JP2643592B2 - 配列型赤外線検知器及びその製造方法 - Google Patents

配列型赤外線検知器及びその製造方法

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JP2643592B2 JP2324806A JP32480690A JP2643592B2 JP 2643592 B2 JP2643592 B2 JP 2643592B2 JP 2324806 A JP2324806 A JP 2324806A JP 32480690 A JP32480690 A JP 32480690A JP 2643592 B2 JP2643592 B2 JP 2643592B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、禁制帯幅の狭い半導体を用いた赤外線検知
器及びその製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
一般に赤外線検知器においては、禁制帯幅の狭い半導
体を用いたものが高感度であることが知られている。特
に、単体の検知素子を一次元、二次元に配列した構成を
採った検知器は、赤外線撮像装置に用いる場合に非常に
有効である。
従来の配列型赤外線検知器の構成としては、例えば雑
誌“エス・ビー・アイ・イー(S.P.I.E)”(第443巻19
83年120頁)に示されているように、赤外線検知器部に
狭禁性帯幅の半導体を用い、これをシリコンのCCD(電
荷結合素子)等の信号処理部に接続したハイブリッド構
造が知られている。
第3図は、従来の配列型赤外線検知器を示す断面図で
ある。図において、従来の配列型赤外線検知器の構成
は、CdTe基板11と、Hg0.8Cd0.2Te層12と、Hg0.8Cd0.2Te
層12上に形成され赤外線検知部となるホトダイオード13
と、インジウム柱14と、シリコンCCDを含む信号処理用
チップ15と、信号処理部への電荷信号注入層16とを有し
ており、赤外光10は、図中下側から入射する。この構成
においては、CdTe基板11上にエピタキシャル成長させた
Hg0.8Cd0.2Te層12中に赤外線検知部となるホトダイオー
ド13を形成し、その出力となる電気信号をインジウム柱
14を通してシリコンCCD15に入力するものである。これ
により、入射赤外光10によって配列内の各赤外線検知器
に発生した出力信号は、シリコンCCD15を通して外部に
読み出される。
上記の構造が有効な理由を以下に述べる。
まず、赤外線検知器としては、狭禁制帯幅の半導体を
用いることにより高感度が得られるために、その材料と
してHg0.8Cd0.2Teを用いている。この場合、最大波長10
μm程度までの赤外線を検知できる。また、CdTe基板11
は、赤外光に対して透明であり、かつHg0.8Cd0.2Te層12
のエピタキシャル成長の基板として有効である。赤外線
検知器を多数配列した場合、特にこの二次元の配列時、
検知器からの出力信号線は、極めて複雑な構成になり、
CCD等の信号処理用チップ15を通して外部に読み出す必
要がある。しかし、Hg0.8Cd0.2Teのような材料では、高
性能のCCDが作れない。従って、高性能のCCDが容易に作
れるシリコン上にこれを形成し、両者を接続する。Hg
0.8Cd0.2Teは、100℃以上の高温にされされると、種々
の結晶欠陥が生じるために、この接続の際には、低温で
圧着が可能なインジウム柱14を用いることになる。
この配列型検知器の欠点を以下に述べる。
一般に、配列型赤外線検知器は液体窒素を用いて77K
程度に冷却して使用される。この場合、常時冷却してお
くのではなく、実際に使用するときのみ冷却されるのが
効率的であり、そうすることが、普通である。しかし、
このような場合、検知器が常温と低温の温度サイクルを
何度も経ることになる。シリコンの信号処理用チップ15
とCdTe基板11、あるいはHg0.8Cd0.2Te層12の熱膨張係数
は異なり、更に、インジウムは、機械的強度の極めて弱
い金属であるため、このような激しい温度変動がある
と、インジウム柱14にストレスがかかり、ついには破壊
に至ることがある。従って、この配列型赤外線検知器の
信頼性は低いものとなる。
この欠点を解消するために考えられたのが“アドバン
スト・インフラレッド・ディテクターズ・アンド・シス
テムズ”(1983年12頁)に示されている構造の検知器で
ある。この構造の断面図を第4図に示す。図において、
本検知器は、Hg0.8Cd0.2Te層17と、Hg0.8Cd0.2Te層17上
に形成された赤外線検知器となるホトダイオード18と、
絶縁性接着剤19と、金属バッド20と、接続用配線電極21
と、貫通孔22と、シリコンCCDを含む信号処理用チップ2
3と、信号処理部への電荷信号注入層24とを有してい
る。この場合、Hg0.8Cd0.2Te層17には、配列中の各赤外
線検知部に対応した穴が開けられ、貫通孔22の周辺部に
各ホトダイオード18が形成され、この貫通孔22を介して
接続用配線電極21を用いて各赤外線検知部、即ちホトダ
イオード18と電荷信号注入層24とが接続される。これに
より、ホトダイオード18の配列と信号処理用チップ23は
電気的に接続される。この場合、第3図の構造とは異な
り、シリコン信号処理用チップ23とHg0.8Cd0.2Te層17
は、機械的に接着剤19によって固定されている。従っ
て、第3図の構造のようにインジウム柱14によって接続
されているものに比べ機械的強度が強く、温度変化に対
する信頼性が高くなっている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、このような構造の配列型赤外線検知器
にもその製作工程において以下の欠点が存在する。すな
わち、狭禁制帯幅の半導体、例えばHgCdTeの場合、その
成長法としてバルク成長法とエピタキシャル成長法があ
る。このうち、配列型赤外線検知器において、きわめて
重要な性質である結晶の均一性は、エピタキシャル成長
の方が優れていることが周知である。10μmの帯までの
赤外光の検知を考え、エピタキシャル成長したHg0.8Cd
0.2Te層を第4図の構造の検知器に用いた場合、まずCdT
e等の基板上にHg0.8Cd0.2Te層を成長させ、エピタキシ
ャル成長側とシリコン信号処理部とを接着剤により接着
し固定する。次に貫通孔を開ける工程があるが、Hg0.8C
d0.2Te層は数100μmのCdTe基板上に約20μmエピタキ
シャル成長されているため、貫通孔を開ける前にCdTe等
の基板を機械的研磨などの方法で除去する工程が必要と
なる。一般にHg1-XCdXTeは、機械的強度が非常に弱い物
質であるため、このような研磨工程で多くの結晶欠陥が
生じる。赤外線検知器においては、暗電流の少ないもの
が感度などの面で良い特性を示すが、結晶欠陥が多い
と、表面やp−nの接合界面での再結合による暗電流が
増加するため、これが検知器の動作不良の原因となる。
また20μm以下の研磨工程、特に研磨厚均一性等の制御
性に関しても困難な点が多く、配列素子内で特性上のば
らつきが生じる可能性がある。
本発明の目的は、これらの欠点を除いた配列型赤外線
検知器及びその製造方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明の配列型赤外線検知
器は、配列型赤外線検知器の出力信号処理部を有するシ
リコンチップの裏面には、禁制帯幅の比較的狭い化合物
半導体がエピタキシャル成長され、 前記化合物半導体上には、ホトダイオードが配列して
形成され、 前記各ホトダイオードには、前記シリコンチップの出
力信号処理部に対応した貫通孔が開けられ、 前記ホトダイオードと前記シリコンチップの出力信号
処理部は、前記貫通孔を通して電気的に接続されている
ものである。
また、その製造方法は、配列型赤外線検知器の出力信
号処理部を有するシリコンチップを比較的硬い基板に接
着し、前記シリコンチップの裏面を研磨する工程と、 前記研磨されたシリコンチップの裏面に狭禁制帯幅の
化合物半導体をエピタキシャル成長させる工程と、 前記化合物半導体上にホトダイオードを配列して形成
する工程と、 前記各ホトダイオードと前記出力信号処理部とを貫通
孔を通して電気的に接続する工程とを含むものである。
〔作用〕
本発明の配列型赤外線検知器は、出力信号処理部を有
するシリコンチップの鏡面研磨された裏面に、狭禁制帯
幅の化合物半導体が直接エピタキシャル成長され、更
に、その化合物半導体上に配列して形成された各ホトダ
イオードと、シリコンチップの出力信号処理部とは、貫
通孔を通して配線電極により電気的に接続されている構
造である。従って、動作時、つまり激しい温度変動に対
する電気的配線の信頼性は非常に高いものとなる。
本発明の製造方法においては、ホトダイオードが形成
される化合物半導体中に、結晶欠陥を引き起こす原因と
なる研磨工程がなく、またエピタキシャル成長した結晶
をそのまま用いており、化合物半導体の膜厚の均一性も
良好である。従って、配列型赤外線検知器のすべての素
子において暗電流が小さく高性能な特性を得ることがで
きる。
シリコンチップを比較的かたい基板に接着し、裏面側
を研磨により薄くしている工程を用いているため、貫通
孔の深さは浅くてよく、ホトダイオードとシリコンチッ
プの出力信号処理部との電気的接続も容易にできる。
また、研磨されたシリコンの信号処理用チップの裏面
に、狭禁制帯幅の化合物半導体エピタキシャル成長を行
っているが、MBE法やMOCVD法を用い、適当なバッファ層
を適用することで十分結晶品質の高い層が成長可能であ
る。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例を図面に用いて説明する。
第1図は、本発明の実施例を示す断面図、第2図
(a),(b),(c),(d)は、第1図に示す実施
例を実現するために、本発明の製造方法を説明するため
の図である。ここでは、狭禁制帯幅の化合物半導体とし
てHg0.8Cd0.2Te層を用いた。
まず、第2図を用いて、本発明の製造方法を説明す
る。第2図(a)に示すように、サファイア基板1上に
接着剤2を用い、信号処理用シリコンチップ3を信号処
理部4を下向きにして接着する。次に信号処理用シリコ
ンチップ3の厚さが10μm程度になるまで裏面を鏡面研
磨し研磨面9を露出させる。
第2図(b)に示すように、鏡面研磨された研磨面9
上にMBE法を用い、Hg0.8Cd0.2Te層5を約20μmエピタ
キシャル成長させる。シリコンとHg0.8Cd0.2Teとは、格
子定数の差がかなりあるため、図示はされていないが、
ここでは、GaAs層及びCdTe層バッファ層として用いてい
る。
次に、第2図(c)に示すように、イオンミリング法
を用い、信号処理部4の位置に、信号処理部4に達する
までミリングし、貫通孔7を形成する。その後、イオン
注入法により貫通孔7の周辺部に、ホトダイオード6を
形成する。各ホトダイオードのピッチは50μm、径は25
μmとした。
最後に、第2図(d)に示すように、電極用の金属を
蒸着し、リフトオフ法により接続用配線電極8を形成
し、信号処理部4とホトダイオード6とを電気的に接続
させる。このようにして本発明の配列型赤外線検知器が
完成する。
本発明の製造方法においては、信号処理用シリコンチ
ップ3の厚さが10μm程度になるまで裏面を研磨し、そ
の上に、直接Hg0.8Cd0.2Te層5を約20μmエピタキシャ
ル成長させている。従ってHg0.8Cd0.2Te層5の研磨工程
がないため、Hg0.8Cd0.2Te層5は結晶欠陥の非常に少な
いものとなる。またホトダイオード6と信号処理部4と
は10μm程度しか離れていないため、貫通孔7を通して
の電気的な配線も非常に容易である。
次に第1図を用いて、本発明の配列型赤外線検知器の
動作について説明する。
入射赤外光10が図中上側から入射する。Hg0.8Cd0.2Te
層5で吸収された赤外光10は、キャリヤ(電子またはホ
ール)を発生し、そのキャリヤは、拡散長以内にあるホ
トダイオード6に達すると、出力信号として信号処理部
4より出力される。先に述べたように製作工程上、Hg
0.8Cd0.2Te層5は、すべての素子においてほぼ均一で結
晶欠陥が非常に少ないため、それに起因する表面やp−
n接合界面での再結合電流による暗電流が大幅に改善さ
れ、高性能な配列型赤外線検知器が実現できる。
また、ホトダイオード6と信号処理部4との接続は、
貫通孔7を通し接続用配線電極8を用いて行っているた
め、その接続強度は大きく、激しい温度変動に対しても
破壊や劣化を生じにくい。
〔発明の効果〕
以上詳細に説明したように、本発明においては、結晶
欠陥などに起因する暗電流特性を大幅に改善でき、更に
激しい温度変動に対しての信頼性に優れ、かつ高性能な
配列型赤外線検知器を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例である配列型赤外線検知器
を示す断面図、第2図(a),(b),(c),(d)
は、第1図の配列型赤外線検知器を実現するための本発
明の製造方法を説明するための図、第3図,第4図は、
従来例を説明するための断面図である。 1……サファイア基板、2,19……接着剤 3,15,23……信号処理用シリコンチップ 4……信号処理部 5,12,17……Hg0.8Cd0.2Te層 6,13,18……ホトダイオード 7,22……貫通孔 8,21……接続用配線電極 9……研磨面、10……赤外光 11……CdTe基板、14……インジウム柱 16,24……電荷信号注入層 20……金属パッド

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】配列型赤外線検知器の出力信号処理部を有
    するシリコンチップの裏面には、禁制帯幅の比較的狭い
    化合物半導体がエピタキシャル成長され、 前記化合物半導体上には、ホトダイオードが配列して形
    成され、 前記各ホトダイオードには、前記シリコンチップでの出
    力信号処理部に対応した貫通孔が開けられ、 前記ホトダイオードと前記シリコンチップの出力信号処
    理部は、前記貫通孔を通して電気的に接続されているこ
    とを特徴とする配列型赤外線検知器。
  2. 【請求項2】配列型赤外線検知器の出力信号処理部を有
    するシリコンチップを比較的硬い基板に接着し、前記シ
    リコンチップの裏面を研磨する工程と、 前記研磨されたシリコンチップの裏面に狭禁制帯幅の化
    合物半導体をエピタキシャル成長させる工程と、 前記化合物半導体上にホトダイオードを配列して形成す
    る工程と、 前記各ホトダイオードと前記出力信号処理部とを貫通孔
    を通して電気的に接続する工程とを含むことを特徴とす
    る配列型赤外線検知器の製造方法。
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