場合には、画像を得るための各画素の出力(電流または電圧)は、暗電流起因の出力中に埋もれてしまい、鮮明な画像を得ることはできない。
上記の暗電流を含むノイズの問題を克服するために、近赤外光等を用いて乳房炎の有無を診断するのに、光チョッパを用いる装置の開示がなされている(特許文献2)。また、暗信号を常に測定しながら信号のノイズを低減した医用光度計の提案がなされている(特許文献3)。また、リファレンス信号との差分をとり、SN比を向上させたセンサ信号処理方法の提案もなされている(特許文献4)。これら信号処理方法によって、それぞれの装置においてSN比の向上を得ることができる。
Group III-V compound semiconductors are attracting attention as compound semiconductors having a band gap energy corresponding to the near infrared wavelength range of about 1.7 μm or longer wavelengths of about 2 to 3 μm, and research and development are in progress. . For example, a light receiving element having a light receiving layer of a type II multiple quantum well structure in which (InGaAs / GaAsSb) is paired on InP has been proposed (Non-Patent Document 1). In addition, single-layer GaInNAs has been proposed as a compound semiconductor having light receiving sensitivity up to a wavelength of about 2.5 μm (Patent Document 1).
However, even if a near-infrared sensor is constituted by the light receiving element, a clear image cannot be obtained. One of the major reasons is that the dark current in the light receiving element is large. In the prior art, an image is obtained by alternately measuring a difference between when there is no light input and when there is a light input and holding the measurement value. If the dark current, which is one of the major causes of noise, is large, the light input level is almost occupied by the dark current when there is no light input. If there is light input but the input level is small, an image is obtained. The output (current or voltage) of each pixel is buried in the output caused by the dark current, and a clear image cannot be obtained.
In order to overcome the problem of noise including dark current, an apparatus using an optical chopper has been disclosed for diagnosing the presence or absence of mastitis using near infrared light or the like (Patent Document 2). In addition, a medical photometer has been proposed in which noise of a signal is reduced while always measuring a dark signal (Patent Document 3). In addition, a sensor signal processing method has been proposed in which a difference from the reference signal is taken to improve the SN ratio (Patent Document 4). By these signal processing methods, the SN ratio can be improved in each device.

特開平9−219563号公報JP-A-9-219563 WO01/075420号WO01 / 075414 特開2002−318190号公報JP 2002-318190 A 特開2006−234693号公報JP 2006-234893 A

R.Sidhu,N.Duan, J.C.Campbell, A.L.Holmes, "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717R. Sidhu, N. Duan, JCCampbell, ALHolmes, "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 12 (2005 ), pp.2715-2717

しかしながら、上記の受光素子では暗電流をゼロにすることはできない。このため、光チョッパを用いても光量が少ない場合、SN比が低下して鮮明な画像を得ることができない。さらに、暗信号を常に測定して差分をとる方法、およびリファレンス信号との差分をとる方法においては、変調機能を付加すると、別体の専用部品が必要になり、装置の小型化に反し、かつ部品点数増大により経済性を劣化させる。さらに、光学系の最適化も必要となる。   However, the dark current cannot be made zero with the above light receiving element. For this reason, even if an optical chopper is used, when the amount of light is small, the SN ratio is lowered and a clear image cannot be obtained. Furthermore, in the method of always measuring the dark signal and obtaining the difference, and the method of obtaining the difference from the reference signal, if a modulation function is added, a separate dedicated component is required, contrary to downsizing of the device, and Deteriorating economy by increasing the number of parts. Furthermore, it is necessary to optimize the optical system.

本発明は、暗電流があっても高いSN比の信号もしくは鮮明な画像を得ることができる、小型化された近赤外イメージセンサを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a miniaturized near-infrared image sensor capable of obtaining a signal with a high S / N ratio or a clear image even in the presence of a dark current.

本発明の近赤外イメージセンサは、波長1.2μm以上の近赤外光のイメージセンサである。InP基板上に形成され、近赤外光を受光する受光層を有する、1つまたは複数の受光素子と、受光素子よりも近赤外光の入射側に位置する変調部と、受光素子の電気信号を処理する信号処理部とを備える。その受光層のバンドギャップ波長が、1.2μm以上3μm以下であり、変調部は、シリコンを主成分とする微小電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical System)で形成されて、1つまたは複数の受光素子をカバーして、該受光素子と一体化しており、そして信号処理部は、受光素子の信号を読み出す信号読み出し回路、および当該受光素子からの信号を検出する信号検出部を有することを特徴とする。   The near-infrared image sensor of the present invention is a near-infrared light image sensor having a wavelength of 1.2 μm or more. One or a plurality of light receiving elements formed on the InP substrate and having a light receiving layer for receiving near infrared light, a modulation unit positioned closer to the near infrared light incident side than the light receiving elements, and the electric power of the light receiving elements A signal processing unit for processing the signal. The band gap wavelength of the light receiving layer is 1.2 μm or more and 3 μm or less, and the modulation unit is formed of a micro electro mechanical system (MEMS) mainly composed of silicon, and includes one or more The light receiving element is covered and integrated with the light receiving element, and the signal processing unit includes a signal reading circuit that reads a signal of the light receiving element and a signal detection unit that detects a signal from the light receiving element. And

上記の構成により、入力光に対して変調をかけるので、暗電流が大きくても変調がかからない暗電流の成分を除去してSN比を向上させることができる。また、変調部は、シリコンのMEMSで形成されるので、波長1.2μm以上で透明であり、かつ受光素子をカバーするように積層構造で一体化されるので、小型化され、かつ光学系のメンテナンスコストを削減することができる。変調部の積層構造による一体化には、フリップチップボンドによって変調部の端子を、受光素子の端子、および/または、配置が前提とされる信号読み取り回路(マルチプレクサ)の端子に、接合することで実現することができる。複数の受光素子は、アレイ化されているのが普通であるが、1次元アレイの場合は、分光プリズムや回折格子と組み合わせて、同時に複数波長の検出ができる。また、対象物を動かせば、2次元的に検出することが可能である。2次元アレイの場合は、2次元的に一瞬で検出ができる。分光プリズムと組み合わせて、また対象物を動かせば、同時に複数波長の検出が2次元的にできる。ここで、シリコンが波長1.2μm以上の光に透明であるとは、波長1.2μm以上の光の透過率が50%以上あることをいう。   With the above configuration, since the input light is modulated, it is possible to improve the SN ratio by removing dark current components that are not modulated even when the dark current is large. In addition, since the modulation unit is formed of silicon MEMS, it is transparent at a wavelength of 1.2 μm or more, and is integrated in a laminated structure so as to cover the light receiving element. Maintenance costs can be reduced. For the integration by the laminated structure of the modulation unit, the terminal of the modulation unit is joined to the terminal of the light receiving element and / or the terminal of the signal reading circuit (multiplexer) that is assumed to be arranged by flip chip bonding. Can be realized. The plurality of light receiving elements are usually arranged in an array. However, in the case of a one-dimensional array, a plurality of wavelengths can be detected simultaneously in combination with a spectroscopic prism or a diffraction grating. Further, if the object is moved, it can be detected two-dimensionally. In the case of a two-dimensional array, detection can be performed in two dimensions in an instant. If the object is moved in combination with the spectroscopic prism, a plurality of wavelengths can be detected two-dimensionally at the same time. Here, the fact that silicon is transparent to light having a wavelength of 1.2 μm or more means that the transmittance of light having a wavelength of 1.2 μm or more is 50% or more.

変調部を、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けた、シリコン製MEMSとによって形成することができる。これによって、シリコン基板に駆動のための電極や回路を設けることができ、小型化しながらMEMSによって変調をかけることが容易になる。また、シリコンは波長1.2μm以上の近赤外光に透明であることは、上述のように、入射光を劣化させない上で有効である。   The modulation unit can be formed by a silicon substrate and a silicon MEMS provided on the silicon substrate. Accordingly, electrodes and circuits for driving can be provided on the silicon substrate, and it becomes easy to apply modulation by MEMS while reducing the size. Further, as described above, silicon is transparent to near-infrared light having a wavelength of 1.2 μm or more, which is effective for preventing deterioration of incident light.

信号処理部は、受光素子に生じる出力を、信号読み出し回路で読み出して、信号検出部でロックイン検出することができる。これによって、信号読み出し回路と信号検出部とを一体化して、近赤外イメージセンサを小型することができる。信号読み出し回路には、CMOSやCCDを用いることができる。なお、信号処理部は、シリコン基板上に1チップで形成することができるので、波長1.2μm以上の光を実質的に劣化させないので、この近赤外イメージセンサのどの位置に配置してもよい。通常は、画素電極と読み出し電極との導電接続とを簡単な構造で実現するために、InP基板裏面を入射面として、エピタキシャル層表面側を実装面として、受光素子の入射側と反対側に配置される。   The signal processing unit can read out an output generated in the light receiving element by a signal reading circuit and detect lock-in by the signal detection unit. Thus, the near-infrared image sensor can be reduced in size by integrating the signal readout circuit and the signal detection unit. A CMOS or CCD can be used for the signal readout circuit. Since the signal processing unit can be formed on a silicon substrate with one chip, it does not substantially deteriorate light having a wavelength of 1.2 μm or more, so it can be placed at any position of the near infrared image sensor. Good. Normally, in order to realize the conductive connection between the pixel electrode and the readout electrode with a simple structure, the back surface of the InP substrate is used as the incident surface, the surface side of the epitaxial layer is used as the mounting surface, and the light receiving element is disposed on the opposite side of the incident side. Is done.

1つまたは複数の受光素子は、不純物元素の選択拡散によって形成した、マスク被覆された非選択の周縁部を有する個別の不純物領域を有し、前記個別の不純物領域の先端がpn接合である構成をとることができる。これによって、隣接する受光素子間のクロストークを低減し、信号のSN比を高めることができる。また、暗電流を低くすることができ、暗電流の信号電流への交差的な影響を低くすることができる。本発明の近赤外イメージセンサは、暗電流があっても所定レベル以上のSN比を得ることができるが、暗電流を低くすることで、さらにノイズの低い良質の信号を得ることができる。また、表面側に受光素子電極(画素電極)を設けた場合、電極と不純物導入面との接触抵抗を小さくすることができる。   One or more light receiving elements have individual impurity regions formed by selective diffusion of impurity elements and having non-selected peripheral portions covered with a mask, and the tips of the individual impurity regions are pn junctions Can be taken. As a result, crosstalk between adjacent light receiving elements can be reduced, and the signal-to-noise ratio of the signal can be increased. In addition, the dark current can be reduced, and the cross effect of the dark current on the signal current can be reduced. The near-infrared image sensor of the present invention can obtain a signal-to-noise ratio that is equal to or higher than a predetermined level even when there is dark current. Further, when the light receiving element electrode (pixel electrode) is provided on the front side, the contact resistance between the electrode and the impurity introduction surface can be reduced.

上記の受光層が多重量子井戸構造により形成され、受光素子が、受光層に接して選択拡散の不純物導入面側に、不純物の濃度分布を調整するための拡散濃度分布調整層を有することができる。多重量子井戸構造と拡散濃度分布調整層との組み合わせにより、電極との界面抵抗を低減してオーミック接触を可能にするとともに、量子井戸構造の結晶性を損なわずに量子井戸構造の本来の作用を行わせることができるので、波長が長い範囲にまで安定した受光感度を拡大することができる。   The light receiving layer may be formed of a multiple quantum well structure, and the light receiving element may have a diffusion concentration distribution adjusting layer for adjusting the impurity concentration distribution on the impurity introduction surface side of selective diffusion in contact with the light receiving layer. . The combination of the multiple quantum well structure and the diffusion concentration distribution adjustment layer reduces the interfacial resistance with the electrode and enables ohmic contact, while maintaining the original function of the quantum well structure without impairing the crystallinity of the quantum well structure. Therefore, it is possible to expand the stable light receiving sensitivity up to a long wavelength range.

受光層における不純物濃度を5e16cm−3以下とすることができる。これによって、量子井戸構造の結晶性を損なわずに、受光のために必要なpn接合を確実に形成することができる。 The impurity concentration in the light receiving layer can be 5e16 cm −3 or less. This makes it possible to reliably form a pn junction necessary for light reception without impairing the crystallinity of the quantum well structure.

上記の拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをInPよりも小さくすることができる。これによって、拡散濃度分布調整層の電気抵抗を比較的小さくすることができる。   The band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer can be made smaller than that of InP. Thereby, the electrical resistance of the diffusion concentration distribution adjusting layer can be made relatively small.

多重量子井戸構造が、(InGaAs/GaAsSb)をペアとするタイプIIの多重量子井戸構造であり、不純物元素が亜鉛(Zn)であり、拡散濃度分布調整層がInGaAsで形成されることができる。これによって、長波長側の上限3μmまで確実に受光できる受光層を、既存のMBE法等によって得ることができる。また、取り扱いが容易な、p型不純物のZnを用いて、p型領域を形成して先端にpn接合を形成することができる。またZnの選択拡散の導入面に接触抵抗の小さい画素電極を設けることができる。さらに、InGaAsで拡散濃度分布調整層を形成することで、受光層の多重量子井戸に格子整合しながら電気抵抗の低いものを形成することができる。   The multiple quantum well structure is a type II multiple quantum well structure in which (InGaAs / GaAsSb) is paired, the impurity element is zinc (Zn), and the diffusion concentration distribution adjusting layer can be formed of InGaAs. As a result, a light receiving layer that can reliably receive light up to the upper limit of 3 μm on the long wavelength side can be obtained by the existing MBE method or the like. Further, a p-type region can be formed using a p-type impurity Zn which is easy to handle and a pn junction can be formed at the tip. Further, a pixel electrode having a small contact resistance can be provided on the introduction surface of the selective diffusion of Zn. Furthermore, by forming the diffusion concentration distribution adjusting layer of InGaAs, it is possible to form a layer having a low electric resistance while lattice matching with the multiple quantum well of the light receiving layer.

InP基板、受光層、および拡散濃度分布調整層、の格子定数をaとして、接する層との格子定数との差をΔaijとして、前記InP基板、受光層および拡散濃度分布調整層の格子整合度である(Δaij/a)が0.002以下であるようにできる。ここで、InP基板、受光層、拡散濃度分布調整層に対して、iまたはj=1〜3を割り当てる。受光層が多重量子井戸構造の場合は、ペアのそれぞれについて、上記の格子整合度を満たすこととする。上記の格子整合度の条件を満たすことで、格子欠陥密度を減らし、かつ各層の界面における平坦性を良好なものにすることができる。この優れた結晶性を得ることで、暗電流を低減することがでる。 Lattice matching of the InP substrate, the light receiving layer, and the diffusion concentration distribution adjusting layer is defined as a i and the difference between the lattice constant of the InP substrate, the light receiving layer, and the diffusion concentration distribution adjusting layer is Δa ij. The degree (Δa ij / a i ) can be 0.002 or less. Here, i or j = 1 to 3 is assigned to the InP substrate, the light receiving layer, and the diffusion concentration distribution adjusting layer. When the light receiving layer has a multiple quantum well structure, the lattice matching degree is satisfied for each of the pairs. By satisfying the above condition of lattice matching, the lattice defect density can be reduced and the flatness at the interface of each layer can be improved. By obtaining this excellent crystallinity, dark current can be reduced.

上記の近赤外イメージセンサは、食品検査装置、医用カメラ、または監視装置として用いられることができる。これによって、波長1μm〜3μmに吸収スペクトルのピークを持つ、生体形成物質について、有益で、かつ高感度の情報を得ることができる。この情報は、食品について鮮度、品質等、医用について病変箇所の有無、構成成分の異常等を感知させてくれる。また、監視装置については、夜間に光源なしで、宇宙光により、ヒトの侵入を検知することができる。   The near-infrared image sensor described above can be used as a food inspection device, a medical camera, or a monitoring device. Thereby, useful and highly sensitive information can be obtained about the biogenic substance having an absorption spectrum peak at a wavelength of 1 μm to 3 μm. This information makes it possible to detect the freshness and quality of food, the presence or absence of lesions for medical use, and abnormalities in components. In addition, with regard to the monitoring device, it is possible to detect a human intrusion with space light without a light source at night.

本発明の近赤外イメージセンサによれば、暗電流があっても高いSN比の信号もしくは鮮明な画像を得ることができ、しかも小型化することができる。   According to the near-infrared image sensor of the present invention, a signal with a high S / N ratio or a clear image can be obtained even in the presence of a dark current, and the size can be reduced.

本発明の実施の形態1における近赤外イメージセンサを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the near-infrared image sensor in Embodiment 1 of this invention. 図1の近赤外イメージセンサにおける変調部を示す図である。It is a figure which shows the modulation part in the near-infrared image sensor of FIG. 図1の近赤外イメージセンサにおけるロックイン検出を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the lock-in detection in the near-infrared image sensor of FIG. 本発明の実施の形態1の近赤外イメージセンサの変形例を示し、(a)は図2と異なる変調部の斜視図、(b)は(a)のIVB−IVB線に沿う断面図である。The modification of the near-infrared image sensor of Embodiment 1 of this invention is shown, (a) is a perspective view of the modulation | alteration part different from FIG. 2, (b) is sectional drawing which follows the IVB-IVB line | wire of (a). is there. 本発明の実施の形態2における近赤外イメージセンサを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the near-infrared image sensor in Embodiment 2 of this invention. 図5の受光素子におけるp型不純物の濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the density distribution of the p-type impurity in the light receiving element of FIG. 図5の近赤外イメージセンサ(撮像装置)の平面図である。It is a top view of the near-infrared image sensor (imaging device) of FIG. CMOSの信号処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the signal processing of CMOS. フォトダイオードからの蓄積電荷量を電圧変換し、増幅する回路を説明する図である。It is a figure explaining the circuit which carries out voltage conversion and amplifies the electric charge stored from the photodiode. 図5の近赤外イメージセンサを組み込んだデジタルカメラの信号処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the signal processing of the digital camera incorporating the near-infrared image sensor of FIG. 本発明の実施の形態3における近赤外イメージセンサを用いた生体成分検出装置を示す図である。It is a figure which shows the biological component detection apparatus using the near-infrared image sensor in Embodiment 3 of this invention.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における近赤外イメージセンサ100を示す図である。近赤外イメージセンサ100は、受光素子10と、それよりも入射側に位置する変調部50と、受光素子10の入射側と反対側に位置する信号読み出し回路を含む信号処理部70とによって構成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a near-infrared image sensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention. The near-infrared image sensor 100 includes a light receiving element 10, a modulation unit 50 positioned on the incident side of the light receiving element 10, and a signal processing unit 70 including a signal readout circuit positioned on the opposite side to the incident side of the light receiving element 10. Is done.

(受光素子)
InP基板1上にバンドギャップ波長1.8μm〜3μmの受光層3が形成され、画素Pごとに第1導電型不純物の選択拡散による第1導電型領域6が形成されている。画素Pに含まれる第1導電型領域6の受光層3側の先端界面15には、pn接合、pi接合もしくはni接合が形成される。その接合に逆バイアス電圧が印加され、受光層3側に空乏層を形成し、その空乏層において、入射光(信号光)を光電変換する。第1導電型領域6は、第1導電型不純物を窓層5の表面から選択拡散することで形成される。画素電極を構成する第1導電型電極11は、第1導電型領域6の窓層側の表面にオーミック接触するように形成される。また、InP基板1もしくは受光層3またはバッファ層2のいずれかの部分は第2導電型とされており、その第2導電型領域は接地電位とされ、図示しない第2導電側電極とオーミック接触される。InP基板1は、受光対象の波長域の光を実質的に透過するので、エピタキシャル表面側実装して、InP基板1の裏面を入射面とすることができる。
(Light receiving element)
A light receiving layer 3 having a band gap wavelength of 1.8 μm to 3 μm is formed on the InP substrate 1, and a first conductivity type region 6 is formed for each pixel P by selective diffusion of the first conductivity type impurities. A pn junction, pi junction, or ni junction is formed at the tip interface 15 on the light receiving layer 3 side of the first conductivity type region 6 included in the pixel P. A reverse bias voltage is applied to the junction, a depletion layer is formed on the light receiving layer 3 side, and incident light (signal light) is photoelectrically converted in the depletion layer. The first conductivity type region 6 is formed by selectively diffusing a first conductivity type impurity from the surface of the window layer 5. The first conductivity type electrode 11 constituting the pixel electrode is formed so as to be in ohmic contact with the window layer side surface of the first conductivity type region 6. Further, any part of the InP substrate 1 or the light receiving layer 3 or the buffer layer 2 is of the second conductivity type, and the second conductivity type region is set to the ground potential, and is in ohmic contact with a second conductivity side electrode (not shown). Is done. Since the InP substrate 1 substantially transmits light in the wavelength range to be received, it can be mounted on the epitaxial surface side and the back surface of the InP substrate 1 can be used as the incident surface.

(信号処理部)
InP基板1上に形成された受光素子10の下方(入力光入射面と反対側)には、信号読み出し回路を含む信号処理部70が配置される。信号読み出し回路の読み出し電極71には、第1導電側電極11が、画素ごとに導電接続され、また図示しない接地電極には、受光素子10の共通の接地電極または第2導電側電極が導電接続される。信号読み出し回路には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、CCD(Charge Coupled Device)などを用いるのがよい。画素Pでは、所定時間、受光されて光電荷が生じ、この光電荷は各画素に蓄積される。蓄積された光電荷は、信号読み出し回路によって電流として読み取られるが、信号読み出し回路の種類に応じて、電流のまま処理する(CCD)か、または各画素で電圧に変換・増幅する(CMOS)か、所定段階までは電気信号の種類を異にする。いずれの場合も信号読み出し回路からは電圧で出力される。CMOSにおける画素からの出力の処理方法については、実施の形態2において詳しく説明する。受光素子10と信号読み出し回路の電極同士の導電接続は、図1では明示していないが、Inバンプ、異方性導電フィルムなどにより行うのがよい。
(Signal processing part)
A signal processing unit 70 including a signal readout circuit is arranged below the light receiving element 10 formed on the InP substrate 1 (on the side opposite to the input light incident surface). The first conductive side electrode 11 is conductively connected for each pixel to the readout electrode 71 of the signal readout circuit, and the common ground electrode or the second conductive side electrode of the light receiving element 10 is conductively connected to the ground electrode (not shown). Is done. For the signal readout circuit, it is preferable to use a complementary metal oxide semiconductor (CMOS), a charge coupled device (CCD), or the like. In the pixel P, light is received for a predetermined time to generate photoelectric charge, and this photoelectric charge is accumulated in each pixel. The accumulated photoelectric charge is read as a current by the signal readout circuit. Depending on the type of the signal readout circuit, it can be processed as it is (CCD), or converted into a voltage and amplified at each pixel (CMOS). Until the predetermined stage, the type of electric signal is made different. In either case, a voltage is output from the signal readout circuit. A processing method of output from the pixel in the CMOS will be described in detail in Embodiment 2. The conductive connection between the light receiving element 10 and the electrodes of the signal readout circuit is not shown in FIG. 1, but it is preferable to use In bumps, an anisotropic conductive film, or the like.

(変調部)
変調部50は、シリコンを主成分とするMEMSで構成されて、入射光を制御された一定の振動数で変調できるものであれば何でもよい。図2は、MEMSによって形成したカンチレバー型の変調装置である。この変調装置50は、シリコン基板51上に形成されており、シリコン製の可動部55または梁が、支持部52に片側端を固定支持されている。梁55は下部電極53からの振動電圧または振動電場によって周期的に力を受けて振動する。シリコン基板51と梁55との隙間dは、たとえば1/2波長または1波長とする。梁が振動しない場合には、入射光は、シリコン基板表面で部分的に反射して、共鳴が生じて隙間dに定在波を形成するので、透過光または受光素子10に到達する入射光は少なくなる。下部電極53に振動電圧を印可して梁55を振動させると、隙間dでの共鳴条件が破れて透過光が多くなる。
変調部50は、図1に示すように、はんだバンプまたはエポキシ系接着剤などの固定部19により受光素子に固定する。図示はしないが、下部電極53に印可する振動電圧などの制御は、シリコン基板51に形成された駆動回路により行われ、信号処理部70のロックイン検出部に変調駆動に関する情報は送信される。
(Modulation section)
The modulation unit 50 may be anything as long as it is composed of MEMS mainly composed of silicon and can modulate incident light at a controlled constant frequency. FIG. 2 shows a cantilever type modulation device formed by MEMS. The modulation device 50 is formed on a silicon substrate 51, and a movable portion 55 or a beam made of silicon is fixedly supported at one end by a support portion 52. The beam 55 vibrates by receiving a force periodically by an oscillating voltage or an oscillating electric field from the lower electrode 53. The gap d between the silicon substrate 51 and the beam 55 is, for example, ½ wavelength or one wavelength. When the beam does not vibrate, the incident light is partially reflected on the surface of the silicon substrate, and resonance occurs to form a standing wave in the gap d. Therefore, the incident light reaching the transmitted light or the light receiving element 10 is Less. When a vibration voltage is applied to the lower electrode 53 to vibrate the beam 55, the resonance condition in the gap d is broken and the amount of transmitted light increases.
As shown in FIG. 1, the modulation unit 50 is fixed to the light receiving element by a fixing unit 19 such as a solder bump or an epoxy adhesive. Although not shown, control of the oscillating voltage applied to the lower electrode 53 is performed by a drive circuit formed on the silicon substrate 51, and information on modulation drive is transmitted to the lock-in detection unit of the signal processing unit 70.

図3は、入射光に対して変調部50で変調をかけた段階の、入射光による照度、暗電流起因の電流(電荷)、ならびに、変調光および暗電流による光電荷の蓄積、電圧変換、そして増幅した後の合成電圧信号を示す模式図である。図1を参照して、合成電圧信号は、信号処理部70のロックイン検出部に送られてロックイン検出される。暗電流は、InP基板1、受光層3および画素Pのエピタキシャル積層体の光電変換部に起因するので、変調部50によって変調を受けず、リップル(脈動)はあるが、ほぼ一定の電流(電荷)すなわち電圧を生じる。暗電流に限定されず、変調を受けない雑音は、ロックイン検出により、直流成分として除かれる。このため、入射光に起因する信号を精度よく選択してS/N比の高い信号を得ることができる。   FIG. 3 shows the illuminance due to the incident light, the current (charge) caused by the dark current, and the accumulation of the photo charge due to the modulated light and the dark current, the voltage conversion, And it is a schematic diagram which shows the synthesized voltage signal after amplification. Referring to FIG. 1, the combined voltage signal is sent to the lock-in detection unit of signal processing unit 70 to detect lock-in. The dark current is caused by the photoelectric conversion portion of the epitaxial layered body of the InP substrate 1, the light receiving layer 3, and the pixel P. Therefore, the dark current is not modulated by the modulation portion 50, and there is a ripple (pulsation), but a substantially constant current (charge) ) That is, a voltage is generated. Noise that is not limited to dark current and is not modulated is removed as a DC component by lock-in detection. For this reason, it is possible to select a signal caused by incident light with high accuracy and obtain a signal having a high S / N ratio.

ロックイン検出部においては、周波数解析により合成信号から直流成分を除去することは容易に行うことができるので、入力光信号と、暗電流または雑音とが相互作用して同じ周波数に含まれる場合は小さいとして、周波数解析をすることにより、雑音起因の周波数成分を除去することができる。たとえば1つの受光素子の近赤外イメージセンサの場合、読み出し周期の周波数は200kHz程度とすることができる。ロックイン検出のための変調光の変調周波数を同じ周波数とすることで、合成信号の直流成分を読むことで、ノイズ成分を除いて、信号のみを読むことができる。また、投入する光の強度に応じて暗電流(雑音)が比例的増大する場合にも、変調信号は任意の波形とすることができ、そのパターンは既知なので、合成信号から多くの雑音成分を除去することができる。この結果、ロックイン検出において合成信号を周波数解析することにより、入射光に起因するS/N比の高い信号を得ることができる。   In the lock-in detection unit, it is easy to remove the DC component from the synthesized signal by frequency analysis, so if the input optical signal and dark current or noise interact and are included in the same frequency The frequency component caused by noise can be removed by analyzing the frequency as small. For example, in the case of a near-infrared image sensor with one light receiving element, the frequency of the readout cycle can be about 200 kHz. By setting the modulation frequency of the modulated light for lock-in detection to the same frequency, it is possible to read only the signal, excluding the noise component, by reading the DC component of the synthesized signal. Also, when the dark current (noise) increases proportionally according to the intensity of the input light, the modulation signal can have an arbitrary waveform, and the pattern is known, so that many noise components are generated from the synthesized signal. Can be removed. As a result, by analyzing the frequency of the synthesized signal in lock-in detection, a signal with a high S / N ratio due to incident light can be obtained.

図1に示す、信号読み出し回路を含む信号処理部70に、ロックイン検出部が含まれるように回路構成することができる。信号読み出し回路は、通常、シリコン基板上に形成されており、ここにロックイン検出部を作り込むことは容易である。この結果、近赤外イメージセンサ100を小型化することが容易となる。
また、上述したように、シリコン基板51およびシリコン製の梁55は、ともに波長1.2μm以上の光の透過率が50%以上なので、信号の強度レベルを大幅に低下させることなく変調をかけることができる。近赤外光は、シリコンは透過しても、金属でできている、配線、下部電極、はんだバンプなどを透過しない。しかし、変調部50は、金属部分ですべて覆われているわけでなく、変調部50の一部の領域にのみ影響が及ぶだけなので、上述の、「変調した入射光→暗電流を含む合成電圧信号の形成→ロックイン検出」のスキームに変更は生じない。
The circuit configuration may be such that the signal processing unit 70 including the signal readout circuit shown in FIG. 1 includes a lock-in detection unit. The signal readout circuit is usually formed on a silicon substrate, and it is easy to build a lock-in detection unit therein. As a result, it becomes easy to reduce the size of the near-infrared image sensor 100.
Further, as described above, both the silicon substrate 51 and the silicon beam 55 have a transmittance of 50% or more for light having a wavelength of 1.2 μm or more, so that the modulation is performed without significantly reducing the signal intensity level. Can do. Near-infrared light does not pass through wiring, lower electrodes, solder bumps, etc. made of metal even though silicon is transmitted. However, the modulation unit 50 is not entirely covered with the metal portion, and only affects a part of the modulation unit 50. Therefore, the above-described “modulated incident light → synthetic voltage including dark current”. There is no change in the scheme of “signal formation → lock-in detection”.

(実施の形態1の変形例)
図4は、実施の形態1において変調部50のMEMS片持ち梁55による変調装置の代わりに、MEMS櫛形シャッタを用いた変形例を示す図である。(a)は斜視図であり、(b)はIVB−IVB線に沿う断面図である。この変調部50では、櫛の歯の一方の下部電極53はシリコン基板51上に設けられ、上側の可動部55または他方の櫛の歯55は、ポリシリコンで形成され、アルミニウムの電極が蒸着されて、支持柱57に支持されて浮いている。下部電極53に振動電圧を印可すると、上側の櫛の歯55は水平方向に力を受けて、水平に振動する。これによって、振動的に開閉するシャッタを構成することができ、入射光に対してオンオフの変調をかけることができる。
(Modification of Embodiment 1)
FIG. 4 is a diagram illustrating a modification example in which a MEMS comb shutter is used instead of the modulation device using the MEMS cantilever 55 of the modulation unit 50 in the first embodiment. (A) is a perspective view, (b) is sectional drawing which follows the IVB-IVB line. In this modulation section 50, one lower electrode 53 of the comb teeth is provided on the silicon substrate 51, and the upper movable section 55 or the other comb teeth 55 is formed of polysilicon, and an aluminum electrode is deposited thereon. Then, it is supported by the support column 57 and floats. When an oscillating voltage is applied to the lower electrode 53, the upper comb teeth 55 receive a force in the horizontal direction and vibrate horizontally. Thus, a shutter that opens and closes in a vibrating manner can be formed, and on-off modulation can be applied to incident light.

(実施の形態2)
図5は本発明の実施の形態2における近赤外イメージセンサ100の一部を示す図である。対象波長域は近赤外域であり、InP基板1を用い、受光層3には、サブバンドを含めたバンドギャップ波長が1.8μm以上3μm以下に適合する、InGaAsとGaAsSbとの多重量子井戸構造を用いている。InP基板1の上に次の構成のIII−V族半導体積層構造(エピタキシャルウエハ)を有する。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsとGaAsSbとの多重量子井戸構造の受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/InP窓層5)
InP窓層5から多重量子井戸構造の受光層3にまで届くように位置するp型領域6は、SiN膜の選択拡散マスクパターン36の開口部から、p型不純物のZnが選択拡散されることで形成される。上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いてp型不純物を拡散することによって、画素Pごとに周縁部の内側に、p型領域6を、そしてその結果pn接合を形成することができる。選択拡散においてマスク被覆された非選択の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してp型不純物を拡散導入するので、上記のpn接合は1つの受光素子の場合は受光素子の端面に露出せず、複数の受光素子の場合は隣接する受光素子と隔絶される。この結果、光電流のリークやクロストークは抑制される。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a diagram showing a part of the near-infrared image sensor 100 according to Embodiment 2 of the present invention. The target wavelength range is the near-infrared range, the InP substrate 1 is used, and the light receiving layer 3 has a multiple quantum well structure of InGaAs and GaAsSb that has a band gap wavelength including subbands of 1.8 μm to 3 μm. Is used. A group III-V semiconductor laminated structure (epitaxial wafer) having the following configuration is provided on the InP substrate 1.
(InP substrate 1 / InP buffer layer 2 / light-receiving layer 3 having a multiple quantum well structure of InGaAs and GaAsSb / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 / InP window layer 5)
In the p-type region 6 located so as to reach the light-receiving layer 3 having the multiple quantum well structure from the InP window layer 5, the p-type impurity Zn is selectively diffused from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. Formed with. By diffusing p-type impurities using the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film, the p-type region 6 and, as a result, a pn junction can be formed inside the peripheral edge for each pixel P. In the selective diffusion, the p-type impurity is diffused and introduced into the periphery of the non-selected peripheral portion covered with the mask in a planar manner so that the pn junction is exposed at the end face of the light receiving element in the case of one light receiving element. In the case of a plurality of light receiving elements, they are isolated from adjacent light receiving elements. As a result, leakage of photocurrent and crosstalk are suppressed.

p型領域6にはAuZnによるp側電極11が、またInPバッファ層2にはAuGeNiのn側電極12が、それぞれオーミック接触するように設けられている。n側電極12は、すべての画素に共通しており、接地電極であり、CMOS70aの接地電極72とInバンプ(図示せず)により導電接続されている。また画素電極を構成するp側電極11は、CMOS70aの読み出し電極71と導電接続されている。InP基板1の裏面(入射面)には、またSiONの反射防止膜35を設けている。反射防止膜35は省略してもよい。   A p-side electrode 11 made of AuZn is provided in the p-type region 6, and an n-side electrode 12 made of AuGeNi is provided in ohmic contact with the InP buffer layer 2. The n-side electrode 12 is common to all the pixels, is a ground electrode, and is conductively connected to the ground electrode 72 of the CMOS 70a by an In bump (not shown). The p-side electrode 11 constituting the pixel electrode is conductively connected to the readout electrode 71 of the CMOS 70a. On the back surface (incident surface) of the InP substrate 1, an antireflection film 35 of SiON is also provided. The antireflection film 35 may be omitted.

多重量子井戸構造の受光層3には、上記のp型領域6の境界フロントに対応する位置にpn接合(またはpi接合)15が形成され、上記のp側電極11およびn側電極12間に逆バイアス電圧を印加することにより、n型不純物濃度が低い側(n型不純物バックグラウンド)により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層3におけるバックグラウンドは、n型不純物濃度(キャリア濃度)で5×1015/cm程度またはそれ以下である。そして、pn接合の位置15は、多重量子井戸の受光層3のバックグラウンド(n型キャリア濃度)と、p型不純物のZnの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図6に示す位置となる。拡散濃度分布調整層4内では、InP窓層5の表面5aから選択拡散されたp型不純物の濃度が、InP窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層3内では、Zn濃度は5×1016/cm以下の不純物濃度を容易に実現することができる。 In the light-receiving layer 3 having the multiple quantum well structure, a pn junction (or pi junction) 15 is formed at a position corresponding to the boundary front of the p-type region 6, and between the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12. By applying a reverse bias voltage, a depletion layer is generated more widely on the side where the n-type impurity concentration is low (n-type impurity background). The background in the light-receiving layer 3 having the multiple quantum well structure is about 5 × 10 15 / cm 3 or less in terms of n-type impurity concentration (carrier concentration). The position 15 of the pn junction is determined by the intersection of the background (n-type carrier concentration) of the light-receiving layer 3 of the multiple quantum well and the concentration profile of the p-type impurity Zn. That is, the position shown in FIG. In the diffusion concentration distribution adjusting layer 4, the concentration of the p-type impurity selectively diffused from the surface 5 a of the InP window layer 5 sharply decreases from the high concentration region on the InP window layer side to the light receiving layer side. Therefore, in the light receiving layer 3, an impurity concentration of 5 × 10 16 / cm 3 or less can be easily realized.

本発明が対象とする受光素子10は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層3のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるInPが用いられる。InPとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するInAlAsを用いてもよい。   Since the light receiving element 10 targeted by the present invention seeks to have light receiving sensitivity from the near infrared region to the long wavelength side, a material having a band gap energy larger than the band gap energy of the light receiving layer 3 is used for the window layer. It is preferable to use it. For this reason, InP, which is a material having a band gap energy larger than that of the light receiving layer and having a good lattice matching, is usually used for the window layer. InAlAs having substantially the same band gap energy as InP may be used.

多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その結晶構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するp型不純物の濃度を5×1016/cm以下とする必要がある。受光層の不純物濃度を5×1016/cm以下とする理由を以下に詳しく説明する。p型不純物(Zn)の選択拡散の深さが深くなるなどして受光層3内におけるZn濃度が1×1017cm−3を超えると、超えた高濃度部分では量子井戸層を構成するInGaAsとGaAsSbの原子が相互に入り乱れ超格子構造が破壊される。破壊された部分の結晶品質は低下し、暗電流が増加するなど素子特性を劣化させる。ここで、Zn濃度は通常はSIMS分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析法)で測定するが、1017cm−3台あるいは1016cm−3台の濃度の分析は難しく、比較的大きな測定誤差が発生する。上記の詳細説明は、Zn濃度について倍または半分の精度での議論であるが、それはこの測定精度のあらさからきている。したがって、たとえば5×1016/cmと、6×1016/cmとの相違を議論するのは、測定精度上、難しく、またそれほど大きな意味がない。上記の低いp型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、InGaAsによる拡散濃度分布調整層4を、受光層3の上に設ける。この拡散濃度分布調整層4において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層4における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、InP相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には1.34eV未満のバンドギャップエネルギを持つIII−V族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすIII−V族半導体材料として、たとえばInGaAsを挙げることができる。
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるCR時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Rの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
In the multi-quantum well structure, when impurities are introduced at a high concentration by selective diffusion, the crystal structure is destroyed. Therefore, it is necessary to suppress the introduction of impurities by selective diffusion. Usually, the concentration of the p-type impurity to be diffused and introduced is required to be 5 × 10 16 / cm 3 or less. The reason why the impurity concentration of the light receiving layer is 5 × 10 16 / cm 3 or less will be described in detail below. When the Zn concentration in the light receiving layer 3 exceeds 1 × 10 17 cm −3 because the depth of selective diffusion of the p-type impurity (Zn) is increased, the InGaAs that constitutes the quantum well layer in the higher concentration portion. And GaAsSb atoms enter each other and are disturbed, destroying the superlattice structure. The crystal quality of the destroyed portion is lowered, and the device characteristics are deteriorated, such as an increase in dark current. Here, the Zn concentration is usually measured by SIMS analysis (Secondary Ion Mass Spectroscopy), but it is difficult to analyze the concentration of 10 17 cm −3 or 10 16 cm −3. Large measurement error occurs. The detailed description above is a discussion of the Zn concentration with double or half accuracy, but it comes from this measurement accuracy. Therefore, for example, it is difficult to discuss the difference between 5 × 10 16 / cm 3 and 6 × 10 16 / cm 3 in terms of measurement accuracy, and there is no great meaning. In order to stably obtain the low p-type impurity concentration with good reproducibility in actual production, a diffusion concentration distribution adjusting layer 4 made of InGaAs is provided on the light receiving layer 3. In the diffusion concentration distribution adjusting layer 4, when the thickness range on the light receiving layer side becomes a low impurity concentration as described above, the electrical conductivity in the low impurity concentration range decreases or the electrical resistance increases. When the electrical conductivity in the low impurity concentration range in the diffusion concentration distribution adjusting layer 4 is lowered, the responsiveness is lowered and, for example, a good moving image cannot be obtained. However, when the diffusion concentration distribution adjusting layer is formed of a material having a band gap energy smaller than the band gap energy equivalent to InP, specifically, a group III-V semiconductor material having a band gap energy of less than 1.34 eV, Even at low concentrations, the electrical conductivity is not significantly reduced. As a group III-V semiconductor material satisfying the requirements of the diffusion concentration distribution adjusting layer, for example, InGaAs can be cited.
When a material having a narrow band gap energy is used for the diffusion concentration distribution adjusting layer, an increase in electrical resistance can be suppressed even if the impurity concentration is low. Since the response speed to reverse bias voltage application or the like is considered to be determined by the CR time constant due to the capacitance and electric resistance, the response speed can be shortened by suppressing the increase in electric resistance R as described above.

本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプIIとする。タイプIの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限(カットオフ波長)が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる(直接遷移)。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、III−V族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプIIの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる2種の半導体層が交互に積層されたとき、第1の半導体の伝導帯と、第2の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限(カットオフ波長)を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第2の半導体の価電子帯と、第1の半導体の伝導帯との間で行われる(間接遷移)。このため、第2の半導体の価電子帯のエネルギを、第1の半導体の価電子帯より高くし、かつ第1の半導体の伝導帯のエネルギを、第2の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、1つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。   In the present embodiment, the multiple quantum well structure is type II. In the type I quantum well structure, in the case of a light receiving element that has a light receiving sensitivity in the near infrared region while sandwiching a semiconductor layer having a small band gap energy between semiconductor layers having a large band gap energy, a semiconductor layer having a small band gap energy is used. The upper limit wavelength (cutoff wavelength) of the light receiving sensitivity is determined by the band gap. That is, transition of electrons or holes due to light is performed in a semiconductor layer having a small band gap energy (direct transition). In this case, the material for extending the cutoff wavelength to a longer wavelength region is very limited in the III-V compound semiconductor. On the other hand, in the type II quantum well structure, when two different semiconductor layers having the same Fermi energy are alternately stacked, the conduction band of the first semiconductor and the valence band of the second semiconductor are obtained. The upper limit of the wavelength (cutoff wavelength) of the light receiving sensitivity is determined. That is, transition of electrons or holes by light is performed between the valence band of the second semiconductor and the conduction band of the first semiconductor (indirect transition). For this reason, the energy of the valence band of the second semiconductor is made higher than that of the first semiconductor, and the energy of the conduction band of the first semiconductor is made lower than the energy of the conduction band of the second semiconductor. By doing so, it is easier to realize a longer wavelength of light receiving sensitivity than in the case of direct transition in one semiconductor.

次に、図5に示す受光素子10の製造方法について説明する。n型InP基板1上に、2μm厚みのInPバッファ層2またはInGaAsバッファ層2を成膜する。次いで、(InGaAs/GaAsSb)の多重量子井戸構造の受光層3を形成する。単位量子井戸構造を形成するInGaAs層、GaAsSb層の厚みはそれぞれ5nmであり、ペア数(単位量子井戸の繰り返し数)は300である。次いで、受光層3の上に、Zn拡散導入の際の拡散濃度分布調整層4として、厚み1μmのInGaAs層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み1μmのInP窓層5をエピタキシャル成長する。上記の受光層3および拡散濃度分布調整層4は、ともにMBE(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、InP窓層5は、MBE法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層4を成長させた後、MBE装置から取り出して、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。さらに全てのエピタキシャル成長をMOVPE法で行ってもよい。   Next, a method for manufacturing the light receiving element 10 shown in FIG. 5 will be described. An InP buffer layer 2 or InGaAs buffer layer 2 having a thickness of 2 μm is formed on the n-type InP substrate 1. Next, a light-receiving layer 3 having an (InGaAs / GaAsSb) multiple quantum well structure is formed. The thickness of the InGaAs layer and the GaAsSb layer forming the unit quantum well structure is 5 nm, respectively, and the number of pairs (the number of repetitions of the unit quantum well) is 300. Next, an InGaAs layer having a thickness of 1 μm is epitaxially grown on the light receiving layer 3 as a diffusion concentration distribution adjusting layer 4 at the time of introducing Zn diffusion, and finally, an InP window layer 5 having a thickness of 1 μm is epitaxially grown. Both the light receiving layer 3 and the diffusion concentration distribution adjusting layer 4 are preferably epitaxially grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. The InP window layer 5 may be epitaxially grown by the MBE method, or after the diffusion concentration adjusting layer 4 is grown, the InP window layer 5 may be taken out from the MBE apparatus and epitaxially grown by the MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method. . Further, all epitaxial growth may be performed by the MOVPE method.

InPバッファ層2またはInGaAsバッファ層2は、ノンドープでもよいし、Siなどn型ドーパントを1×1017/cm程度ドーピングしてもよい。InGaAs/GaAsSbの多重量子井戸構造の受光層3、InGaAsの拡散濃度分布調整層4、およびInP窓層5は、ノンドープが望ましいが、Siなどn型ドーパントを極微量(たとえば2×1015/cm程度)ドーピングしてもよい。また、InP基板1とバッファ層2との間に、n型ドーパントを1×1018/cm程度ドープしたn側電極を形成するための高濃度のn側電極形成層を挿入してもよい。また、InP基板1は、Feドープの半絶縁性InP基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性InP基板1とバッファ層2との間に、n型ドーパントを1×1018/cm程度ドープしたn側電極形成層を挿入する。バッファ層2をn側電極形成層としてもよい。 The InP buffer layer 2 or the InGaAs buffer layer 2 may be non-doped, or may be doped with an n-type dopant such as Si at about 1 × 10 17 / cm 3 . The InGaAs / GaAsSb multiple quantum well structure light-receiving layer 3, InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4, and InP window layer 5 are preferably non-doped, but a very small amount of n-type dopant such as Si (for example, 2 × 10 15 / cm 2). About 3 ) Doping may be performed. Further, a high-concentration n-side electrode forming layer for forming an n-side electrode doped with n-type dopant by about 1 × 10 18 / cm 3 may be inserted between the InP substrate 1 and the buffer layer 2. . The InP substrate 1 may be a Fe-doped semi-insulating InP substrate. In this case, an n-side electrode forming layer doped with n-type dopant of about 1 × 10 18 / cm 3 is inserted between the semi-insulating InP substrate 1 and the buffer layer 2. The buffer layer 2 may be an n-side electrode formation layer.

次いで、InP窓層5の表面5aに形成したSiN選択拡散マスクパターン36を用いて、その開口部からZnを選択拡散して(InGaAs/GaAsSb)多重量子井戸構造の受光層3内に届くようにp型領域6を形成する。p型領域6のフロント先端部がpn接合15を形成する。このとき、Zn濃度が1×1018/cm程度以上の高濃度領域は、InGaAs拡散濃度分布調整層4内に限定されるようにする。すなわち、上記高濃度不純物分布は、InP窓層5の表面5aから深さ方向に、InGaAs拡散濃度分布調整層4内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層4内のより深い位置で5×1016/cm以下に低下する(図6参照)。そして、pn接合15の近傍におけるZn濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。 Next, using the SiN selective diffusion mask pattern 36 formed on the surface 5a of the InP window layer 5, Zn is selectively diffused from the opening (InGaAs / GaAsSb) so as to reach the light receiving layer 3 having the multiple quantum well structure. A p-type region 6 is formed. The front tip of the p-type region 6 forms a pn junction 15. At this time, a high concentration region having a Zn concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 or more is limited to the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4. That is, the high-concentration impurity distribution continues from the surface 5a of the InP window layer 5 in the depth direction to the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4, and further 5 × at a deeper position in the diffusion concentration distribution adjustment layer 4. It decreases to 10 16 / cm 3 or less (see FIG. 6). The Zn concentration distribution in the vicinity of the pn junction 15 is a distribution indicating an inclined junction.

受光素子10の一次元または二次元配列、すなわち図5に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくZnの選択拡散(受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散)によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Zn選択拡散領域6が1つの受光素子10の主要部となり、1つの画素Pを形成するが、Znが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。   The one-dimensional or two-dimensional array of the light-receiving elements 10, that is, the light-receiving element array shown in FIG. 5 is planarly selected so that Zn is selectively diffused without performing mesa etching for element separation (inside the peripheral edge of the light-receiving element). The adjacent light receiving elements are separated from each other by diffusion limited to the periphery. That is, the Zn selective diffusion region 6 is a main part of one light receiving element 10 and forms one pixel P, but a region where Zn is not diffused separates each pixel. For this reason, it is possible to suppress dark current without being damaged by crystals accompanying the mesa etching.

図7は、図5の近赤外イメージセンサ100の受光素子10を光入射側から見た平面図である。図5は、図7におけるV−V線に沿う断面図(変調部50およびCMOS70aを含んでいる)である。図5において、SiNの選択拡散マスクパターン36は、その上に形成された保護膜のSiON膜37とともにそのまま残されている。画素Pまたはセンサ単位は、図7に示すように、縦横25μmピッチで、横20mm、縦16mmにわたって設けられ、合計640×512=327,680個が配列される。この画素配列は例示であって、製品仕様によって変えられることはいうまでもない。   FIG. 7 is a plan view of the light receiving element 10 of the near infrared image sensor 100 of FIG. 5 as viewed from the light incident side. FIG. 5 is a cross-sectional view (including the modulation unit 50 and the CMOS 70a) taken along the line VV in FIG. In FIG. 5, the SiN selective diffusion mask pattern 36 is left as it is together with the protective SiON film 37 formed thereon. As shown in FIG. 7, the pixels P or sensor units are provided at a pitch of 25 μm in length and width of 20 mm and 16 mm, and a total of 640 × 512 = 327,680 is arranged. Needless to say, this pixel arrangement is merely an example and can be changed according to product specifications.

エピタキシャル層の各p型領域6と電気的に接続されるp部電極11と、共通のInP基板1に直接に位置するn型バッファ層2に設けられるn部電極12とは、ともに、信号処理部に含まれるCMOS70aに、はんだバンプなどの接合バンプ33により接続される。p部電極11にはAuZnを用い、またn部電極12にはAuGeNiを用い、それぞれオーミック接触を確保するように形成する。上記のAuZn系金属の他に、p部電極にはTiPt系金属を用いてもよい。上記の構造において、マトリックス状に配列された画素Pまたはフォトダイオードは、各受光素子の受光部の光電流発生部となる。   Both the p-part electrode 11 electrically connected to each p-type region 6 of the epitaxial layer and the n-part electrode 12 provided in the n-type buffer layer 2 located directly on the common InP substrate 1 are used for signal processing. It is connected to the CMOS 70a included in the part by a bonding bump 33 such as a solder bump. The p-part electrode 11 is made of AuZn, and the n-part electrode 12 is made of AuGeNi so as to ensure ohmic contact. In addition to the above AuZn-based metal, a TiPt-based metal may be used for the p-part electrode. In the above structure, the pixels P or photodiodes arranged in a matrix form a photocurrent generating portion of the light receiving portion of each light receiving element.

変調部50には、実施の形態1の図2のMEMS片持ち梁による共鳴変調装置でもよいし、図4に示したMEMS櫛形シャッタによる変調装置でもよい。どちらの変調装置も、シリコン基板上に設けたシリコンを主成分とする微小電気機械システムなので、波長1μm以上の近赤外光に対して透明であり、かつ、応答速度が高い。さらに、シリコン基板51上に、MEMSの駆動制御部を容易に設けることができるので、この変調部70を受光素子10にはんだバンプまたはエポキシ系接着剤で固定することで、近赤外イメージセンサ100を小型化することができる。   The modulation unit 50 may be a resonance modulation device using the MEMS cantilever shown in FIG. 2 according to the first embodiment, or may be a modulation device using the MEMS comb shutter shown in FIG. Since both modulators are microelectromechanical systems mainly composed of silicon provided on a silicon substrate, they are transparent to near infrared light having a wavelength of 1 μm or more and have a high response speed. Further, since the MEMS drive control unit can be easily provided on the silicon substrate 51, the near infrared image sensor 100 can be obtained by fixing the modulation unit 70 to the light receiving element 10 with a solder bump or an epoxy adhesive. Can be miniaturized.

入射光は、InP基板1の裏面に形成したAR膜35を通して導入され、p型領域6と受光層3との界面であるpi接合またはpn接合から張り出す空乏層の中で受光される。空乏層を形成するための逆バイアス電圧は、上記のn側電極12とp側電極11との間に印加される。空乏層は容量として作用し、光電変換された電荷を蓄積する。光電変換で受光部に発生した正孔−電子対のうち、正孔はp型領域6から信号電荷としてp側電極11を経由してCMOS70の読み出し電極71に読み取られ、パルス駆動の走査によって全画素部について、順次、上記の読み出しが行われてゆく。   Incident light is introduced through the AR film 35 formed on the back surface of the InP substrate 1 and received in a depletion layer protruding from a pi junction or a pn junction which is an interface between the p-type region 6 and the light receiving layer 3. A reverse bias voltage for forming the depletion layer is applied between the n-side electrode 12 and the p-side electrode 11. The depletion layer acts as a capacitor and accumulates photoelectrically converted charges. Of the hole-electron pairs generated in the light-receiving portion by photoelectric conversion, holes are read from the p-type region 6 as signal charges to the read electrode 71 of the CMOS 70 via the p-side electrode 11 and all of the holes are scanned by pulse drive scanning. The above readout is sequentially performed on the pixel portion.

次に、近赤外イメージセンサのロックイン検出について説明する。動画の場合、1秒間に30フレームをスキャンするので、1フレームあたり33msの時間がかかる。たとえば320×256画素(ピクセル)の8万画素の撮像装置に適用した場合、1画素あたりの時間は0.4μsとなり、2.5MHzの周波数で読み出すことになる。ロックイン検出では、2.5MHzの変調周波数で参照光(変調光)を照射して、合成光を生成する。合成光に狭帯域のローパスフィルタをかけて、直流成分を取り出すことによってノイズを除去し、信号光のみを読むことができる。ロックインの参照信号のクロックは、通常レベルの200kHzから特別用途用の5MHz程度まであるので、上記のロックイン検出は容易に実現することができる。また、別の例として、64×64画素の撮像装置の場合について説明する。この撮像装置では、130kHzの読み出し周波数になる。したがって、通常レベルのロックイン装置を用いて、ロックイン検出を行うことができる。上記したいずれの例においても、上記ロックイン検出の結果、受光素子ごとに信号のS/N比を向上させることができる。また、フレーム周期と参照信号を同期させる場合は、画像解析の高速処理の要求度にもよるが、30Hz〜200Hzの変調周波数とするのがよい。   Next, lock-in detection of the near-infrared image sensor will be described. In the case of a moving image, since 30 frames are scanned per second, it takes 33 ms per frame. For example, when applied to an imaging device of 80,000 pixels of 320 × 256 pixels (pixels), the time per pixel is 0.4 μs, and reading is performed at a frequency of 2.5 MHz. In lock-in detection, reference light (modulated light) is irradiated at a modulation frequency of 2.5 MHz to generate combined light. By applying a narrow band low-pass filter to the combined light and extracting the DC component, noise can be removed and only the signal light can be read. Since the clock of the lock-in reference signal is from a normal level of 200 kHz to about 5 MHz for special use, the above lock-in detection can be easily realized. As another example, a case of an imaging device having 64 × 64 pixels will be described. In this imaging apparatus, the readout frequency is 130 kHz. Therefore, lock-in detection can be performed using a normal level lock-in device. In any of the above examples, as a result of the lock-in detection, the S / N ratio of the signal can be improved for each light receiving element. Further, when synchronizing the frame period and the reference signal, it is preferable to set the modulation frequency to 30 Hz to 200 Hz, depending on the degree of request for high-speed processing of image analysis.

図8は、一般的なCMOS70aにおける信号処理方法を説明する図である。また図9は図8におけるスイッチ部S1,S2を含むA部拡大図であり、各画素(フォトダイオード)Pにおいて発生する正孔量を電圧に変換し、増幅する機構を説明する図である。図8において、マトリックス状に配列された画素部のフォトダイオードPの中から、まず、水平ラインを選択するYアドレス回路からのスイッチング信号によって、水平ラインが選択され、次いで、Xアドレス回路によってその中の1つのフォトダイオードが選択される。そして、当該1つのフォトダイオードPから、上述のように所定時間、蓄積された電荷が出力信号ラインに読み出される。フォトダイオードPは、走査順序にしたがって、1つずつ選択されてゆく。 FIG. 8 is a diagram for explaining a signal processing method in a general CMOS 70a. FIG. 9 is an enlarged view of the A portion including the switch portions S 1 and S 2 in FIG. 8, and is a diagram for explaining a mechanism for converting the amount of holes generated in each pixel (photodiode) P into a voltage and amplifying it. is there. In FIG. 8, a horizontal line is first selected from among the photodiodes P of the pixel portion arranged in a matrix by a switching signal from a Y address circuit that selects a horizontal line, and then, the X address circuit includes the horizontal line. One photodiode is selected. Then, the charge accumulated for a predetermined time as described above is read from the one photodiode P to the output signal line. The photodiodes P are selected one by one according to the scanning order.

CMOSは、フォトダイオードPからの信号電荷を、フォトダイオードP毎に信号電圧に変換し、増幅して、その信号電圧を、順次、読み出して電気信号を得る。この中には暗電流も含まれる。この信号電圧は、図3に示すように、入射光が変調をかけられた変調光による光電荷(変調された光電荷)と、暗電流の電荷との合計を電圧変換して、増幅したものである。すなわち暗電流も含んだ変調をかけられた合成電圧信号である。通常のCMOSは、光電変換で生じた電子−正孔対のうち電子が、電流−電圧変換部へ送られるが、図5の撮像装置では、正孔を読み出すので、適宜、変更を加える必要があるが、そのような変更を行ったあとの構成の一例を図9に示す。CMOSでは、各画素部での電圧増幅の際にMOSトランジスタのスレッシュホールドレベルのばらつきによって黒レベルが異なり、ノイズとなる。異なる黒レベルに対応する電圧を、図8におけるCDS(Corelated Double Sampling)回路により一定にクランプして、信号レベルとの差をとることによりMOSトランジスタのスレッシュホールドレベルの差による影響をなくすことができる。   The CMOS converts the signal charge from the photodiode P into a signal voltage for each photodiode P, amplifies it, and sequentially reads out the signal voltage to obtain an electrical signal. This includes dark current. As shown in FIG. 3, this signal voltage is obtained by voltage-converting and amplifying the sum of the photocharge (modulated photocharge) by the modulated light obtained by modulating the incident light and the charge of the dark current. It is. That is, it is a composite voltage signal that has been modulated including dark current. In a normal CMOS, electrons out of electron-hole pairs generated by photoelectric conversion are sent to a current-voltage conversion unit. However, in the imaging device of FIG. An example of the configuration after such a change is shown in FIG. In the CMOS, when the voltage is amplified in each pixel portion, the black level varies depending on the variation of the threshold level of the MOS transistor, resulting in noise. A voltage corresponding to a different black level is clamped by a CDS (Corelated Double Sampling) circuit in FIG. 8 to obtain a difference from the signal level, thereby eliminating the influence of the difference in the threshold level of the MOS transistor. .

信号処理部にCMOSを用いた場合の特徴は次のとおりである。(1)低消費電力を実現できる。(2)ランダムアクセスが可能である。すなわち各画素部のフォトダイオード10pから信号を順次読み出すだけでなく、ランダムに各フォトダイオードの信号を読み出すことができる。(3)単電源、単一のクロックで動作させることができる。このため、フォトダイオードPが形成されるエピタキシャル積層体10とCMOS70との配線数が最小となり、放射ノイズの点で有利になる。(4)信号電荷の読み出し走査の駆動部などの信号処理部などを含む制御回路部全体をワンチップで構成することができる。   The characteristics when a CMOS is used for the signal processing unit are as follows. (1) Low power consumption can be realized. (2) Random access is possible. That is, not only can the signals be sequentially read out from the photodiodes 10p of each pixel portion, but also the signals from the respective photodiodes can be read out at random. (3) It can be operated with a single power source and a single clock. For this reason, the number of wirings between the epitaxial laminated body 10 in which the photodiode P is formed and the CMOS 70 is minimized, which is advantageous in terms of radiation noise. (4) The entire control circuit unit including a signal processing unit such as a drive unit for scanning and reading out signal charges can be configured on a single chip.

図10は、本実施の形態の近赤外イメージセンサ100を組み込んだデジタルカメラの信号処理プロセスを示す図である。図10において、本実施の形態の近赤外イメージセンサ100は、受光素子10に入射される近赤外光に変調をかける変調部50と、受光層3を含む受光素子10と、受光素子10の各画素(フォトダイオード)Pからの信号を読み出して信号処理する、CMOSを含む信号処理部70と、を備える。信号処理部70は、シリコンなどの半導体基板に形成されるので、図10におけるCDS/AGC(Automatic Gain Control)やロックイン検出を行う検出部など、信号読み出し回路以降のプロセス回路も、同じシリコン基板に容易に形成することができる。CMOSを含む信号処理部70が形成されるシリコン基板は安価であり、またシリコン基板を用いる処理は、豊富な実績があり、処理装置も充実しているので、経済的に大量生産するのに適している。   FIG. 10 is a diagram showing a signal processing process of a digital camera incorporating the near-infrared image sensor 100 of the present embodiment. In FIG. 10, the near-infrared image sensor 100 of the present embodiment includes a modulation unit 50 that modulates near-infrared light incident on the light-receiving element 10, the light-receiving element 10 including the light-receiving layer 3, and the light-receiving element 10. And a signal processing unit 70 including a CMOS that reads out a signal from each pixel (photodiode) P and processes the signal. Since the signal processing unit 70 is formed on a semiconductor substrate such as silicon, process circuits subsequent to the signal readout circuit, such as a detection unit that performs CDS / AGC (Automatic Gain Control) and lock-in detection in FIG. Can be easily formed. The silicon substrate on which the signal processing unit 70 including the CMOS is formed is inexpensive, and the processing using the silicon substrate has an abundant track record and the processing equipment is sufficient, so it is suitable for mass production economically. ing.

図10において、CDS回路により所定の雑音を除去された信号はAGC回路に入力される。AGC回路ではアンプのゲインがマイクロコンピュータ(CPU:Central Processing Unit)によって制御され、A/Dコンバータに必要な信号の強度レベルを、絞り駆動機構などと連動して得るようにする。検出部は、AGC回路の前に配置してもよい。検出部では、ロックイン検出を行い、CDS回路等では対応できない暗電流に起因するノイズなどが大きく、入力光信号が小さい場合に、変調をかけることで、変調がかからない暗電流との合成信号を形成した後、S/N比の高い信号を得ることができる。すなわち変調しない場合、暗電流が大きく、電気信号が微弱でありノイズに埋もれているとき(低S/N比のとき)、変調をかけてロックイン検出で周波数解析を行うことで、高いS/N比の入力光に起因する信号を検出することができる。   In FIG. 10, a signal from which predetermined noise has been removed by the CDS circuit is input to the AGC circuit. In the AGC circuit, the gain of the amplifier is controlled by a microcomputer (CPU: Central Processing Unit), and the intensity level of the signal necessary for the A / D converter is obtained in conjunction with the aperture driving mechanism. The detection unit may be disposed in front of the AGC circuit. The detection unit performs lock-in detection, and when the noise caused by dark current that cannot be handled by a CDS circuit or the like is large and the input optical signal is small, a modulation signal is applied to generate a composite signal with dark current that is not modulated. After formation, a signal with a high S / N ratio can be obtained. In other words, when modulation is not performed, when dark current is large, an electric signal is weak, and it is buried in noise (low S / N ratio), modulation is performed and frequency analysis is performed by lock-in detection. It is possible to detect a signal caused by the N ratio input light.

図10に示す近赤外イメージセンサ100において、上述のように、CDS/AGC回路、検出部、A/Dコンバータ等は、CMOSを含む信号処理部70が形成されたシリコン基板に、一緒に形成されることができる。CMOSが、検出部を含めて上記回路部を含んでいるとみることもできる。
変調部50は、シリコン基板51を介在させてInP基板1上に形成されたフォトダイオード配列10に向けて入射する近赤外光に変調をかける。シリコンは、近赤外域の光の吸収率は小さく、近赤外光を透過する。シリコン基板1を含むMEMSは薄いものであり、このため、変調部50/受光素子10/信号処理部70を備える近赤外イメージセンサ100を、コンパクトな構成で実現することが可能となる。また近赤外イメージセンサ100を用いた測定機器に応じて制御回路を信号処理部70が形成されるシリコン基板に形成することで、測定装置を小型化し、またその制御回路をその測定装置に合わせて融通性の高いものにしておけば、わずかの改変または改変なしでその測定装置に用いることができる。
In the near-infrared image sensor 100 shown in FIG. 10, as described above, the CDS / AGC circuit, the detection unit, the A / D converter, and the like are formed together on the silicon substrate on which the signal processing unit 70 including the CMOS is formed. Can be done. It can be considered that the CMOS includes the circuit section including the detection section.
The modulation unit 50 modulates near-infrared light incident on the photodiode array 10 formed on the InP substrate 1 with the silicon substrate 51 interposed. Silicon has a small absorption rate of light in the near infrared region, and transmits near infrared light. Since the MEMS including the silicon substrate 1 is thin, the near-infrared image sensor 100 including the modulation unit 50 / the light receiving element 10 / the signal processing unit 70 can be realized with a compact configuration. Further, by forming a control circuit on the silicon substrate on which the signal processing unit 70 is formed in accordance with the measuring instrument using the near-infrared image sensor 100, the measuring device can be downsized, and the control circuit can be adapted to the measuring device. If it is made flexible, it can be used in the measuring device with little or no modification.

(実施の形態2の変形例)
図5に示すフォトダイオードPは、正孔を読み出す導電型構造を例示している。すなわち、p型領域6から正孔を、CMOS70の読み出し電極71に読み出す導電型構造となっている。しかし、図5における各部分の導電型を逆にして、電子をCMOS70の読み出し電極71に読み出す導電型構造にすることができる。また、本発明の実施の形態では、信号処理部にCMOSを用いた装置を例示したが、CMOSの代わりに、CCDを用いてもよい。
(Modification of Embodiment 2)
The photodiode P shown in FIG. 5 exemplifies a conductive structure that reads holes. That is, it has a conductive structure in which holes are read from the p-type region 6 to the read electrode 71 of the CMOS 70. However, the conductivity type of each part in FIG. 5 can be reversed to have a conductivity type structure in which electrons are read out to the readout electrode 71 of the CMOS 70. In the embodiment of the present invention, a device using a CMOS for the signal processing unit is illustrated, but a CCD may be used instead of the CMOS.

(実施の形態3)
図11は、本発明の実施の形態3における近赤外イメージセンサ100を示す図である。近赤外イメージセンサ100は、生体成分検出装置に組み込まれて用いられる。筐体67の一部に生体装入溝67aを設けて、その生体装入溝67aに装入された生体の透過光を用いて血糖値を検出する点に特徴がある。装入される生体部位は、肩から先、たとえば腕や掌を想定して、これらのうちの最大サイズの生体装入溝67aとすることができる。特別に耳たぶを専門にした生体装入溝67aであってもよい。
(Embodiment 3)
FIG. 11 is a diagram showing a near-infrared image sensor 100 according to Embodiment 3 of the present invention. The near-infrared image sensor 100 is used by being incorporated in a biological component detection device. A characteristic is that a living body insertion groove 67a is provided in a part of the housing 67, and a blood glucose level is detected using transmitted light of the living body inserted into the living body insertion groove 67a. The living body part to be inserted is assumed to be the tip of the shoulder, for example, an arm or a palm, and the living body insertion groove 67a having the maximum size among them can be used. The living body insertion groove 67a specializing in the earlobe may be used.

近赤外光の経路は、つぎのとおりである。
光源63→集光レンズ87→反射鏡66→集光レンズ87→照射用光ファイバ81→検出部位→受光端部82a→押圧調整アクチュエータ82b→情報搭載光ファイバ82→集光レンズ87→回折格子91→近赤外イメージセンサ100→表示部85(図11参照)
近赤外イメージセンサ100内の受光素子アレイ10の画素の位置は、回折格子91によって波長に応じて回折された光の波長に対応している。すなわち、連続する受光素子アレイは、回折された連続する波長の光の強度を、所定波長ピッチに分けて受光する。回折格子91に変えて分光プリズムを用いることもできる。このような受光素子アレイは波長に応じて回折される方向に沿って配列された1次元アレイの受光素子で十分であるが、2次元アレイを用いてもよい。2次元アレイの場合は、位置合わせを一方向に沿って厳密にしなくてもよいので装置構成が容易である。
The path of near infrared light is as follows.
Light source 63-> condensing lens 87-> reflecting mirror 66-> condensing lens 87-> irradiation optical fiber 81-> detection site-> light receiving end 82a-> press adjusting actuator 82b-> information-equipped optical fiber 82-> condensing lens 87-> diffraction grating 91 → Near-infrared image sensor 100 → Display unit 85 (see FIG. 11)
The position of the pixel of the light receiving element array 10 in the near infrared image sensor 100 corresponds to the wavelength of light diffracted by the diffraction grating 91 according to the wavelength. That is, the continuous light-receiving element array receives the diffracted light of continuous wavelengths at a predetermined wavelength pitch. A spectral prism can be used instead of the diffraction grating 91. As such a light receiving element array, a one-dimensional array of light receiving elements arranged along the direction of diffraction according to the wavelength is sufficient, but a two-dimensional array may be used. In the case of a two-dimensional array, the apparatus configuration is easy because alignment does not have to be precise along one direction.

図11において、掌で手刀をつくったときの小指の下方は、骨を介在させずに光を通すことができるので、血糖値の測定には有効である。上記の生体装入溝67aは、とくに上記の小指下方の掌部に対象を絞る必要はなく、上記押圧調整アクチュエータ82bなどによって、位置合わせを行うことができる。これによって、患者が自身で、簡単に、精度よく、血糖値を測定することが可能となる。
近赤外イメージセンサ100内の受光素子アレイが、近赤外域の長波長域まで受光可能であり、測定精度を向上させることができる。
光源は、ハロゲンランプ等を用いるのがよいが、この生体成分検出装置の場合、光源には、発熱の小さいコンティニューム光源やLEDを用いることが好ましい。
In FIG. 11, the lower part of the little finger when the hand sword is made with a palm can transmit light without interposing a bone, which is effective in measuring the blood sugar level. The living body insertion groove 67a is not particularly required to be focused on the palm portion below the little finger, and can be aligned by the pressure adjusting actuator 82b or the like. As a result, the patient can easily and accurately measure the blood glucose level.
The light-receiving element array in the near-infrared image sensor 100 can receive light up to a long wavelength region in the near-infrared region, and can improve measurement accuracy.
As the light source, a halogen lamp or the like is preferably used. However, in the case of this biological component detection device, it is preferable to use a continuum light source or an LED that generates little heat.

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の近赤外イメージセンサによれば、光電変換部由来のノイズレベルが高い場合、または暗電流が高い場合、簡単でコンパクトな、かつ波長1μm以上の近赤外光に透明な変調部によって入射光に変調をかけることで、S/N比の高い信号を検出することができる。このため、コンパクトな装置で鮮明な画像、高感度の検出を行うことができる。   According to the near infrared image sensor of the present invention, when the noise level derived from the photoelectric conversion unit is high or the dark current is high, the modulation unit is simple and compact and transparent to near infrared light having a wavelength of 1 μm or more. By modulating the incident light, a signal having a high S / N ratio can be detected. For this reason, a clear image and high sensitivity can be detected with a compact device.

1 InP基板、2 n型バッファ層、3 受光層、4 拡散濃度分布調整層、5 窓層、5a 窓層の表面、6 p型領域(第1導電型領域)、10 受光素子(受光素子アレイ)、11 p側電極、12 n側電極(共通の接地電極)、15 pn接合、19 固定部(バンプ、接着剤)、35 AR膜、36 選択拡散マスクパターン、37 SiON膜、50 変調部、51 シリコン基板、52 支持部、53 下部電極、55 可動部(梁、櫛歯)、57 支持柱、63 光源、66 反射鏡、70 信号処理部、70a CMOS(信号読み出し回路)、71 読み出し電極、72 接地電極、81 照射用光ファイバ、82 情報搭載光ファイバ、82a 受光端部、82b 押圧調整アクチュエータ、85 表示部、87 集光レンズ、91 回折格子、100 近赤外イメージセンサ、P 画素(フォトダイオード)、S1,S2 スイッチ。 1 InP substrate, 2 n-type buffer layer, 3 light-receiving layer, 4 diffusion concentration distribution adjusting layer, 5 window layer, 5a surface of window layer, 6 p-type region (first conductivity type region), 10 light-receiving element (light-receiving element array) ), 11 p-side electrode, 12 n-side electrode (common ground electrode), 15 pn junction, 19 fixing part (bump, adhesive), 35 AR film, 36 selective diffusion mask pattern, 37 SiON film, 50 modulation part, 51 silicon substrate, 52 support part, 53 lower electrode, 55 movable part (beam, comb tooth), 57 support column, 63 light source, 66 reflector, 70 signal processing part, 70a CMOS (signal readout circuit), 71 readout electrode, 72 ground electrode, 81 irradiating optical fiber, 82 information mounting optical fiber, 82a light receiving end, 82b pressure adjusting actuator, 85 display unit, 87 condenser lens, 91 diffraction grating, 100 near infrared light Jisensa, P pixel (photodiode), S 1, S 2 switch.

Claims (10)

波長1.2μm以上の近赤外光のイメージセンサであって、
InP基板上に形成され、前記近赤外光を受光する受光層を有する、1つまたは複数の受光素子と、
前記受光素子よりも前記近赤外光の入射側に位置する変調部と、
前記受光素子の電気信号を処理する信号処理部とを備え、
前記受光層のバンドギャップ波長が、1.2μm以上3μm以下であり、
前記変調部は、シリコンを主成分とする微小電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical System)で形成され、前記1つまたは複数の受光素子をカバーして、該受光素子と一体化しており、
前記信号処理部は、前記受光素子の信号を読み出す信号読み出し回路、および当該受光素子からの信号を検出する信号検出部を有することを特徴とする、近赤外イメージセンサ。
A near infrared light image sensor having a wavelength of 1.2 μm or more,
One or a plurality of light receiving elements formed on an InP substrate and having a light receiving layer for receiving the near infrared light;
A modulator located on the incident side of the near infrared light from the light receiving element;
A signal processing unit for processing an electrical signal of the light receiving element,
The band gap wavelength of the light receiving layer is 1.2 μm or more and 3 μm or less,
The modulator is formed of a micro electro mechanical system (MEMS) mainly composed of silicon, covers the one or more light receiving elements, and is integrated with the light receiving elements.
The near-infrared image sensor, wherein the signal processing unit includes a signal reading circuit that reads a signal from the light receiving element, and a signal detection unit that detects a signal from the light receiving element.
前記変調部が、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けた、シリコン製MEMSとによって形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の近赤外イメージセンサ。   The near-infrared image sensor according to claim 1, wherein the modulation unit is formed of a silicon substrate and a silicon MEMS provided on the silicon substrate. 前記信号処理部は、前記受光素子に生じる出力を、前記信号読み出し回路で読み出して、前記信号検出部でロックイン検出することを特徴とする、請求項1または2に記載の近赤外イメージセンサ。受光素子。   The near-infrared image sensor according to claim 1, wherein the signal processing unit reads an output generated in the light receiving element by the signal reading circuit and detects lock-in by the signal detection unit. . Light receiving element. 前記1つまたは複数の受光素子が、不純物元素の選択拡散によって形成した、マスク被覆された非選択の周縁部を有する個別の不純物領域を有し、前記個別の不純物領域の先端がpn接合であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の近赤外イメージセンサ。   The one or more light receiving elements have individual impurity regions formed by selective diffusion of impurity elements and having non-selected peripheral portions covered with a mask, and the tips of the individual impurity regions are pn junctions The near-infrared image sensor of any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記受光層が多重量子井戸構造により形成され、前記受光素子が、前記受光層に接して前記選択拡散の不純物導入面側に、不純物の濃度分布を調整するための拡散濃度分布調整層を有することを特徴とする、請求項4に記載の近赤外イメージセンサ。   The light receiving layer is formed of a multiple quantum well structure, and the light receiving element has a diffusion concentration distribution adjusting layer for adjusting the impurity concentration distribution on the impurity introduction surface side of the selective diffusion in contact with the light receiving layer. The near-infrared image sensor of Claim 4 characterized by these. 前記受光層における不純物濃度が5e16cm−3以下であることを特徴とする、請求項5に記載の近赤外イメージセンサ。 The near-infrared image sensor according to claim 5, wherein an impurity concentration in the light receiving layer is 5e16 cm −3 or less. 前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがInPよりも小さいことを特徴とする、請求項5または6に記載の近赤外イメージセンサ。   The near-infrared image sensor according to claim 5 or 6, wherein a band gap energy of the diffusion concentration distribution adjusting layer is smaller than InP. 前記多重量子井戸構造が、(InGaAs/GaAsSb)をペアとするタイプIIの多重量子井戸構造であり、前記不純物元素が亜鉛(Zn)であり、前記拡散濃度分布調整層がInGaAsで形成されることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか1項に記載の近赤外イメージセンサ。   The multiple quantum well structure is a type II multiple quantum well structure in which (InGaAs / GaAsSb) is paired, the impurity element is zinc (Zn), and the diffusion concentration distribution adjusting layer is formed of InGaAs. The near-infrared image sensor of any one of Claims 5-7 characterized by these. 前記InP基板、受光層、および拡散濃度分布調整層、の格子定数をaiとして、接する層との格子定数との差をΔaijとして、前記InP基板、受光層および拡散濃度分布調整層の格子整合度である(Δaij/ai)が0.002以下であることを特徴とする、請求項5〜8のいずれか1項に記載の近赤外イメージセンサ。   The lattice constant of the InP substrate, the light receiving layer, and the diffusion concentration distribution adjusting layer is ai, and the difference between the lattice constant of the InP substrate, the light receiving layer, and the diffusion concentration distribution adjusting layer is Δaij. The near infrared image sensor according to claim 5, wherein (Δaij / ai) is 0.002 or less. 食品検査装置、生体検査装置、医用カメラ、または監視装置として用いられることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の近赤外イメージセンサ。
The near-infrared image sensor according to claim 1, wherein the near-infrared image sensor is used as a food inspection device, a biological inspection device, a medical camera, or a monitoring device.
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