JP2011192873A - Wide-wavelength-band photodetector array - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wide-wavelength-band photodetector array that is lightweight and highly reliable, and has sensitivity in a wide wavelength band from ultraviolet rays to infrared rays. <P>SOLUTION: A readout IC (ROIC) and an ultraviolet or blue light-receiving element are formed on silicon sapphire (SOS), a red and infrared light-receiving element is formed on a compound semiconductor substrate, and electrodes of the both are stuck together. Outputs of a plurality of photodetectors on the same optical path corresponding to different wavelengths are detected independently and simultaneously to acquire spectrum information without a position shift or time shift. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、紫外から赤外波長に渡る極めて広い波長帯域に感度を持つ光検出器および光検出器アレイあるいは撮像素子に関するものである。   The present invention relates to a photodetector, a photodetector array, or an imaging device having sensitivity in an extremely wide wavelength band from ultraviolet to infrared wavelengths.

紫外から赤外波長に渡る極広い波長帯域を同時に検出するためには、検出する波長に応じて異なった感光材料を用いる必要がある。そのため、従来技術においては、光路切り替えあるいは波長選択フィルターの装着等を備えた上に、同一装置内に複数の素子を装着する必要があり、機器の構成が複雑になっていた。単一感光材料で検出可能な波長範囲が限定される原因は、感光材料のバンドギャップよりも小さなエネルギーを持つ長波長光の場合、光吸収が弱く光によるキャリア生成が起こりにくいこと、また、感光材料のバンドギャップに対して、光の波長が短すぎる場合には、結晶欠陥密度の大きな表面付近で入射光の大半が吸収され、光誘起キャリアが電流として検知されにくいためである。   In order to simultaneously detect an extremely wide wavelength band from ultraviolet to infrared wavelengths, it is necessary to use different photosensitive materials depending on the wavelength to be detected. Therefore, in the prior art, it is necessary to mount a plurality of elements in the same apparatus in addition to optical path switching or mounting of a wavelength selection filter, and the configuration of the device is complicated. The reason why the wavelength range that can be detected by a single photosensitive material is limited is that long-wavelength light with energy smaller than the band gap of the photosensitive material is weak in light absorption and is unlikely to generate carriers by light. This is because, when the wavelength of light is too short with respect to the band gap of the material, most of the incident light is absorbed in the vicinity of the surface having a large crystal defect density, and photoinduced carriers are not easily detected as current.

光検出器やカメラ用光吸収層として一般的なシリコンフォトダイオード(Si-PD)は、構造にも依存するが、概ね波長400nmから1000nmの範囲に感度がある。更に短波長に感度が必要な場合は、GaNやGaPなどのワイドバンドギャップ半導体を使用するか、感光層を極薄膜にする必要がある。   A general silicon photodiode (Si-PD) as a light absorption layer for a photodetector or camera has a sensitivity in a wavelength range of approximately 400 nm to 1000 nm, depending on the structure. If sensitivity is required for shorter wavelengths, it is necessary to use a wide band gap semiconductor such as GaN or GaP, or to make the photosensitive layer an extremely thin film.

紫外線のみに感度を持つ光検出器としては、サファイア基板上のGaN系PIN-PDがあり、0.1A/W程度の分光感度を実現している。(非特許文献1) As a photodetector having sensitivity only to ultraviolet rays, there is a GaN PIN-PD on a sapphire substrate, which achieves a spectral sensitivity of about 0.1 A / W. (Non-Patent Document 1)

CMOS LSIの高速性と低消費電力化を向上させるのに有効なSOI(silicon on insulator)やSOS(silicon on sapphire)では、チャネル層となる絶縁膜上のシリコン層は、通常100nm以下である。SOIを感光層に用いた極薄膜横方向接合シリコン-PDでは、波長280nmから400nmの紫外線波長のみに感度を持ち、同じく0.1A/W程度の分光感度を持つ。(特許文献1) In SOI (silicon on insulator) and SOS (silicon on sapphire), which are effective for improving the high speed and low power consumption of CMOS LSI, the silicon layer on the insulating film to be the channel layer is usually 100 nm or less. Ultra-thin laterally-bonded silicon-PD using SOI as the photosensitive layer is sensitive only to UV wavelengths from 280 nm to 400 nm and has a spectral sensitivity of about 0.1 A / W. (Patent Document 1)

一方、波長1000nm以上の赤外線領域ではシリコン光検出器の受光感度が低下するため、バンドギャップエネルギの小さいInGaAs、InAsあるいはInSb系化合物半導体が、高感度な赤外検出器用感光素子として広く使われている。   On the other hand, in the infrared region with a wavelength of 1000 nm or more, the photosensitivity of the silicon photodetector decreases, so InGaAs, InAs, or InSb compound semiconductors with low band gap energy are widely used as photosensitive elements for high-sensitivity infrared detectors. Yes.

複数の感光波長帯において、位置ずれや時間ずれが生じない光検出器アレイを実現するためには、複数の感光材料を持つPDを平面的に近接させるか、短波長用光検出器と長波長光検出器を光の進行方向に積層することが有効である。単一素子の光検出器の感光波長を拡大する方法として、短波長に感度を有する感光材料と長波長に感度を有する感光材料を貼り合わせたタンデム構造が採られている。(非特許文献2、3)   In order to realize a photodetector array that does not cause positional shift or time shift in multiple photosensitive wavelength bands, PDs with multiple photosensitive materials are placed close to each other in a planar manner, or a short wavelength photodetector and a long wavelength detector. It is effective to stack the photodetectors in the light traveling direction. As a method for expanding the photosensitive wavelength of a single-element photodetector, a tandem structure in which a photosensitive material sensitive to a short wavelength and a photosensitive material sensitive to a long wavelength are bonded together is employed. (Non-Patent Documents 2 and 3)

また、GaN基板の上下にそれぞれ短波長光に感度のあるGaN PDおよび長波長に感度のあるシリコンPDをモノリシックに成長して、紫外および赤外光に感度のある光検出器が開発されている。更に、InPやGaAs基板をフィルターとして用いて太陽光の放射スペクトラムムに対応する波長感度を作為的に抑制する(sun blind)ことも可能である。(特許文献2)。   In addition, GaN PD sensitive to short wavelength light and silicon PD sensitive to long wavelength are monolithically grown above and below the GaN substrate, respectively, and a photodetector sensitive to ultraviolet and infrared light has been developed. . Furthermore, it is also possible to intentionally suppress the wavelength sensitivity corresponding to the radiation spectrum of sunlight using an InP or GaAs substrate as a filter (sun blind). (Patent Document 2).

同一半導体材料を感光材料に用いる場合においても、短い波長の光は、表面で吸収され、長い波長の光は、比較的深く浸透するため、シリコン層厚さの異なる複数のPDを積層することにより、カラー情報を得ることができる。この構成の場合、同一受光面で複数の波長スペクトラム情報を得ることにより開口比を高く保つことが可能である。(非特許文献4) Even when the same semiconductor material is used for the photosensitive material, light with a short wavelength is absorbed by the surface, and light with a long wavelength penetrates relatively deeply, so by stacking multiple PDs with different silicon layer thicknesses Color information can be obtained. In the case of this configuration, it is possible to keep the aperture ratio high by obtaining a plurality of wavelength spectrum information on the same light receiving surface. (Non-Patent Document 4)

本発明者が出願した、エピタキシャル成長でPN接合を表面近傍に形成する構造(特許文献3)により赤外波長域に吸収を有する半導体材料においても可視光まで波長範囲を拡大することが可能となった。さらに、p型基板上のn型エピタキシャル層構造を用いて、n型感光層の周辺からp型基板にいたるまで深いp型拡散を施すことにより、プレーナ構造にて、波長範囲が広く、素子分離特性の良い化合物半導体PDアレイを実現することができた。 The structure in which a PN junction is formed in the vicinity of the surface by epitaxial growth (Patent Document 3) filed by the present inventor has made it possible to expand the wavelength range to visible light even in a semiconductor material having absorption in the infrared wavelength region. . Further, by using the n-type epitaxial layer structure on the p-type substrate, deep p-type diffusion is performed from the periphery of the n-type photosensitive layer to the p-type substrate, thereby providing a planar structure with a wide wavelength range and element isolation. A compound semiconductor PD array with good characteristics was realized.

赤外領域に感度を持つ2次元撮像素子の場合、一般的には、化合物半導体からなるフォトダイオード(PD)アレイと、シリコンLSIからなるリードアウトIC(ROIC)とをバンプ接続したフォーカルプレーンアレイ(FPA)構造が採られている。化合物半導体PDアレイとROICをバンプ接続する場合、両者の表面電極にAuあるいはAuSnなどでバンプを形成し、熱圧着により両者を接合する。この場合、光が入射する面は、化合物半導体PDの裏面となる。そのため、両者を接合後、基板による光吸収効果を抑制するために、通常、化合物半導体基板を50μm以下に鏡面研磨する。この場合は、基板が長波長透過フィルターの役割をするため、基板のバンドギャップよりも短い波長に相当する光は検出できない。   In the case of a two-dimensional image sensor with sensitivity in the infrared region, a focal plane array (generally a photodiode (PD) array made of a compound semiconductor and a lead-out IC (ROIC) made of a silicon LSI are bump-connected ( FPA) structure is adopted. When bump bonding a compound semiconductor PD array and ROIC, bumps are formed on both surface electrodes with Au or AuSn, and the two are bonded by thermocompression bonding. In this case, the surface on which the light is incident is the back surface of the compound semiconductor PD. For this reason, after bonding the two, the compound semiconductor substrate is usually mirror-polished to 50 μm or less in order to suppress the light absorption effect by the substrate. In this case, since the substrate functions as a long wavelength transmission filter, light corresponding to a wavelength shorter than the band gap of the substrate cannot be detected.

また、特許文献3、4に挙げたように、浅いPN接合を用いて感光波長範囲を広げる場合には、素子の電極面から光を入射する必要があるので、ROICに接続するためには、まず、PDの表面から深いスルーホールを形成し、一旦、やとい基板にPDの表面を接着し、化合物半導体基板を50μm以下に研磨した後、ROICにバンプ接続し、その後、やとい基板を除去するという工程が必要となる。いずれの場合にも、比較的脆い化合物半導体基板を薄片化する工程が必要であるため、製造歩留まりが悪く、従来の赤外撮像素子は高価なものになっていた。   Further, as described in Patent Documents 3 and 4, when the photosensitive wavelength range is expanded using a shallow PN junction, it is necessary to make light incident from the electrode surface of the element. First, a deep through hole is formed from the surface of the PD, and once the surface of the PD is adhered to the substrate, the compound semiconductor substrate is polished to 50 μm or less, then bumped to the ROIC, and then the substrate is removed. The process of doing is needed. In either case, since a process of thinning a relatively fragile compound semiconductor substrate is required, the manufacturing yield is poor, and the conventional infrared imaging element has been expensive.

光学ガラスなど透明な基板上に半導体薄膜を形成し、画素選択用薄膜トランジスタや光電変換素子を構成することにより、半導体基板の薄片化とそれに伴う歩止まりの低下を防止することができる。例えば特許文献5のようにX線検出用フラットパネルディテクタにおいて、ガラス基板上にアモルファスシリコンを形成し、薄膜トランジスタやPIN型光電変換素子を実現している。液晶ディスプレイの薄膜トランジスタによるスイッチングマトリクスとその周辺に配置されたLSIによる駆動回路の構成も、近年高密度化が進展し、構成および実装方法において、30μmピッチ程度以上の画素サイズの場合には、光検出アレイに転用することが可能になりつつある。   By forming a semiconductor thin film on a transparent substrate such as optical glass and forming a pixel selecting thin film transistor and a photoelectric conversion element, it is possible to prevent the semiconductor substrate from being thinned and the yield is reduced accordingly. For example, as in Patent Document 5, in a flat panel detector for X-ray detection, amorphous silicon is formed on a glass substrate to realize a thin film transistor and a PIN photoelectric conversion element. In recent years, the density of a switching matrix using a thin film transistor in a liquid crystal display and a driving circuit using an LSI arranged in the periphery of the switching matrix have been increased. In the case of a pixel size of about 30 μm pitch or more in the configuration and mounting method, light detection is performed. It is becoming possible to divert to an array.

更に、SOSの場合は、サファイア基板が紫外線に対して透明であるため、基板側からの入射が有効となる。これは、読み出しIC(ROIC)が必要な2次元撮像素子に適用した場合、開口比を大きく取れる利点がある。(非特許文献5、非特許文献6)
また、サファイア基板が赤外光に対して透明であることを利用して、SOSによるドライバー回路チップ上に面発光レーザ(VCSEL)をフリップチップボンディングしたトランシーバモジュールと、SOSによる差動ディテクタ回路チップにPDを搭載したレシーバモジュールを開発し、自由空間あるいは光ファイバーによる伝送を行った例がある。(非特許文献7)
Furthermore, in the case of SOS, since the sapphire substrate is transparent to ultraviolet rays, incidence from the substrate side is effective. This has the advantage that a large aperture ratio can be obtained when applied to a two-dimensional image sensor that requires a readout IC (ROIC). (Non-patent document 5, Non-patent document 6)
In addition, by utilizing the fact that the sapphire substrate is transparent to infrared light, a transceiver module in which a surface emitting laser (VCSEL) is flip-chip bonded on a driver circuit chip by SOS and a differential detector circuit chip by SOS are used. There is an example of developing a receiver module equipped with PD and transmitting it in free space or optical fiber. (Non-patent document 7)

赤外線カメラは、リモートセンシングにも重要であり、宇宙衛星にも多数搭載されている。宇宙空間で使用する電子機器においては、宇宙線によるソフト・ハードエラーが問題となる。SOIやSOSは、ハードエラーをもたらすCMOS寄生サイリスタが形成されないため、ハードエラーが構造的に発生しない。また、書き換え可能であるが、ロジックエラーの原因となるソフトエラーに関しても、バルクCMOSに比較してトランジスタ体積が小さく、その生成確率が10-4程度低い。従って、宇宙衛星に搭載される電子機器は、SOIまたはSOSによる集積回路(LSI)で構成されることが推奨されている。(非特許文献8) Infrared cameras are also important for remote sensing, and many are installed in space satellites. In electronic equipment used in outer space, soft / hard errors due to cosmic rays are a problem. Since SOI and SOS do not form CMOS parasitic thyristors that cause hard errors, hard errors do not occur structurally. Although rewritable, soft errors that cause logic errors also have a smaller transistor volume and a generation probability of about 10 −4 than that of bulk CMOS. Therefore, it is recommended that the electronic device mounted on the space satellite is composed of an integrated circuit (LSI) based on SOI or SOS. (Non-patent document 8)

Su-Sir Liu、Pei-Wen Li、W.H. Lanb、Wen-jen Lin、"The improvements of GaN p-i-n UV sensor on 1°off-axis sapphire substrate"、Materials Science and Engineering B 121 (2005) 86-91Su-Sir Liu, Pei-Wen Li, W.H. Lanb, Wen-jen Lin, "The improvements of GaN p-i-n UV sensor on 1 ° off-axis sapphire substrate", Materials Science and Engineering B 121 (2005) 86-91 Thorlabs DSD2 "Dual Band Detectors" http://www.thorlabs.com/Thorcat/12400/12408-S01.pdfThorlabs DSD2 "Dual Band Detectors" http://www.thorlabs.com/Thorcat/12400/12408-S01.pdf J Novak and P Elias、"A silicon-InGaAs tandem photodetectorfor radiation thermometry"、Measurement Science Technology 6 pp.1547-1549、1995J Novak and P Elias, "A silicon-InGaAs tandem functions for radiation thermometry", Measurement Science Technology 6 pp.1547-1549, 1995 David L. Gilblom、Sang Keun Yoo、"Infrared and ultraviolet imaging with a CMOS sensor having layered photodiodes"、SPIE AeroSense 2003 - April 22、2003 - Orlando、Florida、USADavid L. Gilblom, Sang Keun Yoo, "Infrared and ultraviolet imaging with a CMOS sensor having layered photodiodes", SPIE AeroSense 2003-April 22, 2003-Orlando, Florida, USA Chen Xu、Chao Shen、Wen Wu、and Mansun Chan、"Backside-Illuminated Lateral PIN Photodiode for CMOS Image Sensor on SOS Substrate"、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES、VOL. 52、NO. 6、JUNE 2005Chen Xu, Chao Shen, Wen Wu, and Mansun Chan, "Backside-Illuminated Lateral PIN Photodiode for CMOS Image Sensor on SOS Substrate", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 52, NO. 6, JUNE 2005 E. Culurciello and A.G. Andreou 、"16_16 pixel silicon on sapphire CMOS digital pixel photosensor array"、ELECTRONICS LETTERS 8th January 2004 Vol. 40 No. 1E. Culurciello and A.G. Andreou, "16_16 pixel silicon on sapphire CMOS digital pixel photosensor array", ELECTRONICS LETTERS 8th January 2004 Vol. 40 No. 1 J. Jiang Liu、Zaven Kalayjian、Brian Riely、Wayne Chang、George J. Simonis、Alyssa Apsel、and Andreas Andreou、"Multichannel Ultrathin Silicon-on-Sapphire Optical Interconnects"、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS、VOL. 9、NO. 2、MARCH/APRIL 2003J. Jiang Liu, Zaven Kalayjian, Brian Riely, Wayne Chang, George J. Simonis, Alyssa Apsel, and Andreas Andreou, "Multichannel Ultrathin Silicon-on-Sapphire Optical Interconnects", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 9 , NO. 2, MARCH / APRIL 2003 Staff Writer、"Single Event Effects in UltraCMOSTM Devices"、 Technology Briefs Peregrine Semiconductor Corporation、http://www.psemi.com/articles/SEE_in_UltraCMOS.pdfStaff Writer, "Single Event Effects in UltraCMOSTM Devices", Technology Briefs Peregrine Semiconductor Corporation, http://www.psemi.com/articles/SEE_in_UltraCMOS.pdf Ja-Myeong KOO、Jung-Lae JO、Jong-Bum LEE、Yu-Na KIM、 Jong-Woong KIM、Bo-In NOH、Jeong-Hoon MOON、Dae-Up KIM、and Seung-Boo JUNG、 "Effect of Atmospheric Pressure Plasma Treatment on Transverse Ultrasonic Bonding of Gold Flip-Chip Bump on Glass Substrate"、Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47、No. 5、2008、pp. 4309-4313Ja-Myeong KOO, Jung-Lae JO, Jong-Bum LEE, Yu-Na KIM, Jong-Woong KIM, Bo-In NOH, Jeong-Hoon MOON, Dae-Up KIM, and Seung-Boo JUNG, "Effect of Atmospheric Pressure Plasma Treatment on Transverse Ultrasonic Bonding of Gold Flip-Chip Bump on Glass Substrate ", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 47, No. 5, 2008, pp. 4309-4313 Z. Fu、P. Weerakoon and E. Culurciello、"Nano-Watt silicon-on-sapphire ADC using 2C-1C capacitor chain"、Electronics Letters、16th March 2006、vol.42 No.6、pp341-343Z. Fu, P. Weerakoon and E. Culurciello, "Nano-Watt silicon-on-sapphire ADC using 2C-1C capacitor chain", Electronics Letters, 16th March 2006, vol.42 No.6, pp341-343

特公2008-251709 「紫外線受光素子およびその製造方法、並びに紫外線量測定装置」Japanese Patent Publication No. 2008-251709 "Ultraviolet light receiving element, its manufacturing method, and ultraviolet ray measuring device" US 7381966 B2 "Single-Chip Monolithick Dual-Band Visible- or Solar-Blind Photodetector"US 7381966 B2 "Single-Chip Monolithick Dual-Band Visible- or Solar-Blind Photodetector" PCT/JP2009/067689「光検出素子」PCT / JP2009 / 067689 "Photodetector" 特願2010-12875「化合物半導体受光素子アレイ」Japanese Patent Application No. 2010-12875 “Compound Semiconductor Photodetector Array” 特開2007-258332「光電変換素子、光電変換素子の製造方法、撮像装置、撮像装置の製造方法および放射線撮像装置」JP-A-2007-258332 “Photoelectric Conversion Element, Method for Manufacturing Photoelectric Conversion Element, Imaging Device, Manufacturing Method for Imaging Device, and Radiation Imaging Device”

従来の化合物半導体フォトダイオードアレイとシリコンROICを張り合わせた赤外検出器(FPA)は、1)化合物フォトダイオードの裏面から光を入射させるため、化合物半導体基板が長波長透過フィルターとして働き、感光波長が基板のエネルギーバンドキャップに相当する波長よりは長い波長に限られる。そのため、比較や照準合わせのために短波長の画像を得るためには別のカメラを用意するか、ダイクロイックミラー等で光路を分離する必要があり、位置ずれ等の補正が必要になる。2)また、化合物半導体を張り合わせた後に化合物半導体基板を薄膜化する必要があり、製造歩留まりが悪い。更に、リモートセンシング、特に宇宙衛星用カメラに於いては、総重量を軽減すること、機械的な強度に優れていること、宇宙線による損傷に強いことなどの要件を満たす必要がある。   A conventional infrared detector (FPA) in which a compound semiconductor photodiode array and a silicon ROIC are bonded together 1) Since light is incident from the back of the compound photodiode, the compound semiconductor substrate acts as a long wavelength transmission filter, and the photosensitive wavelength is It is limited to a wavelength longer than the wavelength corresponding to the energy band cap of the substrate. Therefore, in order to obtain an image with a short wavelength for comparison or aiming, it is necessary to prepare another camera or to separate the optical path with a dichroic mirror or the like, and it is necessary to correct misalignment or the like. 2) Further, it is necessary to thin the compound semiconductor substrate after the compound semiconductors are bonded together, and the manufacturing yield is poor. Further, in remote sensing, particularly space satellite cameras, it is necessary to satisfy requirements such as reduction of total weight, excellent mechanical strength, and resistance to damage from cosmic rays.

サファイア基板上のCMOS LSI(SOS)により紫外または青色センサーとROICを兼ねるとともに、化合物半導体光ディテクタアレイを両者の表面電極側から張り合わせ接続する。化合物半導体光ディテクタアレイは、必要な感光波長に応じて、InGaP/GaAs系、InGaAs/InP系、InGaSb/GaSb系、InAsSb/GaSb系PDまたはフォトトランジスタを使用する。SOSを構成するサファイア基板を紫外から赤外波長まで透過可能な光学窓として使用する。SOS基板上のシリコン薄膜による紫外センサーは、裏面入射、化合物半導体による可視・赤外センサーは、表面入射構成となり、両者の基板の薄片化は不要となる。   A CMOS LSI (SOS) on a sapphire substrate doubles as an ultraviolet or blue sensor and ROIC, and a compound semiconductor photodetector array is bonded together from the surface electrode side of both. The compound semiconductor photodetector array uses InGaP / GaAs, InGaAs / InP, InGaSb / GaSb, InAsSb / GaSb PDs or phototransistors depending on the required photosensitive wavelength. The SOS sapphire substrate is used as an optical window that can transmit from ultraviolet to infrared wavelengths. An ultraviolet sensor using a silicon thin film on the SOS substrate has a back-surface incident structure, and a visible / infrared sensor using a compound semiconductor has a front-surface incident structure, and it is not necessary to make both substrates thin.

本発明においては、紫外、可視、赤外波長帯域に対応したシリコンおよび化合物半導体からなる複数の光検出素子アレイをデジタル信号処理回路を含むSOS基板上のROICとともに積層する。SOS基板は、化合物系光検出器の光学窓として機能するため、歩留まりの低下の原因となる、光検出器側基板の薄片化は不要となり、バンプ接続等の高密度実装が容易となる。また、浮遊容量が少なく、素子分離の容易なSOS−CMOS集積回路をROICとするため、読み出し回路の高速化、低消費電力化が可能になる。光学透過特性に優れたサファイア基板を光学窓としてそのサファイア基板の裏面に紫外または青色光ディテクタを形成することにより、CMOS-LSIを構成するスピンオングラス等に伴う紫外光の吸収効果を抑制することができる。一方、化合物半導体による赤外光検出器は、表面入射となり、浅い接合を持つフォトダイードを使用することにより、可視から赤外波長域に感度を持つ。   In the present invention, a plurality of photodetecting element arrays made of silicon and compound semiconductors corresponding to the ultraviolet, visible, and infrared wavelength bands are stacked together with the ROIC on the SOS substrate including the digital signal processing circuit. Since the SOS substrate functions as an optical window of the compound-based photodetector, it is not necessary to make the photodetector-side substrate thin, which causes a decrease in yield, and high-density mounting such as bump connection is facilitated. In addition, since the SOS-CMOS integrated circuit with little stray capacitance and easy element isolation is used as the ROIC, the reading circuit can be increased in speed and power consumption can be reduced. By using a sapphire substrate with excellent optical transmission characteristics as an optical window and forming an ultraviolet or blue light detector on the backside of the sapphire substrate, it is possible to suppress the ultraviolet light absorption effect associated with the spin-on glass constituting the CMOS-LSI. it can. On the other hand, an infrared photodetector made of a compound semiconductor is incident on the surface, and has sensitivity in the visible to infrared wavelength region by using a photodiode having a shallow junction.

SOSのチャネル層に用いられるシリコン薄膜は、100nm以下で、黄色から赤外波長域に対しては透明である。そのため、同一受光面において、複数の波長帯域を持つ受光素子を積層できるため、開口比が大きく、位置ずれ、時間遅延の少ない大規模かつ波長範囲200nmから5μmをカバーする超高波長帯域FPAが比較的安価に製造可能となる。更に、SOSは、宇宙線に対して耐性が強く、宇宙衛星搭載用カメラとして、信頼性を高めることが可能になる。   The silicon thin film used for the channel layer of SOS is 100 nm or less and is transparent from yellow to the infrared wavelength region. For this reason, light receiving elements with multiple wavelength bands can be stacked on the same light receiving surface, so a large-scale aperture ratio, small positional shift and time delay, and a very high wavelength band FPA covering a wavelength range of 200 nm to 5 μm are compared. Can be manufactured at low cost. In addition, SOS is highly resistant to cosmic rays and can be improved in reliability as a camera for space satellites.

化合物半導体による可視から赤外波長領域の光検出器においては、バンドギャップの異なる材料からなるフォトダイオード等を表面から基板側にタンデムに積層し、それぞれの光応答電流を独立に検出することができる。従って、本発明による光検出器アレイにおいては、同一光路上に配置され、それぞれ、紫外、可視あるいは赤外波長領域に感度を有する複数の素子からの出力をROICで検出することが可能となり、分光器やフィルター無しに、波長スペクトラム情報を同時に取得することができる。   In a visible to infrared wavelength detector using a compound semiconductor, photodiodes or the like made of materials with different band gaps can be stacked in tandem from the surface to the substrate side, and each photoresponse current can be detected independently. . Therefore, in the photodetector array according to the present invention, it is possible to detect the output from a plurality of elements arranged on the same optical path and having sensitivity in the ultraviolet, visible, or infrared wavelength region by ROIC, respectively. Wavelength spectrum information can be acquired at the same time without a filter or filter.

図1はSOS集積回路と化合物半導体受光素子アレイを張り合わせ接合した超広波長帯域光検出器アレイの1画素に相当する部分の断面を示した説明図である。(実施例1)FIG. 1 is an explanatory view showing a cross section of a portion corresponding to one pixel of an ultra-wide wavelength band photodetector array in which an SOS integrated circuit and a compound semiconductor light receiving element array are bonded together. (Example 1) 図2はSOSによる紫外または青色光検出部および読み出し回路の1画素に対応する部分の平面模式図を示す。(実施例2)FIG. 2 is a schematic plan view of a portion corresponding to one pixel of an ultraviolet or blue light detection unit and readout circuit by SOS. (Example 2) 図3は、化合物半導体による赤外光検出器200の1画素に対応する部分の平面模式図を示す。(実施例3)FIG. 3 is a schematic plan view of a portion corresponding to one pixel of the infrared detector 200 made of a compound semiconductor. Example 3 図4はSOS集積回路によるROIC機能を説明する回路ブロック図である。(実施例4)FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining the ROIC function by the SOS integrated circuit. Example 4 図5はSOS集積回路と化合物半導体受光素子アレイを張り合わせ接合した超広波長帯域光検出器アレイの模式図を示す。(実施例5)FIG. 5 is a schematic diagram of an ultra wide wavelength band photodetector array in which an SOS integrated circuit and a compound semiconductor light receiving element array are bonded to each other. (Example 5)

図1は、本発明による紫外から赤外まで受光する超広波長帯域FPAの1画素分に対応する断面構造を示す。本発明は、SOSによる紫外光検出器兼ROIC100と化合物半導体による赤外光検出器200とを張り合わせた構造になっている。SOSによる紫外光検出器兼ROIC100は、1画素ごとに、SOS側金バンプ107、赤外光検出器側金バンプ212により化合物半導体による赤外検出器200に接続されている。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure corresponding to one pixel of an ultra-wide wavelength band FPA that receives light from ultraviolet to infrared according to the present invention. The present invention has a structure in which an ultraviolet light detector / ROIC 100 using SOS and an infrared light detector 200 using a compound semiconductor are bonded together. The SOS ultraviolet light detector / ROIC 100 is connected to the compound semiconductor infrared detector 200 by the SOS side gold bump 107 and the infrared light detector side gold bump 212 for each pixel.

紫外光検出器兼ROIC100は、透明サファイア基板101上に、薄膜シリコンで形成されたCMOS回路102と非特許文献4に準じた横方向PIN接合からなる紫外PDアレイ104、更に化合物半導体による赤外検出器200のための読み出し回路111が設けられている。また、バンプ接続用にROIC側電極110、配線109を経由して幅5μm長さ20μm、厚さ15μmのSOS側金バンプ108が設けられている。   The UV detector / ROIC 100 includes a CMOS circuit 102 formed of thin film silicon on a transparent sapphire substrate 101, an ultraviolet PD array 104 composed of a lateral PIN junction according to Non-Patent Document 4, and infrared detection using a compound semiconductor. A readout circuit 111 for the instrument 200 is provided. Further, a SOS side gold bump 108 having a width of 5 μm, a length of 20 μm, and a thickness of 15 μm is provided via a ROIC side electrode 110 and a wiring 109 for bump connection.

化合物半導体による赤外光検出器200は、特許文献3に準じた、n型化合物半導体基板用電極201上にn型InP基板202、n型InPバッファ203、n-InGaAsコレクター204、p-InGaAsベース205、n-InPエミッタ206、n-InGaAsエミッタコンタクト207からなるフォトトランジスタ構造を持ち、更に横方向に、アイソレーション用溝208が形成され、その側面は、p型拡散層209により囲まれている。   An infrared photodetector 200 made of a compound semiconductor is based on an n-type InP substrate 202, an n-type InP buffer 203, an n-InGaAs collector 204, and a p-InGaAs base on an electrode 201 for an n-type compound semiconductor substrate according to Patent Document 3. 205, an n-InP emitter 206, and an n-InGaAs emitter contact 207, which has a phototransistor structure. Further, an isolation groove 208 is formed in the lateral direction, and its side surface is surrounded by a p-type diffusion layer 209. .

エミッタコンタクト207およびp型拡散層209は、赤外光検出用電極210、配線211を介して、赤外光検出器側金バンプ212に接続されている。ベース205にもベースと電気的に導通しているp型拡散層209を介して赤外光検出用電極210を設けることにより、フォトトランジスタのリセットが可能になり、ブルーミング効果が抑制される。   The emitter contact 207 and the p-type diffusion layer 209 are connected to the infrared light detector side gold bump 212 via the infrared light detection electrode 210 and the wiring 211. By providing the base 205 with the infrared light detection electrode 210 through the p-type diffusion layer 209 electrically connected to the base, the phototransistor can be reset and the blooming effect is suppressed.

また、表面側に配置されたエミッターベース接合と基板側に配置されたベースコレクタ接合に誘起される光応答電流をそれぞれ独立に計測することにより、接合深さの異なる2つのPDを利用して、可視から赤外波長のスペクトル情報を分離して得ることができる。また、光の強度や、必要とするフレーム速度に応じて、フォトダイオードモードと内部増幅作用を有するフォトトランジスタモードを切り替えることが可能である。   In addition, by independently measuring the photoresponse currents induced in the emitter-base junction arranged on the surface side and the base-collector junction arranged on the substrate side, two PDs with different junction depths are used, It can be obtained by separating spectral information from visible to infrared wavelengths. In addition, it is possible to switch between a photodiode mode and a phototransistor mode having an internal amplification function according to the intensity of light and the required frame speed.

更に、赤外検出器200として、フォトダイオード(PD)を用いることも可能である。この場合は、正の印可電圧が使用可能で、素子分離の優れた特許文献4に開示するp型化合物基板上のPD構造が優れている。   Further, a photodiode (PD) can be used as the infrared detector 200. In this case, a positive applied voltage can be used, and the PD structure on the p-type compound substrate disclosed in Patent Document 4 having excellent element isolation is excellent.

ROIC側電極105および赤外線検出用電極210上には、それぞれ高さ15ミクロン程度の金バンプ107およ212が電界メッキにより形成されている。熱圧着プロセス後、ROIC100と赤外検出器200と間隙は、BCB(benzocyclobutene)213で充填され、張り合わせ強度が補強されている。   On the ROIC side electrode 105 and the infrared detection electrode 210, gold bumps 107 and 212 each having a height of about 15 microns are formed by electroplating. After the thermocompression bonding process, the ROIC 100, the infrared detector 200, and the gap are filled with BCB (benzocyclobutene) 213 to reinforce the bonding strength.

マルチスペクトラム光10は、サファイア基板101側から入射され、紫外光および青色側の可視光は、SOSを構成する極薄膜シリコン層からなる紫外PDアレイに、赤色側の可視光および赤外光は、SOS構造を透過し、化合物半導体による赤外光検出器200に吸収される。   The multi-spectrum light 10 is incident from the sapphire substrate 101 side, the ultraviolet light and the visible light on the blue side are applied to the ultraviolet PD array composed of the ultrathin silicon layer constituting the SOS, and the visible light and the infrared light on the red side are It passes through the SOS structure and is absorbed by the infrared photodetector 200 made of a compound semiconductor.

図2は、透明サファイア基板101上のシリコン薄膜により形成されたSOSによる紫外または青色光検出部および読み出し回路の1画素に対応する部分の平面模式図を示す。各画素のピッチは25μmで、中心に紫外または青色フォトダイオード(PD)あるいはフォトトランジスタ104、各画素の周辺にCMOSFET103からなる紫外または青色PDおよびアドレス設定用CMOS回路102、赤外フォトダイオード用読み出し回路111が配置されている。   FIG. 2 is a schematic plan view of a portion corresponding to one pixel of an ultraviolet or blue light detection unit and readout circuit by SOS formed by a silicon thin film on a transparent sapphire substrate 101. Each pixel has a pitch of 25 μm, and an ultraviolet or blue photodiode (PD) or phototransistor 104 at the center, and an ultraviolet or blue PD and address setting CMOS circuit 102 composed of a CMOSFET 103 around each pixel, an infrared photodiode readout circuit 111 is arranged.

紫外または青色フォトダイオード104は、厚さ100nmのp型シリコン薄膜105、i型シリコン薄膜106、およびn型シリコン薄膜107からなる横方向PN接合で構成されている。紫外または青色フォトダイオードの増幅およびアドレス設定用CMOS回路102は、0.25μmルールで製作された4ヶのMOSFET103からなる。紫外または青色フォトダイオード104で誘起された光電流は、CMOS回路102により増幅され、信号処理回路に送出される。   The ultraviolet or blue photodiode 104 is composed of a lateral PN junction composed of a p-type silicon thin film 105, an i-type silicon thin film 106, and an n-type silicon thin film 107 having a thickness of 100 nm. The ultraviolet or blue photodiode amplification and address setting CMOS circuit 102 is composed of four MOSFETs 103 manufactured according to the 0.25 μm rule. The photocurrent induced by the ultraviolet or blue photodiode 104 is amplified by the CMOS circuit 102 and sent to the signal processing circuit.

一方赤外検出器200から検出された光電流は、幅5μm、長さ20μmの金バンプ108から配線109、ROIC側電極110を介して数個のMOSFETからなる赤外検出用読み出し回路111に導かれる。   On the other hand, the photocurrent detected from the infrared detector 200 is guided from the gold bump 108 having a width of 5 μm and a length of 20 μm to the infrared detection readout circuit 111 composed of several MOSFETs via the wiring 109 and the ROIC side electrode 110. It is burned.

図3は、化合物半導体による赤外光検出器200として特許文献3に準じたフォトトランジスタを用いた場合の1画素に対応する部分の平面模式図を示す。エミッタコンタクト207およびベースコンタクト214は、赤外光検出用電極210および配線211を介して幅5μm長さ20μmの赤外光検出器側金バンプ212に接続されている。特許文献3および特許文献4において開示予定の化合物半導体系フォトトランジスタおよびフォトダイオードは、いずれも基板に対してプラス電圧のバイアスで、その電圧は1V程度で動作するため、単一正電源のシリコンROICとの接続が容易である。   FIG. 3 is a schematic plan view of a portion corresponding to one pixel when a phototransistor according to Patent Document 3 is used as the infrared light detector 200 made of a compound semiconductor. The emitter contact 207 and the base contact 214 are connected to the infrared light detector side gold bump 212 having a width of 5 μm and a length of 20 μm via the infrared light detection electrode 210 and the wiring 211. The compound semiconductor phototransistors and photodiodes to be disclosed in Patent Document 3 and Patent Document 4 operate with a positive voltage bias with respect to the substrate, and the voltage operates at about 1 V. Is easy to connect.

SOS-ROICと化合物半導体HPTアレイとの接続には、微細バンプの形成に有利な金の超音波・熱併用圧着プロセスを用いた。金系の熱圧着プロセスは、300℃付近が一般的であるが、プラズマクリーニング処理を加えることにより接着強度を損なうことなく、熱処理温度を下げることができた。(非特許文献9)   For the connection between SOS-ROIC and compound semiconductor HPT array, a gold ultrasonic and thermal pressure bonding process, which is advantageous for forming fine bumps, was used. The gold thermocompression bonding process is generally around 300 ° C., but the heat treatment temperature could be lowered by adding the plasma cleaning treatment without damaging the adhesive strength. (Non-patent document 9)

図4はSOSにおけるROIC機能を説明する回路ブロック図である。透明サファイア基板101上に各画素に対応する紫外または青色検出器兼ROIC100が640x512画素配置されている。ROIC側金バンプ108を介して、化合物半導体による赤外光検出器200を張り合わせる。各行の画素は、行走査回路124により選択された行選択線120により順次選択され、更にそれぞれの列に対応する画像信号は、列選択線121によりAD変換器122に送出される。各画素にラッチ機能を持たせることにより、行選択の順序に応じて、同一開口面上に積層された紫外、可視、赤外光検出器の信号を順番に送出することができる。また、ADC122には、マルチプレクサが付属し、2列からの信号を順番にAD変換する。AD変換された信号は、外部クロックに接続されたタイミング制御回路125に従い、16ビットデータバス123に送出される。AD変換器122には、極低消費電力動作可能なスイッチドキャパシタ方式(非特許文献10)が採用されている。   FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining the ROIC function in the SOS. On the transparent sapphire substrate 101, 640 × 512 pixels of ultraviolet or blue detector / ROIC 100 corresponding to each pixel are arranged. The infrared light detector 200 made of a compound semiconductor is bonded through the ROIC side gold bump 108. The pixels in each row are sequentially selected by the row selection line 120 selected by the row scanning circuit 124, and the image signal corresponding to each column is sent to the AD converter 122 via the column selection line 121. By providing each pixel with a latch function, the signals of the ultraviolet, visible, and infrared photodetectors stacked on the same opening surface can be sent in order according to the order of row selection. Further, the ADC 122 is attached with a multiplexer, and AD-converts signals from two columns in order. The AD converted signal is sent to the 16-bit data bus 123 according to the timing control circuit 125 connected to the external clock. The AD converter 122 employs a switched capacitor system (Non-patent Document 10) capable of operating with extremely low power consumption.

図5は、SOSによるROIC兼紫外光検出器100の下に化合物半導体による赤外検出器200を積層した広帯域撮像素子の模式図を示す。サファイア基板101の回路側とInP基板202の素子側の表面が金バンプ108を介して接合されている。したがってと素子の能動部分は、既にサファイア基板101と化合物基板202に機械的に保護され、その隙間はBCBにより充填されている。パッケージとしては、周辺部分と化合物半導体基板の裏面をシリコン樹脂で保護し、サファイア基板上に表面実装用の端子を形成している。   FIG. 5 is a schematic diagram of a broadband imaging device in which an infrared detector 200 made of a compound semiconductor is stacked under an ROIC and ultraviolet light detector 100 made of SOS. The circuit side of the sapphire substrate 101 and the surface of the InP substrate 202 on the element side are bonded via gold bumps 108. Therefore, the active part of the device is already mechanically protected by the sapphire substrate 101 and the compound substrate 202, and the gap is filled with BCB. As the package, the peripheral portion and the back surface of the compound semiconductor substrate are protected by silicon resin, and terminals for surface mounting are formed on the sapphire substrate.

SOSにおいて、シリコン薄膜の厚さを0.5μm程度に増やすことにより、可視領域に感度を持たせることが可能になる。この場合は、シリコンCMOSによる可視カメラと化合物半導体による赤外カメラが重畳した構成となる。   In SOS, it is possible to increase the sensitivity in the visible region by increasing the thickness of the silicon thin film to about 0.5 μm. In this case, a visible camera made of silicon CMOS and an infrared camera made of a compound semiconductor are superposed.

10 マルチスペクトラム光
100 紫外検出器兼ROIC
101 透明サファイア基板
102 CMOS回路
103 MOSFET
104 紫外または青色PDアレイ
105 p型シリコン薄膜
106 i型シリコン薄膜
107 n型シリコン薄膜
108 金バンプ
109 配線
110 ROIC側電極
111 化合物PD用読み出し回路
120 行選択線
121 列選択線
122 AD変換器
123 データバス
124 行走査回路
125 タイミング制御回路
200 赤外光検出器
201 n型化合物半導体基板用電極
202 n型InP基板
203 n型InPバッファー
204 n-InGaAsコレクター
205 p-InGaAsベース
206 n-InPエミッタ
207 n-InGaAsエミッタコンタクト
208 アイソレーション用溝
209 p型拡散層
210 赤外光検出用電極
211 配線
212 赤外検出器側金バンプ
213 BCB
214 ベースコンタクト
205 p側電極
10 Multispectral light 100 Ultraviolet detector and ROIC
101 Transparent sapphire substrate 102 CMOS circuit 103 MOSFET
104 UV or blue PD array 105 p-type silicon thin film 106 i-type silicon thin film 107 n-type silicon thin film 108 gold bump 109 wiring 110 ROIC side electrode 111 compound PD readout circuit 120 row selection line 121 column selection line 122 AD converter 123 data Bus 124 Row scanning circuit 125 Timing control circuit 200 Infrared light detector 201 Electrode for n-type compound semiconductor substrate 202 n-type InP substrate 203 n-type InP buffer 204 n-InGaAs collector 205 p-InGaAs base 206 n-InP emitter 207 n -InGaAs emitter contact 208 Isolation groove 209 P-type diffusion layer 210 Infrared light detection electrode 211 Wiring 212 Infrared detector side gold bump 213 BCB
214 Base contact 205 p-side electrode

Claims (6)

読み出し回路(ROIC)にシリコンオンサファイア基板(SOS)を使用し、その回路側に化合物半導体からなる光検出器アレイを張り合わせたフォーカルプレーンアレイ(FPA)。   Focal plane array (FPA) in which a silicon-on-sapphire substrate (SOS) is used for the readout circuit (ROIC) and a photodetector array made of a compound semiconductor is bonded to the circuit side. SOSがROICと紫外または青色光検出器を兼ねた請求項1のFPA。   2. The FPA according to claim 1, wherein the SOS doubles as ROIC and an ultraviolet or blue light detector. 化合物半導体からなる光検出器アレイがフォトダイオードから構成される請求項1のFPA。   2. The FPA according to claim 1, wherein the photodetector array made of a compound semiconductor is composed of a photodiode. 化合物半導体からなる光検出器アレイがフォトトランジスタから構成される請求項1のFPA。   2. The FPA according to claim 1, wherein the photodetector array made of a compound semiconductor is composed of a phototransistor. 化合物半導体からなる光検出器アレイが積層された複数のPN接合から構成される請求項1のFPA。   2. The FPA according to claim 1, comprising a plurality of PN junctions in which a photodetector array made of a compound semiconductor is stacked. SOSおよび化合物半導体からなる複数の光検出器が同一光路上に積層され、上記複数の光検出器の出力を独立に検出することが可能な請求項1のFPA。   2. The FPA according to claim 1, wherein a plurality of photodetectors made of SOS and a compound semiconductor are stacked on the same optical path, and outputs of the plurality of photodetectors can be detected independently.
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