JP6990550B2 - 赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムに関する。

人間の目に見えない赤外線を検出できる赤外線検出器は、防衛や防犯等の分野において広く普及している。

赤外線検出器は、赤外線に対して光電変換を行う光電変換層の構造によって様々なタイプがある。例えば、光電変換層に量子井戸構造を採用した赤外線検出器はQWIP (Quantum Well Infrared Photodetector)と呼ばれる。また、光電変換層に量子ドットを採用したQDIP (Quantum Dot Infrared Photodetector)と呼ばれる赤外線検出器もある。

その他に、光電変換層にバルクの化合物半導体を採用した赤外線検出器も広く普及している。

赤外線検出器で検出できる赤外線の波長は光電変換層の構造とその材料で定まり、光電変換層で検出できない赤外線が赤外線検出器に入射するとノイズの原因となる。

特開平０２－２４１０６４号公報 特開平０５－３１５５７８号公報

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、特定の波長の赤外線を取り込むことが可能な赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムを提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、赤外線が入射する上面を有すると共に、前記上面に対して斜めに延びた複数の孔が周期的に形成され、前記赤外線に対して光電変換を行う光電変換層を有する赤外線検出器が提供される。

以下の開示によれば、上面に対して斜めに延びる複数の孔によって光電変換層がフォトニック結晶となるため、光電変換層を透過できる光を特定の波長の赤外線に限定することができ、赤外線検出器に特定の波長の赤外線を取り込むことが可能となる。

図１は、検討に使用した赤外線検出器の断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。 図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その４）である。 図６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その５）である。 図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その６）である。 図８（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その７）である。 図９（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その８）である。 図１０は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その９）である。 図１１は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１０）である。 図１２は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１１）である。 図１３は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１２）である。 図１４は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１３）である。 図１５は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１４）である。 図１６は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１５）である。 図１７は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中における上部コンタクト層の一部領域の拡大上面図（その１）である。 図１８は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中における上部コンタクト層の一部領域の拡大上面図（その２）である。 図１９は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の上面図である。 図２０は、第１実施形態において、ダイシングにより得られた複数の撮像素子の上面図である。 図２１は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの斜視図である。 図２２は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの等価回路図である。 図２３は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの動作について説明するための拡大断面図である。 図２４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態における赤外線の波長分布を模式的に示すグラフである。 図２５は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの上面図である。 図２６は、図２５のIV－IV線に沿う断面図である。 図２７（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図２８（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図２９は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。 図３０は、第３実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中における上部コンタクト層の一部領域の拡大上面図である。 図３１は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図３２は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図３３は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。 図３４は、第４実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その４）である。 図３５（ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図３６は、第５実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図３７は、第６実施形態に係る撮像システムの構成図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、その検討に使用した赤外線検出器の断面図である。

この赤外線検出器１０は、光電変換層に量子井戸構造を採用したQWIPであって、基板１を備える。

基板１は、検出対象の赤外線IRを透過するGaAs基板であり、その上には下部コンタクト層３、光電変換層４、上部コンタクト層５、及び反射層６がこの順に形成される。

このうち、下部コンタクト層３は、電子濃度が１×１０^１８cm^-3と高く電導性が良好なn型のGaAs層であって、その上に形成された下部電極８とオーミックコンタクトを形成する。

一方、光電変換層４は、赤外線IRによって電子と正孔とを生成する化合物半導体層であって、Al_0.3Ga_0.7Asの障壁層４ａとGaAsの井戸層４ｂとを交互に複数積層してなる量子井戸構造を有する。各層の積層数や厚さは特に限定されないが、この例では障壁層４ａと井戸層４ｂとを合わせた層数を５０層とする。また、障壁層４ａの厚さは４０nmであり、井戸層４ｂの厚さは５nmである。

また、上部コンタクト層５は、反射層６を介してその上の上部電極７とオーミックコンタクトを形成する化合物半導体層である。その上部コンタクト層５として、この例では電子濃度が１×１０^１８cm^-3と高く電導性が良好なn型のGaAs層を形成する。

そして、反射層６は、金や白金等の金属層であって、光電変換層４から射出した赤外線IRを反射する。これにより、光電変換層４が赤外線IRに曝される機会が増え、光電変換層４における光電変換効率が高められると期待される。

更に、上部電極７と下部電極８は、金とゲルマニウムとの合金層と金層とをこの順に積層した積層膜である。赤外線IRの入射によって光電変換層４に蓄積した電子や正孔等のキャリアは、上部電極７と下部電極８から外部に取り出される。

このような赤外線検出器１０においては、基板１の裏面１ａから赤外線IRが入射するため、裏面１ａにおける赤外線IRの反射を防止することで光電変換層４に入射する赤外線IRの光量を増やすことができる。

そこで、この例では裏面１ａに反射防止膜２を形成することにより、光電変換層４が検出の対象とする波長の赤外線IRが裏面１ａにおいて反射するのを防止する。

反射防止膜２の反射防止能力は、反射防止膜２の屈折率と膜厚によって定まる。この例では、反射防止膜２の屈折率を基板１のそれよりも低くし、かつ反射防止膜２内における赤外線IRの波長の１／４に等しくなるように反射防止膜２の膜厚を設定する。これにより、反射防止膜２の内部において赤外線IRが打ち消し合い、反射防止膜２から入射した赤外線IRが裏面１ａで反射するのが防止される。

光電変換層４で検出できる赤外線の波長は障壁層４ａと井戸層３ｂの各々の膜厚や材料によって変わるが、例えば光電変換層４で検出できる赤外線の波長が４．８μmの場合を考える。この波長の赤外線に対する基板１の屈折率は３．３であるため、これと同じ波長の赤外線に対する屈折率が２．２５の硫化亜鉛膜を反射防止膜２として形成し、かつその膜厚を４．８μmの１／４とすることで、裏面１ａにおける赤外線IRの反射を有効に防止できる。

以上説明した赤外線検出器１０によれば、反射防止膜２によって裏面１ａでの赤外線IRの反射を防止するため、光電変換層４に入射する赤外線IRの光量が増加する。

しかしながら、光電変換層４の検出対象となる赤外線IRの波長から多少ずれた波長の赤外線であっても、反射防止膜２の内部においてその赤外線が打ち消し合って反射がある程度防止されるため、光電変換層４に入射する赤外線IRの波長分布はブロードとなる。

その結果、検出対象の波長とは異なる波長の赤外線が光電変換層４に入射して光電変換層４にノイズが発生し、赤外線検出器１０のS/N比が低下してしまう。

これを防ぐために、検出対象の波長のみを透過する波長選択フィルタを赤外線検出器１０の前段に設けることも考えられるが、これでは波長選択フィルタの分だけコストが増加してしまう。

更に、この赤外線検出器１０においては反射層６で赤外線IRを反射させることで光電変換層４の光電変換効率を高めようとしているものの、反射層６で反射した赤外線IRのうち光電変換に寄与しないものはそのまま基板１から外部に射出してしまう。

特に、QWIPにおいては、赤外線を吸収する量子井戸層４ｂの厚さがナノメートルスケールであるため、光電変換層４の全体で赤外線を吸収するバルク型の光電変換層と比較して光吸収量が小さく、単に反射層６を設けただけでは光電変換効率が向上しない。これについてはQDIPでも同様である。

そのため、この赤外線検出器１０には、反射層６で反射した赤外光IRを光電変換に有効に利用できないという問題もある。

以下に、各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態に係る赤外線イメージセンサについて、その製造工程を追いながら説明する。

図２～図１６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、基板２０として赤外線を透過するGaAs基板を用意し、その上にMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によりバッファ層２１としてGaAs層を１μm程度の厚さに形成する。

そして、そのバッファ層２１の上にMOVPE法でGaInP層を１μm程度の厚さに形成し、そのGaInP層をエッチングストッパ層２２とする。

次に、図２（ｂ）に示すように、エッチングストッパ層２２の上に下部コンタクト層２３としてn型のGaAs層をMOVPE法で１μm程度の厚さに形成する。下部コンタクト層２３にドープするn型不純物は特に限定されないが、この例ではそのn型不純物としてシリコンを１×１０^１８cm^-3程度の濃度にドープする。

更に、下部コンタクト層２３の上にMOVPE法でAl_0.3Ga_0.7Asの障壁層２４ａとGaAsの井戸層２４ｂとをこの順に交互に複数形成し、これらの積層膜を光電変換層２４とする。その光電変換層２４のうち、障壁層２４ａの厚さは４０nm程度であり、井戸層２４ｂの厚さは５nm程度である。

また、障壁層２４ａと井戸層２４ｂの積層数も特に限定されず、障壁層２４ａと井戸層２４ｂとを合わせた層数は５０層程度である。

このように障壁層２４ａと井戸層２４ｂとを交互に積層してなる量子井戸構造を有する赤外線検出器はQWIPと呼ばれる。光電変換層２４で検出できる赤外線の波長は障壁層２４ａと井戸層２４ｂの各々の厚さと材料によって制御することができ、本実施形態ではその赤外線の波長は３μm～１４μm程度となる。

なお、光電変換層２４としてtype II超格子を採用してもよい。その場合は、障壁層２４ａとしてGaSb層を形成し、井戸層２４ｂとしてInAs層を形成すればよい。

更に、光電変換層２４として赤外線を吸収するバルクの化合物半導体層を形成してもよい。そのような化合物半導体層としては、例えば、HgCdTe層やInSb層等がある。

その後に、n型不純物としてシリコンが１×１０^１８cm^-3程度の濃度にドープされれたn型のGaAs層を光電変換層２４の上にMOVPE法で１．１μm程度の厚さに形成し、そのGaAs層を上部コンタクト層２５とする。

この例では各層２３～２５をMOVPE法で形成したが、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法で各層２３～２５を形成してもよい。これについては後述の各実施形態でも同様である。

続いて、図３（ａ）に示すように、フォトリソグラフィとドライエッチングで上部コンタクト層２５の表面に複数の溝２５ｇを一定の周期で形成することにより、上部コンタクト層２５の表面に凹凸を設ける。

各々の溝２５ｇは、後述のように光電変換層２４から射出した赤外線に対する反射型の回折格子として機能し、その深さは３００nm～１０００nm程度である。

図１７は、このように溝２５ｇが形成された上部コンタクト層２５の一部領域Rにおける拡大上面図である。なお、前述の図３（ａ）の一部領域Rにおける断面は、図１７のI－I線に沿う断面に相当する。

図１７に示すように、各々の溝２５ｇは、第１の方向D1に沿って一定の周期qで形成され、かつ第１の方向D1に直交する第２の方向D2に沿って直線状に延びる。

なお、周期qは特に限定されないが、この例では光電変換層２４が検出の対象とする赤外線の波長λの１／２程度に等しくなるように周期qを設定する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、上部コンタクト層２５の上にシリコンを含有する第１のレジスト層２９として富士フイルムエレクトロニックマテリアルズ社製のFH-SP3CLを塗布する。そして、第１のレジスト層２９を電子線で露光して更にそれを現像することにより、第１のレジスト層２９に複数の開口２９ａを形成する。

なお、電子線で第１のレジスト層２９を露光する代わりに、露光光で第１のレジスト層２９を露光してもよい。

次に、図４（ａ）に示す工程について説明する。

まず、不図示のエッチングチャンバ内に基板２０を入れ、そのエッチングチャンバ内において基板２０を水平面から４５°程度の角度だけ傾ける。そして、この状態を維持しながら、開口２９ａを通じて光電変換層２４と上部コンタクト層２５の各々をドライエッチングし、光電変換層２４の厚さ方向Dから傾いた方向に延びる複数の孔２４ｈを間隔をおいて形成する。

そのドライエッチングで使用するエッチングガスとしては、光電変換層２４や上部コンタクト層２５の主材料であるGaAsを選択的にエッチングできる塩素ガスがある。

孔２４ｈはその周囲よりも屈折率が低いため、このように孔２４ｈを形成することで光電変換層２４は屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶となり、特定の波長の赤外線のみが光電変換層２４を透過できるようになる。

孔２４ｈの直径dは特に限定されないが、直径dを赤外線の波長の１／４程度の０．７μm～３．５μm程度とすることにより光電変換層２４にフォトニック結晶としての特徴が発現し易くなる。

特に、第１のレジスト層２９の材料であるシリコン含有レジストは前述の塩素ガスに対して優れたエッチング耐性を有するため、エッチングの最中にその断面形状が崩れず、直径dが小さくアスペクト比が大きな孔２４ｈを形成することができる。

また、各孔２４ｈの深さは特に限定されないが、この例ではエッチング時間を制御することにより下部コンタクト層２３の上でエッチングを停止させ、光電変換層２４を貫通するように各孔２４ｈを形成する。

なお、そのエッチングを更に進めて下部コンタクト層２３にも各孔２４ｈを形成してもよい。

その後に、図４（ｂ）に示すように、フッ酸等の薬液で第１のレジスト層２９を除去する。

図１８は、本工程を終了した後の上部コンタクト層２５の一部領域Rにおける拡大上面図である。

なお、前述の図４（ｂ）の一部領域Rにおける断面は、図１８のII－II線に沿う断面に相当する。

図１８に示すように、上部コンタクト層２５の表面に表出した各孔２４ｈの平面形状は楕円状となる。

また、複数の孔２４ｈの各々は、上面視で第１の方向D1に沿って延びるように形成される。

なお、図１８の例では孔２４ｈが延びる方向と溝２５ｇが延びる方向とを直交させているが、これらの方向は特に限定されない。例えば、孔２４ｈが延びる方向に対して溝２５ｇを斜めに延ばしてもよい。

続いて、図５（ａ）に示すように、上部コンタクト層２５の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、画素形状の第２のレジスト層３１を形成する。

なお、各孔２４ｈにフォトレジストが浸入するのを防止するために、本工程の前に上部コンタクト層２５の上に樹脂層を形成し、その樹脂層で各孔２４ｈを塞いでもよい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、第２のレジスト層３１をマスクにしながら、下部コンタクト層２３、光電変換層２４、及び上部コンタクト層２５の各々をドライエッチングする。これにより、光電変換層２４に素子分離溝２４ｘが間隔をおいて複数形成され、これらの素子分離溝２４ｘによって光電変換層２４が複数の画素３２に分離される。

なお、このドライエッチングではエッチングガスとして塩素ガスが使用され、エッチングストッパ層２２の上でそのエッチングは停止する。

その後に、図６（ａ）に示すように、第２のレジスト層３１を除去する。

図１９は、本工程を終了した後の上面図である。

なお、前述の図６（ａ）は、図１９のIII－III線に沿う断面図に相当する。

図１９に示すように、複数の画素３２の各々は上面視で一辺の長さが２０μm程度の正方形であり、基板２０の上において行列状に配される。

次いで、図６（ｂ）に示すように、各々の画素３２の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、画素３２よりも小さな第３のレジスト層３３を形成する。

そして、図７（ａ）に示すように、第３のレジスト層３３で覆われていない部分の光電変換層２４と上部コンタクト層２５をドライエッチングすることにより、下部コンタクト層２３の下部コンタクト領域CR1を露出させる。なお、このドライエッチングで使用し得るエッチングガスとしては、例えば塩素ガスがある。

その後に、図７（ｂ）に示すように、第３のレジスト層３３を除去する。

次いで、図８（ａ）に示すように、基板２０の上側全面に蒸着法で金属層を形成し、それをリフトオフ法でパターニングすることにより、下部コンタクト領域CR1と上部コンタクト層２５の各々に下部電極３４と上部電極３５を形成する。

その金属層は、例えば、金とゲルマニウムの合金層、ニッケル層、及び金層をこの順に積層した積層膜である。

続いて、図８（ｂ）に示すように、基板２０の上側全面に金属層を形成した後、その金属層をイオンミリング等でパターニングして上部コンタクト層２５の上に反射層３６として残す。

その反射層３６の材料は特に限定されず、例えば厚さが０．００５μm～０．０５μm程度のチタン層、厚さが０．０３μm～０．３μm程度の金層、及び厚さが０．０３μm～０．３μm程度のプラチナ層をこの順に積層してなる積層膜を反射層３６として形成し得る。

また、上部電極３５はその反射層３６によって覆われるのに対し、上部コンタクト層２５の上部コンタクト領域CR2は反射層３６で覆われずに露出する。

次に、図９（ａ）に示すように、基板２０の上側全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法により絶縁層３７として窒化シリコン層を形成し、その絶縁層３７で各画素３２を覆う。

そして、フォトリソグラフィとドライエッチングにより下部電極３４の上の絶縁層３７に下部開口３７ａを形成する。

その後、図９（ｂ）に示すように、絶縁層３７の上に蒸着法やスパッタ法で金属層を形成した後、その金属層をリフトオフ法やイオンミリングでパターニングし、下部開口３７ａ内の下部電極３４から上部コンタクト領域CR2に至る配線３８を形成する。

その配線３８の材料は特に限定されないが、この例では配線３８としてチタン層、プラチナ層、及び金層をこの順に形成する。

続いて、図１０に示すように、フォトリソグラフィとドライエッチングにより絶縁層３７をパターニングし、上部電極３５の上方の絶縁層３７に上部開口３７ｂを形成する。

そして、基板２０の上側全面に蒸着法で金属層を形成した後、その金属層をリフトオフ法でパターニングすることにより、上部開口３７ｂ内と配線３８の上に下地金属層４１を形成する。その下地金属層４１として、例えばチタン層、金層、及びプラチナ層をこの順に形成する。

次いで、図１１に示すように、下地金属層４１の上に端子４３として蒸着法でインジウム層を形成する。その後に、基板２０をダイシングして個片化することにより、複数の撮像素子４５を得る。

図２０は、ダイシングにより得られた複数の撮像素子４５の上面図である。

撮像素子４５は複数の画素３２が平面内にアレイ状に配列されたFPA(Focal Plane Array)チップであって、ダイシングによって一枚の基板２０から複数個の撮像素子４５が切り出される。

次いで、図１２に示すように、撮像素子４５とは別に回路素子４６を用意する。

その回路素子４６には予めCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスで読み出し回路が形成されており、その読み出し回路によって各画素３２の出力が読み出される。このように読み出し回路を備えた回路素子４６はROIC(Read-Out Integrated Circuit)とも呼ばれる。

その回路素子４６は、シリコン基板４７とその表面に形成された電極４８とを有する。電極４８は、例えば銅めっき膜をパターニングすることにより形成され、回路素子４６における読み出し電極と電気的に接続される。

そして、その回路素子４６の上に撮像素子４５を配し、端子４３と電極４８とを対向させる。

次に、図１３に示すように、電極４８に端子４３を当接させた後に端子４３をリフローし、その端子４３を介して回路素子４６に撮像素子４５を接続する。

リフロー時の温度は特に限定されないが、この例では端子４３の材料であるインジウムの融点（１５６．４℃）よりも高い１８０℃～２００℃程度の温度に端子４３を加熱する。

次いで、図１４に示すように、撮像素子４５と回路素子４６との間にアンダーフィル樹脂４９として熱硬化性の樹脂を充填し、その樹脂を８０℃程度の温度に加熱して熱硬化させる。

続いて、図１５に示すように、塩素ガスにより基板２０とバッファ層２１とをドライエッチングし、更に塩酸を用いてエッチングストッパ層２２をウエットエッチングすることにより下部コンタクト層２３を表出させる。

その後に、図１６に示すように、エッチングガスとしてフルオロカーボン系ガスを使用するドライエッチングにより、隣接する画素３２の間の絶縁層３７を除去する。

以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサ６０の基本構造が完成する。

その赤外線イメージセンサ６０の各々の画素３２は、受光した赤外線の強度に応じたキャリアを蓄積する赤外線検出器として機能し、下部電極３４と上部電極３５の各々からそのキャリアが回路素子４６に取り出される。

図２１は、赤外線イメージセンサ６０の斜視図である。

なお、図２１においてはアンダーフィル樹脂４９を省略してある。

図２１に示すように、赤外線イメージセンサ６０の受光面６０ａには撮像素子４５の複数の画素３２が露出する。また、撮像素子４５は、端子４３を介して回路素子４６の読み出し回路と電気的に接続される。

図２２は、この赤外線イメージセンサの等価回路図である。

図２２に示すように、撮像素子４５の画素３２には回路素子４６の読み出し回路が接続される。

読み出し回路は、CMOSプロセスによって形成されたリセットトランジスタRT、増幅トランジスタSF、及び選択トランジスタSLを有する。

このうち、リセットトランジスタRTは、オフ状態にすることにより画素３２にキャリアを蓄積したり、オン状態にすることにより画素３２の電位をリセットしたりする。

そして、選択トランジスタSLをオン状態にすることにより、画素３２に蓄積されたキャリアの量の応じた読み出し電流Iが、電源電位Vddに維持された電源線６１から信号線６２に流れるようになる。

このように読み出し回路を回路素子４６に設け、撮像素子４５には画素３２のみを設けることで、撮像素子４５において画素３２が占める割合を増やすことができる。

次に、この赤外線イメージセンサ６０の動作について説明する。

図２３は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサ６０の動作について説明するための拡大断面図である。

図２３に示すように、光電変換層２４は、赤外線IR1が入射する上面２４ｃとこれに相対する下面２４ｄとを有する。そして、上面２４ｃから入射した赤外線IR1によって光電変換層２４内に電子と正孔が生成され、これにより光電変換層２４において光電変換が行われる。

このとき、本実施形態では上面２４ｃに対して斜めに延びる複数の孔２４ｈを形成したため、光電変換層２４の厚さ方向Dに沿って孔２４hが一定の周期fで周期的に現れるようになる。

そのため、厚さ方向Dに沿って進行する赤外線IR1から見ると、光電変換層２４は屈折率が周期的に変化するフォトニック結晶のように振る舞い、特定の波長の赤外線IR2のみが光電変換層２４を透過できる。

光電変換層２４を透過できる赤外線IR2の波長は周期fによって定まる。例えば、光電変換層２４内での赤外線IR2の波長をλとすると、f＝λ×１／４という共鳴条件を満たす赤外線IR2のみが光電変換層２４を透過できる。

なお、光電変換層２４の屈折率をnとすると、光電変換層２４内での赤外線の波長は真空中における波長の１／n倍となる。

そこで、本実施形態では、光電変換層２４が検出対象とする赤外線IR2の真空中での波長λ₀が共鳴条件f＝（λ₀／n）×１／４を満たすように周期fを設定し、波長がλ₀の赤外線IR2のみが光電変換層２４を透過できるようにする。

赤外線の波長領域では、周期fは１０μm以下、例えば５μm以下となる。

また、厚さ方向Dと孔２４ｈが延びる方向との間の角度θは特に限定されないが、θを４５°以上とすることにより厚さ方向Dに沿って現れる孔２４ｈの個数を増やし、フォトニック効果を発現させ易くするのが好ましい。

なお、光電変換層２４の内部における孔２４ｈの周期pは、厚さ方向Dに沿った周期fを用いてp＝f／sinθとも書ける。検出対象の赤外線の真空中での波長λ₀が１０μmで角度θが４５°の場合、光電変換層２４の主材料であるGaAsの屈折率は３．３であるから、p＝１０μm／（３．３×４×１．４１）＝０．５３μmとすることにより、真空中での波長が１０μmの赤外線のみが光電変換層２４を透過するようになる。

図２４（ａ）、（ｂ）は、上記の赤外線IR1、IR2の波長分布を模式的に示すグラフである。

図２４（ａ）に示すように、光電変換層２４に入射する前の赤外線IR1の波長分布はブロードである。

これに対し、図２４（ｂ）に示すように、光電変換層２４に入射した後の赤外線IR2の波長分布は、共鳴条件f＝（λ₀／n）×１／４を満たす波長λ₀を中心にした急峻な分布となる。

これにより、光電変換層２４自身が波長λ₀の赤外線のみを透過する波長選択フィルタのように機能し、図１の例のような反射防止膜２で波長λ₀の赤外線を選択する必要がない。

その結果、波長λ₀からずれた波長の赤外線が光電変換層２４に入射し難くなり、検出対象の波長以外の赤外線によって光電変換層２４にノイズが発生するのを抑制することが可能となる。

本願発明者の調査によれば、厚さ方向Dと孔２４ｈが延びる方向との間の角度θを４５°とし、かつ光電変換層２４の表面から２μmの深さにまで孔２４ｈを形成したところ、図１の例よりも読み出し電流I（図２２参照）のＳ/Ｎ比が５０％向上することが明らかとなった。

しかも、このように光電変換層２４に複数の孔２４ｈを形成することにより光電変換層２４の体積が減るため、光電変換層２４を流れる暗電流を低減することもでき、ノイズを更に抑制することが可能となる。

但し、孔２４ｈが大きすぎると光電変換層２４の体積が過度に減少して撮像素子４５の感度が低下するおそれがあるため、孔２４ｈの直径は１μm以下とするのが好ましい。

更に、本実施形態では、図２３に示すように、上部コンタクト層２５の表面の溝２５ｇを反映して反射層３６の表面に凹凸３６ａが形成される。その凹凸３６ａは、赤外線IR2を厚さ方向Dに対して斜めに反射させる回折格子として機能する。

光電変換層２４は強い角度依存性を有する透過特性を有し、厚さ方向Dに沿って進行する赤外線IR2は上面２４ｃを透過するが、凹凸３６ａによって厚さ方向Dに対して斜めに反射した赤外線IR2は上面２４ｃで反射して再び光電変換層２４の内部に戻る。これにより赤外線IR2が光電変換層２４の内部に閉じ込められるようになり、光電変換層２４の光電変換効率を高めることが可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態では、以下のようにして複数の波長の赤外線を撮像素子が受光できるようにする。

図２５は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの上面図である。また、図２６は、図２５のIV－IV線に沿う断面図である。

なお、図２５及び図２６において第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図２５に示すように、本実施形態に係る赤外線イメージセンサ６３においても基板２０の上に複数の画素３２が行列状に配される。

但し、本実施形態では３行３列の画素３２をひとつのグループUとし、そのグループUに含まれる各々の画素３２が検出する赤外線の真空中での波長λ₁～λ₉をそれぞれ異なる値にする。

このように各波長を異なる値にするため、本実施形態では、図２６に示すように、厚さ方向Dに沿って孔２４ｈが現れる周期fを画素３２ごとに異なる値とする。

例えば、波長λ₁に対応する画素３２においては、波長λ₁が共鳴条件f＝（λ₁／n）×１／４を満たすように周期fを設定する。但し、nは光電変換層２４の屈折率である。

同様に、波長λ₂に対応する画素３２においては、波長λ₂が共鳴条件f＝（λ₂／n）×１／４を満たすように周期fを設定する。残りの波長λ₃～λ₉に対応する画素３２においてもこれと同様に周期fを設定する。

このように画素３２ごとに周期fを変えることにより、光電変換層２４を透過できる赤外線の波長を画素３２ごとに変えることができる。各波長λ₁～λ₉の値は特に限定されず、例えば４．８μm～１０μm程度の波長の範囲で各波長λ₁～λ₉を選択し得る。

これにより、一つの撮像素子４５において波長の異なる赤外線像を同時に取得することができ、ユーザの便宜に資することが可能となる。

（第３実施形態）
第１実施形態では、図１８に示したように、複数の孔２４ｈの各々が延びる方向を第１の方向D1とした。

これに対し、本実施形態では複数の孔２４ｈが延びる方向を二方向とする。

図２７～図２９は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。

なお、図２７～図２９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、第１実施形態の図２（ａ）～図４（ｂ）の工程を行うことにより、図２７（ａ）に示すように、光電変換層２４と上部コンタクト層２５の各々に複数の孔２４ｈを形成する。

なお、図２７（ａ）は、図４（ｂ）の断面と直交する面に沿った断面図であり、図４（ａ）に示したように各孔２４ｈは厚さ方向Dから傾いた方向に沿って延びる。また、上部コンタクト層２５の表面には、第１実施形態で説明した溝２５ｇも形成される。

次に、図２７（ｂ）に示すように、上部コンタクト層２５の上にシリコンを含有する第４のレジスト層６５として富士フイルムエレクトロニックマテリアルズ社製のFH-SP3CLを塗布する。そして、第４のレジスト層６５を電子線で露光して更にそれを現像することにより、第４のレジスト層６５に複数の開口６５ａを形成する。なお、電子線に代えて露光光で第４のレジスト層６５を露光してもよい。

続いて、図２８（ａ）に示すように、不図示のエッチングチャンバ内において基板２０を水平面から４５°程度の角度だけ傾けながら、開口６５ａを通じて光電変換層２４と上部コンタクト層２５の各々をドライエッチングする。そのドライエッチングでは、図４（ａ）における工程と同様にエッチングガスとして塩素ガスを使用する。

これにより、先に形成した孔２４ｈとは異なる方向であって、光電変換層２４の厚さ方向Dから傾いた方向に延びる孔２４ｈが一定の周期pで形成される。

その後に、図２８（ｂ）に示すように、フッ酸等の薬液で第４のレジスト層６５を除去する。

図３０は、本工程を終了した後の上部コンタクト層２５の一部領域Rにおける拡大上面図である。

なお、前述の図２８（ｂ）の一部領域Rにおける断面は、図３０のV－V線に沿う断面に相当する。

図３０に示すように、本工程の前に形成した孔２４ｈは上面視で方向D1に沿って延びるのに対し、本工程で新に形成した孔２４ｈは、上面視で方向D1に直交する方向D2に沿って延びる。

この後は、第１実施形態で説明した図５（ａ）～図１６の工程を行うことにより、図２９に示すような本実施形態に係る赤外線イメージセンサ７０の基本構造を完成させる。

その赤外線イメージセンサ７０においても、第１実施形態と同様に、各々の孔２４ｈの厚さ方向Dに沿った周期fが共鳴条件f＝λ×１／４を満たすように設定される。なお、λは、光電変換層２４が検出対象とする赤外線の光電変換層２４での波長である。

これにより、厚さ方向Dから入射する赤外線については波長がλの赤外線のみが光電変換層２４を透過できる。

但し、λとは異なる波長λ’の赤外線が厚さ方向Dから傾いて入射しても、その赤外線の進行方向に沿って孔２４ｈがλ’／４の周期で現れると、その赤外線は光電変換層２４を透過してしまう。

そこで、本実施形態では、図３０に示したように、複数の孔２４ｈの各々を二つの方向D1、D2に沿って延ばす。

これにより、λとは異なる波長λ’の赤外線が厚さ方向Dから傾いて入射し、第１の方向D1に延びる孔２４ｈがその赤外線の進行方向に沿ってλ’／４の周期で現れても、第２の方向D2に延びる孔２４ｈはλ’／４の周期で現れ難くなる。

その結果、光電変換層２４を透過できる赤外線の波長の幅が第１実施形態よりも更に狭くなるため、検出対象とは異なる波長の赤外線が光電変換層２４を透過する可能性が減り、光電変換層２４で発生するノイズを更に低減することが可能となる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態とは異なる方法で光電変換層２４に孔２４ｈを形成する。

図３１～図３４は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図３１～図３４において、第１～第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、図３１に示すように、第１実施形態の図２（ａ）～図１６の工程を行うことにより、回路素子４６と撮像素子４５とが互いに接合された構造を得る。

但し、本実施形態では図３（ｂ）～図４（ｂ）の工程を省き、この時点では光電変換層２４に孔２４ｈを形成しない。

次に、図３２に示すように、下部コンタクト層２３の上に第１のレジスト層２９を塗布し、それを電子線で露光して更に現像することにより複数の開口２９ａを形成する。その第１のレジスト層２９として、第１実施形態と同様にシリコンを含有する富士フイルムエレクトロニックマテリアルズ社製のFH-SP3CLを使用する。

続いて、図３３に示すように、不図示のエッチングチャンバ内においてシリコン基板４７を水平面から４５°程度の角度だけ傾けながら、開口２９ａを通じて下部コンタクト層２３と光電変換層２４とをドライエッチングする。

これにより、下部コンタクト層２３と光電変換層２４の各々に、光電変換層２４の厚さ方向Dから傾いた方向に延びる複数の孔２４ｈが一定の周期pで形成される。

また、第１実施形態と同様に、光電変換層２４が検出対象とする赤外線の光電変換層２４での波長をλとすると、各々の孔２４ｈの厚さ方向Dに沿った周期fは、共鳴条件f＝λ×１／４を満たすように設定される。これにより、厚さ方向Dから入射する赤外線については波長がλの赤外線のみが光電変換層２４を透過できる。

なお、そのドライエッチングで使用するエッチングガスとしては、例えば塩素ガスがある。

その後に、図３４に示すように、フッ酸等の薬液で第１のレジスト層２９を除去する。

以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサ８０の基本構造を完成させる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、光電変換層２４の厚さ方向Dに対して斜めに延びる複数の孔２４ｈにより、光電変換層２４が検出対象とする赤外線のみが光電変換層２４を透過できる。そのため、光電変換層２４が検出対象としない赤外線によって光電変換層２４にノイズが発生するのを抑制することができ、高品位な赤外像を得ることが可能となる。

（第５実施形態）
第１実施形態では各々の画素３２としてQWIPを形成した。これに対し、本実施形態ではQDIPを各画素３２として形成する。

図３５～図３６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図３５～図３６において第１～第４実施形態において説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

まず、図３５（ａ）に示すように、第１実施形態の図２（ａ）の工程を行うことにより、基板２０の上にバッファ層２１とエッチングストッパ層２２とをこの順に形成する。

次に、図３５（ｂ）に示すように、エッチングストッパ層２２の上に下部コンタクト層２３としてn型のGaAs層をMOVPE法で１μm程度の厚さに形成する。

更に、下部コンタクト層２３の上に、中間層２４ｅと量子ドット２４ｆとを交互に複数積層し、これらの積層膜を光電変換層２４とする。

光電変換層２４の各層の成膜条件は特に限定されない。本実施形態では、MBE法により中間層２４ｅとしてn型のAl_0.2Ga_0.8As層を５０nm程度の厚さに形成する。なお、中間層２４ｅにドープされるn型不純物は、例えば濃度が１×１０^１６cm^-3程度のシリコンである。

また、量子ドット２４ｆは、MBE法においてInAsの原子層を二層積層することにより、直径が約１５nmで高さが約２nmの円盤状に形成される。

更に、光電変換層２４の各層の積層数も特に限定されないが、この例では中間層２４ｅの層数を２１層とし、量子ドット２４ｆの層数を２０層とする。

そして、その光電変換層２４の上にMOVPE法でn型のGaAs層を１．１μm程度の厚さに形成し、そのGaAs層を上部コンタクト層２５とする。

この後は、第１実施形態の図３（ａ）～図１６の工程を行うことにより、図３６に示す本実施形態に係る赤外線イメージセンサ９０の基本構造を完成させる。

以上説明した本実施形態においても、厚さ方向Dに対して斜めに延びる複数の孔２４ｈによって光電変換層２４がフォトニック結晶として振る舞うようになるため、特定の波長の赤外線のみが光電変換層２４を透過できるようになる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第１～第５実施形態で説明した赤外線イメージセンサを備えた撮像システムについて説明する。

図３７は、本実施形態に係る撮像システムの構成図である。

なお、図３７において、第１～第６実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図３７に示すように、この撮像システム２００は、撮像レンズ２０１と、その後段に設けられたイメージセンサ６０とを備える。

このうち、撮像レンズ２０１は、撮像対象の赤外像を得るためのレンズであって、その焦点面にイメージセンサ６０が設けられる。

イメージセンサ６０は容器２０２に収容されており、その容器２０２の開口部に設けられた赤外線透過窓２０３を介して赤外線IRを受光する。

容器２０２内にはコールドフィンガ２０４と冷却ヘッド２０５とが設けられる。コールドフィンガ２０４は、不図示のペルチェ素子等の冷却デバイスに接続されており、これにより冷却ヘッド２０５を介してイメージセンサ６０を冷却し、イメージセンサ６０に発生するノイズを低減する。

なお、イメージセンサ６０の周囲の冷却ヘッド２０５にはコールドシールド２０６が立設されており、そのコールドシールド２０６によって迷光がイメージセンサ６０に入るのが防止される。

このような撮像システム２００によれば、第１実施形態で説明したように、イメージセンサ６０が備える撮像素子４５の光電変換層２４に複数の孔２４ｈ（図２３参照）を形成する。そのため、特定の波長の赤外線のみを透過するフォトニック結晶のように光電変換層２４が振る舞うようになり、光電変換層２４が検出対象としない赤外線によってノイズが発生するのを防止でき、撮像システム２００によって鮮明な赤外像を得ることができる。

なお、この例では第１実施形態に係るイメージセンサ６０を採用したが、これに代えて第２～第５実施形態に係るイメージセンサ６３、７０、８０、９０を採用してもよい。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） 赤外線が入射する上面を有すると共に、前記上面に対して斜めに延びた孔が間隔をおいて複数形成され、前記赤外線に対して光電変換を行う光電変換層、
を有する赤外線検出器。

（付記２） 前記光電変換層はフォトニック結晶であることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。

（付記３） 前記光電変換層の厚さ方向に沿って前記複数の孔が現れる周期は、前記光電変換層における前記赤外線の波長の１／４に等しいことを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。

（付記４） 前記光電変換層は、前記上面に相対する下面を有し、
前記下面の下に、前記赤外線を反射する凹凸を備えた反射層を更に有することを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。

（付記５） 前記複数の孔の各々は、上面視において同一の方向に延びることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。

（付記６） 前記複数の孔のうちの一部の前記孔は、上面視において第１の方向に延び、
前記複数の孔のうちの残りの前記孔は、上面視において前記第１の方向に直交する第２の方向に延びることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。

（付記７） 平面内に間隔をおいて複数形成され、各々が赤外線に対して光電変換を行う光電変換層を備えた画素を備え、
前記光電変換層は前記赤外線が入射する上面を有し、前記上面に対して斜めに延びた孔が前記光電変換層に形成されたことを特徴とする撮像素子。

（付記８） 前記光電変換層の厚さ方向に沿って前記複数の孔が現れる周期が前記画素ごとに異なることを特徴とする付記７に記載の撮像素子。

（付記９） 撮像レンズと、
前記撮像レンズの後段に設けられた撮像素子とを備え、
前記撮像素子は、
平面内に間隔をおいて複数形成され、各々が赤外線に対して光電変換を行う光電変換層を有する画素を備え、
前記光電変換層は前記赤外線が入射する上面を有し、前記上面に対して斜めに延びた孔が前記光電変換層に形成されたことを特徴とする撮像システム。

１…基板、１ａ…裏面、２…反射防止膜、３…下部コンタクト層、４…光電変換層、４ａ…障壁層、４ｂ…井戸層、５…上部コンタクト層、６…反射層、７…上部電極、８…下部電極、１０…赤外線検出器、２０…基板、２１…バッファ層、２２…エッチングストッパ層、２３…下部コンタクト層、２４…光電変換層、２４ａ…障壁層、２４ｂ…井戸層、２４ｅ…中間層、２４ｆ…量子ドット、２４ｈ…孔、２４ｃ…上面、２４ｄ…下面、２４ｘ…素子分離溝、２５…上部コンタクト層、２５ｇ…溝、２９…第１のレジスト層、２９ａ…開口、３１…第２のレジスト層、３２…画素、３３…第３のレジスト層、３４…下部電極、３５…上部電極、３６…反射層、３６ａ…凹凸、３７…絶縁層、３７ａ…下部開口、３７ｂ…上部開口、３８…配線、４１…下地金属層、４３…端子、４５…撮像素子、４６…回路素子、４７…シリコン基板、４８…電極、４９…アンダーフィル樹脂、６０、６３、７０、８０、９０、１００…赤外線イメージセンサ、６０ａ…受光面、６１…電源線、６２…信号線、６５…第４のレジスト層、６５ａ…開口、２００…撮像システム、２０１…撮像レンズ、２０２…容器、２０３…赤外線透過窓、２０４…コールドフィンガ、２０５…冷却ヘッド、２０６…コールドシールド。

Claims (6)

1. 赤外線が入射する上面を有すると共に、前記上面に対して斜めに延びた複数の孔が周期的に形成され、前記赤外線に対して光電変換を行う光電変換層、
   を有する赤外線検出器。
2. 前記光電変換層はフォトニック結晶であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記複数の孔のうちの一部の前記孔は、上面視において第１の方向に延び、
   前記複数の孔のうちの残りの前記孔は、上面視において前記第１の方向に直交する第２の方向に延びることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出器。
4. 前記光電変換層は、前記上面に相対する下面を有し、
   前記下面の下に、前記赤外線を反射する凹凸を備えた反射層を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
5. 平面内に間隔をおいて複数形成され、各々が赤外線に対して光電変換を行う光電変換層を備えた画素を備え、
   前記光電変換層は前記赤外線が入射する上面を有し、前記上面に対して斜めに延びた複数の孔が前記光電変換層に周期的に形成されたことを特徴とする撮像素子。
6. 撮像レンズと、
   前記撮像レンズの後段に設けられた撮像素子とを備え、
   前記撮像素子は、
   平面内に間隔をおいて複数形成され、各々が赤外線に対して光電変換を行う光電変換層を有する画素を備え、
   前記光電変換層は前記赤外線が入射する上面を有し、前記上面に対して斜めに延びた複数の孔が前記光電変換層に周期的に形成されたことを特徴とする撮像システム。

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