JP2015230950A - アレイ型受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】アレイ型受光素子において画素間のＳ／Ｎを均一化する。【解決手段】画素アレイＫＡは方向Ｄ１と方向Ｄ２とに沿って複数の画素Ｋα?βがアレイ状に配列され、画素アレイＫＡを構成する複数の画素Ｋα?βのそれぞれの分光感度特性は同じであり、画素アレイＫＡは方向Ｄ１に沿って配列され方向Ｄ２に伸びる複数の画素Ｋα?１〜Ｋα?Ｎ２（α一定の画素列）を備え、この画素列には波長に応じて方向Ｄ２に分光された光が入射し、この画素列に含まれる画素のうち感度が最小の波長の光を受ける画素Ｋα?ｉはこの画素列に含まれる画素のなかで最大の画素面積Ａｉを備え、この画素列に含まれる画素のうち他の第２の画素の画素面積は画素Ｋα?ｉに入射する光の波長に対応する画素Ｋα?ｉの感度と画素Ｋα?ｉの画素面積Ａｉとの積を第２の画素に入射する光の波長に対応する第２の画素の感度で割った商である。【選択図】図５

Description

本発明は、アレイ型受光素子に関する。

特許文献１は、受光素子等の技術を開示する。この受光素子は、半導体基板上に画素が形成された受光素子であって、光を受光するための受光層と、受光層内に位置するｐｎ接合と、画素とこの画素の周囲とを溝によって隔てるメサ構造とを備える。メサ構造の溝の壁面にわたって、ｐｎ接合の端がメサ構造の壁面に露出しないように不純物壁面層が形成されている。特許文献２は、受光素子等の技術を開示する。この受光素子は、エピタキシャル積層体に含まれる受光層と、受光層とこの受光層に接しており受光層の上層との界面に位置するｐｎ接合とを備える。画素は、エピタキシャル積層体の表面からｐｎ接合を貫通しているメサ構造の溝によって互いに分離される。メサ構造の溝は、画素において、受光層の断面積がｐｎ接合へと向かって縮小するようにテーパが付いている。上層は、ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状部の下面部分を備える。非特許文献１は、タイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造のフォトダイオードに係る技術が開示されており、画素ピッチ３０［μｍ］で直径１５［μｍ］の画素サイズについての記載がある。

特開２０１３−９３３８５号公報 特開２０１３−２０１２１９号公報

"MOVPE grown InGaAs/GaAsSb Type II Quantum Well Photodiode for SWIR Focal Plane Array"、H.Inada，H.Mori，Y.Nagai，Y.Iguchi，T.Saitoh，K.Fujii，T.Ishizuka，K.Akita、Proceeding of SPIE，vol.8012 801220(2011)

ハイパースペクトル用カメラでは、撮像素子である二次元アレイセンサのうち横方向に配列した画素から空間の情報と、縦方向に配列した画素から波長の情報とを得る。３２０×２５６画素のセンサでは、３２０画素から空間情報と、２５６画素から波長情報とを得る場合がある。測定対象から反射あるいは透過してくる光をプリズム等の分光器で分解してセンサの２５６個の画素に各波長の光を入射させて電気信号（光電流）に変換する。必要に応じて測定対象には光を照射する。赤外領域のハイパースペクトルではハロゲンランプ等が光源として用いられる。電気信号は信号読み出し回路（ｒｅａｄ−ｏｕｔＩＣ）のキャパシタに一定時間（例えば１ミリ秒）蓄積した後に外部に読み出される。通常、センサの感度は波長特性を持つ。例えば、ＩｎＧａＡｓの場合は１６２０［ｎｍ］に感度のピークを持つ。ｒｅａｄ−ｏｕｔＩＣのキャパシタに蓄積できる電荷の量には限度があるが、感度の高い１６２０［ｎｍ］付近の波長を受け持つ画素のキャパシタが電荷で一杯になる条件(光源の強度や蓄積時間)と感度の低い画素（１０００［ｎｍ］以下あるいは１６２０［ｎｍ］以上）のキャパシタが電荷で一杯になる条件は異なる。感度の低い波長の条件に合わせると１６２０［ｎｍ］のキャパシタは飽和する。その逆では、感度の低い波長はキャパシタに蓄積される電荷が少なくＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）が悪くなる。測定のＳ／Ｎを良くするにはキャパシタが飽和する直前まで電荷を蓄積する条件が望ましいが、それが波長毎に大きく異なるため波長によってＳ／Ｎが変化する。

そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みてなされたものであり、アレイ型受光素子において画素間のＳ／Ｎを均一化することである。

本発明の一態様に係るアレイ型受光素子は、画素アレイを備え、前記画素アレイは、第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向とに沿って複数の画素がアレイ状に配列され、前記画素アレイを構成する複数の画素のそれぞれの分光感度特性は同じであり、前記画素アレイは、前記第１の方向に沿って配列され前記第２の方向に伸びる複数の画素列を備え、前記画素列には、前記第２の方向に沿って複数の画素が配列され、分光器によって波長に応じて前記第２の方向に分光された光が入射し、前記画素列に含まれる画素のうち、感度の最も小さい波長の光を受ける第１の画素は、この画素列に含まれる画素のなかで最も大きな画素面積を備え、前記画素列に含まれる画素のうち前記第１の画素を除く第２の画素の画素面積は、前記第１の画素に入射する光の波長に対応する前記第１の画素の感度と前記第１の画素の画素面積との積を、前記第２の画素に入射する光の波長に対応する前記第２の画素の感度で割った商である。

上記によれば、アレイ型受光素子において画素間のＳ／Ｎを均一化できる。

実施形態に係るハイパースペクトル分光器の外観の構成を示す図である。 実施形態に係るハイパースペクトル分光器の内部の構成を示す図である。 実施形態に係るアレイ型受光素子の画素アレイを示す図である。 ＩｎＧａＡｓの受光層の場合における画素の分光感度特性を示す図である。 ＩｎＧａＡｓの受光層の場合における画素面積と画素の配置とを示す図である。 メサ部に対応する画素の場合の光検出装置の内部の構成を示す図である。 メサ部に対応する画素の場合の光検出装置の製造方法を説明するための図である。 不純物拡散領域に対応する画素の場合の光検出装置の内部構造を示す図である。 不純物拡散領域に対応する画素の場合の光検出装置の製造方法を説明するための図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の一態様に係るアレイ型受光素子は、画素アレイを備え、前記画素アレイは、第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向とに沿って複数の画素がアレイ状に配列され、前記画素アレイを構成する複数の画素のそれぞれの分光感度特性は同じであり、前記画素アレイは、前記第１の方向に沿って配列され前記第２の方向に伸びる複数の画素列を備え、前記画素列には、前記第２の方向に沿って複数の画素が配列され、分光器によって波長に応じて前記第２の方向に分光された光が入射し、前記画素列に含まれる画素のうち、感度の最も小さい波長の光を受ける第１の画素は、この画素列に含まれる画素のなかで最も大きな画素面積を備え、前記画素列に含まれる画素のうち前記第１の画素を除く第２の画素の画素面積は、前記第１の画素に入射する光の波長に対応する前記第１の画素の感度と前記第１の画素の画素面積との積を、前記第２の画素に入射する光の波長に対応する前記第２の画素の感度で割った商である。このように、本発明の一態様に係るアレイ型受光素子では、それぞれの画素においてその画素に入射する光の波長に対応する感度と画素面積との積が一定の値となるように画素面積が規定されるので、受光量に応じた画素それぞれの出力電荷が画素間において均一化され、従って、受光量に応じた画素間の出力電荷の差が低減される。よって、アレイ型受光素子において画素間のＳ／Ｎが均一化される。

本発明の一態様に係るアレイ型受光素子において、複数のメサ部を更に備え、前記メサ部は、前記画素に対応している。このように、画素をメサによって形成された素子を用いることができる。

本発明の一態様に係るアレイ型受光素子において、複数の不純物拡散領域を更に備え、前記不純物拡散領域は、前記画素に対応している。このように、画素を不純物拡散領域によって形成された素子を用いることができる。

本発明の一態様に係るアレイ型受光素子において、受光層を備え、前記受光層は、ＩｎＧａＡｓ層と、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸層との何れかを備える。このように、受光層に、ＩｎＧａＡｓ層と、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸層との何れを用いても良い。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るアレイ型受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、ハイパースペクトル分光器１の主要な構成を示す図である。ハイパースペクトル分光器１は、光検出装置２と分光装置３と筐体４とを備える。分光装置３は、レンズ３１と分光器３２とを備える。レンズ３１は、ベルトコンベア５に対向する位置に設けられ、レンズ３１の上に分光器３２が設けられ、分光器３２の上に筐体４が設けられている。光検出装置２は、筐体４に設けられている。光検出装置２は、筐体４において分光装置３と対向する位置に設けられている。ベルトコンベア５に載置される測定対象物Ｏｂ１から光Ｐ１が発せられる。光Ｐ１は、波長の異なる複数の光成分を含む。光Ｐ１が分光装置３に入射すると、分光装置３は、波長に応じて方向Ｄ２（第２の方向）に沿って光Ｐ１を分光し、分光後の光Ｐ２として光検出装置２に出射する。光Ｐ１，Ｐ２は、測定対象物Ｏｂ１の幅に応じて方向Ｄ１（第１の方向）に拡がっている。方向Ｄ１は、方向Ｄ２に直交している。方向Ｄ３は、方向Ｄ１と方向Ｄ２とに直交し、裏面Ｓ２の法線方向に向いている。

図２は、図１において、Ｉ−Ｉ線に沿った面からみたハイパースペクトル分光器１の構成を模式的に示す図である。光検出装置２は、信号読み出し回路基板２１とアレイ型受光素子２２とを備える。アレイ型受光素子２２は、光入射面Ｓ１と裏面Ｓ２とを備える。アレイ型受光素子２２の光入射面Ｓ１と裏面Ｓ２とは、方向Ｄ１と方向Ｄ２とに沿って伸びている。光入射面Ｓ１は、分光装置３に向けられている。裏面Ｓ２は、光入射面Ｓ１の反対側に設けられ、信号読み出し回路基板２１は裏面Ｓ２の側でアレイ型受光素子２２に接合されている。アレイ型受光素子２２は、複数の画素Ｋ_α×βを備える。裏面Ｓ２の側には、アレイ型受光素子２２において複数の画素Ｋ_α×βがアレイ状に配置されている。測定対象物Ｏｂ１から入射する光Ｐ１は、分光装置３によって方向Ｄ２の方向に分光された光Ｐ２となり、アレイ型受光素子２２の光入射面Ｓ１から複数の画素Ｋ_α×βに入射する。

図３を参照して、アレイ型受光素子２２の画素アレイＫＡを構成するＮ１×Ｎ２個の画素Ｋ_α×βの配置について説明する。Ｎ１×Ｎ２個の画素Ｋ_α×βは同じ材料で構成されており、画素アレイＫＡを構成する複数の画素Ｋ_α×βのそれぞれの分光感度特性は同じである。分光感度特性（図４に示す分光感度特性）は、入射光の波長に応じた光感度［Ａ／Ｗ］のスペクトルである。画素Ｋ_α×βの感度［Ａ／Ｗ］とは、それぞれの画素Ｋ_α×βに入射する入射光の波長に応じた光感度である。

Ｎ１及びＮ２は共に２以上の整数であり、例えば、Ｎ１＝３２０、Ｎ２＝２５６であることができる。Ｎ１×Ｎ２個の画素Ｋ_α×βは、アレイ型受光素子２２の裏面Ｓ２の側（アレイ型受光素子２２において信号読み出し回路基板２１が設けられている側）において、方向Ｄ１及び方向Ｄ２に沿ってアレイ状に配置されている。方向Ｄ１における画素Ｋ_α×βの位置は、測定対象物Ｏｂ１における位置に対応しており、方向Ｄ２における画素Ｋ_α×βの位置は、分光装置３による分光後の光Ｐ２の波長に対応している。

Ｎ１は方向Ｄ１における画素Ｋ_α×βの個数であり、Ｎ２は方向Ｄ２における画素Ｋ_α×βの個数である。αは、画素Ｋ_α×βのアレイ状の配置において、方向Ｄ１における画素の位置を示しており、具体的には１〜Ｎ１の何れかの整数である。βは、画素Ｋ_α×βのアレイ状の配置において、方向Ｄ２における画素の位置を示しており、具体的には１〜Ｎ２の何れかの整数である。方向Ｄ１に沿って、Ｎ１個の画素Ｋ_α×βは、一定のピッチＬ１で配置されている。方向Ｄ２に沿って、Ｎ２個の画素Ｋ_α×βは、一定のピッチＬ２で配置されている。

方向Ｄ１に沿って配置される複数の画素Ｋ_α×β（βが一定の画素列）は、Ｎ１個であり、具体的には、方向Ｄ１に沿って順に配置される画素Ｋ_１×β、画素Ｋ_２×β、・・、画素Ｋ_Ｎ１×β（βは一定）である。画素Ｋ_１×β、画素Ｋ_２×β、・・、画素Ｋ_Ｎ１×β（βは一定）は、方向Ｄ１と方向Ｄ２とに垂直な方向Ｄ３から見て何れも例えば正方形、円形等の同一の形状を有し、方向Ｄ３から見て同一の画素面積を有する。画素Ｋ_１×β、画素Ｋ_２×β、・・、画素Ｋ_Ｎ１×β（βは一定）には、アレイ型受光素子２２に入射する光Ｐ２のうち同一波長の光成分が入射する。

方向Ｄ２に沿って配置される複数の画素Ｋ_α×β（αが一定の画素列）は、Ｎ２個であり、具体的には、方向Ｄ２に沿って順に配置される画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）である。画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）は、方向Ｄ３から見て何れも例えば正方形、円形等の同一の形状を有する。画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）それぞれの画素面積（方向Ｄ３から見た面積）は、各画素に入射する光の波長に応じて規定される。

画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）それぞれの画素面積の規定方法について説明する。画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）のそれぞれにおいて、感度をＲ_β（βは１〜Ｎ２の整数）とし、方向Ｄ３からみた画素面積をＡ_β（βは１〜Ｎ２の整数）とする。分光装置３による分光後の光Ｐ２は、波長λ１、波長λ２、・・、波長λＮ２の複数の光成分を含む。画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）の画素列において、画素Ｋ_α×β（αは一定であり、βは１〜Ｎ２の整数）には波長λβの光成分が入射する。波長λ１、波長λ２、・・、波長λＮ２のそれぞれの値は、λ１＜λ２＜・・＜λＮ２の大小関係を満たす。波長λ１、波長λ２、・・、波長λＮ２のうち、画素Ｋ_α×β（αは一定であり、βは１〜Ｎ２の整数）の感度が最も小さくなる波長をλｉとすると、β＝ｉの画素Ｋ_α×ｉの感度Ｒ_ｉが感度Ｒ_βの中の最小値となる。換言すれば、画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）の画素列に含まれる画素のうち、感度の最も小さい波長の光を受ける画素が画素Ｋ_α×ｉである。更に、この画素Ｋ_α×ｉの画素面積Ａ_ｉを画素面積Ａ_βの中の最大値とする。換言すれば、この画素Ｋ_α×ｉは、画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）の画素列に含まれる全ての画素のなかで最も大きな画素面積Ａ_ｉを備える。この画素面積Ａ_ｉと感度Ｒ_ｉとの積をＥとし、このＥを用いて、画素面積Ａ_βをＡ_β＝Ｅ／Ｒ_βによって規定する。特に、画素Ｋ_α×１、画素Ｋ_α×２、・・、画素Ｋ_α×Ｎ２（αは一定）の画素列に含まれる画素のうち画素Ｋ_α×ｉを除く他の画素Ｋ_α×β（βはｉと異なる）の画素面積Ａ_βは、画素Ｋ_α×ｉの感度Ｒ_ｉと画素Ｋ_α×ｉの画素面積Ａ_ｉとの積Ｅを、この画素Ｋ_α×β（βはｉと異なる）の感度Ｒ_βで割った商である。この画素Ｋ_α×β（βはｉと異なる）の感度Ｒ_βは、上記の他の画素Ｋ_α×β（βはｉと異なる）に入射する光の波長に対応している。

このように、それぞれの画素Ｋ_α×βにおいて感度Ｒ_βと画素面積Ａ_βとの積が一定の値（積Ｅ）となるように画素面積Ａ_βが規定されるので、受光量に応じた画素Ｋ_α×βそれぞれの出力電荷が画素Ｋ_α×β間において均一化され、従って、受光量に応じた画素Ｋ_α×β間の出力電荷の差が低減される。よって、アレイ型受光素子２２において画素間のＳ／Ｎが均一化される。

例えば、後述する図６の（Ａ）部（第１の実施例）及び図８の（Ａ）部（第２の実施例）のそれぞれに示すようにＩｎＧａＡｓを受光層の主な材料に用いた構成のアレイ型受光素子２２の場合の画素Ｋ_α×βの分光感度特性は、図４に示されている。図４の横軸は入射光の波長［ｎｍ］を示しており、縦軸はそれぞれの波長に応じた感度［Ａ／Ｗ］を示している。図５に示すように、方向Ｄ１に配置されている画素Ｋ_１×α〜Ｋ_４×１等は、ピッチＬ１の間隔で配置されている。図５に示すように、方向Ｄ２に配置されている画素Ｋ_１×１〜Ｋ_１×６等は、ピッチＬ２の間隔で配置されている。ピッチＬ１はピッチＬ２と同じであり、３０［μｍ］程度である。

図６の（Ａ）部及び図８の（Ａ）部のそれぞれに示すアレイ型受光素子２２の場合の画素Ｋ_α×βの配置が図５に示されている。図６の（Ａ）部及び図８の（Ａ）部のそれぞれに示すアレイ型受光素子２２は、１０００〜１６４０［ｎｍ］の波長範囲を測定する。Ｎ１＝３２０、Ｎ２＝２５６であるとする。方向Ｄ２に沿った２５６個の画素Ｋ_α×β（αは一定）のそれぞれに入射する光の波長λβ（βは１〜２５６の何れかの整数）は、２．５［ｎｍ］（＝６４０［ｎｍ］／２５６）の間隔で画素Ｋ_α×β（αは一定）のそれぞれに入射する。例えば、画素Ｋ_α×１には光Ｐ２に含まれるλ１＝１０００［ｎｍ］の光成分が入射し、画素Ｋ_α×２には光Ｐ２に含まれるλ２＝１００２．５［ｎｍ］の光成分が入射し、画素Ｋ_α×３には光Ｐ２に含まれるλ３＝１００５［ｎｍ］の光成分が入射し、画素Ｋ_α×４にはλ４＝１００７．５［ｎｍ］であり、画素Ｋ_α×５には光Ｐ２に含まれるλ５＝１０１０［ｎｍ］の光成分が入射し、画素Ｋ_α×６には光Ｐ２に含まれるλ６＝１０１２．５［ｎｍ］の光成分が入射する。

図４に示されている分光感度特性を参照すれば、方向Ｄ２に沿った２５６個の画素Ｋ_α×β（αは一定）のうち、感度が最も小さいものは、β＝１の場合の画素Ｋ_α×１であることがわかる。画素Ｋ_α×１は、波長λ１＝１０００［ｎｍ］の光を受光し、図４を参照すれば、波長が１０００〜１６４０［ｎｍ］の範囲において、感度の最も小さい波長が１０００［ｎｍ］であることがわかる。この画素Ｋ_α×１の画素面積Ａ_１は、画素が正方形であってＬ１＝Ｌ２＝３０［μｍ］の場合における画素面積の最大値２６［μｍ］×２６［μｍ］であり、感度Ｒ_１は、０．７［Ａ／Ｗ］程度である。すなわち、図６の（Ａ）部（第１の実施例）及び図８の（Ａ）部（第２の実施例）のそれぞれに示すようにＩｎＧａＡｓを受光層の主な材料に用いた構成のアレイ型受光素子２２の場合の上記の積Ｅ（上記の画素Ｋ_α×ｉの感度Ｒ_ｉと画素面積Ａ_ｉとの積）の値は、２６×２６×０．７の程度となる。画素Ｋ_α×β（αは一定）の画素面積Ａ_βは、この積Ｅの値と、この画素Ｋ_α×βに入射する光の波長に対応する感度Ｒ_βとを用いて規定される。

（第１の実施例）図６を参照して光検出装置２の構成を説明する。図６の（Ａ）部は、方向Ｄ１と方向Ｄ２とに垂直に延びる面から見た光検出装置２の内部構成を模式的に示す。図６の（Ｂ）部に示す構成は、図６の（Ａ）部に示す構成の変形例１である。光検出装置２は、信号読み出し回路基板２１とアレイ型受光素子２２とバンプ２３とを備える。信号読み出し回路基板２１とアレイ型受光素子２２とはバンプ２３を介して接合されている。信号読み出し回路基板２１は、基板本体２１１と複数の電極２１２とを備える。電極２１２は、バンプ２３に接続され、バンプ２３を介してアレイ型受光素子２２のｐ側電極２２ｆに接続される。アレイ型受光素子２２は、支持基体２２ａと半導体積層とパッシベーション膜２２ｅとｐ側電極２２ｆとｎ側電極２２ｇと配線電極２２ｈとを備える。この半導体積層は、バッファ層２２ｂと受光層２２ｃとキャップ層２２ｄとを含む。アレイ型受光素子２２は、複数のメサ部Ｍを備える。

複数のメサ部Ｍのそれぞれは、複数の画素Ｋ_α×βのそれぞれに対応している。バッファ層２２ｂは、支持基体２２ａの上に設けられており、受光層２２ｃは、バッファ層２２ｂの上に設けられており、キャップ層２２ｄは、受光層２２ｃの上に設けられている。メサ部Ｍは、支持基体２２ａの上に伸びている。メサ部Ｍには、バッファ層２２ｂの一部と受光層２２ｃとキャップ層２２ｄとが含まれる。領域Ｅ１は、メサ部Ｍを含んでいる。キャップ層２２ｄの表面にはｐ側電極２２ｆが設けられており、ｐ側電極２２ｆは、キャップ層２２ｄに接触している。メサ部Ｍの表面は、パッシベーション膜２２ｅによって覆われている。アレイ型受光素子２２の外縁には、配線電極２２ｈとｎ側電極２２ｇとが設けられている。配線電極２２ｈは、パッシベーション膜２２ｅの上に設けられており、ｎ側電極２２ｇとバンプ２３とに接触している。ｎ側電極２２ｇは、バッファ層２２ｂに接触している。ｎ側電極２２ｇは、配線電極２２ｈとバンプ２３とを介して電極２１２に接続される。

バッファ層２２ｂと受光層２２ｃとキャップ層２２ｄとは、何れも、支持基体２２ａの上に順次設けられたエピタキシャル層である。支持基体２２ａの材料は、例えばＦｅがドープされたＩｎＰであることができる。バッファ層２２ｂの材料は、例えばＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓであることができる。バッファ層２２ｂの厚みは、例えば０．５［μｍ］の程度である。受光層２２ｃの材料は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ層）であることができる。受光層２２ｃの厚みは、例えば３［μｍ］の程度である。キャップ層２２ｄの材料は、例えばＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓであることができる。キャップ層２２ｄの厚みは、例えば１［μｍ］の程度である。ｐ側電極２２ｆの材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕであることができる。ｎ側電極２２ｇの材料は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉであることができる。パッシベーション膜２２ｅの材料は、ＳｉＯ_２であることができる。

光検出装置２の製造方法の概略を、図７の（Ａ）部を参照しながら説明する。まず、基板２２ａ＿１を用意する。基板２２ａ＿１は、支持基体２２ａに対応する。基板２２ａ＿１の材料は、支持基体２２ａの材料と同じである。基板２２ａ＿１の上に、半導体層２２ｂ＿１、半導体層２２ｃ＿１、半導体層２２ｄ＿１を順次エピタキシャル成長する。半導体層２２ｂ＿１は、バッファ層２２ｂに対応する。半導体層２２ｂ＿１の材料は、バッファ層２２ｂの材料と同じである。半導体層２２ｃ＿１は、受光層２２ｃに対応する。半導体層２２ｃ＿１の材料は、受光層２２ｃの材料と同じである。半導体層２２ｄ＿１は、キャップ層２２ｄに対応する。半導体層２２ｄ＿１の材料は、キャップ層２２ｄの材料と同じである。

次に、半導体層２２ｂ＿１と半導体層２２ｃ＿１と半導体層２２ｄ＿１とを含む積層体に対しドライエッチングを施すことによって画素に対応するメサ部Ｍを形成する。更に、メサ部Ｍの表面にＳｉＯ_２のパッシベーション膜（パッシベーション膜２２ｅに対応する）を形成し、半導体層２２ｄ＿１の表面にパッシベーション膜の開口を設け、この開口を介してｐ側電極２２ｆを形成し、更に、アレイ型受光素子２２の外縁に対応する箇所における半導体層２２ｂ＿１の表面にｎ側電極２２ｇを形成する、等の工程を経て、図６の（Ａ）部に示すアレイ型受光素子２２を含むウェハを形成する。この後、このウェハを図６の（Ａ）部に示すアレイ型受光素子２２に対応する複数のチップに分離し、各チップに対し複数のバンプ２３を形成し、このチップと信号読み出し回路基板２１とを複数のバンプ２３を介してフリップチップ接続する。そうして、第１の実施例に係る光検出装置２が製造される。

図６の（Ｂ）部に示すメサ部Ｍの他の構成を説明する（第１の実施例に係る変形例１）。メサ部Ｍは、受光層２２ｉと半導体層２２ｊとキャップ層２２ｋとを、受光層２２ｃとキャップ層２２ｄとに代えて備えてもよい。受光層２２ｉは、バッファ層２２ｂの上に設けられ、半導体層２２ｊは、受光層２２ｉの上に設けられ、キャップ層２２ｋは、半導体層２２ｊの上に設けられる。受光層２２ｃと受光層２２ｉと半導体層２２ｊとキャップ層２２ｋとは、何れも、支持基体２２ａの上に順次設けられたエピタキシャル層である。受光層２２ｉは、タイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸層（５［ｎｍ］／５［ｎｍ］×２５０ペア）を備える。受光層２２ｉの材料は、ノンドープのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂである。受光層２２ｉの厚みは、例えば２．５［μｍ］の程度である。半導体層２２ｊの材料は、ノンドープのＩｎＧａＡｓであることができる。半導体層２２ｊの厚みは、０．１［μｍ］の程度である。キャップ層２２ｋの材料は、ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓであることができる。キャップ層２２ｋの厚みは、例えば０．６［μｍ］の程度である。

変形例１に係る光検出装置２の製造方法の概略を、図７の（Ｂ）部を参照しながら説明する。まず、基板２２ａ＿１を用意する。基板２２ａ＿１は、支持基体２２ａに対応する。基板２２ａ＿１の材料は、支持基体２２ａの材料と同じである。基板２２ａ＿１の上に、半導体層２２ｂ＿１、半導体層２２ｉ＿１、半導体層２２ｊ＿１、半導体層２２ｋ＿１を順次エピタキシャル成長する。半導体層２２ｉ＿１は、受光層２２ｉに対応する。半導体層２２ｉ＿１の材料は、受光層２２ｉの材料と同じである。半導体層２２ｊ＿１は、半導体層２２ｊに対応する。半導体層２２ｊ＿１の材料は、半導体層２２ｊの材料と同じである。半導体層２２ｋ＿１は、キャップ層２２ｋに対応する。半導体層２２ｋ＿１の材料は、キャップ層２２ｋの材料と同じである。

次に、半導体層２２ｂ＿１と半導体層２２ｉ＿１と半導体層２２ｊ＿１と半導体層２２ｋ＿１とを含む積層体に対しドライエッチングを施すことによって画素に対応するメサ部Ｍを形成する。更に、メサ部Ｍの表面にＳｉＯ_２のパッシベーション膜（パッシベーション膜２２ｅに対応する）を形成し、半導体層２２ｋ＿１の表面にパッシベーション膜の開口を設け、この開口を介してｐ側電極２２ｆを形成し、更に、変形例１に係るアレイ型受光素子２２の外縁に対応する箇所における半導体層２２ｂ＿１の表面にｎ側電極２２ｇを形成する、等の工程を経て、変形例１に係るアレイ型受光素子２２を含むウェハを形成する。この後、このウェハを変形例１に係るアレイ型受光素子２２に対応する複数のチップに分離し、各チップに対し複数のバンプ２３を形成し、このチップと信号読み出し回路基板２１とを複数のバンプ２３を介してフリップチップ接続する。そうして、変形例１に係る光検出装置２が製造される。

（第２の実施例）図８を参照して光検出装置２＿１の構成を説明する。光検出装置２＿１は、第１の実施例に係る光検出装置２の構成のうち第１の実施例に係るアレイ型受光素子２２を第２の実施例に係るアレイ型受光素子２２＿１に代えたものであり、ハイパースペクトル分光器１＿１は、第１の実施例に係るハイパースペクトル分光器１の構成のうち第１の実施例に係る光検出装置２を第２の実施例に係る光検出装置２＿１に代えたものである。また、図１〜図３において、ハイパースペクトル分光器１を第２の実施例に係るハイパースペクトル分光器１＿１に代え、光検出装置２を第２の実施例に係る光検出装置２＿１に代え、アレイ型受光素子２２を第２の実施例に係るアレイ型受光素子２２＿１に代えて用いることができる。

図８の（Ａ）部は、方向Ｄ１と方向Ｄ２とに垂直に延びる面から見た光検出装置２＿１の内部構成を模式的に示す。図８の（Ｂ）部に示す構成は、図８の（Ａ）部に示す構成の変形例２である。光検出装置２＿１は、信号読み出し回路基板２１とアレイ型受光素子２２＿１とバンプ２３とを備える。信号読み出し回路基板２１とアレイ型受光素子２２＿１とはバンプ２３を介して接合されている。電極２１２は、バンプ２３に接続され、バンプ２３を介してアレイ型受光素子２２＿１のｐ側電極２２ｆに接続される。アレイ型受光素子２２＿１は、支持基体２２ｍと半導体積層とマスク２２ｓとｐ側電極２２ｔとｎ側電極２２ｕと配線電極２２ｖとを備える。この半導体積層は、バッファ層２２ｎと受光層２２ｐとキャップ層２２ｑと不純物拡散領域２２ｒとを含む。アレイ型受光素子２２＿１は、複数の不純物拡散領域２２ｒを備える。

複数の不純物拡散領域２２ｒのそれぞれは、複数の画素Ｋ_α×βのそれぞれに対応している。バッファ層２２ｎは、支持基体２２ｍの上に設けられており、受光層２２ｐは、バッファ層２２ｎの上に設けられており、キャップ層２２ｑは、受光層２２ｐの上に設けられている。不純物拡散領域２２ｒは、キャップ層２２ｑの表面（裏面Ｓ２）に設けられている。不純物拡散領域２２ｒは、キャップ層２２ｑの表面から受光層２２ｐの内部に至るまで延存する。領域Ｅ２は、不純物拡散領域２２ｒを含んでいる。キャップ層２２ｑの表面（不純物拡散領域２２ｒの表面）にはｐ側電極２２ｔが設けられており、ｐ側電極２２ｔは、キャップ層２２ｑ（不純物拡散領域２２ｒ）に接触している。キャップ層２２ｑの表面は、マスク２２ｓによって覆われている。アレイ型受光素子２２＿１の外縁には、配線電極２２ｖとｎ側電極２２ｕとが設けられている。配線電極２２ｖは、マスク２２ｓの上に設けられており、ｎ側電極２２ｕとバンプ２３とに接触している。ｎ側電極２２ｕは、バッファ層２２ｎに接触している。ｎ側電極２２ｕは、配線電極２２ｖとバンプ２３とを介して電極２１２に接続される。

バッファ層２２ｎと受光層２２ｐとキャップ層２２ｑとは、何れも、支持基体２２ｍの上に順次設けられたエピタキシャル層である。支持基体２２ｍの材料は、例えばＳｉがドープされたＩｎＰであることができる。バッファ層２２ｎの材料は、例えばＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓであることができる。バッファ層２２ｎの厚みは、例えば０．５［μｍ］の程度である。受光層２２ｐの材料は、例えばノンドープのＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ層）であることができる。受光層２２ｐの厚みは、例えば３［μｍ］の程度である。キャップ層２２ｑの材料は、ノンドープのＩｎＰであることができる。
キャップ層２２ｑの厚みは、例えば１．５［μｍ］の程度である。ｐ側電極２２ｔの材料は、Ａｕ／Ｚｎであることができる。ｎ側電極２２ｕの材料は、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉであることができる。マスク２２ｓの材料は、ＳｉＮであることができる。

光検出装置２＿１の製造方法の概略を、図９の（Ａ）部を参照しながら説明する。まず、基板２２ｍ＿１を用意する。基板２２ｍ＿１は、支持基体２２ｍに対応する。基板２２ｍ＿１の材料は、支持基体２２ｍの材料と同じである。基板２２ｍ＿１の上に、半導体層２２ｎ＿１、半導体層２２ｐ＿１、半導体層２２ｑ＿１を順次エピタキシャル成長する。半導体層２２ｎ＿１は、バッファ層２２ｎに対応する。半導体層２２ｎ＿１の材料は、バッファ層２２ｎの材料と同じである。半導体層２２ｐ＿１は、受光層２２ｐに対応する。半導体層２２ｐ＿１の材料は、受光層２２ｐの材料と同じである。半導体層２２ｑ＿１は、キャップ層２２ｑに対応する。半導体層２２ｑ＿１の材料は、キャップ層２２ｑの材料と同じである。

次に、半導体層２２ｑ＿１の表面にＳｉＮのマスク（マスク２２ｓに対応）を設け、このマスクを用いて半導体層２２ｑ＿１の表面から半導体層２２ｐ＿１の内部に至るまでＺｎを拡散して半導体層２２ｐ＿１の内部にｐｎ接合を形成し、画素に対応する不純物拡散領域２２ｚを形成する。更に、不純物拡散領域２２ｚにｐ側電極２２ｔを形成し、アレイ型受光素子２２＿１の外縁に対応する箇所における半導体層２２ｎ＿１の表面にｎ側電極２２ｕを形成する等の工程を経て、図８の（Ａ）部に示すアレイ型受光素子２２＿１を含むウェハを形成する。この後、このウェハを図８の（Ａ）部に示すアレイ型受光素子２２＿１に対応する複数のチップに分離し、各チップに対し複数のバンプ２３を形成し、このチップと信号読み出し回路基板２１とを複数のバンプ２３を介してフリップチップ接続する。そうして、第２の実施例に係る光検出装置２＿１が製造される。

図８の（Ｂ）部に示す他の構成を説明する（第２の実施例に係る変形例２）。アレイ型受光素子２２＿１は、受光層２２ｗと半導体層２２ｘとキャップ層２２ｙとを、受光層２２ｐとキャップ層２２ｑとに代えて備えてもよい。受光層２２ｗは、バッファ層２２ｎの上に設けられ、半導体層２２ｘは、受光層２２ｗの上に設けられ、キャップ層２２ｙは、半導体層２２ｘの上に設けられる。バッファ層２２ｎと受光層２２ｗと半導体層２２ｘとキャップ層２２ｙとは、何れも、支持基体２２ｍの上に順次設けられたエピタキシャル層である。受光層２２ｗは、タイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸層（５［ｎｍ］／５［ｎｍ］×２５０ペア）を備える。受光層２２ｗの材料は、ノンドープのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂである。受光層２２ｗの厚みは、例えば２．５［μｍ］の程度である。半導体層２２ｘの材料は、ノンドープのＩｎＧａＡｓであることができる。半導体層２２ｘの厚みは、１［μｍ］の程度である。キャップ層２２ｙの材料は、ノンドープ又はＳｉがドープされたＩｎＰであることができる。キャップ層２２ｙの厚みは、例えば０．８［μｍ］の程度である。不純物拡散領域２２ｚは、キャップ層２２ｙの表面から受光層２２ｗの内部に至るまで延在し例えばＺｎが拡散された領域である。

変形例２に係る光検出装置２＿１の製造方法の概略を、図９の（Ｂ）部を参照しながら説明する。まず、基板２２ｍ＿１を用意する。基板２２ｍ＿１は、支持基体２２ｍに対応する。基板２２ｍ＿１の材料は、支持基体２２ｍの材料と同じである。基板２２ｍ＿１の上に、半導体層２２ｎ＿１、半導体層２２ｗ＿１、半導体層２２ｘ＿１、半導体層２２ｙ＿１を順次エピタキシャル成長する。半導体層２２ｗ＿１は、受光層２２ｗに対応する。半導体層２２ｗ＿１の材料は、受光層２２ｗの材料と同じである。半導体層２２ｘ＿１は、半導体層２２ｘに対応する。半導体層２２ｘ＿１の材料は、半導体層２２ｘの材料と同じである。半導体層２２ｙ＿１は、キャップ層２２ｙに対応する。半導体層２２ｙ＿１の材料は、キャップ層２２ｙの材料と同じである。

次に、半導体層２２ｙ＿１の表面にＳｉＮのマスクを形成し、このマスクを用いて半導体層２２ｙ＿１の表面からＺｎを拡散することによって画素に対応する不純物拡散領域２２ｚを形成する。更に、不純物拡散領域２２ｚの表面にｐ側電極２２ｔを形成し、変形例２に係るアレイ型受光素子２２＿１の外縁に対応する箇所における半導体層２２ｎ＿１の表面にｎ側電極２２ｕを形成する等の工程を経て、変形例２に係るアレイ型受光素子２２＿１を含むウェハを形成する。この後、このウェハを変形例２に係るアレイ型受光素子２２＿１に対応する複数のチップに分離し、各チップに対し複数のバンプ２３を形成し、このチップと信号読み出し回路基板２１とを複数のバンプ２３を介してフリップチップ接続する。そうして、変形例２に係る光検出装置２＿１が製造される。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

赤外領域で動作するアレイ型検出器、特にハイパースペクトルに用いる二次元アレイ型検出器に用いると有益である。

１…ハイパースペクトル分光器、２，２＿１…光検出装置、２１…信号読み出し回路基板、２１１…基板本体、２１２…電極、２２，２２＿１…アレイ型受光素子、２２ａ，２２ｍ…支持基体、２２ａ＿１，２２ｍ＿１…基板、２２ｂ，２２ｎ…バッファ層、２２ｂ＿１，２２ｃ＿１，２２ｄ＿１，２２ｊ，２２ｐ＿１，２２ｑ＿１，２２ｉ＿１，２２ｊ＿１，２２ｋ＿１，２２ｘ，２２ｘ＿１，２２ｙ＿１，２２ｗ＿１，２２ｎ＿１…半導体層、２２ｃ，２２ｉ，２２ｐ，２２ｗ…受光層、２２ｄ，２２ｋ，２２ｑ，２２ｙ…キャップ層、２２ｅ…パッシベーション膜、２２ｆ，２２ｔ…ｐ側電極、２２ｇ，２２ｕ…ｎ側電極、２２ｈ，２２ｖ…配線電極、２２ｒ，２２ｚ…不純物拡散領域、２２ｓ…マスク、２３…バンプ、３…分光装置、３１…レンズ、３２…分光器、４…筐体、５…ベルトコンベア、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…方向、Ｅ１，Ｅ２…領域、ＫＡ…画素アレイ、Ｌ１，Ｌ２…ピッチ、Ｍ…メサ部、Ｏｂ１…測定対象物、Ｐ１，Ｐ２…光、Ｓ１…光入射面、Ｓ２…裏面。

Claims (4)

1. アレイ型受光素子であって、
   画素アレイを備え、
   前記画素アレイは、第１の方向と前記第１の方向に直交する第２の方向とに沿って複数の画素がアレイ状に配列され、
   前記画素アレイを構成する複数の画素のそれぞれの分光感度特性は同じであり、
   前記画素アレイは、前記第１の方向に沿って配列され前記第２の方向に伸びる複数の画素列を備え、
   前記画素列には、前記第２の方向に沿って複数の画素が配列され、分光器によって波長に応じて前記第２の方向に分光された光が入射し、
   前記画素列に含まれる画素のうち、感度の最も小さい波長の光を受ける第１の画素は、この画素列に含まれる画素のなかで最も大きな画素面積を備え、
   前記画素列に含まれる画素のうち前記第１の画素を除く第２の画素の画素面積は、前記第１の画素に入射する光の波長に対応する前記第１の画素の感度と前記第１の画素の画素面積との積を、前記第２の画素に入射する光の波長に対応する前記第２の画素の感度で割った商である、
   アレイ型受光素子。
2. 複数のメサ部を更に備え、
   前記メサ部は、前記画素に対応している、
   請求項１に記載のアレイ型受光素子。
3. 複数の不純物拡散領域を更に備え、
   前記不純物拡散領域は、前記画素に対応している、
   請求項１又は２に記載のアレイ型受光素子。
4. 受光層を備え、
   前記受光層は、ＩｎＧａＡｓ層と、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸層との何れかを備える、
   請求項１〜３の何れか一項に記載のアレイ型受光素子。

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