JP4840451B2

JP4840451B2 - 近赤外イメージセンサ

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Publication number: JP4840451B2
Application number: JP2009011862A
Authority: JP
Inventors: 博史稲田; 陽一永井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: JP2010171178A; US8378300B2; US20100181484A1

Description

本発明は、近赤外域に受光感度を有する近赤外イメージセンサに関するものである。

生体、食品などの吸収帯は、近赤外域にあるため、近赤外イメージセンサは多くの身近な分野で多様な利用が期待されている。近赤外域に感度を持ち、室温動作する化合物半導体ではＩｎＧａＡｓが知られているが、検出可能な波長は１．７μｍまででそれより長波長域には感度はない。波長１．７μｍを超える長波長域の光は、ＰｂＳやＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）により可能であるが、検出能力は低く、しかも冷却する必要がある（非特許文献１）。
可視光を用いた撮像装置など実際の装置においては、経済性および小型・軽量化が重要な要因になる。この小型・軽量化を目標に、上記のように波長範囲は限定されるものではあるが、これまでに多くの提案がなされてきた。そのうちのいくつかを以下に例示する。
（１）筒状筐体の内部に、ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の撮像素子とレンズとを収納した固体撮像装置（特許文献１）
（２）構造を簡単にしてカラー認識を可能とするために、透明カバーにホログラムを添設する構成（特許文献２）
（３）小型化・軽量化のために、筐体のガラス蓋にサーキュラーゾーンプレートが形成された撮像装置（特許文献３）
上記の（１）〜（３）によれば、ある程度の小型・軽量化は可能である。

特開２００２−２４７４５５号公報特開平５−１６４９２２号公報特開平５−１１０９５９号公報

中山雅夫，「赤外線検出素子の技術動向」センサー技術，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．３（1989年3月号），ｐ．６１−６４

上記したこれまでの技術には未解決の問題があり、それは次のように要約される。
（１）および（２）：（ｉ）ここに開示されたイメージセンサでは光学レンズ、フィルタ等が必要となるため、撮像系が複雑になり、かえって大きくなる場合が生じる。（ｉｉ）部品点数が増大し、複雑な構造を組み立てる際の位置合わせ精度を高くする必要があるため、安定的な製造が難しく、歩留りが低下する。
（３）：ガラス蓋の場合、ＯＨ基の振動由来の２μｍ帯の吸収がある。またガラスを用いたのでは、高精度の微細構造の作製が、困難となる。この結果、近赤外光は波長によって変動し、一様な透過を得ることができない。

本発明は、構造が簡単で、近赤外域の光を波長によらず一様に透過することができ、安定して高い製造歩留りを得ることができる、近赤外イメージセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の近赤外イメージセンサは、波長１．２μｍ〜３μｍに受光感度をもつ受光素子アレイおよび信号読み出し回路を備え、筐体に収納されたセンサである。このセンサは、真空封止されていて、筐体の本体部の蓋部をなすリッドが、波長１．２μｍ〜３μｍに透明な材料で形成されており、前記リッドにピエゾ抵抗をもつメンブレン構造を備えることを特徴とする。ここで、透明とは、その波長の光の透過率が５０％以上のことをいう。

（Ｅ１）波長１．２μｍ〜３μｍに対して透明なリッドを用いることで、生体、食品等の成分の検出で使用する波長域を一様に透過させることができる。（Ｅ２）また真空封止により水分を除去することで、水の吸収による非一様透過を防止することができる。水は、近赤外域において、第１の吸収帯（１．４μｍ付近に吸収のピークを持つ）、第２の吸収帯（１．９μｍ付近に吸収のピークを持つ）、および第３の吸収帯（２．９μｍ付近にピークを持ち、２．３μｍ〜３μｍ以上にわたっている広大な吸収帯）を持つ。真空封止によって、これらの吸収による、イメージセンサへの変動要因または誤差要因を除去することができる。
さらに、（Ｅ３）上記の構造は、簡単であり、安定して高い製造歩留りを得ることができる。
上記のリッドは、ピエゾ抵抗をもつメンブレン構造を備えている。このため、メンブレンのたわみ、またはメンブレンのピエゾ抵抗値の変化により、筐体内の内部圧力を検知することができる。これによって、真空封止の劣化を検知することができる。この結果、たとえば残留水分による近赤外像の劣化を防止することができる。
この結果、生体、食品等の検出装置の分野へ、常に好適な状態に保ちながら用いることができる。

筐体の本体部およびリッドを、非有機系材料で形成し、リッドを筐体の本体部に固定する接続剤に、有機系接着剤を用いない構成をとることができる。これによって、真空封止の状態において、筐体内壁からガスが放出されるのを避けることができる、有機系材料、たとえば樹脂材料では、水分を含めて、近赤外域に吸収帯をもつ気体を放出するものが多い。非有機系材料である金属、セラミックス等を用いることで、上記のような認知しにくい誤差要因を除去することができる。

リッドと筐体の本体部とは、共晶合金で接合され、該リッドおよび筐体の本体部が２５０℃以上の耐熱性をもつ材料で形成される構成をとることができる。たとえば２２０〜２４０℃で溶融するＡｇ−Ｓｎ系共晶合金により接合することができる。この結果、光学系へ熱損傷を与えることなく、近赤外イメージセンサを製造することができる。

筐体の本体部は、Ｃｕ−Ｗ合金および／またはＡｌＮによって形成するのがよい。Ｃｕ−Ｗ合金、ＡｌＮは、熱伝導率が高いため、受光素子アレイおよび読み出し回路に発生する熱を外部に放出するのを促進することができる。

上記のリッドをシリコンによって形成することができる。シリコンは波長域１．２μｍ〜３μｍで透明なので、近赤外光を一様に透過させることができる。

シリコンのリッドの表面および／または裏面に、レンズおよびフィルタの少なくとも一方を形成することができる。樹脂やガラスに比べて屈折率が高いシリコンを用いることで、レンズを小型化することができる。また屈折率が高いことで、食品や薬品の異物検出などにおいて、インラインでの近接撮影方式で行うことが可能になる。また、シリコンについては、既存の汎用的な半導体プロセス技術を用いることで、微細な回折格子など高機能光学素子をリッドと一体物として形成することができる。このため、近赤外イメージセンサを小型化することができる。

受光素子アレイが、ＩｎＰ基板と、該ＩｎＰ基板上に形成され、バンドギャップ波長が１．６５μｍ以上３．０μｍ以下である光吸収層（受光層）とを有し、光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数との相違が０．２％以下の、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＩｎＮＡｓによって形成される構成をとることができる。
また、受光素子アレイが、ＩｎＰ基板と、該ＩｎＰ基板上に形成され、バンドギャップ波長が１．６５μｍ以上３．０μｍ以下である光吸収層とを有し、光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数との相違が０．２％以下の、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ、またはＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、のタイプ２の量子井戸構造によって形成されてもよい。
上記の２つの構成の受光素子アレイは、いずれも、波長１．２μｍ〜３μｍに、高く、しかもフラットな受光感度（量子効率）を持つ。このため、波長１．２μｍ〜３μｍの光を用いて、高精度で鮮明なイメージセンシングを遂行することができる。

本発明により、構造が簡単で、近赤外域の光を波長によらず一様に透過することができ、安定して高い製造歩留りを得ることができる、近赤外イメージセンサを得ることができる。

本発明の実施の形態における近赤外イメージセンサを示す断面図である。図１の近赤外イメージセンサにおけるセンサチップ実装体の概略図である。本発明の実施の形態における受光素子アレイの量子効率の波長依存性を示す図である。水の吸収スペクトルを示す図である。リッドに設けたメンブレン構造およびピエゾ抵抗を示す図である。図２のセンサチップ実装体を示す断面図である。リッドに設けたレンズを示し、（ａ）は通常のレンズを、（ｂ）はフレネルレンズを、示す断面図である。リッドに設けたフィルタを示し、（ａ）は光学多層膜を、（ｂ）はＭＥＭＳファブリーペロー共振器を、示す図である。リッドに設けた回折格子等を示し、（ａ）は同心円の回折格子を、（ｂ）は波長オーダーピッチのドットパターンの回折格子を、（ｃ）は回折光学素子を、示す図である。

図１は、本発明の実施の形態における近赤外イメージセンサ１００を示す断面図である。受光素子アレイと、信号読み出し回路のマルチプレクサとで構成されるセンサチップ実装体７０は、筐体本体部１の底部に固定されている。筐体本体部１は、たとえば底部を持つ筒であり、たとえば底部付きの円筒、角筒等である。筒状本体部１は光が入射される側が開口しており、リッド３が蓋をしている。リッド３は、Ｓｎ系共晶合金のはんだ等の固着材５によって、筐体本体部１に固着されている。内部空間７は、真空引きされて封止されているので、固着材５はこれに対応した強度および耐久性を持つ必要がある。リッド３はシリコン（Ｓｉ）で形成されており、内部側の面に光学部品２０が設けられている。

図２は、センサチップ実装体７０を示す概略図である。センサチップ実装体７０では、受光素子アレイ５０と、信号読み出し回路（ＲＯＩＣ：ＲｅａｄＯｕｔＩＣ）のマルチプレクサ７１とが、バンプ６１ｂ（６２ｂ）を介在させて結合されている。受光素子アレイ５０は、ＩｎＰ基板上に形成されており、バンドギャップ波長１．２μｍ〜３μｍの受光層をもつ受光素子の一次元アレイまたは二次元アレイである。この受光素子は、図３に示す量子効率（受光感度）の波長依存性をもつ。波長１．２μｍ〜３μｍに、幅広く一様な量子効率を持つことが大きな特徴である。このように近赤外域の長波長域にまで高い量子効率を持たせるためには、特別な受光層であることを必要とする。この受光素子アレイ５０については、このあと詳細に説明する。

本実施の形態の近赤外イメージセンサの特徴の一つはつぎの点にある。
１．真空封止
内部空間７に水分を含まないように真空封止する。これによって、水分による近赤外光の吸収を避けることができる。図４は水の吸収スペクトルを示す図である。図４に示すように、水は、近赤外域において、第１の吸収帯（１．４μｍ付近に吸収のピークを持つ）、第２の吸収帯（１．９μｍ付近に吸収のピークを持つ）、および第３の吸収帯（２．９μｍ付近にピークを持ち、２．３μｍ〜３μｍ以上にわたっている広大な吸収帯）を持つ。図３に示すように、本実施の形態における受光素子アレイ５０は、近赤外域にフラットで、かつ高い量子効率を有する。図４に示す水分による吸収は、受光素子アレイ５０が本来持つ、図３の性能を阻害する。真空封止によって、水分の吸収による、近赤外イメージセンサ１００への変動要因または誤差要因を除去することができる。
この作用を確実なものとするために、さらに、上記の真空封止を長期にわたって維持するために、本実施の形態の近赤外イメージセンサは、次の構成をもつ。
（１−ｉ）リッド３を波長１．２μｍ〜３μｍにおいて透明なシリコンで形成する。
（１−ｉｉ）リッド３と筐体本体部１とを共晶合金のＡｇ−Ｓｎはんだ（合金）で接合し、かつリッド３および筐体本体部１を２５０℃以上の耐熱性をもつ材料で形成する。Ｓｎ系はんだであるＡｇ−Ｓｎはんだ（合金）は、２２０℃〜２４０℃で溶融するために、上記の耐熱性をリッド３および筐体本体部１はもつ必要がある。
（１−ｉｉｉ）リッド３および筐体本体部１を、非有機系材料で形成する。これは、真空引きの内部空間７に、リッド３や筐体本体部１の内壁から有機成分が放出しないようにするためである。有機系材料は、室温より上昇すると有機成分を放出し、有機成分は、通常、波長１．２μｍ〜３μｍに吸収帯をもつ。このような有機成分の内部空間への混入によって、検出精度は低下する。
上記の真空封止の長期間維持をモニタするために、本実施の形態の近赤外イメージセンサでは、次の構成要素をさらに備えることができる。
（１−ｉｖ）図５に示すように、リッド３の小部分にメンブレン構造２７を設け、そこにピエゾ抵抗２９を含む電気回路を設けて、メンブレン構造２７におけるひずみをモニタする。真空封止をした直後のピエゾ抵抗を正常状態とする。真空度が低下するにつれて、内部空間７の圧力が増し、メンブレン２７は外に凸となるようにひずむ。これをピエゾ抵抗２９により検知して、真空度の劣化を知り、再真空封止などを行うことができる。図５では、メンブレン構造２７を大きく設けるように図示されているが、あとで説明する光学部品を設けるので、リッド３に占める面積割合は小さくてよい。ただし、内部空間７の圧力を感度よく検知するためには、リッド３の中央部に配置するのがよい。
（１−ｖ）真空封止を維持するための強度確保
真空封止を維持するためには、筐体本体部１は、所定レベル以上の強度を持つ必要がある。このため、筐体本体部１は型打ちの一体物で、厚み２．５ｍｍ程度のＣｕ−Ｗ合金で形成する。またリッド３を形成するシリコンの厚みは１ｍｍ程度とする。Ｃｕ−Ｗは、熱伝導率が高く、センサチップ実装体７０で発生する熱を外部へと放散する上で有益である。また、ＡｌＮも熱伝導率が高いので、センサチップ実装体７０のまわりに用いて熱放散に役立ててもよい。センサチップ実装体７０は、厚みが約１ｍｍ、巾（平面四角形の１辺）は１０ｍｍ〜１５ｍｍである。

２．受光素子アレイ
つぎに本実施の形態の近赤外イメージセンサにおける二つ目の特徴である、図３に示す量子効率をもつ受光素子アレイ５０について説明する。図６は、図２に示すセンサチップ実装体７０の詳細構造を示す図である。本実施の形態の近赤外イメージセンサ１００は、近赤外光用の検出装置である。このうちマルチプレクサ７１については、一般に市販されているものを用いることができる。マルチプレクサ７１の、図示しない読み出し電極と、受光素子アレイ５０のｐ側電極６１とははんだバンプ６１ｂにより、また図示しない共通の接地電極と、接地電極であるｎ側電極６２とははんだバンプ６２ｂによって、接続されている。
（２−ｉ）受光素子アレイの詳細構造
図６において、各画素の受光素子１０は、ＩｎＰ基板５１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。
（ＩｎＰ基板５１／ｎ型ＩｎＰバッファ層５２／ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの多重量子井戸構造の受光層５３／拡散濃度分布調整層５４／ＩｎＰ窓層５５）
ＩｎＰ窓層５５から多重量子井戸構造の受光層５３にまで届くように位置するｐ型領域５６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。各画素の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されることは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散することによって達せられる。選択拡散マスクパターン３６は、ポリイミド保護膜４３によって被覆されている。
ｐ型領域５６にはＡｕＺｎによるｐ側電極６１が、またｎ型ＩｎＰバッファ層５２にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極６２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。ｎ型ＩｎＰバッファ層５２にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板５１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。

多重量子井戸構造の受光層５３には、上記のｐ型領域５６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合６５が形成され、上記のｐ側電極６１およびｎ側電極６２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層５３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０^１５／ｃｍ^３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置６５は、多重量子井戸の受光層５３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。多重量子井戸構造の受光層５３が、ｐ型不純物の選択拡散導入によって、結晶性を損なわれないようにした上でｐ側電極６１との電気伝導性を良好にするために、受光層５３と窓層５５との間に、拡散濃度分布調整層５４が挿入される。拡散濃度分布調整層５４内の窓層５５の側の厚み部分では、Ｚｎ濃度を高くして、受光層５３の側の厚み部分ではＺｎ濃度を、上記のように低めにする。拡散濃度分布調整層５４内では、ＩｎＰ窓層５５の表面から選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層５５側における高濃度領域から受光層５３側にかけて急峻に低下するようにする。この拡散濃度分布調整層５４はバンドギャップエネルギが比較的低いために不純物濃度が低い厚み部分（受光層側の所定厚み部分）があっても電気抵抗が大きくなりにくいＩｎＧａＡｓで形成するのがよい。
上記のような拡散濃度分布調整層５４の配置によって、受光層５３内では、Ｚｎ濃度は５×１０^１６／ｃｍ^３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。本発明が対象とする受光素子アレイ５０は、図３に示すように、近赤外域からその長波長側に、高く、フラットな受光感度を有することを追求するので、窓層５５には、受光層５３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層５５には、通常、受光層５３よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。

受光層５３は、タイプ２の多重量子井戸構造を用いるのがよい。タイプ１の量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプ２の量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。

（２−ｉｉ）受光素子アレイの製造方法
上述のように、選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散により、受光素子１０の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合６５は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。図６に示すように、画素部１０が、複数個、素子分離溝なしに配列されている。上述のように、各画素部１０の内側にｐ型領域５６が限定され、隣接する画素部１０とは、確実に区分けされている。
ＩｎＰ基板５１上に、２μｍ厚みのｎ型ＩｎＰバッファ層５２またはｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層５２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層５３を形成する。ＩｎＰと格子整合するようＩｎＧａＡｓの組成はＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓとし、ＧａＡｓＳｂの組成はＧａＡｓ_0.52Ｓｂ_0.48とする。これにより格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とする。
単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層５３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層５４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５５をエピタキシャル成長する。上記の受光層５３および拡散濃度分布調整層５４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層５４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。

ＩｎＰ基板５１は、Ｆｅ含有の半絶縁性基板を用いるのが、良好な結晶性を得やすいので好ましい。半絶縁性ＩｎＰ基板１を用いるので、ｎ型ＩｎＰバッファ層５２またはｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層５２は、上述のようにｎ側電極１２と良好な導電性のコンタクトをとるため、ｎ型不純物を相当量ドープするのがよい。たとえばＳｉなどｎ型ドーパントを１×１０^１７／ｃｍ^３程度ドープするのがよい。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂの多重量子井戸構造の受光層５３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層５４、およびＩｎＰ窓層５５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０^１５／ｃｍ^３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板５１とバッファ層５２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ^−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。
図６において、ｐｎ接合６５は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層５３内において、ｐ型不純物元素Ｚｎが選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入されたｐ型領域５６と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合におけるｐ濃度が非常に低い場合も含むものである。

上述のように、ＩｎＰ窓層５５の表面に形成したＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層５３内に届くようにｐ型領域５６を形成する。ｐ型領域５６のフロント先端部がｐｎ接合６５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層５４内に限定されるようにするのがよい。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５５の表面から深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層５４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層５４内のより深い位置で５×１０^１６／ｃｍ^３以下に低下する。そして、ｐｎ接合６５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。

受光素子アレイ５０は、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６６が１つの画素部１０の主要部となるが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素１０を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。

不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念があるが、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層５４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図６に示すように、マスクパターン開口部３６よりも少し広がるだけである。
ＩｎＰ基板５１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層５２、タイプ２の量子井戸構造の受光層５３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層５４およびＩｎＰ窓層５５を得ることができる。

次に本実施の形態の近赤外イメージセンサの三つ目の特徴について説明する。
３．シリコン製リッド３における光学部品２０
（３−ｉ）レンズ
図７は、シリコン製リッド３の面にレンズを設けた例を示し、図７（ａ）は、通常のレンズ２１を示し、図７（ｂ）はフレネルレンズ２２を示す図である。イメージング対象を結像させる場合、１つまたは２つ以上のレンズは不可欠であり、リッド３と一体化してレンズ２１またはフレネルレンズ２２を用いることで、この近赤外イメージセンサ１００を小型化することができる。フレネルレンズ２２の形成によって、さらに軽量化を促進することができる。
（３−ｉｉ）フィルタ
特定の波長の近赤外光のイメージングをする場合、波長選択度が高いフィルタが不可欠となる。図８は、そのようなフィルタを示す断面図であり、図８（ａ）は光学多層膜２４であり、図８（ｂ）はＭＥＭＳ（ミクロ電子力学系Micro-ElectroMechanical System）ファブリーペロー共振器２５である。図８（ａ）の光学多層膜２４は層数を多くすることで、選択する波長巾を狭くでき、選択度を高めることができる。また、図８（ｂ）のＭＥＭＳファブリーペロー共振器２５についても、寸法精度等を高めることで共振巾を狭くして、波長の選択巾を狭くすることができる。このような、フィルタをリッドと一体化することで、近赤外イメージセンサの構造の簡単化、小型化を推進することができる。
（３−ｉｉｉ）回折格子パターン
図９は、リッド３の外面または内面に設ける回折格子２３を示す図である。入射する波長に応じて、光は異なるパターンで回折されるので、予め、その回折光が到達する受光素子アレイ５０の位置を把握しておけば、各画素１０における強度により波長依存性を検知することができる。
図９（ａ）は同心円の回折格子であり、環のピッチ、厚み、環の太さ（巾）を変えることで回折パターンを調整することができる。また図９（ｂ）は波長オーダーピッチでドットが配置された回折格子である。このドットによる回折格子により、設計の自由度を大きくすることができる。すなわち、周辺部と中心部で任意にドットのピッチを設定することで適用波長を拡大することができる。また、図９（ｃ）はリッド３の表面に回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Elements）を設けたものである。回折光学素子によれば、レンズ、分岐／合波、光強度分布変換、フィルタ、各種回折パターンなどの機能を持たせることができる。このため、一つの素子に複数の機能を複合化することができ、小型化・軽量化をより一層推進することができる。

本実施の形態における近赤外イメージセンサ１００は、上記１．真空封止、２．受光素子アレイ、および３．シリコン製リッドにおける光学部品、に特徴を有する。これら特徴が生きるのは、受光素子アレイ７０が、図３に示す量子効率の波長依存性を持つことが大きい。また、図３の量子効率の波長依存性を実現するのは、図６に示す構造を持つ受光素子アレイ７０である。図６においては、タイプ２の多重量子井戸構造の受光層について詳細に説明したが、タイプ２の多重量子井戸構造だけでなく、Ｎを含有する、単層のＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰの受光層であってもよい。また実施の形態において、温度制御をしない近赤外イメージセンサを主体に説明をしたが、ペルチエ素子等を用いて温度制御をしたものであってもよい。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明によれば、構造が簡単で、近赤外域の光を波長によらず一様に透過することができ、安定して高い製造歩留りを得ることができる、近赤外イメージセンサを得ることができる。このため、生体、薬品、食品等の検出装置の分野で、簡易な装置で高精度検出ができる安価な装置を提供することが期待される。

１筐体の本体部、３リッド、５共晶合金（固着材）、７内部空間、１０画素（受光素子）、２０リッドに設けた光学部品、２１レンズ、２２フレネルレンズ、２３回折格子または回折光学素子、２４光学多層膜（フィルタ）、２５ＭＥＭＳファブリーペロー共振器、２７メンブレン構造、２９ピエゾ抵抗、３５反射防止膜、３６選択拡散マスクパターン、４３ポリイミド保護膜、５０受光素子アレイ、５１ＩｎＰ基板、５２バッファ層、５３多重量子井戸構造の受光層、５４拡散濃度分布調整層、５５ＩｎＰ窓層、５６ｐ型領域、６１ｐ側電極、６１ｂはんだバンプ、６２ｎ側電極、６２ｂはんだバンプ、６５ｐｎ接合、７０センサチップ実装体、７１マルチプレクサ、１００近赤外イメージセンサ。

Claims

波長１．２μｍ〜３μｍに受光感度をもつ受光素子アレイおよび信号読み出し回路を備え、筐体に収納されたセンサであって、
真空封止されていて、
前記筐体の本体部の蓋部をなすリッドが、波長１．２μｍ〜３μｍに透明な材料で形成されており、
前記リッドにピエゾ抵抗をもつメンブレン構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の近赤外イメージセンサ。
前記筐体の本体部およびリッドが、非有機系材料で形成され、前記リッドを前記筐体の本体部に固定する接続剤に、有機系接着剤を用いないことを特徴とする、請求項１に記載の近赤外イメージセンサ。
前記リッドと前記筐体の本体部とは、Ａｇ−Ｓｎ合金で接合され、該リッドおよび筐体の本体部が２５０℃以上の耐熱性をもつ材料で形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の近赤外イメージセンサ。
前記筐体の本体部は、Ｃｕ−Ｗ合金および／またはＡｌＮによって形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の近赤外イメージセンサ。
前記リッドがシリコンによって形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の近赤外イメージセンサ。
前記シリコンのリッドの表面および／または裏面に、レンズおよびフィルタの少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の近赤外イメージセンサ。
前記受光素子アレイが、ＩｎＰ基板と、該ＩｎＰ基板上に形成され、バンドギャップ波長が１．６５μｍ以上３．０μｍ以下である光吸収層とを有し、前記光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数との相違が０．２％以下の、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＩｎＮＡｓによって形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の近赤外イメージセンサ。
前記受光素子アレイが、ＩｎＰ基板と、該ＩｎＰ基板上に形成され、バンドギャップ波長が１．６５μｍ以上３．０μｍ以下である光吸収層とを有し、前記光吸収層は、ＩｎＰ基板の格子定数との相違が０．２％以下の、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ、またはＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、のタイプ２の量子井戸構造によって形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の近赤外イメージセンサ。