JP2014183084A

JP2014183084A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2014183084A
Application number: JP2013055025A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ozaki; 一男尾▲崎▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-29
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: JP6123397B2; US9129880B2; US20140264705A1

Abstract

【課題】効果的に電極間の間隔が広げられる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、所定の波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素の画素信号をそれぞれ生成する複数の第１吸収層と、前記複数の第１吸収層とは異なる波長帯の赤外線を吸収し、前記複数の画素間で共通の画素信号を生成する１以上の第２吸収層と、前記複数の第１吸収層から画素信号をそれぞれ取り出す複数の第１電極と、前記１以上の第２吸収層から画素信号を取り出す第２電極とを有する。
【選択図】図４

Description

本件は、撮像装置に関する。

撮像装置として知られる赤外線撮像デバイスは、入射する赤外線により対象物の表面温度を遠隔位置において非接触で計測し、該対象物の形状の検出などに利用される。赤外線撮像デバイスは、例えば、製造ラインにおける計測装置や制御装置、医療における診断装置、及び、暗視カメラやセンサ装置などの広い用途に用いられている。

赤外線撮像デバイスは、反射鏡やレンズを用いて、入射する赤外線を結像させ、電気的な画素信号に変換することにより画像を取得する。例えば、赤外線センサアレイは、２次元マトリックス状に配置された複数のセンサ素子と、該センサ素子から画素データを読み出す読出回路とを有する。複数のセンサ素子、及び読出回路は、別々の基板に形成され、導電性のバンプを介して互いに接続されている。

センサ素子の基板は、例えばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などにより形成され、他方、読出回路の基板は、シリコン（Ｓｉ）などにより形成される。これらの基板は、互いに材質が異なり、線熱膨張係数が相違するため、フリップチップボンディングにより接合する場合、例えば半田で形成されたバンプを加熱すると、各基板に応力が加わるという問題がある。

したがって、バンプをインジウム（Ｉｎ）などの軟質の金属により形成し、常温の環境下で加圧することにより、一方の基板を他方の基板に押し当てて接合する方法が用いられる。

赤外線撮像デバイスに関し、例えば特許文献１及び非特許文献１には、２つの波長帯の赤外線に対する感度を有する２波長ＱＷＩＰ（Quantum Well Infrared Photodetector）が記載されている。２波長ＱＷＩＰは、２つの波長帯の赤外線をそれぞれ吸収する２つの多重量子井戸（MQW: Multi Quantum Well）層が設けられている。

特開２００９−１６４３０２号公報

「Demonstration of Megapixel Dual-Band QWIP Focal Plane Array」, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, (United States of America), 2010 February, VOL.46, NO.2, p.285

上記の方法によりフリップチップボンディングを行う場合、基板の配置に誤差があると、電極であるバンプが基板の板面に沿った方向にずれてしまい、接続対象のバンプだけでなく、当該バンプに隣接するバンプ（接続対象ではないバンプ）にも接触してしまう。基板の配置に誤差が生ずることは、配置精度に限界があるために不可避である。そこで、各基板においてバンプ間の間隔を広げることにより、問題となるバンプ同士の接触を回避することが望ましい。

例えば、非特許文献１には、１つの画素につき、３つのバンプが設けられた構成と、２つのバンプが設けられた構成とが開示されている（Ｆｉｇ．１参照）。前者の構成は、２つの多重量子井戸層及び３つのコンタクト層が交互に積層され、該３つのコンタクト層に金属配線を介して３つのバンプがそれぞれ接続されたものである。後者の構成は、３つのコンタクト層のうち、バイアス電圧を印加する中間のコンタクト層に接続されるバンプに代えて、共通電極層を設けることにより、バンプ数を削減したものである。後者の構成は、前者の構成よりバンプが１つだけ少ないので、バンプ間の間隔を広げることができる。

また、特許文献１には、１つの画素につき、１つのバンプが設けられた構成が開示されている（図２参照）。この構成は、２つの多重量子井戸層及び３つのコンタクト層が交互に積層され、最上部及び最下部の各コンタクト層に外部からバイアス電圧を印加し、中央のコンタクト層に接続されたバンプから各波長帯の電圧を検出するものである。この構成によると、バンプ数が最少であるので、非特許文献１に開示された構成よりバンプ間の間隔を広げることができる。

しかし、特許文献１に開示された構成は、検出電極であるバンプが、２つの多重量子井戸層間において共用されているので、各多重量子井戸層の信号電流を時分割で交互に検出する必要がある（同文献の段落００２２参照）。このため、特許文献１に開示された構成は、他の構成と比べると、十分な検出時間が得られず、感度が低下するという問題がある。

そこで本件は上記の課題に鑑みてなされたものであり、効果的に電極間の間隔が広げられる撮像装置を提供することを目的とする。

本明細書に記載の撮像装置は、所定の波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素の画素信号をそれぞれ生成する複数の第１吸収層と、前記複数の第１吸収層とは異なる波長帯の赤外線を吸収し、前記複数の画素間で共通の画素信号を生成する１以上の第２吸収層と、前記複数の第１吸収層から画素信号をそれぞれ取り出す複数の第１電極と、前記１以上の第２吸収層から画素信号を取り出す第２電極とを有する。

本明細書に記載の撮像装置は、効果的に電極間の間隔を広げるという効果を奏する。

位置合わせされた２つの基板の側面図である。フリップチップボンディングされた２つの基板の側面図である。実施例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す断面図である。図３に示された上部吸収層及び上部コンタクト層の平面図である。図３に示された下部吸収層、中間コンタクト層、及び下部コンタクト層の平面図である。下部吸収層、中間コンタクト層、及び下部コンタクト層の他例を示す平面図である。上部吸収層及び下部吸収層から取り出される画素信号を示す図である。バンプ間の間隔に関するパラメータを示す図である。バンプのずれに対する各バンプ間距離の変化を示すグラフである。比較例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。撮像装置の製造工程を示す断面図である。他の実施例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。上部吸収層及び下部吸収層から取り出される画素信号を示す図である。比較例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。信号処理回路の機能構成の一例を示す構成図である。

まず、フリップチップボンディングにおいて生ずるバンプ（電極）の位置ずれに関して説明する。図１は、位置合わせされた２つの基板９０，９１の側面図である。

２つの基板９０，９１の一方は、例えば赤外線検知素子が形成されたセンサ基板であり、他方は、該センサ基板から画素データを読み出す読出回路基板である。センサ基板は、例えばヒ化ガリウムで形成され、複数の赤外線検知素子を有している。また、読出回路基板は、赤外線検知素子の画素データを画素信号として処理する信号処理回路を有し、シリコンなどにより形成される。

２つの基板９０，９１は、複数のバンプ９００，９１０がそれぞれ設けられている。各基板９０，９１のバンプ９００，９１０は、インジウムなどの軟質の金属により形成されている。２つの基板９０，９１は、位置合わせされた状態で配置されているが、配置精度の限界のため、板面に沿った方向Ｈにおいて誤差を有する。

図２は、フリップチップボンディングされた２つの基板９０，９１の側面図である。上記の誤差のため、２つの基板９０，９１は、方向Ｈにおいて、位置がずれてしまう。このため、符号ｈに示されるように、各バンプ９００，９１０は、接続対象のバンプ９１０，９００だけでなく、当該バンプに隣接するバンプ９１０，９００、つまり接続対象ではないバンプ９１０，９００にも接触してしまう。

このため、実施例に係る撮像装置は、バンプ間の間隔を広げることが可能な構成を有する。図３は、実施例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。より具体的には、図３は、センサ基板の板面におけるバンプ配置を示す。なお、本実施例において、センサ基板の赤外線撮像素子は、２波長ＱＷＩＰである。

撮像装置は、赤外線撮像素として、アレイ状に配列された複数の画素を有する。複数の画素は、正方形状を有し、複数の組Ｕに分かれている。各組Ｕは、２行×２列に配列された４つの隣接画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２を含む。つまり、撮像装置の平面内には、複数組の画素が配置されている。なお、以降の説明では、複数組のうちの一組Ｕについて述べるが、説明された内容は各組Ｕに共通である。

画素の組Ｕに含まれる各画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２は、各々の中央付近に個別バンプ（第１電極）Ｂ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２がそれぞれ設けられている。個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、４つの画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２の画素信号をそれぞれ取り出す。

また、画素の組Ｕの中央には、４つの画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通の画素信号を取り出す共通バンプ（第２電極）Ｂ_Ｃが設けられている。複数の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、後述する最適な配置間隔を有するように、共通バンプＢ_Ｃを中心として、等間隔に配置されている。各バンプＢ_Ｃ，Ｂ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、上面視で円形状を有し、インジウムなどの軟質の金属により形成されている。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す断面図である。撮像装置は、絶縁基板３、複数の上部コンタクト層２１、中間コンタクト層２０、下部コンタクト層２２、複数の上部吸収層（第１吸収層）１１、及び下部吸収層（第２吸収層）１２を有する。撮像装置は、さらに、表面配線５０、引出配線５２、絶縁膜４、金属膜６０〜６２、複数の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２、共通バンプＢ_Ｃを有する。

絶縁基板３は、絶縁性を有するガリウムヒ素により形成されている。絶縁基板３の上には、下部コンタクト層２２、下部吸収層１２、中間コンタクト層２０、上部吸収層１１、及び上部コンタクト層２１が、この順に積層されている。絶縁基板３は、各層１１，１２，２０〜２２を支持する。

コンタクト層２０〜２２は、ｎ型ＧａＡｓ半導体により形成され、導電性を有する。下部吸収層１２は、下部コンタクト層２２及び中間コンタクト層２０により挟まれ、上部吸収層１１は、中間コンタクト層２０及び上部コンタクト層２１により挟まれている。したがって、コンタクト層２０〜２２は、上部吸収層１１及び下部吸収層１２の電極として機能する。

上部吸収層１１及び下部吸収層１２は、多重量子井戸（MQW）層であり、互いに異なる波長帯の赤外線を吸収する。赤外線の入射時、上部吸収層１１及び下部吸収層１２において、量子井戸内における光吸収により電子が基底準位から励起準位に励起される。そして、電子は、中間コンタクト層２０にバイアス電圧Ｖｂが印加された時、量子井戸外へと取り出され、画素信号となる光電流が発生する。なお、上部吸収層１１及び下部吸収層１２は、このように量子井戸構造を有するものに限定されず、例えば、量子ドットを用いた構造、バルク材料、または超格子層からなる半導体層であってもよい。

絶縁膜４は、シリコン酸化膜などのパッシベーション膜であり、積層体を全体的に覆う。表面配線５０は、画素間の分離溝に沿って形成され、積層体の側面上を積層方向に伸び、金属膜６０を介して中間コンタクト層２０と接続されている。中間コンタクト層２０は、上部吸収層１１及び下部吸収層１２から画素信号をそれぞれ取り出すとき、外部から表面配線５０を介してバイアス電圧Ｖｂが与えられる。

個別バンプＢ_１１，Ｂ_２２は、金属膜６１を介して、複数の上部コンタクト層２１にそれぞれ接続されている。これは、図示されていない個別バンプＢ_１２，Ｂ_２１も同様である。

図５は、図３に示された上部吸収層１１及び上部コンタクト層２１の平面図である。なお、図５において、一点鎖線は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間の境界を示す。

上部吸収層１１及び上部コンタクト層２１は、それぞれ、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに設けられている。言い換えれば、上部吸収層１１及び上部コンタクト層２１は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに、互いに電気的に分離されている。このため、複数の上部吸収層１１は、バイアス電圧Ｖｂの印加時、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２の画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２をそれぞれ生成する。複数の画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、図３の点線で示されるように、複数の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２を介して、それぞれ取り出される。

また、共通バンプＢ_Ｃは、図３に示されるように、金属膜６２、及び、積層方向に伸びるように形成された引出配線５２を介して、下部コンタクト層２２に接続されている。図６は、図３に示された下部吸収層１２、中間コンタクト層２０、及び下部コンタクト層２２の平面図である。なお、図５において、一点鎖線は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間の境界を示す。

下部吸収層１２、中間コンタクト層２０、及び下部コンタクト層２２は、それぞれ、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通である。言い換えれば、下部吸収層１２、中間コンタクト層２０、及び下部コンタクト層２２は、それぞれ、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で同一の電位を有する。このため、下部吸収層１２は、バイアス電圧Ｖｂの印加時、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通の画素信号Ｓ_Ｃを生成する。画素信号Ｓ_Ｃは、図３の点線で示されるように、共通バンプＢ_Ｃを介して取り出される。

図６に示された例では、下部吸収層１２及び中間コンタクト層２０は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通であるため、表面配線５０及び金属膜６０は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通であっても、個別であってもよい。また、図７に示されるように、下部コンタクト層２２のみを共通とし、下部吸収層１２及び中間コンタクト層２０は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに設けられてもよい。この場合、表面配線５０及び金属膜６０は、各下部吸収層１２にバイアス電圧Ｖｂを与えるために、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに設けられる。

本実施例に係る撮像装置によると、複数の上部吸収層１１により、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２が生成され、下部吸収層１２により、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通の画素信号Ｓ_Ｃが生成される。画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２によりそれぞれ取り出され、画素信号Ｓ_Ｃは、１つの共通バンプＢ_Ｃにより取り出される。

したがって、共通バンプＢ_Ｃは、画素の組Ｕごとに設けられれば良く、共通バンプＢ_Ｃの数が低減される。本実施例では、４つの画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２を一組Ｕとしたため、共通バンプＢ_Ｃの数は、共通バンプＢ_Ｃを画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに設けた場合と比べると、４分の１になる。

また、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２と同数分だけ設けられるので、各画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、上記の特許文献１のように時分割で検出されることなく、同時に検出される。このため、本実施例に係る撮像装置によると、感度が低下することがない。

本実施例では、下部吸収層１２が吸収する赤外線から生成される画像の解像度は、画素信号数の差異のため、上部吸収層１１が吸収する赤外線から生成される画像より低い。そこで、下部吸収層１２の画素信号Ｓ_Ｃを、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２にそれぞれ対応する個別の画素信号に変換する処理を行ってもよい。

図８は、上部吸収層１１及び下部吸収層１２から取り出される画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２，Ｓ_Ｃを示す図である。個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２から取り出される画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに個別に得られるので、そのまま画像の形成処理に用いられる。

一方、共通バンプＢ_Ｃから取り出される画素信号Ｓ_Ｃは、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通に得られるため、信号処理回路８により、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとの画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２に変換される。信号処理回路８は、例えば、撮像装置の読出回路基板に設けられている。なお、信号処理回路８の詳細は、後述する。

より具体的には、信号処理回路８は、画素信号Ｓ_Ｃを、複数の画素の画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２の各強度の比に基づいて、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２にそれぞれ対応する個別の画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２に変換する。つまり、画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２の強度は、以下の式（１）〜式（４）により得られる。

Ｓ_Ｃ１１＝Ｓ_Ｃ・Ｓ_１１／（Ｓ_１１＋Ｓ_１２＋Ｓ_２１＋Ｓ_２２）・・・（１）
Ｓ_Ｃ１２＝Ｓ_Ｃ・Ｓ_１２／（Ｓ_１１＋Ｓ_１２＋Ｓ_２１＋Ｓ_２２）・・・（２）
Ｓ_Ｃ２１＝Ｓ_Ｃ・Ｓ_２１／（Ｓ_１１＋Ｓ_１２＋Ｓ_２１＋Ｓ_２２）・・・（３）
Ｓ_Ｃ２２＝Ｓ_Ｃ・Ｓ_２２／（Ｓ_１１＋Ｓ_１２＋Ｓ_２１＋Ｓ_２２）・・・（４）

これにより、下部吸収層１２が吸収する赤外線から生成される画像の解像度を向上することができる。もっとも、各画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２の強度は、式（１）〜式（４）により、ある程度、疑似的に算出されるので、高精度な値とは言い難い。

しかし、画素サイズが小さくなるほど、このような疑似的な算出手段を用いても十分であると考えられる。以下に、その理由について述べる。

赤外線は、赤外線検知素子の表面に結像するとき、回折限界のため、回折現象によるボケ（いわゆる「回折ボケ」）を生ずる。回折ボケにより生ずる光束は、円形状に広がり（いわゆる「ボケの円」）、その直径Ｄ_ｄｉｆｆは、以下の式（５）により得られる。

Ｄ_ｄｉｆｆ＝２．４４λＦ・・・（５）

式（５）において、λは光（赤外線）の波長であり、Ｆは、光学系のＦナンバーである。仮にＦナンバーを２と仮定し、上部吸収層１１及び下部吸収層１２がそれぞれ吸収する赤外線の波長帯を、５（μｍ）（中波長帯）及び１０（μｍ）（長波長帯）と仮定すると、各波長帯の直径Ｄ_ｄｉｆｆは、２４．４（μｍ）及び４８．８（μｍ）と算出される。ここで、画素サイズ（画素の一辺の長さ）は、高解像度化によって、例えば２０（μｍ）程度に縮小されているから、長波長帯の直径Ｄ_ｄｉｆｆは、画素サイズを大きく上回り、画像にボケが生ずる。

したがって、下部吸収層１２が吸収する赤外線の波長帯を、上部吸収層２１が吸収する赤外線の波長帯より長波長側とすることにより、各画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２の強度は、精度の問題を生ずることなく、式（１）〜式（４）により算出される。もっとも、このような算出処理を行わずに、共通バンプＢ_Ｃから取り出される画素信号Ｓ_Ｃを、そのまま画像の形成処理に用いてもよい。この場合、画像形成処理は、下部吸収層１２により吸収される波長帯の赤外線の画素が、上部吸収層１１の波長帯の赤外線の画素の４倍の大きさであるという条件のもとで行われる。つまり、各波長帯の赤外線の解像度の差分を考慮した画像形成処理が行われる。

次に、上述した実施例における各バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_Ｃの最適な配置について説明する。図９は、バンプ間の間隔に関するパラメータを示す図である。

「ａ」は、正方形状の各画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２の一辺の長さを示す。「ｂ」は、共通バンプＢ_Ｃと、共通バンプＢ_Ｃの周囲に等間隔に配置された個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２との中心間距離を示す。なお、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、共通バンプＢ_Ｃを中心として、それぞれ、正方形の頂点となるように配置されている。

「ｃ」は、斜め方向（画素の対角線の方向）において隣同士に位置する画素の組Ｕ間の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２の中心間距離を示す。「ｄ」は、縦方向または横方向において隣同士に位置する画素の組Ｕ間の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２の中心間距離を示す。「ｘ」は、斜め方向における、画素の中心（対角線の交点）からの個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２の中心位置のずれの距離を示す。

図１０は、バンプのずれに対する各バンプ間距離の変化を示すグラフである。グラフの横軸は、ｘ／ａを示し、縦軸は、ｂ／ａ、ｃ／ａ、及びｃ／ａを示す。ｘ／ａに対するｂ／ａ、ｃ／ａ、及びｃ／ａの各変化は、図９に基づいて算出される。

図１０から理解されるように、バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_Ｃの間隔、つまりｂ／ａ、ｃ／ａ、及びｃ／ａの最小値が最も大きくなるときのｘ／ａは、距離ｂ及びｄが同じ値（＝０．８３）となる値（符号Ｐ参照）である。つまり、距離ｂ及びｄは、画素サイズａの８３（％）とすればよい。例えば、画素サイズａ＝２０（μｍ）とすると、ｂ＝１６．６（μｍ）、ｃ＝２３．５（μｍ）、ｄ＝１６．６（μｍ）、ｘ＝２．４（μｍ）となる。

図１１は、比較例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。この比較例は、上記の非特許文献１に記載されているように、１つの画素Ｇ_Ｘに２つのバンプＢ_Ｘ１，Ｂ_Ｘ２が設けられた構成の一例である。画素Ｇ_Ｘは、上面視で正方形状であり、バンプＢ_Ｘ１，Ｂ_Ｘ２。は、該正方形の対角線上において、互いに距離が等しくなるように配置されている。

隣接バンプＢ_Ｘ１，Ｂ_Ｘ２の間隔の最小値は、図１１から算出され、画素サイズ（正方形の一辺の長さ）の７０（％）となる。これに対して、本実施例におけるバンプ間隔の最小値は、上述したように画素サイズａの８３（％）であるため、バンプ間隔が、比較例より１３（％）だけ広い。

また、上記の数値例のように、バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_Ｃの間隔の最小値が１６．６（μｍ）である場合、各バンプの直径を８（μｍ）とすると、フリップチップボンディング（図２参照）におけるずれの許容量は、差分である８．６（μｍ）となる。これに対して、図７に示される比較例では、画素サイズ及びバンプの直径を同じ値とすると、隣接バンプＢ_Ｘ１，Ｂ_Ｘ２の間隔の最小値は、１４．１（μｍ）であるため、該ずれの許容量は、６．１（μｍ）となる。

したがって、本実施例では、ずれの許容量が、比較例に対して４０（％）だけ増加し、フリップチップボンディングにおいて、接続対象でないバンプ同士の接触を効果的に抑制することができる。

次に、上述した撮像装置の製造工程を説明する。図１２〜図１７は、撮像装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図１２に示されるような積層構造を備えたウエハを用意する。積層体は、絶縁基板３に、ｎ型ＧａＡｓ層２ａ、ＭＱＷ層１ａ、ｎ型ＧａＡｓ層２ｂ、ＭＱＷ層１ｂ、及びｎ型ＧａＡｓ層２ｃが、この順に積層されたものである。各ＭＱＷ層１ａ，１ｂは、ｎ型ＧａＡｓ層２ａ〜２ｃにより挟まれている。ＭＱＷ層１ａ，１ｂは、感度を有する赤外線の波長帯に応じて材質が異なる。例えば、ＭＱＷ層１ａの波長帯を中波長帯とし、ＭＱＷ層１ｂの波長帯を長波長帯とする場合、ＭＱＷ層１ａの材質は、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）をベースとし、ＭＱＷ層１ｂの材質は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）をベースとする。

次に、図１３に示されるように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチングにより、積層体に、コンタクト孔７０及び画素分離溝７１を形成する。コンタクト孔７０は、画素の組Ｕの中央付近に、最下部のｎ型ＧａＡｓ層２ａを除く各層１ａ，１ｂ，２ｂ，２ｃを貫通するように形成される。

画素分離溝７１は、センサ素子基板の板面を、画素の組Ｕごとに分離するように形成される。画素分離溝７１の深さは、各層１ａ，１ｂ，２ａ〜２ｃの厚みの合計と同じである。また、画素分離溝７１の幅は、ＭＱＷ層１ｂ及びｎ型ＧａＡｓ層２ｃの高さ区間において、他の区間より広い。

コンタクト孔７０及び画素分離溝７１を形成により、ｎ型ＧａＡｓ層２ａは、下部コンタクト層２２となり、ＭＱＷ層１ａは、下部吸収層１２となる。また、ｎ型ＧａＡｓ層２ｂは、中間コンタクト層２０となり、ＭＱＷ層１ｂは、上部コンタクト層２１となり、ｎ型ＧａＡｓ層２ｃは、上部コンタクト層２１となる。

次に、図１４に示されるように、積層体全体の表面を覆うように絶縁層４を形成する。絶縁層４は、シリコン酸化膜などのパッシベーション膜である。そして、ＲＩＥなどのドライエッチングにより絶縁層４の一部に孔を形成して、該孔部分に金属膜６０〜６２を形成する。絶縁層４は、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの薄膜形成手段により形成され、金属膜６０〜６２は、例えばリフトオフなどの薄膜形成手段により形成される。なお、リフトオフは、レジストによりパタンを形成し、該パタンに金属を蒸着して、その後、レジストを除去することにより、レジストがない部分にだけ金属膜のパタンを形成する手法である。

次に、図１５に示されるように、例えばスパッタなどを用いて金属薄膜を形成した後、ミリングなどのドライエッチング手段により不要部分を除去することにより、表面配線５０及び引出配線５２を形成する。引出配線５２は、コンタクト孔７０の内部において、金属膜６２と接続されて、積層方向に延び、最上部において、積層体の表面に広がるように形成される。また、引出配線５２は、上面視で環状に形成されるが、これに限定されず、他の形状に形成されてもよい。

表面配線５０は、画素分離溝７１を埋めるように形成され、中間コンタクト層２０の段差部分の上部において、金属膜６０と接続される。また、表面配線５０は、バイアス電圧Ｖｂの出力部と接続するため、センサ基板の外周部まで延びるように形成される。

次に、図１６に示されるように、例えば、プラズマＣＶＤ法などを用いて、表面配線５０及び引出配線５２を覆うように、絶縁膜４の膜厚を増加させる。

次に、ＲＩＥなどのドライエッチングを用いて、絶縁膜４のうち、金属膜６１，６２の上部及び引出配線５２の上部に孔を形成し、該孔部分にバンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_Ｃを形成する。バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_Ｃは、例えばリフトオフなどの薄膜形成手段により形成される。このようにして、図４に示される撮像装置は製造される。

上述した実施例において、各画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２は、正方形状を有しているが、これに限定されず、他の形状を有してもよい。図１８は、他の実施例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。

本実施例において、画素の組Ｕ_Ｓは、６個の正三角形状の画素Ｇ_A〜Ｇ_Fを含み、全体として正六角形状を有する。共通バンプＢ_Ｓ及び個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳは、上面視で丸形状を有する。共通バンプＢ_Ｓは、画素の組Ｕ_Ｓの中心位置に設けられており、個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳは、画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの正三角形の中心位置にそれぞれ設けられている。すなわち、個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳは、共通バンプＢ_Ｓを中心として、等間隔に配置されている。なお、この撮像装置の層構成は、図４に示された内容と同様であり、また、製造工程も、図１２〜図１７に示された内容と同様である。

図１９は、上部吸収層１１及び下部吸収層１２から取り出される画素信号を示す図である。６個の個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳは、６つの上部吸収層１１とそれぞれ接続され、６つの上部吸収層１１から画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの画素信号Ｓ_ＦＡ〜Ｓ_ＦＳをそれぞれ取り出す。共通バンプＢ_Ｓは、下部吸収層１２と接続され、下部吸収層１２から画素Ｇ_A〜Ｇ_F間で共通の画素信号Ｓ_Ｏを取り出す。

先の実施例と同様に、個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳから取り出される画素信号Ｓ_ＦＡ〜Ｓ_ＦＳは、そのまま画像の形成処理に用いられる。一方、共通バンプＢ_Ｓから取り出される画素信号Ｓ_Ｏは、図１９に示されるように、信号処理回路８により、画素Ｇ_A〜Ｇ_Fごとの画素信号Ｓ_ＯＡ〜Ｓ_ＯＳに変換される。

この場合、信号処理回路８は、画素信号Ｓ_Ｏを、６つの画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの画素信号Ｓ_ＦＡ〜Ｓ_ＦＳの各強度の比に基づいて、複数の画素Ｇ_A〜Ｇ_Fにそれぞれ対応する個別の画素信号Ｓ_ＯＡ〜Ｓ_ＯＳに変換する。つまり、画素信号Ｓ_ＯＡ〜Ｓ_ＯＳの強度は、以下の式（６）〜式（１１）により得られる。

Ｓ_ＯＡ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＡＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（６）
Ｓ_ＯＢ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＢＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（７）
Ｓ_ＯＣ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＣＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（８）
Ｓ_ＯＤ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＤＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（９）
Ｓ_ＯＥ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＥＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（１０）
Ｓ_ＯＦ＝Ｓ_Ｏ・Ｓ_ＦＳ／（Ｓ_ＡＳ＋Ｓ_ＢＳ＋Ｓ_ＣＳ＋Ｓ_ＤＳ＋Ｓ_ＥＳ＋Ｓ_ＦＳ）・・・（１１）

これにより、先の実施例と同様に、下部吸収層１２が吸収する赤外線から生成される画像の解像度を向上することができる。もっとも、各画素信号Ｓ_ＯＡ〜Ｓ_ＯＳの強度は、式（６）〜式（１１）により、ある程度、疑似的に算出されるので、本実施例においても高精度な値とは言い難い。

しかし、上記の式（５）を用いて述べたように、本実施例においても、画素サイズが小さくなるほど、このような疑似的な算出手段を用いても十分であると考えられる。例えば、各画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの正三角形の一辺の長さを２５（μｍ）とすると、各画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの面積は、２７１（μｍ^２）であり、画素の組Ｕ_Ｓの面積は、１６２４（μｍ^２）である。

一方、中波長帯及び長波長帯のボケの円の直径Ｄ_ｄｉｆｆは、上述したように、式（５）から、２４．４（μｍ）及び４８．８（μｍ）とそれぞれ算出される。このため、長波長帯のボケの円の面積は、１８６９（μｍ^２）となり、画素の組Ｕ_Ｓの面積より大きい。

したがって、下部吸収層１２が吸収する赤外線の波長帯を、上部吸収層２１が吸収する赤外線の波長帯より長波長側とすることにより、各画素信号Ｓ_ＯＡ〜Ｓ_ＯＳの強度は、精度の問題を生ずることなく、式（６）〜式（１１）により算出される。もっとも、このような算出処理を行わずに、共通バンプＢ_Ｓから取り出される画素信号Ｓ_Ｏを、そのまま画像形成処理に用いてもよい。この場合、画像形成処理は、下部吸収層１２により吸収される波長帯の赤外線の画素が、上部吸収層１１の波長帯の赤外線の画素の６倍の大きさであるという条件のもとで行われる。つまり、各波長帯の赤外線の解像度の差分を考慮した画像形成処理が行われる。

また、本実施例では、図１８から理解されるように、個別バンプＢ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳを各画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの正三角形の中心位置に配置することにより、バンプ間隔の最小値が最大化される。このバンプ間隔の最小値は、例えば、各画素Ｇ_A〜Ｇ_Fの正三角形の一辺の長さを２５（μｍ）とすると、１４．４（μｍ）である。このため、バンプの直径を例えば８（μｍ）とすると、フリップチップボンディング（図２参照）におけるずれの許容量は、差分である６．４（μｍ）となる。

一方、図２０は、比較例に係る撮像装置のバンプの配置を示す平面図である。本比較例では、正三角形状の画素Ｇ_Ｚが縦横に配列され、画素Ｇ_Ｚごとに２つのバンプＢ_Ｚ１，Ｂ_Ｚ２が設けられている。バンプＢ_Ｚ１，Ｂ_Ｚ２は、上面視で丸形状を有し、画素Ｇ_Ｚの正三角形の重心線上（点線参照）に配置されている。ここで、隣接する画素Ｇ_ＺのバンプＢ_Ｚ１同士の距離Ｌ１と、同一画素Ｇ_Ｚ内のバンプＢ_Ｚ１，Ｂ_Ｚ２同士の距離Ｌ２は等しい。

比較例において、各画素Ｇ_Ｚの正三角形の一辺の長さを２５（μｍ）とすると、バンプ間隔の最小値は、９．２（μｍ）である。このため、バンプの直径を例えば８（μｍ）とすると、フリップチップボンディングにおけるずれの許容量は、差分である１．２（μｍ）となる。したがって、本実施例の撮像装置によると、ずれの許容量を、比較例に対して５倍以上とすることができる。

図２１は、信号処理回路８の機能構成の一例を示す構成図である。なお、図２１では、画素の組Ｕとして、図３〜図８に示された実施例が示されている。

信号処理回路８は、複数のバッファ８０と、スイッチ８１と、アンプ８２と、演算回路８３とを有する。バッファ８０は、画素の組Ｕごとに設けられ、画素の組Ｕ内の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２及び共通バンプＢ_Ｃと接続されている。バッファ８０は、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２を介して画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２がそれぞれ入力され、共通バンプＢ_Ｃを介して画素信号Ｓ_Ｃが入力される。バッファ８０は、各画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２，Ｓ_Ｃを一時的に蓄積する。

スイッチ８１は、複数の組Ｕのうち、画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２，Ｓ_Ｃの読み出し対象となる組Ｕを選択する。選択は、時分割で順次に行われ、選択の順序は限定されない。選択された画素の組Ｕの画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２，Ｓ_Ｃは、当該バッファ８０からスイッチ８１を介してアンプ８２に入力される。アンプ８２は、画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２，Ｓ_Ｃを増幅する。

演算回路８３は、図８を参照して述べたように、上記の式（１）〜（４）で表される処理を行う。すなわち、演算回路８３は、画素信号Ｓ_Ｃを、複数の画素の画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２の各強度の比に基づいて、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２にそれぞれ対応する個別の画素信号Ｓ_Ｃ１１，Ｓ_Ｃ１２，Ｓ_Ｃ２１，Ｓ_Ｃ２２に変換する。なお、図１８に示された実施例の場合、演算回路８３は、図１９を参照して述べたように、上記の式（６）〜（１１）で表される処理を行う。

これまで述べたように、実施例に係る撮像装置は、複数の上部吸収層１１と、下部吸収層１２と、複数の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２と、共通バンプＢ_Ｃとを有する。複数の上部吸収層１１は、所定の波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２の画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２をそれぞれ生成する。下部吸収層１２は、複数の上部吸収層１１とは異なる波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通の画素信号Ｓ_Ｃを生成する。

複数の個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、複数の上部吸収層１１から画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２をそれぞれ取り出す。共通バンプＢ_Ｃは、下部吸収層１２から画素信号Ｓ_Ｃを取り出す。

本実施例に係る撮像装置によると、複数の上部吸収層１１により、画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２ごとに画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２が生成され、下部吸収層１２により、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２間で共通の画素信号Ｓ_Ｃが生成される。画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２により取り出され、画素信号Ｓ_Ｃは、１つの共通バンプＢ_Ｃにより取り出される。

したがって、共通バンプＢ_Ｃは、複数の画素Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２（つまり画素の組Ｕ）に対して１つ設けられればよく、共通バンプＢ_Ｃの数が低減される。

また、個別バンプＢ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２は、画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２と同数分だけ設けられるので、各画素信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２は、上記の特許文献１のように時分割で検出されることなく、同時に検出される。このため、本実施例に係る撮像装置によると、感度が低下することがなく、効果的にバンプ（電極）間の間隔を広げることができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
（付記１）所定の波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素の画素信号をそれぞれ生成する複数の第１吸収層と、
前記複数の第１吸収層とは異なる波長帯の赤外線を吸収し、前記複数の画素間で共通の画素信号を生成する１以上の第２吸収層と、
前記複数の第１吸収層から画素信号をそれぞれ取り出す複数の第１電極と、
前記１以上の第２吸収層から画素信号を取り出す第２電極とを有することを特徴とする撮像装置。
（付記２）前記１以上の第２吸収層から前記第２電極を介して取り出された画素信号を、前記複数の第１吸収層から前記複数の第１電極を介してそれぞれ取り出された前記複数の画素の画素信号の各強度の比に基づいて、前記複数の画素にそれぞれ対応する個別の画素信号に変換する信号処理回路を、さらに有することを特徴とする付記１に記載の撮像装置。
（付記３）前記１以上の第２吸収層が吸収する赤外線の波長帯は、前記複数の第１吸収層が吸収する赤外線の波長帯より長波長側にあることを特徴とする付記１または２に記載の撮像装置。
（付記４）前記複数の第１電極は、前記第２電極を中心として、等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の撮像装置。
（付記５）前記複数の画素は、平面内に配置された複数組の画素の一組であることを特徴とする付記１乃至４の何れかに記載の撮像装置。
（付記６）前記複数の第１電極及び前記第２電極は、インジウムにより形成されていることを特徴とする付記１乃至５の何れかに記載の撮像装置。

８信号処理回路
１１上部吸収層（第１吸収層）
１２下部吸収層（第２吸収層）
Ｇ_１１，Ｇ_１２，Ｇ_２１，Ｇ_２２，Ｇ_A〜Ｇ_F 画素
Ｕ，Ｕ_Ｓ画素の一組
Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２，Ｓ_Ｃ，Ｓ_ＦＡ〜Ｓ_ＦＳ，Ｓ_Ｏ画素信号
Ｂ_１１，Ｂ_１２，Ｂ_２１，Ｂ_２２，Ｂ_ＡＳ〜Ｂ_ＦＳ個別バンプ（第１電極）
Ｂ_Ｃ,Ｂ_Ｓ共通バンプ（第２電極）

Claims

所定の波長帯の赤外線を吸収し、複数の画素の画素信号をそれぞれ生成する複数の第１吸収層と、
前記複数の第１吸収層とは異なる波長帯の赤外線を吸収し、前記複数の画素間で共通の画素信号を生成する１以上の第２吸収層と、
前記複数の第１吸収層から画素信号をそれぞれ取り出す複数の第１電極と、
前記１以上の第２吸収層から画素信号を取り出す第２電極とを有することを特徴とする撮像装置。
前記１以上の第２吸収層から前記第２電極を介して取り出された画素信号を、前記複数の第１吸収層から前記複数の第１電極を介してそれぞれ取り出された前記複数の画素の画素信号の各強度の比に基づいて、前記複数の画素にそれぞれ対応する個別の画素信号に変換する信号処理回路を、さらに有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記１以上の第２吸収層が吸収する赤外線の波長帯は、前記複数の第１吸収層が吸収する赤外線の波長帯より長波長側にあることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
前記複数の第１電極は、前記第２電極を中心として、等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の撮像装置。