JP2021100023A - Photodetector and imaging device using the same - Google Patents
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Abstract
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).
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
5 Read
13 LW band absorption layer (second light absorption layer)
14
151
17
Claims (9)
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.
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.
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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