JP2015142110A - Image sensor and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To allow for detection of only an optical signal having a wavelength corresponding to only one MQW layer out of a lower MQW layer and an upper MQW layer, and easy and reliable separation of two optical signals each having a different wavelength, by a relatively simple configuration.SOLUTION: In each pixel 10, a first photoconductor type element is constituted to include a lower MQW layer 2 and a lower contact layer 4 and an intermediate contact layer 5 sandwiching the same, and a second photoconductor type element is constituted to include an upper MQW layer 3 and an intermediate contact layer 5 and an upper contact layer 6 sandwiching the same. The first photoconductor type element includes a first barrier layer 7, i.e., a semiconductor layer of a material having a forbidden band wider than the lower MQW layer 2 between the lower MQW layer 2 and the intermediate contact layer 5, and the second photoconductor type element includes a second barrier layer 8, i.e., a semiconductor layer of a material having a forbidden band wider than the upper MQW layer 3 between the intermediate contact layer 5 and the upper MQW layer 3.

Description

本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an image sensor and a manufacturing method thereof.

赤外線イメージセンサには、2つの異なる波長域の光信号を電気信号(光電流信号)に変換するセンサ部と駆動回路によって構成されるイメージセンサ(以下、2波長赤外線イメージセンサと言う。)がある。一般的にセンサ部は、多数配列した画素によって構成され、各画素は光電変換素子を持つ。光電変換素子として、例えば量子井戸型赤外線検知器(QWIP:Quantum Well Infrared Photodetector)がある。QWIPは外部回路と接続されるコンタクト層と、光信号を電気信号に変換する多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)層とを備えて構成される。   An infrared image sensor includes an image sensor (hereinafter referred to as a two-wavelength infrared image sensor) configured by a sensor unit that converts optical signals in two different wavelength ranges into electrical signals (photocurrent signals) and a drive circuit. . In general, the sensor unit is composed of a large number of pixels, and each pixel has a photoelectric conversion element. As a photoelectric conversion element, for example, there is a quantum well infrared detector (QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector). The QWIP includes a contact layer connected to an external circuit and a multi-quantum well (MQW) layer that converts an optical signal into an electric signal.

2波長赤外線イメージセンサとして、例えば、検出波長域の異なる2つのQWIPにより各画素を構成したイメージセンサがある。
典型的な2波長赤外線イメージセンサの画素の概略構成を図6に示す。
各画素100は、GaAs基板101上に、下部MQW層102及び上部MQW層103と、下部コンタクト層104、中間コンタクト層105、及び上部コンタクト層106とを備えて構成されている。下部コンタクト層104、中間コンタクト層105、及び上部コンタクト層106には、配線108a,108b,108cを介して電極109a,109b,109cが電気的に接続され、駆動回路110に接続されている。配線108a,108bは、絶縁層107により必要な電気的絶縁が確保されている。配線108cは、絶縁層107に形成された開口107aを通じて上部コンタクト層106と接続されている。
As a two-wavelength infrared image sensor, for example, there is an image sensor in which each pixel is configured by two QWIPs having different detection wavelength ranges.
A schematic configuration of a pixel of a typical two-wavelength infrared image sensor is shown in FIG.
Each pixel 100 includes a lower MQW layer 102 and an upper MQW layer 103, a lower contact layer 104, an intermediate contact layer 105, and an upper contact layer 106 on a GaAs substrate 101. Electrodes 109 a, 109 b, and 109 c are electrically connected to the lower contact layer 104, the intermediate contact layer 105, and the upper contact layer 106 through wirings 108 a, 108 b, and 108 c, and are connected to the drive circuit 110. The wirings 108 a and 108 b have necessary electrical insulation by the insulating layer 107. The wiring 108 c is connected to the upper contact layer 106 through the opening 107 a formed in the insulating layer 107.

この2波長赤外線イメージセンサでは、3つの電極109a,109b,109cを介して、下部MQW層102又は上部MQW層103による光電流信号を個別に読み出す。この場合、電極109b及び中間コンタクト層を介して、下部MQW層103及び上部MQW層103にバイアス電圧を印加する。第1スイッチ110aをオンにし、第2スイッチ110bをオフにして、電極109aを介して下部MQW層102からの光電流信号を読み出すようにされている。また、第1スイッチ110aをオフにし、第2スイッチ110bをオンにして、電極109cを介して上部MQW層103からの光電流信号を読み出すようにされている。   In this two-wavelength infrared image sensor, photocurrent signals from the lower MQW layer 102 or the upper MQW layer 103 are individually read out through the three electrodes 109a, 109b, and 109c. In this case, a bias voltage is applied to the lower MQW layer 103 and the upper MQW layer 103 via the electrode 109b and the intermediate contact layer. The first switch 110a is turned on, the second switch 110b is turned off, and the photocurrent signal from the lower MQW layer 102 is read through the electrode 109a. Further, the first switch 110a is turned off and the second switch 110b is turned on, so that the photocurrent signal from the upper MQW layer 103 is read out through the electrode 109c.

以上の2波長赤外線イメージセンサにおいて、画素数を多くして、より高精細な画像を取得できるようにしたいという需要がある。全体のサイズを一定程度に収めるために、各画素の占有面積を小さくすることが行われる。しかしながら、駆動回路に接続するための電極が各画素に3つあることから、各画素の微細化は困難である。   In the above two-wavelength infrared image sensor, there is a demand for increasing the number of pixels so that a higher-definition image can be acquired. In order to keep the overall size at a certain level, the area occupied by each pixel is reduced. However, since each pixel has three electrodes for connection to the drive circuit, it is difficult to miniaturize each pixel.

各画素の小型化を実現する工夫をした2波長赤外線イメージセンサの概略構成を図7に示す。
各画素200は、GaAs基板201上に、下部MQW層202及び上部MQW層203と、全画素200に共通の下部コンタクト層204、中間コンタクト層205、及び上部コンタクト層206とを備えて構成されている。
FIG. 7 shows a schematic configuration of a two-wavelength infrared image sensor that is devised to reduce the size of each pixel.
Each pixel 200 includes a lower MQW layer 202 and an upper MQW layer 203 on a GaAs substrate 201, and a lower contact layer 204, an intermediate contact layer 205, and an upper contact layer 206 common to all the pixels 200. Yes.

中間コンタクト層205には、配線208を介して出力電極211が電気的に接続され、駆動回路210に接続されている。全画素200に共通の下部コンタクト層204には、複数の画素200の一端に設けられた端部構造200aに形成された配線209aを介して第1共通電極212が電気的に接続され、駆動回路210に接続されている。第1共通電極212にはバイアス電圧VBが印加される。各上部コンタクト層206には、複数の画素200の他端に設けられた端部構造200bに形成された配線209bを介して第2共通電極213が電気的に接続され、駆動回路210に接続されている。第2共通電極213にはバイアス電圧VAが印加される。配線208,209a,209bは、絶縁層207により必要な電気的絶縁が確保されている。配線208は、絶縁層207に形成された開口207bを通じて中間コンタクト層205と接続されている。配線209bは、絶縁層207に形成された開口207aを通じて上部コンタクト層206と接続されている。 An output electrode 211 is electrically connected to the intermediate contact layer 205 via a wiring 208 and is connected to the drive circuit 210. A first common electrode 212 is electrically connected to the lower contact layer 204 common to all the pixels 200 via a wiring 209 a formed in an end structure 200 a provided at one end of the plurality of pixels 200, and the driving circuit 210. A bias voltage V B is applied to the first common electrode 212. A second common electrode 213 is electrically connected to each upper contact layer 206 via a wiring 209 b formed in an end structure 200 b provided at the other end of the plurality of pixels 200, and is connected to the drive circuit 210. ing. A bias voltage V A is applied to the second common electrode 213. The wirings 208, 209 a, and 209 b are provided with necessary electrical insulation by the insulating layer 207. The wiring 208 is connected to the intermediate contact layer 205 through an opening 207 b formed in the insulating layer 207. The wiring 209 b is connected to the upper contact layer 206 through the opening 207 a formed in the insulating layer 207.

この場合、下部コンタクト層204及び上部コンタクト層206に接続される電極212,213は、多数配列された全画素200を接続する共通電極とされている。このような構成により、各画素200に対して出力電極211を1つ形成すれば良いことになり、各画素の微細化が実現する。   In this case, the electrodes 212 and 213 connected to the lower contact layer 204 and the upper contact layer 206 are common electrodes that connect all the pixels 200 arranged in large numbers. With such a configuration, it is only necessary to form one output electrode 211 for each pixel 200, and miniaturization of each pixel is realized.

特開2011−211019号公報JP 2011-211019 A 特表2008−211019号公報Special table 2008-211019 gazette 特開2000−188407号公報JP 2000-188407 A 特開2010−192815号公報JP 2010-192815 A

Proc. of SPIE vol.5783, 804Proc. Of SPIE vol.5783, 804

図7の2波長赤外線イメージセンサでは、第1及び第2共通電極212,213に適当なバイアス電圧を印加し、出力電極211から光電流信号を読み出す。例えば、第1共通電極212と出力電極211との間に電圧を印加し、第2共通電極213には出力電極211と同電位になるように電位を与える。すると、下部MQW層202はバイアスされて光電流信号を発生するが、上部MQW層203はバイアスされないために光電流信号を発生しない。このため、トランジスタ210aにより、下部MQW層202による光電流信号のみを出力電極211を介して読み出すことができる。   In the two-wavelength infrared image sensor of FIG. 7, an appropriate bias voltage is applied to the first and second common electrodes 212 and 213, and a photocurrent signal is read from the output electrode 211. For example, a voltage is applied between the first common electrode 212 and the output electrode 211, and a potential is applied to the second common electrode 213 so as to be the same potential as the output electrode 211. Then, the lower MQW layer 202 is biased to generate a photocurrent signal, but the upper MQW layer 203 is not biased and therefore does not generate a photocurrent signal. Therefore, only the photocurrent signal from the lower MQW layer 202 can be read out via the output electrode 211 by the transistor 210a.

逆に、第2共通電極213と出力電極211との間に電圧を印加し、第1共通電極212には出力電極211と同電位になるように電位を与える。すると、上部MQW層203はバイアスされて光電流信号を発生するが、下部MQW層202はバイアスされないために光電流信号を発生しない。このため、トランジスタ210aにより、上部MQW層203による光電流信号のみを出力電極211を介して読み出すことができる。
以上のようにして、各MQW層からの光電流信号を個別に読み出すことができる。各MQW層が異なる波長帯の光に感度を持つように構成すれば、波長域の異なる2波長の光信号を個別に検出することができる。
Conversely, a voltage is applied between the second common electrode 213 and the output electrode 211, and a potential is applied to the first common electrode 212 so as to be the same potential as the output electrode 211. Then, the upper MQW layer 203 is biased to generate a photocurrent signal, but the lower MQW layer 202 is not biased and therefore does not generate a photocurrent signal. Therefore, only the photocurrent signal from the upper MQW layer 203 can be read out via the output electrode 211 by the transistor 210a.
As described above, the photocurrent signals from the respective MQW layers can be individually read out. If each MQW layer is configured to be sensitive to light in different wavelength bands, it is possible to individually detect optical signals of two wavelengths having different wavelength ranges.

ここで、一方のMQW層をバイアスして光電流信号を発生させ、他方のMQW層にはバイアスせず光電流信号を発生されないためには、出力電極と他方のMQW層を介した共通電極との電位が一致する必要がある。この電位が一致しない場合、生じた電位差による素子電流がノイズとして光電流信号に乗ることに加え、他方のMQW層が感度を持つ波長帯の光入射に対して応答してしまい、2波長の光信号を十分に分離することができない。   Here, in order to bias one MQW layer to generate a photocurrent signal and not bias the other MQW layer to generate a photocurrent signal, the output electrode and the common electrode through the other MQW layer Must match. If this potential does not match, the device current due to the generated potential difference is added to the photocurrent signal as noise, and the other MQW layer responds to light incidence in a wavelength band with sensitivity, and light of two wavelengths The signal cannot be separated sufficiently.

一般的に、光電流信号を読み出すための出力電極には、直接には電位を与えられない。図8は、2波長赤外線イメージセンサについての概略的な回路図である。出力電極の電位Vsは、駆動回路のトランジスタのゲート電位VIGと、トランジスタを流れるドレイン電流とによって間接的に決定される。外部から任意に設定できる電位は、2つの共通電極の電位VA及びVB、並びにトランジスタのゲート電位VIGである。 Generally, a potential cannot be directly applied to an output electrode for reading a photocurrent signal. FIG. 8 is a schematic circuit diagram of a two-wavelength infrared image sensor. The potential Vs of the output electrode is indirectly determined by the gate potential VIG of the transistor in the driver circuit and the drain current flowing through the transistor. Potentials that can be arbitrarily set from outside are the potentials V A and V B of the two common electrodes, and the gate potential VIG of the transistor.

2波長赤外線イメージセンサに含まれる多数の配列された画素について、各画素のMQW層の特性はそれぞれ全く同じではなく、画素毎にいくらかの違いがあるのが一般的である。この場合、各画素に対して同じ電位VA、VB、VIGを与えても、MQW層の特性の違いから流れる電流が異なり、出力電極の電位Vsが画素毎に異なることになる。また、仮に全画素の特性が全く同じであっても、2波長赤外線イメージセンサとして駆動する際には、画素毎に入射する光量が異なることが一般的であり、画素毎に発生する光電流信号が異なる。電位VSは電流量に依存するため、やはり画素毎に電位VSが異なることになる。 For a large number of arranged pixels included in a two-wavelength infrared image sensor, the characteristics of the MQW layer of each pixel are not exactly the same, and there are generally some differences between the pixels. In this case, even if the same potentials V A , V B , and VIG are applied to each pixel, the current that flows due to the difference in the characteristics of the MQW layer differs, and the potential Vs of the output electrode varies from pixel to pixel. Also, even if the characteristics of all the pixels are exactly the same, when driving as a two-wavelength infrared image sensor, it is common that the amount of light incident on each pixel is different, and the photocurrent signal generated for each pixel Is different. Since the potential V S depends on the amount of current, the potential V S is also different for each pixel.

以上により、従来の2波長赤外線イメージセンサでは、下部及び上部MQW層のうちの一方のMQW層のみから光電流信号を発生させるための電位VA、VB、VIGの設定は、画素毎に異なる。そのため、全画素について同時に一方のMQW層のみを駆動させることができず、相異なる2波長の光信号を十分に分離することができないという問題がある。 As described above, in the conventional two-wavelength infrared image sensor, the settings of the potentials V A , V B , and VIG for generating the photocurrent signal from only one of the lower and upper MQW layers are different for each pixel. . Therefore, there is a problem that only one MQW layer cannot be driven at the same time for all pixels, and optical signals of two different wavelengths cannot be sufficiently separated.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な構成により、下部MQW層及び上部MQW層のうちの一方のMQW層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる2波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高いイメージセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and detects only an optical signal having a wavelength corresponding to only one of the lower MQW layer and the upper MQW layer with a relatively simple configuration. An object of the present invention is to provide a highly reliable image sensor that can easily and reliably separate optical signals of two different wavelengths and a method of manufacturing the same.

イメージセンサの一態様は、複数の画素を備えたイメージセンサであって、前記画素は、一の波長域に対して感度を有する第1活性層と、他の波長域に対して感度を有する第2活性層と、前記第1活性層及び前記第2活性層に電気的に接続された出力電極と、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された第1共通電極と、前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続された第2共通電極と、前記第1活性層を挟持する第1コンタクト層と、前記第2活性層を挟持する第2コンタクト層と、前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に配置されており、前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層と、前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に配置されており、前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層とを含む。   One aspect of the image sensor is an image sensor including a plurality of pixels, wherein the pixels are a first active layer having sensitivity to one wavelength region and a first active layer having sensitivity to another wavelength region. Two active layers, an output electrode electrically connected to the first active layer and the second active layer, and a first common electrically connected to the first active layer included in each of the pixels An electrode; a second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels; a first contact layer sandwiching the first active layer; and sandwiching the second active layer A first semiconductor layer that is disposed between one of the first contact layers and the first active layer and has a material having a larger forbidden band than the first active layer; , Disposed between one of the second contact layers and the second active layer. Than said second active layer and a second semiconductor layer having a width greater material bandgap.

イメージセンサの製造方法の一態様は、複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、前記画素を形成する際に、一の波長域に対して感度を有する第1活性層を形成し、他の波長域に対して感度を有する第2活性層を形成し、前記第1活性層及び前記第2活性層に出力電極を接続形成し、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続される第1共通電極を形成し、前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続される第2共通電極を形成し、前記第1活性層を挟持するように第1コンタクト層を形成し、前記第2活性層を挟持するように第2コンタクト層を形成し、前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層を、前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に形成し、前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層を、前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に形成する。   One aspect of a method for manufacturing an image sensor is a method for manufacturing an image sensor including a plurality of pixels, and when forming the pixels, a first active layer having sensitivity to one wavelength region is formed. Forming a second active layer having sensitivity to other wavelength ranges, connecting an output electrode to the first active layer and the second active layer, and including the first active layer included in each of the pixels; Forming a first common electrode electrically connected to the layer; forming a second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels; and A first contact layer is formed so as to be sandwiched, a second contact layer is formed so as to sandwich the second active layer, and a first semiconductor layer having a material having a forbidden band larger than that of the first active layer Formed between one of the first contact layers and the first active layer. The second semiconductor layer having a width greater material bandgap than the second active layer is formed between one and the second active layer of the second contact layer.

上記の諸態様によれば、比較的簡素な構成により、下部MQW層及び上部MQW層のうちの一方のMQW層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる2波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高いイメージセンサが実現する。   According to the above aspects, it is possible to detect only an optical signal having a wavelength corresponding to only one of the lower MQW layer and the upper MQW layer with a relatively simple configuration. A highly reliable image sensor capable of easily and reliably separating optical signals is realized.

第1の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 2 wavelength infrared image sensor by 1st Embodiment. 第1の実施形態の2波長赤外線イメージセンサにおける各MQW層の周辺についてのエネルギー状態を示す図である。It is a figure which shows the energy state about the periphery of each MQW layer in the 2 wavelength infrared image sensor of 1st Embodiment. 第1の実施形態の2波長赤外線イメージセンサにおける光信号の選択的な検出について説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the selective detection of the optical signal in the 2 wavelength infrared image sensor of 1st Embodiment. 第1の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの製造方法について工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing shown in order of a process about the manufacturing method of the 2 wavelength infrared image sensor by 1st Embodiment. 第2の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the 2 wavelength infrared image sensor by 2nd Embodiment. 従来の2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the conventional 2 wavelength infrared image sensor. 従来の2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the conventional 2 wavelength infrared image sensor. 図7の2波長赤外線イメージセンサの回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of the two-wavelength infrared image sensor of FIG. 7.

以下の諸実施形態では、イメージセンサとして2波長赤外線イメージセンサを例示し、その構成及び製造方法を開示する。   In the following embodiments, a two-wavelength infrared image sensor is exemplified as an image sensor, and the configuration and manufacturing method thereof are disclosed.

(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、第1の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。図1では図示の便宜上、複数の画素のうち、2つの画素のみを例示する。
本実施形態による2波長赤外線イメージセンサは、複数の画素10が例えばマトリクス状に配置されており、複数の画素10の一端には端部構造10aが、他端には端部構造10bが設けられて構成されている。各画素10には出力電極14を介して、端部構造10a,10bには第1共通電極15及び第2共通電極16を介して、駆動回路20が接続されている。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the two-wavelength infrared image sensor according to the first embodiment. In FIG. 1, for convenience of illustration, only two pixels among a plurality of pixels are illustrated.
In the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment, a plurality of pixels 10 are arranged in a matrix, for example, and an end structure 10a is provided at one end of the plurality of pixels 10 and an end structure 10b is provided at the other end. Configured. A drive circuit 20 is connected to each pixel 10 via an output electrode 14, and to the end structures 10 a and 10 b via a first common electrode 15 and a second common electrode 16.

各画素10は、GaAs基板1上に、下部MQW層2及び上部MQW層3と、全画素10に共通とされた下部MQW層2下の下部コンタクト層4、下部MQW層2の上方の中間コンタクト層5、及び上部MQW層3上の上部コンタクト層6とを備えて構成されている。
下部MQW層2及び上部MQW層3は、それぞれ光信号を電気信号に変換する多重量子井戸(MQW)層である。下部MQW層2は、所定の一の波長域に対して感度を有する活性層である。上部MQW層3は、下部MQW層2の波長域と異なる他の波長域に対して感度を有する活性層である。下部MQW層2とこれを挟持する下部コンタクト層4及び中間コンタクト層5とを備えて、QWIPである第1光伝導体型素子が構成される。上部MQW層3とこれを挟持する中間コンタクト層5及び上部コンタクト層6とを備えて、QWIPである第2光伝導体型素子が構成される。
Each pixel 10 has a lower MQW layer 2 and an upper MQW layer 3 on a GaAs substrate 1, a lower contact layer 4 below the lower MQW layer 2 common to all the pixels 10, and an intermediate contact above the lower MQW layer 2. A layer 5 and an upper contact layer 6 on the upper MQW layer 3.
The lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3 are each a multiple quantum well (MQW) layer that converts an optical signal into an electrical signal. The lower MQW layer 2 is an active layer having sensitivity to a predetermined one wavelength region. The upper MQW layer 3 is an active layer having sensitivity to other wavelength ranges different from the wavelength range of the lower MQW layer 2. A lower MQW layer 2 and a lower contact layer 4 and an intermediate contact layer 5 sandwiching the lower MQW layer 2 constitute a first photoconductor element that is QWIP. The upper MQW layer 3 and the intermediate contact layer 5 and the upper contact layer 6 sandwiching the upper MQW layer 3 constitute a second photoconductor element that is QWIP.

上部コンタクト層6上には、表面が凹凸状の回折格子が形成されている。この回折格子は、QWIPに必要な光結合構造9となる。   A diffraction grating having an uneven surface is formed on the upper contact layer 6. This diffraction grating becomes an optical coupling structure 9 necessary for QWIP.

本実施形態では、第1光伝導体型素子は、下部MQW層2と中間コンタクト層5との間に、下部MQW層2よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第1障壁層7を備えている。同様に、第2光伝導体型素子は、中間コンタクト層5と上部MQW層3との間に、上部MQW層3よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第2障壁層8を備えている。   In the present embodiment, the first photoconductor-type element is a first barrier layer 7, which is a semiconductor layer made of a material having a wider forbidden band than the lower MQW layer 2 between the lower MQW layer 2 and the intermediate contact layer 5. It has. Similarly, the second photoconductor element includes a second barrier layer 8, which is a semiconductor layer made of a material having a larger forbidden band width than the upper MQW layer 3, between the intermediate contact layer 5 and the upper MQW layer 3. ing.

具体的に、下部MQW層2、上部MQW層3、第1障壁層7、及び第2障壁層8、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体として、例えばAlGaAsを有している。ここで、第1障壁層7の化合物半導体は、下部MQW層2の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第1障壁層7はAl0.4GaAsを材料としており、下部MQW層2はAl0.3GaAsを有している。第2障壁層8の化合物半導体は、上部MQW層3の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第2障壁層8はAl0.4GaAsを材料としており、上部MQW層3はAl0.25GaAsを有している。 Specifically, the lower MQW layer 2, the upper MQW layer 3, the first barrier layer 7, and the second barrier layer 8 each have, for example, AlGaAs as a compound semiconductor containing aluminum. Here, the compound semiconductor of the first barrier layer 7 has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the lower MQW layer 2. For example, the first barrier layer 7 is made of Al 0.4 GaAs, and the lower MQW layer 2 is made of Al 0.3 GaAs. The compound semiconductor of the second barrier layer 8 has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the upper MQW layer 3. For example, the second barrier layer 8 is made of Al 0.4 GaAs, and the upper MQW layer 3 has Al 0.25 GaAs.

中間コンタクト層5には、配線12を介して出力電極14が電気的に接続され、駆動回路20のトランジスタ20aに接続されている。全画素10に共通の下部コンタクト層4には、複数の画素10の一端に設けられた端部構造10aに形成された配線13aを介して第1共通電極15が電気的に接続され、駆動回路20に接続されている。第1共通電極15には、駆動回路20により、バイアス電圧VBが印加される。各上部コンタクト層6には、複数の画素10の他端に設けられた端部構造10bに形成された配線13bを介して第2共通電極16が電気的に接続され、駆動回路20に接続されている。第2共通電極16には、駆動回路20により、バイアス電圧VAが印加される。配線12,13a,13bは、絶縁層11により必要な電気的絶縁が確保されている。配線12は、絶縁層11に形成された開口11bを通じて中間コンタクト層5と接続されている。配線13bは、絶縁層11に形成された開口11aを通じて上部コンタクト層6と接続されている。 The output electrode 14 is electrically connected to the intermediate contact layer 5 through the wiring 12 and is connected to the transistor 20 a of the drive circuit 20. A first common electrode 15 is electrically connected to the lower contact layer 4 common to all the pixels 10 via a wiring 13 a formed in an end structure 10 a provided at one end of the plurality of pixels 10. 20 is connected. A bias voltage V B is applied to the first common electrode 15 by the drive circuit 20. A second common electrode 16 is electrically connected to each upper contact layer 6 via a wiring 13 b formed in an end structure 10 b provided at the other end of the plurality of pixels 10, and is connected to the drive circuit 20. ing. A bias voltage V A is applied to the second common electrode 16 by the drive circuit 20. The wirings 12, 13 a, and 13 b are provided with necessary electrical insulation by the insulating layer 11. The wiring 12 is connected to the intermediate contact layer 5 through the opening 11 b formed in the insulating layer 11. The wiring 13 b is connected to the upper contact layer 6 through the opening 11 a formed in the insulating layer 11.

本実施形態による2波長赤外線イメージセンサでは、上記のように第1障壁層7及び第2障壁層8が設けられている。これにより、下部MQW層2及び上部MQW層3について整流性が付与される。以下、この整流性について説明する。   In the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment, the first barrier layer 7 and the second barrier layer 8 are provided as described above. As a result, rectification is imparted to the lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3. Hereinafter, this rectification will be described.

図2は、第1の実施形態の2波長赤外線イメージセンサにおける各MQW層の周辺についてのエネルギー状態を示す図であり、(a)がバイアス電圧の印加がない場合、(b)が障壁層がエミッタ側にある場合、(c)が障壁層がコレクタ側にある場合をそれぞれ示す。図2では、中間コンタクト層5を「コンタクト層」とし、下部MQW層2及び上部MQW層3の一方を例に採って「MQW層」とし、第1障壁層7及び第2障壁層8の一方を例に採って「障壁層」として図示する。   FIG. 2 is a diagram showing an energy state around each MQW layer in the two-wavelength infrared image sensor according to the first embodiment. FIG. 2A shows a state in which no barrier voltage is applied, and FIG. When it is on the emitter side, (c) shows the case where the barrier layer is on the collector side. In FIG. 2, the intermediate contact layer 5 is a “contact layer”, and one of the lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3 is taken as an “MQW layer” as an example, and one of the first barrier layer 7 and the second barrier layer 8 is used. Is illustrated as a “barrier layer”.

MQW層に電圧が印加された状況について、MQW層よりも禁制帯幅の大きい材料による障壁層がエミッタ側にある場合には、障壁層によりキャリアの流入が遮られるため、電流は流れない(流れ難い)。障壁層がコレクタ側にある場合には、キャリアがMQW層に流入し、MQW層内で非弾性散乱によるエネルギー散逸を受けない一部のキャリアは障壁層を越えてコレクタ側のコンタクト層に到達する。このため、比較的電流は流れ易い。   In the situation where a voltage is applied to the MQW layer, when a barrier layer made of a material having a larger forbidden band than the MQW layer is on the emitter side, no current flows because the barrier layer blocks the inflow of carriers (flow). hard). When the barrier layer is on the collector side, carriers flow into the MQW layer, and some carriers that are not subjected to energy dissipation due to inelastic scattering in the MQW layer cross the barrier layer and reach the collector-side contact layer. . For this reason, a current flows relatively easily.

上部MQW層のみを駆動して、対応する波長の光信号のみを検出することを考える。この場合、下部MQW層には電流が流れないことが必要である。例えば図7のような従来の2波長赤外線イメージセンサでは、第2共通電極と出力電極との間に電位差があり、出力電極と第1共通電極とが同電位になるように各電位を与える必要があった。これに対して本実施形態の2波長赤外線イメージセンサでは、下部MQW層が整流性を有するため、出力電極と第1共通電極とを同電位としなくとも、整流性によって電流が流れない電位関係であれば良い。このような電位関係は、電位の設定としてある程度範囲を持った領域として存在する。そのため、画素間で出力電極の電位が異なっていても、全画素について同時に、整流性によって電流が流れない電位関係を持たせ得る。この構成により、上部MQW層に対応する波長の光信号のみを検出することができる。   Consider driving only the upper MQW layer and detecting only the optical signal of the corresponding wavelength. In this case, it is necessary that no current flows in the lower MQW layer. For example, in the conventional two-wavelength infrared image sensor as shown in FIG. 7, there is a potential difference between the second common electrode and the output electrode, and it is necessary to apply each potential so that the output electrode and the first common electrode have the same potential. was there. On the other hand, in the two-wavelength infrared image sensor of the present embodiment, the lower MQW layer has a rectifying property. Therefore, even if the output electrode and the first common electrode are not set to the same potential, the current relationship does not flow due to the rectifying property. I just need it. Such a potential relationship exists as a region having a certain range as a potential setting. Therefore, even if the potentials of the output electrodes are different among the pixels, all the pixels can have a potential relationship that prevents current from flowing due to rectification at the same time. With this configuration, only an optical signal having a wavelength corresponding to the upper MQW layer can be detected.

下部MQW層のみを駆動して、対応する波長の光信号のみを検出することを考える。この場合、上部MQW層には電流が流れないことが必要である。本実施形態の2波長赤外線イメージセンサでは、上部MQW層が整流性を有するため、出力電極と第2共通電極とを同電位としなくとも、整流性によって電流が流れない電位関係であれば良い。このような電位関係は、電位の設定としてある程度範囲を持った領域として存在する。そのため、画素間で出力電極の電位が異なっていても、全画素について同時に、整流性によって電流が流れない電位関係を持たせ得る。この構成により、下部MQW層に対応する波長の光信号のみを検出することができる。   Consider driving only the lower MQW layer and detecting only the optical signal of the corresponding wavelength. In this case, it is necessary that no current flows in the upper MQW layer. In the two-wavelength infrared image sensor of this embodiment, since the upper MQW layer has a rectifying property, even if the output electrode and the second common electrode are not set to the same potential, the potential relationship may be such that no current flows due to the rectifying property. Such a potential relationship exists as a region having a certain range as a potential setting. Therefore, even if the potentials of the output electrodes are different among the pixels, all the pixels can have a potential relationship that prevents current from flowing due to rectification at the same time. With this configuration, only an optical signal having a wavelength corresponding to the lower MQW layer can be detected.

上述した光信号の選択的な検出について、図3を用いて具体的に説明する。
本実施形態の2波長赤外線イメージセンサでは、光電流信号は、電子が第1共通電極又は第2共通電極からトランジスタを通過して信号読出回路に向かって流れる方向に流れる。
The above-described selective detection of the optical signal will be specifically described with reference to FIG.
In the two-wavelength infrared image sensor of this embodiment, the photocurrent signal flows in a direction in which electrons flow from the first common electrode or the second common electrode through the transistor toward the signal readout circuit.

上部MQW層を駆動する場合、図3(a)に示すように、光電流信号の電子が第2共通電極からトランジスタを経由して信号読出回路に向かって流れる。このとき、上部MQW層のポテンシャル障壁は電子流を妨げない。ここで、第1共通電極の電位を出力電極の電位Vsより十分に低くしておく。このとき、下部MQW層はポテンシャル障壁により電流を流さない。また、上部MQW層の抵抗が面内で揺らぎを持っている場合であっても、全画素において第1共通電極が出力電極の電位Vsよりも低電位になるように設定すれば、下部MQW層に電流は流れない。   When the upper MQW layer is driven, as shown in FIG. 3A, the photocurrent signal electrons flow from the second common electrode to the signal readout circuit via the transistor. At this time, the potential barrier of the upper MQW layer does not disturb the electron flow. Here, the potential of the first common electrode is made sufficiently lower than the potential Vs of the output electrode. At this time, the lower MQW layer does not flow current due to the potential barrier. Further, even if the resistance of the upper MQW layer has fluctuation in the plane, if the first common electrode is set lower than the potential Vs of the output electrode in all pixels, the lower MQW layer Current does not flow through.

下部MQW層を駆動する場合、図3(b)に示すように、光電流信号の電子が第1共通電極からトランジスタを経由して信号読出回路に向かって流れる。このとき、下部MQW層のポテンシャル障壁は電子流を妨げない。ここで、第2共通電極の電位を出力電極の電位Vsより十分に低くしておく。このとき、上部MQW層はポテンシャル障壁により電流を流さない。また、下部MQW層の抵抗が面内で揺らぎを持っている場合であっても、全画素において第2共通電極が出力電極の電位Vsよりも低電位になるように設定すれば、上部MQW層に電流は流れない。
以上のように、本実施形態による2波長赤外線イメージセンサでは、相異なる2波長の光信号を確実に個別に分離して検出することができる。
When driving the lower MQW layer, as shown in FIG. 3B, photocurrent signal electrons flow from the first common electrode to the signal readout circuit via the transistor. At this time, the potential barrier of the lower MQW layer does not disturb the electron flow. Here, the potential of the second common electrode is made sufficiently lower than the potential Vs of the output electrode. At this time, the upper MQW layer does not flow current due to the potential barrier. Even if the resistance of the lower MQW layer has fluctuation in the plane, if the second common electrode is set lower than the potential Vs of the output electrode in all pixels, the upper MQW layer Current does not flow through.
As described above, the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment can reliably separate and detect optical signals having two different wavelengths.

以下、本実施形態による2波長赤外線イメージセンサの製造方法について説明する。
図4は、第1の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの製造方法について工程順に示す概略断面図である。図4では図示の便宜上、複数の画素のうち、1つの画素のみを例示する。
Hereinafter, the manufacturing method of the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the two-wavelength infrared image sensor according to the first embodiment in the order of steps. In FIG. 4, for convenience of illustration, only one pixel is illustrated from among a plurality of pixels.

先ず、図4(a)に示すように、半絶縁性のGaAs基板1上に、各化合物半導体層4,2,7,5,8,3,6を順次積層形成し、最上部に光結合構造9を形成する。各化合物半導体層の結晶成長には、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法を用いる。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。   First, as shown in FIG. 4A, each compound semiconductor layer 4, 2, 7, 5, 8, 3, 6 is sequentially stacked on a semi-insulating GaAs substrate 1 and optically coupled at the top. Structure 9 is formed. For example, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method is used for crystal growth of each compound semiconductor layer. Instead of the MOVPE method, a molecular beam epitaxy (MBE) method or the like may be used.

詳細には、先ず、GaAs基板1上に、下部コンタクト層4となる化合物半導体層として、n−GaAsを例えば2000nm程度の厚みに成長する。n型ドーパントとしては、例えばSiを1×1018cm-3程度の密度で入れる。 Specifically, first, n-GaAs is grown on the GaAs substrate 1 as a compound semiconductor layer to be the lower contact layer 4 to a thickness of about 2000 nm, for example. As the n-type dopant, for example, Si is added at a density of about 1 × 10 18 cm −3 .

次に、下部MQW層2となる化合物半導体層を形成する。具体的には、(1)AlxGa1-xAs層を例えば30nm程度の厚みに成長する。Al組成xは例えば0.3とする。(2)InyGa1-yAs層を例えば2.5nm程度の厚みに成長する。In組成yは例えば0.3とする。(1)及び(2)の工程を10回繰り返した後、AlxGa1-xAs層を例えば30nm程度の厚みに成長する。以上により、下部MQW層2となる化合物半導体層が形成される。 Next, a compound semiconductor layer to be the lower MQW layer 2 is formed. Specifically, (1) an Al x Ga 1-x As layer is grown to a thickness of about 30 nm, for example. The Al composition x is, for example, 0.3. (2) An In y Ga 1-y As layer is grown to a thickness of about 2.5 nm, for example. The In composition y is, for example, 0.3. After the steps (1) and (2) are repeated 10 times, an Al x Ga 1-x As layer is grown to a thickness of about 30 nm, for example. As a result, the compound semiconductor layer to be the lower MQW layer 2 is formed.

次に、第1障壁層7となる化合物半導体層として、AlzGa1-zAs層を例えば50nm程度の厚みに成長する。Al組成zはAl組成xよりも高値、例えば0.4とする。Al組成zがAl組成xよりも高いため、第1障壁層7の方が下部MQW層2よりも禁制帯幅が大きい。
次に、中間コンタクト層となる化合物半導体層として、n−GaAs層を例えば1000nm程度の厚みに成長する。
Next, an Al z Ga 1-z As layer is grown to a thickness of, for example, about 50 nm as a compound semiconductor layer to be the first barrier layer 7. The Al composition z is higher than the Al composition x, for example, 0.4. Since the Al composition z is higher than the Al composition x, the first barrier layer 7 has a larger forbidden band width than the lower MQW layer 2.
Next, as a compound semiconductor layer serving as an intermediate contact layer, an n-GaAs layer is grown to a thickness of about 1000 nm, for example.

次に、第2障壁層8となる化合物半導体層として、AlmGa1-mAs層を例えば50nm程度の厚みに成長する。Al組成mは後述するAl組成nよりも高値、例えば0.4とする。 Next, an Al m Ga 1-m As layer is grown to a thickness of, for example, about 50 nm as a compound semiconductor layer to be the second barrier layer 8. The Al composition m is higher than the Al composition n described later, for example, 0.4.

次に、上部MQW層3となる化合物半導体層を形成する。具体的には、(3)AlnGa1-nAs層を例えば40nm程度の厚みに成長する。Al組成nは例えば0.25とする。(4)GaAs層を例えば5nm程度の厚みに成長する。(3)及び(4)の工程を10回繰り返した後、AlnGa1-nAs層を例えば50nm程度の厚みに成長する。以上により、上部MQW層3となる化合物半導体層が形成される。ここで、Al組成mがAl組成nよりも高いため、第2障壁層8の方が上部MQW層3よりも禁制帯幅が大きい。 Next, a compound semiconductor layer to be the upper MQW layer 3 is formed. Specifically, (3) an Al n Ga 1-n As layer is grown to a thickness of about 40 nm, for example. The Al composition n is 0.25, for example. (4) A GaAs layer is grown to a thickness of about 5 nm, for example. After the steps (3) and (4) are repeated 10 times, an Al n Ga 1-n As layer is grown to a thickness of about 50 nm, for example. As described above, the compound semiconductor layer to be the upper MQW layer 3 is formed. Here, since the Al composition m is higher than the Al composition n, the second barrier layer 8 has a larger forbidden band width than the upper MQW layer 3.

次に、上部コンタクト層6となる化合物半導体層として、n−GaAs層を例えば1500程度の厚みに成長する。
次に、上部コンタクト層6の上層部分をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、上部コンタクト層6の表面に回折格子構造となる凹凸を形成する。リソグラフィー及びエッチング、金属蒸着法により、上部コンタクト層6の表面に凹凸を埋め込む金属膜、例えばAuGe/Au膜を形成する。以上により、上部コンタクト層6上に光結合構造9が形成される。
Next, an n-GaAs layer is grown to a thickness of, for example, about 1500 as a compound semiconductor layer to be the upper contact layer 6.
Next, the upper layer portion of the upper contact layer 6 is processed by lithography and etching to form irregularities having a diffraction grating structure on the surface of the upper contact layer 6. A metal film, such as an AuGe / Au film, is formed by embedding irregularities in the surface of the upper contact layer 6 by lithography, etching, and metal vapor deposition. Thus, the optical coupling structure 9 is formed on the upper contact layer 6.

続いて、図4(b)に示すように、リソグラフィー及びエッチングにより化合物半導体層4,2,7,5,8,3,6を加工する。これにより、化合物半導体層4,2,7,5,8,3,6が画素10及び端部構造10a,10bに分断される。画素10では、更に化合物半導体層8,3,6をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、中間コンタクト層5の表面の一部を露出させる。   Subsequently, as shown in FIG. 4B, the compound semiconductor layers 4, 2, 7, 5, 8, 3, 6 are processed by lithography and etching. Thereby, the compound semiconductor layers 4, 2, 7, 5, 8, 3, and 6 are divided into the pixel 10 and the end structures 10a and 10b. In the pixel 10, the compound semiconductor layers 8, 3, 6 are further processed by lithography and etching to expose part of the surface of the intermediate contact layer 5.

続いて、図4(c)に示すように、絶縁層11を形成する。
詳細には、CVD法等により、全面に絶縁膜、例えばSiON膜を堆積し、絶縁層11を形成する。絶縁層11をリソグラフィー及びエッチングにより加工する。これにより、絶縁層11には、光結合構造9の表面の一部を露出する開口11aと、中間コンタクト層5の表面の一部を露出する開口11bと、下部コンタクト層4の表面の一部を露出する開口11cとが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, an insulating layer 11 is formed.
Specifically, an insulating film, for example, a SiON film is deposited on the entire surface by a CVD method or the like to form the insulating layer 11. The insulating layer 11 is processed by lithography and etching. As a result, the insulating layer 11 has an opening 11a exposing a part of the surface of the optical coupling structure 9, an opening 11b exposing a part of the surface of the intermediate contact layer 5, and a part of the surface of the lower contact layer 4. Is formed.

続いて、図4(d)に示すように、各配線12,13a,13bを形成する。
詳細には、スパッタ法等により、全面に金属膜、例えばAuGe/Au膜を形成する。AuGe/Au膜をリソグラフィー及びエッチングにより加工する。以上により、中間コンタクト層5と電気的に接続された配線12と、下部コンタクト層4と電気的に接続された配線13aと、光結合構造9を介して上部コンタクト層6と電気的に接続された配線13bとが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, the wirings 12, 13a, and 13b are formed.
Specifically, a metal film such as an AuGe / Au film is formed on the entire surface by sputtering or the like. The AuGe / Au film is processed by lithography and etching. As described above, the wiring 12 electrically connected to the intermediate contact layer 5, the wiring 13 a electrically connected to the lower contact layer 4, and the upper contact layer 6 are electrically connected via the optical coupling structure 9. Wiring 13b is formed.

続いて、図4(e)に示すように、配線12,13a,13b上に、例えばInバンプである出力電極14、第1共通電極15、第2共通電極16をそれぞれ形成し、駆動回路20と接続する。
以上のようにして、本実施形態による2波長赤外線イメージセンサが作製される。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, an output electrode 14, which is, for example, an In bump, a first common electrode 15, and a second common electrode 16 are formed on the wirings 12, 13a and 13b, respectively, and the drive circuit 20 Connect with.
As described above, the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment is manufactured.

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、下部MQW層2及び上部MQW層3のうちの一方のMQW層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる2波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高い2波長赤外線イメージセンサが実現する。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to detect only an optical signal having a wavelength corresponding to only one of the lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3 with a relatively simple configuration. Thus, a highly reliable two-wavelength infrared image sensor capable of easily and reliably separating optical signals having two different wavelengths can be realized.

(第2の実施形態)
続いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に2波長赤外線イメージセンサを開示するが、第1障壁層及び第2障壁層の形成位置が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態と同様の構成部材等ついては同符号を付し、詳しい説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment discloses a two-wavelength infrared image sensor as in the first embodiment, but differs from the first embodiment in that the formation positions of the first barrier layer and the second barrier layer are different. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図5は、第2の実施形態による2波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。図5では図示の便宜上、複数の画素のうち、2つの画素のみを例示する。
本実施形態による2波長赤外線イメージセンサは、第1の実施形態と同様に、複数の画素30が例えばマトリクス状に配置されており、複数の画素30の一端には端部構造30aが、他端には端部構造30bが設けられて構成されている。各画素30には出力電極14を介して、端部構造30a,30bには第1共通電極15及び第2共通電極16を介して、駆動回路20が接続されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the two-wavelength infrared image sensor according to the second embodiment. In FIG. 5, for convenience of illustration, only two pixels of the plurality of pixels are illustrated.
In the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment, as in the first embodiment, a plurality of pixels 30 are arranged in a matrix, for example, and an end structure 30a is provided at one end of the plurality of pixels 30 and the other end. Is provided with an end structure 30b. The drive circuit 20 is connected to each pixel 30 via the output electrode 14, and to the end structures 30 a and 30 b via the first common electrode 15 and the second common electrode 16.

各画素30は、GaAs基板1上に、下部MQW層2及び上部MQW層3と、全画素10に共通とされた下部MQW層2下の下部コンタクト層4、下部MQW層2の上方の中間コンタクト層5、及び上部MQW層3上の上部コンタクト層6とを備えて構成されている。
下部MQW層2及び上部MQW層3は、それぞれ光信号を電気信号に変換する多重量子井戸(MQW)層である。下部MQW層2は、所定の一の波長域に対して感度を有する活性層である。上部MQW層3は、下部MQW層2の波長域と異なる他の波長域に対して感度を有する活性層である。下部MQW層2とこれを挟持する下部コンタクト層4及び中間コンタクト層5とを備えて、QWIPである第1光伝導体型素子が構成される。上部MQW層3とこれを挟持する中間コンタクト層5及び上部コンタクト層6とを備えて、QWIPである第2光伝導体型素子が構成される。
Each pixel 30 has a lower MQW layer 2 and an upper MQW layer 3 on a GaAs substrate 1, a lower contact layer 4 below the lower MQW layer 2 common to all the pixels 10, and an intermediate contact above the lower MQW layer 2. A layer 5 and an upper contact layer 6 on the upper MQW layer 3.
The lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3 are each a multiple quantum well (MQW) layer that converts an optical signal into an electrical signal. The lower MQW layer 2 is an active layer having sensitivity to a predetermined one wavelength region. The upper MQW layer 3 is an active layer having sensitivity to other wavelength ranges different from the wavelength range of the lower MQW layer 2. A lower MQW layer 2 and a lower contact layer 4 and an intermediate contact layer 5 sandwiching the lower MQW layer 2 constitute a first photoconductor element that is QWIP. The upper MQW layer 3 and the intermediate contact layer 5 and the upper contact layer 6 sandwiching the upper MQW layer 3 constitute a second photoconductor element that is QWIP.

上部コンタクト層6上には、表面が凹凸状の回折格子が形成されている。この回折格子は、QWIPに必要な光結合構造9となる。   A diffraction grating having an uneven surface is formed on the upper contact layer 6. This diffraction grating becomes an optical coupling structure 9 necessary for QWIP.

本実施形態では、第1光伝導体型素子は、下部コンタクト層4と下部MQW層2との間に、下部MQW層2よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第1障壁層7を備えている。同様に、第2光伝導体型素子は、上部MQW層3と上部コンタクト層6との間に、上部MQW層3よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第2障壁層8を備えている。   In the present embodiment, the first photoconductor element is a first barrier layer 7, which is a semiconductor layer made of a material having a wider forbidden band than the lower MQW layer 2 between the lower contact layer 4 and the lower MQW layer 2. It has. Similarly, the second photoconductor element includes a second barrier layer 8, which is a semiconductor layer made of a material having a larger band gap than the upper MQW layer 3, between the upper MQW layer 3 and the upper contact layer 6. ing.

具体的に、下部MQW層2、上部MQW層3、第1障壁層7、及び第2障壁層8、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体として、例えばAlGaAsを有している。ここで、第1障壁層7の化合物半導体は、下部MQW層2の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第1障壁層7はAl0.4GaAsを材料としており、下部MQW層2はAl0.3GaAsを有している。第2障壁層8の化合物半導体は、上部MQW層3の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第2障壁層8はAl0.4GaAsを材料としており、上部MQW層3はAl0.25GaAsを有している。 Specifically, the lower MQW layer 2, the upper MQW layer 3, the first barrier layer 7, and the second barrier layer 8 each have, for example, AlGaAs as a compound semiconductor containing aluminum. Here, the compound semiconductor of the first barrier layer 7 has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the lower MQW layer 2. For example, the first barrier layer 7 is made of Al 0.4 GaAs, and the lower MQW layer 2 is made of Al 0.3 GaAs. The compound semiconductor of the second barrier layer 8 has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the upper MQW layer 3. For example, the second barrier layer 8 is made of Al 0.4 GaAs, and the upper MQW layer 3 has Al 0.25 GaAs.

中間コンタクト層5には、配線12を介して出力電極14が電気的に接続され、駆動回路20のトランジスタ20aに接続されている。全画素30に共通の下部コンタクト層4には、複数の画素30の一端に設けられた端部構造30aに形成された配線13aを介して第1共通電極15が電気的に接続され、駆動回路20に接続されている。第1共通電極15には、駆動回路20により、バイアス電圧VBが印加される。各上部コンタクト層6には、複数の画素30の他端に設けられた端部構造30bに形成された配線13bを介して第2共通電極16が電気的に接続され、駆動回路20に接続されている。第2共通電極16には、駆動回路20により、バイアス電圧VAが印加される。配線12,13a,13bは、絶縁層11により必要な電気的絶縁が確保されている。配線12は、絶縁層11に形成された開口11bを通じて中間コンタクト層5と接続されている。配線13bは、絶縁層11に形成された開口11aを通じて上部コンタクト層6と接続されている。 The output electrode 14 is electrically connected to the intermediate contact layer 5 through the wiring 12 and is connected to the transistor 20 a of the drive circuit 20. A first common electrode 15 is electrically connected to the lower contact layer 4 common to all the pixels 30 via a wiring 13 a formed in an end structure 30 a provided at one end of the plurality of pixels 30. 20 is connected. A bias voltage V B is applied to the first common electrode 15 by the drive circuit 20. A second common electrode 16 is electrically connected to each upper contact layer 6 via a wiring 13 b formed in an end structure 30 b provided at the other end of the plurality of pixels 30, and is connected to the drive circuit 20. ing. A bias voltage V A is applied to the second common electrode 16 by the drive circuit 20. The wirings 12, 13 a, and 13 b are provided with necessary electrical insulation by the insulating layer 11. The wiring 12 is connected to the intermediate contact layer 5 through the opening 11 b formed in the insulating layer 11. The wiring 13 b is connected to the upper contact layer 6 through the opening 11 a formed in the insulating layer 11.

本実施形態による2波長赤外線イメージセンサでは、上記のように第1障壁層7及び第2障壁層8が設けられている。これにより、下部MQW層2及び上部MQW層3について整流性が付与される。本実施形態では、第1の実施形態とは逆に、光電流信号は、電子が信号読出回路からトランジスタを通過して第1共通電極又は第2共通電極に向かって流れる方向に流れる。
本実施形態による2波長赤外線イメージセンサでは、相異なる2波長の光信号を確実に個別に分離して検出することができる。
In the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment, the first barrier layer 7 and the second barrier layer 8 are provided as described above. As a result, rectification is imparted to the lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3. In the present embodiment, contrary to the first embodiment, the photocurrent signal flows in a direction in which electrons flow from the signal readout circuit through the transistor toward the first common electrode or the second common electrode.
In the two-wavelength infrared image sensor according to the present embodiment, optical signals having two different wavelengths can be reliably separated and detected.

以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、下部MQW層2及び上部MQW層3のうちの一方のMQW層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる2波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高い2波長赤外線イメージセンサが実現する。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to detect only an optical signal having a wavelength corresponding to only one of the lower MQW layer 2 and the upper MQW layer 3 with a relatively simple configuration. Thus, a highly reliable two-wavelength infrared image sensor capable of easily and reliably separating optical signals having two different wavelengths can be realized.

以下、イメージセンサ及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the image sensor and the manufacturing method thereof will be collectively described as additional notes.

(付記1)複数の画素を備えたイメージセンサであって、
前記画素は、
一の波長域に対して感度を有する第1活性層と、
他の波長域に対して感度を有する第2活性層と、
前記第1活性層及び前記第2活性層に電気的に接続された出力電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された第1共通電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続された第2共通電極と、
前記第1活性層を挟持する第1コンタクト層と、
前記第2活性層を挟持する第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に配置されており、前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層と、
前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に配置されており、前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。
(Appendix 1) An image sensor including a plurality of pixels,
The pixel is
A first active layer sensitive to one wavelength region;
A second active layer having sensitivity to other wavelength ranges;
An output electrode electrically connected to the first active layer and the second active layer;
A first common electrode electrically connected to the first active layer included in each of the pixels;
A second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels;
A first contact layer sandwiching the first active layer;
A second contact layer sandwiching the second active layer;
A first semiconductor layer disposed between one of the first contact layers and the first active layer and having a material having a larger forbidden band width than the first active layer;
And a second semiconductor layer disposed between one of the second contact layers and the second active layer and having a material having a larger forbidden band width than the second active layer. Image sensor.

(付記2)前記第1活性層、前記第2活性層、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第1半導体層の前記化合物半導体は、前記第1活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第2半導体層の前記化合物半導体は、前記第2活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする付記1に記載のイメージセンサ。
(Appendix 2) The first active layer, the second active layer, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer each include a compound semiconductor containing aluminum,
The compound semiconductor of the first semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the first active layer,
The image sensor according to appendix 1, wherein the compound semiconductor of the second semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the second active layer.

(付記3)前記第1コンタクト層の一方は、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された共通コンタクト層であり、
前記第1共通電極は、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第1第1活性層に電気的に接続されていることを特徴とする付記1又は2に記載のイメージセンサ。
(Appendix 3) One of the first contact layers is a common contact layer electrically connected to the first active layer included in each of the pixels,
The supplementary note 1 or 2, wherein the first common electrode is electrically connected to the first first active layer included in each of the pixels via the common contact layer. Image sensor.

(付記4)前記第1共通電極及び前記第2共通電極に対して、夫々独立に可変の電圧を印加自在とされた駆動回路を更に備えたことを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載のイメージセンサ。   (Supplementary note 4) Any one of Supplementary notes 1 to 3, further comprising a drive circuit that is capable of independently applying a variable voltage to the first common electrode and the second common electrode. The image sensor according to item.

(付記5)前記第2活性層上に設けられた前記第2コンタクト層の一方の上に形成された回折格子を更に備えたことを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載のイメージセンサ。   (Additional remark 5) The diffraction grating formed on one side of the said 2nd contact layer provided on the said 2nd active layer was further provided, The additional remark 1-4 characterized by the above-mentioned Image sensor.

(付記6)複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、
前記画素を形成する際に、
一の波長域に対して感度を有する第1活性層を形成し、
他の波長域に対して感度を有する第2活性層を形成し、
前記第1活性層及び前記第2活性層に出力電極を接続形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続される第1共通電極を形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続される第2共通電極を形成し、
前記第1活性層を挟持するように第1コンタクト層を形成し、
前記第2活性層を挟持するように第2コンタクト層を形成し、
前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層を、前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に形成し、
前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層を、前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に形成することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
(Appendix 6) A method for manufacturing an image sensor having a plurality of pixels,
In forming the pixel,
Forming a first active layer sensitive to one wavelength region;
Forming a second active layer sensitive to other wavelength ranges;
Forming an output electrode connected to the first active layer and the second active layer;
Forming a first common electrode electrically connected to the first active layer included in each of the pixels;
Forming a second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels;
Forming a first contact layer to sandwich the first active layer;
Forming a second contact layer so as to sandwich the second active layer;
Forming a first semiconductor layer having a material having a larger forbidden band width than the first active layer between one of the first contact layers and the first active layer;
A second semiconductor layer having a material having a larger forbidden band width than that of the second active layer is formed between one of the second contact layers and the second active layer. Method.

(付記7)前記第1活性層、前記第2活性層、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第1半導体層の前記化合物半導体は、前記第1活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第2半導体層の前記化合物半導体は、前記第2活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする付記6に記載のイメージセンサの製造方法。
(Appendix 7) The first active layer, the second active layer, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer each include a compound semiconductor containing aluminum,
The compound semiconductor of the first semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the first active layer,
The image sensor manufacturing method according to claim 6, wherein the compound semiconductor of the second semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the second active layer.

(付記8)前記第1コンタクト層の一方を、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された共通コンタクト層とし、
前記第1共通電極を、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続することを特徴とする付記6又は7に記載のイメージセンサの製造方法。
(Appendix 8) One of the first contact layers is a common contact layer electrically connected to the first active layer included in each of the pixels,
The image sensor manufacturing method according to appendix 6 or 7, wherein the first common electrode is electrically connected to the first active layer included in each of the pixels via the common contact layer. Method.

1,101,201 GaAs基板
2,102,202 下部MQW層
3,103,203 上部MQW層
4,104,204 下部コンタクト層
5,105,205 中間コンタクト層
6,106,206 上部コンタクト層
7 第1障壁層
8 第2障壁層
9 光結合構造
10,30,100,200 画素
10a,10b,30a,30b,200a,200b 端部構造
11,107,207 絶縁層
11a,11b,107a,207a,207b 開口
12,13a,13b,108a,108b,108c,208,209a,209b 配線
14,211 出力電極
15,212 第1共通電極
16,213 第2共通電極
20,110,210 駆動回路
20a,210a トランジスタ
109a,109b,109c 電極
110a 第1スイッチ
110b 第2スイッチ
1, 101, 201 GaAs substrate 2, 102, 202 Lower MQW layer 3, 103, 203 Upper MQW layer 4, 104, 204 Lower contact layer 5, 105, 205 Intermediate contact layer 6, 106, 206 Upper contact layer 7 First Barrier layer 8 Second barrier layer 9 Optical coupling structure 10, 30, 100, 200 Pixel 10a, 10b, 30a, 30b, 200a, 200b End structure 11, 107, 207 Insulating layer 11a, 11b, 107a, 207a, 207b Opening 12, 13a, 13b, 108a, 108b, 108c, 208, 209a, 209b Wiring 14, 211 Output electrode 15, 212 First common electrode 16, 213 Second common electrode 20, 110, 210 Drive circuit 20a, 210a Transistor 109a, 109b, 109c electrode 110a first switch 11 b the second switch

Claims (6)

複数の画素を備えたイメージセンサであって、
前記画素は、
一の波長域に対して感度を有する第1活性層と、
他の波長域に対して感度を有する第2活性層と、
前記第1活性層及び前記第2活性層に電気的に接続された出力電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された第1共通電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続された第2共通電極と、
前記第1活性層を挟持する第1コンタクト層と、
前記第2活性層を挟持する第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に配置されており、前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層と、
前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に配置されており、前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。
An image sensor having a plurality of pixels,
The pixel is
A first active layer sensitive to one wavelength region;
A second active layer having sensitivity to other wavelength ranges;
An output electrode electrically connected to the first active layer and the second active layer;
A first common electrode electrically connected to the first active layer included in each of the pixels;
A second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels;
A first contact layer sandwiching the first active layer;
A second contact layer sandwiching the second active layer;
A first semiconductor layer disposed between one of the first contact layers and the first active layer and having a material having a larger forbidden band width than the first active layer;
And a second semiconductor layer disposed between one of the second contact layers and the second active layer and having a material having a larger forbidden band width than the second active layer. Image sensor.
前記第1活性層、前記第2活性層、前記第1半導体層、及び前記第2半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第1半導体層の前記化合物半導体は、前記第1活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第2半導体層の前記化合物半導体は、前記第2活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサ。
The first active layer, the second active layer, the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer each have a compound semiconductor containing aluminum,
The compound semiconductor of the first semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the first active layer,
2. The image sensor according to claim 1, wherein the compound semiconductor of the second semiconductor layer has a higher aluminum composition ratio than the compound semiconductor of the second active layer.
前記第1コンタクト層の一方は、前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続された共通コンタクト層であり、
前記第1共通電極は、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第1第1活性層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のイメージセンサ。
One of the first contact layers is a common contact layer electrically connected to the first active layer included in each of the pixels,
3. The first common electrode according to claim 1, wherein the first common electrode is electrically connected to the first first active layer included in each of the pixels via the common contact layer. Image sensor.
前記第1共通電極及び前記第2共通電極に対して、夫々独立に可変の電圧を印加自在とされた駆動回路を更に備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のイメージセンサ。   4. The driving circuit according to claim 1, further comprising a drive circuit that is capable of independently applying a variable voltage to the first common electrode and the second common electrode. 5. Image sensor. 前記第2活性層上に設けられた前記第2コンタクト層の一方の上に形成された回折格子を更に備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のイメージセンサ。   The image sensor according to claim 1, further comprising a diffraction grating formed on one of the second contact layers provided on the second active layer. 複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、
前記画素を形成する際に、
一の波長域に対して感度を有する第1活性層を形成し、
他の波長域に対して感度を有する第2活性層を形成し、
前記第1活性層及び前記第2活性層に出力電極を接続形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第1活性層に電気的に接続される第1共通電極を形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第2活性層に電気的に接続される第2共通電極を形成し、
前記第1活性層を挟持するように第1コンタクト層を形成し、
前記第2活性層を挟持するように第2コンタクト層を形成し、
前記第1活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第1半導体層を、前記第1コンタクト層の一方と前記第1活性層との間に形成し、
前記第2活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第2半導体層を、前記第2コンタクト層の一方と前記第2活性層との間に形成することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
A method of manufacturing an image sensor having a plurality of pixels,
In forming the pixel,
Forming a first active layer sensitive to one wavelength region;
Forming a second active layer sensitive to other wavelength ranges;
Forming an output electrode connected to the first active layer and the second active layer;
Forming a first common electrode electrically connected to the first active layer included in each of the pixels;
Forming a second common electrode electrically connected to the second active layer included in each of the pixels;
Forming a first contact layer to sandwich the first active layer;
Forming a second contact layer so as to sandwich the second active layer;
Forming a first semiconductor layer having a material having a larger forbidden band width than the first active layer between one of the first contact layers and the first active layer;
A second semiconductor layer having a material having a larger forbidden band width than that of the second active layer is formed between one of the second contact layers and the second active layer. Method.
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