JP2023163932A - Infrared detector and image sensor using the same - Google Patents

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Abstract

To suppress the decline in a signal current in an infrared detector and improve light receiving sensitivity.SOLUTION: An infrared detector includes an etching stopper layer electrically connected to an electrode to which a common potential is applied, a first light-receiving layer provided on the etching stopper layer and absorbing infrared rays in a first wavelength band, and a second light-receiving layer provided on the first light-receiving layer and absorbing infrared rays in a second wavelength band, and the longest infrared wavelength detectable by the first light-receiving layer is shorter than the longest infrared wavelength detectable by the second light-receiving layer, and the bandgap of the etching stopper layer is the same as the bandgap of the first light-receiving layer, or smaller than the bandgap of the first light-receiving layer.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本開示は、赤外線検出器、及びこれを用いたイメージセンサに関する。 The present disclosure relates to an infrared detector and an image sensor using the same.

タイプII超格子(Type II Superlattice:T2SL)は、水銀カドミウムテルル(Mercury Cadmium Telluride:MCT)に代わる次世代の赤外線検出器の材料として期待され、開発が進められている。タイプII超格子を用いた赤外線検出器の多くは、GaSb基板に、GaSbと格子定数の近いGaSb、InAs、AlSbなどの材料を用いて超格子構造を形成する。適切に設計された超格子構造を赤外線受光層とすることにより、中波長帯(3~5μm)、長波長帯(8~12μm)等、所望の波長帯域の赤外線を検出できる。 Type II superlattice (T2SL) is expected to be a material for next-generation infrared detectors to replace mercury cadmium telluride (MCT), and development is progressing. Most infrared detectors using a type II superlattice have a superlattice structure formed on a GaSb substrate using a material such as GaSb, InAs, or AlSb, which has a lattice constant close to that of GaSb. By using an appropriately designed superlattice structure as an infrared receiving layer, it is possible to detect infrared rays in a desired wavelength band such as a medium wavelength band (3 to 5 μm) or a long wavelength band (8 to 12 μm).

2波長赤外線検出器の構成として、異なる波長の赤外線に感度をもつ2つの受光層の間に、電子と正孔のどちらか一方のキャリアの流れをブロックするユニポーラバリア層を配置した構造が提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。 As a configuration of a two-wavelength infrared detector, a structure has been proposed in which a unipolar barrier layer is placed between two light-receiving layers sensitive to infrared rays of different wavelengths to block the flow of carriers of either electrons or holes. (For example, see Non-Patent Document 1).

受光層を含む積層体で赤外線検出器アレイを形成する場合、隣接する画素間を分離するために、積層体はメサ形状に加工される。エッチングの深さ精度を高めるために、積層体の下にエッチングストッパ層が設けられることが多い。エッチングストッパ層として、成膜基板と格子定数が近く、かつ、特定の元素の濃度が上層の電極層(またはコンタクト層)や受光層と大きく異なる材料が用いられる。特定の元素成分を示す信号をモニタすることで、エッチング深さを制御できるからである。 When forming an infrared detector array using a laminate including a light-receiving layer, the laminate is processed into a mesa shape in order to separate adjacent pixels. In order to improve etching depth accuracy, an etching stopper layer is often provided under the laminate. As the etching stopper layer, a material is used that has a lattice constant close to that of the film-forming substrate and a concentration of a specific element that is significantly different from that of the upper electrode layer (or contact layer) or light-receiving layer. This is because the etching depth can be controlled by monitoring signals indicating specific elemental components.

特開2020-155513号公報JP 2020-155513 Publication

SPIE Proceedings, Vol. 8155, pp. 815507 (2011)SPIE Proceedings, Vol. 8155, pp. 815507 (2011)

3μmよりも長い2つの波長帯で赤外線を検出する場合、エッチングストッパ層のバンドギャップが受光層のバンドギャップよりも大きいときに、信号をうまく引き出せないという問題がある。エッチングストッパ層が少数キャリアに対するポテンシャル障壁として作用するからである。取り出す信号の種類と、エッチングストッパ層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーによっては、電子に対するポテンシャル障壁として作用する場合も、正孔に対するポテンシャル障壁して作用する場合もあり得る。ポテンシャル障壁によって、特に長波長側の信号の流れが阻害され、受光感度が低下する。 When detecting infrared rays in two wavelength bands longer than 3 μm, there is a problem that a signal cannot be extracted well when the bandgap of the etching stopper layer is larger than the bandgap of the light-receiving layer. This is because the etching stopper layer acts as a potential barrier against minority carriers. Depending on the type of signal to be extracted and the energy of the conduction band and valence band of the etching stopper layer, it may act as a potential barrier for electrons or as a potential barrier for holes. The potential barrier obstructs the flow of signals, particularly on the long wavelength side, and reduces the light receiving sensitivity.

本開示のひとつの側面では、赤外線検出器において信号電流の低下を抑制し、受光感度を向上することを目的とする。 One aspect of the present disclosure aims to suppress a decrease in signal current in an infrared detector and improve light reception sensitivity.

本開示の一形態によれば、赤外線検出器は、
共通電位が与えられる電極と電気的に接続されたエッチングストッパ層と、
前記エッチングストッパ層の上に設けられ、第1波長帯の赤外線を吸収する第1受光層と、
前記第1受光層の上に設けられ、第2波長帯の赤外線を吸収する第2受光層と、
を有し、前記第1受光層で検出可能な最長の赤外線波長は、前記第2受光層で検出可能な最長の赤外線波長よりも短く、前記エッチングストッパ層のバンドギャップは前記第1受光層のバンドギャップと同じか、または前記第1受光層のバンドギャップよりも小さい。
According to one form of the present disclosure, the infrared detector includes:
an etching stopper layer electrically connected to an electrode to which a common potential is applied;
a first light-receiving layer provided on the etching stopper layer and absorbing infrared rays in a first wavelength band;
a second light-receiving layer provided on the first light-receiving layer and absorbing infrared rays in a second wavelength band;
The longest infrared wavelength that can be detected by the first light-receiving layer is shorter than the longest infrared wavelength that can be detected by the second light-receiving layer, and the band gap of the etching stopper layer is the same as that of the first light-receiving layer. The bandgap is equal to or smaller than the bandgap of the first light-receiving layer.

赤外線検出器において、信号電流の低下を抑制し受光感度を向上することができる。 In an infrared detector, a decrease in signal current can be suppressed and light receiving sensitivity can be improved.

2波長赤外線検出器に生じ得る技術課題を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating technical problems that may occur in a two-wavelength infrared detector. 2波長赤外線検出器に生じ得る技術課題を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating technical problems that may occur in a two-wavelength infrared detector. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a two-wavelength infrared detector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の動作説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the two-wavelength infrared detector of the first embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の動作説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of the two-wavelength infrared detector of the first embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の作製工程図である。It is a manufacturing process diagram of the two wavelength infrared detector of 1st Embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の作製工程図である。It is a manufacturing process diagram of the two wavelength infrared detector of 1st Embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の作製工程図である。It is a manufacturing process diagram of the two wavelength infrared detector of 1st Embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の作製工程図である。It is a manufacturing process diagram of the two wavelength infrared detector of 1st Embodiment. 第1実施形態の2波長赤外線検出器の作製工程図である。It is a manufacturing process diagram of the two wavelength infrared detector of 1st Embodiment. 第2実施形態の2波長赤外線検出器の断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a two-wavelength infrared detector according to a second embodiment. 第2実施形態の2波長赤外線検出器の動作説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation of the two-wavelength infrared detector of the second embodiment. 第2実施形態の2波長赤外線検出器の動作説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation of the two-wavelength infrared detector of the second embodiment. 実施形態のイメージセンサの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an image sensor according to an embodiment. イメージセンサで用いられる赤外線検出器アレイの一部を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a part of an infrared detector array used in an image sensor. イメージセンサを組み込んだ撮像システムの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of an imaging system incorporating an image sensor.

本開示の具体的な構成例を説明する前に、図1Aと図1Bを参照して、2波長赤外線検出器で生じ得る技術課題を、より詳しく説明する。図1Aと図1Bのエネルギーバンド図は、エッチングストッパ層(ES)、第1電極層(EL1)、波長λ1の光を吸収する第1受光層(L1)、バリア層(BR)、波長λ2の光を吸収する第2受光層(L2)、及び第2電極層(EL2)がこの順で積層された構成を前提としている。 Before describing a specific configuration example of the present disclosure, technical problems that may occur in a two-wavelength infrared detector will be described in more detail with reference to FIGS. 1A and 1B. The energy band diagrams in FIGS. 1A and 1B include an etching stopper layer (ES), a first electrode layer (EL1), a first light-receiving layer (L1) that absorbs light with a wavelength of λ1, a barrier layer (BR), and a layer with a wavelength of λ2. It is assumed that a second light-receiving layer (L2) that absorbs light and a second electrode layer (EL2) are laminated in this order.

タイプII超格子を用いた2波長赤外線検出器で受光感度を高めるに、移動度の高い電子を信号として検出する構成が多い。電子を信号として引き出す構成は、pBp(正孔ブロック)型と呼ばれる。 To increase the light reception sensitivity of a two-wavelength infrared detector using a type II superlattice, there are many configurations that detect high-mobility electrons as signals. A configuration that extracts electrons as a signal is called a pBp (hole block) type.

図1Aで、第1受光層(L1)から信号として電子を引き出す場合、第2電極層(EL2)に正の電圧を印加し、第1電極層(EL1)に負の電圧を印加する。p型の第1受光層(L1)にとって逆バイアスの状態となり、第1受光層(L1)で生成された少数キャリアとしての電子は、第2電極層(EL2)に向かって流れ、信号として検出される。第1受光層(L1)で生じた正孔は、第1電極層(EL1)へと流れる。このとき、第2受光層(L2)は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。したがって、第1受光層(L1)に入射したλ1の赤外光は、正しく検出される。 In FIG. 1A, when extracting electrons as a signal from the first light-receiving layer (L1), a positive voltage is applied to the second electrode layer (EL2), and a negative voltage is applied to the first electrode layer (EL1). The p-type first light-receiving layer (L1) is in a reverse bias state, and electrons as minority carriers generated in the first light-receiving layer (L1) flow toward the second electrode layer (EL2) and are detected as a signal. be done. Holes generated in the first light-receiving layer (L1) flow to the first electrode layer (EL1). At this time, the second light-receiving layer (L2) is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption are recombined and disappear, or are negligibly small. Therefore, the infrared light of λ1 incident on the first light-receiving layer (L1) is correctly detected.

図1Bで、第2受光層(L2)から信号として電子を引き出す場合、第1電極層(EL1)に正の電圧を印加し、第2電極層(EL2)に負の電圧を印加する。p型の第2受光層(L2)にとって逆バイアスの状態となり、第2受光層で生成された少数キャリアとしての電子は、第1電極層(EL1)に向かって流れる。しかし、第1受光層(L1)よりもバンドギャップEBGの大きいエッチングストッパ層(ES)の伝導帯がポテンシャル障壁となって、信号(電子)を引き出すことができない。 In FIG. 1B, when extracting electrons as a signal from the second light-receiving layer (L2), a positive voltage is applied to the first electrode layer (EL1) and a negative voltage is applied to the second electrode layer (EL2). The p-type second light-receiving layer (L2) is in a reverse bias state, and electrons as minority carriers generated in the second light-receiving layer flow toward the first electrode layer (EL1). However, the conduction band of the etching stopper layer (ES), which has a larger band gap EBG than the first light-receiving layer (L1), acts as a potential barrier, making it impossible to extract signals (electrons).

第2受光層(L2)から信号としての電子を効率よく引き出すには、エッチングストッパ層(ES)のバンドギャップEBGを、第1受光層(L1)のバンドギャップと同じ、またはそれよりも小さくすればよい。この構成により、信号の流れを保持して、受光感度を高めることができる。この知見に基づいて、実施形態の2波長赤外線検出器の具体的な構成を述べる。以下の説明で、「上に」または「下に」というときは積層方向または成長方向の上下を指し、絶対的な方向ではない。図中で、同じ構成要素には同じ符号を付けて重複する説明を省略する場合がある。 In order to efficiently extract electrons as signals from the second light-receiving layer (L2), the band gap EBG of the etching stopper layer (ES) must be the same as or smaller than the band gap of the first light-receiving layer (L1). do it. With this configuration, the signal flow can be maintained and the light receiving sensitivity can be increased. Based on this knowledge, the specific configuration of the two-wavelength infrared detector of the embodiment will be described. In the following description, "above" or "below" refers to the upper and lower sides of the stacking direction or the growth direction, and is not an absolute direction. In the drawings, the same components may be given the same reference numerals and redundant explanations may be omitted.

<第1実施形態>
図2は、第1実施形態の2波長赤外線検出器10の断面模式図である。第1実施形態では、電子を信号として取り出す。2波長赤外線検出器10は、図示の便宜上、ひとつの画素101として描かれている。実際の使用では、複数の2波長赤外線検出器10が一次元または二次元方向に配列された赤外線検出器アレイとして用いられる。
<First embodiment>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the two-wavelength infrared detector 10 of the first embodiment. In the first embodiment, electrons are extracted as signals. The two-wavelength infrared detector 10 is depicted as one pixel 101 for convenience of illustration. In actual use, a plurality of two-wavelength infrared detectors 10 are used as an infrared detector array arranged in one or two dimensions.

2波長赤外線検出器10は、基板11の上に、エッチングストッパ層13、第1電極層14、第1受光層15、バリア層16、第2受光層17、及び第2電極層18がこの順で積層されている。基板11とエッチングストッパ層13の間に、バッファ層12が設けられていてもよい。メサ35は、第1電極層14、第1受光層15、バリア層16、第2受光層17、及び第2電極層18を含み、所定の箇所に設けられた電極21、及び22を除いて、全体が絶縁膜19で覆われている。 The two-wavelength infrared detector 10 includes an etching stopper layer 13, a first electrode layer 14, a first light-receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light-receiving layer 17, and a second electrode layer 18 on a substrate 11 in this order. It is laminated with. A buffer layer 12 may be provided between the substrate 11 and the etching stopper layer 13. The mesa 35 includes a first electrode layer 14, a first light-receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light-receiving layer 17, and a second electrode layer 18, except for electrodes 21 and 22 provided at predetermined locations. , the whole is covered with an insulating film 19.

エッチングストッパ層13は、個々の画素101を形成するメサ35の深さ精度を高めるために用いられる。エッチングストッパ層13は、第1電極層14の一部として、赤外線検出器アレイに含まれる複数の画素101に共通に用いられる共通電極として機能してもよい。この場合、エッチングストッパ層(ES)に、第1電極層(EL1)と同じp型不純物がドープされていてもよい。図2では、2波長赤外線検出器10の動作を説明する都合上、エッチングストッパ層13に接続される電極22が描かれている。エッチングストッパ層13を共通電極として用いる場合は、電極22は、赤外線検出器アレイの最外周の画素にだけ設けられてもよい。 The etching stopper layer 13 is used to improve the depth accuracy of the mesa 35 forming each pixel 101. The etching stopper layer 13 may function as a common electrode commonly used by the plurality of pixels 101 included in the infrared detector array, as part of the first electrode layer 14. In this case, the etching stopper layer (ES) may be doped with the same p-type impurity as the first electrode layer (EL1). In FIG. 2, an electrode 22 connected to the etching stopper layer 13 is illustrated for convenience of explaining the operation of the two-wavelength infrared detector 10. When the etching stopper layer 13 is used as a common electrode, the electrode 22 may be provided only in the outermost pixels of the infrared detector array.

基板11として、たとえば、GaSb(100)基板を用いる。バッファ層12を設ける場合は、基板11と格子整合するGaSb層を用いてもよい。エッチングストッパ層13は超格子で形成され、そのバンドギャップが、第1電極層14、及び第1受光層15のバンドギャップと同じか、またはそれよりも小さくなるように、組成、膜厚、周期等が設計されている。 As the substrate 11, for example, a GaSb (100) substrate is used. When providing the buffer layer 12, a GaSb layer that is lattice matched to the substrate 11 may be used. The etching stopper layer 13 is formed of a superlattice, and the composition, film thickness, period, etc. are adjusted so that its bandgap is the same as or smaller than that of the first electrode layer 14 and the first light-receiving layer 15. etc. are designed.

第1電極層14は、第1受光層15と同じバンドギャップをもつように設計されていてもよい。あるいは、後述するように、第1電極層14と第1受光層15の伝導帯下端のエネルギー差が10meV以下で、かつ、双方ともにエッチングストッパ層13の伝導帯下端のエネルギー以上となる設計であってもよい。 The first electrode layer 14 may be designed to have the same bandgap as the first light-receiving layer 15. Alternatively, as will be described later, the design is such that the energy difference between the lower ends of the conduction bands between the first electrode layer 14 and the first light-receiving layer 15 is 10 meV or less, and the energy of both is greater than or equal to the lower ends of the conduction bands of the etching stopper layer 13. You can.

第1受光層15は、第1波長帯(たとえば3~5μm)に感度を有する。第2受光層17は、第2波長帯(たとえば8~12μm)に感度を有する。第1受光層15で検出可能な最長の赤外線波長は、第2受光層17で検出可能な最長の赤外線波長よりも短い。第1実施形態では、電子を少数キャリア、すなわち信号として検出するので、第1受光層15と第2受光層17はp型の導電型を有する。バリア層16は、積層方向で、第1受光層15と第2受光層17を分離する。バリア層16は、暗電流を抑制して、第1受光層15と第2受光層17から別々に信号を取り出すために、正孔に対するポテンシャル障壁として機能する。 The first light-receiving layer 15 has sensitivity in a first wavelength band (for example, 3 to 5 μm). The second light-receiving layer 17 has sensitivity in a second wavelength band (for example, 8 to 12 μm). The longest infrared wavelength that can be detected by the first light-receiving layer 15 is shorter than the longest infrared wavelength that can be detected by the second light-receiving layer 17. In the first embodiment, since electrons are detected as minority carriers, that is, signals, the first light-receiving layer 15 and the second light-receiving layer 17 have p-type conductivity. The barrier layer 16 separates the first light-receiving layer 15 and the second light-receiving layer 17 in the stacking direction. The barrier layer 16 functions as a potential barrier against holes in order to suppress dark current and extract signals from the first light-receiving layer 15 and the second light-receiving layer 17 separately.

基板11側が光入射面となる。基板11とバッファ層12は、最終的に研磨等により除去されてもよい。 The substrate 11 side becomes a light incident surface. The substrate 11 and buffer layer 12 may be finally removed by polishing or the like.

図3と図4は、第1実施形態の2波長赤外線検出器10の動作説明図である。2波長赤外線検出器10では、電極21と電極22に印加する電圧の極性を変えることで、異なる波長の赤外線を別々に検出する。 3 and 4 are explanatory diagrams of the operation of the two-wavelength infrared detector 10 of the first embodiment. The two-wavelength infrared detector 10 detects infrared rays of different wavelengths separately by changing the polarity of the voltage applied to the electrodes 21 and 22.

図3で、第1受光層15から第1波長帯(λ1)の赤外光の検出信号を引き出す。図3の(A)は2波長赤外線検出器10の断面模式図、(B)はエネルギーバンド図である。電極21に正の電圧を印加し、電極22に負の電圧を印加すると、p型の第1受光層15は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第1受光層15で光吸収により生じた少数キャリアの電子は、電界に沿って第2電極層18に向かって流れ、信号として検出される。 In FIG. 3, a detection signal of infrared light in the first wavelength band (λ1) is extracted from the first light-receiving layer 15. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the two-wavelength infrared detector 10, and FIG. 3B is an energy band diagram. When a positive voltage is applied to the electrode 21 and a negative voltage is applied to the electrode 22, the p-type first light-receiving layer 15 becomes reverse biased and functions as a light-receiving section. Minority carrier electrons generated by light absorption in the first light-receiving layer 15 flow toward the second electrode layer 18 along the electric field and are detected as a signal.

一方、p型の第2受光層17は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。バリア層16は、第2受光層17で生じた正孔をブロックする。 On the other hand, the p-type second light-receiving layer 17 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption are recombined and disappear, or are negligibly small. The barrier layer 16 blocks holes generated in the second light-receiving layer 17.

図4で、印加電圧の極性を切り替えて、第2受光層17から第2波長帯(λ2)の赤外光の検出信号を引き出す。図4の(A)は2波長赤外線検出器10の断面模式図、(B)はエネルギーバンド図である。電極21に負の電圧を印加し、電極22に正の電圧を印加する。p型の第2受光層17は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第2受光層17で光吸収により生じた少数キャリアの電子は、電界に沿って第1電極層14に向かって流れ、信号として検出される。 In FIG. 4, a detection signal of infrared light in the second wavelength band (λ2) is extracted from the second light-receiving layer 17 by switching the polarity of the applied voltage. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the two-wavelength infrared detector 10, and FIG. 4B is an energy band diagram. A negative voltage is applied to the electrode 21 and a positive voltage is applied to the electrode 22. The p-type second light-receiving layer 17 is in a reverse bias state and functions as a light-receiving section. Minority carrier electrons generated by light absorption in the second light-receiving layer 17 flow toward the first electrode layer 14 along the electric field and are detected as a signal.

図4の(B)に示すように、エッチングストッパ層13のバンドギャップは第1受光層15のバンドギャップよりも小さいか同等であり、伝導帯に電子にとってのポテンシャル障壁はない。図1Bと異なり、電子の流れは阻害されず、第2受光層17の受光量が正しく検出される。 As shown in FIG. 4B, the band gap of the etching stopper layer 13 is smaller than or equal to the band gap of the first light-receiving layer 15, and there is no potential barrier for electrons in the conduction band. Unlike FIG. 1B, the flow of electrons is not inhibited, and the amount of light received by the second light-receiving layer 17 is detected correctly.

一方、p型の第1受光層15は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。第1受光層15で生じた正孔は、バリア層16によってブロックされる。 On the other hand, the p-type first light-receiving layer 15 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption are recombined and disappear, or are negligibly small. Holes generated in the first light-receiving layer 15 are blocked by the barrier layer 16.

第1実施形態の2波長赤外線検出器10では、電極21、及び22に印加する電圧の極性を切り替えることで、λ1の赤外線の受光結果と、λ2の赤外線の受光結果のそれぞれを、正しく検出することができる。 In the two-wavelength infrared detector 10 of the first embodiment, by switching the polarity of the voltage applied to the electrodes 21 and 22, the results of receiving infrared light at λ1 and the results of receiving infrared light at λ2 are correctly detected. be able to.

図5A~図5Eは、2波長赤外線検出器10の作製工程図である。図5A~図5Eを参照して説明する製造工程は一例であって、材料、組成、膜厚、層構成等は、適宜変更され得る。図5Aで、基板11の上に、バッファ層12、エッチングストッパ層13、第1電極層14、第1受光層15、バリア層16、第2受光層17、及び第2電極層18をこの順でエピタキシャル成長する。 5A to 5E are manufacturing process diagrams of the two-wavelength infrared detector 10. The manufacturing process described with reference to FIGS. 5A to 5E is an example, and the material, composition, film thickness, layer structure, etc. may be changed as appropriate. In FIG. 5A, a buffer layer 12, an etching stopper layer 13, a first electrode layer 14, a first light-receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light-receiving layer 17, and a second electrode layer 18 are formed on a substrate 11 in this order. epitaxial growth.

n型のGaSb(100)基板を、分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)装置の基板導入室に導入する。GaSbの基板11は、準備室において脱ガス処理され、その後、超高真空に保持された成長室へ搬送される。成長室へ搬送された基板11はSb雰囲気下で加熱されて、表面の酸化膜が除去される。酸化膜を除去した後に、基板11の表面の平坦性を良くするために、たとえば、GaSbのバッファ層12を基板温度500℃にて100nm成長する。 An n-type GaSb (100) substrate is introduced into a substrate introduction chamber of a molecular beam epitaxy (MBE) device. The GaSb substrate 11 is degassed in a preparation chamber, and then transported to a growth chamber maintained at an ultra-high vacuum. The substrate 11 transported to the growth chamber is heated in an Sb atmosphere to remove the oxide film on the surface. After removing the oxide film, in order to improve the flatness of the surface of the substrate 11, a buffer layer 12 of, for example, GaSb is grown to a thickness of 100 nm at a substrate temperature of 500°C.

次いで、エッチングストッパ層13を300nm成長する。エッチングストッパ層13は、例えば、InAsとInAsSbの超格子で形成される。超格子は、厚さ8.4nmのInAsと、厚さ2.2nmのInAs0.5Sb0.5をこの順で積層した構造を1周期(単位構造)として、30周期繰り返す。この超格子の平均格子定数と、基板11のGaSbの格子定数の差は、約1600ppmである。格子定数差が±2000ppm以内であれば、格子定数差に伴う欠陥を抑制することができる。 Next, an etching stopper layer 13 is grown to a thickness of 300 nm. The etching stopper layer 13 is formed of, for example, a superlattice of InAs and InAsSb. The superlattice has a structure in which InAs with a thickness of 8.4 nm and InAs 0.5 Sb 0.5 with a thickness of 2.2 nm are stacked in this order as one period (unit structure), and is repeated 30 times. The difference between the average lattice constant of this superlattice and the lattice constant of GaSb of the substrate 11 is about 1600 ppm. If the lattice constant difference is within ±2000 ppm, defects caused by the lattice constant difference can be suppressed.

エッチングストッパ層13のInAs/InAsSb超格子のバンドギャップは、約0.116eVである。エッチングストッパ層13には、不純物として、たとえばBeがドープされており、正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電性を示す。 The band gap of the InAs/InAsSb superlattice of the etching stopper layer 13 is approximately 0.116 eV. The etching stopper layer 13 is doped with, for example, Be as an impurity, and exhibits p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 .

次いで、InAsとGaSbの超格子で第1電極層14を形成する。たとえば厚さ3.0nmのInAsと、厚さ1.2nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする超格子で、第1電極層14を形成する。InAs/GaSb超格子を80周期繰り返して、360nmの厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.256eVである。第1電極層14には、たとえばBeが不純物として添加されており、正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電性を示す。 Next, the first electrode layer 14 is formed using a superlattice of InAs and GaSb. For example, the first electrode layer 14 is formed of a superlattice in which one period is a structure in which InAs with a thickness of 3.0 nm and GaSb with a thickness of 1.2 nm are laminated in this order. The InAs/GaSb superlattice is grown to a thickness of 360 nm by repeating 80 cycles. The band gap of this superlattice is approximately 0.256 eV. The first electrode layer 14 is doped with, for example, Be as an impurity, and exhibits p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 .

次いで、InAsとGaSbの超格子で第1受光層15を形成する。厚さ3.0nmのInAsと、厚さ1.2nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする超格子を310周期繰り返して、1300nmの厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは約0.256eVであり、中波長帯(3~5μm)の赤外光に感度を有する。第1受光層15は、たとえば正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 Next, a first light-receiving layer 15 is formed using a superlattice of InAs and GaSb. A superlattice in which one period is a structure in which InAs with a thickness of 3.0 nm and GaSb with a thickness of 1.2 nm are laminated in this order is grown to a thickness of 1300 nm by repeating 310 periods. The bandgap of this superlattice is approximately 0.256 eV, and it is sensitive to infrared light in the medium wavelength band (3 to 5 μm). The first light-receiving layer 15 has, for example, a p-type conductivity type with a hole concentration of 1×10 16 cm −3 .

次いで、たとえば、InAsとAlSbの超格子でバリア層16を形成する。バリア層16は、たとえば、4.6nmのInAsと、1.2nmのAlSbを、この順序で積層した構造を1周期とする超格子で形成される。InAs/AlSb超格子を、たとえば20周期繰り返して、100nm程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.484eVである。バリア層16は、主として正孔のみをブロックする障壁として機能し、たとえば、正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 Next, a barrier layer 16 is formed of a superlattice of InAs and AlSb, for example. The barrier layer 16 is formed of, for example, a superlattice in which one period is a structure in which 4.6 nm of InAs and 1.2 nm of AlSb are laminated in this order. The InAs/AlSb superlattice is grown to a thickness of about 100 nm by repeating, for example, 20 cycles. The band gap of this superlattice is approximately 0.484 eV. The barrier layer 16 mainly functions as a barrier that blocks only holes, and has, for example, a p-type conductivity type with a hole concentration of 1×10 16 cm −3 .

次いで、InAsとGaSbの超格子で第2受光層17を形成する。第2受光層17は、たとえば、4.2nmのInAsと、2.1nmのGaSbを、この順序で積層した構造を1周期とする超格子で形成される。InAs/GaSb超格子を、たとえば200周期繰り返して、1300nm程度の厚さに成長する。第2受光層17のInAs/GaSb超格子のバンドギャップは約0.127eVであり、第2受光層17は長波長帯(8~12μm)の赤外線に感度を有する。第2受光層は、たとえば正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 Next, a second light-receiving layer 17 is formed using a superlattice of InAs and GaSb. The second light-receiving layer 17 is formed of, for example, a superlattice in which one period is a structure in which 4.2 nm of InAs and 2.1 nm of GaSb are laminated in this order. The InAs/GaSb superlattice is grown to a thickness of about 1300 nm by repeating, for example, 200 cycles. The band gap of the InAs/GaSb superlattice of the second light-receiving layer 17 is about 0.127 eV, and the second light-receiving layer 17 is sensitive to infrared rays in the long wavelength band (8 to 12 μm). The second light-receiving layer has, for example, a p-type conductivity type with a hole concentration of 1×10 16 cm −3 .

次いで、例えば、InAsとGaSbの超格子で第2電極層18を形成する。第2電極層18は、たとえば4.2nmのInAsと、2.1nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする超格子で形成される。InAs/GaSb超格子を、たとえば60周期繰り返して、360nm程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.127eVである。第2電極層18は、たとえば正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電型を有する。以上の工程により、図5Aの積層構造が得られる。 Next, the second electrode layer 18 is formed of, for example, a superlattice of InAs and GaSb. The second electrode layer 18 is formed of a superlattice in which one period is a structure in which, for example, 4.2 nm of InAs and 2.1 nm of GaSb are laminated in this order. The InAs/GaSb superlattice is grown to a thickness of about 360 nm by repeating, for example, 60 cycles. The band gap of this superlattice is approximately 0.127 eV. The second electrode layer 18 has, for example, a p-type conductivity type with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 . Through the above steps, the laminated structure shown in FIG. 5A is obtained.

図5Bで、図5Aの積層構造をエッチング加工して、メサ35を形成する。エッチングストッパ層13の一部の表面が露出するように、第2電極層18、第2受光層17、バリア層16、第1受光層15、及び第1電極層14を選択的にエッチングする。図5Bでは1つのメサ35のみが描かれているが、このエッチング工程で、アレイ状に配置される複数のメサ35が形成される。隣接するメサ35の間の空間は、画素分離溝36となる。 In FIG. 5B, a mesa 35 is formed by etching the stacked structure of FIG. 5A. The second electrode layer 18, second light-receiving layer 17, barrier layer 16, first light-receiving layer 15, and first electrode layer 14 are selectively etched so that a part of the surface of the etching stopper layer 13 is exposed. Although only one mesa 35 is depicted in FIG. 5B, a plurality of mesas 35 arranged in an array are formed in this etching process. The space between adjacent mesas 35 becomes a pixel isolation trench 36.

メサ35は、たとえば、反応性イオンエッチングで形成される。エッチング中に、エッチングの副生成物に含まれるGa元素の信号をモニタする。第2電極層18から第1電極層14までのエッチングでは、Ga元素が検出されるのに対し、エッチングストッパ層13にGa元素は含まれていない。Ga元素の信号をモニタすることにより、精度良くエッチング深さを制御することができる。 Mesa 35 is formed, for example, by reactive ion etching. During etching, a signal of Ga element contained in etching by-products is monitored. In the etching from the second electrode layer 18 to the first electrode layer 14, Ga element is detected, whereas the etching stopper layer 13 does not contain Ga element. By monitoring the signal of the Ga element, the etching depth can be controlled with high precision.

図5Cで、メサ35の全体と、露出したエッチングストッパ層13の表面を覆う絶縁膜19を形成する。絶縁膜19は、たとえば厚さ500nmの酸化ケイ素の膜であるが、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などの、その他の絶縁膜を形成してもよい。酸化ケイ素の膜を形成する場合は、反応ガスとしてシラン、及び一酸化二窒素を用いて、化学気相堆積法で形成することができる。 In FIG. 5C, an insulating film 19 is formed to cover the entire mesa 35 and the exposed surface of the etching stopper layer 13. The insulating film 19 is, for example, a 500 nm thick silicon oxide film, but other insulating films such as a silicon nitride film or a silicon oxynitride film may be formed. When forming a silicon oxide film, it can be formed by a chemical vapor deposition method using silane and dinitrogen monoxide as reaction gases.

図5Dで、エッチングマスクを用いた選択的エッチングで、絶縁膜19の所定の箇所に開口37-1、及び37-2を形成して、第2電極層18の一部と、エッチングストッパ層13の一部を露出する。 In FIG. 5D, openings 37-1 and 37-2 are formed in predetermined locations of the insulating film 19 by selective etching using an etching mask, and a part of the second electrode layer 18 and the etching stopper layer 13 are formed. expose a part of

図5Eで、開口37-1、及び37-2に、電極21、及び22を形成する。電極21は第2電極層18と接続される。電極22はエッチングストッパ層13と接続される。電極21、及び22は、たとえばTi/Pt/Auで形成される。Tiは下層膜との密着膜として機能し得る。電極21、及び22を、金属膜のスパッタリングとミリングにより形成してもよいし、蒸着とリフトオフ法により形成してもよい。この後、後述するように、赤外線検出器アレイの最外周画素で電極22に接続される配線と、各有効画素で電極21に接続される電極バッドを形成して、各画素に突起電極を設ける。必要に応じて、基板11とバッファ層12を除去してもよい。 In FIG. 5E, electrodes 21 and 22 are formed in openings 37-1 and 37-2. Electrode 21 is connected to second electrode layer 18 . Electrode 22 is connected to etching stopper layer 13 . The electrodes 21 and 22 are made of Ti/Pt/Au, for example. Ti can function as an adhesive film with the underlying film. The electrodes 21 and 22 may be formed by sputtering and milling a metal film, or may be formed by vapor deposition and a lift-off method. After this, as will be described later, wiring connected to the electrode 22 at the outermost pixel of the infrared detector array and electrode pads connected to the electrode 21 at each effective pixel are formed, and a protruding electrode is provided at each pixel. . The substrate 11 and buffer layer 12 may be removed if necessary.

第1実施形態の構成では、第1受光層15と第1電極層14のバンドギャップが約0.256eVであるのに対し、エッチングストッパ層13のバンドギャップは、約0.116eVである。第2受光層17で赤外光の吸収により生成された信号(電子)は、バリア層16、第1受光層15、第1電極層14、及びエッチングストッパ層13を経由して、電極22から外部に引き出される。このとき、エッチングストッパ層13のバンドギャップが第1受光層15、及び第1電極層14のバンドギャップよりも小さいので、λ2の検出信号(電子)に対するポテンシャル障壁がなく、容易に信号を取り出せる。印加する電圧の極性を変えて第1受光層15から信号を引き出すときは、図3に示したように、従来と同様に高感度で信号を検出できる。 In the configuration of the first embodiment, the band gap between the first light receiving layer 15 and the first electrode layer 14 is approximately 0.256 eV, whereas the band gap of the etching stopper layer 13 is approximately 0.116 eV. Signals (electrons) generated by absorption of infrared light in the second light receiving layer 17 are transmitted from the electrode 22 via the barrier layer 16, the first light receiving layer 15, the first electrode layer 14, and the etching stopper layer 13. pulled out to the outside. At this time, since the bandgap of the etching stopper layer 13 is smaller than the bandgap of the first light-receiving layer 15 and the first electrode layer 14, there is no potential barrier to the detection signal (electron) of λ2, and the signal can be easily extracted. When a signal is extracted from the first light-receiving layer 15 by changing the polarity of the applied voltage, the signal can be detected with high sensitivity as in the conventional case, as shown in FIG.

エッチングストッパ層13とGaSbの基板11との格子定数の差は±2000ppm以内なので、格子定数差にともなう欠陥を抑制することができ、エッチングストッパ層13は成膜の観点での要求を満たす。上層の第1電極層14と第1受光層15がGaを含むのに対し、エッチングストッパ層13はGaを含まない。エッチング中にGa元素の信号をモニタすることで、エッチング深さを高精度に制御できる。エッチングストッパ層13は、プロセスの観点での要求も満たす。 Since the difference in lattice constant between the etching stopper layer 13 and the GaSb substrate 11 is within ±2000 ppm, defects due to the difference in lattice constant can be suppressed, and the etching stopper layer 13 satisfies the requirements from the viewpoint of film formation. While the upper first electrode layer 14 and first light-receiving layer 15 contain Ga, the etching stopper layer 13 does not contain Ga. By monitoring the Ga element signal during etching, the etching depth can be controlled with high precision. The etching stopper layer 13 also satisfies requirements from a process perspective.

第1実施形態の構成は、上述した効果が得られる範囲であれば適宜変更してもよい。第1受光層15、及び第2受光層17を形成する超格子は、目的とする吸収波長に応じて各層の膜厚を適宜変更してもよい。ただし、第1受光層15、バリア層16、及び第2受光層17のそれぞれの伝導帯下端のエネルギー差が小さいことが望ましい。典型的には、熱エネルギーによりエネルギー差を容易に乗り越えらえるように、隣接する層との伝導帯下端のエネルギー差は10meV以下であることが望ましい。 The configuration of the first embodiment may be modified as appropriate as long as the above-mentioned effects can be obtained. The thickness of each layer of the superlattice forming the first light-receiving layer 15 and the second light-receiving layer 17 may be changed as appropriate depending on the target absorption wavelength. However, it is desirable that the energy difference between the lower ends of the conduction bands of the first light-receiving layer 15, the barrier layer 16, and the second light-receiving layer 17 is small. Typically, it is desirable that the energy difference at the bottom of the conduction band between adjacent layers is 10 meV or less so that the energy difference can be easily overcome by thermal energy.

エッチングストッパ層13は、厚さ8.4nmのInAsと厚さ2.2nmのInAs0.5Sb0.5の超格子に限定されない。エッチングストッパ層13のバンドギャップが、第1受光層15のバンドギャップと同じか小さければ、InAsの膜厚やInAsSbの膜厚を適宜変更してもよい。InAs/InAsSb超格子に替えて、InAsSb1-x(0≦x<1)でエッチングストッパ層13を形成してもよい。エッチングストッパ層13は、基板であるGaSbと格子定数差が小さいことが好ましく、格子定数差は±2000ppm以内、より好ましくは、±1000ppm以内である。 The etching stopper layer 13 is not limited to a superlattice of InAs with a thickness of 8.4 nm and InAs 0.5 Sb 0.5 with a thickness of 2.2 nm. As long as the bandgap of the etching stopper layer 13 is the same as or smaller than the bandgap of the first light-receiving layer 15, the film thickness of InAs and the film thickness of InAsSb may be changed as appropriate. The etching stopper layer 13 may be formed of InAs x Sb 1-x (0≦x<1) instead of the InAs/InAsSb superlattice. The etching stopper layer 13 preferably has a small difference in lattice constant from the GaSb substrate, and the difference in lattice constant is within ±2000 ppm, more preferably within ±1000 ppm.

p型の不純物として、Be以外の不純物、たとえば、Znを用いてもよい。2波長赤外線検出器10の積層方法は、MBE法に限らず、MOCVD法や、積層構造が作製可能なその他の成長方法を用いてもよい。絶縁膜19は、原子層堆積法、化学気相蒸着法の他、スパッタ法などで形成してもよい。 As the p-type impurity, impurities other than Be, such as Zn, may be used. The method for stacking the two-wavelength infrared detector 10 is not limited to the MBE method, but may be the MOCVD method or other growth methods that can produce a stacked structure. The insulating film 19 may be formed by atomic layer deposition, chemical vapor deposition, sputtering, or the like.

<第2実施形態>
図6は、第2実施形態の2波長赤外線検出器20の断面模式図である。第2実施形態では、正孔を信号として取り出す。2波長赤外線検出器20は、基板11の上に、バッファ層12、エッチングストッパ層23、第1電極層24、第1受光層25、バリア層26、第2受光層27、及び第2電極層28がこの順でエピタキシャル成長されている。積層体は、所定の箇所に設けられた電極21、及び22を除いて、全体が絶縁膜19で覆われている。電極21は第2電極層28と接続されている。電極22はエッチングストッパ層23と接続されている。
<Second embodiment>
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a two-wavelength infrared detector 20 according to the second embodiment. In the second embodiment, holes are extracted as signals. The two-wavelength infrared detector 20 includes, on the substrate 11, a buffer layer 12, an etching stopper layer 23, a first electrode layer 24, a first light-receiving layer 25, a barrier layer 26, a second light-receiving layer 27, and a second electrode layer. 28 are epitaxially grown in this order. The entire stacked body is covered with an insulating film 19 except for electrodes 21 and 22 provided at predetermined locations. Electrode 21 is connected to second electrode layer 28 . The electrode 22 is connected to an etching stopper layer 23.

基板11は、第1実施形態と同様に、n型GaSb(100)基板である。バッファ層12も、第1実施形態と同様に、厚さ100nm程度のGaSb層である。エッチングストッパ層23はInAs/InAsSb超格子で形成された厚さ300nmの層である。超格子は、例えば、InAsを8.4nm、InAs0.5Sb0.5を2.2nmの順序で積層された構造を1周期とした超格子とする。この超格子の平均格子定数と、基板であるGaSbの格子定数の差は、約1600ppmである。格子定数差が±2000ppm以内であれば、格子定数差に伴う欠陥を抑制することができるため、成膜の観点における要求が満たされている。 The substrate 11 is an n-type GaSb (100) substrate similarly to the first embodiment. The buffer layer 12 is also a GaSb layer with a thickness of about 100 nm, similar to the first embodiment. The etching stopper layer 23 is a 300 nm thick layer formed of InAs/InAsSb superlattice. The superlattice is, for example, a superlattice in which one period is a structure in which InAs is laminated in the order of 8.4 nm and InAs 0.5 Sb 0.5 is laminated in the order of 2.2 nm. The difference between the average lattice constant of this superlattice and the lattice constant of GaSb, which is the substrate, is about 1600 ppm. If the lattice constant difference is within ±2000 ppm, defects associated with the lattice constant difference can be suppressed, so the requirements from the viewpoint of film formation are met.

エッチングストッパ層23のInAs/InAsSb超格子のバンドギャップは約0.116eVである。エッチングストッパ層23には、例えばSiが不純物としてドープされており、電子濃度が1×1018cm-3のn型の導電性を示す。 The band gap of the InAs/InAsSb superlattice of the etching stopper layer 23 is about 0.116 eV. The etching stopper layer 23 is doped with Si as an impurity, for example, and exhibits n-type conductivity with an electron concentration of 1×10 18 cm −3 .

第1電極層24は、InAs/GaSb超格子で形成された、厚さ360nmの層である。厚さ2.4nmのInAsと、厚さ3.6nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする。このInAs/GaSb超格子のバンドギャップは、約0.249eVである。第1電極層24は、Siがドープされた電子濃度が1×1018cm-3のn型の導電層である。 The first electrode layer 24 is a 360 nm thick layer formed of InAs/GaSb superlattice. One period has a structure in which InAs with a thickness of 2.4 nm and GaSb with a thickness of 3.6 nm are laminated in this order. The band gap of this InAs/GaSb superlattice is approximately 0.249 eV. The first electrode layer 24 is an n-type conductive layer doped with Si and having an electron concentration of 1×10 18 cm −3 .

第1受光層25は、InAs/GaSb超格子で形成された厚さ1300nmの層である。厚さ2.4nmのInAsと、厚さ3.6nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする。このInAs/GaSb超格子のバンドギャップは約0.249eVであり、第1受光層25は中波長帯(3~5μm)の赤外線に感度を有する。第1受光層25は、例えばSiが不純物としてドープされた電子濃度が1×1016cm-3のn型の導電型を有する。 The first light receiving layer 25 is a 1300 nm thick layer formed of InAs/GaSb superlattice. One period has a structure in which InAs with a thickness of 2.4 nm and GaSb with a thickness of 3.6 nm are laminated in this order. The bandgap of this InAs/GaSb superlattice is approximately 0.249 eV, and the first light receiving layer 25 is sensitive to infrared rays in the medium wavelength band (3 to 5 μm). The first light-receiving layer 25 has an n-type conductivity type with an electron concentration of 1×10 16 cm −3 and is doped with Si as an impurity, for example.

バリア層26は、Al0.2Ga0.8Sbで形成された厚さ100nmの層である。Al0.2Ga0.8Sbのバンドギャップは約1.083eVである。バリア層26は、主として電子のみをブロックし、電子濃度が1×1016cm-3のn型の導電型を有する。 The barrier layer 26 is a 100 nm thick layer made of Al 0.2 Ga 0.8 Sb. The bandgap of Al 0.2 Ga 0.8 Sb is approximately 1.083 eV. The barrier layer 26 mainly blocks only electrons and has an n-type conductivity type with an electron concentration of 1×10 16 cm −3 .

第2受光層27は、InAs/GaSb超格子で形成された厚さ1300nmの層である。超格子は、例えば、厚さ4.2nmのInAsと、厚さ2.1nmのGaSbをこの順序で積層された構造を1周期とする。第2受光層27のバンドギャップは、約0.127eVであり、第2受光層は長波長帯(8~12μm)の赤外線に感度を有する。第2受光層27は、例えば電子濃度が1×1016cm-3のn型である。 The second light receiving layer 27 is a 1300 nm thick layer formed of InAs/GaSb superlattice. For example, one period of the superlattice has a structure in which InAs with a thickness of 4.2 nm and GaSb with a thickness of 2.1 nm are laminated in this order. The bandgap of the second light-receiving layer 27 is approximately 0.127 eV, and the second light-receiving layer is sensitive to infrared rays in the long wavelength band (8 to 12 μm). The second light-receiving layer 27 is, for example, an n-type with an electron concentration of 1×10 16 cm −3 .

第2電極層28は、InAs/GaSb超格子で形成された、厚さ360nmの層である。超格子は、厚さ4.2nmのInAsと、厚さ2.1nmのGaSbをこの順序で積層された構造を1周期とする。第2電極層28のバンドギャップは、約0.127eVである。第2電極層28は、例えば電子濃度が1×1018cm-3のn型である。第1受光層25、バリア層26、及び第2受光層27で、nBn(電子をブロック)型の赤外線検出構造が形成される。 The second electrode layer 28 is a 360 nm thick layer formed of InAs/GaSb superlattice. One period of the superlattice has a structure in which InAs with a thickness of 4.2 nm and GaSb with a thickness of 2.1 nm are laminated in this order. The band gap of the second electrode layer 28 is approximately 0.127 eV. The second electrode layer 28 is, for example, an n-type with an electron concentration of 1×10 18 cm −3 . The first light-receiving layer 25, the barrier layer 26, and the second light-receiving layer 27 form an nBn (electron blocking) type infrared detection structure.

図7Aと図7Bは、第2実施形態の2波長赤外線検出器20の動作説明図である。2波長赤外線検出器20では、電極21と電極22に印加する電圧の極性を変えることで、異なる波長の赤外線を検出する。 7A and 7B are explanatory diagrams of the operation of the two-wavelength infrared detector 20 of the second embodiment. The two-wavelength infrared detector 20 detects infrared rays of different wavelengths by changing the polarity of the voltage applied to the electrodes 21 and 22.

図7Aで、第1受光層25からλ1の赤外光の検出信号を引き出す。電極21から第2電極層28に負の電圧を印加し、電極22からエッチングストッパ層23に正の電圧を印加する。n型の第1受光層25は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第1受光層25で光吸収により生成された少数キャリアの正孔は、第2電極層28に向かって流れ、信号として検出される。 In FIG. 7A, a detection signal of infrared light of λ1 is extracted from the first light-receiving layer 25. A negative voltage is applied from the electrode 21 to the second electrode layer 28, and a positive voltage is applied from the electrode 22 to the etching stopper layer 23. The n-type first light-receiving layer 25 is in a reverse bias state and functions as a light-receiving section. Minority carrier holes generated by light absorption in the first light-receiving layer 25 flow toward the second electrode layer 28 and are detected as a signal.

一方、n型の第2受光層27は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。バリア層26は、第2受光層17で生じた電子をブロックする。 On the other hand, the n-type second light-receiving layer 27 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption are recombined and disappear, or are negligibly small. Barrier layer 26 blocks electrons generated in second light-receiving layer 17 .

図7Bで、印加電圧の極性を切り替えて、第2受光層27からλ2の赤外光の検出信号を引き出す。電極21から第2電極層28に正の電圧を印加し、電極22からエッチングストッパ層23に負の電圧を印加する。n型の第2受光層27は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第2受光層27で光吸収により生じた少数キャリアの正孔は、第1電極層24に向かって流れ、信号として検出される。 In FIG. 7B, a detection signal of infrared light of λ2 is extracted from the second light-receiving layer 27 by switching the polarity of the applied voltage. A positive voltage is applied from the electrode 21 to the second electrode layer 28, and a negative voltage is applied from the electrode 22 to the etching stopper layer 23. The n-type second light-receiving layer 27 is in a reverse bias state and functions as a light-receiving section. Minority carrier holes generated by light absorption in the second light-receiving layer 27 flow toward the first electrode layer 24 and are detected as a signal.

図7Bに示すように、エッチングストッパ層23のバンドギャップは第1受光層25のバンドギャップよりも小さいか同等であり、価電子帯の正孔にとってのポテンシャル障壁はない。正孔の流れは阻害されず、第2受光層27の受光量が正しく検出される。 As shown in FIG. 7B, the band gap of the etching stopper layer 23 is smaller than or equal to the band gap of the first light receiving layer 25, and there is no potential barrier for holes in the valence band. The flow of holes is not inhibited, and the amount of light received by the second light-receiving layer 27 is correctly detected.

一方、n型の第1受光層25は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。第1受光層25で生じた電子は、バリア層26によってブロックされる。 On the other hand, the n-type first light-receiving layer 25 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption are recombined and disappear, or are negligibly small. Electrons generated in the first light-receiving layer 25 are blocked by the barrier layer 26.

第2実施形態の2波長赤外線検出器20では、正孔を信号として検出する。電極21、及び22に印加する電圧の極性を切り替えることで、λ1の赤外線の受光結果と、λ2の赤外線の受光結果のそれぞれを、正しく検出することができる。 The two-wavelength infrared detector 20 of the second embodiment detects holes as signals. By switching the polarity of the voltages applied to the electrodes 21 and 22, it is possible to correctly detect the results of receiving infrared light of λ1 and the results of receiving infrared light of λ2.

第2実施形態の構成では、第1受光層25と第1電極層24のバンドギャップが約0.249eVであるのに対し、エッチングストッパ層23のバンドギャップは約0.116eVである。第2受光層27で赤外線を吸収して生成した信号(正孔)は、バリア層26、第1受光層25、第1電極層24、及びエッチングストッパ層23を経由して外部に引き出される。エッチングストッパ層23のバンドギャップが第1受光層25および第1電極層24のバンドギャップよりも小さいので、エッチングストッパ層23は信号(正孔)に対するポテンシャル障壁にならず、容易に信号を引き出せる。第2受光層27で生成された信号の流れは低下せず、高感度が維持される。印加する電圧の極性を変えて、第1受光層25から信号(正孔)を引き出す場合は、従来通り信号の流れは妨げられず、高い感度が得られる。 In the configuration of the second embodiment, the band gap between the first light receiving layer 25 and the first electrode layer 24 is about 0.249 eV, while the band gap of the etching stopper layer 23 is about 0.116 eV. Signals (holes) generated by absorbing infrared rays in the second light receiving layer 27 are extracted to the outside via the barrier layer 26, the first light receiving layer 25, the first electrode layer 24, and the etching stopper layer 23. Since the bandgap of the etching stopper layer 23 is smaller than the bandgap of the first light-receiving layer 25 and the first electrode layer 24, the etching stopper layer 23 does not become a potential barrier to signals (holes) and can easily extract signals. The flow of signals generated in the second light-receiving layer 27 is not reduced, and high sensitivity is maintained. When a signal (hole) is extracted from the first light-receiving layer 25 by changing the polarity of the applied voltage, the flow of the signal is not hindered as in the conventional case, and high sensitivity can be obtained.

エッチングストッパ層23が、基板11のGaSbとの格子定数差が±2000ppm以内であること、及び、Ga元素の信号をモニタすることでエッチング深さを精度良く制御できることは、第1実施形態と同じである。 As in the first embodiment, the etching stopper layer 23 has a lattice constant difference of within ±2000 ppm with GaSb of the substrate 11, and the etching depth can be controlled with high accuracy by monitoring the signal of the Ga element. It is.

第2の実施形態の構成は、効果が得られる範囲で適宜変更しても構わない。第1受光層25、及び第2受光層27を構成する超格子について、吸収波長に応じて各層の厚さは適宜変更して構わないが、第1受光層25、バリア層26、第2受光層27のそれぞれの価電子帯上端のエネルギー差が小さいことが望ましい。典型的には、熱エネルギーによりエネルギー差を乗り越えることが容易となるように、隣接する層との価電子帯上端のエネルギー差が10meV以下であることが好ましい。 The configuration of the second embodiment may be modified as appropriate within a range where effects can be obtained. Regarding the superlattice constituting the first light-receiving layer 25 and the second light-receiving layer 27, the thickness of each layer may be changed as appropriate depending on the absorption wavelength. It is desirable that the energy difference between the upper ends of the valence bands of the layers 27 is small. Typically, it is preferable that the energy difference at the top of the valence band between adjacent layers is 10 meV or less so that the energy difference can be easily overcome by thermal energy.

エッチングストッパ層23のバンドギャップが、第1受光層25のバンドギャップと同じか小さければ、InAsの膜厚やInAsSbの膜厚を適宜変更して構わない。また、InAsSb1-x(0≦x<1)でエッチングストッパ層23を形成してもよい。 As long as the bandgap of the etching stopper layer 23 is the same as or smaller than the bandgap of the first light-receiving layer 25, the thickness of InAs and InAsSb may be changed as appropriate. Further, the etching stopper layer 23 may be formed of InAs x Sb 1-x (0≦x<1).

第2実施形態では、バリア層26をAl0.2Ga0.8Sbとしたが、AlGa1-ySb(0<y≦1)、AlAsSb1-z(0≦z≦1)などであってもよい。第1電極層24、及び第2電極層28のドーパントをSiに替えて、その他のn型不純物、たとえばTeを用いてもよい。積層体の成長方法と、絶縁膜19の成膜方法を適宜選択できることは第1実施形態で述べたとおりである。 In the second embodiment, the barrier layer 26 is made of Al 0.2 Ga 0.8 Sb, but Al y Ga 1-y Sb (0<y≦1), AlAs z Sb 1-z (0≦z≦1) ) etc. The dopants of the first electrode layer 24 and the second electrode layer 28 may be replaced with Si and other n-type impurities, such as Te, may be used. As described in the first embodiment, the method for growing the stack and the method for forming the insulating film 19 can be selected as appropriate.

<2波長赤外線検出器を用いたイメージセンサ>
図8は、2波長赤外線検出器10を用いたイメージセンサ100の模式図である。イメージセンサ100は、複数の画素101の配列を含む赤外線検出器アレイ50と、読出回路60を有する。赤外線検出器アレイ50は、突起電極31によって読出回路60にフリップチップ接合されている。赤外線検出器アレイ50と読出回路60の間にアンダーフィルが充填され硬化されていてもよい。図8では、赤外線検出器アレイ50は第1実施形態の2波長赤外線検出器10を用いているが、第2実施形態の2波長赤外線検出器20を用いてもよい。
<Image sensor using a two-wavelength infrared detector>
FIG. 8 is a schematic diagram of an image sensor 100 using a two-wavelength infrared detector 10. The image sensor 100 includes an infrared detector array 50 including an array of pixels 101 and a readout circuit 60. The infrared detector array 50 is flip-chip bonded to the readout circuit 60 by the protruding electrodes 31. An underfill may be filled between the infrared detector array 50 and the readout circuit 60 and cured. In FIG. 8, the infrared detector array 50 uses the two-wavelength infrared detector 10 of the first embodiment, but the two-wavelength infrared detector 20 of the second embodiment may also be used.

赤外線検出器アレイ50の突起電極31と反対側の面が光入射面であり、第1受光層15(または25)の側から光が入射する。タイプII超格子の場合は、受光層のバンドギャップと波長応答特性の関係から、応答波長が短い第1受光層15が光入射面に近い側に設けられる。 The surface of the infrared detector array 50 opposite to the protruding electrode 31 is a light incident surface, and light enters from the first light receiving layer 15 (or 25) side. In the case of a type II superlattice, the first light-receiving layer 15 having a short response wavelength is provided on the side closer to the light incidence surface, due to the relationship between the band gap of the light-receiving layer and the wavelength response characteristics.

読出回路60には、赤外線検出器アレイ50の各画素101に対応する駆動セルを有する。各駆動セルは、対応する画素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を交互に印加して、第1受光層15と第2受光層17から電子を信号として読み出す。各駆動セルで、第1の波長と第2の波長に対応する電荷のそれぞれを積分して、各波長の入射強度に対応した電圧信号を出力する。読出回路60は、各画素101からの応答出力を順次に走査して、観測対象からの温度分布やガス分布の情報を含む信号を、時系列信号として出力してもよい。この場合、第1波長(たとえば中赤外波長)の時系列信号と、第2波長(遠赤外波長)の時系列信号を交互に出力してもよい。 The readout circuit 60 has a drive cell corresponding to each pixel 101 of the infrared detector array 50. Each drive cell reads electrons as signals from the first light-receiving layer 15 and the second light-receiving layer 17 by alternately applying a bias that gives a positive potential and a bias that gives a negative potential to the corresponding pixel 101. Each drive cell integrates each of the charges corresponding to the first wavelength and the second wavelength, and outputs a voltage signal corresponding to the incident intensity of each wavelength. The readout circuit 60 may sequentially scan the response output from each pixel 101 and output a signal containing information on the temperature distribution and gas distribution from the observation target as a time-series signal. In this case, a time-series signal of a first wavelength (for example, a mid-infrared wavelength) and a time-series signal of a second wavelength (far-infrared wavelength) may be output alternately.

図9は、イメージセンサ100で用いられる赤外線検出器アレイ50の一部を示す断面模式図である。たとえば、第1実施形態の2波長赤外線検出器10を1つの画素101として、複数の画素101が2次元状に配置されている。各画素101は、画素分離溝36によって互いに分離され、In等で形成された個別の突起電極31pを介して、読出回路60の対応する駆動セルのトランジスタ61と電気的に接続されている。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a part of the infrared detector array 50 used in the image sensor 100. For example, the two-wavelength infrared detector 10 of the first embodiment is one pixel 101, and a plurality of pixels 101 are arranged two-dimensionally. Each pixel 101 is separated from each other by a pixel isolation trench 36, and is electrically connected to a transistor 61 of a corresponding drive cell of the readout circuit 60 via an individual protruding electrode 31p made of In or the like.

個別の突起電極31pは、各画素101のメサの上部に設けられた電極21に接続される表面配線用の金属膜32の上に配置されている。対応する駆動セルのトランジスタ61のゲート印加されるゲート電圧VIGに応じたバイアス電圧が、突起電極31pから、画素101に選択的に印加される。 The individual projecting electrodes 31p are arranged on the metal film 32 for surface wiring connected to the electrode 21 provided on the mesa of each pixel 101. A bias voltage corresponding to the gate voltage VIG applied to the gate of the transistor 61 of the corresponding drive cell is selectively applied to the pixel 101 from the protrusion electrode 31p.

赤外線検出器アレイ50の最外周の画素は、ダミー画素101Dとして、共通電極31dにより共通の電位Vに接続されている。共通電極31dは、配線33を介して、エッチングストッパ層13とオーミック接触する電極22に接続されており、エッチングストッパ層13を介して、各画素101に共通の電位Vが供給される。 The outermost pixel of the infrared detector array 50 is connected to a common potential VA by a common electrode 31d as a dummy pixel 101D. The common electrode 31d is connected to the electrode 22 in ohmic contact with the etching stopper layer 13 via the wiring 33, and a common potential VA is supplied to each pixel 101 via the etching stopper layer 13.

金属膜32と配線33は、図5Eの工程の後に同一の工程で形成される。金属膜32と配線33上に、個別の突起電極31pと共通電極31dが同一の工程で形成される。赤外線検出器アレイ50が、突起電極31pと共通電極31dを介して読出回路60にフリップチップ接合されたあとに、必要に応じて、基板11、及びバッファ層12が除去されてもよい。これにより、図8のイメージセンサ100が得られる。 The metal film 32 and the wiring 33 are formed in the same process after the process shown in FIG. 5E. Individual protruding electrodes 31p and common electrodes 31d are formed on the metal film 32 and wiring 33 in the same process. After the infrared detector array 50 is flip-chip bonded to the readout circuit 60 via the protruding electrode 31p and the common electrode 31d, the substrate 11 and buffer layer 12 may be removed, if necessary. As a result, the image sensor 100 shown in FIG. 8 is obtained.

図10は、イメージセンサ100を組み込んだ撮像システム1の概略ブロック図である。撮像システム1は、イメージセンサ100と、イメージセンサ100に接続される制御演算部2と、制御演算部2に接続される表示部3を有する。イメージセンサ100の光入射側に光学系110を配置してもよい。 FIG. 10 is a schematic block diagram of an imaging system 1 incorporating an image sensor 100. The imaging system 1 includes an image sensor 100, a control calculation section 2 connected to the image sensor 100, and a display section 3 connected to the control calculation section 2. The optical system 110 may be placed on the light incident side of the image sensor 100.

光学系110は、イメージセンサ100の赤外線検出器アレイ50の光入射面に、入射赤外線の光像を結像させる。画素101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60に読み出される。赤外線検出器アレイ50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、すなわち温度分布やガス濃度分布を表わしている。 The optical system 110 forms an optical image of the incident infrared rays on the light incidence surface of the infrared detector array 50 of the image sensor 100 . Infrared intensity information detected at two wavelengths for each pixel 101 is alternately read out to the readout circuit 60. Infrared intensity information obtained from the infrared detector array 50 represents infrared radiation from the observation target, that is, temperature distribution and gas concentration distribution.

イメージセンサ100の読出回路60から出力される電圧信号は、制御演算部2の入力に接続されている。電圧信号が制御演算部2に入力される前に、デジタル信号に変換されてもよい。制御演算部2は、読出回路60からの出力信号に補正処理、画像処理等を施して観測対象の温度分布やガス分布に応じた画像を生成する。補正処理には、画素101ごとの感度や非線形性のばらつきの補正が含まれていてもよい。 A voltage signal output from the readout circuit 60 of the image sensor 100 is connected to an input of the control calculation section 2. Before the voltage signal is input to the control calculation section 2, it may be converted into a digital signal. The control calculation unit 2 performs correction processing, image processing, etc. on the output signal from the readout circuit 60 to generate an image according to the temperature distribution and gas distribution of the observation target. The correction processing may include correction of variations in sensitivity and nonlinearity for each pixel 101.

実施形態の2波長赤外線検出器10または20を用いた赤外線検出器アレイ50は、各画素で長波長側の信号流の低下が抑制され、高画質の赤外線画像が得られる。制御演算部2により生成された画像は、表示部3に表示され、温度分布やガス分布が視覚的に認識可能になる。 In the infrared detector array 50 using the two-wavelength infrared detector 10 or 20 of the embodiment, a decline in signal flow on the longer wavelength side is suppressed in each pixel, and a high-quality infrared image can be obtained. The image generated by the control calculation unit 2 is displayed on the display unit 3, and the temperature distribution and gas distribution can be visually recognized.

実施形態のイメージセンサ100と撮像システム1は、セキュリティ、インフラ点検の分野等への応用が可能である。イメージセンサ100で用いられる2波長赤外線検出器10または20は、少数キャリアの流れを阻害しないエネルギーバンド構造を有し、長波長側での信号低下が抑制され、観察対象物に対する識別精度が高い。 The image sensor 100 and the imaging system 1 of the embodiment can be applied to fields such as security and infrastructure inspection. The two-wavelength infrared detector 10 or 20 used in the image sensor 100 has an energy band structure that does not inhibit the flow of minority carriers, suppresses signal degradation on the long wavelength side, and has high identification accuracy for the observed object.

1 撮像システム
10、20 2波長赤外線検出器
11 基板
12 バッファ層
13、23 エッチングストッパ層
14、24 第1電極層
15、25 第1受光層
16、26 バリア層
17、27 第2受光層
18、28 第2電極層
21、22 電極
31、31p 突起電極
31d 共通電極
32 金属膜
33 配線
50 2波長赤外線検出器アレイ
60 読出回路
100 イメージセンサ
101 画素
1 imaging system 10, 20 two-wavelength infrared detector 11 substrate 12 buffer layer 13, 23 etching stopper layer 14, 24 first electrode layer 15, 25 first light-receiving layer 16, 26 barrier layer 17, 27 second light-receiving layer 18, 28 Second electrode layer 21, 22 Electrode 31, 31p Projection electrode 31d Common electrode 32 Metal film 33 Wiring 50 Two-wavelength infrared detector array 60 Readout circuit 100 Image sensor 101 Pixel

Claims (9)

共通電位が与えられる電極と電気的に接続されたエッチングストッパ層と、
前記エッチングストッパ層の上に設けられ、第1波長帯の赤外線を吸収する第1受光層と、
前記第1受光層の上に設けられ、第2波長帯の赤外線を吸収する第2受光層と、
を有し、
前記第1受光層で検出可能な最長の赤外線波長は、前記第2受光層で検出可能な最長の赤外線波長よりも短く、
前記エッチングストッパ層のバンドギャップは前記第1受光層のバンドギャップと同じか、または前記第1受光層のバンドギャップよりも小さい、
赤外線検出器。
an etching stopper layer electrically connected to an electrode to which a common potential is applied;
a first light-receiving layer provided on the etching stopper layer and absorbing infrared rays in a first wavelength band;
a second light-receiving layer provided on the first light-receiving layer and absorbing infrared rays in a second wavelength band;
has
The longest infrared wavelength detectable by the first light-receiving layer is shorter than the longest infrared wavelength detectable by the second light-receiving layer,
The bandgap of the etching stopper layer is the same as the bandgap of the first light-receiving layer, or smaller than the bandgap of the first light-receiving layer.
Infrared detector.
前記第1受光層はGaを含む材料で形成されており、前記エッチングストッパ層はGaを含まない材料で形成されている、
請求項1に記載の赤外線検出器。
The first light-receiving layer is made of a material containing Ga, and the etching stopper layer is made of a material not containing Ga.
The infrared detector according to claim 1.
前記第1受光層はInAs/GaSb超格子で形成され、前記エッチングストッパ層はInAs/InAsSb超格子で形成されている、
請求項1または2に記載の赤外線検出器。
The first light-receiving layer is formed of an InAs/GaSb superlattice, and the etching stopper layer is formed of an InAs/InAsSb superlattice.
The infrared detector according to claim 1 or 2.
前記第1受光層と前記第2受光層の間に設けられ、電子と正孔のいずれか一方に対するポテンシャル障壁となるバリア層、
を有する請求項1~3のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
a barrier layer provided between the first light-receiving layer and the second light-receiving layer and serving as a potential barrier for either electrons or holes;
The infrared detector according to any one of claims 1 to 3, comprising:
前記第1受光層と前記第2受光層の導電型はp型であり、
前記エッチングストッパ層の伝導帯下端の電子に対するエネルギーは、前記第1受光層、前記バリア層、及び前記第2受光層の電子に対するエネルギーよりも低い、
請求項4に記載の赤外線検出器。
The conductivity type of the first light-receiving layer and the second light-receiving layer is p-type,
The energy for electrons at the lower end of the conduction band of the etching stopper layer is lower than the energy for electrons in the first light-receiving layer, the barrier layer, and the second light-receiving layer.
The infrared detector according to claim 4.
前記第1受光層と前記第2受光層の導電型はn型であり、
前記エッチングストッパ層の価電子帯上端の正孔に対するエネルギーは、前記第1受光層、前記バリア層、及び前記第2受光層の正孔に対するエネルギーよりも高い、
請求項4に記載の赤外線検出器。
The conductivity type of the first light-receiving layer and the second light-receiving layer is n-type,
The energy for holes at the upper end of the valence band of the etching stopper layer is higher than the energy for holes in the first light-receiving layer, the barrier layer, and the second light-receiving layer.
The infrared detector according to claim 4.
前記第1受光層、前記バリア層、及び前記第2受光層の伝導帯下端のエネルギー差、または価電子帯上端のエネルギー差は、10meV以下である、
請求項4~6のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
The energy difference at the lower end of the conduction band or the energy difference at the upper end of the valence band of the first light-receiving layer, the barrier layer, and the second light-receiving layer is 10 meV or less,
The infrared detector according to any one of claims 4 to 6.
前記第1波長帯は3μmよりも長い波長帯であり、前記第2波長帯は8μmよりも長い波長帯である、
請求項1~7のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
The first wavelength band is a wavelength band longer than 3 μm, and the second wavelength band is a wavelength band longer than 8 μm.
The infrared detector according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~8のいずれか1項に記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器と電気的に接続されて前記赤外線検出器から信号を読み出す読出回路と、
を有するイメージセンサ。
An infrared detector according to any one of claims 1 to 8,
a readout circuit that is electrically connected to the infrared detector and reads out a signal from the infrared detector;
An image sensor with
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