JP5724309B2

JP5724309B2 - 赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置

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Publication number: JP5724309B2
Application number: JP2010254153A
Authority: JP
Inventors: 西野　弘師; 弘師西野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: JP2012104759A

Description

本発明は、赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置に関する。

赤外線撮像装置には、赤外線イメージセンサ、読み出し回路及び光学系等が備えられている。赤外線イメージセンサでは、赤外線の入射量に応じた電気信号を発生する画素が２次元状に配列されている。画素には、例えば量子井戸型赤外線センサ（ＱＷＩＰ：quantum well infrared photodetector）が用いられている。そして、光学系が赤外線イメージセンサに投影する全視野範囲内のある位置に熱源がある場合には、その熱源から放射される赤外線が焦点を結ぶ位置に当る画素に集光され、その画素での光電流信号が増大する。読み出し回路がこの増大した信号を検出する。このようにして、熱源の位置又は方位が検出される。

赤外線イメージセンサについては、画素同士のピッチ（画素ピッチ）が小さくなるほど、視野範囲が細分化されるため、熱源の位置又は方位の検出精度を向上させることができる。従って、画素ピッチの範囲内で微小な点熱源を検出することも可能である。

しかしながら、光学系と共に赤外線イメージセンサを用いる赤外線撮像装置については、画素ピッチの縮小に伴う分解能の向上に限界がある。これは、光学系が、その回折限界以下には点熱源からの集光像が絞り込むことができないからである。従って、従来の赤外線イメージセンサを備えた赤外線撮像装置では、回折限界による集光径よりも画素ピッチを小さくしても、分解能を向上させることはできない。例えば、波長が１０μｍの赤外線に対してＦ値が２．５の光学系を用いる際には、回折限界は３０μｍ程度となるため、画素ピッチを３０μｍ程度以下にしても、それ以上に分解能を向上させることはできない。

特開２００７−２２７７４４号公報

本発明の目的は、赤外線撮像装置の分解能を向上することができる赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置を提供することにある。

赤外線イメージセンサの一態様には、複数個の第１の画素が配列した第１の赤外線検知層と、前記第１の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第２の画素が配列した第２の赤外線検知層と、前記第２の赤外線検知層の上方に設けられ、前記複数個の第１の画素の各々から信号を出力する第１の出力部と、前記第２の赤外線検知層の上方に設けられ、前記複数個の第２の画素の各々から信号を出力する第２の出力部と、が設けられている。前記複数個の第１の画素は積層方向で前記複数個の第２の画素のいずれかと重なり合っており、平面視で、前記複数個の第２の画素の配列が、前記複数個の第１の画素の配列からずれている。前記複数個の第２の画素は、前記第１の画素同士の境界線に沿って分割され互いに電気的に接続された複数の画素片を含む。前記第２の赤外線検知層を貫通し、前記第２の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第１の開口部と、前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層を貫通し、前記第１の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第２の開口部と、が含まれる。前記第１の開口部を介して前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層にバイアスが供給され、前記第２の開口部を介して前記第１の出力部が前記複数個の第１の画素の各々から信号を出力する。

上記の赤外線イメージセンサ等によれば、複数個の第２の画素の配列が複数個の第１の画素の配列からずれているため、第１の出力部から出力された信号及び第２の出力部から出力された信号から、熱源の位置又は方位を詳細に特定することが可能となる。

第１の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。赤外線撮像装置の構成を示す図である。点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。ＭＱＷ層の構造を示す断面図である。第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ａに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｂに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｃに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｄに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｅに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｆに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｇに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｈに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｉに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｊに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｋに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｌに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｍに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｎに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｏに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｐに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｑに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。図７Ｒに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。読み出し回路の一例を示す図である。同じく、読み出し回路の一例を示す図である。実施形態の変形例を示す図である。

以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。図１（ａ）は、上方から見た場合の上側画素及び下側画素の位置関係を示し、図１（ｂ）は、主として下側画素を示している。また、図１（ｃ）は、図１（ａ）及び（ｂ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示している。

図１に示すように、第１の実施形態に係る赤外線イメージセンサ１１には、複数個の下側画素１ａが配列した下側赤外線検知層１が設けられ、更に、下側赤外線検知層１の上方に形成され、複数個の上側画素２ａが配列した上側赤外線検知層２が設けられている。下側画素１ａのサイズ及び上側画素２ａのサイズは互いに同等である。下側画素１ａ及び上側画素２ａは、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。下側画素１ａ及び上側画素２ａには、例えばＱＷＩＰが用いられている。また、下側赤外線検知層１と上側赤外線検知層２との間には、バイアス層５が設けられている。更に、下側画素１ａ毎に、当該下側画素１ａから信号を出力する下側出力部３が設けられ、上側画素２ａ毎に、当該上側画素２ａから信号を出力する上側出力部４が設けられている。下側画素１ａと下側出力部３とは同数であり、上側画素２ａと上側出力部４とは同数である。そして、平面視で、上側画素２ａの配列が、下側画素１ａの配列からずれている。このずれの程度は、本実施形態では、画素ピッチの１／２であるが、特に限定されない。これらは、例えば、基板６上に形成されている。

この赤外線イメージセンサ１１を備えた赤外線撮像装置では、赤外線イメージセンサ１１は、例えば、図２に示すように、読み出し回路１２に接続される。このとき、例えば、上側赤外線検知層２が読み出し回路１２側に位置し、下側赤外線検知層１が赤外線の入射側に位置する。赤外線イメージセンサ１１及び読み出し回路１２は、赤外線の入射窓１５を備えた真空容器１４内に実装され、クーラー１３によって冷却される。入射窓１５の材料としては、例えばＧｅが用いられる。そして、入射窓１５の赤外線入射側に、赤外線が下側赤外線検知層１の下面（アレイ面）に焦点を合せて結像するように、レンズ１６を備えた光学系が配置されている。そして、全視野範囲内に位置する熱源１７の位置又は方位が特定される。

本実施形態では、以下に説明するように、熱源１７が下側画素１ａ及び上側画素２ａの画素ピッチよりも小さい点熱源である場合であっても、その位置又は方位を特定することができる。図３は、点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。

図３に示すように、点熱源の本来の結像２１は、点熱源の大きさを反映したものとなる。しかしながら、上述のように、光学系に回折限界が存在するため、実際の集光像２２は、結像２１よりも大きなものとなる。下側画素１ａ及び上側画素２ａからの出力は、集光像２２が大きく掛かっている場合ほど大きく変化する。

なお、ここでは、下側赤外線検知層１に下側画素１ａとして下側画素２３ａ〜２３ｄが存在し、上側赤外線検知層２に上側画素２ａとして上側画素２４ａ〜２４ｄが存在することとする。また、赤外線イメージセンサ１１の裏側（下側赤外線検知層１側）から見て、下側画素２３ａ内の右上の領域に結像２１が生じ、その周囲に集光像２２が広がっているとする。

この場合、図３（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）に示すように、下側画素２３ａ〜２３ｄの間では、集光像２２が得られた時刻ｔ₁に、下側画素２３ａで最も大きな出力の変化が生じ、下側画素２３ｂ及び２３ｃで若干の出力の変化が生じ、下側画素２３ｄでは出力の変化がほとんど生じない。また、図３（ｅ）、（ｆ）、及び（ｇ）に示すように、上側画素２４ａ〜２４ｄの間では、時刻ｔ₁に、上側画素２４ｄで最も大きな出力の変化が生じ、上側画素２４ｂ及び２４ｃで若干の出力の変化が生じ、上側画素２４ａでは出力の変化がほとんど生じない。

従って、下側画素２３ａ〜２３ｄの間で最も出力が大きく変化した下側画素２３ａと上側画素２４ａ〜２４ｄの間で最も出力が大きく変化した上側画素２４ａとが重なり合っている領域、即ち下側画素２３ａ内の右上の領域に対応する領域に点熱源が存在すると特定することができる。このような位置又は方位の特定は、例えば読み出し回路１２に接続されたコンピュータ等の解析装置により行われる。この解析装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。

なお、図３に示す例では、点熱源が下側画素２３ａ内の右上の領域に対応する領域に存在しているが、下側画素２３ａ内の他の領域に対応する領域に点熱源が存在する場合でも、例えば、下記表１に示す関係から、点熱源の位置又は方位を特定することができる。

このような本実施形態に対し、従来の技術には、一層の赤外線検知層が設けられているだけである。従って、上記の場合では、下側画素２３ａに対応する領域に点熱源が存在することを特定することができても、下側画素２３ａ内の右上の領域に対応する領域に存在することまで特定することは困難である。下側画素２３ｂ及び２３ｃで若干の出力の変化が生じていることに基づいて特定することも考えられるが、この変化量は微小である。このため、熱源が遠方にある場合等、熱源からの赤外線の入射量が極めて小さい場合には、下側画素２３ｂ及び２３ｃでの出力の変化を誤差と区別することができなくなる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上方から見た場合の上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。図５は、第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。図５（ａ）は図４中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、図５（ｂ）は図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示し、図５（ｃ）は図４中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示している。

第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサには、複数個の下側画素が配列した下側赤外線検知層、及び、複数個の上側画素が配列した上側赤外線検知層が設けられている。後述のように、下側赤外線検知層には、多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple quantum well）層１０６が含まれ、上側赤外線検知層には、ＭＱＷ層１１０が含まれる。下側画素及び上側画素は、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。図４（ａ）中に二点鎖線で示す境界線５１Ｕが、隣り合う上側画素同士の境界を示しており、図４（ｂ）中に一点鎖線で示す境界線５１Ｌが、隣り合う下側画素同士の境界を示している。境界線５１Ｕ及び５１Ｌは縦横に延びている。図４に示すように、平面視で、下側画素のサイズ（平面視での面積）及び上側画素のサイズ（平面視での面積）は互いに同等であり、上側画素の配列が、下側画素の配列からずれており、このずれの程度は、例えば画素ピッチの１／２である。また、図４及び図５に示すように、上側画素の各々には、４個の上側画素片５２Ｕが含まれており、下側画素の各々には、１個の下側画素片５２Ｌが含まれている。上側画素片５２Ｕの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは上側画素のサイズの約１／４である。また、下側画素片５２Ｌの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは下側画素のサイズの約１／１である。

図５に示すように、基板１０１上にｉ−ＧａＡｓ層１０２がバッファ層として形成されている。基板１０１は、例えば、表面のミラー指数が（１００）のＧａＡｓ基板である。ｉ−ＧａＡｓ層１０２の厚さは、例えば１μｍ程度である。また、ｉ−ＧａＡｓ層１０２上にｎ−ＧａＡｓ層１０３が下側コンタクト層として形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１０３上にｎ−ＩｎＧａＰ層１０４がエッチングストッパとして形成され、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４上にｎ−ＧａＡｓ層１０５が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層１０３、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４、及びｎ−ＧａＡｓ層１０５の厚さは、例えば、それぞれ、０．３μｍ程度、２０ｎｍ程度、５０ｎｍ程度である。ｎ−ＧａＡｓ層１０３、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４、及びｎ−ＧａＡｓ層１０５の不純物濃度は、例えば、いずれも、１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。そして、ｎ−ＧａＡｓ層１０５上にＭＱＷ層１０６が形成されている。上述のように、ＭＱＷ層１０６は下側赤外線検知層に含まれる。

ＭＱＷ層１０６上にｎ−ＧａＡｓ層１０７がバイアスコンタクト層として形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１０７上にｎ−ＩｎＧａＰ層１０８がエッチングストッパとして形成され、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８上にｎ−ＧａＡｓ層１０９が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層１０７、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８、及びｎ−ＧａＡｓ層１０９の厚さは、例えば、それぞれ、０．５μｍ程度、２０ｎｍ程度、５０ｎｍ程度である。ｎ−ＧａＡｓ層１０７、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８、及びｎ−ＧａＡｓ層１０９の不純物濃度は、例えば、いずれも、１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。そして、ｎ−ＧａＡｓ層１０９上にＭＱＷ層１１０が形成されている。上述のように、ＭＱＷ層１１０は上側赤外線検知層に含まれる。

ＭＱＷ層１１０上にｎ−ＧａＡｓ層１１１が上側コンタクト層として形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１１１上にｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２がエッチングストッパとして形成され、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２上にｉ−ＧａＡｓ層１１３が形成され、ｉ−ＧａＡｓ層１１３上にｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４がエッチングストッパとして形成され、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４上にｉ−ＧａＡｓ層１１５が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層１１１、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｉ−ＧａＡｓ層１１３、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４、及びｉ−ＧａＡｓ層１１５の厚さは、例えば、それぞれ、０．３μｍ程度、５ｎｍ程度、０．２μｍ程度、５ｎｍ程度、０．７μｍ程度である。ｎ−ＧａＡｓ層１１１の不純物濃度は、例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。また、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２及び１１４のＡｌ組成は、例えば０．３程度である。

層１０４〜１１５に、境界線５１Ｌに沿って延びる溝状の開口部１２３が形成されており、更に、ｎ−ＧａＡｓ層１０３に、境界線５１Ｌに沿って延びる分離溝１２４が形成されている。つまり、分離溝１２４は開口部１２３と繋がっている。なお、分離溝１２４の幅は、開口部１２３の幅よりも狭く、下側画素毎にｎ−ＧａＡｓ層１０３の一部が開口部１２３から露出している。開口部１２３に囲まれた領域が下側画素片５２Ｌに相当する。また、層１０８〜１１５に、境界線５１Ｕに沿って延びる溝状の開口部１２２が形成されている。開口部１２２及び１２３に囲まれた領域が上側画素片５２Ｕに相当する。また、各上側画素片５２Ｕの４隅のうちで縦方向、横方向ともに境界線５１Ｌに隣接する部分では、層１１２〜１１５に開口部１２１が形成されている。

ｎ−ＧａＡｓ層１０７の、開口部１２２の交点に位置する領域上に電極１３１Ｂが形成されている。ｎ−ＧａＡｓ層１１１の開口部１２１から露出した領域上に電極１３１Ｕが形成されている。下側画素毎に、ｎ−ＧａＡｓ層１０３の開口部１２３から露出した部分上に１個の電極１３１Ｌが形成されている。

また、ｉ−ＧａＡｓ層１１５に複数の段差が形成されており、グレーティング（回折格子）１１６が層１１２〜１１５を含んでいる。そして、グレーティング１１６を覆うようにして反射金属膜１３２が形成されている。

開口部１２１〜１２４の底面及び側面、並びに反射金属膜１３２を覆うパッシベーション膜１３３が形成されている。パッシベーション膜１３３には、電極１３１Ｌ、電極１３１Ｂ、及び電極１３１Ｕを露出する開口部が形成されている。電極１３１Ｌには、パッシベーション膜１３３の開口部を介して反射金属膜１３２の上方まで延びる配線１３５Ｌが接続されている。電極１３１Ｂには、パッシベーション膜１３３の開口部を介して反射金属膜１３２の上方まで延びる配線１３５Ｂが接続されている。配線１３５Ｌの上方に延びる部分が図４中の下側引き出し部５４に含まれ、配線１３５Ｂの上方に延びる部分が図４中のバイアス引き出し部５５に含まれる。また、開口部１２３内にポリイミド膜１３６が埋め込まれている。ポリイミド膜１３６の表面は、開口部１２３の交点（境界線５１Ｌの交点）では、電極１３１Ｕの表面と同程度の高さ位置にある。そして、当該交点に隣接する４つの電極１３１Ｕを共通接続する配線１３５Ｕが、パッシベーション膜１３３の開口部を介して反射金属膜１３２の上方まで延びるようにして形成されている。配線１３５Ｕの、４つの電極１３１Ｕを共通接続し、上方に延びる部分が図４中の上側引き出し部５３に相当する。

配線１３５Ｌ、配線１３５Ｂ、及び配線１３５Ｕを覆うパッシベーション膜１３７がパッシベーション膜１３３上に形成されている。パッシベーション膜１３７には、配線１３５Ｌの一部、配線１３５Ｂの一部、及び配線１３５Ｕの一部を露出する開口部が形成されており、これら開口部を介して、配線１３５Ｌに接続されたバンプ１３８Ｌ、配線１３５Ｂに接続されたバンプ１３８Ｂ、及び配線１３５Ｕに接続されたバンプ１３８Ｕが形成されている。

ＭＱＷ層１０６及び１１０には、図６に示すように、互いに交互に積層された複数のｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４１及びｎ−ＧａＡｓ層１４２が含まれている。最下部及び最上部には、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４１が位置しており、ｎ−ＧａＡｓ層１４２の数は、例えば２０である。例えば、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４１のＡｌ組成は０．２５程度であり、その厚さは４０ｎｍ程度であり、ｎ−ＧａＡｓ層１４２の不純物濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3程度であり、その厚さは５ｎｍ程度である。ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１４１は障壁層として機能し、ｎ−ＧａＡｓ層１４２は量子井戸層として機能する。このように、例えば、ＭＱＷ層１０６及び１１０は互いに同等の構成を備えており、互いに同一の波長に感度を有する。

このように構成された第２の実施形態では、上側画素毎に４つの上側画素片５２Ｕが含まれ、下側電極毎に１つの下側画素片５２Ｌが含まれる。そして、４つの上側画素片５２Ｕは１つの配線１３５Ｕに共通接続されている。また、上側画素の配列と下側画素の配列とは画素ピッチの１／２ずつずれている。従って、第２の実施形態における上側画素と下側画素との位置関係は、第１の実施形態における上側画素２ａと下側画素１ａとの位置関係と同等である。このため、第１の実施形態と同様に、回折限界がある光学系と共に赤外線撮像装置に用いられても、より高い精度で点熱源等の熱源の位置を特定することが可能となる。

次に、第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法について説明する。図７Ａ〜図７Ｓは、第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を工程順に示す断面図である。図７Ｂ〜図７Ｓ中の（ａ）は図４中のＩ−Ｉ線に沿った断面を示し、（ｂ）は図４中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示し、（ｃ）は図４中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示している。

先ず、図７Ａに示すように、基板１０１上に、ｉ−ＧａＡｓ層１０２、ｎ−ＧａＡｓ層１０３、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４、ｎ−ＧａＡｓ層１０５、及びＭＱＷ層１０６を結晶成長法により形成する。次いで、ＭＱＷ層１０６上に、ｎ−ＧａＡｓ層１０７、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８、ｎ−ＧａＡｓ層１０９、及びＭＱＷ層１１０を結晶成長法により形成する。その後、ＭＱＷ層１１０上に、ｎ−ＧａＡｓ層１１１、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｉ−ＧａＡｓ層１１３、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４、及びｉ−ＧａＡｓ層１１５を結晶成長法により形成する。結晶成長法としては、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法及び有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ：metal organic vapor phase epitaxy）法等が挙げられる。

続いて、ｉ−ＧａＡｓ層１１５の表面に、ウェットエッチングにより深さが０．１μｍ程度の位置合わせ用マーカーを形成し、これを用いて位置合わせを行う。次いで、ｉ−ＧａＡｓ層１１５のパターニングを行い、図７Ｂに示すように、ｉ−ＧａＡｓ層１１５に段差を形成する。このパターニングでは、例えば、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２、ｉ−ＧａＡｓ層１１３、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４、及びｉ−ＧａＡｓ層１１５を含むグレーティング１１６が形成される。

その後、図７Ｃに示すように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４及びｉ−ＧａＡｓ層１１３のパターニングを行い、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４及びｉ−ＧａＡｓ層１１３に、後に電極１３１Ｕを形成する開口部１２１を形成する。このパターニングでは、例えば、ウェットエッチングでｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１４を除去し、その後、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。

続いて、図７Ｄに示すように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層１１２の開口部１２１から露出している部分をウェットエッチングし、開口部１２１を上側コンタクト層として機能するｎ−ＧａＡｓ層１１１まで到達させる。

次いで、図７Ｅに示すように、層１１５〜１０９のパターニングを行い、層１１５〜１０９に、後に電極１３１Ｂを形成する開口部１２２を形成する。このパターニングでは、例えば、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。また、開口部１２２の形成と並行して、後に電極１３１Ｌを形成する開口部１２３の層１１５〜１０９の深さの部分を形成する。この結果、各上側画素に含まれる４個の上側画素片５２Ｕが互いに分割される。

その後、図７Ｆに示すように、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０８の開口部１２２及び開口部１２３から露出している部分をウェットエッチングし、開口部１２２をバイアスコンタクト層として機能するｎ−ＧａＡｓ層１０７まで到達させる。

続いて、図７Ｇに示すように、層１０７〜１０５のパターニングを行い、開口部１２３の層１０７〜１０５の深さの部分を形成する。このパターニングでは、例えば、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、下側画素片５２Ｌが互いに分割される。

次いで、図７Ｈに示すように、ｎ−ＩｎＧａＰ層１０４の開口部１２３から露出している部分をウェットエッチングし、開口部１２３を下側コンタクト層として機能するｎ−ＧａＡｓ層１０３まで到達させる。

その後、図７Ｉに示すように、開口部１２３に繋がる分離溝１２４を形成する。この結果、下側コンタクト層が下側画素毎に分割される。

続いて、図７Ｊに示すように、例えばリフトオフ法により、ｎ−ＧａＡｓ層１１１上に電極１３１Ｕを形成し、ｎ−ＧａＡｓ層１０７上に電極１３１Ｂを形成し、ｎ−ＧａＡｓ層１０３上に電極１３１Ｌを形成する。このとき、ＡｕＧｅ膜を蒸着し、その後にＡｕ膜を蒸着する。電極１３１Ｕ、電極１３１Ｂ、及び電極１３１Ｌはオーミック電極である。

次いで、図７Ｋに示すように、例えばリフトオフ法により、グレーティング１１６上に反射金属膜１３２を形成する。このとき、Ｔｉ膜をスパッタ蒸着し、その後にＡｕ膜をスパッタ蒸着する。

その後、図７Ｌに示すように、全面にパッシベーション膜１３３を形成する。パッシベーション膜１３３としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法により形成する。

続いて、図７Ｍに示すように、パッシベーション膜１３３に、電極１３１Ｕを露出する開口部１３４Ｕ、電極１３１Ｂを露出する開口部１３４Ｂ、及び電極１３１Ｌを露出する開口部１３４Ｌを形成する。開口部１３４Ｕ、開口部１３４Ｂ、及び開口部１３４Ｌは、例えばドライエッチングにより形成する。

次いで、図７Ｎに示すように、電極１３１Ｂと接続される配線１３５Ｂを形成し、電極１３１Ｌと接続される配線１３５Ｌを形成する。配線１３５Ｂ及び配線１３５Ｌの形成では、例えば、Ｔｉ膜をスパッタ蒸着し、その後にＰｔ膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。

その後、図７Ｏに示すように、開口部１２１、開口部１２３、及び分離溝１２４内にポリイミド膜１３６を埋め込む。

続いて、図７Ｐに示すように、ポリイミド膜１３６の上部を除去して、電極１３１Ｕを露出させる。

次いで、図７Ｑに示すように、電極１３１Ｕと接続される配線１３５Ｕを形成する。配線１３５Ｕの形成では、例えば、Ｔｉ膜をスパッタ蒸着し、その後にＰｔ膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。

その後、図７Ｒに示すように、全面にパッシベーション膜１３７を形成する。パッシベーション膜１３７としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。

続いて、図７Ｓに示すように、パッシベーション膜１３７に、配線１３５Ｕの一部を露出する開口部、配線１３５Ｂの一部を露出する開口部、及び配線１３５Ｌの一部を露出する開口部を形成し、これらの開口部を介して、配線１３５Ｕに接続されるバンプ１３８Ｕ、配線１３５Ｂに接続されるバンプ１３８Ｂ、及び配線１３５Ｌに接続されるバンプ１３８Ｌを形成する。バンプ１３８Ｕ、バンプ１３８Ｂ、及びバンプ１３８Ｌとしては、例えばＩｎバンプをリフトオフ法により形成する。

このようにして、第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造することができる。

第２の実施形態に係る赤外線イメージセンサが接続される読み出し回路の一例との関係について説明する。なお、赤外線イメージセンサと読み出し回路とが互いに接続された形態においては、例えば、基板１０１は研磨、エッチング等の手法により適宜除去される。図８及び図９は、読み出し回路の一例を示す図である。

この読み出し回路には、１個の下側画素２１１Ｌ及び１個の上側画素２１１Ｕの画素対から信号を読み出す画素対読み出し部２０１が縦横に並んで配置されている。縦方向に並んだ複数の画素対読み出し部２０１により、１本の電源線２０６、１本の出力バス線２０７Ｕ、及び１本の出力バス線２０７Ｌが共有されている。１対の出力バス線２０７Ｕ及び１本の出力バス線２０７Ｌは、それぞれ、１本の列選択線２０５に接続された列選択スイッチ２０９Ｕ及び列選択スイッチ２０９Ｌを介して出力トランジスタ２０８Ｌ及び出力トランジスタ２０８Ｕに接続されている。各列選択線２０５は水平走査シフトレジスタ２０３に接続されている。また、横方向に並んだ複数の画素対読み出し部２０１により、１本の行選択線２０４が共有されている。各行選択線２０４は垂直シフトレジスタ２０２に接続されている。

各画素対読み出し部２０１内には、下側画素２１１Ｌの出力部（図４及び図５中のバンプ１３８Ｌ）に接続される入力ゲート２１２Ｌ、並びに入力ゲート２１２Ｌに接続された蓄積容量２１３Ｌ及びリセットトランジスタ２１８Ｌが設けられている。上側画素２１１Ｕの出力部（図４及び図５中のバンプ１３８Ｕ）に接続される入力ゲート２１２Ｕ、並びに入力ゲート２１２Ｕに接続された蓄積容量２１３Ｕ及びリセットトランジスタ２１８Ｕも設けられている。また、蓄積容量２１３Ｌ及びリセットトランジスタ２１８Ｌに接続されたサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）スイッチ２１４Ｌ、並びにＳ／Ｈスイッチ２１４Ｌに接続されたＳ／Ｈ容量２１５Ｌ及びＳ／Ｈリセットトランジスタ２１９Ｌが設けられている。蓄積容量２１３Ｕ及びリセットトランジスタ２１８Ｕに接続されたＳ／Ｈスイッチ２１４Ｕ、並びにＳ／Ｈスイッチ２１４Ｕに接続されたＳ／Ｈ容量２１５Ｕ及びＳ／Ｈリセットトランジスタ２１９Ｕが設けられている。Ｓ／Ｈ容量２１５Ｌ及びＳ／Ｈリセットトランジスタ２１９Ｕに、電源線２０６から電源電位が供給されるアンプ２１６Ｕが接続され、アンプ２１６Ｕと出力バス線２０７Ｕとの間に、行選択線２０４により制御される行選択スイッチ２１７Ｕが接続されている。Ｓ／Ｈ容量２１５Ｕ及びＳ／Ｈリセットトランジスタ２１９Ｌに、電源線２０６から電源電位が供給されるアンプ２１６Ｌが接続され、アンプ２１６Ｌと出力バス線２０７Ｌとの間に、行選択線２０４により制御される行選択スイッチ２１７Ｌが接続されている。なお、下側画素２１１Ｌ及び上側画素２１１Ｕのバイアス入力部（図４及び図５中のバンプ１３８Ｂ）には、バイアスが印加される。

このような読み出し回路を用いた処理は、例えば、次のようにして行われる。先ず、下側画素のうちで最も出力が大きいものを抽出し、この画素を結像中心画素とする。結像中心画素がどの位置にあるかによって、赤外線イメージセンサ全体が撮像している範囲内での熱源の位置又は方位が特定される。この際の空間分解能は光学系全視野角を下側画素の数で割った値となる。更に、１個の下側画素の視野角内での熱源の位置又は方位に関する詳細な情報を得るため、この結像中心画素に対して重なり合う位置に存在する４個の上側画素の出力を参照する。この結果、第１の実施形態に関する表１と同様の関係から、結像中心画素の中心位置に対して熱源が上下左右（斜め）方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。なお、結像中心画素を上側画素から抽出し、その後に、これと重なり合う４個の下側画素の出力を参照しても、熱源が上下左右（斜め）方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。従って、上側画素の配列、下側画素の配列のうちで高出力が得られている側を結像中心画素として用いることができる。

また、結像中心画素の位置及び熱源の位置又は方位に関する詳細な情報に基づいて、当該結像中心画素と重なり合う４個の上側画素又は下側画素の各出力が同等となるように、旋回等により、赤外線撮像装置（少なくとも赤外線イメージセンサ及び光学系））の方向を制御してもよい。この場合、熱源を結像中心画素の中心で追跡することが可能となり、移動する熱源の追尾、及び熱源に向かう誘導が可能となる。このような赤外線撮像装置の方向の制御は、例えばコンピュータ等の制御装置により行われる。この制御装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。

なお、第１及び第２の実施形態では、２層の画素の配列（上側画素の配列及び下側画素の配列）が、互いに画素ピッチの１／２ずつずれているが、更に１層以上の画素の配列を設けてもよい。例えば、図１０に示すように、１層の画素の配列における画素の境界線３０１と他の１層の画素の配列における画素の境界線３０３とが画素ピッチの１／２ずつずれ、これらに対して画素ピッチの１／４ずれた画素の境界線３０２を備えた画素の配列が設けられていてもよい。この場合、集光像３０４が得られた場合に、これに対応する熱源の位置又は方位をより詳細に取得することが可能となる。

また、赤外線イメージセンサに含まれる各層の材料は特に限定されない。例えば、ＭＱＷ層に、ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＡｌＡｓ層との組み合わせ、ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との組み合わせ、又はＳｉ層とＳｉＧｅ層との組み合わせ等が用いられていてもよい。また、ＭＱＷ層に代えて、多重量子ドット層が用いられてもよい。また、赤外線を吸収可能な禁制帯幅を有するバルク半導体材料（ＨｇＣｄＴｅ及びＩｎＳｂ等）を含む半導体層が用いられてもよく、半導体超格子材料（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子）を含む半導体層が用いられてもよい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
複数個の第１の画素が配列した第１の赤外線検知層と、
前記第１の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第２の画素が配列した第２の赤外線検知層と、
前記複数個の第１の画素の各々から信号を出力する第１の出力部と、
前記複数個の第２の画素の各々から信号を出力する第２の出力部と、
を有し、
平面視で、前記複数個の第２の画素の配列が、前記複数個の第１の画素の配列からずれていることを特徴とする赤外線イメージセンサ。

（付記２）
前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする付記１に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記３）
前記複数個の第２の画素の配列は、前記複数個の第１の画素の配列から前記画素ピッチの１／２ずれていることを特徴とする付記２に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記４）
前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素の一方の画素は、他方の画素同士の境界線に沿って分割され、互いに電気的に接続された複数の画素片を含むことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記５）
前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層のうち、前記一方の画素が配列したものを貫通し、前記一方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第１の開口部と、
前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層を貫通し、前記他方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第２の開口部と、
を有することを特徴とする付記４に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記６）
前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素は、互いに同一の波長に感度を有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記７）
前記第１の赤外線検知層と前記第２の赤外線検知層との間に形成され、前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素にバイアスを印加するバイアス層を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサ。

（付記８）
付記１乃至７のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第１の出力部及び前記第２の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。

（付記９）
前記読み出し回路が読み出した信号を解析して前記熱源の位置又は方位を特定する解析手段を有することを特徴とする付記８に記載の赤外線撮像装置。

（付記１０）
前記解析手段による解析結果に基づいて、前記熱源が前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素のうちの一つの画素の中心に位置するように、少なくとも前記赤外線イメージセンサ及び前記光学系の向きを制御する制御手段を有することを特徴とする付記９に記載の赤外線撮像装置。

１：下側赤外線検知層
１ａ：下側画素
２：上側赤外線検知層
２ａ：下側画素
３：下側出力部
４：上側出力部
５：バイアス層
１１：赤外線イメージセンサ
１２：読み出し回路
１６：レンズ

Claims

複数個の第１の画素が配列した第１の赤外線検知層と、
前記第１の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第２の画素が配列した第２の赤外線検知層と、
前記第２の赤外線検知層の上方に設けられ、前記複数個の第１の画素の各々から信号を出力する第１の出力部と、
前記第２の赤外線検知層の上方に設けられ、前記複数個の第２の画素の各々から信号を出力する第２の出力部と、
を有し、
前記複数個の第１の画素は積層方向で前記複数個の第２の画素のいずれかと重なり合っており、
平面視で、前記複数個の第２の画素の配列が、前記複数個の第１の画素の配列からずれており、
前記複数個の第２の画素は、前記第１の画素同士の境界線に沿って分割され互いに電気的に接続された複数の画素片を含み、
前記第２の赤外線検知層を貫通し、前記第２の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第１の開口部と、
前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層を貫通し、前記第１の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第２の開口部と、
を有し、
前記第１の開口部を介して前記第１の赤外線検知層及び前記第２の赤外線検知層にバイアスが供給され、
前記第２の開口部を介して前記第１の出力部が前記複数個の第１の画素の各々から信号を出力することを特徴とする赤外線イメージセンサ。
前記複数個の第１の画素及び前記複数個の第２の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする請求項１に記載の赤外線イメージセンサ。
前記複数個の第２の画素の配列は、前記複数個の第１の画素の配列から前記画素ピッチの１／２ずれていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線イメージセンサ。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第１の出力部及び前記第２の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。