JP7243071B2 - 赤外線検出器及びこれを用いた赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線検出器、これを用いた撮像装置、及び赤外線検出器の制御方法に関する。

従来より、１画素で異なる波長帯に感度を有する赤外線センサが知られている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

図１は、従来の２波長素子の画素構造を示す。異なる波長域（λ1とλ2）に応答する赤外線吸収層がコンタクト層Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を挟んで積層されている。各画素は、複数の接続電極ＢＭＰによって読出し回路に接続されている。読出し回路に近い側を素子表面とすると、波長λ2の出力を得るための電極ＥＬ１と、波長λ1の出力を得るための電極ＥＬ２が、素子表面に接続されている。またλ1のセンサ素子とλ2のセンサ素子の動作に必要なバイアスを印加する電極ＥＬ３がコンタクト層Ｃ２に接続されている。素子表面から深い位置にある電極ＥＬ１とＥＬ３は、引き出し配線Ｗ_leadoutによって素子表面に接続され、１画素で異なる波長帯の信号出力が得られる。

特開２００１－４４４８３号公報 特表２０１１－５１１４４３号公報

従来の２波長赤外線イメージセンサでは、１画素内に複数の電極が設けられている。また、電極取り出しのためのコンタクト穴Ｈ１、Ｈ２、及び引き出し配線Ｗ_leadoutを形成することから、素子の加工プロセスが複雑になり、微細化が困難である。たとえば、図２に示すように接続電極ＢＭＰ１～ＢＭＰ３の径を５μｍ、接続電極ＢＵＭＰ間のスペースを３μｍ、コンタクト穴Ｈ１、Ｈ２のために５μｍ×５μｍの領域、画素分離溝Ｓの幅を１μｍとした場合、加工プロセスで実現できる最小画素ピッチは１９μｍ程度である。画素の微細化が制限されると、画素数の増大につれて画素アレイの全体サイズが大きくなり、小型で高精細の赤外線イメージセンサの実現が困難になる。

本発明は、検出精度を維持し、かつ画素サイズを低減した多波長の赤外線検出器とその制御方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様では、複数の画素の配列を有する赤外線検出器は、
第１の波長の赤外光に応答する第１画素と、前記第１の波長と異なる第２の波長に応答する第２画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
を有し、
前記第１画素は第１の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第２画素は前記第１の接続電極と異なる高さの第２の接続電極で前記読出し回路に接続されている。

多波長の赤外線検出器で、検出精度を維持しかつ画素サイズを低減することができる。

一般的な２波長赤外線センサの画素構成を示す図である。 従来の２波長赤外線センサの画素内のレイアウトを示す図である。 実施形態の赤外線検出器の断面模式図である。 実施形態の赤外線検出器の画素配置の一例を示す図である。 図４の断面Ａと断面Ｂの模式図である。 実施形態の赤外線検出素子アレイの駆動バイアスの設定を説明する図である。 第１実施例の画素補間処理を説明する図である。 第１実施例の画素補間処理を説明する図である。 第２実施例の画素補間処理を説明する図である。 第２実施例の画素補間処理を説明する図である。 第３実施例の画素補間処理を説明する図である。 第３実実施形態の画素補間処理を説明する図である。 実施形態の赤外線検出器微細化の効果を説明する図である。 実施形態の赤外線検出素子アレイで用いられる積層体の模式図である。 実施形態の赤外線検出器を用いた赤外線撮像装置模式図である。 信号処理回路によって実施される制御フローの図である。 実施形態の赤外線撮像装置用いた撮像システムの概略ブロック図である。

実施形態では、少なくとも１つの第１波長に感度を有する画素と少なくとも１つの第２波長に感度を有する画素を含む複数の画素で単位ブロックを形成し、単位ブロックの配列を繰り返すことで画素アレイを形成する。１単位ブロックに含まれる各画素は、その画素が感度を有する波長域の光を受光し、受光量に応じた電荷を出力する。各画素において、検知していない他方の波長域の受光量を、その画素の周辺画素の出力値から補間して求めることで、各画素から２波長の出力信号を取得する。

図３は、実施形態の赤外線検出器１０の断面模式図である。赤外線検出器１０は、赤外線検出素子アレイ２０と、赤外線検出素子アレイ２０に電気的に接続される読出し回路３０を有する。赤外線検出素子アレイ２０は、高さの異なる赤外線検出素子２０１、及び２０２が２次元アレイ状に配置され、１つの赤外線検出素子で１つの画素が形成される。２次元アレイ状に配置される複数の赤外線検出素子で物体から放射される赤外光を検知することで、測定対象の表面の温度分布情報を取得することができる。

赤外線検出素子２０１は１つの接続電極４１を有し、接続電極４１により読出し回路３０と電気的に接続されている。赤外線検出素子２０２は１つの接続電極４２を有し、接続電極４２により読出し回路３０と電気的に接続されている。この赤外線検出素子アレイ２０の少なくとも一部において、隣接する素子間で異なる高さの接続電極４１、４２が設けられている。

赤外線検出素子アレイ２０の読取り回路３０に面する側を素子表面とすると、素子表面から深い位置にある赤外線検出素子２０２は、高さの高い接続電極４２で読出し回路３０に接続される。素子表面に近い赤外線検出素子２０１は、高さの低い接続電極４１で読出し回路３０に接続される。この構成の詳細については後述する。読出し回路３０の外周に沿って、垂直走査回路（シフトレジスタ）、水平走査回路（シフトレジスタ）、水平読出し回路、ノイズキャンセラ等の回路が配置されていてもよい。

赤外線検出器１０の全体が、例えばデューワ等の冷却容器内に配置されて極低温環境に保持されていてもよい。この場合、読出し回路３０からのアナログ出力信号は、デューワの外部に設けられている信号処理用の集積回路チップ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）に供給されて、後述する信号処理が行われる。信号処理により、各画素から２つの異なる赤外線波長域の信号が取り出される。

１つの画素から２つの波長域の信号を取り出すことで、２つの波長出力の相関から観測対象の温度の絶対値を求めて、温度分布検出の精度を向上することができる。また、検出された赤外光の受光情報から、自然光の反射成分と、物体自体からの温度輻射成分を弁別することができ、単一波長の赤外線センサと比較して、測定精度を高めることができる。

図４は、実施形態の赤外線検出素子アレイ２０の画素配置の一例を示す図である。赤外線検出素子アレイ２０は、水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）に複数の画素が配置された二次元アレイである。複数の画素のそれぞれは、赤外線検出器１０が検出する２つの波長のうちのいずれか一方の波長に感度を有する。以下の例では、第１の波長λ1に応答する画素を「λ１用画素２１」、第２の波長λ2に応答する画素を「λ２用画素２２」とする。一例として、λ１を短波長、λ２を長波長とする。

赤外線検出素子アレイ２０において、少なくとも１つのλ１用画素２１と、少なくとも１つのλ２用画素２２とを含む単位ブロック２５が形成され、同じパターンの単位ブロック２５の繰り返しによってアレイが構成されている。図４の例では、隣接する４つの画素で単位ブロック２５が形成され、１つのλ２用画素２２と、３つのλ１用画素２１で形成される画素パターンが繰り返されている。単位ブロック２５をどのように形成するかによってアレイ全体の画素配置パターンが異なる。図４では、図水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）のそれぞれで、λ１用画素２１だけのラインと、λ１用画素２１とλ２用画素２２の交互配置のラインが、交互に繰り返されている。

図５は、図４の断面Ａと断面Ｂの模式図である。図５（Ａ）は図４の断面Ａを示し、図５（Ｂ）は断面Ｂを示す。赤外線検出素子アレイ２０は、下部コンタクト層１１、λ２吸収層１２、中間コンタクト層１３、λ１吸収層１４、上部コンタクト層１５の積層体を有する。この積層体で、λ１吸収層１４が規則的なパターンで部分的に除去されている。

λ１吸収層１４とλ２吸収層１２は、たとえば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層、多重量子ドット層等で形成され、量子井戸または量子ドットの伝導帯側に生じる量子準位間のサブバンド間遷移による光吸収により、所定のピーク波長で赤外線分光応答が得られる。一例として、λ１吸収層１４が４～５μｍ帯の光に感度を有し、λ２吸収層１２が８．５～９μｍの光に感度を有するように設計してもよい。

図５（Ａ）の断面Ａで、隣接するλ１用画素２１は、中間コンタクト層１３までの浅い画素分離溝２６で分離されている。断面Ａで各画素の検出値を読み出すときは、中間コンタクト層１３と、上部コンタクト層１５に電圧が印加され、λ１吸収層１４で吸収された赤外光によって励起された電荷を、接続電極４１から読み出す。この画素ラインでは中間コンタクト層１３は共通コンタクトとして機能し、λ２吸収層１２は動作しない。

図５（Ｂ）の断面Ｂでは、λ１用画素２１とλ２用画素２２が交互に配置されており、隣接する画素は、深い画素分離溝２７で分離されている。λ１用画素２１の動作は図５（Ａ）と同じであり、中間コンタクト層１３と上部コンタクト層１５の間に生じる電界によって、接続電極４１から電荷が読み出される。

λ２用画素２２では、下部コンタクト層１１と中間コンタクト層１３の間に電圧が印加され、λ２の赤外光により励起された電荷が接続電極４２から読み出される。この画素配列では、下部コンタクト層１１は共通コンタクトとして機能する。

１つの画素からはλ１とλ２のいずれか一方の受光量に対応する光電流が出力される。各画素が１つの接続電極を有する単純な構成なので、微細化が容易である。

図６は、赤外線検出素子アレイ２０の駆動バイアスの設定を説明する図である。断面Ａでλ２吸収層１２を非動作にするために、中間コンタクト層１３に印加されるバイアス電圧Ｖ２と、下部コンタクト層１１に印加されるバイアス電圧Ｖ４を同電位に設定する（Ｖ２＝Ｖ４）。これによって、λ２吸収層１２での電荷の移動（電流）を停止する。

また、上部コンタクト層１５に印加するバイアス電圧Ｖ１をＶ２よりも大きくして（Ｖ１＞Ｖ２）、電荷（自由電子）を上部コンタクト層１５に向かって移動させる。

断面Ｂで、λ２用画素２２で個別の中間コンタクト層１３に印加されるバイアス電圧Ｖ３を、共通コンタクトである下部コンタクト層１１に印加されるバイアス電圧Ｖ４よりも大きく設定する（Ｖ３＞Ｖ４）。これにより、λ２吸収層１２で生じた電荷を中間コンタクト層１３の側に移動させて、接続電極４２から電荷を読み出す。

このようなバイアス設定により、λ１用画素２１と長波長画素２２から個別に受光量を読み出すことができる。

＜第１実施例＞
図７と図８は、第１実施例の画素補間処理を説明する図である。第１実施例では、隣接する４つの画素を１つの単位ブロック２５Ａとする。単位ブロック２５Ａは、１つのλ２用画素２２と、３つのλ１用画素２１を有する。単位ブロック２５Ａの内部で、λ２用画素２２の位置を（３）、λ２用画素２２と水平方向（Ｘ方向）または垂直方向（Ｙ方向）で隣接するλ１用画素２１の位置を（１）、λ２用画素２２と対角にあるλ１用画素２１の位置を（２）とする。画素位置（１）～（３）のそれぞれで、出力される電流値は、対応する単一の波長の検出値であるが、赤外線検出器１０を２波長の検出器として機能させるために、補間処理を行う。

図８は、画素位置（１）～（３）における各画素に対して行われる補間処理を説明する図である。図８（Ａ）の画素位置（１）では、短波長λ１出力として、このλ１用画素２１からの出力値をそのまま用いる。このλ１用画素２１は、他方の波長λ２の検出値を出力しない。そこで長波長λ２出力として、隣接するλ２用画素２２である画素Ａと画素Ｂの平均値を用いる。これにより、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

画素サイズまたは画素ピッチを、短波長側(λ１)の赤外線分解能より大きく、かつ長波長側（λ２）の赤外線分解能以下に設定する場合、λ１の光は、画素位置（１）のλ１用画素２１内に集光されて画素位置（１）の検出出力に反映されており、隣接画素への光の漏れは小さい。一方でλ２の入射光は、この波長の光学的分解能よりも画素ピッチ（サイズ）が小さいため、１画素のサイズにまで集光しきれずに、複数の画素にまたがって入射光が結像されることになる。したがって画素位置（１）へのλ２入射光は、隣接するλ２用画素２２（図中の画素Ａと画素Ｂの２つの画素）へ漏れ出て入射する。したがって、画素位置（１）に隣接する２つの画素Ａと画素Ｂの検出出力には、画素位置（１）へのλ２入射光の成分がそれぞれ部分的に反映される。これを利用して、画素位置（１）のλ１用画素２１から、λ２の検出出力が直接得られなくても、隣接する画素Ａと画素Ｂの出力の平均を取ることで、λ１用画素２１におけるλ２の入射量を概ね推定することができる。

図８（Ｂ）の画素位置（２）では、λ１出力として、このλ１用画素２１からの出力値をそのまま用いる。このλ１用画素２１は、λ２の検出値を出力しない。そこで、この画素のλ２出力として、対角方向で隣接する４つのλ２用画素２２（画素Ａ～画素Ｄ）の平均値を用いる。画素位置（２）のλ１用画素２１に入射するλ２赤外光は、この画素サイズに集光されずに周囲の画素Ａ～画素Ｄにも入射しており、画素Ａ～画素Ｄの出力から、画素位置（２）へのλ２の入射量を推測することができる。これにより、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

図８（Ｃ）の画素位置（３）では、λ２出力として、このλ２用画素２２からの出力値をそのまま用いる。このλ２用画素２２は、短波長λ1の検出値を出力しない。そこで短波長出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する４つのλ１用画素２１（画素Ａ～画素Ｄ）の平均値を用いる。画素位置（３）のλ２用画素２２に入射するλ１赤外光は、周囲の画素Ａ～Ｄへのλ１入射光と連続する強度分布を有すると考えられ、周囲の画素の検出値を用いることで、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

各画素位置で、欠落している波長出力を上述した補間処理で補うことで、２波長分の出力信号を生成することができる。これにより、検出精度を維持し、かつ画素サイズを低減した多波長の赤外線検出器が実現する。

＜第２実施例＞
図９と図１０は、第２実施例の画素補間処理を説明する図である。第２実施例では、隣接する２つの画素を１つの単位ブロック２５Ｂとする。単位ブロック２５Ｂは、１つのλ２用画素２２と、１つのλ１用画素２１を有する。この配置では、赤外線検出素子アレイ２０の画素配置は、チェッカーボードパターンとなる。水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）で、どの行またはどの列の断面をとっても、図５（Ｂ）と同じ、交互配置の断面構成となる。

単位ブロック２５Ｂの内部で、λ１用画素２１の位置を（１）、λ２用画素２２の位置を（２）とする。画素位置（１）と（２）のそれぞれで、出力される電流値は、対応する単一の波長の検出値であるが、赤外線検出器１０を２波長の検出器として機能させるために補間処理を行う。

図１０は、画素位置（１）、（２）のそれぞれの画素に対して行われる補間処理を説明する図である。図１０（Ａ）の画素位置（１）では、短波長出力として、このλ１用画素２１からの出力値をそのまま用いる。このλ１用画素２１は、λ２の検出値を出力しない。そこでλ２出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する４つのλ２用画素２２（画素Ａ～画素Ｄ）の平均値を用いる。これにより、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

図１０（Ｂ）の画素位置（２）では、λ２出力として、このλ２用画素２２からの出力値をそのまま用いる。このλ２用画素２２は、λ１の検出値を出力しない。そこでλ１出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する４つのλ１用画素２１（画素Ａ～画素Ｄ）の平均値を用いる。これにより、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

＜第３実施例＞
図１１と図１２は、第３実施例の画素補間処理を説明する図である。第３実施例では、９つの画素を１つの単位ブロック２５Ｃとする。単位ブロック２５Ｃは、画素配列の対角上に並ぶ３つのλ２用画素２２と、６つのλ１用画素２１を有する。対角の方向は、必ずしも右下がりの方向である必要はなく、右上がりの対角上に配置してもよい。

この配置では、赤外線検出素子アレイ２０の画素配置は、水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）で、どの行またはどの列をとっても、３個ごとにλ２用画素２２が現れる。すなわち、Ｘ－Ｘ’断面と、Ｙ－Ｙ’断面の双方で、２つのλ１用画素２１が連続した後に１つのλ２用画素２２が配置される。

単位ブロック２５Ｃの内部で、λ１用画素２１の位置を（１）、λ２用画素２２の位置を（２）とする。画素位置（１）と（２）のそれぞれで、出力される電流値は、その画素が感度を有する単一の波長の検出値であるが、赤外線検出器１０を２波長の検出器として機能させるために上記と同様の補間処理を行う。

図１２は、画素位置（１）、（２）のそれぞれの画素に対して行われる補間処理を説明する図である。図１２（Ａ）の画素位置（１）では、λ１出力として、このλ１用画素２１の出力値をそのまま用いる。このλ１用画素２１は、λ２の検出値を出力しない。そこでλ２の出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する２つのλ２用画素２２（画素Ａと画素Ｂ）と、対角方向で隣接するλ２用画素２２（画素Ｃ）の平均値を用いる。

この場合、着目している画素位置（１）の中心から補間用画素の中心までの距離が、方向によって異なる。そこで、平均値の算出に重み係数を用いてもよい。例えば、長波長の出力値Ｉ_λ2として、
Ｉ_λ2＝（画素Ａの出力）×ａ＋（画素Ｂの出力）×ｂ＋（画素Ｃの出力）×ｃ
で算出される値を用いてもよい。画素位置（１）に対する画素Ａと画素Ｂの距離が等しい場合、係数値をａ＝ｂに設定してもよい。対角関係にある画素Ｃの係数値ｃをａ＞ｃ、及びｂ＞ｃに設定して、より近い画素からの出力値を優先的に利用してもよい。

図１１の画素配置では、どのλ１用画素２１をとってみても、水平方向（Ｘ方向）と垂直方向（Ｙ方向）のそれぞれで２つのλ２用画素２２と隣接し、対角方向で１つのλ２用画素２２と隣接する。したがって、すべてのλ１用画素２１において、上述した補間式をλ２検出値の補間に用いることができる。

図１２（Ｂ）の画素位置（２）では、λ２出力として、このλ２用画素２２からの出力値をそのまま用いる。このλ２用画素２２は、λ１の検出値を出力しない。そこでλ１出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する４つのλ１用画素２１（画素Ａ～画素Ｄ）の平均値を用いる。これにより、１つの画素から２波長に対応する検出値を得ることができる。

第１実施例と第３実施例では、１つの単位ブロック２５内で、λ１用画素２１の数の方が、λ２用画素２２の数よりも多い。赤外線検出器１０の画素サイズがλ２の波長以下になると、λ２の検出精度に比べて、λ１の検出精度の方が高くなる。λ１用画素２１の数をλ２用画素２２の数以上に設定することで、熱源等の対象物の位置に関する検出精度を維持することができる。

図１３は、実施形態の赤外線検出器１０の微細化の効果を説明する図である。互いに隣接するλ１用画素２１とλ２用画素２２において、接続電極４１と接続電極４２の径を、従来構成と同じく５μｍとする。従来構成と異なり、実施形態では、１つの画素が１つの接続電極を有する。λ１用画素２１の接続電極４１と、λ２用画素２２の接続電極４２の間隔（スペース）を３μｍとする。

λ１用画素２１は、浅い画素分離溝２６で区画されるが、λ２用画素２２は、浅い画素分離溝２６からさらに掘り込んだ深い画素分離溝２７で区画される。λ１用画素２１の画素分離溝２６の幅を１μｍ、λ２用画素の画素分離溝２７の幅を１μｍとすると、トータルで２μｍの溝幅が必要である。

この構成で、画素ピッチＰを１０μｍまで低減することができる。図２の従来構成と比較して、画素ピッチＰを１／２近くにまで低減することができる。換言すると、同じアレイ面積で素子数を２倍近くに増やすことができる。

図１４は、実施形態の赤外線検出素子アレイ２０で用いられる積層体５０の模式図である。積層体５０は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法による結晶成長で形成することができる。この積層体５０に、浅い画素分離溝２６と、深い画素分離溝２７を２回に分けて形成することで、図５に示す断面形状の赤外線検出素子アレイ２０を得ることができる。

一例として、ＧａＡs（１００）基板５１の上に、アンドープのＧａＡｓバッファ層５２を形成し、下部コンタクト層１１として、ｎ型のＧａＡｓコンタクト層を１μｍの厚さに成長する。下部コンタクト層１１の上に、エッチングストッパ５３を形成し、エッチングストッパ５３の上に、λ２吸収層１２を形成する。

エッチングストッパ５３は、たとえば厚さ３０ｎｍのＩｎＧａＰ層であり、深い画素分離溝２７を形成する際の選択ストッパ層として機能する。

λ２吸収層１２は、たとえばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造を有する。一例として、厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＡｓ量子井戸と、厚さ４０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成は０．２５）層を４０周期繰り返す。ＧａＡｓ井戸層の伝導帯側に生じる量子準位間のサブバンド間遷移による光吸収により、ピーク波長がほぼ８．５μｍの赤外線分光応答が得られる。

λ２吸収層１２の上に、ｎ型ＧａＡｓで厚さ０．５μｍの中間コンタクト層１３を形成し、中間コンタクト層１３の上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成は０．３）のストッパ層５４、ｎ型ＧａＡｓのλ２カプラ層５５、ＩｎＧａＰのストッパ層５６を順次形成する。ストッパ層５４の厚さは５ｎｍであり、上層のλ２カプラ層５５に回折格子を形成する際のエッチングストッパとして機能する。λ２カプラ層５５の厚さは０．７μｍ、ストッパ層５６の厚さは３０ｎｍである。ＩｎＧａＰのストッパ層５６は、中間コンタクト層１３に達する浅い画素分離溝２６を形成する際のエッチングストッパとなる。

ストッパ層５６の上に、λ１吸収層１４、ｎ型ＧａＡｓの上部コンタクト層１５、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成は０．３）のストッパ層５７、及びｎ型ＧａＡｓのλ１カプラ層５８をこの順で形成する。

λ１吸収層１４は、例えばＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの多重量子井戸構造を有する。一例として、厚さ３ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成は０．２）の量子井戸と、厚さ４０ｎｍのｉ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成は０．３）の障壁層を２０周期繰り返す。ＩｎＧａＡｓ井戸層の伝導帯側に生じる量子準位間のサブバンド間遷移による光吸収により、ピーク波長がほぼ５μｍの赤外線分光応答が得られる。

一例として、ｎ型ＧａＡｓの上部コンタクト層１５の厚さは０．５μｍ、ｎ型ＡｌＧａＡｓのストッパ層５７の厚さは５ｎｍ、λ１カプラ層５８の厚さは０．３μｍである。ストッパ層５７は、λ１カプラ層５８に回折格子を形成する際のエッチングストッパとして機能する。

この積層体５０に、以下に述べる素子形成プロセスを行って、図５の画素構造を有する赤外線検出素子アレイ２０を作製する。
（１）λ１カプラ層５８となる表面のＧａＡｓ層をエッチングしてパターン合わせ用のマーカーを形成し、回折格子用のマスクをパターニングにより形成する。ＡｌＧａＡｓのストッパ層５７をエッチングストッパとして用い、選択的ドライエッチングでλ１カプラ層５８のＧａＡｓを加工して、回折格子溝を形成する。
（２）浅い画素分離溝２６と、λ２用画素２２の領域のためのマスクを形成し、積層体５０の表面からλ１吸収層１４の大部分を除去するドライエッチングを行う。さらに、ＩｎＧａＰのストッパ層５６を選択的ストッパ層とするウェットエッチングを行って、中間コンタクト層１３の表面に達する画素分離溝２６を形成する。このとき、λ２用画素２２に相当する領域では、画素全体にわたってλ１吸収層１４が除去される。
（３）λ２用画素２２の領域において、λ２カプラ層５５の回折格子用のマスクをパターニングし、λ２カプラ層５５のＧａＡｓ層を部分的に加工し、λ２カプラ層５５の回折格子を形成する。このとき、ｎ型ＡｌＧａＡｓのストッパ層５４を回折格子用のエッチングストッパとして用いる。
（４）λ２用画素２２の周囲に、深い画素分離溝２７を形成する。ＩｎＧａＰのストッパ層５３をエッチングストッパとする選択ドライエッチングを行い、中間コンタクト層１３の上部から溝となる部分のλ２吸収層１２を除去する。
（５）２次元アレイの外周部に、中間コンタクト層１３に共通のバイアス電圧を供給するためのλ１共通電極コンタクト穴を形成する。λ１共通電極コンタクト穴は、たとえば、ＩｎＧａＰのストッパ層５６をエッチングストッパとするウェットエッチングにより形成される。
（６）続いて、形成されたλ１共通コンタクト穴の一部に、さらに下部コンタクト層１１に到達するコンタクト穴をウェットエッチングにより形成する。このコンタクト穴は、下部コンタクト層１１にλ２検出用の共通のバイアス電圧を供給するλ２共通電極コンタクト穴であり、ＩｎＧａＰのストッパ層５３をエッチングストッパとして形成される。
（７）必要な箇所、すなわち、λ１用画素２１、λ２用画素２２、及びアレイ外周の２種類の共通コンタクト穴に、オーミック電極用のパターニングを実施し、リフトオフ法によりＡｕＧｅのオーミック電極を形成する。λ１用画素２１では、上部コンタクト層１５と接触するオーミック電極が形成され、λ２用画素２２では、中間コンタクト層１３に接触するオーミック電極が形成される（図５の（Ｂ）参照）。
（８）ＣＶＤ法により、素子表面の全体をＳｉＯＮ保護膜で覆った後、表面電極を形成する箇所のＳｉＯＮ保護膜をドライエッチングで除去し、Ｔｉ／Ａｕ金属膜をスパッタ法等により素子全面に蒸着する。各画素の表面と共通コンタクト電極部分から配線引出しを行う部分でＴｉ／Ａｕを残すパターニングを行って、表面電極を形成する。この表面電極はλ１カプラ層５８とλ２カプラ層５５の反射ミラーを兼用する。反射ミラーで、吸収されなかったλ１赤外光とλ２赤外光をλ１吸収層１４及びλ２吸収層１２に戻すことで吸収効率を高める。
（９）再度、素子全面をＳｉＯｎ保護膜で覆い、読出し回路３０との接続電極となる部分を開口し、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｔバンプ下地電極を形成する。下地電極上に、リフトオフ法によりＩｎの接続電極４１、４２を形成する。

以上の素子形成プロセスにより、λ１用画素２１とλ２用画素が所定のパターンで配置された量子井戸型の赤外線検出素子アレイ２０が作製される。接続電極４１、４２により赤外線検出素子アレイ２０を読出し回路３０にフリップチップ接続することで、図３の赤外線検出器１０が完成する。

読出し回路３０から、図６を参照して説明した電位関係でバイアス電圧が印加され、λ１用画素２１とλ２用画素２２において、それぞれの波長に対応した赤外線センサ素子が動作する。

図１５は、赤外線検出器１０を用いた赤外線撮像装置１００の模式図である。赤外線撮像装置１００は、上述した赤外線検出器１０と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の信号処理回路６０を有する。信号処理回路６０は、赤外線検出器１０を冷却するデューワに組み込まれていてもよい。

赤外線検出器１０の各画素から順次読み出された電荷量はアナログ電気信号として信号処理回路６０に入力される。アナログ電気信号は、読出し回路３０によってノイズキャンセル、増幅等の処理を受けた後の信号であってもよい。

信号処理回路６０は、ＡＤ変換器６１、感度補正回路６２、補正テーブルメモリ６３、フレームメモリ６４、及び補間処理演算器６５を有する。

ＡＤ変換器６１は、入力されたアナログ電気信号を所定のレートでサンプリングしてデジタル信号に変換する。感度補正回路６２は、各画素での感度ばらつきを補正する。赤外線検出器１０の各画素の感度は、赤外線検出素子２０１、２０２の光応答特性のばらつきや、読出し回路３０のトランジスタの特性ばらつき等の影響を受ける。感度補正回路６２は、補正テーブルメモリ６３に記憶された補正係数を用いて、赤外線検出器１０から時系列で読み出されデジタル変換された信号の感度を補正する。

補正テーブルメモリ６３は、画素ごとの補正係数（オフセット値及びゲイン値を含む）を記憶する。感度補正回路６２は、デジタル変換器６１の出力に対して、補正テーブルメモリ６３から読み出した補正係数を乗算して感度補正する。

感度補正された信号は、順次フレームメモリ６４に記憶される。フレームメモリは、１フレーム分の画素出力を記憶する。

補間処理演算器６５は、フレームメモリ６４から１画素ごとに、その画素の出力値と、その画素の周辺画素の異なる波長の出力値を読み出し、図７～図１２を参照して説明した演算処理を行い、各画素についてλ1（短波長）検出値と、λ2（長波長）検出値を出力する。画素ごとに求められた２つの検出値は、相関処理、比較処理等を経て画像信号に変換された後に出力されてもよい。

この赤外線撮像装置１００は、小型で高解像の赤外線検出器１０を用いるので、装置全体をコンパクトにすることができる。

＜制御フロー＞
図１６は、信号処理回路６０によって実施される制御フローの図である。まず、赤外線検出器１０の画素出力を取得する（Ｓ１１）。赤外線検出素子アレイ２０のλ１用画素２１とλ２用画素における光応答出力は、読出し回路３０によって順次走査読出しされ、時系列の検出信号として信号処理回路６０に入力される。

入力された検出信号にデジタル変換、感度補正等を施して、１フレーム分をフレームメモリ６４に保存する（Ｓ１２）。

保存された１フレーム分の画素データから、画素ごとに、その画素の周辺画素の出力値を用いて補間処理を行い、λ１の波長の検出値とλ２の波長の検出値を算出する（Ｓ１３）。この補間処理の内容は、図７～１２を参照して説明したように、着目する画素の波長に対応する出力は、その波長の検出値としてそのまま用い、他方の波長の出力を、周辺画素の出力値から演算により推定する。

赤外線検出素子アレイ２０の画素ピッチを、一方の波長の光学的分解能よりも大きく、かつ他方の波長の光学的分解能の大きさ以下とすることで、隣接する画素に入射した長波長側の赤外光成分を、着目画素の他方の波長検出値の演算に反映することができる。周囲のどの画素の出力値を用いるかは、赤外線検出素子アレイ２０の単位ブロック２５の配置にしたがって、あらかじめ補間処理演算器６５に設定されている。

今回のフレームのすべての画素について、画素ごとに２つの波長の検出値を出力する（Ｓ１４）。その後、赤外線検出器１０の動作が終了したか否か、すなわち他に処理すべきフレームデータが残っていないかどうかを判断し（Ｓ１５）、赤外線検出器１０がＯＦＦにされるまで、フレームごとにステップＳ１１～Ｓ１４の処理を繰り返す。

これにより、各画素に１つの接続電極を設けた簡単な構成で、画素ごとに異なる波長の赤外線検出値を得ることができる。

図１７は、赤外線撮像装置１００を用いた撮像システム１０００の概略ブロック図である。撮像システム１０００は、赤外線撮像装置１００、光学系１００１、表示装置１００２、記憶装置１００３、電源１００４、及び入出力装置１００６を含む。光学系１００１は、レンズ、ミラー等の光学素子を含み、外部からの光を、赤外線撮像装置１００の赤外線検出器１０に集光する。実施形態の赤外線検出器１０では読出し回路３０と反対側の面から光が入射するので、赤外線検出素子アレイ２０の裏面に対向するようにマイクロレンズアレイが配置されてもよい。

表示装置１００２は、赤外線撮像装置１００から出力される画像信号に基づいて撮像されたイメージを表示する。記憶装置は、ＳＳＤ（Solid State Drive）などのメモリデバイスであり、赤外線撮像装置１００で撮像された画像データを記録する。電源１００４は、撮像システム１０００の全体のパワーを供給する。入出力装置１００６は、外部機器との間の入出力インタフェースを含む。

撮像システム１０００は、実施形態の赤外線撮像装置１００を用いており、１画素当たりのサイズが小さく、高画素数かつ多波長で赤外線を検知する。信号処理回路６０によって、各画素の出力値とその周辺画素の出力値に基づいて、画素ごとに２波長分の検出値が得られるので、測定対象物の画像を高精細で画像表示することができる。この撮像システム１０００は、セキュリティシステム、無人探査システム等に適用可能であり、赤外光を検出するので、夜間の監視システムにも有効に適用できる。

以上、特定の実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は実施例で例示された構成に限定されない。単位ブロックを形成する画素の数は、２×１、２×２、３×３に限定されないが、４×４の場合は２×２の場合と同じ演算処理になり、５×５の場合は、素子アレイ全体としてみると３×３の場合と同じ演算処理になる。いずれの場合も、画素サイズを長波長側の波長と同等またはそれより小さくすることで、着目画素から周辺画素に拡がって結像した赤外光の情報を利用して補間処理を行い、１つの画素から２つの赤外波長の検知情報を得ることができる。また、各画素に読出し回路との接続電極を１つ設置すればよいので、解像度を維持したまま、画素サイズおよび素子アレイ全体のサイズを低減することができる。

異なる波長λ１とλ２は、量子井戸層と障壁層の組成、組成の段階的な変化態様、繰り返し回数等を調整して中間バンド準位を制御することで、所望の波長に感度を持たせることができる。エピタキシャル積層を形成する各層には、ＧａＡｓ系III-Ｖ化合物半導体以外の半導体材料を用いてもよいし、各層の膜厚は、必要に応じて適宜設計される。各コンタクト層とオーミック接触する電極材料はＡｕＧｅに限定されず、コンタクト層の導電型に応じて適宜選択される。λ１用画素２１とλ２用画素２２を形成する方法は上述した方法に限定されず、適切なエッチングされる層に対して選択比を有するエッチングストッパ層の材料と、エッチングガスまたはエッチャントとの組み合わせにより、積層体５０を加工することができる。

以上の説明に対して、以下の付記を呈示する。
（付記１）
複数の画素の配列を有する赤外線検出器において、
第１の波長の赤外光に応答する第１画素と、前記第１の波長と異なる第２の波長に応答する第２画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
を有し、
前記第１画素は第１の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第２画素は前記第１の接続電極と異なる高さの第２の接続電極で前記読出し回路に接続されていることを特徴とする赤外線検出器。
（付記２）
前記赤外線検出素子アレイは、前記第１の波長の赤外光を吸収する第１吸収層と、前記第２の波長の赤外光を吸収する第２吸収層が中間コンタクト層を挟んで積層された積層体を有し、
前記赤外線検出素子アレイが前記読出し回路と対向する面を素子表面とすると、前記第２画素は、前記第１画素よりも前記素子表面から深い位置に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）
前記第２画素の位置で、前記第１吸収層が部分的に除去されていることを特徴とする付記２に記載の赤外線検出器。
（付記４）
前記赤外線検出素子アレイは、少なくとも１つの前記第１画素と、少なくとも１つの前記第２画素を含む単位ブロックの繰り返しを含み、
互いに隣接する２つの前記第１画素は、第１の深さの第１の画素分離溝で分離され、
隣接する前記第１画素と前記第２画素は、前記第１の画素分離溝よりも深い第２の深さの第２の画素分離溝で分離されていることを特徴とする付記１～３のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記５）
前記第１の波長は、前記第２の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、１つの前記第２画素と３つの前記第１画素を含む２×２の単位ブロックであることを特徴とする付記４に記載の赤外線検出器。
（付記６）
前記第１の波長は、前記第２の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、３つの前記第２画素と６つの前記第１画素を含む３×３の単位ブロックであることを特徴とする付記４に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記第１の波長は、前記第２の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、１つの前記第２画素と１つの前記第１画素を含む２×１の単位ブロックであり、前記複数の画素において、前記第１画素と前記第２画素がチェッカーボードパターンに配列されていることを特徴とする付記４に記載の赤外線検出器。
（付記８）
前記赤外線検出素子アレイは、前記読出し回路と対向する面から順に、上部コンタクト層、第１吸収層、中間コンタクト層、第２吸収層、及び下部コンタクト層を含む積層体、
を有し、前記下部コンタクト層と、前記中間コンタクト層に、同電位の共通バイアス電圧が印加されることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記９）
前記複数の画素の画素ピッチは、前記第１の波長の光学的分解能よりも大きく、かつ前記第２の波長の光学的分解能以下であることを特徴とする付記１～８のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記１０）
付記１～９のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力に接続される信号処理回路と、
を有する赤外線撮像装置において、
前記信号処理回路は、前記第１画素からの出力値と、前記第１画素の周囲の２以上の前記第２画素からの出力値を用いて、前記第１画素における前記第１波長の受光量と前記第２の波長の受光量とを算出することを特徴とする赤外線撮像装置。
（付記１１）
前記信号処理回路は、前記第１画素に水平方向または垂直方向で隣接する２つ以上の前記第２画素からの出力を用いて、前記第１画素における前記第２の波長の受光量を算出することを特徴とする付記１０に記載の赤外線撮像装置。
（付記１２）
前記信号処理回路は、前記第１画素に対角方向で隣接する４つの前記第２画素からの出力を用いて、前記第１画素における前記第２の波長の受光量を算出することを特徴とする付記１０に記載の赤外線撮像装置。
（付記１３）
前記信号処理回路は、前記複数の画素のそれぞれについて、前記第１の波長の受光量と、前記第２の波長の受光量とを出力することを特徴とする付記１０～１２のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
（付記１４）
プロセッサにおいて、
第１の波長の赤外光に応答する第１画素と、前記第１の波長と異なる第２の波長に応答する第２画素が所定の配置パターンで繰り返し配置された赤外線検出素子アレイからの出力をフレーム単位で取得し、
前記第１画素の出力値と、前記第１画素の周囲の前記第２画素の出力値を用いて、前記第１画素における前記第１の波長の受光量と前記第２の波長の受光量とを算出する、
ことを特徴とする赤外線検出器の制御方法。
（付記１５）
前記第１画素に水平方向または垂直方向で隣接する２つ以上の前記第２画素からの出力を用いて、前記第１画素における前記第２の波長の受光量を算出することを特徴とする付記１４に記載の赤外線検出器の制御方法。
（付記１６）
前記第１画素に対角方向で隣接する４つの前記第２画素からの出力を用いて、前記第１画素における前記第２の波長の受光量を算出することを特徴とする付記１４に記載の赤外線検出器の制御方法。
（付記１７）
前記複数の画素のそれぞれについて、前記第１の波長の受光量と、前記第２の波長の受光量とを出力することを特徴とする付記１４～１６のいずれかに記載の赤外線検出器の制御方法。

１０ 赤外線検出器
１１ 下部コンタクト層
１２ λ２吸収層
１３ 中間コンタクト層
１４ λ１吸収層
１５ 上部コンタクト層
２０ 赤外線検出素子アレイ
２１ λ１用画素
２２ λ２用画素
２６ 画素分離溝
２７ 画素分離溝
３０ 読出し回路
４１、４２ 接続電極
６０ 信号処理回路
１００ 赤外線撮像装置
２０１、２０２ 赤外線検出素子
１０００ 撮像システム

Claims (6)

1. 複数の画素の配列を有する赤外線検出器において、
   第１の波長の赤外光に応答する第１画素と、前記第１の波長と異なる第２の波長に応答する第２画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
   前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
   を有し、
   前記第１画素は第１の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第２画素は前記第１の接続電極と異なる高さの第２の接続電極で前記読出し回路に接続されており、
   前記赤外線検出素子アレイは、少なくとも１つの前記第１画素と、少なくとも１つの前記第２画素を含む単位ブロックの繰り返しを含み、
   互いに隣接する２つの前記第１画素は、前記赤外線検出素子アレイが前記読出し回路と対向する素子表面から第１の深さの第１の画素分離溝で分離され、隣接する前記第１画素と前記第２画素は、前記素子表面からの深さが前記第１の画素分離溝よりも深い第２の深さの第２の画素分離溝で分離されていることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記赤外線検出素子アレイは、前記第１の波長の赤外光を吸収する第１吸収層と、前記第２の波長の赤外光を吸収する第２吸収層が中間コンタクト層を挟んで積層された積層体を有し、
   前記第２画素の最表面は、前記第１画素の最表面よりも前記素子表面から深い位置に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. 前記積層体において、前記第２画素の位置で、前記第１吸収層が除去されていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線検出器。
4. 前記赤外線検出素子アレイは、前記読出し回路と対向する面から順に、上部コンタクト層、第１吸収層、中間コンタクト層、第２吸収層、及び下部コンタクト層を含む積層体、
   を有し、前記下部コンタクト層と、前記中間コンタクト層に、同電位の共通バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
5. 前記複数の画素の配列において、前記第１の波長の光は前記第１画素の内部に集光され、かつ前記第２の波長の光は前記第１画素から周辺の画素にまたがって結像されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の赤外線検出器と、
   前記赤外線検出器の出力に接続される信号処理回路と、
   を有する赤外線撮像装置において、
   前記信号処理回路は、前記第１画素からの出力値と、前記第１画素の周囲の２以上の前記第２画素からの出力値を用いて、前記第１画素における前記第１の波長の受光量と前記第２の波長の受光量とを算出することを特徴とする赤外線撮像装置。

Images