JP5919789B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

実施例は、赤外線撮像装置に関する。

波長８μｍ〜１０μｍの赤外線画像を撮像することにより温度３００Ｋ近辺の人体等を検出したり、波長３μｍ〜５μｍの赤外線画像を撮像することによりミサイルの噴射口やエンジン等の高温部を検出することができる。

１０μｍ帯の赤外線画像を検出する赤外線撮像装置として、ＨｇＣｄＴｅを用いたフォトダイオードアレイが用いられていた。近年、応答が速く高感度という特徴をもつ量子準位を利用した量子井戸型赤外線検知器（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＷＩＰ）が注目を集めている。８〜１２μｍ帯に感度を持つＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を用いたＱＷＩＰは、成熟したＧａＡｓ系化合物半導体製造技術を用いることができるため、広く利用されている。これらのセンサにおいては、赤外線感光材料として化合物半導体材料が使用されている。

信号処理のためのＳｉ信号処理回路のチップを化合物半導体のセンサチップに組み合わせて用いることも多い。例えば、ＱＷＩＰ等の化合物半導体チップの各画素をＩｎ等のメタルバンプを介して、Ｓｉチップの信号処理回路に接続する。ＱＷＩＰ等の画素で検知した赤外線をＳｉの信号処理チップで処理して画像化する（例えば特許文献１）。

高感度を得るため、化合物半導体の赤外線検出チップは、冷凍器により、例えば液体窒素温度程度の温度に冷却されることが多い（例えば特許文献２、特許文献３）。この場合、赤外線検出チップは入射する赤外線を受光する必要があるので、受光面を外界に対向させる。信号処理チップは、赤外線検出チップの受光面とは逆側の面に結合することになる。冷凍器の冷却ヘッドは信号処理チップの裏面に結合され、赤外線検出チップは、信号処理チップを介して冷却される。

信号処理チップにおいては、例えば赤外線検出チップの各赤外線検出素子から信号を読み出す読み出し回路を各赤外線検出素子毎に対応して配置し、周辺部に駆動回路等を配置する。回路動作に伴い、信号処理チップ表面部で発熱が生じる。信号処理チップ表面とメタルバンプで接続される赤外線検出素子は、信号処理チップからの熱を受け易い状態にある。

近年、１画面を５１２×５１２画素、６４０×４８０画素、１０００×１０００画素等で構成する大規模画素集積化が進んでいる。１画面内の画素数の増加と共に、画像信号処理を高速化する必要が生じる。

特開２００４−９５６９２号公報、 特開２０１０−５６８７４号公報。 特開２０１１−８７１６９号公報。

冷凍器の冷却ヘッドと赤外線検出チップとの間に配置された信号処理チップが発熱すると、発生した熱はメタルバンプを介して容易に赤外線検出チップに達し、赤外線検出素子の温度を上昇させて、特性を劣化／変動させてしまう。

信号処理チップで発生した熱を、赤外線検出素子に向かわせず、別の場所に向かわせることが望ましい。

実施例によれば、赤外線撮像装置は、
複数の赤外線検出素子を形成した赤外線検出チップと、
赤外線検出チップ上に形成された、赤外線検出素子毎の画素バンプと、共通バイアスバンプと、
複数の画素信号を処理し、赤外線画像を生成する信号処理回路を有する信号処理チップと、
信号処理チップ上に形成された、画素バンプと対向して配置された入力信号バンプと、共通バイアスバンプに対向して配置された共通バイアス供給バンプと、
信号処理チップを支持し、冷却する冷却ヘッドを含む真空容器と、
冷却ヘッドを冷却する冷凍機と、
信号処理チップ上に形成され、信号処理回路から電気的に分離され、信号処理回路で発する熱を冷却ヘッドに伝導するための金属構造体と、
を有する。

図１Ａ〜１Ｄは、本発明者の検討内容を示す断面図、平面図であり、図１Ａ，１Ｂは従来技術に対する検討を示す断面図、図１Ｃ，１Ｄは本発明者の着想内容を示す平面図と断面図である。 図２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、実施例による赤外線撮像装置の構成を示すシステムの断面図、撮像装置周辺の断面図、及び信号処理チップの撮像領域の部分平面図である。 図３Ａ，３Ｂは、赤外線検出チップの構成例を示す断面図、図３Ｃは赤外線検出回路の等価回路図である。 図４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、撮像領域の金属構造体の変形例の平面図、信号処理チップにおける金属構造体の変形例の平面図、金属構造体の一部の変形例の断面図である。

図１Ａは、赤外線検出チップ１０と信号処理チップ２０をメタルバンプ１１，１２と２１，２２とで接続し、冷却ヘッドのステム３０に取り付けた状態を示す概略断面図である。赤外線検出チップ１０は、共通層の上に複数の赤外線検出素子を形成し、厚さを薄くした構成を有する。各赤外線検出素子の出力電極上に画素バンプ１１、共通層上に共通バンプ１２を接続する。信号検出チップ２０は、各赤外線検出素子に対応した位置に赤外線検出素子毎に対応する信号検出回路を形成し、周辺部には駆動回路等を形成している。赤外線検出素子毎に対応する検出回路の入力端子に入力電極を形成し、駆動回路の共通駆動端子に共通バイアス供給電極を形成する。入力電極の上に入力バンプ２１、共通バイアス電極上に共通バイアス供給バンプ２２を接続する。

図１Ｂは、熱の流れを示す部分的拡大図である。Ｓｉの信号処理チップ２０は、例えば数百μｍの厚さを有するが、トランジスタのチャネルは表面から高々１μｍ以下の領域に形成される。すなわち、信号処理チップ中発熱を生じるのはその極表面部である。厚さを薄くした赤外線検出チップ１０は、熱容量が小さくなっており、且つ熱の良伝導体であるメタルバンプ１１，２１によって信号処理チップ２０の表面に熱的にも係合している。従って、信号処理チップ２０表面で発生した熱は容易に赤外線検出チップ１０に伝導され、赤外線検出素子の温度を昇温してしまう。

放熱の目的で放熱板を用いることは、一般的によく知られているが、赤外線検出チップ１０と信号処理チップ２０に挟まれ、バンプ１１，２１が分散配置された狭い空間に、赤外線検出チップ１０に向かう熱流を別の場所に向かわせる放熱板を配置することは困難である。

本発明者は、バンプ構造に着目した。赤外線検出チップ１０上と信号処理チップ２０上に、画素毎のバンプ１１，２１、及び共通バイアス用のバンプ１２，２２が配置されている。これらのバンプは、赤外線検出チップ１０と信号処理チップ２０の間の電気的接続の機能を果たしている。信号処理チップ２０上に、バンプ２１，２２と共に、放熱用の金属構造体を形成すれば、放熱機能を持たせることができよう。

図１Ｃ，１Ｄは、２画素×２画素分の平面図と図１Ｃ中の一点破線に沿う断面図を示す。図１Ｃにおいて、信号処理チップ２０には画素の位置に合わせて読み出し回路ＲＣが形成され、画素からの信号を受けるバンプ２１が形成されている。バンプ２１が形成されていない領域に絶縁膜を介して、連続する、放熱用の金属構造体２４を形成する。

図１Ｄに示すように、赤外線検出チップ１０には、各画素の検出信号を出力する画素毎のバンプ１１が形成されている。信号処理チップ２０には、各画素に対応した読み出し回路が形成され、バンプ１１と対向するバンプ２１が形成され、検出信号を受ける。さらに、信号処理チップ２０表面上に金属構造体２４が形成されている。赤外線検出チップ１０に、金属構造体２４に対応する金属構造体は形成されない。従って、放熱用の金属構造体２４は、信号処理チップ２０の表面から熱を受け、赤外線検出チップ１０に熱を伝達することなく、信号処理チップ２０の表面に沿って熱を伝導することができる。

信号処理チップ２０表面から、バンプ２１及び金属構造体２４が受ける熱量が面積に比例するとすれば、バンプ２１の面積に対する金属構造体２４の面積を大きくすることにより、放熱効果を増加することができるであろう。

図２Ａ〜２Ｃは、実施例による冷却型赤外線撮像装置を示す、一部破断概略側面図、要部断面図、要部平面図である。１０μｍ帯の赤外線を検出する場合を例にとって説明する。

図２Ａに示すように、冷凍機４０のコールドフィンガ４２に結合されたクーラーヘッド４４にステム５２が固定されている。ステム５２の上に赤外線検出センサＩＲＳが支持され、入射光用の開口を有するコールドシールド５４で囲まれている。ステム５２、コールドシールド５４は、例えば無酸素銅で形成する。ステム５２の上には、温度センサ５６、温度調節用ヒータ５８も結合されている。冷凍機４０としては、スターリング型、ジュールトムソン型、ギフォードマクマホン型、パルスチューブ型等の冷凍機を利用できる。

赤外線検出センサを冷却する場合、大気中で冷却すると霜がつき、入射光を遮って、画像センサとして機能しなくなる。赤外線検出センサＩＲＳは、Ｇｅ等の透過窓４が配置された真空容器２内に配置し、真空容器２内を真空排気した状態で作動させる。Ｇｅは、可視光は透過しないが、１０μｍ帯の赤外線はほぼ吸収なしで透過する。真空中なので対流による熱移動はない。

図２Ｂは赤外線検出センサＩＲＳ周辺の構造を示す。図２Ａと同一参照記号は同一部材を示す。赤外線検出センサＩＲＳは、ステム５２に固定されたＳｉ信号処理チップ２０と赤外線検出チップ１０と、これらのチップ２０，１０間に配置され、電気的信号の入出力を行なうためのバンプ１１，２１と、共通バイアスを印加するためのバンプ１２，２２とを含む。バンプ１１，１２，２１，２２は、繰り返し熱サイクルに対する耐久性を考慮して、ＩｎまたはＩｎ合金で形成するのが好ましい。

本実施例においては、Ｓｉの信号処理チップ２０の上に配置され、電気的にはチップ２０と分離され、熱の伝導を行う金属構造体２４、２６を更に含む。金属構造体は、赤外線検出チップ１０と対向する領域でバンプ２１が通過する開口を有する第１部分２４と、赤外線検出チップ１０の外方で、ストライプ状等の、連続した形状を有する第２部分２６を含む。金属構造体２４，２６は、シールド的機能は有しても、積極的な電気的機能は有さない。金属構造体２４、２６は、例えばバンプと同一の材料、例えばＩｎ、で形成する。この場合、金属構造体２４、２６形成用の特別工程は必要なく、パターンの変更のみで済む。

図３Ａは、多重量子井戸（ＭＱＷ）型の赤外線検出チップの構造を示す断面図である。例えば、ＧａＡｓ基板上に下側ｎ型ＧａＡｓ層である共通コンタクト層ＣＣ、ＧａＡｓウェル層、ＡｌＧａＡｓバリア層を繰り返し積層した多重量子井戸構造ＭＱＷ、上側ｎ型ＧａＡｓ層である画素コンタクト層ＰＸＣを成長し、下側ｎ型ＧａＡｓ層を露出するストリートにより各画素を分離し、画素コンタクト層ＰＸＣ上に各画素の出力電極、共通コンタクト層ＣＣ上に共通電極を形成し、ＧａＡｓ基板をエッチング又は研磨により薄くした構造を有する。画素構造を覆って絶縁層１４が形成される。なお、画素と同一の層構造を有し、共通バイアス印加用バンプ１２の台座を形成する支持柱ＰＬも形成される。画素上の絶縁層にコンタクト孔が形成され、導電性プラグ１５が埋め込まれる。支持柱ＰＬ上から共通コンタクト層ＣＣ上に延在する配線１６が形成される。導電性プラグ１５、配線１６上にバンプ１１，１２が形成される。多重量子井戸型の赤外線検出チップの構造に関しては、例えば特許文献１の実施の形態を参照できる。

図３Ｂはフォトダイオード型の赤外線検出チップの構成を示す断面図である。例えばｐ型のＨｇＣｄＴｅ基板１７にｎ型不純物をドープして、画素を構成する複数のｎ型領域１８が形成される。基板１７上に絶縁膜１４が形成され、コンタクト孔を形成し、導電性プラグ１５が埋め込まれる。導電性プラグ１５を介してｎ型領域１８と電気的に接続されたバンプ１１，ｐ型基板と電気的に接続され、共通バイアス供給バンプとなるバンプ１２が形成される。なお、赤外線検出チップは公知の構造であり、他の公知の構造を採用してもよい。

図３Ｃは、信号処理回路の等価回路図である。破線で囲んだ入力回路Ｉｎは、赤外線検出センサで発生した画素信号を、バンプＢＰ及び入力トランジスタＴｉｎを介して蓄積容量Ｃａｐに蓄積し、不要の電荷をリセットトランジスタＴｒｓを通して廃棄する。赤外線検出センサＩＲＳ，バンプＢＰは信号処理チップ外の構造であり、残りの部分は信号処理チップに形成される。蓄積容量Ｃａｐの蓄積電極は前置増幅器ＰＡの初段トランジスタのゲートに印加され、前置増幅器ＰＡは増幅した信号を出力する。

複数の入力回路Ｉｎは格子状に配置され、各行に沿って、行選択配線が接続され、垂直シフトレジスタＶＳＲによって駆動される。各列に沿って列選択配線が接続され、水平シフトレジスタＨＳＲによって駆動される。垂直シフトレジスタＶＳＲによってある行が選択されると、その行の各画素が水平シフトレジスタＨＳＲによって走査され、出力アンプＯＡから各画素の信号が出力される。出力アンプＯＡは、高速動作するので消費電力が大きい。

図２Ｃは、Ｓｉ信号処理チップ２０上の、金属構造体の第１部分２４、第２部分２６の平面形状例を示す。赤外線検出素子に対応して配置された入力回路のバンプ２１と、バンプ２１から電気的に分離され、連続した格子状の金属構造体の第１部分２４が入力回路表面に配置され、左右の連続した（ベタ形状の）第２部分２６に連続している。信号処理チップ２０の入力回路で発生する熱は、金属構造体の第１部分２４の熱伝導を利用して移動され、第２部分で冷却ヘッドのステム５２に吸収される。バンプ２１，１１を介して赤外線検出素子に伝達する熱を減少させるには、まずバンプ２１と信号処理チップの接触面積と比べて、金属構造体の第１部分２４と信号処理チップの接触面積を大きくすることが望ましい。

さらに、バンプ２１を回路のトランジスタから離した位置に配置することにより、トランジスタの発熱が速やかに金属構造体の第１部分２４に吸収され、バンプ２１に伝達されにくくすることもできる。

金属構造体の第２部分２６は、例えば、金属構造体２４と同一金属層で形成され、赤外線検出チップ１０対向領域より外方に配置され、連続する形状を有する。例えば撮像領域を取り囲む環状の金属層であり、受けた熱を赤外線検出チップ１０に伝導せず、冷却されるステム５２に伝導する機能を有する。

このような、金属構造体２４、２６を形成することにより、赤外線検出チップ１０における画素の温度上昇を抑制することが可能となる。

金属構造体２４、２６をバンプと同一金属層で形成する場合を説明したが、異なる金属で形成してもよい。バンプは熱サイクルに対する耐久性を考慮すると、Ｉｎ又はＩｎ合金で形成することが好ましい。金属構造体２４、２６は熱伝導率の高い金属で形成することが好ましい。Ｉｎは８１．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有する。３２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するＡｕ，４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するＡｇ，３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を有するＣｕ等で金属構造体を形成すれば、放熱効率を高めることができる。これらの金属は例えば電解メッキで成膜することができる。

図４Ａは、金属構造体の第１部分の他の形状例を示す。バンプ２１を取り囲む開口を残し、残りの全面積が金属構造体の第１部分２４で覆われている。円形の開口を例示したが、バンプを収容する開口は円形に限らない。矩形他種々の形状としてもよい。

図４Ｂは、金属構造体の第１部分２４、第２部分２６の他の形状を示すと共に、水平シフトレジスタＨＳＲ，出力アンプＯＡを覆う別体の第３部分２８を形成した構造を示す。出力アンプＯＡは消費電力が大きく、発熱量も大きい。専用の金属構造体の第３部分２８を設けることにより、発熱を吸収すると共に、画素領域への熱拡散を抑制する。

図４Ｃは金属構造体の第２部分２６にフィン構造２９を形成した例を示す。表面積を増加することによる熱拡散を向上する。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、これらの制限的なものではない。以上の説明における材料、数値は、制限的な意味は有さない。種々の置換、変更、改良、組み合わせ、などが可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 赤外線検出チップ、
２０ 信号処理チップ、
１１，１２ （赤外線検出チップ上の）バンプ、
２１，２２ （信号処理チップ上の）バンプ、
２４ 金属構造体（第１部分）、
２６ 放熱構造体（第２部分）、
２８ 金属構造体（第３部分）、
ＶＳＲ 垂直シフトレジスタ、
ＨＳＲ 水平シフトレジスタ、
ＯＡ 出力アンプ。

Claims (10)

1. 複数の赤外線検出素子を形成した赤外線検出チップと、
   前記赤外線検出チップ上に形成された、前記赤外線検出素子毎の画素バンプと、共通バイアスバンプと、
   複数の画素信号を処理し、赤外線画像を生成する信号処理回路を有する信号処理チップと、
   前記信号処理チップ上に形成された、前記画素バンプと対向して配置された入力信号バンプと、前記共通バイアスバンプに対向して配置された共通バイアス供給バンプと、
   前記信号処理チップを支持し、冷却する冷却ヘッドを含む真空容器と、
   前記冷却ヘッドを冷却する冷凍機と、
   前記信号処理チップ上に形成され、前記信号処理回路から電気的に分離され、前記信号処理回路で発する熱を前記冷却ヘッドに伝導するための金属構造体と、
   を有する赤外線撮像装置。
2. 前記金属構造体が、前記赤外線検出チップに対向する領域に形成された第１部分と、前記第１部分に連続して形成され、前記赤外線検出チップ外の領域に延在する第２部分とを有する請求項１に記載の赤外線検出装置。
3. 前記金属構造体の第１部分が、前記入力信号バンプを取り囲む格子状の形状、又は前記入力信号バンプを収容する開口の周囲に延在する形状を有する、請求項２に記載の赤外線撮像装置。
4. 前記信号処理回路が水平シフトレジスタ、出力アンプを含み、
   前記金属構造体が、前記第１部分、第２部分と別体で、前記出力アンプを覆う第３部分を含む、請求項２又は３に記載の赤外線撮像装置。
5. 前記金属構造体の第３部分が、水平シフトレジスタも覆う請求項４に記載の赤外線撮像装置。
6. 前記金属構造体が、前記入力信号バンプおよび前記共通バイアス供給バンプと同一金属層から形成されたものである請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
7. 前記金属構造体は、前記入力端子ごとのバンプおよび前記共通バンプより高い熱伝導率を有する金属層から形成されたものである請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
8. 前記赤外線検出チップは化合物半導体で形成され、前記信号処理チップはシリコンで形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外線撮像装置。
9. 前記赤外線検出チップは、基板上に多重量子井戸型赤外線検出素子を形成し、基板をエッチング又は研磨で薄くした構成を有する請求項８記載の赤外線撮像装置。
10. 前記赤外線検出チップは、ＨｇＣｄＴｅ基板上に複数のフォトダイオードを形成した構成を有する請求項８記載の赤外線撮像装置。

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