JP5234312B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関し、より具体的には、長波長側が近赤外域にまで受光感度を有する受光素子アレイを備えた撮像装置に関するものである。

近赤外域の波長域またはそれより長波長側に対応するバンドギャップエネルギを持つ化合物半導体として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が注目され、研究開発が進行している。たとえばＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを受光層に持つ受光素子を、上記ＩｎＰ基板上に配列した受光素子アレイを用いて、宇宙からの自然光を受光する暗視カメラが開示されている（非特許文献１）。これにより、夜間、雨天にかかわらず人工照明を用いることなく、自然光により撮像することが可能となる。
Marshall J.Cohen and Gregory H.Olsen "Near-IR imaging cameras operate at room temperature", LASER FOCUS WORLD, June 1993, pp.109-113

上記の暗視カメラは、しかしながら鮮明な画像を得ることができない。その理由は、受光素子二次元アレイにおいて、入射面（ＩｎＰ基板裏面）から光が入射したとき、隣接する受光素子間に光クロストークが生じ、実効的な解像度が低下するためである。この結果、輪郭等がぼやけた像になりやすい。

本発明は、光クロストークを低減することができる受光素子アレイを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置における受光素子アレイは、第１導電型半導体層、該第１導電型半導体層上に位置する受光層および該受光層に接して表面側に位置する窓層を含む１つの半導体積層体に、複数の受光素子が配列された受光素子アレイである。この受光素子アレイでは、受光素子の任意の隣り合う２つの間に位置するクロストーク防止部を備え、その複数の受光素子は、それぞれ半導体積層体の表面の側から内方へと位置する第２導電型領域を持ち、クロストーク防止部は、表面の側から内方へと位置する第２導電型領域を持ち、クロストーク防止部の第２導電型領域の内方先端部であるフロントは、受光素子の第２導電型領域のフロントよりも、半導体積層体の表面とは逆の裏面からの距離が小さく、受光素子アレイをエピダウン実装して、裏面を光入射側としたことを特徴とする。ここで、「第１導電型半導体層上に位置する受光層」とは、第１導電型半導体層から見て表面側に受光層が位置することをいい、該受光層が第１導電型半導体層に接していてもよいし、接していなくてもよい。半導体積層体に半導体基板を含んでもよく、上記第１導電型半導体層が半導体基板であってもよい。また受光層の導電型は問わず、第１導電型でもイントリンシックでもよい。

上記の構成では、受光素子アレイをエピダウン実装して裏面側を入射面とする。散乱した光により発生したキャリアは、裏面から不純物フロントまでの距離が小さいクロストーク防止部のｐｎ接合周辺の空乏層でトラップすることが可能である。そして、裏面から不純物フロントまでの距離が大きい受光素子のｐｎ接合周辺で発生したキャリアを光信号に寄与させることができる。この結果、入射角が大きい斜め入射の光を、入射面側に突き出ているクロストーク防止部でブロックすることになるので、光クロストークを高い確度で防止することができる。

また、クロストーク防止部は、平面的に見て受光素子の各々を囲むように位置する構造とすることができる。この構造によって、受光素子は各々、クロストーク防止部に囲まれるので、光クロストークをより確実に防止することができる。

上記クロストーク防止部における窓層の厚みを、受光素子における窓層の厚みよりも小さくすることができる。この構成により、裏面から不純物フロントまでの距離の異なる部分である、受光素子およびクロストーク防止部を、第２導電型不純物の１回の拡散処理によって容易に形成することができる。

上記の受光素子では、第２導電型領域は窓層内に限られ、クロストーク防止部では、第２導電型領域は受光層に届いている構造をとることができる。この構造によれば、裏面からの距離が大きい不純物フロントを持つ受光素子では、空乏層の広がりは抑制される。このため光によるキャリアの生成範囲が限定されるので、斜め入射光や散乱光を受光することが抑制される。この結果、光クロストークを低減することができる。

受光素子アレイをエピダウン実装して、裏面を光入射側とした撮像装置では、光クロストークを高い確度で防止することができ、鮮明な画像を得ることができる。なお、撮像装置は、複数の受光素子からの受光信号に基づき、各位置の受光信号の解析を行う装置であれば何でもよく、カメラの他、各種センサまたは光検出装置であってもよい。

上記のクロストーク防止部の第２導電型領域のフロントに逆バイアス電圧を印加することができる。これによって、散乱した光による発生したキャリアを、上記逆バイアス電圧の印加による空乏層の大きな広がりでトラップ・再結合することができる。その結果、光クロストークの防止作用を格段に高めることができる。

本発明の撮像装置によれば、隣り合う受光素子間の光クロストークを確実に低減することができる。

図１は、本発明の実施の形態における受光素子アレイ１０の端部の平面図である。図１において、受光素子またはフォトダイオードであるセンシング部Ｓは、二次元正方配列をしており、またクロストーク防止部Ｂはその二次元正方配列の各受光素子Ｓを取り囲むように配置されている。クロストーク防止部Ｂは、また、東西南北に走る通路状であり、受光素子Ｓはその通路に囲まれた区画のように位置する。クロストーク防止部Ｂの幅すなわち通路の道幅は、５〜３０μｍとし、受光素子の径（区画の辺）は３０〜１００μｍとするのがよい。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図２において、受光素子アレイ１０は、１つの半導体積層体の（ＩｎＰ基板１／ｎ型（第１導電型）ＩｎＰバッファ層２／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層４）を備える。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、近赤外域の長波長側に受光感度を有するものであるが、Ｓｂおよび／またはＰを含有してもよい。Ｓｂは結晶性の向上のために添加する。また、近赤外域の長波長側の受光感度がそれほど必要ない場合には、Ｎを含まずＧａＩｎＡｓ受光層としてもよい。窓層４についてもＩｎＰ以外に、受光層３と格子整合しかつ受光層３よりバンドギャップが大きいものであれば何でもよい。クロストーク防止部Ｂは、上記の半導体積層体から構成されるのに対して、受光素子Ｓは、ＩｎＰ窓層４に接してさらにＩｎＰ付加層１４を有するので、クロストーク防止部Ｂと受光素子Ｓとに段差が生じる。受光素子Ｓにおける（ＩｎＰ窓層４＋ＩｎＰ付加層１４）は、単にＩｎＰ窓層の厚みが、クロストーク防止部ＢのＩｎＰ窓層４よりも厚いとみることができる。なお、上述のように、実際には、クロストーク防止部Ｂの幅は、受光素子Ｓの径の１／５〜１／３程度であり、図１または図２の表示よりかなり小さい。

不純物拡散用マスクパターン５はＳｉＮを含み、クロストーク防止部Ｂおよび受光素子Ｓに開口部を持ちながら、両方の領域に連続して位置している。マスクパターン５の開口部から拡散導入されたＺｎが分布するｐ型（第２導電型）領域１６は、クロストーク防止部ＢではＩｎＰ基板１により近い位置にまで深く導入されている。しかし、受光素子Ｓでは、ＩｎＰ付加層１４の存在のために、ｐ型領域１６は、クロストーク防止部Ｂに比べて、ＩｎＰ基板１から遠い位置に留まっている。とくに図２の場合には、クロストーク防止部Ｂのｐ型領域１６は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３にまで届いているが、受光素子Ｓでは、ＩｎＰ窓層４内に留まっている。本発明の実施の形態では、上記のように、ｐ型領域１６のフロントＦとＩｎＰ基板１の裏面との距離が、クロストーク防止部Ｂでは受光素子Ｓよりも小さい点に特徴がある。

上記のように、ｐ型領域１６のフロントＦと、光入射側となるＩｎＰ基板１の裏面との間の距離（受光位置までの距離）が、受光素子Ｓとクロストーク防止部Ｂとの間で大小がある。ｐ型領域１６の不純物濃度は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の不純物濃度より非常に高いので、クロストーク防止部Ｂおよび受光素子Ｓには、ｐ型領域１６のフロントＦからＧａＩｎＮＡｓ受光層３の側に向けて、空乏層が生じており、光の通過を待機することになる。空乏層は、広がりは小さいものの、ｐｎ接合部に自然に発生する。とくに逆バイアス電圧をクロストーク防止部Ｂに印加した場合には、空乏層の広がりは大きくなり、隣り合う受光素子Ｓの間に深く大きな空乏層のクロストーク防止壁を形成する。これに対して、図２に示す受光素子アレイ１０では、受光素子Ｓのｐ型領域１６は、ＩｎＰ付加層１４またはＩｎＰ窓層４内に限定されるので、空乏層の広がりを抑制でき、ｐｎ接合近傍のみを光信号とするので、光クロストークを低減することができる。

図３は、マルチプレクサ５１と、図１および図２の受光素子アレイ１０とを組み合わせた撮像装置５０の断面図である。各受光素子Ｓのｐ部電極１１はそれぞれマルチプレクサ５１の入力端子５６に、図示しないはんだバンプ等を用いて電気的に接続され、また共通の接地電位が印加されるｎ部電極１２は、マルチプレクサ５１の接地電位用端子５７に、同様に、電気的に接続される。

図３では、図１に合わせて、クロストーク防止部Ｂのｐ部電極１１がマルチプレクサ５１の入力端子５６と電気的に接続されている。しかし、図１に見るように、クロストーク防止部Ｂはすべての箇所が連続しており電気的に一体なので、クロストーク防止部Ｂのいずれかの箇所で、逆バイアス電圧を印加するように電気的接続がなされていればよい。したがって、図１に示すクロストーク防止部Ｂの構造の場合、クロストーク防止部Ｂの他の箇所に、ｐ部電極１１を備えなくてもよい。

図３において、入射角が大きい光Ｌ_２は、フロントＦが入射面側に突き出ているクロストーク防止部にブロックされ、受光信号に寄与しない。一方、垂直入射に近い、入射角の小さい光Ｌ_１は、入射面からの距離が大きい（引き込んだ場所に位置する）受光素子Ｓにまで届いて受光され、受光信号に寄与する。このため、光クロストークを確実に低減することができる。

図４は、図１および図２の受光素子アレイの変形例を示す平面図である。図１に示す受光素子アレイ１０では、クロストーク防止部Ｂは、各受光素子Ｓの周りを完全に取り囲んで、連続したものであった。しかし、クロストーク防止部Ｂは、図４に示すように、完全に連続して受光素子Ｓを取り囲まず、受光素子Ｓのまわりに断続的に位置する構造であってもよい。断続的な、取り囲みであっても、光クロストーク防止の効果は十分得ることができる。また、断続的な取り囲みという概念から外れるような、受光素子間の位置に点状に位置するクロストーク防止部によっても、逆バイアス電圧の電圧を高めることによって空乏層の広がりを大きくして、光クロストークを大きく低減することができる。ただ、クロストーク部Ｂのｐ型領域のフロントすなわちｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加するｐ部電極の構造については、断続した部分ごと、または点状部分ごとに、外部端子と電気的接続をとる必要がある。

上記の構成では、受光位置までの距離が大きい、すなわちフロントＦがＩｎＰ基板１から遠い受光素子Ｓでは、散乱等を経ていない光により発生したキャリアのみが光信号に寄与する。一方、クロストーク防止部Ｂでは、光により発生したキャリアは、ｐｎ接合に大きく形成された空乏層でトラップ・再結合される。このため、光クロストークは大きく改善される。

次に、上記の受光素子アレイ１０および撮像装置５０の製造方法について説明する。まず、ＦｅドープＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を形成する。ｎ型ＩｎＰバッファ層２は、ｎ型不純物Ｓｉをドープして、キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３の高濃度となるようにするのがよい。成膜法は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＯＭＶＰＥ(Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy)法など周知の方法を用いることができる。ただし、ＯＭＶＰＥ法など水素濃度が高くなる成膜法を用いた場合には、脱水素のための熱処理を行なうのがよい。

次いで、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３を成長する。不純物はとくに添加しなくてもよいが、ｎ型不純物のＳｉを、キャリア濃度３×１０^１５ｃｍ^−３程度となるように添加してもよい。水素濃度を低くする点からはＭＢＥ法で成長するのがよいが、ＯＭＶＰＥ法等で成長して、水素濃度が高い場合には熱処理で脱水素処理をしてもよい。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３に接してＩｎＰ窓層４を成長させる。ＩｎＰ窓層４およびＩｎＰ付加層１４のキャリア濃度は、空乏層をＧａＩｎＮＡｓ受光層３側に適切な範囲とするために１０^１７ｃｍ^−３程度〜１０^１８ｃｍ^−３のオーダーとするのがよい。この場合、（ＩｎＰ窓層４＋ＩｎＰ付加層１４）の厚みにＩｎＰ層を成長させておいて、クロストーク防止部Ｂに相当する領域のＩｎＰ付加層分をエッチングによって除くのがよい。エッチングは水素濃度を低くする観点からドライエッチングが好ましいが、エッチングに時間がかかる場合は、ウエットエッチングを行ってもよい。各半導体層の厚みはつぎの通りである。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２（厚み１μｍ）／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３（厚み３μｍ）／ＩｎＰ窓層４（厚み０．５μｍ）／ＩｎＰ付加層１４（厚み１．５μｍ））

上記のように、ＩｎＰ窓層の厚みを０．５μｍとし、またＩｎＰ付加層１４の厚みを１．５μｍとすることにより、クロストーク防止部Ｂと受光素子Ｓとで、フロントＦと、ＩｎＰ基板１の裏面との間の距離の相違を１μｍ程度つけることができる。この１μｍの段差が、フロントＦとＩｎＰ基板１との間の距離の差に引き継がれ、光クロストークの低減に役立つことができる。

次に、各受光素子に開口部を有するＳｉＮからなるマスクパターン５を、クロストーク防止部Ｂおよび受光素子Ｓに連続して、したがって段差の壁も覆って、膜厚５０ｎｍで形成する。次いで、ｐ型不純物のＺｎを気相拡散させて、クロストーク防止部ＢではＩｎＰ窓層４を経てＧａＩｎＮＡｓ受光層３まで、また受光素子ＳではＩｎＰ付加層１４またはＩｎＰ窓層４まで、それぞれｐ型領域１６とする。受光素子Ｓでは、ｐ型領域１６は、ＩｎＰ窓層４に届かず、ＩｎＰ付加層１４内に留まっていてもよい。その後、ＩｎＰ窓層４およびＩｎＰ付加層１４のｐ型領域１６上にオーミック接触のｐ部電極１１を、ＰｔＴｉなどにより受光素子ごとに形成する。また絶縁膜１９で半導体積層体の端面を覆った後、ＩｎＰ基板１またはｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２の周縁部に、各受光素子に共通に、オーミック接続するｎ部電極１２を、ＡｕＧｅＮｉなどにより形成する。

上記の受光素子アレイおよびこれを用いた撮像装置によれば、隣り合う受光素子のｐ型領域１６のフロントＦの深浅の差を利用して、大きく傾いた入射光と垂直入射に近い入射光とを区別して、垂直入射に近い範囲の光のキャリアのみを光信号に用いる。このため、光クロストークを従来とは格段に抑制することができ、鮮明な像を得ることができる。

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。

本発明の撮像装置によれば、隣接する受光素子間での光クロストークを大きく抑制することができ、鮮明な画像を得ることができる。

本発明の実施の形態における受光素子アレイの平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１の受光素子アレイを用いた撮像装置の平面図である。 図１の受光素子アレイの変形例を示す平面図である。

１ ＩｎＰ基板、２ ＩｎＰバッファ層、３ ＧａＩｎＮＡｓ受光層、４ ＩｎＰ窓層、５ Ｚｎ拡散用マスクパターン（保護膜）、１０ 受光素子アレイ、１１ ｐ部電極、１２ ｎ部電極、１４ ＩｎＰ付加層、１６ ｐ型領域、１９ 絶縁膜、５０ 撮像装置、５１ マルチプレクサ、５６ 入力端子、５７ 接地電位用端子、Ｂ クロストーク防止部、Ｓ 受光素子（センシング部）。

Claims (5)

1. 第１導電型半導体層、該第１導電型半導体層上に位置する受光層および該受光層に接して表面側に位置する窓層を含む１つの半導体積層体に、複数の受光素子が配列された受光素子アレイ、を備える撮像装置であって、
   前記受光素子アレイは、前記受光素子の任意の隣り合う２つの間に位置するクロストーク防止部を備え、
   前記複数の受光素子は、それぞれ前記半導体積層体の前記表面の側から内方へと位置する第２導電型領域を持ち、
   前記クロストーク防止部は、前記表面の側から内方へと位置する第２導電型領域を持ち、
   前記クロストーク防止部の第２導電型領域の内方先端部であるフロントは、前記受光素子の第２導電型領域のフロントよりも、前記半導体積層体の表面とは逆の裏面からの距離が小さく、
   前記受光素子アレイをエピダウン実装して、前記裏面を光入射側としたことを特徴とする、撮像装置。
2. 前記クロストーク防止部は、平面的に見て前記受光素子の各々を囲むように位置することを特徴とする、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記クロストーク防止部における窓層の厚みが、前記受光素子における窓層の厚みよりも小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記受光素子では、前記第２導電型領域は前記窓層内に限られ、前記クロストーク防止部では、前記第２導電型領域は前記受光層に届いていることを特徴とする、請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記クロストーク防止部の第２導電型領域のフロントに逆バイアス電圧を印加することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。

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