JPH04199877A - ハイブリッド型赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 に、１次元あるいは２次元にホトダイオードである画素
が配列された赤外線検出器に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の赤外線検出器にはシリコン基板上のＩＩ−ＶＩ属
化合物半導体エピタキシャル層に形成されたｐｎ接合で
あるホトダイオードを、インジウムからなるバンプによ
り他のシリコン基板上に形成された信号転送部と結合し
たハイブリッド型赤外線検出器があった。

その−例として次のような１２８Ｘ１２Ｂ画素からなる
ハイブリッド型赤外線検出器がＡｐｐｌ　、Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、５６．９４６（１９９０）に示されている。

第２図（ａ）はＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５６．
９４６（１９９０）に示された１２８　Ｘ　１２Ｂ画素
からなる従来のハイブリッド型赤外線検出器の断面図で
ある。図にはその中央部と端部を示しその間は省略しで
ある０図に於いて、（１）　、（ｌａ）はシリコン基板
、（２）はＩＩ−ＶＩ属化合物半導体カドミウム水銀テ
ルルのエピタキシャル層、（３）は（２）のエピタキシ
ャル層に形成されたｐｎ接合でホトダイオードである画
素となるものである。（５）　、（５ａ）は絶縁膜、（
６）　、（６ａ）は電極、（７）は赤外線検出部（８）
と信号転送部（９）とを電気的かつ機械的に結合するイ
ンジウムからなる複数のバンプ、（１０）は赤外線の入
射方向である。

次に動作について説明する。（１０）の方向から入って
きた赤外線は２００〜４００μｍの厚さのシリコン基板
（１）を透過し、１０〜２０μｍの厚さのカドミウム水
銀テルル層（２）で吸収され、電子−正孔対を生成させ
る。これらはｐｎ接合であるホトダイオード（３）によ
り分離され、電極（６）、バンプ（７）、電極（６ａ）
を介して信号電荷として信号転送部（９）のホトダイオ
ード（３ａ）へ注入され、読み出される。

〔発明が解決しようとする課題］ 従来の装置は以上のように構成されているが、赤外線を
検出するその動作温度は、赤外線の波長にもよるが、波
長が３〜５μｍ帯では２００°に以下、波長が１０μｍ
ともなると９０°に以下となる。

動作温度が高いと熱雑音が顕著になり、Ｓ／Ｎ比が低下
する。

他方赤外線検出器の製造は動作温度より１００〜２００
°に以上高い約２０°Ｃの室温で行われる。この時は歪
みのない平面状態のシリコン基板（１）上にエピタキシ
ャル層（２）が形成されるから赤外線検出器は歪みがな
い。第２図（ａ）は室温において平面状態を保持してい
る状態を示している。

しかしながら、シリコン基板（１）とエピタキシャル層
（２）との膨張係数に差があるから、低温の動作温度で
は受光部（８）に歪みが生ずる。シリコンとカドミウム
水銀テルルの線膨張係数はそれぞれ約２．５Ｘ１０−’
に−１、約６　Ｘｌ０−’に−１のため、低温になると
カドミウム水銀テルルエピタキシャル層（２）の収縮の
方が大きくなり、カドミウム水銀テルルエピタキシャル
層（２）側が凹となる歪みが生ずる。その結果、第２図
（ｂ）のように中央部のバンプは伸長、端部のバンプは
圧縮される。

赤外線検出器は、通常、使用しない時には約２０°Ｃの
室温に保管される。しかし使用時には検出赤外線の波長
３〜５μ論帯では２００°に以下、検出赤外線の波長１
０μＩでは９０°に以下の動作温度に保持して使用する
。保管と使用との度に圧縮収縮により第２図（ａ）　、
（ｂ）の状態が繰り返される。従って、中央部ではバン
プの破断、電極の剥離、端部では電極の剥離が生じ、信
転性を著しく損なうという問題があった。

本発明は室温−低温の繰り返しく以後ヒートサイクルと
呼ぶ）に対し破損しにくい、信転性の高い赤外線検出器
を供給することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明において、シリコン基板上に形成されたカドミウ
ム水銀テルルのエピタキシャル層に形成されたｐｎ接合
からなるホトダイオードがアレイ状に配置された赤外線
検出部と、他のシリコン基板上に形成された信号転送部
と、赤外線入射により該ホトダイオードに発生する信号
電荷を信号転送部に注入するバンプ部より構成され、赤
外線検出部を構成するシリコン基板の一面にはホトダイ
オードが形成されたカドミウム水銀テルルの（Ｃｄｘ　
Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅ）エピタキシャル層が、反対側の赤外
線の入射側面にはバンドギャップが大きい他の組成のカ
ドミウム水銀テルル（Ｃｄｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅ、　１
≧ｙ＞ｘ）のエピタキシャル層がそれぞれ形成されたハ
イブリッド型赤外線検出器を構成した。

又、赤外線検出部を構成するシリコン基板の一面にはホ
トダイオードが形成された亜鉛水銀テルル（Ｚｎｘ　Ｈ
ｇ１−ｘ　Ｔｅ）のエピタキシャル層が、他の反対側の
面にはバンドギャップが大きい他の組成の亜鉛水銀テル
ル（Ｚｎｙ　Ｈｇｌ　ｙ　Ｔｅ、　１≧ｙ＞ｘ）のエピ
タキシャル層がそれぞれ形成されたハイブリッド型赤外
線検出器を構成した。

［作用〕 赤外線検出部のシリコン基板（１）の両面にＣｄｘＨｇ
１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２）及びＣｄｙ　Ｈｇ
１−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４）がそれぞれ密着し
ているから、シリコン基板（１）とＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ
　Ｔｅエピタキシャル層（２）及びＣｄｙ　Ｈｇ１−ｙ
　Ｔｅエピタキシャル層（４）の線膨張係数の差に基づ
く両界面に発生する応力はシリコン基板（１）の両面に
おいて相殺される。

Ｃｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２）及び
ｃｄｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４）のＸ
とｙの間は１≧ｙ＞ｘの条件が与えられ、Ｃｄ’／　Ｈ
ｇ１−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４）の方がバンドギ
ャップが大きくてＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシ
ャル層（２）で吸収・検出されるべき波長の赤外線がＣ
ｄｙＨｇｌ−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４）で吸収さ
れることがない。

なおＩＩ−ＶＩ属化合物半導体のエピタキシャル層につ
いて、カドミウム水銀テルル（Ｃｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔ
ｅ）エピタキシャル層及びカドミウム水銀テルル（Ｃｄ
ｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅ、　１≧ｙ＞ｘ）エピタキシャル
層をそれぞれ亜鉛水銀テルル（２ｎｘ　Ｈｇｌ　ｘ　Ｔ
ｅ）エピタキシャル層及び亜鉛水銀テルル（Ｚｎｙ　Ｈ
ｇ１−ｙ　Ｔｅ。

１≧ｙ＞ｘ）エピタキシャル層を以て代えて同様に作用
する。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図は１
２８Ｘ　１２８画素からなる本発明に係る赤外線検出器
での断面図である。図では、その中央部と端部を示しで
ある。図に於いて（１）　、（ｌａ）はシリコン基板、
（２）はエピタキシャル層、（３）はエピタキシャル層
（２）に形成されたｐｎに接合（ホトダイオード）、（
４）はエピタキシャル層、（５）、（５ａ）は絶縁層、
（６）　、（６ａ）は電極、（７）はバンプ、（８）は
赤外線検出部、　（９）は信号転送部、（１０）は赤外
線の入射方向である。

赤外線検出部（８）は、赤外線の入射方向（１０）より
エピタキシャル層（４）、シリコン基板（１）、エピタ
キシャル層（２）、ホトダイオード（３）、絶縁層（５
）、電極（６）として構成されている。

信号転送部（９）は、赤外線検出部（８）側より、電極
（６ａ）、絶縁層（５ａ）、シリコン基板（１ａ）とし
て構成されている。

赤外線検出部（８）と信号転送部（９）はインジウムか
らなるバンプ（７）により電気的、機械的に結合してい
る。

入射方向（１０）より赤外線検出部（８）に入射した赤
外線はエピタキシャル層（４）、シリコン基板（１）、
エピタキシャル層（２）により一部吸収された後ホトダ
イオード（３）において光電変換され、発生した電流は
電極（６）を介してバンプ（７）に入り、電極（６ａ）
を介して信号転送部（９）に入り、電気信号として他に
伝達される。なお絶縁層（５）と絶縁層（５ａ）は各ホ
トダイオード（３）を絶縁する絶縁層である。

次にエピタキシャル層（２）とエピタキシャル層（４）
との関係について詳述する。

厚さ２００〜４００μｍのシリコン基板（１）の１面に
は、厚さ１０−２０μｍのＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅの
エピタキシャル層（２）が形成されている。エピタキシ
ャルＮ（２）にはｐｎ接合が形成され画素となるホトダ
イオード（３）となっている。シリコン基板（１）の他
の面には、エピタキシャル層（２）と同一の厚さの他の
Ｃｄｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅ　（１≧ｙ＞ｘ）のエピタキ
シャル層（２）が形成されている。Ｃｄｙ　Ｈｇ１−ｙ
　Ｔｅ　（１≧ｙ＞ｘ）のエピタキシャル層（４）は、
バンドギャップはエピタキシャル層（２）より大きく、
膨張係数はエピタキシャル層（２）とほぼ同じである。

膨張係数については次の通りである。シリコン基板（１
）の線膨張係数的２．５Ｘ１０−’　　Ｋ−１、Ｃｄｘ
Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２）とＣｄｙ　Ｈ
ｇ１−ｙＴｅエピタキシャル層（４）の線膨張係数は約
６Ｘ１０−６に伺である。Ｃｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエ
ピタキシャル層（２）とＣｄｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅエピ
タキシャル層（４）の線膨張係数はシリコン基板（１）
の線膨張係数に比して大きいが、シリコン基板（１）は
両面にＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２
）及びＣｄｙ）Ｉｇｌ−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４
）がそれぞれ密着しているから、線膨張係数の差に基づ
く各界面の歪みはシリコン基板（１）の両面において相
殺されるため、ヒートサイクルによる第２図（ｂ）のよ
うな歪みは生じない。

組成に関する値、χ及びｙの値に関しては次の通り、Ｘ
とｙの間には１≧ｙ＞ｘの条件が必要である。即ちｙ≦
ＸではＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２
）で吸収されるべき波長の赤外線が全てＣｄｙ　Ｈｇ１
−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層（４）で吸収されてしまい
、赤外線検出器として機能しなくなる。

次にｘ＝０．２、ｙ＝０．３では、それぞれバンドギャ
ップ０．’ｌｅＶ、０．２ｅＶとなるため、波長６μｍ
より短い赤外線はＣｄＯ，３ＨｇＯ，７Ｔｅ工ピタキシ
ヤル層（４）で吸収されてしまい、Ｃｄ０．２Ｈｇ０．
８Ｔｅ工ピタキシ中ル層（２）で吸収される赤外線の波
長は６〜１２μ重となる。

このようにＣｄ０．３Ｈｇ０．７Ｔｅエピタキシー１．
ｌＬｔ層（４）はＣｄ０．２Ｈｇ０．８Ｔｅ工ピタキシ
ヤル層（２）で吸収される赤外線の波長に対するフィル
ターともなっている。

次にｘ＝０．３、ｙ＝１．０ではそれぞれバンドギャッ
プ０．２　ｅＶ、１．５　ｅＶとなるため、波長０．８
　ｐｅａより短い赤外線はＣｄＴｅエピタキシャル層（
４）で吸収されてしまい、０．８〜６μｍの波長の赤外
線が（２）のＣｄ０．３ＨｇＯ，７Ｔｅで吸収される。

次に亜鉛水銀テルルＩＩ−ＶＩ属化合物半導体の例につ
いて説明する。

ＩＩ−ＶＩ属化合物半導体のエピタキシャル層について
、カドミウム水銀テルル（Ｃｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅ）
エピタキシャル層及びカドミウム水銀テルル（ｃｃｔｙ
Ｈｇｌ−ｙ　Ｔｅ、　１≧ｙ＞ｘ）エピタキシャル層を
それぞれ亜鉛水銀テルル（Ｚｎｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅ）
エピタキシャル層及び亜鉛水銀テルル（Ｚｎｙ　Ｈｇ１
−ｙ　Ｔｅ、　１≧ｙ　＞　ｘ　）エピタキシャル層を
以て代えて同様に構成すると同様な動作をする。

Ｚｎｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層とＺｎｙ　
Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅエピタキシャル層の線膨張係数は各約
６Ｘ１０−’に−１であり、シリコン基板（１）の線膨
張係数に比して大きいが、Ｃｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエ
ピタキシャル層（２）及びＣｄｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅエ
ピタキシャル層（４）ノ場合と同様の理由でヒートサイ
クルによる歪みは生じない。

又、ｘ　＝　０．１６　、？　＝　０．２４では、それ
ぞれバンドギャップ０．１ｅＶ、０　、２ｅＶとなるた
め、波長６μ園より短い赤外線はＺｎ０．２４Ｈｇ０．
７６Ｔｅ工ピタキシヤル層（４）で吸収されてしまい、
Ｚｎ０．１６Ｈｇ０．８４Ｔｅ工ピタキシヤル層で吸収
される赤外線の波長は６〜１２μ墓となる。

〔発明の効果〕

赤外線検出部のシリコン基板（１）の赤外線入射側の面
にＣｄｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層（２）を
、他の面にＣｄｙ　Ｈｇ１−ｙＴｅエピタキシャル層（
４）がそれぞれ密着しているから、線膨張係数の差に基
づきシリコン基板（１）の両界面に発生する応力はシリ
コン基板（１）の両面において相殺され、ヒートサイク
ルによる歪みが生ぜず、バンブ部が破損したり電極が剥
離することがない。

しかも赤外線の入射側のエピタキシャル層（４）の方が
バンドギャップが大きくて、エピタキシャル層（２）に
形成されているホトダイオード（３）が吸収・検出され
るべき波長の赤外線はエピタキシャル層（４）に吸収さ
れることがなく赤外線検出器としての機能が損なわれる
ことはない。

赤外線検出部のシリコン基板の赤外線入射側の面にＺｎ
ｘ　Ｈｇ１−ｘ　Ｔｅエピタキシャル層を、他の面にＺ
ｎｙ　Ｈｇ１−ｙ　Ｔｅ、　１≧ｙ＞ｘエビタキシャ）
ｌ／層を形成し同様な効果が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例のハイプリント型赤外線検出器の中央
部及び端部の断面図、第２図は従来のハイブリッド型赤
外線検出器の中央部及び端部の断面図で、（ａ）は室温
の状態、（ｂ）は低温の状態をそれぞれ示す。 〔主要部分の符号の説明〕 図において（１）　、（ｌａ）はシリコン基板、（２）
はエピタキシャル層、（３）はホトダイオード、（４）
はエピタキシャル層、（５）　、（５ａ）は絶縁層、（
６）、（６ａ）は電極、（７）はバンプ、（８）は赤外
線検出部、（９）は信号転送部、（１０）は赤外線の入
射方向である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上に形成されたII−VI属化合物半導
   体のカドミウム水銀テルル（Ｃｄ＿ｘＨｇ＿１＿−＿ｘ
   Ｔｅ）のエピタキシャル層に形成されたｐｎ接合からな
   るホトダイオードをアレイ状に配置してなる赤外線検出
   部と、他のシリコン基板上に形成された信号転送部と、
   赤外線入射により該ホトダイオードに発生する信号電荷
   を該信号転送部に注入するバンプ部より構成されたハイ
   ブリッド型赤外線検出器において、該赤外線検出部を構
   成するシリコン基板の該ホトダイオードが形成された面
   と反対側の面に、該ホトダイオードが形成されたエピタ
   キシャル層よりバンドギャップが大きいII−VI属化合物
   半導体のカドミウム水銀テルル（Ｃｄ＿ｙＨｇ＿１＿−
   ＿ｙＴｅ、１≧ｙ＞ｘ）のエピタキシャル層を設けたこ
   とを特徴とするハイブリッド型赤外線検出器。
2. （２）該ｐｎ結合からなるホトダイオードが形成された
   II−VI属化合物半導体のカドミウム水銀テルル（Ｃｄ＿
   ｘＨｇ＿１＿−＿ｘＴｅ）のエピタキシャル層及び該ホ
   トダイオードが形成されたエピタキシャル層よりバンド
   ギャップが大きいII−VI属化合物半導体のカドミウム水
   銀テルル（Ｃｄ＿ｙＨｇ＿１＿−＿ｙＴｅ、１≧ｙ＞ｘ
   ）のエピタキシャル層を、それぞれ亜鉛水銀テルル（Ｚ
   ｎ＿ｘＨｇ＿１＿−＿ｘＴｅ）のエピタキシャル層及び
   該亜鉛水銀テルル（Ｚｎ＿ｘＨｇ＿１＿−＿ｘＴｅ）の
   エピタキシャル層よりバンドギャップが大きいII−VI属
   化合物半導体の亜鉛水銀テルル（Ｚｎ＿ｙＨｇ＿１＿−
   ＿ｙＴｅ、１≧ｙ＞ｘ）のエピタキシャル層を以て代え
   たことを特徴とする請求項（１）のハイブリッド型赤外
   線検出器。