JP2011215046A - 赤外線センサ - Google Patents
赤外線センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011215046A JP2011215046A JP2010084565A JP2010084565A JP2011215046A JP 2011215046 A JP2011215046 A JP 2011215046A JP 2010084565 A JP2010084565 A JP 2010084565A JP 2010084565 A JP2010084565 A JP 2010084565A JP 2011215046 A JP2011215046 A JP 2011215046A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mesa
- photodiode
- area
- infrared sensor
- mesa portion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
【解決手段】基板1上に形成された半導体材料を含む第1メサ部40、第1メサ部40と極性が異なる半導体材料を含む第2メサ部43を含む複数のフォトダイオードを含む赤外線センサを、複数のフォトダイオードの全てについて、フォトダイオードが占有する基板面積SWと、第1メサ部40と第2メサ部43との接触面積S12とが、0.7≦(S12/SW)≦0.98の関係になるように構成する。
【選択図】 図5
Description
上記の波長帯で動作するセンサには、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサにおいて高感度を実現するためには、受光部と光の入射窓部との間に中空領域を設ける必要がある。中空領域を有する構造は、センサの小型化を制限することになる。焦電センサやサーモパイルよりも小型化に有利な赤外センサとして、量子型(光起電力型)の赤外線センサがある。
化合物半導体センサにおいて、非冷却、小型でありながら高いS/N比が得られる人感センサを提供することを目的にした発明が特許文献1に記載されている。特許文献1に記載された発明では、平面状に半導体型センサを多数配置し、各半導体型センサを多段に直列接続して出力を取り出している。
例えば、特許文献2に記載されている発明は、固体撮像素子を小型化、高画素化しながら、感度の低下や垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の減少を抑えることを目的にしてなされている。この発明では、隣接する受光素子垂直列にある受光素子の位置を垂直方向に配置の2分の1ピッチずらし、各受光素子の形状を垂直方向に対し略45度傾斜した4辺を含む多角形とすることにより、解像度向上及び実質的開口率を向上させる方法が記載されている。
さらに、特許文献4には、画素を構成するフォトダイオードを略正八角形状とし、それを千鳥配置とすることにより、解像度の向上とともにモアレ干渉を抑制することが記載されている。
また、赤外領域に感度を有する半導体素子は、もとよりバンドギャップエネルギーが小さく、室温環境下では低抵抗となり易い。このため、P−N接合側壁のリーク電流の増加を招きやすい。その結果、単一素子の形状についてはできるだけ受光面積に対する周囲長を短くし、各素子の配置については基板の一方の面に2端子を形成して直列接続できるように最適化する必要がある。しかし、CCDの従来の配置ではこのような目的を達成するのは困難である。
ところで、センサによって検出された信号を処理する信号処理回路で発生するノイズは、センサ側の抵抗成分に依存することが知られている。例えば、入力換算電圧ノイズが20nVRMS/Hz1/2(ここではVRMS/Hz1/2はノイズの単位)である既存のOPアンプを信号処理回路の初段のアンプとして利用した場合、センサ側のインピーダンスを100〜200kΩとしたときに最大のS/N比が得られる。システム全体のS/N比は基本的に初段アンプのS/N比で決まる。このため、信号処理回路のS/N比を最大にするには、初段アンプの出力のS/N比を最大にする必要がある。
本発明は、以上の点に鑑みて行われたものであって、微弱な赤外線光を高感度、高S/N比で検出することができる赤外線センサを提供することを目的とする。
また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記第1メサ部と前記基板との接触面が4角形状を有し、前記第1メサ部と前記第2メサ部との接触面の形状が5角形状であることがさらに好ましい。
また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記第1メサ部、前記第2メサ部は少なくともIn、Sbのいずれかを含む化合物半導体から構成され、前記第2のメサ部が拡散電流を抑制するためのバリア層を含むことがさらに好ましい。
また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記パッド形成に必要な基板面積の横と縦の一辺をLPAD1とLPAD2、前記フォトダイオードの面積をaPDとの間に、LPAD1=α×k×aPD1/2(α=98〜100%、k=1、2、3・・・の整数)及びLPAD2=β×w×aPD1/2(β=98〜100%、w=1、2、3・・・の整数)、の関係があることがさらに好ましい。
(一般的な赤外線センサ)
ここでは、本実施形態の赤外線センサと比較するため、実施形態の説明に先立って、一般的な赤外線センサについて説明する。
図1は、一般的な量子型赤外線センサを説明するための図であって、量子型赤外線センサの受光部の断面を示している。
受光部は、例えば半導体基板であるGaAs基板1上に設けられた複数のフォトダイオード9によって構成されている。複数のフォトダイオード9は、各々がInSb系の量子型pinフォトダイオードであって、互いに直列に接続されている。フォトダイオード同士を接続する配線47は、一層の金属配線等である。図中に示したIは、赤外線光を示している。
γ=SJ /SPD …式(1)
ここでは、フォトダイオードの総数をnとした場合、SPD=n×aPD(aPDは単一フォトダイオードの絶縁部込みの面積)で、SJ=n×aJ(aJは単一フォトダイオードの受光部の面積)となる。本発明の実施形態では、後述するように、受光面aJは単一フォトダイオードの第1メサ部と第2メサ部の界面となるので望ましい。
多数のフォトダイオードを基板上に配置し、フォトダイオード同士を直列接続する場合、単一フォトダイオードの形状によって、配置の最適な方法が異なってくる。
また、本実施形態の赤外線センサでは、各フォトダイオードが所有する基板面積SWと、各フォトダイオードの受光機能を持つ受光面積S12の比を0.7≦(S12/SW)≦0.98にすることによって、これまで実現できなかった高S/N比が実現できる。センサの感度はこのS12/SWに比例するため、S12/SWの値は高い程好ましい。電気絶縁用の部分を最小限にすることによって、S12/SWが拡大でき、0.75≦(S12/SW)≦0.98よりも、0.8≦(S12/SW)≦0.98は好ましい設計となる。
図3は、本実施形態の赤外線センサの概観を説明するための図である。図示した赤外線センサは、パッド81、パッド82を有し、パッド81、82間には後述する10個のフォトダイオードが接続されている。各フォトダイオードは四角い形状を持っていて、四角いチップに簡単に配置することができる。
また、本実施形態の赤外線センサは、フォトダイオード同士を接続するために、配線47が設けられている。配線47には、Au、Pt、Ti、Ge、Al等の金属が用いられる。配線47の具体的な例としては、Au/Pt/Ti(Tiは半導体部と接触する)、もしくはAu/Pt(Ptは半導体部と接触する)構造が挙げられる。Auを用いることによって、フォトダイオード間の寄生抵抗が抑えられる。ここでは、2つのパッド81、パッド82を配線47と同時に形成することにより、パッド及び配線の製造効率を高めることができる。
なお、本実施形態では、2個のパッド81、82間に10個のフォトダイオードを接続した例を示したが、実際のセンサでは基板サイズや膜の抵抗によって、最適なフォトダイオードの数nが相違する。この詳細については後述する。
ところで、半導体デバイスの製造プロセスでは四角い基板を利用することは一般的である。その理由は、デバイスがウエハー上で製造された後、ダイシング工程で四角い形状にダイシングされるからである。
本実施形態では、フォトダイオードの第1メサ部40を基板1の形状に合わせて四角形状とし、また、複数のフォトダイオードを図1に示すように配置したことによって基板の無駄な面積が少なくなって最大の充填率が得られる。
図5(a)〜(d)は、本実施形態の赤外線検出素子であるフォトダイオードを説明するための図である。図5(a)はフォトダイオードの平面図、図5(b)は図5(a)に示したフォトダイオードの図5(a)中に示した破線A−A’に沿う断面図である。図5(b)は、図5(a)に示したフォトダイオードの図5(a)中に示した破線B−B’に沿う断面図である。
前記したように、N層50はInSbであり、π層51はノンドープの化合物半導体層である。また、バリア層52はAlInSb、P層はInSbにP型の不純物が高濃度にドーピングして構成されている。
本発明では、第1メサ部40のコンタクト孔41を含む第1メサ部のコンタクト部101は受光感を持たないため、最小にするのが望ましい。一方、第2メサ部43のコンタクト孔44は受光感度を持つPIN構造上に形成され、受光部の面積が大きくなる程、コンタクト孔も大きくできる。
第1メサ部40、第2メサ部43はいずれも半導体材料を含んでいる。第1メサ部40、第2メサ部43はフォトダイオードを構成し、このフォトダイオードは受光素子として機能する。図5(a)の平面図に示した第2メサ部43の領域が受光部となる。
前記したように基板上の受光部の充填率を100%にするのは不可能であるが、上記した本実施形態の受光部の充填率を最大限まで高めることにより、S/N比が高い信号が得られる赤外線センサデバイスが実現できる。第1メサ部40にはコンタクト孔41が必要であるが、最大のS/N比を実現するにはコンタクト孔41を小さくする必要がある。具体的な寸法は製造加工精度によるが、例えば、コンタクト孔41の直径は0.5μm〜5μmが適切である。
本実施形態では、単一のフォトダイオードにおいて、フォトダイオードが占める基板の面積(絶縁に必要な部分を含む)をaPDで示す。また、第1メサ部40と第2メサ部43との界面の接触面積をa12で示す。そして、従来よりも高S/N比の出力信号を実現するため、0.6≦(a12/aPD)≦0.98とする。そうすることにより、基板の無駄な面積を最小限にでき、高いS/N比の出力信号が得られる赤外線センサを実現することができる。
また、aJは受光機能を持つフォトダイオードの接合部の面積を示す。一般的にはaJ≦a12であるが、センサの最大の出力を得るには、aJは大きいほど好ましい。aJとa12との関係はセンサの積層膜によるが、本実施形態ではa12はフォトダイオードの第1メサ部と第2メサ部の界面を示し、界面が受光面の面積aJに一致するので、最も好ましい形状となる。
出力信号が高S/N比のフォトダイオードを実現するための他の要素は、フォトダイオードの直列寄生抵抗である。直列寄生抵抗の値が小さいほど、半導体とメタル配線47との間で発生する電圧降下を低減し、外部に取り出せる光電流が増える。また、開放電圧を取り出す場合、熱雑音が低減できるため、寄生抵抗は小さいほど好ましい。そのため、高性能のフォトダイオードの実現には寄生直列抵抗の値を最小にする必要がある。
RC1=rc1×Sc1 …式(2)
RC2=rc2×Sc2 …式(3)
上記の条件を満たすには、メタル配線47に接触する半導体層の不純物濃度を高くし、さらに、メタル配線形成時に、界面の酸化膜を除去する工程が必要である。また、EB蒸着もしくは、スパッタ時に、材料源の十分なクリーニングが必要となる。
具体的には、図5に示した本実施形態において、デバイス製造時に材料源の十分なクリーニングをした場合、p−InSbとTiの接触抵抗は約117Ω/μm2となり、n−InSbとTiとの接触抵抗が6Ω/μm2となる。フォトダイオードの受光面積を520〜2080μm2とすると、フォトダイオードの全体の抵抗r0が90〜500Ωとなる。p−InSbのコンタクト面積に受光部の面積を利用して、また、n−InSbとメタルとの接触面積をφ3μmの孔を想定した場合、n−InSb/メタルとp−InSb/メタルのコンタクト抵抗成分の総合抵抗成分(RC1+RC2)がフォトダイオードの全体の抵抗のr0の3%以下実現することができる。
また、本実施形態において最大の充填率を実現するには、第1メサとメタルの接触用のコンタクト部101を最少にするのは望ましい。こうすることにより、縮小した面積をPIN構造へ変えることによって、最大の面積充填率と共に、最大のS/N比が実現できる。
一方、微弱の信号を増幅する低ノイズのOPアンプでは、入力換算ノイズが20nVRMS/Hz1/2となる。図8に示すような回路構成を用いれば、赤外線センサの出力電流を電圧に変換し、増幅することができる。しかし、アンプの入力に接続される赤外線センサの内部抵抗によって、アンプの出力に表れるノイズが変化する。
また、本実施形態では、センサの設計に当たって、回路(アンプ)の特性を考量した設計方法を提供する。具体的には、赤外線センサの抵抗が100〜200kΩのとき、出力電流の感度が最大になるものとする。そのため、第1メサ部40の平面形状を4角形で、第1メサ部40上に形成される第2メサ部43の平面形状を5角形とする。なお、第1メサ部40、第2メサ部43の角部の形状は、図4で説明したように、丸めても良いし、角部に角を設けるように(多角形に)してもよい。
また、第2メサ部43のコンタクト孔44は、第2メサ部43の形状に合わせて5角形にしても良いし、図5で示したように円形状にしても良い。
本実施形態によれば、材料の抵抗や回路のノイズ特性に応じて、第1メサ部40のコンタクト孔41の大きさを最小限の一定値にしながら、図11に示すように、受光部102の面積が自由に変えられ、フォトダイオードの設計が簡易になる。
図13は、本実施形態の第1メサ部40、第2メサ部43をInSb系の半導体として構成されたフォトダイオードの出力信号のS/N比とフォトダイオードの数nとの関係を説明するための図である。図13の横軸はフォトダイオードの数、縦軸は出力信号のS/N比を示している。
膜構造を変えて、膜抵抗を変えた場合、あるいは基板のサイズAPDを変えた場合、フォトダイオードの数の最適値も変化する。
一般的には、400≦r0APD/RFILM≦600という条件を満足させることにより、システムにおいて最大のS/N比を持った出力信号が得られる。
40 第1メサ部
41、44 コンタクト孔
43 第2メサ部
48 絶縁層
47 メタル配線
81、82 パッド
9 フォトダイオード
101 第1メサ部のコンタクト部
102 受光部
Claims (6)
- 基板上に形成された半導体材料を含む第1メサ部と、当該第1メサ部と極性が異なる半導体材料を含む第2メサ部とを含む複数のフォトダイオードを含む赤外線センサであって、
前記複数のフォトダイオードの全てについて、前記フォトダイオードが占有する基板面積SWと、前記第1メサ部と前記第2メサ部との接触面積S12との間に、
0.7≦(S12/SW)≦0.98
の関係があることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記フォトダイオードのうち1つの単一フォトダイオードが占有する基板面積aPDが、前記単一フォトダイオードの前記第1メサ部と第2メサ部と接触面積a12との間に、
0.6≦(a12/aPD)≦0.98
の関係があることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。 - 前記第1メサ部と前記基板との接触面が4角形状を有し、前記第1メサ部と前記第2メサ部との接触面の形状が5角形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の赤外線センサ。
- 前記第1メサ部、前記第2メサ部は少なくともIn、Sbのいずれかを含む化合物半導体から構成され、前記第2のメサ部が拡散電流を抑制するためのバリア層を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
- 前記配線と電気的に接続される少なくとも2つのパッドをさらに備え、
前記第1メサ部と前記配線との単位面積あたりの接触抵抗rc1と、前記第2メサ部と前記配線との単位面積あたりの接触抵抗rc2との間に、
rc1/rc2≦1/5の関係があり、
前記フォトダイオードの抵抗r0と、前記配線と前記第1メサ部との接触面積Sc1と、前記配線と前記第2メサ部との接触面積Sc2との間に、
r0>5(Sc1・rc1+Sc2・rc2)の関係があることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の赤外線センサ。 - 前記パッド形成に必要な基板面積の横と縦の一辺をLPAD1とLPAD2、前記フォトダイオードの面積をaPDとの間に、LPAD1=α×k×aPD 1/2(α=98〜100%、k=1、2、3・・・の整数)及びLPAD2=β×w×aPD 1/2(β=98〜100%、w=1、2、3・・・の整数)の関係があることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010084565A JP5503380B2 (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 赤外線センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010084565A JP5503380B2 (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 赤外線センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011215046A true JP2011215046A (ja) | 2011-10-27 |
JP5503380B2 JP5503380B2 (ja) | 2014-05-28 |
Family
ID=44944927
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010084565A Active JP5503380B2 (ja) | 2010-03-31 | 2010-03-31 | 赤外線センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5503380B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016090243A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 三菱電機株式会社 | 磁気式位置検出装置 |
CN114520268A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11287708A (ja) * | 1998-02-17 | 1999-10-19 | Hewlett Packard Co <Hp> | 電気回路 |
JP2007081225A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ、および、その製造方法 |
JP2008066584A (ja) * | 2006-09-08 | 2008-03-21 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 光センサ |
-
2010
- 2010-03-31 JP JP2010084565A patent/JP5503380B2/ja active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11287708A (ja) * | 1998-02-17 | 1999-10-19 | Hewlett Packard Co <Hp> | 電気回路 |
JP2007081225A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ、および、その製造方法 |
JP2008066584A (ja) * | 2006-09-08 | 2008-03-21 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 光センサ |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016090243A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 三菱電機株式会社 | 磁気式位置検出装置 |
CN114520268A (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-20 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
CN114520268B (zh) * | 2020-11-19 | 2024-01-30 | 无锡华润微电子有限公司 | 光电二极管单元及光电二极管阵列 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5503380B2 (ja) | 2014-05-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11888003B2 (en) | Photodetector | |
US6552320B1 (en) | Image sensor structure | |
JP2007081225A (ja) | 赤外線センサ、および、その製造方法 | |
US8916945B2 (en) | Semiconductor light-detecting element | |
JP4924617B2 (ja) | 固体撮像素子、カメラ | |
US10431613B2 (en) | Image sensor comprising nanoantenna | |
US8212327B2 (en) | High fill-factor laser-treated semiconductor device on bulk material with single side contact scheme | |
US9685477B2 (en) | Two-terminal multi-mode detector | |
WO2012161747A1 (en) | Passivated upstanding nanostructures and methods of making the same | |
JP5503380B2 (ja) | 赤外線センサ | |
JP5917233B2 (ja) | 受光強度演算デバイス及び位置検出デバイス | |
TWI806960B (zh) | 光檢測裝置 | |
JP6466668B2 (ja) | 赤外線センサ装置 | |
JP5766145B2 (ja) | 赤外線センサアレー | |
US10121819B2 (en) | Phototransistor having E-B junction and B-C junction are in direct physical contact and completely encapsulated only by the emitter, the collector and a dielectric | |
JP2013501364A (ja) | 高効率のcmos技術に適合性のあるシリコン光電子倍増器 | |
JP5859357B2 (ja) | 光センサ | |
JP2020167248A (ja) | 固体撮像素子 | |
US20240088194A1 (en) | Simultaneous dual-band systems and methods | |
TWI795588B (zh) | 一種紫外光影像感測器 | |
WO2023281856A1 (ja) | 受光装置およびx線撮像装置ならびに電子機器 | |
US8294232B2 (en) | High quantum efficiency optical detectors | |
US20240321922A1 (en) | Pixel, pixel array, and image sensors including the pixel | |
WO2019180898A1 (ja) | 固体撮像素子 | |
KR20240000482A (ko) | 수광 소자 및 x선 촬상 소자 그리고 전자 기기 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121213 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130826 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130903 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140311 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140314 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5503380 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |