JP2021190465A - 二波長センサ素子、赤外線検出器、及びイメージングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】より単純な構造で駆動が簡単な二波長センサ素子を提供する。【解決手段】二波長センサ素子は、第１の波長に感度を有する第１の受光層と、前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、を有し、前記外部電界のオン・オフ制御によって前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力が切り換えられる。【選択図】図３
Description
本発明は、二波長センサ素子、赤外線検出器、及びイメージングシステムに関する。
従来から、１つの素子で複数の波長に応答する光センサが知られている。カラーフィルタ等を用いずに素子自体で複数波長の光を識別可能な光学素子は多くの応用分野をもち、ガスセンサへの適用が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。ガスセンサは、検知対象のガスの吸収線波長を含む第１の波長域の光を感知する第１の受光素子と、第１の波長域よりも広い第２の波長域の光を感知する第２の受光素子とを有する。
タイプ２超格子（Ｔ２ＳＬ：Type II Super Lattice）を用いた受光素子は、比較的広い波長範囲の赤外線に応答するが、素子端面に表面リーク電流が発生しやすい。Ｔ２ＳＬ素子の端面に絶縁膜を介して電界を印加することで、表面リーク電流を抑制できることが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
異なる波長の赤外線を吸収する画素の分離溝の側壁の一部にバイアス配線を設けた構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
P.C. Klipstein, et al., Proc. Of SPIE 98190T-1
複数波長の光を検知する従来の素子構成は、それぞれの波長に対する応答結果を個別に読み出すために、画素ごとに複数の配線が設けられ、複雑な構成を有する。応答波長を切り替えるバイアス電圧の正負の極性や電流の方向を制御する回路の構成も複雑になる。
本発明は、より単純な構造で駆動が簡単な二波長センサ素子と、赤外線検出器を提供することを目的とする。
開示の一態様では、二波長センサ素子は、
第１の波長に感度を有する第１の受光層と、
前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、
を有し、前記外部電界のオン・オフ制御によって、前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力とが切り換えられる。
第１の波長に感度を有する第１の受光層と、
前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、
を有し、前記外部電界のオン・オフ制御によって、前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力とが切り換えられる。
より単純な構造で駆動が簡単な二波長センサ素子と赤外線検出器が実現される。
図１は、実施形態の二波長センサ素子１０の基本構成図である。図１では、画素分離溝１７で区画される一つの画素１０１が示されているが、実際の二波長センサ素子１０は、複数の画素１０１が２次元状に配置されたセンサアレイとして形成されてもよい。
二波長センサ素子１０は、たとえば、赤外領域の２つの波長域に感度を有する。二波長センサ素子１０は、第１の波長域に感度を有する受光層１と、第１の波長域を含み第１の波長域よりも広い第２の波長域の光に感度を有する受光層２と、受光層２の側壁に絶縁膜２４を介して外部電界を印加する電界印加構成と、を有する。受光層２への外部電界のオン・オフを切り替えることで、応答出力を切り替える。
受光層１は、量子井戸、量子ドット等の量子構造を有し、第１の波長域、たとえば検出対象となるガスの光吸収波長に感度を有する。受光層２はＴ２ＳＬで形成され、目的とするガスの光吸収波長を含む広い波長域に感度を有する。
大気中に放出されるガスは、各ガスに固有の吸収スペクトルを有する。ガスが高圧トランスの絶縁材に使われるＳＦ６の場合、８．０〜８．６μｍに吸収ピークを有する。メタンやブタンは３．２〜３．４μｍ、ＣＯ２は４．２〜４．４μｍ、ＣＯは４．５〜４．７μｍに吸収ピークを有する。受光層１では、検知対象とするガスの光吸収波長に応じて、所望のバンドギャップエネルギーを持つように、量子構造の材料、組成などが設計されている。
一例として、受光層１を、ＧａＡｓの井戸層とＡｌＧａＡｓの障壁層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）で形成すると、受光層１は８．４μｍの波長に吸収ピークを有する。この受光層１は、ＳＦ６の検知に用いることができる。ＩｎＧａＡｓの井戸層とＡｌＧａＡｓの障壁層を交互に積層したＭＱＷは、４．５〜４．９μｍの波長の光に対して吸収ピークを有し、ＣＯの検知に用いることができる。
受光層２は、ブロードな吸収スペクトルを有するＴ２ＳＬで形成される。Ｔ２ＳＬは、受光層１の吸収波長を含む一定範囲の波長域に感度を有するように、積層される薄膜の材料、組成、膜厚、周期数などが設計されている。
一例として、ＩｎＡｓ薄膜とＩｎＡｓＳｂ薄膜の短周期の繰り返しが用いられる。このＴ２ＳＬでは、伝導帯の谷（ＩｎＡｓの伝導帯）に閉じ込められる電子のミニバンドが繰り返し方向に連続し、価電子帯の山（ＩｎＡｓＳｂの価電子帯）に閉じ込められるホールのミニバンドが繰り返し方向に連続する。電子のミニバンドの波動関数と、ホールのミニバンドの波動関数が重なり合う部分で光吸収が起きる。
ミニバンド間のエネルギー差は、Ｔ２ＳＬを形成する化合物半導体のバンドギャップと比較して十分に小さく、長波長の光が吸収される。また、ミニバンド間の多様な準位での遷移によって、吸収スペクトルがブロードになる。ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂのＴ２ＳＬのカットオフ波長は１３μｍである。
アンチモン（Ｓｂ）を含むＴ２ＳＬでは、表面リーク電流が顕著になる。表面リーク電流を抑制するために、絶縁膜２４を介して、受光層２に外部電界が印加される。外部電界構成の一例として、受光層２の側壁（すなわち画素分離溝１７との界面をなす端面）を取り囲んで、共通電極膜２２が設けられている。
共通電極膜２２は、絶縁膜２４を介して、受光層２の側壁から画素分離溝１７の底面を覆って隣接する画素１０１へと連続し、隣接画素の受光層２の側壁（端面）を取り囲む。各画素１０１が直方体の形状を有する場合、受光層２の側壁に４方向から外部電界が印加されて、表面リーク電流が抑制される。
実施形態では、共通電極膜２２に印加される表面リーク抑制のためのバイアス電圧を利用して、二波長センサ素子１０の応答出力を切り替える。受光層２の端面における表面リーク電流の有無を利用して、受光層１の応答出力と、受光層１と受光層２の合成出力とを切り替える。表面リーク電流の制御を利用した応答波長の切り替えについては、図３を参照してより詳しく説明する。
二波長センサ素子１０はまた、共通配線１３を有する。共通配線１３は、接地電位に接続され、全画素１０１に共通に用いられる。各画素１０１の受光層１の表面に、個別の表面配線２３が設けられ、表面配線２３にバンプ電極２１が接続されている。バンプ電極２１と表面配線２３で、画素１０１ごとの読み出し配線が形成される。
図１では、基板（図１では「ｓｕｂ」と表記されている）上に受光層２と受光層１がこの順に成膜された状態で画素１０１が描かれているが、実際の使用では、二波長センサ素子１０は、バンプ電極２１によって読み出し回路にフリップチップ接合される。基板の少なくとも一部は、後工程で除去されてもよい。
二波長センサ素子１０は、稼働中の変電設備やプラントの点検、火山噴火などの自然災害発生時の有毒ガスの検知などに有用である。これらの環境下で検出されるガスの光吸収波長は、熱赤外線領域にあることが多い。ガス検出の現場では、検出対象のガスだけではなく、室温で周囲の物体から放射される多様な種類の赤外光が存在する。そのため、目的ガスからの光を、背景の赤外光から分離する必要がある。検出対象のガスの吸収波長に一致する光は、一部がそのガスで吸収され、吸収されなかった残りが受光層１に入射して検出される。目的ガスの濃度は、受光層１で検出される光の量と反比例するので、二波長センサ素子１０の全体出力に対する受光層１の出力の比を求めることで、目的ガスの濃度を決定することができる。
図２は、受光層１と受光層２の光応答特性を示す。図２の（Ａ）は、受光層１の単体での応答特性である。受光層１は、特定の波長に応答ピークを有する。光電変換効果をもつ受光素子では、光の入射がないときでも一定の暗電流が流れるので、応答ピークから暗電流を差し引いた光電流が、受光層１の出力となる。光電流の量は、特定の波長の光の入射量によって変化する。
図２の（Ｂ）は、表面リークがないときの受光層２の単体での応答特性である。受光層２でも暗電流は存在する。したがって、暗電流を差し引いた光電流が、受光層２の出力となる。光電流の量は、所定の波長域にわたる光の入射量によって変化する。
二波長センサ素子１０では、受光層１と受光層２が直列に積層されている。単純に考えると、二波長センサ素子１０の応答特性は、図２の（Ａ）と（Ｂ）を合成したものになるが、実際は受光層２に表面リーク電流が存在する。この状態で、受光層１の出力を個別に取り出したい。
実施形態では、受光層２の表面リーク電流を抑制するバイアス電圧のオン・オフを制御することで、受光層１の検出結果と合成出力を、交互に取り出す。
図３は、実施形態の二波長センサ素子１０の原理説明図である。図３の（Ａ）は、受光層２の側壁に表面リーク制御バイアスが印加された状態、図３の（Ｂ）は、表面リーク制御バイアスがオフにされた状態である。
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系の量子井戸や量子ドットにキャリアを閉じ込める受光層１では、画素１０１の側壁での表面リークの問題は生じない。一方、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ系のＴ２ＳＬでは、画素１０１の側壁に表面リーク電流が流れる。
図３の（Ａ）で、受光層２の側壁に発生する電荷を打ち消す方向に電界を印加することで、受光層２の表面リーク電流が抑制される。このときの二波長センサ素子１０の出力は、受光層１の出力と受光層２の出力を合成した（かけ合わせた）ものになる。
図３の（Ｂ）で、表面リーク制御バイアスがオフにされると、受光層２で表面リーク電流が流れる。受光層２はショートした状態になり、バンプ電極２１を介して読み出される検出結果は、受光層１の応答結果となる。
この原理を利用して、目的ガスの吸収波長の光の検出結果と、全体の検出結果を交互に取り出す。
図４は、実施形態の二波長センサ素子１０の動作例である。横軸は時間経過を表す。受光層２の側壁に印加される表面リーク制御バイアスのオン・オフは、一定の時間間隔で切り換えられる。オン・オフの切り替えタイミングは、後述する読み出し回路の積分タイミングに一致させてもよい。一例として、１秒間に６０フレーム読み出す場合は、６０Ｈｚでオン・オフが切り換えられる。
図１の構成例を参照すると、バンプ電極２１に正バイアスを印加して光電流を読み出す場合、表面リーク制御バイアスとして、たとえば、−１０Ｖの負電圧を印加して、表面の電荷を打ち消す。表面リーク制御バイアスのオン区間では、受光層２のＴ２ＳＬの端面で表面リーク電流が抑制され、各画素１０１で、熱赤外線に相当する広い波長応答特性が得られる。
表面リーク制御バイアスのオフ区間では、受光層２のＴ２ＳＬの端面に表面リーク電流が流れる。その結果、受光層１の量子構造で決まる特定波長の光の受光結果がバンプ電極２１から読み出される。
図５は、二波長センサ素子１０を用いた赤外線検出器６０の模式図である。赤外線検出器６０は、センサアレイ１０Ａと、センサアレイ１０Ａに接続される読み出し回路５０を有する。センサアレイ１０Ａは、二波長センサ素子１０の一例である。
センサアレイ１０Ａでは、図１の画素１０１が二次元方向に配置されている。各画素１０１のバンプ電極２１は、読み出し回路５０に設けられた突起電極に接合され、センサアレイ１０Ａと読み出し回路５０を電気的に接続する接合部４０が形成されている。
読み出し回路５０は、センサアレイ１０Ａの画素１０１を選択するとともに、表面リーク制御バイアスのオン・オフを制御する。
図６は、センサアレイ１０Ａの画素配置例を示す。センサアレイ１０Ａは、有効画素領域１００と、有効画素領域１００の周囲に配置されるダミー画素領域２００を有する。有効画素領域１００には、実質的に光検出を行う画素１０１が配置されている。
ダミー画素領域２００には、バンプ電極３１を介して接地電位が印加されるダミー画素２０１と、バンプ電極３２を介して表面リーク制御バイアスが印加されるダミー画素２０２が配置される。ダミー画素２０１のバンプ電極３１は、全画素１０１に共通の共通配線１３と電気的に接続されている。ダミー画素２０２のバンプ電極３２は、全画素１０１に共通の共通電極膜２２と電気的に接続されている。バンプ電極３２への表面リーク制御バイアスの入力オン・オフは、読み出し回路５０によって制御される。
図７Ａ〜図７Ｇは、センサアレイ１０Ａの製造工程を、図６のＸ−Ｘ'断面で示す。図７Ａで、基板１１上に、エッチングストッパ層１２、共通配線１３、Ｔ２ＳＬ層１４、量子井戸層１５をこの順にエピタキシャル成長する。各層の成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法など、適切な手法で行うことができる。各層の厚さは、適宜設計される
基板１１は、たとえば厚さ４００〜８００μｍのＧａＡｓ基板である。ＧａＡｓの基板１１上に、エッチングストッパ層１２として、たとえばＩｎＧａＰ層を形成する。エッチングストッパ層１２の上に、共通配線１３として、ｎ型のＧａＡｓ層を全面に形成する。ｎ型不純物として、たとえばＳｉを１×１０18ｃｍ-3から３×１０18ｃｍ-3の濃度で添加してもよい。
基板１１は、たとえば厚さ４００〜８００μｍのＧａＡｓ基板である。ＧａＡｓの基板１１上に、エッチングストッパ層１２として、たとえばＩｎＧａＰ層を形成する。エッチングストッパ層１２の上に、共通配線１３として、ｎ型のＧａＡｓ層を全面に形成する。ｎ型不純物として、たとえばＳｉを１×１０18ｃｍ-3から３×１０18ｃｍ-3の濃度で添加してもよい。
積層（成膜）方向で共通配線１３の上に設けられるＴ２ＳＬ層１４は、受光層２として用いられる。Ｔ２ＳＬ層１４の上の量子井戸層１５は、受光層１として用いられる。Ｔ２ＳＬ層１４と量子井戸層１５の間に、適切なバリア層が挿入されてもよい。Ｔ２ＳＬ層１４として、たとえば、膜厚が１３．９ｎｍのＩｎＡｓ層と、膜厚が４．５ｎｍのＩｎＡｓ０．６２Ｓｂ０．３８層を１２０周期繰り返す。このＴ２ＳＬ層１４のカットオフ波長は１３μｍである。
Ｔ２ＳＬ層１４の上に、厚さ２．８ｎｍのＩｎＡｓ層と、厚さ２．５ｎｍのＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ０．０１Ｓｂ０．９９層を１７周期繰り返して、バリア層を形成してもよい。バリア層を設ける場合は、バリア層の上に連続して、厚さ４０ｎｍのＡｌ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓの障壁層と、厚さ４．７５ｎｍのＧａＡｓの井戸層を５０周期繰り返して、量子井戸層１５層を形成してもよい。この量子井戸層１５の吸収ピーク波長は、８．４μｍである。
図７Ｂで、図７Ａの積層体に、共通配線１３に達する画素分離溝１７を形成する。画素分離溝１７は、ドライエッチングで形成されてもよいし、ウェットエッチングで形成されてもよい。ウェットエッチングを行う場合は、所定の開口パターンを有するレジストマスクを形成し、硫酸系のエッチャントで量子井戸層１５を除去し、次いで、リン酸、過酸化水素水、クエン酸、および水の混合溶液でＴ２ＳＬ層１４を除去してもよい。リン酸と過酸化水素水は、ＩｎＡｓのエッチングに寄与し、クエン酸はＳｂのエッチングの促進に寄与する。
ドライエッチングの場合は、リソグラフィとドライエッチングで、所定の開口パターンを有するＳｉＯＮマスクを形成し、ＳｉＯＮマスクを用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を行ってもよい。あるいは、塩素（Ｃｌ）とアルゴン（Ａｒ）を用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）方式のプラズマエッチングを行ってもよい。ドライエッチングの後に、ウェットエッチングでダメージ層を除去してもよい。
画素分離溝１７の形成により、受光層１と受光層２を含む積層体の２次元配列が形成される。有効画素領域１００に位置する積層体は、画素１０１として用いられる。ダミー画素領域２００に位置する積層体は、ダミー画素２０１、２０２として用いられる。画素ピッチは、たとえば４０μｍ、隣接する画素１０１、及びダミー画素２０１、２０２の間隔（すなわち画素分離溝１７の幅）は、たとえば３μｍである。
図７Ｃで、ＣＶＤ法などにより、全面を覆う絶縁膜２４を形成する。絶縁膜２４は、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜である。
図７Ｄで、リソグラフィとドライエッチングにより、所望の位置で絶縁膜２４の一部を除去する。これにより有効画素領域１００の画素１０１の積層体の上面、すなわち受光層１の表面が露出する。また、ダミー画素２０１と２０２の間の画素分離溝１７の底面で、共通配線１３が露出される。
図７Ｅで、スパッタリングなどにより、全面に金属膜１８を形成する。金属膜１８は、チタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）をこの順でスパッタした二層構造の膜であってもよい。Ｔｉ膜を挿入することで、絶縁膜２４への密着性が高まる。
図７Ｆで、たとえば、リソグラフィとイオンミリングにより、金属膜１８の不要な部分を除去する。これにより、有効画素領域１００の各画素１０１で、積層の上面に表面配線２３が形成され、受光層２の側壁に共通電極膜２２が形成される。共通電極膜２２は、表面リーク制御バイアスが印加されるダミー画素２０２まで連続している。接地電位に接続されるダミー画素２０１で、金属膜は共通電極膜２２から切り離されて、共通配線１３に接続される配線２６が形成される。
図７Ｇで、有効画素領域１００の画素１０１の表面配線２３に、バンプ電極２１が形成される。ダミー画素領域２００のダミー画素２０１と２０２に、それぞれバンプ電極３１、３２が形成される。バンプ電極２１、３１、及び３２は、所定のレジストパターンを形成した後に、インジウム（Ｉｎ）を蒸着し、リフトオフすることで形成される。
バンプ電極２１、３１、及び３２は、センサアレイ１０Ａを読出し回路５０にフリップチップ接合する接続用の電極である。センサアレイ１０Ａを読み出し回路５０にフリップチップ接合した後に、機械加工、エッチング等により基板１１を除去してもよい。この場合、エッチングストッパ層１２でエッチングが停止され、エッチングストッパ層１２が光入射面となる。
フリップチップ接合により、ダミー画素２０１のバンプ電極３１は、全画素１０１に共通の接地電位に接続される。動作時は、読み出し回路５０によって選択された画素１０１のバンプ電極２１に読み出し用のバイアス電圧が印加される。ダミー画素２０２のバンプ電極３２に、所定のタイミングで表面リーク制御バイアスが入力されて、各画素１０１の受光層１の応答出力と、受光層１及び２の合成出力とが切り換えられる。
図８は、赤外線検出器６０で用いられる読み出し回路５０の構成例である。読み出し回路は、共通電極バイアス回路５１と、水平垂直選択回路５２と、画素１０１ごとに光電流を読み出す駆動セル５００を有する。センサアレイ１０Ａの画素１０１の数に対応する数の駆動セル５００が設けらる。
共通電極バイアス回路５１は、ダミー画素２０２に電気的に接続されて、所定のタイミングで表面リーク制御バイアスを出力する。水平垂直選択回路５２は、たとえば水平走査信号を出力する水平シフトレジスタと、垂直走査信号を出力する垂直シフトレジスタを含み、センサアレイ１０Ａの画素１０１を順番に選択する。
画素１０１ごとに設けられる駆動セル５００は、電子シャッタ５０１と、リセットトランジスタＲＳと、積分容量５０２と、駆動トランジスタ５０３と、水平選択スイッチ５０４を有する。電子シャッタ５０１は、露光時間（すなわち露光量）を調整して、各画素１０１の露光時間が均等になるように制御する。
積分容量５０２は、対応する画素１０１で生成され読み出された電荷を、一定時間蓄積する。リセットトランジスタＲＳは、積分容量をリセットする。積分容量５０２は、駆動トランジスタのゲートに接続される。水平選択スイッチ５０４は、駆動トランジスタ５０３と負荷トランジスタ５６の間を導通させる。駆動トランジスタ５０３と負荷トランジスタ５６が導通することで、蓄積された容量が増幅されて水平信号線に出力される。水平出力は出力アンプで増幅されて、マルチプレクサ５４に入力される。
マルチプレクサ５４は、各水平出力を垂直方向に切り替えて、選択された信号を出力する。読み出し回路５０から出力される信号は、各画素１０１で検知された特定波長の光の強度分布を表しており、適切な信号処理を施すことで、画像表示することができる。
読み出し回路５０は、センサアレイ１０Ａの共通電極膜２２に印加される表面リーク制御バイアスのオン・オフを制御するだけで、受光層１の応答結果と、受光層１と受光層２の合成応答とを読み出すことができ、回路構成が簡単である。
図９は、赤外線検出器６０を用いたイメージングシステム７０の模式図である。赤外線検出器６０の光入射側、すなわち二波長センサ素子１０の側に、光学系７１を配置してもよい。光学系７１は、各画素１０１に入射赤外光の光像を結像させるマイクロレンズアレイでもよいし、入射光を二波長センサ素子１０の全体に集光するひとつの集光レンズであってもよい。二波長センサ素子１０で検知され、読み出し回路５０に供給された各画素１０１の電荷情報は、検出対象のガスの濃度分布情報を含んでいる。
読み出し回路５０の出力は、信号処理回路７２の入力に接続されている。信号処理回路７２は、読み出し回路５０の出力をデジタル処理して、受光層１の応答出力と、受光層１及び受光層２の合成応答出力の比を計算してもよい。
信号処理回路７２は、検出対象のガスが存在しない初期状態で測定した受光層１と受光層２の合成応答を、基準情報として有していてもよい。実際の動作時には、各画素で得られた応答出力比を、基準情報と用いた比率と比較して、ガスの濃度分布情報を生成してもよい。濃度分布情報を画像処理によって画像信号に変換してもよい。
信号処理回路７２の出力は、表示モニタ７３に入力されてもよい。表示モニタ７３は、パーソナルコンピュータやスマートフォンの表示装置であってもよい。表示モニタ７３に検出対象のガス濃度分布がリアルタイムで表示され得る。
以上、特定の構成例に基づいて二波長センサ素子１０（及びセンサアレイ１０Ａ）と赤外線検出器６０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。検出対象となる第１の波長は、量子井戸層の材料、組成などによって適宜設計される。第２の波長域は、Ｔ２ＳＬ層の組成、周期、繰り返し回数、組成の段階的な変化等を調整することで、所望の波長域に設計可能である。目的とする波長域に応じて、Ｔ２ＳＬ層を、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、及びこれらの混晶材料で形成してもよい。
受光層１と受光層２の積層順序を逆にしてもよい。この場合も、表面リーク制御バイアスのオン・オフを切り替えることで、ガスの吸収波長に対応する受光層１単独の出力と、受光層１と受光層２の合成出力を交互に得ることができる。
側壁からの外部電界の印可に応答するのはＴ２ＳＬの受光層２だけなので、共通電極膜２２は受光層２の側壁のみを覆う構成であってもよい。各画素１０１において、バンプ電極２１からホールを引き抜く構成にしてもよい。この場合、共通電極膜２２に印加される表面リーク制御バイアスを正バイアスにしてもよい。
読み出し回路５０からのアナログ出力を信号処理回路７２に供給して、信号処理回路７２でデジタル変換してからデジタル処理を行ってもよいし、読み出し回路５０の出力段にデジタル変換器を設けてもよい。赤外線検出器６０の全体が冷却容器内に収容されていてもよい。
実施形態の構成によると、表面リーク制御バイアスのオン・オフを切り替えるだけで、２つの光応答結果が個別に読み出される。各画素１０１は単一のバンプ電極２１と、受光層２を取り囲む共通電極膜２２を有する単純な構造を有するので、読み出し回路５０の構成も簡単になる。各画素１０１が単純な構成を有するので、受光層１と受光層２の面積を広くとることができ、感度と製造コストの点で有利である。二波長センサ素子１０をガスセンサに適用する場合は、小型で安価なガス可視化カメラを低価格で製造、販売することが可能になる。
以上に説明に対し、以下の付記を呈示する。
（付記１）
第１の波長に感度を有する第１の受光層と、
前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、
を有し、
前記外部電界のオン・オフ制御によって、前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力が切り換えられる二波長センサ素子。
（付記２）
前記第１の受光層は、量子井戸または量子ドットを有し、
前記第２の受光層は、タイプ２の超格子層である、
付記１に記載の二波長センサ素子。
（付記３）
前記電界印加構成は、絶縁膜を介して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む電極膜である、付記１または２に記載の二波長センサ素子。
（付記４）
前記側壁に印加される前記外部電界がオンのときに前記合成出力が取り出され、前記外部電界がオフのときに前記第１の受光層の応答出力が取り出される、
付記１〜３のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記５）
前記外部電界がオンのときに、前記第２の受光層の前記側壁で表面リーク電流が抑制され、前記外部電界のオフのときに、前記第２の受光層は前記表面リーク電流によって短絡される、
付記１〜４のいずれか１項に記載の二波長センサ素子。
（付記６）
前記第１の受光層と前記第２の受光層の積層で形成される画素を複数有し、
前記電界印加構成は、複数の前記画素の間で連続して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む共通電極膜である、
請求項１〜５のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記７）
前記第１の受光層と前記第２の受光層の積層で画素が形成され
前記画素を選択する選択信号と、前記画素の前記側壁に前記外部電界を印加するバイアス電圧の電気極性は逆である、付記１〜５のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記８）
複数の前記画素の各々は、選択信号が入力される単一の突起電極を有し、
前記選択信号と、前記画素の前記側壁に前記外部電界を印加するバイアス電圧の電気極性は逆である、付記６に記載の二波長センサ素子。
（付記９）
前記第２の受光層は、アンチモンを含む化合物半導体で形成されている、
付記１〜８の何れかに記載の二波長センサ素子。
（付記１０）
付記１〜８のいずれかに記載の二波長センサ素子と、
前記二波長センサ素子に接続される読み出し回路と、
を有し、前記読み出し回路によって、前記外部電界のオン・オフが切り換えられる、
赤外線検出器。
（付記１１）
前記読み出し回路は、前記外部電界を印加するバイアス回路を有し、
前記二波長センサ素子は、前記電界印加構成と前記バイアス回路との間を電気的に接続するダミー画素を有する、付記１０に記載の赤外線検出器。
（付記１２）
前記読み出し回路は接地電位を有し、
前記二波長センサ素子は、前記接地電位に接続される共通配線を有する付記１０または１１に記載の赤外線検出器。
（付記１３）
付記１０〜１２のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の光入射側に配置される光学系と、
前記赤外線検出器から出力される信号を処理する信号処理回路と、
を有するイメージングシステム。
（付記１）
第１の波長に感度を有する第１の受光層と、
前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、
を有し、
前記外部電界のオン・オフ制御によって、前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力が切り換えられる二波長センサ素子。
（付記２）
前記第１の受光層は、量子井戸または量子ドットを有し、
前記第２の受光層は、タイプ２の超格子層である、
付記１に記載の二波長センサ素子。
（付記３）
前記電界印加構成は、絶縁膜を介して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む電極膜である、付記１または２に記載の二波長センサ素子。
（付記４）
前記側壁に印加される前記外部電界がオンのときに前記合成出力が取り出され、前記外部電界がオフのときに前記第１の受光層の応答出力が取り出される、
付記１〜３のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記５）
前記外部電界がオンのときに、前記第２の受光層の前記側壁で表面リーク電流が抑制され、前記外部電界のオフのときに、前記第２の受光層は前記表面リーク電流によって短絡される、
付記１〜４のいずれか１項に記載の二波長センサ素子。
（付記６）
前記第１の受光層と前記第２の受光層の積層で形成される画素を複数有し、
前記電界印加構成は、複数の前記画素の間で連続して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む共通電極膜である、
請求項１〜５のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記７）
前記第１の受光層と前記第２の受光層の積層で画素が形成され
前記画素を選択する選択信号と、前記画素の前記側壁に前記外部電界を印加するバイアス電圧の電気極性は逆である、付記１〜５のいずれかに記載の二波長センサ素子。
（付記８）
複数の前記画素の各々は、選択信号が入力される単一の突起電極を有し、
前記選択信号と、前記画素の前記側壁に前記外部電界を印加するバイアス電圧の電気極性は逆である、付記６に記載の二波長センサ素子。
（付記９）
前記第２の受光層は、アンチモンを含む化合物半導体で形成されている、
付記１〜８の何れかに記載の二波長センサ素子。
（付記１０）
付記１〜８のいずれかに記載の二波長センサ素子と、
前記二波長センサ素子に接続される読み出し回路と、
を有し、前記読み出し回路によって、前記外部電界のオン・オフが切り換えられる、
赤外線検出器。
（付記１１）
前記読み出し回路は、前記外部電界を印加するバイアス回路を有し、
前記二波長センサ素子は、前記電界印加構成と前記バイアス回路との間を電気的に接続するダミー画素を有する、付記１０に記載の赤外線検出器。
（付記１２）
前記読み出し回路は接地電位を有し、
前記二波長センサ素子は、前記接地電位に接続される共通配線を有する付記１０または１１に記載の赤外線検出器。
（付記１３）
付記１０〜１２のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の光入射側に配置される光学系と、
前記赤外線検出器から出力される信号を処理する信号処理回路と、
を有するイメージングシステム。
１ 受光層
２ 受光層
１０ 二波長センサ素子
１０Ａ センサアレイ
１１ 基板
１２ エッチングストッパ層
１３ 共通配線
１４ Ｔ２ＳＬ層
１５ 量子井戸層
２１ バンプ電極
２２ 共通電極膜
２３ 表面配線
３１、３２ バンプ電極（ダミー画素用）
４０ 接合部
５０ 読み出し回路
６０ 赤外線検出器
７０ イメージングシステム
７１ 光学系
７２ 信号処理回路
７３ 表示モニタ
１００ 有効画素領域
１０１ 画素
２００ ダミー画素領域
２０１、２０１ ダミー画素
２ 受光層
１０ 二波長センサ素子
１０Ａ センサアレイ
１１ 基板
１２ エッチングストッパ層
１３ 共通配線
１４ Ｔ２ＳＬ層
１５ 量子井戸層
２１ バンプ電極
２２ 共通電極膜
２３ 表面配線
３１、３２ バンプ電極（ダミー画素用）
４０ 接合部
５０ 読み出し回路
６０ 赤外線検出器
７０ イメージングシステム
７１ 光学系
７２ 信号処理回路
７３ 表示モニタ
１００ 有効画素領域
１０１ 画素
２００ ダミー画素領域
２０１、２０１ ダミー画素
Claims (8)
- 第１の波長に感度を有する第１の受光層と、
前記第１の波長を含む所定範囲の波長域に感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の側壁に外部電界を印加する電界印加構成と、
を有し、
前記外部電界のオン・オフ制御によって、前記第１の受光層の応答出力と、前記第１の受光層と前記第２の受光層の合成出力が切り換えられる二波長センサ素子。 - 前記第１の受光層は、量子井戸または量子ドットを有し、
前記第２の受光層は、タイプ２の超格子層である、
請求項１に記載の二波長センサ素子。 - 前記電界印加構成は、絶縁膜を介して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む電極膜である、請求項１または２に記載の二波長センサ素子。
- 前記側壁に印加される前記外部電界がオンのときに前記合成出力が取り出され、前記外部電界がオフのときに前記第１の受光層の応答出力が取り出される、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の二波長センサ素子。 - 前記外部電界がオンのときに、前記第２の受光層の前記側壁で表面リーク電流が抑制され、前記外部電界のオフのときに、前記第２の受光層は前記表面リーク電流によって短絡される、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の二波長センサ素子。 - 前記第１の受光層と前記第２の受光層の積層で形成される画素を複数有し、
前記電界印加構成は、複数の前記画素の間で連続して前記第２の受光層の前記側壁を取り囲む共通電極膜である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の二波長センサ素子。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の二波長センサ素子と、
前記二波長センサ素子に接続される読み出し回路と、
を有し、前記読み出し回路によって、前記外部電界のオン・オフが切り換えられる、
赤外線検出器。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の二波長センサ素子を用いた赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の光入射側に配置される光学系と、
前記赤外線検出器から出力される信号を処理する信号処理回路と、
を有するイメージングシステム。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020091433A JP2021190465A (ja) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 二波長センサ素子、赤外線検出器、及びイメージングシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020091433A JP2021190465A (ja) | 2020-05-26 | 2020-05-26 | 二波長センサ素子、赤外線検出器、及びイメージングシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2021190465A true JP2021190465A (ja) | 2021-12-13 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP (1) | JP2021190465A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023233732A1 (ja) * | 2022-05-31 | 2023-12-07 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | レーザ加工装置 |
-
2020
- 2020-05-26 JP JP2020091433A patent/JP2021190465A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023233732A1 (ja) * | 2022-05-31 | 2023-12-07 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | レーザ加工装置 |
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