JP5766145B2

JP5766145B2 - 赤外線センサアレー

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Publication number: JP5766145B2
Application number: JP2012077415A
Authority: JP
Inventors: エジソンゴメスカマルゴ
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: JP2013207240A

Description

本発明は、赤外線センサアレーに関する。

０Ｋ（ゼロケルビン）以上の温度を有する物体は、何らかの輻射を放射している。地球上の環境においては、物体は３００Ｋ付近の温度を有するため、数μｍ〜数１０μｍの波長の赤外線が放射されている。

上記の数μｍ〜数１０μｍの波長帯で動作するセンサとしては、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサの高感度化を実現するために、受光部と光の入射窓部の間に中空構造を設ける必要があり、そのためセンサの小型化は制限されている。

サーモパイルや焦電センサの中空構造による制限を解決するため、量子型（光起電力型）赤外線センサが期待されている。量子型赤外線センサは、多数キャリアが電子であるｎ型半導体と多数キャリアがホールであるｐ型半導体とが接合されて構成されるＰＮ接合又はｐ型半導体とｎ型半導体との間に真正半導体を有するＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有している。量子型赤外線センサでは、赤外線の光子によりＰＮ接合又はＰＩＮ接合に存在する空乏層内で発生した電子ホール対が価電子帯及び導電帯の傾斜に従って空間的に分離蓄積された結果、ｐ型半導体はプラス側に帯電し、ｎ型半導体はマイナス側に帯電して、その間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合部の抵抗より大きな外部抵抗（高入力インピーダンスの回路やアンプでもよい）を使用することにより電圧として読み出すことも、また量子型赤外線センサ外部で短絡することにより電流として読み出すことも可能である。

このような量子型赤外線センサを室温で人感センサとして用いる場合に問題となるのが、人間が活動する環境温度と人間の体温との差が小さいため、出力信号が小さく、また、環境から輻射される揺らいだ赤外線がセンサに検出されてノイズとなるため、十分なＳ／Ｎ比を確保することが困難であるという点である。そのため、通常の量子型赤外線センサの場合、受光部を外界の温度に対して冷却することにより出力信号が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。この量子型赤外線センサの代表的なものとして、ＩｎＳｂを半導体積層部として用いたセンサやＭＣＴ（ＭｅｒｃｕｒｙＣａｄｍｉｕｍＴｅｌｕｒｉｄｅ）などが挙げられる。

上記化合物半導体を用いる量子型赤外線センサにおいては、特許文献１に示されるように、非冷却で小型化を行いながら、人感センサとしてのＳ／Ｎ比を向上させるために、平面状に半導体センサを配置し、各センサの出力電圧を多段直列接続して取り出す方式が提案されている。

上述の赤外線センサの応用として、赤外線センサを複数配置した赤外線センサアレーが検討されている。量子型赤外線センサのアレー化においては、限られた面積の中に多くの赤外線受光素子を配置する技術や、所望の赤外線受光素子から選択的に信号を取り出すことが可能な配線技術や、それらを両立する技術が望まれている。

限られた面積内に多素子センサを配列する技術としては、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに採用されている、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子に関する技術が挙げられる。この多素子センサでは、高画素化を進める目的で限られた面積の中により多くの素子を配列する様々な試みがなされている。

例えば、特許文献２では、固体撮像素子の小型化及び高画素化を図りながら、感度低下及び垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の減少がないように、隣接する受光素子垂直列の受光素子の位置を垂直方向に配置の２分の１ピッチでずらし、各受光素子の形状を垂直方向に対し略４５度傾斜した４辺を含む多角形とすることにより、解像度向上及び実質的開口率の向上させる方法が提示されている。

また、特許文献３では、限られたチップサイズ内に熱型赤外線センサの感熱部形状を略正六角形とし、それをハニカム状二次元配列することにより開口率を向上させる方法が開示されている。

さらに、特許文献４では、画素を構成するフォトダイオードを略正八角形状とし、それを千鳥配置とすることにより、解像度の向上とともにモアレ干渉を抑制する方法も開示されている。

国際公開第２００５−２７２２８号パンフレット特開平６−７７４５０号公報特開平１１−１１１９５８号公報特公平４−３１２３１号公報特開２０１１−１４５２９６号公報

しかしながら、特許文献２〜４に記載のような従来の手法は、可視光を対象としており、可視光の光量は遠赤外線領域に比べて非常に大きいため、可視光領域では画素を構成するフォトダイオードは単一で十分な出力を取り出すことができるのに対し、遠赤外線領域では、光量が小さくまた背景となる環境からの輻射との光量の差も小さいため、十分な出力を得ることが困難である。

一方で、特許文献５に記載の技術は、赤外線センサアレーに関するものであり、ＭＥＭＳ技術を利用してアレー化をしている。ＭＥＭＳ技術を利用するため、構造は複雑であり、且つ、高感度を実現するためには、受光部（熱型）のヒートシングを抑えるために、光吸収部を浮かせて空洞の領域を設ける必要があるため、センサの小型が難しく、携帯電子機器のような省スペース設計を要求された電子機器への応用は限られる。また、プロセスが複雑であるため、製造上の不具合が生じる可能性もあり、実用的な量産には不向きである。

以上のように、量子型赤外線センサをアレー化する技術についてはいまだ実用的なものが知られていないのが実情である。本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で信頼性が高く、量産に適した赤外線センサアレーを提供することにある。

本発明の請求項１に記載の赤外線センサアレーは、基板上に形成されたＭ行Ｎ列に配列された複数の赤外線受光部と、前記列毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の一端に接続される第１の配線と、前記行毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の他端に接続される第２の配線とを備える赤外線センサアレーであって、前記赤外線受光部は、前記基板上に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える複数の赤外線受光素子を備え、前記フォトダイオード構造は第１導電型の第１の半導体層及び第２導電型の半導体層を含み、前記第１の配線と前記第２の配線との交差部における前記基板上には、前記第１導電型の第１の半導体層と同じ材料で形成され、かつ同じ不純物が等しい濃度で含まれる第１導電型の第２の半導体層が形成され、前記交差部において、前記第１の配線は、絶縁層を介して前記交差部の前記第１導電型の第２の半導体層上に形成され、前記第２の配線は、前記絶縁層の一部に形成されたコンタクトホールを介して前記交差部の前記第１導電型の第２の半導体層に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１に記載の赤外線センサアレーであって、前記複数の赤外線受光素子の各々は、直列接続されていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１又は２に記載の赤外線センサアレーであって、前記基板上に、前記複数の赤外線受光部をスイッチングするためのスイッチング手段を有することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１から３の何れか一項に記載の赤外線センサアレーであって、前記第１の配線及び前記第２の配線が同一レイヤーに存在することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１から４の何れか一項に記載の赤外線センサアレーであって、前記第１導電型の第１の半導体層のシート抵抗が５５００Ω／□〜０．５Ω／□であることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１から５の何れか一項に記載の赤外線センサアレーであって、前記第１導電型の第１の半導体層及び前記第２導電型の半導体層は、インジウムおよび／又はアンチモンを含むことを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の赤外線センサアレーは、本発明の請求項１から６の何れか一項に記載の赤外線センサアレーであって、前記基板は、絶縁基板、もしくは半絶縁基板であることを特徴とする。

本発明の請求項８に記載の方法は、基板上に形成されたＭ行Ｎ列に配列された複数の赤外線受光部と、前記列毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の一端に接続される第１の配線と、前記行毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の他端に接続される第２の配線とを備えた赤外線センサアレーであって、前記赤外線受光部は、前記基板上に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える複数の赤外線受光素子を備え、前記フォトダイオード構造は第１導電型の第１の半導体層及び第２導電型の半導体層を含み、前記複数の赤外線受光素子を備えた赤外線センサアレーを製造する方法であって、前記基板上に、少なくとも第１導電型の半導体層及び第２導電型の半導体層を形成するステップと、少なくとも前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層をエッチングすることにより、前記複数の赤外線受光素子を形成するとともに、前記第１の配線と前記第２の配線との交差部における前記基板上に第１導電型の第２の半導体層を形成するステップと、前記赤外線受光素子及び前記第１導電型の第２の半導体層上に絶縁層を形成するステップと前記第１導電型の第２の半導体層上に形成された前記絶縁層を部分的に除去してコンタクトホールを形成するステップと、前記複数の赤外線受光素子同士を直列接続する配線層と、前記交差部で前記絶縁層上に形成される前記第１の配線と、前記コンタクトホールを介して前記第１導電型の第２の半導体層に電気的に接続される前記第２の配線とを形成するステップとを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項９に記載の方法は、本発明の請求項８に記載の方法であって、前記第１の配線及び前記第２の配線のそれぞれが同時に形成されることを特徴とする。

本発明の赤外線センサによれば、小型で信頼性が高く、量産に適した赤外線センサアレーを実現することが可能になる。

本発明に係る赤外線センサアレーを上部から見たときの模式図である。本発明に係る赤外線センサアレーの交差部のＸ−Ｘ´及びＹ−Ｙ´断面図である。本発明に係る赤外線センサアレーにおける赤外線受光素子の実施形態の一例を示す断面図である。本発明に係る赤外線センサアレーにおける、赤外線受光部の実施形態の一例である。第１の実施形態に係る赤外線センサアレーを等価回路として示した図である。従来知られている赤外線センサアレーにおける交差部の断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る赤外線センサアレーについて説明する。

図１は、本発明に係る赤外線センサアレー１を上部から見た時の模式図である。図１に示されるように、赤外線センサアレー１は、４行４列に配列された１６個の赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６と、行方向に設けられた第１の配線ＬＸ１〜ＬＸ４と、第１の配線ＬＸ１〜ＬＸ４の各々に接続されるパッドＸ１〜Ｘ４と、列方向に設けられた第２の配線ＬＹ１〜ＬＹ４と、第２の配線ＬＹ１〜ＬＹ４の各々に接続されるパッドＹ１〜Ｙ４とを備えている。

赤外線受光部Ａ１〜Ａ４のそれぞれの一端は、第１の配線ＬＸ１に接続され、赤外線受光部Ａ５〜Ａ８のそれぞれの一端は、第１の配線ＬＸ２に接続され、赤外線受光部Ａ９〜Ａ１２のそれぞれの一端は、第１の配線ＬＸ３に接続され、赤外線受光部Ａ１３〜Ａ１６のそれぞれの一端は、第１の配線ＬＸ４に接続されている。赤外線受光部Ａ１、Ａ５、Ａ９及びＡ１３のそれぞれの他端は、第２の配線ＬＹ１に接続され、赤外線受光部Ａ２、Ａ６、Ａ１０及びＡ１４のそれぞれの他端は、第２の配線ＬＹ２に接続され、赤外線受光部Ａ３、Ａ７、Ａ１１及びＡ１５のそれぞれの他端は、第２の配線ＬＹ３に接続され、赤外線受光部Ａ４、Ａ８、Ａ１２及びＡ１６のそれぞれの他端は、第２の配線ＬＹ１に接続されている。

図２は、本発明に係る赤外線センサアレー１の交差部ＸＹのＸ−Ｘ´、Ｙ−Ｙ´で切り出した時の断面図を示す。図２（ａ）は、図１に示される第１の配線ＬＸ１と第２の配線ＬＹ１との交差部ＸＹにおけるＸ−Ｘ´の断面図を示し、図２（ｂ）はＹ−Ｙ´の断面図を示す。

図２（ａ）には、基板１０上に部分的に形成された第１導電型の半導体層２１と、基板１０及び第１導電型の半導体層２１上に形成された絶縁層５１と、絶縁層５１上に形成された第１の配線層６１とが示されている。図２（ａ）に示されるように、交差部ＸＹにおいて、第１の配線ＬＸ１を構成する第１の配線層６１は、絶縁層５１を介して第１導電型の半導体層２１上に形成されている。

図２（ｂ）には、基板１０上に部分的に形成された第１導電型の半導体層２１と、第１導電型の半導体層２１上に部分的に形成され且つ基板１０上に形成された絶縁層５１と、絶縁層５１上に形成された第１の配線層６１と、第１導電型の半導体層２１及び絶縁層上５１上に形成された第２の配線層６２が示されている。図２（ｂ）に示されるように、交差部ＸＹにおいて、第２の配線ＬＹ１を構成する第２の配線層６２は、絶縁層５１の一部に形成されたコンタクトホール５２を介して、第１導電型の半導体層２１に接続されている。

図６は、従来知られている赤外線センサアレーにおける行方向の配線と列方向の配線との交差部の断面図を示す。図６（ａ）は、従来知られている赤外線センサアレーにおける行方向の配線と列方向の配線との交差部における行方向のＸ−Ｘ´の断面図を示し、図６（ｂ）は列方向のＹ−Ｙ´の断面図を示す。

図６（ａ）には、基板６０１上に部分的に形成された第１の絶縁層６０２と、第１の絶縁層６０２上に形成された第１の配線層６０３と、第１の絶縁層６０２及び第１の配線層６０３を覆うように、基板６０１、第１の絶縁層６０２及び第１の配線層６０３上に形成された第２の絶縁層６０４と、第２の絶縁層６０４上に形成された第２の配線層６０５とが積層された積層構造６００が示されている。図６（ｂ）には、基板６０１上に形成された第１の絶縁層６０２と、第１の絶縁層６０２上に形成された第１の配線層６０３と、第１の配線層６０３上に部分的に形成された第２の絶縁層６０４と、第２の絶縁層６０４上に部分的に形成された第２の配線層６０５とが積層された積層構造６００が示されている。

図６に示される積層構造６００を形成するためには、第１の配線層６０３を形成した後に、第２の絶縁層６０４及び第２の配線層６０５を形成しなければならず、プロセスが煩雑になり、断線等に起因する不具合の原因になってしまう。

一方、本発明に係る赤外線センサアレー１では、第１の配線層６１及び第２の配線層６２の交差部ＸＹが図２に示されるような構成をとることにより、第１の配線６１及び第２の配線６２が同一レイヤーに存在しているため、図６に示したような従来の積層構造６００の交差部と比較して、第１の配線層６１及び第２の配線層６２の形成を一回のプロセスで行うことが可能であり、断線等に起因する不具合を低減することが可能になり、高信頼性の赤外線センサアレーを得ることができる。

製造プロセス容易性の観点から、交差部ＸＹにおける第１導電型の半導体層２１は、後述の図３で示される、各赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６における第１導電型の半導体層２０と同じ材料で構成されることが好ましい。交差部ＸＹにおける第１導電型の半導体層２１が各赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６における第１導電型の半導体層２０と同じ材料で構成されることにより、バンド構造が縮退し、低抵抗となるため好ましい。

第１の配線層６１及び第２の配線層６２の材料としては、低抵抗化の観点から、金属層であることが好ましい。具体的な一例としては、第１の配線層６１及び第２の配線層６２は、Ａｕ若しくは抵抗率の小さいＰｔやＡｌに代表される材料を含むことが好ましい。また、第１導電型の半導体層２１との密着性向上及びコンタクト抵抗を低減する観点から、第１の配線層６１及び第２の配線層６２は、Ｔｉを最下層（半導体と接触する層）とする多層構造とすることも好ましい。

交差部ＸＹの第１導電型の半導体層２１の材料としてｎ型層を使用した場合、交差部ＸＹの第１導電型の半導体層２１のシート抵抗は１００Ω／□以下が好ましく、５０Ω／□以下であることがより好ましく、１０Ω／□以下であることが更により好ましく、５Ω／□以下であることが最も好ましい。第１導電型の半導体層２１としてのｎ型層が厚いほどシート抵抗が小さくなるが、デバイスの製造の際にあまり厚いｎ型層（例えば１．５μｍ以上、若しくは２μｍ以上）は望ましくない。

各赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６から短絡電流を取り出すときに、第１の配線層６１及び第２の配線層６２の抵抗の直列成分が小さいほど電流の取り出し効率が高まるので、交差部ＸＹにおける第２の配線層６２の抵抗は、赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６における赤外線受光素子のＰＩＮ又はＰＮ接合部より小さいことが好ましい。

本発明の構成を長波長の赤外線センサに使用した場合、ＩｎＳｂ系の赤外線受光素子を有効に利用することができるという利点がある。ＩｎＳｂのＳｎドーピングも容易にできるという点から、長波長の赤外線（１〜１５μｍ）の赤外線受光部の場合、本発明の効果をより有効に発揮することができる。

図３は、本発明に係る赤外線センサアレー１の赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６における赤外線受光素子２００の実施形態の一例を示す断面図である。図３に示されるように、赤外線受光素子２００は、基板１０と、基板１０上に形成された半導体積層部１００と、半導体積層部１００を覆うように基板１０及び半導体積層部１００上に形成された絶縁層５０と、絶縁層５０及び半導体積層部１００上に形成された配線層６０と、表面全体を覆う保護層７０と備える。半導体積層部１００は、基板１０上に、第１導電型の半導体層２０、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた光吸収層３０、バリア層３１、及び第２導電型の半導体層４０が順次積層されて構成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造部を含む。第１導電型の半導体層２０は、コンタクトホール５４を介して配線層６０に接続され、第２導電型の半導体層４０は、コンタクトホール５３を介して配線層６０に接続されている。以下、第１導電型の半導体層２０としてｎ型ドーピングされたｎ型半導体層２０を使用し、第２導電型の半導体層４０としてｐ型ドーピングされたとしてｐ型半導体層４０を使用した構成を例に説明する。

被検出光としての赤外線は、基板１０上において半導体積層部１００が積層されている面と対抗する面から入射され、フォトダイオード構造部に入射する（図３においては、基板１０から半導体積層部１００にわたる方向に光が進行する）。フォトダイオード構造部に赤外線が入射されることにより、フォトダイオード構造部に存在する空乏層内で発生した電子ホール対が価電子帯と導電帯との電界傾斜に従って空間的に分離蓄積される。その結果、ｎ型半導体層２０はマイナス側に帯電し、ｐ型半導体層４０はプラス側に帯電することにより、その間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、高入力インピーダンスの信号処理回路（アンプなど）に接続した場合電圧として読み出すことができ、また赤外線センサ外部で短絡して電流として読み出すことも可能である。

ｎ型半導体層２０は、高濃度のｎ型ドーピングを行うことで、バーシュタインモスシフトと呼ばれる効果により、ｎ型半導体層２０の赤外線吸収波長がより短波長側にシフトする。そのため、長波長の赤外線が吸収されなくなり、赤外線を効率よく透過させることができるようになる。

光吸収層３０は、赤外線を吸収して光電流Ｉｐを発生させるための光吸収層である。従って、ｎ型半導体層２０と光吸収層３０とが接する面積Ｓ１が赤外線の入射される受光面積となる。一般的に、赤外線受光素子２００の光電流Ｉｐは、受光面積に比例して大きくなるため、ｎ型半導体層２０と光吸収層３０とが接する面積Ｓ１は大きい方が好ましい。また、光吸収層３０の体積が大きいほど吸収できる赤外線量は大きくなるので、光吸収層３０の体積は大きい方が好ましい。光吸収層３０の膜厚は、赤外線の吸収により発生した電子及び正孔のキャリアが拡散できる程度の膜厚に設定すると好ましい。

一方、光吸収層３０で使用されるような、赤外線を吸収する半導体は、一般にバンドギャップの小さい半導体であり、このような半導体は、電子の移動度が正孔の移動度よりも非常に大きい。例えばＩｎＳｂの場合、電子の移動度が約８０，０００ｃｍ²／Ｖｓであるのに対して、正孔の移動度は数百ｃｍ²／Ｖｓである。従って、素子抵抗は電子の流れ易さによる影響が大きい。

光吸収層３０で赤外線吸収によって発生した電子は、ＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の部分で形成された電位差によって、光吸収層３０からｎ型半導体層２０側へと拡散し、光電流として取り出される。上述のように、バンドギャップの小さい半導体では正孔の移動度が非常に小さいことから、通常、ｎ型ドーピング層よりもｐ型ドーピング層の電気抵抗が高くなる。また、電気抵抗は、電流が流れる部分の面積に反比例する。従って、光吸収層３０とｐ型半導体層４０とが接する面積Ｓ３の大きさによって素子抵抗が決まり、素子抵抗が大きくなるためには面積Ｓ３が小さい方が好ましい。

また、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下と小さい。このようなバンドギャップの小さな半導体（光吸収層３０の材料のバンドギャップが０．１〜０．２５ｅＶの半導体）では、ｐ型半導体層４０側に、電子による拡散電流を抑制するため、バンドギャップが光吸収層３０よりも大きなバリア層３１を形成すると、暗電流のような素子の漏れ電流が小さくなり、素子抵抗を大きくすることができるため好ましい。

バリア層３１は、光吸収層３０及びｐ型半導体層４０よりもバンドギャップが大きくなるように構成される。バリア層３１を設けると、直列接続と同様に、画素（赤外線受光部）の抵抗を拡大することができ、本発明の赤外線センサアレー１の交差部ＸＹの直列抵抗成分を無視できるように容易に設計することが可能となり、各画素の電流取り出しが容易となるので、好ましい。具体的には、各画素の抵抗が交差部ＸＹの２倍以上が良く、１０倍以上が好ましく、１００倍以上が更に好ましく、１０００倍以上が最も好ましい。

各赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６は、１つ以上の赤外線受光素子２００で構成される。各赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６が２つ以上の赤外線受光素子２００で構成される場合において、光起電力を電流として読みだす場合は直列接続されていることが好ましい。電圧出力の場合、電圧を大きくするがあるため、同様に直列に接続すると良い。電流出力の場合、信号源の抵抗値及び電流値を高くするとＳ／Ｎ比が向上し、また、電圧出力の場合、信号源の抵抗値を低く、電圧値を大きくするとＳ／Ｎ比が向上する。赤外線受光部を何個に分割し、直列にするかは、ＰＮ接合の面積当たりの縦方向（基板表面に垂直方向）の抵抗値、アンプの電圧入力換算ノイズ及び製造上の制限（プロセスルールなど）を考慮して、最適なＳ／Ｎ比を実現するために最適化すると良い。無論、赤外線受光部の全体のサイズを大きくすればするほど、前記の方法で最適化されたＳ／Ｎ比が大きくなるので良い。しかし、画素数や各画素のサイズは、システムの光学系と合わせて最適化な形状に設計すると良い。

製造の簡易さの観点から、基板１０が半絶縁材料（例えば、ＧａＡｓ）もしくは絶縁材料（例えば、サファイア）からなる基板であると好ましいが、基板１０の材料としては、ｎ型半導体層２０を含む半導体積層部１００を形成することが可能なものであれば特に制限されず、例えばシリコンやＧａＡｓやサファイアからなる基板でもよい。半絶縁材料や絶縁材料からなる基板を用いることにより、半導体積層部１００と基板１０とを電気的に絶縁するための工程が不要となるため、製造工程が簡易なものとなる。赤外線センサとしての効率を上げる観点からは、入射される赤外線に対して吸収が生じにくい材料が好ましい。プロセスを容易にする観点からは、絶縁基板を用いることが好ましい。また、半導体積層部１００がＩｎＳｂを含む組成の場合、上記観点に加え、半導体積層部１００の品質を高める観点からＧａＡｓからなる絶縁基板を用いることがより好ましい。

ｎ型半導体層２０及びｐ型半導体層４０で構成されるＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を含む半導体積層部１００の材料としては、公知のものを用いることができる。なお、上記では、第１導電型の半導体層２０としてｎ型半導体層を使用し、第２導電型の半導体層４０としてｐ型半導体層を使用した構成を例に説明したが、第１導電型の半導体層２０としてｐ型半導体層を使用し、第２導電型の半導体層４０としてｎ型半導体層を使用してもよい。その場合、第１導電型の半導体層２０としてのｐ型半導体層と光吸収層との間にバリア層３１が形成されることとなる。

図４は、本発明に係る赤外線センサアレー１における赤外線受光部の実施形態の一例を示す。図４（ａ）は、赤外線受光素子２００₁〜２００₄及び赤外線受光部Ａｎ（ｎは、１以上の整数）の模式図である、図４（ｂ）は、図４（ａ）で示される赤外線受光素子２００₁〜２００₄及び赤外線受光部Ａｎの等価回路図を示す。図４（ｃ）は、赤外線受光素子２００を拡大して示した図である。図３に示した赤外線受光素子２００の断面図と同じ要素については同じ番号を付している。図３中の付番１０１は、半導体積層部１００のメサ構造部の斜面領域を意味する。

図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、赤外線受光部Ａｎは、赤外線受光素子２００₁〜２００₄が配線層６０によって直列接続されて構成されている。赤外線受光素子２００₁〜２００₄を直列接続することにより、抵抗は拡大ができるため、光電流の取り出しが容易になる。

本発明の配線層６０、６１、６２は同じ材質からなり、同時に形成されると好ましい。配線層６０、６１、６２の具体的な形成方法としてはスパッタリング法や真空蒸着法が挙げられる。また、各赤外線受光素子２００₁〜２００₄を直列接続し、赤外線受光部Ａｎを第１の配線ＬＸ１〜ＬＸ４及び第２の配線ＬＹ１〜ＬＹ４にそれぞれ接続する配線層６０の面積をレイアウト設計の許容範囲内で広くとることにより、入射した赤外線を配線層６０がより多く反射して、各赤外線受光素子２００₁〜２００₄の受光領域に入射することが可能になるため、光電流をより増大させることが可能になる。この観点から、配線層６０、６１、６２は、ＡｕやＡｌを含むことが好ましい。

また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、赤外線受光部Ａｎの領域を多角形状（図４においては８角形状）にすることにより、赤外線センサアレー１全体の面積を小さくすることが可能になる。

図５を用いて本発明に係る赤外線センサアレー１の動作の一例を説明する。図５は、図１に示した赤外線センサアレー１を等価回路として示した図である。赤外線センサアレー１において、例えば、赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６をスイッチングするためのスイッチング回路を設けることによってパッドＸ１及びパッドＹ１を電流／電圧変換アンプ（通称、Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の入力端子に接続することにより、選択的に赤外線受光部Ａ１からの光電流を取り出すことが可能となる。同様に、赤外線受光部Ａ２〜Ａ１６からの光電流を選択的に取り出すことが可能となる。

図１に示される赤外線センサアレー１では、４行４列に配列された１６個の赤外線受光部Ａ１〜Ａ１６と、４本の第１の配線ＬＸ１〜ＬＸ４と、４個のパッドＸ１〜Ｘ４と、４本の第２の配線ＬＹ１〜ＬＹ４と、４個のパッドＹ１〜Ｙ４とを備えた例で説明を行ったが、その目的に応じて最適な行列数を選択することが可能である。

以下、本発明に係る赤外線センサアレー１の製造方法を説明する。

まず、基板１０上に、少なくとも第１導電型の半導体層及び第２導電型の半導体層を形成する。次に、少なくとも第１導電型の半導体層及び第２導電型の半導体層をエッチングすることにより、複数の赤外線受光素子２００を形成するとともに、交差部ＸＹに第１導電型の半導体層２１を形成する。次に、赤外線受光素子２００及び第１導電型の半導体層２１上に絶縁層５１を形成する。次に、第１導電型の半導体層２１が部分的に露出するように第１導電型の半導体層２１上の絶縁層５１を部分的に除去してコンタクトホール５２を形成する。同様に、各赤外線受光素子２００における、第１導電型の半導体層２１上の絶縁層５０を部分的に除去することによりコンタクトホール５４を形成し、第２導電型の半導体層４０上の絶縁層５０を部分的に除去することによりコンタクトホール５３を形成すると製造プロセスが簡易になるため、好ましい。次に、複数の赤外線受光素子２００同士を直列接続する配線層６０と、交差部ＸＹでは絶縁層５１上に形成される複数の第１の配線ＬＸと、交差部ＸＹではコンタクトホール５２を介して第１導電型の半導体層２１に電気的に接続される複数の第２の配線ＬＹとを形成する。

各構成要件については、上述の赤外線センサアレー１で説明したものを採用することができる。プロセス容易性の観点から、第１の配線ＬＸ及び第２の配線ＬＹのそれぞれを形成するための配線層が同時に形成されるとともに、各パッド（Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４）を形成するための配線層も同時に形成されることが好ましい。

Ａ１〜Ａ１６、Ａｎ赤外線受光部
ＬＸ１〜ＬＸ４第１の配線
ＬＹ１〜ＬＹ４第２の配線
Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４パッド
ＸＹ交差部
１赤外線センサアレー
１０、６０１基板
２０、２１第１導電型の半導体層
３０光吸収層
３１バリア層
４０第２導電型の半導体層
５０、５１絶縁層
５２、５３、５４コンタクトホール
６０配線層
７０保護層
６１、６０３第１の配線層
６２、６０５第２の配線層
１００半導体積層部
１０１半導体積層部のメサ構造部の斜面領域
２００、２００₁〜２００₄ 赤外線受光素子
６００積層構造
６０２第１の絶縁層
６０４第２の絶縁層

Claims

基板上に形成されたＭ行Ｎ列に配列された複数の赤外線受光部と、
前記列毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の一端に接続される第１の配線と、
前記行毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の他端に接続される第２の配線と
を備える赤外線センサアレーであって、
前記赤外線受光部は、
前記基板上に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える複数の赤外線受光素子を備え、
前記フォトダイオード構造は第１導電型の第１の半導体層及び第２導電型の半導体層を含み、
前記第１の配線と前記第２の配線との交差部における前記基板上には、前記第１導電型の第１の半導体層と同じ材料で形成され、かつ同じ不純物が等しい濃度で含まれる第１導電型の第２の半導体層が形成され、
前記交差部において、
前記第１の配線は、絶縁層を介して前記交差部の前記第１導電型の第２の半導体層上に形成され、
前記第２の配線は、前記絶縁層の一部に形成されたコンタクトホールを介して前記交差部の前記第１導電型の第２の半導体層に電気的に接続されていることを特徴とする赤外線センサアレー。
前記複数の赤外線受光素子の各々は、直列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサアレー。
前記基板上に、前記複数の赤外線受光部をスイッチングするためのスイッチング手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサアレー。
前記第１の配線及び前記第２の配線が同一レイヤーに存在することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の赤外線センサアレー。
前記第１導電型の第１の半導体層のシート抵抗が５００Ω／□〜０．５Ω／□であることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の赤外線センサアレー。
前記第１導電型の第１の半導体層及び前記第２導電型の半導体層は、インジウムおよび／又はアンチモンを含むことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の赤外線センサアレー。
前記基板は、絶縁基板もしくは半絶縁基板であることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の赤外線センサアレー。
基板上に形成されたＭ行Ｎ列に配列された複数の赤外線受光部と、前記列毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の一端に接続される第１の配線と、前記行毎に設けられ、前記複数の赤外線受光部の各々の他端に接続される第２の配線とを備えた赤外線センサアレーであって、
前記赤外線受光部は、前記基板上に形成されたＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備える複数の赤外線受光素子を備え、前記フォトダイオード構造は第１導電型の第１の半導体層及び第２導電型の半導体層を含み、前記複数の赤外線受光素子を備えた赤外線センサアレーを製造する方法であって、
前記基板上に、少なくとも第１導電型の半導体層及び第２導電型の半導体層を形成するステップと、
少なくとも前記第１導電型の半導体層及び前記第２導電型の半導体層をエッチングすることにより、前記複数の赤外線受光素子を形成するとともに、前記第１の配線と前記第２の配線との交差部における前記基板上に第１導電型の第２の半導体層を形成するステップと、
前記赤外線受光素子及び前記第１導電型の第２の半導体層上に絶縁層を形成するステップと
前記第１導電型の第２の半導体層上に形成された前記絶縁層を部分的に除去してコンタクトホールを形成するステップと、
前記複数の赤外線受光素子同士を直列接続する配線層と、前記交差部で前記絶縁層上に形成される前記第１の配線と、前記コンタクトホールを介して前記第１導電型の第２の半導体層に電気的に接続される前記第２の配線とを形成するステップと
を備えたことを特徴とする方法。
前記第１の配線及び前記第２の配線のそれぞれが同時に形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。