JP6428091B2 - 赤外線イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線イメージセンサに関する。

特許文献１はハイブリッド素子を開示し、このハイブリッド素子は、対向させた一対の半導体チップを電気的に接続するパンプ結合電極を有する。特許文献２は生体成分検出装置を開示し、生体成分検出装置は、近赤外域の光に対して受光感度をもつ半導体受光素子を用いる。非特許文献１は焦点面アレイ検出器を開示し、この焦点アレイ面検出器は、InGaAs/GaAsSb量子井戸構造を有する。

特許２５４６４０７号 特許４７２１１４７号

H. Inada, K. Miura, H. Mori, Y. Nagai, Y. Iguchi, Y. Kawamura, "Uncooled SWIR InGaAs/GaAsSb type II quantumwells focal plane array," Proc. of SPIE Vol. 7660 76603N

一例として示されるInGaAs/GaAsSb量子井戸構造はタイプＩＩ構造を有する。このタイプＩＩの量子井戸構造は、波長１．７μｍ〜２．５μｍ程度の赤外光に感応する。一方、タイプＩＩ量子井戸構造を含むフォトダイオードは、その構造に起因して、１．７μｍより短い波長、例えば１．５μｍ程度の光にも感応する。このフォトダイオードが、幅広いスペクトルを有する入力光を受けるとき、その出力信号は１．７μｍ〜２．５μｍ程度の光からの光電流及び１．５μｍ程度の光からの光電流の両方を含む。

本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、タイプＩＩ量子井戸構造からの光電流を選択的に検知可能な赤外線イメージセンサを提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、赤外線イメージセンサは、タイミング信号に応答して、第１値及び第２値を有するバイアス電圧を生成するバイアス回路と、一次元又は二次元にアレイ状に配置された複数のフォトダイオードを含み、前記バイアス電圧を受ける半導体受光素子と、前記アレイ内の前記複数のフォトダイオード毎に設けられ前記複数のフォトダイオードからの電気信号をそれぞれ受ける複数の読出回路と、前記タイミング信号に同期して前記読出回路からの読出信号を処理する信号処理回路と、を備え、各フォトダイオードは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を備え、前記受光層はタイプＩＩの量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は、アンチモンを構成元素として含む第１化合物半導体層を備える。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、タイプＩＩの量子井戸構造から光電流を選択的に検知可能な赤外線イメージセンサが提供される。

図１は、本実施の形態に係る赤外線イメージセンサを概略的に示す図面である。 図２は光電流ＩＬのバイアス依存性を示す図面である。 図３は、読み出し信号に処理を行う回路ブロック、及びその信号処理に伴う信号波形を示す図面である。 図４は、本実施例におけるタイプＩＩ量子井戸構造の光学特性を示す図面である。

以下、いくつかの具体例を説明する。

一形態に係る赤外線イメージセンサは、（ａ）タイミング信号に応答して、第１値及び第２値を有するバイアス電圧を生成するバイアス回路と、（ｂ）一次元又は二次元にアレイ状に配置された複数のフォトダイオードを含み、前記バイアス電圧を受ける半導体受光素子と、（ｃ）前記アレイ内の前記複数のフォトダイオード毎に設けられ前記複数のフォトダイオードからの電気信号をそれぞれ受ける複数の読出回路と、（ｄ）前記タイミング信号に同期して前記読出回路からの読出信号を処理する信号処理回路と、を備え、各フォトダイオードは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を備え、前記受光層はタイプＩＩの量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は、アンチモンを構成元素として含む第１化合物半導体層を備える。

この赤外線イメージセンサによれば、フォトダイオード内の受光層のタイプＩＩ遷移に係る光電流は、フォトダイオードに印加されるバイアス値に依存して変化する。半導体受光素子が、タイミング信号に同期して生成される第１値及び第２値を有するバイアス電圧を受けるとき、上記の光電流は、タイミング信号に同期して変調される。信号処理回路が、読出回路からの読出信号をタイミング信号に同期して処理するので、タイプＩＩ遷移からの光電流が、他の光遷移からの光電流に対して選択可能な形態で読み出される。

一形態に係る赤外線イメージセンサは、前記量子井戸構造は、第２化合物半導体層を更に備え、前記第１化合物半導体層はＧａAsＳｂを備え、前記第２化合物半導体層はＩｎＧａＡｓを備えることができる。この赤外線イメージセンサによれば、好適なタイプＩＩ遷移は、例えばＧａAsＳｂ層及びＩｎＧａＡｓ層を備える量子井戸構造において生じる。

一形態に係る赤外線イメージセンサでは、前記半導体受光素子は、前記フォトダイオード毎に設けられた半導体メサの配列を備え、前記半導体メサは、前記受光層上に設けられた第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層内の前記フォトダイオード毎に設けられた第２導電型の半導体領域とを含むことができる。この赤外線イメージセンサでは、半導体メサによりフォトダイオードの素子分離が為される。

一形態に係る赤外線イメージセンサでは、前記半導体受光素子は、前記受光層上に設けられた第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層内の前記フォトダイオード毎に設けられた第２導電型の半導体領域とを含み、前記キャップ層は、前記フォトダイオード毎の前記半導体領域を接続するように前記半導体領域の間に延在する。この赤外線イメージセンサでは、半導体受光素子内のフォトダイオードは、共通の第１導電型のキャップ層及び受光層を含み、複数の第２導電型の半導体領域は第１導電型のキャップ層内にフォトダイオード個々に対応して配列される。

一形態に係る赤外線イメージセンサでは、前記第２導電型の半導体領域は、ｐ型ドーパントの不純物拡散により形成されることができる。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、赤外線イメージセンサ、半導体受光素子、読出装置、受光装置に係る本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る赤外線イメージセンサを概略的に示す図面である。赤外線イメージセンサ１１は、バイアス回路１５と、読出装置１７と、半導体受光素子１９と、信号処理回路２１とを備える。バイアス回路１５は、タイミング回路２３からのタイミング信号ＳＴに応答してバイアス電圧ＢＶを生成する。バイアス電圧ＢＶは、第１値Ｖ１及び第２値Ｖ２を有する。半導体受光素子１９は、複数のフォトダイオード２５を含む。複数のフォトダイオード２５は一次元又は二次元にアレイ状に配置される。半導体受光素子１９はバイアス電圧ＢＶを受けて、このバイアス電圧ＢＶは個々のフォトダイオード２５に印加される。読出装置１７は、複数の読出回路２７を含み、これらの読出回路２７は、それぞれ、アレイ内の複数のフォトダイオード２５からの電気信号を受ける。信号処理回路２１は、タイミング信号ＳＴに同期して読出回路２７からの読出信号を処理する。

半導体受光素子１９は光電変換のための半導体積層３１を備え、半導体積層３１は、受光層３３のためのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む。これ故に、各フォトダイオード２５は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層３３を備える。受光層３３は、例えば量子井戸構造２９を有する。量子井戸構造２９は、アンチモンを構成元素として含む第１化合物半導体層３３ａと、第２化合物半導体層３３ｂとを含み、第２化合物半導体層３３ｂの材料は第１化合物半導体層３３ａの材料と異なる。この量子井戸構造２９は、タイプＩＩのバンド構造を有する。半導体積層３１は基板３５の主面３５ａ上に設けられ、半導体受光素子１９のフォトダイオード２５は基板３５を透過した光Ｌを受ける。基板３５は、例えばＩｎＰ基板（S-dope キャリア濃度 1~8x10¹⁸ ｃｍ^−３）を備えることができる。フォトダイオード２５のための半導体積層３１上には、フォトダイオード２５毎に第１電極３７ａ（アノード電極及びカソード電極の一方）が設けられている。基板３５の裏面３５ｂ上には、第２電極３７ｂ（アノード電極及びカソード電極の他方）が設けられている。裏面３５ｂは主面３５ａの反対側にある。必要な場合には、基板３５の裏面３５ｂからの光入射のために、裏面３５ｂ上に反射防止膜を設けることができる。第１電極３７ａの材料はAuZnアロイを備え、第２電極３７ｂの材料はAuGeNiアロイを備える。
一実施例では、半導体積層３１は、受光層３３、キャップ層３９ａ、及びスペーサ層３９ｂを含み、また基板３５の主面３５ａ上に設けられたバッファ層を含むことができる。半導体積層３１は、基板３５上に設けられたバッファ層を備えることができる。また、半導体積層３１の表面は、ＳｉＮ膜といったシリコン系無機絶縁膜で覆われることができる。第１電極３７ａは、フォトダイオード２５毎にシリコン系無機絶縁膜に設けられた開口を介して半導体積層３１に接触を成す。
半導体積層３１の一例。
受光層３３：ＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓ。
スペーサ層３９ｂ：ＩｎＧａＡｓ。
キャップ層３９ａ：ＩｎＰ。
受光層３３のためのＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓ、スペーサ層３９ｂのためのＩｎＧａＡｓ、及びキャップ層３９ａのためのＩｎＰは順に、例えば分子線エピタキシー法で半導体基板上に成長される。

半導体受光素子１９及び読出装置１７（ＲＯＩＣ）は、受光装置１３を構成する。半導体受光素子１９のフォトダイオード２５は、それぞれ、読出装置１７の読出回路２７にバンプ電極４１を介して接続される。バンプ電極４１は例えばインジウムを備えることができる。また、読出装置１７は、シリコン集積回路を含むことができる。

この赤外線イメージセンサ１１によれば、複数の値を示すバイアス電圧ＢＶが半導体受光素子１９に与えられる。バイアス電圧ＢＶが半導体受光素子１９内のフォトダイオード２５に印加され、このバイアス電圧ＢＶに依存して、フォトダイオード２５内の受光層３３のタイプＩＩ遷移に係る光電流は変化する。バイアス電圧ＢＶは、第１値Ｖ１及び第２値Ｖ２を有すると共に、第１値Ｖ１及び第２値Ｖ２の一方から他方への遷移はタイミング信号ＳＴに同期して引き起こされる。これ故に、バイアス電圧ＢＶを受けるフォトダイオード２５からの光電流は、タイミング信号ＳＴに同期して変調される。信号処理回路２１が、読出装置１７からの読出信号をタイミング信号ＳＴに同期して処理するので、タイプＩＩ遷移からの光電流が、他の光遷移からの光電流に埋もれることなく読み出される。

赤外線イメージセンサ１１では、第１化合物半導体層３３ａは例えばＧａAsＳｂを備え、第２化合物半導体層３３ｂは例えばＩｎＧａＡｓを備えることができる。この赤外線イメージセンサ１１に係る実施例では、好適なタイプＩＩ遷移は、ＧａAsＳｂ層及びＩｎＧａＡｓ層を備える量子井戸構造において生じる。量子井戸構造２９はＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓの積層構造に限定されることなく、InP/GaAsSbを備えることができる。

図２は光電流ＩＬのバイアス依存性を示す図面である。図２の縦軸の目盛りにおける例えば「１．Ｅ−１０」は１．０×１０^−１０を示す。具体的には、光電流ＩＬは、光Ｌを受けたフォトダイオード２５の半導体積層３１の感応によって生成される。図２に示されるバイアス依存性を示す。光Ｌは、代表的には、波長１５３０ｎｍ、１９６０ｎｍ及び２３５０ｎｍの光成分を含み、これらの光成分のうち波長１５３０ｎｍの光は、バイアス電圧−１．２ボルトからゼロボルトの範囲においてほとんどバイアス電圧への依存性を示さない。一方、波長１９６０ｎｍ及び波長２３５０ｎｍの光は、バイアス電圧−１．２ボルトからゼロボルトの範囲において比較的大きなバイアス電圧への依存性を示す。一例を示すと、波長１９６０ｎｍ及び波長２３５０ｎｍの光は、バイアス電圧−０．６ボルト付近において１×１０^−１２Ａアンペアである一方で、バイアス電圧−１．５ボルト付近において１×１０^−１１Ａアンペアである。２つのバイアス電圧における感度比は、例えば１０倍以上である。これに対して、バイアス電圧−０．６ボルト及び−１．５ボルトの間の変化に対して感度変動は10％程度以下であり、波長１５３０ｎｍの光電流は、バイアス電圧の変化に対して実質的に変化しない。

図２では、波長１５３０ｎｍ、１９６０ｎｍ及び２３５０ｎｍの光成分に対する光電流のバイアス依存性を示しているけれども、一例を示せば、波長１９６０ｎｍ及び２３５０ｎｍの光への感応は、構成元素としてアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える量子井戸構造、例えばＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓの量子井戸構造のタイプＩＩの光電流に起因する。これに対して、波長１５３０ｎｍの光成分の光への感応は、例えば量子井戸内やスペーサー層のInGaAs半導体におけるタイプIのバンド間遷移に起因する。本実施例では、この光遷移に係る感度は、タイプＩＩバンド構造における感度より大きく、バンド間光遷移に係る感度は、タイプＩＩバンド構造に係る光遷移の感度に対して例えば１０倍以上である。このＩｎＧａＡｓは、例えば図１に示されたスペーサ層３９ｂに適用されている。

変調されたバイアス電圧をフォトダイオード２５に印加すると共に、タイプＩＩの量子井戸構造を含む半導体積層３１に光Ｌを照射する。フォトダイオード２５は、バイアス電圧に応答して光電流ＩＬを生成する。図３は、読み出し信号に処理を行う回路ブロック、及びその信号処理に伴う信号波形を示す図面である。図３の（ａ）部に示されるように、タイミング回路２３からのタイミング信号ＳＴは、時刻ｔ０に開始する。本実施例では、タイミング信号ＳＴの初期値はＬＯＷであり。時刻ｔ１においてタイミング信号ＳＴの値はＬＯＷからＨＩＧＨへ遷移し、時刻ｔ２においてタイミング信号ＳＴの値はＨＩＧＨからＬＯＷへ遷移し、時刻ｔ３においてタイミング信号ＳＴの値はＬＯＷからＨＩＧＨへ遷移し、時刻ｔ４においてタイミング信号ＳＴの値はＨＩＧＨからＬＯＷへ遷移する。タイミング信号ＳＴは振幅Ｖ_０を有する。本実施例においては、バイアス回路１５は、時刻ｔ０において、タイミング信号ＳＴを基準電圧から電圧ＶＤ（＝Ｖ１）に変化させる。また、バイアス回路１５は、図３の（ｂ）部に示されるように、アナログバイアス設定回路１５ａ及び増幅回路１５ｂを含むことができる。アナログバイアス設定回路１５ａは、複数のバイアス値を有するバイアス信号ＶＢを生成のための増幅度ｇに係る信号を増幅回路１５ｂに提供する。増幅回路１５ｂは、タイミング信号ＳＴの振幅Ｖ_０及び増幅度ｇから電圧信号「ｇ×Ｖ_０＋ＶＤ（＝Ｖ２）」を生成する。

図３の（ａ）部を参照すると、受光装置１３からの読出信号ＲＯＵＴは、以下のような値を有する。
期間、 読出信号ＲＯＵＴの値。
時刻ｔ０からｔ１の期間、Ｓ１。
時刻ｔ１からｔ２の期間、Ｓ２。
時刻ｔ２からｔ３の期間、Ｓ３。
時刻ｔ３からｔ４の期間、Ｓ４。
時刻ｔ５からの期間、 Ｓ５。
タイプＩＩ量子井戸構造を含む半導体積層３１に光Ｌが入射する。半導体積層３１からの光電流ＩＬは、例えばタイプＩＩ遷移成分及びバンド間遷移成分を有する。タイプＩＩ量子井戸構造は、本実施例では、大きなバイアス電圧依存性を示す。本実施例では、バイアス電圧ＢＶの第１値Ｖ１において相対的に小さい感度を有し、バイアス電圧ＢＶの第２値Ｖ２において相対的に大きい感度を有する。一方、バンド間遷移成分は、非常に小さい（実質的にゼロの）バイアス電圧依存性を示す。時刻ｔ１からｔ２の期間における値Ｓ２、及び時刻ｔ３からｔ４の期間の値Ｓ４は、時刻ｔ０からｔ１の期間における値Ｓ１、時刻ｔ２からｔ３の期間における値Ｓ３、及び時刻ｔ４以降の期間の値Ｓ５に比べて、より多くのタイプＩＩ遷移成分を含む。より具体的には、値Ｓ２及び値Ｓ４はタイプＩＩ遷移成分を含み、値Ｓ１、値Ｓ３及び値Ｓ５はタイプＩＩ遷移成分を実質的に含まない。時刻ｔ１からｔ５までの期間において、値Ｓ１〜Ｓ５は、ほぼ同量のバンド間遷移成分を有する。

信号処理回路２１は、読出信号ＲＯＵＴ及びタイミング信号ＳＴを受けて、タイミング信号ＳＴに同期して読出信号ＲＯＵＴの処理を行う。信号処理回路２１における処理によって、読出信号ＲＯＵＴ内における値Ｓ２及び値Ｓ４を取り出すことができる。値Ｓ２及び値Ｓ４から、バルク遷移成分を差し引く回路によってタイプＩＩ遷移成分を示す信号が提供される。

図４は、本実施例におけるタイプＩＩ量子井戸構造の光学特性を示す。図４の（ａ）部を参照すると、１．２９、１．５３、１．９６、及び２．２０マイクロメートルの４つの波長において、受光装置における感度特性が示されている。この受光装置は、ＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造及びＩｎＧａＡｓバルク層を含む半導体積層を備える。感度特性は、ＩｎＧａＡｓバルク層が約１．５マイクロマートル以下の波長範囲で有効な感度を有することを示す一方で、この波長よりも長波長の領域では、ＩｎＧａＳｂ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造が有効な感度を有することを示す。また、図４の（ｂ）部を参照すると、より詳細には、単体のフォトダイオードのＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造が１．９〜２，５マイクロメートル以下の波長範囲（測定データとして１．９マイクロメートルから２．５マイクロメートル）において有効な感度を有することを示しており、波長データの下限は１．９マイクロメートルであるけれども、既に説明したように、ＧａAsＳｂ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸構造はより短い波長領域の光に感応する。

図４の（ｃ）部を参照すると、受光装置における応答特性を示す。受光装置は、１．２９、１．５３、１．９６、及び２．２０マイクロメートルの４波長を含む１．０〜２．３５マイクロメートルにおける光電流に係る電気信号を出力できる。これらの波長により示される波長範囲においては、光パワーに対して実質的に線形な関係で光電流が生成される。

再び、図１を参照すると、半導体受光素子１９は、プレーナー型の構造を有することができる。この構造では、半導体受光素子１９は、受光層３３上に設けられた第１導電型のスペーサ層３９ｂと、スペーサ層３９ｂ上に設けられたキャップ層３９ａと、キャップ層３９ａ及びスペーサ層３９ｂ内にフォトダイオード２５毎に設けられた第２導電型の半導体領域４３とを含む。フォトダイオード２５は、共通の受光層４４、共通のスペーサ層３９ｂ及び共通の第１導電型のキャップ層３９ａを含む。これら第１導電型のスペーサ層３９ｂ及び第１導電型のキャップ層３９ａ内に、アレイを構成するフォトダイオード２５を規定するように、第２導電型の半導体領域４３の配列が設けられる。半導体領域４３は、例えばｐ型ドーパント不純物の熱拡散により形成される。ｐ型ドーパントは例えば亜鉛（Ｚｎ）である。

或いは、半導体受光素子は、メサ型の構造を有することができる。半導体受光素子１９は、フォトダイオード２５毎に設けられた半導体メサの配列を備える。この半導体メサは、受光層上に設けられた第２導電型のスペーサ層と、このスペーサ層上に設けられた第２導電型のキャップ層とを備える。この赤外線イメージセンサでは、ドライエッチングにより形成された半導体メサによりフォトダイオード２５の素子分離が成される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、タイプＩＩ量子井戸構造から光電流を選択的に検知可能な赤外線イメージセンサを提供できる。また、本センサは、波長１．７マイクロメートルより長い領域の感度におけるバイアス依存性を利用して、その波長領域の光を透過させるフィルターを使用することなく、その領域のイメージングのＳ／Ｎを向上できる。

１１…赤外線イメージセンサ、１５…バイアス回路、１７…読出装置、１９…半導体受光素子、２１…信号処理回路、２３…タイミング回路、２５…フォトダイオード、２７…読出回路、２９…量子井戸構造、３１…半導体積層、３３…受光層、３３ａ…第１化合物半導体層、３３ｂ…第２化合物半導体層、３５…基板、３７ａ…第１電極、３７ｂ…第２電極。

Claims (6)

1. 赤外線イメージセンサであって、
   タイミング信号に応答して、第１値及び第２値を有するバイアス電圧を生成するバイアス回路と、
   一次元又は二次元のアレイに配置された複数のフォトダイオードを含み、前記バイアス電圧を受ける半導体受光素子と、
   前記アレイ内の前記複数のフォトダイオード毎に設けられ前記複数のフォトダイオードからの電気信号をそれぞれ受ける複数の読出回路と、
   前記タイミング信号に同期して前記読出回路からの読出信号を処理する信号処理回路と、
   を備え、
   前記半導体受光素子は、前記フォトダイオード毎に設けられアノード及びカソードの一方である第１電極と、前記アノード及び前記カソードの他方である第２電極と、を含み、
   前記バイアス電圧は、前記第１電極と前記第２電極との間に印加され、
   各フォトダイオードは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を備え、前記受光層はタイプＩＩの量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は、アンチモンを構成元素として含む第１化合物半導体層を備え、
   前記量子井戸構造は、第２化合物半導体層を更に備え、
   前記第１化合物半導体層はＧａＡｓＳｂを備え、
   前記第２化合物半導体層はＩｎＧａＡｓを備える、赤外線イメージセンサ。
2. 前記半導体受光素子は、ＩｎＧａＡｓバルク層を含む、請求項１に記載された赤外線イメージセンサ。
3. 前記半導体受光素子は、前記フォトダイオード毎に設けられた半導体メサの配列を備え、
   前記半導体メサは、前記受光層上に設けられた第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層内の前記フォトダイオード毎に設けられた第２導電型の半導体領域とを含む、請求項１又は請求項２に記載された赤外線イメージセンサ。
4. 前記半導体受光素子は、前記受光層上に設けられた第１導電型のキャップ層と、前記キャップ層内の前記フォトダイオード毎に設けられた第２導電型の半導体領域とを含み、
   前記キャップ層は、前記フォトダイオード毎における前記半導体領域を接続するように前記半導体領域に延在する、請求項１又は請求項２に記載された赤外線イメージセンサ。
5. 前記半導体領域は、ｐ型ドーパントの不純物拡散により形成される、請求項４に記載された赤外線イメージセンサ。
6. 前記半導体受光素子は、前記受光層上に設けられたＩｎＧａＡｓスペーサ層と、前記ＩｎＧａＡｓスペーサ層上に設けられたキャップ層とを有する、請求項１に記載された赤外線イメージセンサ。

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