JP2021100023A - Photodetector and imaging device using the same - Google Patents

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JP2021100023A JP2019230288A JP2019230288A JP2021100023A JP 2021100023 A JP2021100023 A JP 2021100023A JP 2019230288 A JP2019230288 A JP 2019230288A JP 2019230288 A JP2019230288 A JP 2019230288A JP 2021100023 A JP2021100023 A JP 2021100023A
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西野 弘師
Hiroshi Nishino
弘師 西野
僚 鈴木
Ryo Suzuki
僚 鈴木
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Abstract

To suppress surface leakage of a light absorption layer and reduce crosstalk between pixels by a photodetector sensitive to at least two wavelengths.SOLUTION: A photodetector with an array of a plurality of pixels includes a laminate including a first contact layer to which a common bias voltage is applied, a first light absorption layer that responds to light of a first wavelength, and a second light absorption layer that responds to light of a second wavelength longer than the first wavelength, and the first contact layer is located on the light incident side, the second light absorption layer is located on the element surface side, and the second light absorption layer is not physically divided and is continuous over the entire pixel region including the array of the plurality of pixels, the second contact layer separated by a pixel separation groove is arranged on the surface of the second light absorption layer, and a partition corresponding to each pixel is formed in the first light absorption layer by one or more grooves extending in the stacking direction.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、光検出装置、及びこれを用いた撮像装置に関する。 The present invention relates to a photodetector and an imaging device using the same.

従来から、1素子で2波長に応答する光センサ(たとえば、特許文献1参照)や、赤外線検出器(たとえば、特許文献2参照)が知られている。 Conventionally, an optical sensor that responds to two wavelengths with one element (see, for example, Patent Document 1) and an infrared detector (for example, see Patent Document 2) have been known.

光センサまたは光検出器の光吸収層として、タイプII超格子(Type-II Super-Lattice;T2SL)が用いられる場合、入射光はT2SL層で吸収され、光励起キャリアである電子と正孔が生成されて光電流信号が得られる。光励起以外に、熱エネルギーによってもキャリアは誘起され、光応答以外の余剰電流が流れる。この余剰電流は「暗電流」と呼ばれる。暗電流は雑音成分となるので、光センサの信号対雑音(S/N;Signal-to-Noise)比を向上するには、暗電流の抑制が必要である。特に、バンドギャップの小さい長波(LW:Long Wavelength)帯の吸収層を含むT2SL素子は熱励起に弱く、暗電流が発生しやすい。 When a Type-II Super-Lattice (T2SL) is used as the photoabsorbing layer of a photosensor or photodetector, the incident light is absorbed by the T2SL layer and electrons and holes, which are photoexcited carriers, are generated. The photocurrent signal is obtained. In addition to photoexcitation, carriers are also induced by thermal energy, and surplus current other than photoresponse flows. This surplus current is called "dark current". Since the dark current is a noise component, it is necessary to suppress the dark current in order to improve the signal-to-noise (S / N) ratio of the optical sensor. In particular, a T2SL device including an absorption layer in a long wave length (LW) band with a small bandgap is vulnerable to thermal excitation and tends to generate a dark current.

T2SL素子では、バルク中で発生する暗電流よりも、画素分離溝などの露出面または側壁を流れる暗電流が支配的である。単一波長の光検出器で、光吸収層に画素分離溝を設けずに、メタルコンタクトで画素を規定して表面リークを低減する構成が知られている(たとえば、特許文献3参照)。 In the T2SL element, the dark current flowing on the exposed surface or the side wall such as the pixel separation groove is dominant rather than the dark current generated in the bulk. It is known that a photodetector having a single wavelength has a structure in which pixels are defined by metal contacts to reduce surface leakage without providing a pixel separation groove in the light absorption layer (see, for example, Patent Document 3).

特開平11−150288号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-15288 特開2015−155839号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-155839 米国特許第9613999号U.S. Pat. No. 9613999

メタルコンタクトで画素を規定する単一波長の光検出器の構成を、2波長に感度を有する光検出装置にそのまま適用することは難しい。異なる波長に感度を有する2以上の光吸収層が積層された光検出器では、メタルコンタクトに近い側に位置する光吸収層で信号クロストークを抑制できても、メタルコンタクトから離れた光入射側の光吸収層で生じた励起キャリアは、隣接画素の出力に混入しやすいからである。 It is difficult to directly apply the configuration of a single-wavelength photodetector whose pixels are defined by metal contacts to a photodetector having sensitivity to two wavelengths. In a photodetector in which two or more light absorbing layers having sensitivity to different wavelengths are laminated, even if the light absorbing layer located near the metal contact can suppress signal crosstalk, the light incident side away from the metal contact. This is because the excitation carriers generated in the light absorption layer of the above are likely to be mixed in the output of the adjacent pixel.

本発明は、少なくとも2つの波長に感度を有する光検出器で、光吸収層の表面リークを抑制し、かつ画素間のクロストークを低減する構成を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a photodetector having sensitivity to at least two wavelengths, which suppresses surface leakage of a light absorption layer and reduces crosstalk between pixels.

本発明の一態様では、複数の画素の配列を有する光検出装置において、
共通バイアス電圧が印加される第1のコンタクト層、第1の波長の光に応答する第1の光吸収層、及び、前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に応答する第2の光吸収層を含む積層体を有し、前記第1のコンタクト層が光入射側、前記第2の光吸収層が素子表面側に位置し、
前記第2の光吸収層は物理的に分断されずに前記複数の画素の配列を含む画素領域の全体にわたって連続しており、前記第2の光吸収層の表面に、画素分離溝で分離された第2のコンタクト層が配置されており、
前記第1の光吸収層に、積層方向に延びる1以上の溝によって個々の画素に対応する区画が形成されている。
In one aspect of the invention, in a photodetector having an array of multiple pixels,
A first contact layer to which a common bias voltage is applied, a first light absorption layer that responds to light of a first wavelength, and a second that responds to light of a second wavelength longer than the first wavelength. The first contact layer is located on the light incident side, and the second light absorbing layer is located on the surface side of the device.
The second light absorption layer is not physically divided and is continuous over the entire pixel region including the array of the plurality of pixels, and is separated on the surface of the second light absorption layer by a pixel separation groove. A second contact layer is placed
In the first light absorption layer, a partition corresponding to each pixel is formed by one or more grooves extending in the stacking direction.

少なくとも2つの波長に感度を有する光検出器で、光吸収層の表面リークを抑制し、かつ画素間のクロストークを低減することができる。 A photodetector that is sensitive to at least two wavelengths can suppress surface leakage of the light absorption layer and reduce crosstalk between pixels.

単一波長の光センサの暗電流抑制構造を2波長センサに適用したときの問題点を説明する図である。It is a figure explaining the problem when the dark current suppression structure of a single wavelength optical sensor is applied to a two wavelength sensor. 実施形態の2波長センサの画素アレイの断面模式図である。It is sectional drawing of the pixel array of the 2 wavelength sensor of an embodiment. 画素アレイの素子表面側から見た平面図である。It is a top view seen from the element surface side of a pixel array. 画素アレイの光入射側から見た平面図である。It is a top view seen from the light incident side of a pixel array. 図4のB−B'断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB'in FIG. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の製造工程図である。It is a manufacturing process diagram of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置の模式的な斜視図である。It is a schematic perspective view of the photodetector of an embodiment. 実施形態の光検出装置を用いた撮像装置の模式図である。It is a schematic diagram of the image pickup apparatus using the light detection apparatus of embodiment.

図1は、単一波長の光センサの暗電流抑制構造を、2波長センサにそのまま適用したと気に生じる問題点を説明する図である。異なる2つの波長に感度を有する光センサの画素アレイでは、共通コンタクト層16、MW(Mid Wavelength:中波)帯吸収層15、ブロック層14、LW帯吸収層13がこの順に積層されている。単一波長の光センサの暗電流抑制構造を2波長センサの画素アレイにそのまま適用すると、共通コンタクト層16からLW帯吸収層13までの積層体は、物理的に分断されない。 FIG. 1 is a diagram for explaining a problem that arises when the dark current suppression structure of a single-wavelength optical sensor is applied to a two-wavelength sensor as it is. In the pixel array of the optical sensor having sensitivity to two different wavelengths, the common contact layer 16, the MW (Mid Wavelength) band absorption layer 15, the block layer 14, and the LW band absorption layer 13 are laminated in this order. When the dark current suppression structure of the single-wavelength optical sensor is applied to the pixel array of the two-wavelength sensor as it is, the laminate from the common contact layer 16 to the LW band absorption layer 13 is not physically divided.

LW帯吸収層13の表面に、画素を定義するコンタクト層12と、コンタクト層12に電気的に接続されるメタルコンタクト36が配置される。素子の表面近傍にだけ画素分離溝21が形成され、バンドギャップが小さく暗電流が流れやすいLW帯吸収層13に分離溝は形成されない。この構成により、LW帯吸収層13の側面の露出を小さくして、暗電流を低減することができる。 On the surface of the LW band absorption layer 13, a contact layer 12 that defines a pixel and a metal contact 36 that is electrically connected to the contact layer 12 are arranged. The pixel separation groove 21 is formed only in the vicinity of the surface of the device, and the separation groove is not formed in the LW band absorption layer 13 having a small band gap and easy flow of dark current. With this configuration, it is possible to reduce the exposure of the side surface of the LW band absorption layer 13 and reduce the dark current.

LW帯吸収層13は物理的に分断されていないが、共通コンタクト層16と、個々のコンタクト層12の間に印加されるバイアス電圧によって、コンタクト層12に近いLW帯吸収層13で発生した光励起キャリアは、画素ごとに外部に引き出される。コンタクト層12の直下に位置するLW帯吸収層13では、電界印加時に隣接画素への光電流の漏れは無視し得る程度に小さい。 Although the LW band absorption layer 13 is not physically divided, the photoexcitation generated in the LW band absorption layer 13 close to the contact layer 12 due to the bias voltage applied between the common contact layer 16 and the individual contact layers 12 The carrier is pulled out for each pixel. In the LW band absorption layer 13 located directly below the contact layer 12, the leakage of photocurrent to the adjacent pixels when an electric field is applied is so small that it can be ignored.

T2SLの場合、光吸収層のバンドギャップと波長応答特性の関係から、応答波長が短いMW帯吸収層15が光入射側に配置される。光入射面に近いということは、素子表面のコンタクト層12から離れているということである。共通コンタクト層16と個々のコンタクト層12間に印加するバイアス電圧の極性を切り替えることで、MW帯吸収層15で発生する光電流PCを取り出すことができるが、表面のコンタクト層12から遠いので、分断されていない領域での光励起キャリアの走行距離が長くなる。その結果、図1に示すように、光励起キャリアの一部が隣接画素へ流出する。LW帯吸収層13での暗電流は低減できるが、MW帯吸収層15で発生した光励起キャリアにより信号クロストークが発生するという別の問題が生じる。別の言い方をすると、単一波長のセンサで回避されていた問題が、多波長センサで顕在化する。 In the case of T2SL, the MW band absorption layer 15 having a short response wavelength is arranged on the light incident side due to the relationship between the band gap of the light absorption layer and the wavelength response characteristic. Being close to the light incident surface means that it is separated from the contact layer 12 on the surface of the device. By switching the polarity of the bias voltage applied between the common contact layer 16 and the individual contact layers 12, the photocurrent PC generated in the MW band absorption layer 15 can be taken out, but since it is far from the contact layer 12 on the surface, The mileage of the photoexcited carrier in the undivided region becomes long. As a result, as shown in FIG. 1, a part of the photoexcited carriers flows out to the adjacent pixels. Although the dark current in the LW band absorption layer 13 can be reduced, another problem arises in which signal crosstalk is generated by the photoexcited carriers generated in the MW band absorption layer 15. In other words, the problems that were avoided with single-wavelength sensors become apparent with multi-wavelength sensors.

図2は、実施形態の光検出器で用いられる画素アレイ10の断面模式図である。実施形態では、MW帯吸収層15で発生した光励起キャリアによるクロストークの問題を解決するために、LW帯吸収層13を物理的に分断せずに、MW帯吸収層15に、画素を区画する1または複数の溝17を設ける。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the pixel array 10 used in the photodetector of the embodiment. In the embodiment, in order to solve the problem of crosstalk due to photoexcited carriers generated in the MW band absorption layer 15, pixels are partitioned in the MW band absorption layer 15 without physically dividing the LW band absorption layer 13. One or more grooves 17 are provided.

画素アレイ10は、たとえば、多数の画素101がX方向とY方向に配置された2次元アレイである。共通コンタクト層16、MW帯吸収層15、ブロック層14、LW帯吸収層13がこの順でZ方向に積層されている。この積層体の表面に、画素101ごとに画素分離溝21で分離されたコンタクト層12と、コンタクト層12に電気的に接続されるメタルコンタクト36が設けられている。 The pixel array 10 is, for example, a two-dimensional array in which a large number of pixels 101 are arranged in the X direction and the Y direction. The common contact layer 16, the MW band absorption layer 15, the block layer 14, and the LW band absorption layer 13 are laminated in this order in the Z direction. On the surface of this laminated body, a contact layer 12 separated by a pixel separation groove 21 for each pixel 101 and a metal contact 36 electrically connected to the contact layer 12 are provided.

コンタクト層12とメタルコンタクト36が形成されている面が、素子表面であり、共通コンタクト層16は光入射側に位置する。図2のX−Z断面では、共通コンタクト層16が分離されているように描かれているが、共通コンタクト層16はX−Y面内で連続しており、全画素に共通のバイアス電圧が供給される。 The surface on which the contact layer 12 and the metal contact 36 are formed is the element surface, and the common contact layer 16 is located on the light incident side. In the XX cross section of FIG. 2, the common contact layer 16 is drawn so as to be separated, but the common contact layer 16 is continuous in the XY plane, and a bias voltage common to all pixels is applied. Be supplied.

光入射側のMW帯吸収層15は、たとえば3〜5μmの波長域に感度を有するT2SLの層である。光入射側から遠いLW帯吸収層13は、たとえば8〜12μmの波長域に感度を有するT2SLの層である。T2SLは、格子定数の近い異種の結晶材料を短周期で繰り返し積層して形成される。積層される一方の材料は、他方の材料よりも電子ポテンシャルが低く、かつホールのポテンシャルが高い。 The MW band absorption layer 15 on the light incident side is, for example, a layer of T2SL having sensitivity in a wavelength range of 3 to 5 μm. The LW band absorption layer 13 far from the light incident side is a layer of T2SL having sensitivity in a wavelength range of, for example, 8 to 12 μm. T2SL is formed by repeatedly laminating dissimilar crystal materials having similar lattice constants in a short cycle. One of the materials to be laminated has a lower electron potential and a higher hole potential than the other material.

T2SLでは、半導体材料のバンドギャップ間の光学遷移の他に、超格子に形成されるミニバンド間の光学遷移によって光が吸収されるので、量子効率が高い。超格子を形成する材料の膜厚を制御することで、カットオフ波長を変えることができる。特に、中波長赤外線(3〜5μm)から長波長赤外線(8〜12μm)にかけては、比較的容易に検出対象の波長に設計することができる。 In T2SL, in addition to the optical transition between the band gaps of the semiconductor material, light is absorbed by the optical transition between the mini bands formed in the superlattice, so that the quantum efficiency is high. The cutoff wavelength can be changed by controlling the film thickness of the material forming the superlattice. In particular, from medium-wavelength infrared rays (3 to 5 μm) to long-wavelength infrared rays (8 to 12 μm), the wavelength to be detected can be relatively easily designed.

MW帯吸収層15とLW帯吸収層13の間に、ブロック層14が配置されている。ブロック層14は、LW帯吸収層13またはMW帯吸収層15で生じる励起キャリア(少数キャリア)の移動を阻害しないが、LW帯吸収層13とMW帯吸収層15のそれぞれの多数キャリアの移動をブロックする。 A block layer 14 is arranged between the MW band absorption layer 15 and the LW band absorption layer 13. The block layer 14 does not inhibit the movement of excited carriers (minority carriers) generated in the LW band absorption layer 13 or the MW band absorption layer 15, but allows the movement of each of the large number carriers of the LW band absorption layer 13 and the MW band absorption layer 15. Block.

画素アレイ10において、バンドギャップの小さいLW帯吸収層13は、物理的に分断されていないが、MW帯吸収層15には溝17が形成されている。LW帯吸収層13は、画素101ごとに分離されたコンタクト層12の直下にあり、その厚さを過度に厚くしないかぎり、光励起で生成された少数キャリアは、印加される電界に沿ってメタルコンタクト36に引き抜かれ、隣接画素への漏れ出しを十分に抑えることができる。 In the pixel array 10, the LW band absorption layer 13 having a small band gap is not physically divided, but the MW band absorption layer 15 is formed with a groove 17. The LW band absorption layer 13 is directly below the contact layer 12 separated for each pixel 101, and unless the thickness is made excessively thick, the minority carriers generated by photoexcitation are metal contacts along the applied electric field. It is pulled out to 36, and leakage to adjacent pixels can be sufficiently suppressed.

一方、MW帯吸収層15は、溝17によって規定される各画素101に対応する区画151を有する。MW帯吸収層15はLW帯吸収層13と比較してバンドギャップが広いため、溝17でMW帯吸収層15の側面が露出しても、暗電流増大の影響はほとんどない。 On the other hand, the MW band absorption layer 15 has a section 151 corresponding to each pixel 101 defined by the groove 17. Since the MW band absorption layer 15 has a wider bandgap than the LW band absorption layer 13, even if the side surface of the MW band absorption layer 15 is exposed in the groove 17, there is almost no effect of the increase in dark current.

MW帯吸収層15は、溝17によって完全に個々の画素に隔離される必要はなく、共通コンタクト層16と同様に、X−Y面内で部分的につながっていてもよい。MW帯吸収層15の内部で溝17によって仕切られる区画151で生じた光キャリアが、積層方向の電界に沿って対応するメタルコンタクト36引き抜かれるかぎり、隣接する画素領域が部分的につながっていても、信号クロストークに対する影響は小さい。 The MW band absorption layer 15 does not need to be completely separated into individual pixels by the groove 17, and may be partially connected in the XY plane as in the common contact layer 16. As long as the optical carriers generated in the compartment 151 partitioned by the groove 17 inside the MW band absorption layer 15 are pulled out along the corresponding metal contact 36 along the electric field in the stacking direction, even if the adjacent pixel regions are partially connected. , The effect on signal crosstalk is small.

溝17は、MW帯吸収層15を積層方向に貫通している必要はなく、隣接の画素101への光励起キャリアの流出を抑制できる深さであればよい。画素101間のクロストークを防止できる限り、溝17の深さに多少の製造ばらつきがあってもよい。溝17は、ブロック層14を部分的に区画していてもよいし、表面暗電流の影響が出ない限度でLW帯吸収層13に達していてもよい。 The groove 17 does not need to penetrate the MW band absorption layer 15 in the stacking direction, and may have a depth that can suppress the outflow of photoexcited carriers to the adjacent pixels 101. As long as crosstalk between the pixels 101 can be prevented, the depth of the groove 17 may have some manufacturing variation. The groove 17 may partially partition the block layer 14, or may reach the LW band absorption layer 13 to the extent that the surface dark current does not affect the groove 17.

上述のように、溝17は、共通コンタクト層16の連続性が維持され、共通バイアスの印加時に全画素領域にわたって導通するように形成されている。この点は、素子表面の画素分離溝21が、画素101ごとにコンタクト層12を完全に分離している構成とは異なる。 As described above, the groove 17 is formed so that the continuity of the common contact layer 16 is maintained and the groove 17 conducts over the entire pixel region when a common bias is applied. This point is different from the configuration in which the pixel separation groove 21 on the surface of the element completely separates the contact layer 12 for each pixel 101.

図3は、素子表面の画素分離溝21の平面配置を示す図、図4は、素子背面の光入射側から見た溝17の平面配置例を示す図である。図4のA−A'ラインでの垂直断面が、図1の断面形状である。 FIG. 3 is a diagram showing a planar arrangement of the pixel separation grooves 21 on the surface of the element, and FIG. 4 is a diagram showing an example of the planar arrangement of the grooves 17 seen from the light incident side of the back surface of the element. The vertical cross section along the AA'line of FIG. 4 is the cross-sectional shape of FIG.

図3において、コンタクト層12は、画素分離溝21によって画素ごとに分離されている。コンタクト層12の下方に、分断されずに連続するLW帯吸収層13が配置されている。 In FIG. 3, the contact layer 12 is separated for each pixel by the pixel separation groove 21. Below the contact layer 12, a continuous LW band absorption layer 13 is arranged without being divided.

図4では、共通コンタクト層16に、個々の画素101に対応する領域を区画する複数の溝17が形成されている。共通コンタクト層16は完全には分断されず、画素アレイ10の全体にわたって連続している。この例では、4つの溝17で、画素101に対応する領域が区画され、区画された領域の四隅で、共通コンタクト層は隣接の領域とつながっている。 In FIG. 4, a plurality of grooves 17 for partitioning regions corresponding to individual pixels 101 are formed in the common contact layer 16. The common contact layer 16 is not completely divided and is continuous throughout the pixel array 10. In this example, the region corresponding to the pixel 101 is partitioned by the four grooves 17, and the common contact layer is connected to the adjacent region at the four corners of the partitioned region.

図5は、図4のB−B'ラインに沿った断面図である。B−B'ラインに沿った垂直断面では、共通コンタクト層16とMW帯吸収層15は連続しており、破線で示す位置に溝17の端部が位置する。共通コンタクト層16が連続する位置は、4つの溝17で囲まれる領域の四隅に限定されず、矩形領域の3つのコーナー、または2つのコーナーで連続していてもよい。共通コンタクト層16が連続する箇所は、矩形領域のコーナーに限定されず、コーナーの近傍、あるいは矩形領域の辺の途中で隣接領域と連続していてもよい。MW帯吸収層15に発生した光励起キャリアが保持され得る区画151が形成され、かつ画素アレイ10全体で共通コンタクト層16が連続する限り、溝17の配置構成を適切に設計することができる。 FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the BB'line of FIG. In the vertical cross section along the BB'line, the common contact layer 16 and the MW band absorption layer 15 are continuous, and the end of the groove 17 is located at the position indicated by the broken line. The positions where the common contact layer 16 is continuous are not limited to the four corners of the region surrounded by the four grooves 17, and may be continuous at three corners or two corners of the rectangular region. The portion where the common contact layer 16 is continuous is not limited to the corner of the rectangular region, and may be continuous with the adjacent region in the vicinity of the corner or in the middle of the side of the rectangular region. As long as the compartment 151 in which the photoexcited carriers generated in the MW band absorption layer 15 can be held is formed and the common contact layer 16 is continuous in the entire pixel array 10, the arrangement configuration of the groove 17 can be appropriately designed.

動作時に、たとえば、共通コンタクト層16に共通バイアスを印加し、選択したメタルコンタクト36に正電圧を印加することで、選択されたコンタクト層12の直下のLW帯吸収層13で生成された電子がメタルコンタクト36に引き抜かれる。LW帯吸収層13が物理的に分離されていなくても、コンタクト層12に近いLW帯吸収層13で生成されたキャリアは、選択された領域に印加される電界に沿って、短い走行距離でメタルコンタクト36に到達する。 During operation, for example, by applying a common bias to the common contact layer 16 and applying a positive voltage to the selected metal contact 36, electrons generated in the LW band absorption layer 13 directly below the selected contact layer 12 are generated. It is pulled out by the metal contact 36. Even if the LW band absorption layer 13 is not physically separated, the carriers generated in the LW band absorption layer 13 close to the contact layer 12 can travel a short mileage along the electric field applied to the selected region. Reach the metal contact 36.

共通コンタクト層16に共通バイアスを印加し、選択したメタルコンタクト36に負電圧を印加することで、MW帯吸収層15の対応する領域で生成されたホールがメタルコンタクト36に引き抜かれる。MW帯吸収層15には、溝17の存在により画素101に対応する区画151が形成されているので、光励起キャリアが引き抜かれる時に、隣接画素へのキャリアの流出を抑制することができる。MW帯吸収層15で生成されたキャリアがブロック層14を通過してLW帯吸収層15に入ると、印加される電界に沿って、短い走行距離でメタルコンタクト36に引き抜かれ、極性の反転した光電流信号が得られる。 By applying a common bias to the common contact layer 16 and applying a negative voltage to the selected metal contact 36, holes generated in the corresponding region of the MW band absorption layer 15 are pulled out to the metal contact 36. Since the partition 151 corresponding to the pixel 101 is formed in the MW band absorption layer 15 due to the presence of the groove 17, it is possible to suppress the outflow of the carrier to the adjacent pixel when the photoexcited carrier is pulled out. When the carriers generated in the MW band absorption layer 15 pass through the block layer 14 and enter the LW band absorption layer 15, they are pulled out to the metal contact 36 in a short mileage along the applied electric field, and the polarity is reversed. An optocurrent signal is obtained.

コンタクト層12に印加するバイアス電圧の極性を切り替えることで、1つの画素101からMW帯の入射光に応答する光電流信号と、LW帯の入射光に応答する光電流信号を個別に取り出すことができ、2波長赤外線センサが実現される。 By switching the polarity of the bias voltage applied to the contact layer 12, the photocurrent signal that responds to the incident light in the MW band and the photocurrent signal that responds to the incident light in the LW band can be individually extracted from one pixel 101. A dual-wavelength infrared sensor can be realized.

図2〜図5の構成を用いることで、バンドギャップの小さいLW帯吸収層15での側面露出を低減して暗電流を抑制し、かつバンドギャップの大きいMW帯吸収層で発生したキャリアによる信号クロストークを抑制することができる。 By using the configurations of FIGS. 2 to 5, the side exposure in the LW band absorption layer 15 having a small bandgap is reduced to suppress the dark current, and the signal generated by the carrier in the MW band absorption layer having a large bandgap is suppressed. Crosstalk can be suppressed.

実施形態の画素アレイ10は、各画素101が1つのメタルコンタクト36を有する単純な構成なので、微細化が容易である。1つの画素から得られる2つの波長出力の相関に基づいて、観測対象の温度絶対値測定の精度を向上する処理を行ってもよい。また、対象物体から受け取る赤外線情報の中から自然光(太陽光)の反射光成分と、物体自体からの温度輻射成分を弁別する処理を行ってもよい。 Since the pixel array 10 of the embodiment has a simple configuration in which each pixel 101 has one metal contact 36, miniaturization is easy. Based on the correlation between the two wavelength outputs obtained from one pixel, processing may be performed to improve the accuracy of the temperature absolute value measurement of the observation target. Further, a process of discriminating between the reflected light component of natural light (sunlight) and the temperature radiation component from the object itself may be performed from the infrared information received from the target object.

図6A〜図6Nは、実施形態の光検出装置の製造工程図である。このうち、図6A〜図6Lが、画素アレイの製造工程である。 6A to 6N are manufacturing process diagrams of the photodetector of the embodiment. Of these, FIGS. 6A to 6L are pixel array manufacturing processes.

図6Aで、分子線エピタキシー法により、基板11の表面に、コンタクト層12、LW帯吸収層13、ブロック層14、MW帯吸収層15、及び共通コンタクト層16をこの順で結晶成長する。基板11として、たとえばGaSb基板を用いる場合、コンタクト層12、LW帯吸収層13、ブロック層14、及びMW帯吸収層15は、基板11のGaSbと格子定数の近い異種の半導体材料の繰り返しで形成される。 In FIG. 6A, the contact layer 12, the LW band absorption layer 13, the block layer 14, the MW band absorption layer 15, and the common contact layer 16 are crystal-grown on the surface of the substrate 11 by the molecular beam epitaxy method in this order. When a GaSb substrate is used as the substrate 11, for example, the contact layer 12, the LW band absorption layer 13, the block layer 14, and the MW band absorption layer 15 are formed by repeating different semiconductor materials having a lattice constant close to that of GaSb of the substrate 11. Will be done.

一例として、コンタクト層12は、厚さ4nmのInAsと、厚さ2nmのGaSbを80周期繰り返した超格子であり、p型の不純物が1×1018cm-3の濃度で添加されている。GaSbの基板11と、コンタクト層12の間に、p型不純物濃度が1×1018cm-3の厚さ500nm程度のGaSb層を挿入してもよい。 As an example, the contact layer 12 is a superlattice in which InAs having a thickness of 4 nm and GaSb having a thickness of 2 nm are repeated for 80 cycles, and p-type impurities are added at a concentration of 1 × 10 18 cm -3. A GaSb layer having a p-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm -3 and a thickness of about 500 nm may be inserted between the GaSb substrate 11 and the contact layer 12.

InAs(4nm)/GaSb(2nm)超格子のコンタクト層12の上に、厚さ4nmのInAsと、厚さ2nmのGaSbを200周期繰り返して、LW帯吸収層13を形成する。LW帯吸収層13のp型不純物濃度は、たとえば、1×1016cm-3である。 On the contact layer 12 of the InAs (4 nm) / GaSb (2 nm) superlattice, InAs having a thickness of 4 nm and GaSb having a thickness of 2 nm are repeated for 200 cycles to form an LW band absorption layer 13. The p-type impurity concentration of the LW band absorption layer 13 is, for example, 1 × 10 16 cm -3 .

InAs(4nm)/GaSb(2nm)超格子のLW帯吸収層13の上に、厚さ5nmのInAsと、厚さ1nmのAlSbを20周期繰り返した超格子で、ブロック層14を形成する。ブロック層14のp型不純物濃度は、たとえば、1×1016cm-3である。このブロック層14は、LW帯吸収層13とMW帯吸収層15の多数キャリアの移動をブロックするが、LW帯吸収層13またはMW帯吸収層15で生じた少数キャリア(光励起キャリア)の移動を阻害しない。 A block layer 14 is formed on the LW band absorption layer 13 of the InAs (4 nm) / GaSb (2 nm) superlattice with a superlattice in which InAs having a thickness of 5 nm and AlSb having a thickness of 1 nm are repeated for 20 cycles. The p-type impurity concentration of the block layer 14 is, for example, 1 × 10 16 cm -3 . The block layer 14 blocks the movement of the majority carriers of the LW band absorption layer 13 and the MW band absorption layer 15, but causes the movement of the minority carriers (photoexcited carriers) generated in the LW band absorption layer 13 or the MW band absorption layer 15. Does not interfere.

InAs(5nm)/AlSb(1nm)超格子のブロック層14の上に、厚さ3nmのInAsと、厚さ1nmのGaSbを200周期繰り返した超格子で、MW帯吸収層15を形成する。MW帯吸収層15のp型不純物濃度は、たとえば1×1016cm-3である。 On the block layer 14 of the InAs (5 nm) / AlSb (1 nm) superlattice, the MW band absorption layer 15 is formed by repeating 200 cycles of InAs having a thickness of 3 nm and GaSb having a thickness of 1 nm for 200 cycles. The p-type impurity concentration of the MW band absorption layer 15 is, for example, 1 × 10 16 cm -3 .

InAs(3nm)/GaSb(1nm)超格子のMW帯吸収層15の上に、厚さ3nmのInAsと、厚さ1nmのGaSbを100周期繰り返した超格子で、共通コンタクト層16を形成する。共通コンタクト層16のp型不純物濃度は、たとえば1×1018cm-3である。共通コンタクト層16の上に、アンドープのInAsで厚さ30nm程度のキャップ層を設けてもよい。 A common contact layer 16 is formed on the MW band absorption layer 15 of the InAs (3 nm) / GaSb (1 nm) superlattice with a superlattice in which InAs having a thickness of 3 nm and GaSb having a thickness of 1 nm are repeated for 100 cycles. The concentration of p-type impurities in the common contact layer 16 is, for example, 1 × 10 18 cm -3 . An undoped InAs cap layer having a thickness of about 30 nm may be provided on the common contact layer 16.

図6Bで、MW帯用の溝17を形成する。結晶成長した積層体の最表面(図6Bの例では共通コンタクト層16)に、リソグラフィ及びドライエッチングで、所定の開口を有するSiONマスクを形成し、SiONマスクを用いたドライエッチングで、共通コンタクト層16の表面から、たとえばLW帯吸収層13に到達する溝17を形成する。上述したように、溝27の深さは必ずしもLW帯吸収層13に到達する深さでなくてもよく、隣接画素への光励起キャリアの流出が防止できる深さ、たとえば、ブロック層14の途中までであってもよい。 In FIG. 6B, a groove 17 for the MW band is formed. A SiON mask having a predetermined opening is formed on the outermost surface of the crystal-grown laminate (common contact layer 16 in the example of FIG. 6B) by lithography and dry etching, and a common contact layer is formed by dry etching using the SiON mask. A groove 17 is formed from the surface of 16 to reach, for example, the LW band absorption layer 13. As described above, the depth of the groove 27 does not necessarily have to reach the LW band absorption layer 13, and is a depth that can prevent the outflow of photoexcited carriers to adjacent pixels, for example, up to the middle of the block layer 14. It may be.

溝17は互いに独立しており、共通コンタクト層16とMW帯吸収層15は、面内方向で連続している。溝17の平面配置は、図4に示す配置構成でもよいし、L字型の溝を2つ組み合わせて画素に対応する区画151を定義してもよい。溝17の形成後に、SiONマスクを除去する。 The grooves 17 are independent of each other, and the common contact layer 16 and the MW band absorption layer 15 are continuous in the in-plane direction. The planar arrangement of the grooves 17 may be the arrangement configuration shown in FIG. 4, or a partition 151 corresponding to a pixel may be defined by combining two L-shaped grooves. After forming the groove 17, the SION mask is removed.

図6Cで、溝17の内部を含む全面に、絶縁膜18を形成する。一例として、プラズマCVDでSiO2膜を形成する。必ずしも、溝17の内部すべてが絶縁膜18で埋め込まれる必要はない。MW帯吸収層15に、隣接画素との仕切りが設けられていればよいので、溝17の内部に空気層が残っていてもよい。溝17の内部でMW帯吸収層15の一部が露出していても、MW帯吸収層15のバンドギャップはLW帯吸収層13と比較して広いので、表面の暗電流の影響は無視し得る程度に小さい。 In FIG. 6C, the insulating film 18 is formed on the entire surface including the inside of the groove 17. As an example, a SiO 2 film is formed by plasma CVD. It is not always necessary that the entire inside of the groove 17 is embedded with the insulating film 18. Since the MW band absorption layer 15 may be provided with a partition from the adjacent pixel, the air layer may remain inside the groove 17. Even if a part of the MW band absorption layer 15 is exposed inside the groove 17, the band gap of the MW band absorption layer 15 is wider than that of the LW band absorption layer 13, so the influence of the dark current on the surface is ignored. Small enough to get.

図6Dで、表面に絶縁膜22が形成された支持基板20を準備しておく。図6A〜図6Cのプロセスで形成された積層体を有する基板11の上下を逆にして、基板11の絶縁膜18と、支持基板20上の絶縁膜22を貼り合わせる。絶縁膜同士が貼り合わせられる限り、絶縁膜22と絶縁膜18の種類は同じであっても異なっていてもよい。この例では、SiO2の絶縁膜22が形成されたGaAsの支持基板20を用いて、絶縁膜18と絶縁膜22を圧着する。SiO2の分子間結合力によって、絶縁膜18と絶縁膜22が一体となって、絶縁膜23が形成される。 In FIG. 6D, a support substrate 20 having an insulating film 22 formed on its surface is prepared. The insulating film 18 of the substrate 11 and the insulating film 22 on the support substrate 20 are bonded together by turning the substrate 11 having the laminate formed by the processes of FIGS. 6A to 6C upside down. As long as the insulating films are bonded to each other, the types of the insulating film 22 and the insulating film 18 may be the same or different. In this example, the insulating film 18 and the insulating film 22 are pressure-bonded by using the GaAs support substrate 20 on which the insulating film 22 of SiO 2 is formed. Due to the intermolecular binding force of SiO 2 , the insulating film 18 and the insulating film 22 are integrated to form the insulating film 23.

図6Eで、GaAsの基板11を除去する。機械研削とウェットエッチングにより、コンタクト層12のT2SLのInAsが表面に露出するように基板11を除去する。最表層をInAsとする理由は、GaSbは酸化されやすく、表面に金属Sbが生じると暗電流に寄与するおそれがあるからである。ウェットエッチングを行う際に、GaSbの選択比が高いエッチャントを用いる。一例として、リン酸、過酸化水素水、クエン酸、および水の混合溶液を用いる。この混合溶液は、GaSbに対するエッチングレートは高いが、InAsをほどんどエッチングしない。これにより、支持基板20上に、最表層をInAsとするエピタキシャル結晶成長層の積層体が転写される。 In FIG. 6E, the GaAs substrate 11 is removed. By mechanical grinding and wet etching, the substrate 11 is removed so that the InAs of T2SL of the contact layer 12 is exposed on the surface. The reason why the outermost layer is InAs is that GaSb is easily oxidized, and if metal Sb is generated on the surface, it may contribute to a dark current. When performing wet etching, an etchant having a high selection ratio of GaSb is used. As an example, a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, citric acid, and water is used. This mixed solution has a high etching rate for GaSb, but hardly etches InAs. As a result, a laminate of epitaxial crystal growth layers having InAs as the outermost layer is transferred onto the support substrate 20.

上述したように、図示される断面では、支持基板20に転写された積層体の共通コンタクト層16に溝17または絶縁膜18が現れているが、共通コンタクト層16は面内で連続している。 As described above, in the illustrated cross section, the groove 17 or the insulating film 18 appears in the common contact layer 16 of the laminate transferred to the support substrate 20, but the common contact layer 16 is continuous in the plane. ..

図6Fで、コンタクト層12の表面に、所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、ドライエッチングにより、LW帯吸収層13またはその近傍に達する画素分離溝21を形成する。画素分離溝21は、MW帯吸収層15に形成された溝17と異なり、完全に画素を区画する(図3参照)。その後、レジストマスクを除去する。 In FIG. 6F, a resist mask having a predetermined opening pattern is formed on the surface of the contact layer 12, and a pixel separation groove 21 reaching the LW band absorption layer 13 or its vicinity is formed by dry etching. Unlike the groove 17 formed in the MW band absorption layer 15, the pixel separation groove 21 completely partitions the pixels (see FIG. 3). After that, the resist mask is removed.

図6Gで、支持基板20上で画素が2次元配置される領域の外側に、共通電極用の溝24を形成する。積層体の最表面に、溝24の形状に対応する開口パターンを有するSiONのハードマスクを形成し、ドライエッチングにより、共通コンタクト層16に達する溝24を形成する。その後、ハードマスクを除去する。 In FIG. 6G, a groove 24 for a common electrode is formed on the outside of the region where the pixels are two-dimensionally arranged on the support substrate 20. A SiON hard mask having an opening pattern corresponding to the shape of the groove 24 is formed on the outermost surface of the laminate, and the groove 24 reaching the common contact layer 16 is formed by dry etching. Then remove the hardmask.

図6Hで、全面に保護膜25を形成する。保護膜25は、たとえば、プラズマCVDにより形成されるSiO2、あるいはSiNの膜である。 In FIG. 6H, the protective film 25 is formed on the entire surface. The protective film 25 is, for example, a film of SiO 2 or SiN formed by plasma CVD.

図6Iで、各画素を定義するコンタクト層12に接続するオーミック電極26と、共通電極用の溝24の底面で共通コンタクト層16に接続するオーミック電極26Cを形成する。具体的には、フォトリソグラフィによるレジストマスクの形成と、レジストマスクを用いたエッチングにより、保護膜25の必要な箇所に開口を形成し、開口内にコンタクト層12と、共通コンタクト層16を露出する。この後、真空蒸着により、たとえばAuGe膜を形成する。リフトオフにより、レジストマスク上のAuGe膜を、レジストマスクとともに除去することで、各画素のコンタクト層12にオーミック接触するオーミック電極26と、共通コンタクト層16にオーミック接触するオーミック電極26Cが形成される。 In FIG. 6I, an ohmic electrode 26 connected to the contact layer 12 defining each pixel and an ohmic electrode 26C connected to the common contact layer 16 on the bottom surface of the groove 24 for the common electrode are formed. Specifically, by forming a resist mask by photolithography and etching using the resist mask, an opening is formed at a required portion of the protective film 25, and the contact layer 12 and the common contact layer 16 are exposed in the opening. .. After that, for example, an AuGe film is formed by vacuum deposition. By removing the AuGe film on the resist mask together with the resist mask by lift-off, an ohmic electrode 26 that makes ohmic contact with the contact layer 12 of each pixel and an ohmic electrode 26C that makes ohmic contact with the common contact layer 16 are formed.

図6Jで、バンプの下地電極27a及び27bを形成する。バンプ電極が設けられる箇所と、共通電極用の溝24から配線を引き出す箇所に開口パターンを有するレジストマスクを形成し、スパッタ法で全面にTi/Ptの金属積層膜を形成する。その後、レジストマスク上のTi/Pt膜をリフトオフで除去する。各画素領域では、オーミック電極26に接続される下地電極27aが形成される。周辺領域では、溝24の底面のオーミック電極26に接続され、溝24の側壁から素子表面に引き出される下地電極27bが形成される。 In FIG. 6J, the base electrodes 27a and 27b of the bump are formed. A resist mask having an opening pattern is formed at a portion where the bump electrode is provided and a portion where the wiring is drawn out from the groove 24 for the common electrode, and a Ti / Pt metal laminated film is formed on the entire surface by a sputtering method. Then, the Ti / Pt film on the resist mask is removed by lift-off. In each pixel region, a base electrode 27a connected to the ohmic electrode 26 is formed. In the peripheral region, a base electrode 27b is formed which is connected to the ohmic electrode 26 on the bottom surface of the groove 24 and is drawn out from the side wall of the groove 24 to the element surface.

図6Kで、再度、全面をSiO2の保護膜28で覆った後に、バンプ電極を配置する箇所にドライエッチングを施して開口29を形成する。画素領域で、開口29内に下地電極27aが露出し、周辺領域で、素子表面に引き出された下地電極27bの一部が露出する。この工程で成膜された保護膜28の一部は、従前の保護膜25と一体化する。 In FIG. 6K, the entire surface is again covered with the protective film 28 of SiO 2 , and then dry etching is performed on the portion where the bump electrode is arranged to form the opening 29. In the pixel region, the base electrode 27a is exposed in the opening 29, and in the peripheral region, a part of the base electrode 27b drawn out to the surface of the element is exposed. A part of the protective film 28 formed in this step is integrated with the conventional protective film 25.

図6Lで、露出した下地電極27aの上にバンプ電極31を形成し、下地電極27bの上にバンプ電極32をそれぞれ形成する。バンプ電極31は、各画素101からの信号読み出し用の電極である。バンプ電極32は、周辺領域で共通コンタクト層16に共通バイアス電圧を印加するための電極である。バンプ電極31及び32は、所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、全面にInを蒸着してリフトオフすることで形成される。これにより、2次元配列される画素101と、共通バイアス印加用のダミー画素102を有する画素アレイ10の加工が完了する。 In FIG. 6L, the bump electrode 31 is formed on the exposed base electrode 27a, and the bump electrode 32 is formed on the base electrode 27b. The bump electrode 31 is an electrode for reading a signal from each pixel 101. The bump electrode 32 is an electrode for applying a common bias voltage to the common contact layer 16 in the peripheral region. The bump electrodes 31 and 32 are formed by forming a resist mask having a predetermined opening pattern, depositing In on the entire surface, and lifting off. As a result, the processing of the pixel array 10 having the pixels 101 arranged two-dimensionally and the dummy pixels 102 for applying the common bias is completed.

図6Mで、バンプ電極31、及び32によって、画素アレイ10を、読出回路5にフリップチップ接続する。バンプ電極31は、読出回路5に設けられている突起電極またはInバンプと融合されて、画素アレイ10の各画素101(図6L参照)と読出回路5を電気的に接続する突起電極34が形成される。周辺領域のバンプ電極32は、読出回路5に設けられている突起電極またはInバンプと融合されて、画素アレイ10に共通バイアスを供給する突起電極34COMが形成される。画素アレイ10と読出し回路5の間に、アンダーフィルを充填して硬化させてもよい。 In FIG. 6M, the pixel array 10 is flip-chip connected to the read circuit 5 by the bump electrodes 31 and 32. The bump electrode 31 is fused with a protrusion electrode or an In bump provided in the read circuit 5 to form a protrusion electrode 34 that electrically connects each pixel 101 (see FIG. 6L) of the pixel array 10 to the read circuit 5. Will be done. The bump electrode 32 in the peripheral region is fused with the protrusion electrode or the In bump provided in the read circuit 5 to form the protrusion electrode 34COM that supplies a common bias to the pixel array 10. An underfill may be filled between the pixel array 10 and the readout circuit 5 to cure the pixel array 10.

図6Nで、画素アレイ10で不要となる支持基板20を除去する。たとえば、GaAsの支持基板20を厚さが数十μmになるまで背面研削し、その後、ウェットエッチングにより除去する。これにより、絶縁膜23によって表面が被覆された受光素子の積層部が画素アレイ10に残る。読出回路5と、これに接続される画素アレイ10で、光検出装置30が形成される。 In FIG. 6N, the support substrate 20 that is no longer needed in the pixel array 10 is removed. For example, the GaAs support substrate 20 is back-ground to a thickness of several tens of μm, and then removed by wet etching. As a result, the laminated portion of the light receiving element whose surface is covered with the insulating film 23 remains in the pixel array 10. The photodetector 30 is formed by the read circuit 5 and the pixel array 10 connected to the read circuit 5.

図7は、読出回路5に画素アレイ10がフリップチップ接続された光検出装置30の斜視図である。共通コンタクト層16を光入射側として、MW帯吸収層(MW)と、LW帯吸収層(LW)が基板と垂直方向に積層されている。この模式図では、ブロック層14は省略されている。画素アレイ10の各画素101(図6L参照)は、一つの突起電極34で読出回路5に接続されている。 FIG. 7 is a perspective view of the photodetector 30 in which the pixel array 10 is flip-chip connected to the read circuit 5. The MW band absorption layer (MW) and the LW band absorption layer (LW) are laminated in the direction perpendicular to the substrate with the common contact layer 16 as the light incident side. In this schematic diagram, the block layer 14 is omitted. Each pixel 101 (see FIG. 6L) of the pixel array 10 is connected to the reading circuit 5 by one protruding electrode 34.

読出回路5から画素アレイ10の各画素101に、正電位を与えるバイアスと、負電位を与えるバイアスが時分割で交互に印加され、それぞれのタイミングでMW帯吸収層15とLW帯吸収層13の一方から、光電流が読出回路5に入力される。 A bias that gives a positive potential and a bias that gives a negative potential are alternately applied from the read circuit 5 to each pixel 101 of the pixel array 10 in a time-divided manner, and at each timing, the MW band absorption layer 15 and the LW band absorption layer 13 From one side, the photocurrent is input to the read circuit 5.

読出回路5は、たとえば画素読出し用のCMOS回路を有し、それぞれの波長に対応する光電流を画素ごとにCMOS回路内で電荷積分して、各波長の入射強度に対応した電圧出力信号を生成する。読出回路5は、各画素101からの応答出力を順次に走査して読出し、時系列信号として赤外線画像信号を出力する。具体的には、MW帯の赤外線画像信号と、LW帯の赤外線画像信号が交互に出力される。 The read circuit 5 has, for example, a CMOS circuit for reading pixels, and charges of light currents corresponding to each wavelength are integrated in the CMOS circuit for each wavelength to generate a voltage output signal corresponding to the incident intensity of each wavelength. To do. The reading circuit 5 sequentially scans and reads the response output from each pixel 101, and outputs an infrared image signal as a time series signal. Specifically, the infrared image signal in the MW band and the infrared image signal in the LW band are output alternately.

図8は、光検出装置30を用いた撮像装置1の模式図である。光検出装置30の光入射側に光学系2を配置して、画素アレイ10の入射面に、入射赤外線の光像を結像させる。画素ごとに2波長で検出される赤外線の強度情報は、交互に読出回路5に入力される。画素アレイ10から得られる赤外線強度情報は、観測対象からの赤外線放射、すなわち温度分布を表わしている。 FIG. 8 is a schematic view of an image pickup apparatus 1 using the photodetector 30. The optical system 2 is arranged on the light incident side of the photodetector 30, and an incident infrared light image is formed on the incident surface of the pixel array 10. Infrared intensity information detected at two wavelengths for each pixel is alternately input to the reading circuit 5. The infrared intensity information obtained from the pixel array 10 represents the infrared radiation from the observation target, that is, the temperature distribution.

読出回路5の出力は、たとえば画像処理回路3に接続されている。画像処理回路3は、観測対象の温度分布に応じた画像を生成する。光検出装置30の画素アレイ10は、LW帯吸収層13での暗電流が抑制され、MW帯吸収層15で生成される光励起キャリアのクロストークが抑制されているので、高画質の2波長赤外線画像を取得することができる。 The output of the read circuit 5 is connected to, for example, the image processing circuit 3. The image processing circuit 3 generates an image according to the temperature distribution of the observation target. In the pixel array 10 of the photodetector 30, the dark current in the LW band absorption layer 13 is suppressed, and the crosstalk of the photoexcited carriers generated in the MW band absorption layer 15 is suppressed, so that high-quality two-wavelength infrared rays are suppressed. Images can be acquired.

図8の撮像装置1の全体が、冷却器内に収容されていてもよい。光検出装置30にシャッタ、温度センサ等が設けられていてもよい。画像処理回路3は、光検出装置30からの出力信号に補正処理を施す補正処理回路を含んでいてもよい。補正処理は、画素101ごとの感度や非線形性のばらつきの補正を含む。画像処理回路3に、表示記録部が接続されていてもよい。 The entire image pickup apparatus 1 of FIG. 8 may be housed in the cooler. The photodetector 30 may be provided with a shutter, a temperature sensor, or the like. The image processing circuit 3 may include a correction processing circuit that performs correction processing on the output signal from the photodetector 30. The correction process includes correction of variations in sensitivity and non-linearity for each pixel 101. A display recording unit may be connected to the image processing circuit 3.

以上、特定の構成例に基づいて光検出装置30と撮像装置1について説明してきたが、本発明は上述した特定の例に限定されない。製造工程の複雑化をいとわなければ、共通コンタクト層16に溝17を設けずに、MW帯吸収層15を画素分離してもよい。たとえば図6Aで基板11上にコンタクト層12、LW帯吸収層13、ブロック層14、及びMW帯吸収層15を積層した後に、MW帯吸収層15に積層方向に延びる複数の溝17を形成し、内部を絶縁膜18で埋め込む。絶縁膜18の表面を平坦化してMW帯吸収層15を露出したあとに、共通コンタクト層16を形成してもよい。この場合、MW帯吸収層15はひとつの溝17で区分され、共通コンタクト層16は物理的に分断されずに全面で連続する層となる。 Although the photodetector 30 and the image pickup apparatus 1 have been described above based on the specific configuration example, the present invention is not limited to the specific example described above. If the manufacturing process is complicated, the MW band absorption layer 15 may be pixel-separated without providing the groove 17 in the common contact layer 16. For example, in FIG. 6A, after laminating the contact layer 12, the LW band absorbing layer 13, the block layer 14, and the MW band absorbing layer 15 on the substrate 11, a plurality of grooves 17 extending in the stacking direction are formed in the MW band absorbing layer 15. , The inside is embedded with an insulating film 18. The common contact layer 16 may be formed after the surface of the insulating film 18 is flattened to expose the MW band absorption layer 15. In this case, the MW band absorption layer 15 is divided by one groove 17, and the common contact layer 16 is a continuous layer on the entire surface without being physically divided.

各画素101のコンタクト層12と、共通コンタクト層16の不純物濃度は、導電性が確保される適切な濃度、たとえば1×1018〜3×1018cm-3に設定され得る。LW帯吸収層13、ブロック層14、及びMW帯吸収層15に、5×1017cm-3以下の適切な濃度で不純物を添加してもよい。 The impurity concentration of the contact layer 12 and the common contact layer 16 of each pixel 101 can be set to an appropriate concentration for ensuring conductivity, for example, 1 × 10 18 to 3 × 10 18 cm -3 . Impurities may be added to the LW band absorption layer 13, the block layer 14, and the MW band absorption layer 15 at an appropriate concentration of 5 × 10 17 cm -3 or less.

検出対象となる第1の波長と第2の波長は、T2SL型光吸収層の組成、周期、繰り返し回数、組成の段階的な変化態様等を調整することで、所望の波長に設計可能である。エピタキシャル積層を形成する各層には、GaSb/InAs以外の化合物半導体材料を用いてもよい。たとえば、InAsとInAsSbを短周期で繰り返す超格子など、積層をGaAs、InAs、AlAs、GaSb、InSb、AlSb、GaP、InP、AlP、及びこれらの混晶材料で構成されたT2SLを形成してもよい。 The first wavelength and the second wavelength to be detected can be designed to be desired wavelengths by adjusting the composition, period, number of repetitions, stepwise change mode of composition, etc. of the T2SL type light absorption layer. .. A compound semiconductor material other than GaSb / InAs may be used for each layer forming the epitaxial laminate. For example, even if T2SL composed of GaAs, InAs, AlAs, GaSb, InSb, AlSb, GaP, InP, AlP, and a mixed crystal material thereof is formed, such as a superlattice in which InAs and InAsSb are repeated in a short cycle. Good.

1 撮像装置
2 光学系
3 画像処理回路(処理回路)
5 読出回路
10 画素アレイ
11 基板
12 コンタクト層(第2のコンタクト層)
13 LW帯吸収層(第2の光吸収層)
14 ブロック層
15 MW帯吸収層(第1の光吸収層)
151 区画
16 共通コンタクト層(第1のコンタクト層)
17 溝
18 絶縁膜
20 支持基板
21 画素分離溝
30 光検出装置
34 突起電極
101 画素
1 Image pickup device 2 Optical system 3 Image processing circuit (processing circuit)
5 Read circuit 10 Pixel array 11 Substrate 12 Contact layer (second contact layer)
13 LW band absorption layer (second light absorption layer)
14 Block layer 15 MW band absorption layer (first light absorption layer)
151 Section 16 Common contact layer (first contact layer)
17 Groove 18 Insulation film 20 Support substrate 21 Pixel separation groove 30 Photodetector 34 Projection electrode 101 pixels

Claims (9)

複数の画素の配列を有する光検出装置において、
共通バイアス電圧が印加される第1のコンタクト層、第1の波長の光に応答する第1の光吸収層、及び、前記第1の波長よりも長い第2の波長の光に応答する第2の光吸収層を含む積層体を有し、前記第1のコンタクト層が光入射側、前記第2の光吸収層が素子表面側に位置し、
前記第2の光吸収層は物理的に分断されずに前記複数の画素の配列を含む画素領域の全体にわたって連続しており、前記第2の光吸収層の表面に、画素分離溝で分離された第2のコンタクト層が配置されており、
前記第1の光吸収層に、積層方向に延びる1以上の溝によって個々の画素に対応する区画が形成されている、
光検出装置。
In a photodetector having an array of multiple pixels
A first contact layer to which a common bias voltage is applied, a first light absorption layer that responds to light of a first wavelength, and a second that responds to light of a second wavelength longer than the first wavelength. The first contact layer is located on the light incident side, and the second light absorbing layer is located on the surface side of the device.
The second light absorption layer is not physically divided and is continuous over the entire pixel region including the array of the plurality of pixels, and is separated on the surface of the second light absorption layer by a pixel separation groove. A second contact layer is placed
In the first light absorption layer, a partition corresponding to each pixel is formed by one or more grooves extending in the stacking direction.
Photodetector.
前記1以上の溝は、前記積層方向で、前記第1のコンタクト層を貫通して前記第1の光吸収層の内部に延び、面内方向で、前記第1のコンタクト層が前記画素領域の全体にわたって連続するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光検出装置。 The one or more grooves penetrate the first contact layer in the stacking direction and extend into the inside of the first light absorption layer, and the first contact layer is formed in the pixel region in the in-plane direction. The photodetector according to claim 1, wherein the photodetector is arranged so as to be continuous over the entire surface. 前記第1の光吸収層の内部の前記個々の画素に対応する区画は、前記面内方向で、隣接する画素と部分的につながっていることを特徴とする請求項2に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 2, wherein the compartments corresponding to the individual pixels inside the first light absorption layer are partially connected to adjacent pixels in the in-plane direction. .. 前記第1の光吸収層の内部の前記個々の画素に対応する区画は、前記面内方向で、矩形領域の角部で前記隣接する画素とつながっていることを特徴とする請求項3に記載の光検出装置。 The third aspect of claim 3, wherein the compartments inside the first light absorption layer corresponding to the individual pixels are connected to the adjacent pixels at the corners of the rectangular region in the in-plane direction. Light detector. 前記第1の光吸収層と、前記第2の光吸収層の間に配置されるブロック層、
を有し、
前記ブロック層は、光吸収によって前記第1の光吸収層または前記第2の光吸収層に生じる少数キャリアの移動を阻害せず、かつ、前記第1の光吸収層と前記第2の光吸収層に存在する多数キャリアの移動をブロックすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光検出装置。
A block layer arranged between the first light absorption layer and the second light absorption layer,
Have,
The block layer does not inhibit the movement of a small number of carriers generated in the first light absorption layer or the second light absorption layer by light absorption, and the first light absorption layer and the second light absorption layer. The photodetector according to any one of claims 1 to 4, wherein the movement of a large number of carriers existing in the layer is blocked.
前記1以上の溝の少なくとも一部は、前記積層方向に前記第1の光吸収層を貫通して、前記ブロック層に延びることを特徴とする請求項5に記載の光検出装置。 The photodetector according to claim 5, wherein at least a part of the one or more grooves penetrates the first light absorption layer in the stacking direction and extends to the block layer. 前記1以上の溝の少なくとも一部は絶縁膜で埋め込まれていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光検出装置。 The photodetector according to any one of claims 1 to 6, wherein at least a part of the one or more grooves is embedded with an insulating film. 前記第2のコンタクト層のそれぞれに電気的に接続される突起電極と、
前記突起電極によって前記個々の画素に電気的に接続される読出回路と、
を有し、前記読出回路から前記個々の画素に供給されるバイアス電圧の極性が時分割で切り換えられることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の光検出装置。
A protruding electrode electrically connected to each of the second contact layers,
A read circuit that is electrically connected to the individual pixels by the protruding electrodes.
The photodetector according to any one of claims 1 to 7, wherein the polarity of the bias voltage supplied from the reading circuit to the individual pixels is switched in a time division manner.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の光検出装置と、
前記光検出装置の前記光入射側に配置される光学系と、
前記光検出装置の出力信号を処理する処理回路と、
を有する撮像装置。
The photodetector according to any one of claims 1 to 8.
An optical system arranged on the light incident side of the photodetector,
A processing circuit that processes the output signal of the photodetector, and
An imaging device having.
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