赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置
【課題】赤外線撮像装置の分解能を向上することができる赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置を提供する。
【解決手段】赤外線イメージセンサ11には、複数個の第1の画素1aが配列した第1の赤外線検知層1と、第1の赤外線検知層1上方に形成され、複数個の第2の画素2aが配列した第2の赤外線検知層2と、複数個の第1の画素1aの各々から信号を出力する第1の出力部3と、複数個の第2の画素2aの各々から信号を出力する第2の出力部4と、が設けられている。平面視で、複数個の第2の画素2aの配列が、複数個の第1の画素1aの配列からずれている。
【解決手段】赤外線イメージセンサ11には、複数個の第1の画素1aが配列した第1の赤外線検知層1と、第1の赤外線検知層1上方に形成され、複数個の第2の画素2aが配列した第2の赤外線検知層2と、複数個の第1の画素1aの各々から信号を出力する第1の出力部3と、複数個の第2の画素2aの各々から信号を出力する第2の出力部4と、が設けられている。平面視で、複数個の第2の画素2aの配列が、複数個の第1の画素1aの配列からずれている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
赤外線撮像装置には、赤外線イメージセンサ、読み出し回路及び光学系等が備えられている。赤外線イメージセンサでは、赤外線の入射量に応じた電気信号を発生する画素が2次元状に配列されている。画素には、例えば量子井戸型赤外線センサ(QWIP:quantum well infrared photodetector)が用いられている。そして、光学系が赤外線イメージセンサに投影する全視野範囲内のある位置に熱源がある場合には、その熱源から放射される赤外線が焦点を結ぶ位置に当る画素に集光され、その画素での光電流信号が増大する。読み出し回路がこの増大した信号を検出する。このようにして、熱源の位置又は方位が検出される。
【0003】
赤外線イメージセンサについては、画素同士のピッチ(画素ピッチ)が小さくなるほど、視野範囲が細分化されるため、熱源の位置又は方位の検出精度を向上させることができる。従って、画素ピッチの範囲内で微小な点熱源を検出することも可能である。
【0004】
しかしながら、光学系と共に赤外線イメージセンサを用いる赤外線撮像装置については、画素ピッチの縮小に伴う分解能の向上に限界がある。これは、光学系が、その回折限界以下には点熱源からの集光像が絞り込むことができないからである。従って、従来の赤外線イメージセンサを備えた赤外線撮像装置では、回折限界による集光径よりも画素ピッチを小さくしても、分解能を向上させることはできない。例えば、波長が10μmの赤外線に対してF値が2.5の光学系を用いる際には、回折限界は30μm程度となるため、画素ピッチを30μm程度以下にしても、それ以上に分解能を向上させることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−227744号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、赤外線撮像装置の分解能を向上することができる赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
赤外線イメージセンサの一態様には、複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、が設けられている。平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれている。
【発明の効果】
【0008】
上記の赤外線イメージセンサ等によれば、複数個の第2の画素の配列が複数個の第1の画素の配列からずれているため、第1の出力部から出力された信号及び第2の出力部から出力された信号から、熱源の位置又は方位を詳細に特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。
【図2】赤外線撮像装置の構成を示す図である。
【図3】点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。
【図4】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。
【図5】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。
【図6】MQW層の構造を示す断面図である。
【図7A】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7B】図7Aに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7C】図7Bに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7D】図7Cに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7E】図7Dに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7F】図7Eに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7G】図7Fに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7H】図7Gに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7I】図7Hに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7J】図7Iに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7K】図7Jに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7L】図7Kに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7M】図7Lに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7N】図7Mに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7O】図7Nに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7P】図7Oに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7Q】図7Pに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7R】図7Qに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7S】図7Rに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図8】読み出し回路の一例を示す図である。
【図9】同じく、読み出し回路の一例を示す図である。
【図10】実施形態の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【0011】
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。図1(a)は、上方から見た場合の上側画素及び下側画素の位置関係を示し、図1(b)は、主として下側画素を示している。また、図1(c)は、図1(a)及び(b)中のI−I線に沿った断面を示している。
【0012】
図1に示すように、第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサ11には、複数個の下側画素1aが配列した下側赤外線検知層1が設けられ、更に、下側赤外線検知層1の上方に形成され、複数個の上側画素2aが配列した上側赤外線検知層2が設けられている。下側画素1aのサイズ及び上側画素2aのサイズは互いに同等である。下側画素1a及び上側画素2aは、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。下側画素1a及び上側画素2aには、例えばQWIPが用いられている。また、下側赤外線検知層1と上側赤外線検知層2との間には、バイアス層5が設けられている。更に、下側画素1a毎に、当該下側画素1aから信号を出力する下側出力部3が設けられ、上側画素2a毎に、当該上側画素2aから信号を出力する上側出力部4が設けられている。下側画素1aと下側出力部3とは同数であり、上側画素2aと上側出力部4とは同数である。そして、平面視で、上側画素2aの配列が、下側画素1aの配列からずれている。このずれの程度は、本実施形態では、画素ピッチの1/2であるが、特に限定されない。これらは、例えば、基板6上に形成されている。
【0013】
この赤外線イメージセンサ11を備えた赤外線撮像装置では、赤外線イメージセンサ11は、例えば、図2に示すように、読み出し回路12に接続される。このとき、例えば、上側赤外線検知層2が読み出し回路12側に位置し、下側赤外線検知層1が赤外線の入射側に位置する。赤外線イメージセンサ11及び読み出し回路12は、赤外線の入射窓15を備えた真空容器14内に実装され、クーラー13によって冷却される。入射窓15の材料としては、例えばGeが用いられる。そして、入射窓15の赤外線入射側に、赤外線が下側赤外線検知層1の下面(アレイ面)に焦点を合せて結像するように、レンズ16を備えた光学系が配置されている。そして、全視野範囲内に位置する熱源17の位置又は方位が特定される。
【0014】
本実施形態では、以下に説明するように、熱源17が下側画素1a及び上側画素2aの画素ピッチよりも小さい点熱源である場合であっても、その位置又は方位を特定することができる。図3は、点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。
【0015】
図3に示すように、点熱源の本来の結像21は、点熱源の大きさを反映したものとなる。しかしながら、上述のように、光学系に回折限界が存在するため、実際の集光像22は、結像21よりも大きなものとなる。下側画素1a及び上側画素2aからの出力は、集光像22が大きく掛かっている場合ほど大きく変化する。
【0016】
なお、ここでは、下側赤外線検知層1に下側画素1aとして下側画素23a〜23dが存在し、上側赤外線検知層2に上側画素2aとして上側画素24a〜24dが存在することとする。また、赤外線イメージセンサ11の裏側(下側赤外線検知層1側)から見て、下側画素23a内の右上の領域に結像21が生じ、その周囲に集光像22が広がっているとする。
【0017】
この場合、図3(b)、(c)、及び(d)に示すように、下側画素23a〜23dの間では、集光像22が得られた時刻t1に、下側画素23aで最も大きな出力の変化が生じ、下側画素23b及び23cで若干の出力の変化が生じ、下側画素23dでは出力の変化がほとんど生じない。また、図3(e)、(f)、及び(g)に示すように、上側画素24a〜24dの間では、時刻t1に、上側画素24dで最も大きな出力の変化が生じ、上側画素24b及び24cで若干の出力の変化が生じ、上側画素24aでは出力の変化がほとんど生じない。
【0018】
従って、下側画素23a〜23dの間で最も出力が大きく変化した下側画素23aと上側画素24a〜24dの間で最も出力が大きく変化した上側画素24aとが重なり合っている領域、即ち下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に点熱源が存在すると特定することができる。このような位置又は方位の特定は、例えば読み出し回路12に接続されたコンピュータ等の解析装置により行われる。この解析装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。
【0019】
なお、図3に示す例では、点熱源が下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に存在しているが、下側画素23a内の他の領域に対応する領域に点熱源が存在する場合でも、例えば、下記表1に示す関係から、点熱源の位置又は方位を特定することができる。
【0020】
【表1】
【0021】
このような本実施形態に対し、従来の技術には、一層の赤外線検知層が設けられているだけである。従って、上記の場合では、下側画素23aに対応する領域に点熱源が存在することを特定することができても、下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に存在することまで特定することは困難である。下側画素23b及び23cで若干の出力の変化が生じていることに基づいて特定することも考えられるが、この変化量は微小である。このため、熱源が遠方にある場合等、熱源からの赤外線の入射量が極めて小さい場合には、下側画素23b及び23cでの出力の変化を誤差と区別することができなくなる。
【0022】
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上方から見た場合の上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。図5は、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。図5(a)は図4中のI−I線に沿った断面を示し、図5(b)は図4中のII−II線に沿った断面を示し、図5(c)は図4中のIII−III線に沿った断面を示している。
【0023】
第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサには、複数個の下側画素が配列した下側赤外線検知層、及び、複数個の上側画素が配列した上側赤外線検知層が設けられている。後述のように、下側赤外線検知層には、多重量子井戸(MQW:multiple quantum well)層106が含まれ、上側赤外線検知層には、MQW層110が含まれる。下側画素及び上側画素は、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。図4(a)中に二点鎖線で示す境界線51Uが、隣り合う上側画素同士の境界を示しており、図4(b)中に一点鎖線で示す境界線51Lが、隣り合う下側画素同士の境界を示している。境界線51U及び51Lは縦横に延びている。図4に示すように、平面視で、下側画素のサイズ(平面視での面積)及び上側画素のサイズ(平面視での面積)は互いに同等であり、上側画素の配列が、下側画素の配列からずれており、このずれの程度は、例えば画素ピッチの1/2である。また、図4及び図5に示すように、上側画素の各々には、4個の上側画素片52Uが含まれており、下側画素の各々には、1個の下側画素片52Lが含まれている。上側画素片52Uの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは上側画素のサイズの約1/4である。また、下側画素片52Lの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは下側画素のサイズの約1/1である。
【0024】
図5に示すように、基板101上にi−GaAs層102がバッファ層として形成されている。基板101は、例えば、表面のミラー指数が(100)のGaAs基板である。i−GaAs層102の厚さは、例えば1μm程度である。また、i−GaAs層102上にn−GaAs層103が下側コンタクト層として形成され、n−GaAs層103上にn−InGaP層104がエッチングストッパとして形成され、n−InGaP層104上にn−GaAs層105が形成されている。n−GaAs層103、n−InGaP層104、及びn−GaAs層105の厚さは、例えば、それぞれ、0.3μm程度、20nm程度、50nm程度である。n−GaAs層103、n−InGaP層104、及びn−GaAs層105の不純物濃度は、例えば、いずれも、1×1018cm-3程度である。そして、n−GaAs層105上にMQW層106が形成されている。上述のように、MQW層106は下側赤外線検知層に含まれる。
【0025】
MQW層106上にn−GaAs層107がバイアスコンタクト層として形成され、n−GaAs層107上にn−InGaP層108がエッチングストッパとして形成され、n−InGaP層108上にn−GaAs層109が形成されている。n−GaAs層107、n−InGaP層108、及びn−GaAs層109の厚さは、例えば、それぞれ、0.5μm程度、20nm程度、50nm程度である。n−GaAs層107、n−InGaP層108、及びn−GaAs層109の不純物濃度は、例えば、いずれも、1×1018cm-3程度である。そして、n−GaAs層109上にMQW層110が形成されている。上述のように、MQW層110は上側赤外線検知層に含まれる。
【0026】
MQW層110上にn−GaAs層111が上側コンタクト層として形成され、n−GaAs層111上にi−AlGaAs層112がエッチングストッパとして形成され、i−AlGaAs層112上にi−GaAs層113が形成され、i−GaAs層113上にi−AlGaAs層114がエッチングストッパとして形成され、i−AlGaAs層114上にi−GaAs層115が形成されている。n−GaAs層111、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115の厚さは、例えば、それぞれ、0.3μm程度、5nm程度、0.2μm程度、5nm程度、0.7μm程度である。n−GaAs層111の不純物濃度は、例えば1×1018cm-3程度である。また、i−AlGaAs層112及び114のAl組成は、例えば0.3程度である。
【0027】
層104〜115に、境界線51Lに沿って延びる溝状の開口部123が形成されており、更に、n−GaAs層103に、境界線51Lに沿って延びる分離溝124が形成されている。つまり、分離溝124は開口部123と繋がっている。なお、分離溝124の幅は、開口部123の幅よりも狭く、下側画素毎にn−GaAs層103の一部が開口部123から露出している。開口部123に囲まれた領域が下側画素片52Lに相当する。また、層108〜115に、境界線51Uに沿って延びる溝状の開口部122が形成されている。開口部122及び123に囲まれた領域が上側画素片52Uに相当する。また、各上側画素片52Uの4隅のうちで縦方向、横方向ともに境界線51Lに隣接する部分では、層112〜115に開口部121が形成されている。
【0028】
n−GaAs層107の、開口部122の交点に位置する領域上に電極131Bが形成されている。n−GaAs層111の開口部121から露出した領域上に電極131Uが形成されている。下側画素毎に、n−GaAs層103の開口部123から露出した部分上に1個の電極131Lが形成されている。
【0029】
また、i−GaAs層115に複数の段差が形成されており、グレーティング(回折格子)116が層112〜115を含んでいる。そして、グレーティング116を覆うようにして反射金属膜132が形成されている。
【0030】
開口部121〜124の底面及び側面、並びに反射金属膜132を覆うパッシベーション膜133が形成されている。パッシベーション膜133には、電極131L、電極131B、及び電極131Uを露出する開口部が形成されている。電極131Lには、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びる配線135Lが接続されている。電極131Bには、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びる配線135Bが接続されている。配線135Lの上方に延びる部分が図4中の下側引き出し部54に含まれ、配線135Bの上方に延びる部分が図4中のバイアス引き出し部55に含まれる。また、開口部123内にポリイミド膜136が埋め込まれている。ポリイミド膜136の表面は、開口部123の交点(境界線51Lの交点)では、電極131Uの表面と同程度の高さ位置にある。そして、当該交点に隣接する4つの電極131Uを共通接続する配線135Uが、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びるようにして形成されている。配線135Uの、4つの電極131Uを共通接続し、上方に延びる部分が図4中の上側引き出し部53に相当する。
【0031】
配線135L、配線135B、及び配線135Uを覆うパッシベーション膜137がパッシベーション膜133上に形成されている。パッシベーション膜137には、配線135Lの一部、配線135Bの一部、及び配線135Uの一部を露出する開口部が形成されており、これら開口部を介して、配線135Lに接続されたバンプ138L、配線135Bに接続されたバンプ138B、及び配線135Uに接続されたバンプ138Uが形成されている。
【0032】
MQW層106及び110には、図6に示すように、互いに交互に積層された複数のi−AlGaAs層141及びn−GaAs層142が含まれている。最下部及び最上部には、i−AlGaAs層141が位置しており、n−GaAs層142の数は、例えば20である。例えば、i−AlGaAs層141のAl組成は0.25程度であり、その厚さは40nm程度であり、n−GaAs層142の不純物濃度は3×1017cm-3程度であり、その厚さは5nm程度である。i−AlGaAs層141は障壁層として機能し、n−GaAs層142は量子井戸層として機能する。このように、例えば、MQW層106及び110は互いに同等の構成を備えており、互いに同一の波長に感度を有する。
【0033】
このように構成された第2の実施形態では、上側画素毎に4つの上側画素片52Uが含まれ、下側電極毎に1つの下側画素片52Lが含まれる。そして、4つの上側画素片52Uは1つの配線135Uに共通接続されている。また、上側画素の配列と下側画素の配列とは画素ピッチの1/2ずつずれている。従って、第2の実施形態における上側画素と下側画素との位置関係は、第1の実施形態における上側画素2aと下側画素1aとの位置関係と同等である。このため、第1の実施形態と同様に、回折限界がある光学系と共に赤外線撮像装置に用いられても、より高い精度で点熱源等の熱源の位置を特定することが可能となる。
【0034】
次に、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法について説明する。図7A〜図7Sは、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を工程順に示す断面図である。図7B〜図7S中の(a)は図4中のI−I線に沿った断面を示し、(b)は図4中のII−II線に沿った断面を示し、(c)は図4中のIII−III線に沿った断面を示している。
【0035】
先ず、図7Aに示すように、基板101上に、i−GaAs層102、n−GaAs層103、n−InGaP層104、n−GaAs層105、及びMQW層106を結晶成長法により形成する。次いで、MQW層106上に、n−GaAs層107、n−InGaP層108、n−GaAs層109、及びMQW層110を結晶成長法により形成する。その後、MQW層110上に、n−GaAs層111、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115を結晶成長法により形成する。結晶成長法としては、例えば、分子線エピタキシー(MBE:molecular beam epitaxy)法及び有機金属気相エピタキシー(MOVPE:metal organic vapor phase epitaxy)法等が挙げられる。
【0036】
続いて、i−GaAs層115の表面に、ウェットエッチングにより深さが0.1μm程度の位置合わせ用マーカーを形成し、これを用いて位置合わせを行う。次いで、i−GaAs層115のパターニングを行い、図7Bに示すように、i−GaAs層115に段差を形成する。このパターニングでは、例えば、i−AlGaAs層114をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115を含むグレーティング116が形成される。
【0037】
その後、図7Cに示すように、i−AlGaAs層114及びi−GaAs層113のパターニングを行い、i−AlGaAs層114及びi−GaAs層113に、後に電極131Uを形成する開口部121を形成する。このパターニングでは、例えば、ウェットエッチングでi−AlGaAs層114を除去し、その後、i−AlGaAs層112をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。
【0038】
続いて、図7Dに示すように、i−AlGaAs層112の開口部121から露出している部分をウェットエッチングし、開口部121を上側コンタクト層として機能するn−GaAs層111まで到達させる。
【0039】
次いで、図7Eに示すように、層115〜109のパターニングを行い、層115〜109に、後に電極131Bを形成する開口部122を形成する。このパターニングでは、例えば、n−InGaP層108をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。また、開口部122の形成と並行して、後に電極131Lを形成する開口部123の層115〜109の深さの部分を形成する。この結果、各上側画素に含まれる4個の上側画素片52Uが互いに分割される。
【0040】
その後、図7Fに示すように、n−InGaP層108の開口部122及び開口部123から露出している部分をウェットエッチングし、開口部122をバイアスコンタクト層として機能するn−GaAs層107まで到達させる。
【0041】
続いて、図7Gに示すように、層107〜105のパターニングを行い、開口部123の層107〜105の深さの部分を形成する。このパターニングでは、例えば、n−InGaP層104をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、下側画素片52Lが互いに分割される。
【0042】
次いで、図7Hに示すように、n−InGaP層104の開口部123から露出している部分をウェットエッチングし、開口部123を下側コンタクト層として機能するn−GaAs層103まで到達させる。
【0043】
その後、図7Iに示すように、開口部123に繋がる分離溝124を形成する。この結果、下側コンタクト層が下側画素毎に分割される。
【0044】
続いて、図7Jに示すように、例えばリフトオフ法により、n−GaAs層111上に電極131Uを形成し、n−GaAs層107上に電極131Bを形成し、n−GaAs層103上に電極131Lを形成する。このとき、AuGe膜を蒸着し、その後にAu膜を蒸着する。電極131U、電極131B、及び電極131Lはオーミック電極である。
【0045】
次いで、図7Kに示すように、例えばリフトオフ法により、グレーティング116上に反射金属膜132を形成する。このとき、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にAu膜をスパッタ蒸着する。
【0046】
その後、図7Lに示すように、全面にパッシベーション膜133を形成する。パッシベーション膜133としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマ化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)法により形成する。
【0047】
続いて、図7Mに示すように、パッシベーション膜133に、電極131Uを露出する開口部134U、電極131Bを露出する開口部134B、及び電極131Lを露出する開口部134Lを形成する。開口部134U、開口部134B、及び開口部134Lは、例えばドライエッチングにより形成する。
【0048】
次いで、図7Nに示すように、電極131Bと接続される配線135Bを形成し、電極131Lと接続される配線135Lを形成する。配線135B及び配線135Lの形成では、例えば、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にPt膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。
【0049】
その後、図7Oに示すように、開口部121、開口部123、及び分離溝124内にポリイミド膜136を埋め込む。
【0050】
続いて、図7Pに示すように、ポリイミド膜136の上部を除去して、電極131Uを露出させる。
【0051】
次いで、図7Qに示すように、電極131Uと接続される配線135Uを形成する。配線135Uの形成では、例えば、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にPt膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。
【0052】
その後、図7Rに示すように、全面にパッシベーション膜137を形成する。パッシベーション膜137としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマCVD法により形成する。
【0053】
続いて、図7Sに示すように、パッシベーション膜137に、配線135Uの一部を露出する開口部、配線135Bの一部を露出する開口部、及び配線135Lの一部を露出する開口部を形成し、これらの開口部を介して、配線135Uに接続されるバンプ138U、配線135Bに接続されるバンプ138B、及び配線135Lに接続されるバンプ138Lを形成する。バンプ138U、バンプ138B、及びバンプ138Lとしては、例えばInバンプをリフトオフ法により形成する。
【0054】
このようにして、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造することができる。
【0055】
第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサが接続される読み出し回路の一例との関係について説明する。なお、赤外線イメージセンサと読み出し回路とが互いに接続された形態においては、例えば、基板101は研磨、エッチング等の手法により適宜除去される。図8及び図9は、読み出し回路の一例を示す図である。
【0056】
この読み出し回路には、1個の下側画素211L及び1個の上側画素211Uの画素対から信号を読み出す画素対読み出し部201が縦横に並んで配置されている。縦方向に並んだ複数の画素対読み出し部201により、1本の電源線206、1本の出力バス線207U、及び1本の出力バス線207Lが共有されている。1対の出力バス線207U及び1本の出力バス線207Lは、それぞれ、1本の列選択線205に接続された列選択スイッチ209U及び列選択スイッチ209Lを介して出力トランジスタ208L及び出力トランジスタ208Uに接続されている。各列選択線205は水平走査シフトレジスタ203に接続されている。また、横方向に並んだ複数の画素対読み出し部201により、1本の行選択線204が共有されている。各行選択線204は垂直シフトレジスタ202に接続されている。
【0057】
各画素対読み出し部201内には、下側画素211Lの出力部(図4及び図5中のバンプ138L)に接続される入力ゲート212L、並びに入力ゲート212Lに接続された蓄積容量213L及びリセットトランジスタ218Lが設けられている。上側画素211Uの出力部(図4及び図5中のバンプ138U)に接続される入力ゲート212U、並びに入力ゲート212Uに接続された蓄積容量213U及びリセットトランジスタ218Uも設けられている。また、蓄積容量213L及びリセットトランジスタ218Lに接続されたサンプル/ホールド(S/H)スイッチ214L、並びにS/Hスイッチ214Lに接続されたS/H容量215L及びS/Hリセットトランジスタ219Lが設けられている。蓄積容量213U及びリセットトランジスタ218Uに接続されたS/Hスイッチ214U、並びにS/Hスイッチ214Uに接続されたS/H容量215U及びS/Hリセットトランジスタ219Uが設けられている。S/H容量215L及びS/Hリセットトランジスタ219Uに、電源線206から電源電位が供給されるアンプ216Uが接続され、アンプ216Uと出力バス線207Uとの間に、行選択線204により制御される行選択スイッチ217Uが接続されている。S/H容量215U及びS/Hリセットトランジスタ219Lに、電源線206から電源電位が供給されるアンプ216Lが接続され、アンプ216Lと出力バス線207Lとの間に、行選択線204により制御される行選択スイッチ217Lが接続されている。なお、下側画素211L及び上側画素211Uのバイアス入力部(図4及び図5中のバンプ138B)には、バイアスが印加される。
【0058】
このような読み出し回路を用いた処理は、例えば、次のようにして行われる。先ず、下側画素のうちで最も出力が大きいものを抽出し、この画素を結像中心画素とする。結像中心画素がどの位置にあるかによって、赤外線イメージセンサ全体が撮像している範囲内での熱源の位置又は方位が特定される。この際の空間分解能は光学系全視野角を下側画素の数で割った値となる。更に、1個の下側画素の視野角内での熱源の位置又は方位に関する詳細な情報を得るため、この結像中心画素に対して重なり合う位置に存在する4個の上側画素の出力を参照する。この結果、第1の実施形態に関する表1と同様の関係から、結像中心画素の中心位置に対して熱源が上下左右(斜め)方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。なお、結像中心画素を上側画素から抽出し、その後に、これと重なり合う4個の下側画素の出力を参照しても、熱源が上下左右(斜め)方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。従って、上側画素の配列、下側画素の配列のうちで高出力が得られている側を結像中心画素として用いることができる。
【0059】
また、結像中心画素の位置及び熱源の位置又は方位に関する詳細な情報に基づいて、当該結像中心画素と重なり合う4個の上側画素又は下側画素の各出力が同等となるように、旋回等により、赤外線撮像装置(少なくとも赤外線イメージセンサ及び光学系))の方向を制御してもよい。この場合、熱源を結像中心画素の中心で追跡することが可能となり、移動する熱源の追尾、及び熱源に向かう誘導が可能となる。このような赤外線撮像装置の方向の制御は、例えばコンピュータ等の制御装置により行われる。この制御装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。
【0060】
なお、第1及び第2の実施形態では、2層の画素の配列(上側画素の配列及び下側画素の配列)が、互いに画素ピッチの1/2ずつずれているが、更に1層以上の画素の配列を設けてもよい。例えば、図10に示すように、1層の画素の配列における画素の境界線301と他の1層の画素の配列における画素の境界線303とが画素ピッチの1/2ずつずれ、これらに対して画素ピッチの1/4ずれた画素の境界線302を備えた画素の配列が設けられていてもよい。この場合、集光像304が得られた場合に、これに対応する熱源の位置又は方位をより詳細に取得することが可能となる。
【0061】
また、赤外線イメージセンサに含まれる各層の材料は特に限定されない。例えば、MQW層に、InGaAs層とInAlAs層との組み合わせ、InGaAs層とInP層との組み合わせ、又はSi層とSiGe層との組み合わせ等が用いられていてもよい。また、MQW層に代えて、多重量子ドット層が用いられてもよい。また、赤外線を吸収可能な禁制帯幅を有するバルク半導体材料(HgCdTe及びInSb等)を含む半導体層が用いられてもよく、半導体超格子材料(InAs/GaSb超格子)を含む半導体層が用いられてもよい。
【0062】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0063】
(付記1)
複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、
前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、
前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、
前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、
を有し、
平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれていることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【0064】
(付記2)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする付記1に記載の赤外線イメージセンサ。
【0065】
(付記3)
前記複数個の第2の画素の配列は、前記複数個の第1の画素の配列から前記画素ピッチの1/2ずれていることを特徴とする付記2に記載の赤外線イメージセンサ。
【0066】
(付記4)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素の一方の画素は、他方の画素同士の境界線に沿って分割され、互いに電気的に接続された複数の画素片を含むことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0067】
(付記5)
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層のうち、前記一方の画素が配列したものを貫通し、前記一方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第1の開口部と、
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層を貫通し、前記他方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第2の開口部と、
を有することを特徴とする付記4に記載の赤外線イメージセンサ。
【0068】
(付記6)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の波長に感度を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0069】
(付記7)
前記第1の赤外線検知層と前記第2の赤外線検知層との間に形成され、前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素にバイアスを印加するバイアス層を有することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0070】
(付記8)
付記1乃至7のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第1の出力部及び前記第2の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【0071】
(付記9)
前記読み出し回路が読み出した信号を解析して前記熱源の位置又は方位を特定する解析手段を有することを特徴とする付記8に記載の赤外線撮像装置。
【0072】
(付記10)
前記解析手段による解析結果に基づいて、前記熱源が前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素のうちの一つの画素の中心に位置するように、少なくとも前記赤外線イメージセンサ及び前記光学系の向きを制御する制御手段を有することを特徴とする付記9に記載の赤外線撮像装置。
【符号の説明】
【0073】
1:下側赤外線検知層
1a:下側画素
2:上側赤外線検知層
2a:下側画素
3:下側出力部
4:上側出力部
5:バイアス層
11:赤外線イメージセンサ
12:読み出し回路
16:レンズ
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
赤外線撮像装置には、赤外線イメージセンサ、読み出し回路及び光学系等が備えられている。赤外線イメージセンサでは、赤外線の入射量に応じた電気信号を発生する画素が2次元状に配列されている。画素には、例えば量子井戸型赤外線センサ(QWIP:quantum well infrared photodetector)が用いられている。そして、光学系が赤外線イメージセンサに投影する全視野範囲内のある位置に熱源がある場合には、その熱源から放射される赤外線が焦点を結ぶ位置に当る画素に集光され、その画素での光電流信号が増大する。読み出し回路がこの増大した信号を検出する。このようにして、熱源の位置又は方位が検出される。
【0003】
赤外線イメージセンサについては、画素同士のピッチ(画素ピッチ)が小さくなるほど、視野範囲が細分化されるため、熱源の位置又は方位の検出精度を向上させることができる。従って、画素ピッチの範囲内で微小な点熱源を検出することも可能である。
【0004】
しかしながら、光学系と共に赤外線イメージセンサを用いる赤外線撮像装置については、画素ピッチの縮小に伴う分解能の向上に限界がある。これは、光学系が、その回折限界以下には点熱源からの集光像が絞り込むことができないからである。従って、従来の赤外線イメージセンサを備えた赤外線撮像装置では、回折限界による集光径よりも画素ピッチを小さくしても、分解能を向上させることはできない。例えば、波長が10μmの赤外線に対してF値が2.5の光学系を用いる際には、回折限界は30μm程度となるため、画素ピッチを30μm程度以下にしても、それ以上に分解能を向上させることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−227744号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、赤外線撮像装置の分解能を向上することができる赤外線イメージセンサ及び赤外線撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
赤外線イメージセンサの一態様には、複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、が設けられている。平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれている。
【発明の効果】
【0008】
上記の赤外線イメージセンサ等によれば、複数個の第2の画素の配列が複数個の第1の画素の配列からずれているため、第1の出力部から出力された信号及び第2の出力部から出力された信号から、熱源の位置又は方位を詳細に特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。
【図2】赤外線撮像装置の構成を示す図である。
【図3】点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。
【図4】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。
【図5】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。
【図6】MQW層の構造を示す断面図である。
【図7A】第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7B】図7Aに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7C】図7Bに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7D】図7Cに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7E】図7Dに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7F】図7Eに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7G】図7Fに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7H】図7Gに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7I】図7Hに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7J】図7Iに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7K】図7Jに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7L】図7Kに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7M】図7Lに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7N】図7Mに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7O】図7Nに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7P】図7Oに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7Q】図7Pに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7R】図7Qに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図7S】図7Rに引き続き、赤外線イメージセンサを製造する方法を示す断面図である。
【図8】読み出し回路の一例を示す図である。
【図9】同じく、読み出し回路の一例を示す図である。
【図10】実施形態の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【0011】
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構成を示す図である。図1(a)は、上方から見た場合の上側画素及び下側画素の位置関係を示し、図1(b)は、主として下側画素を示している。また、図1(c)は、図1(a)及び(b)中のI−I線に沿った断面を示している。
【0012】
図1に示すように、第1の実施形態に係る赤外線イメージセンサ11には、複数個の下側画素1aが配列した下側赤外線検知層1が設けられ、更に、下側赤外線検知層1の上方に形成され、複数個の上側画素2aが配列した上側赤外線検知層2が設けられている。下側画素1aのサイズ及び上側画素2aのサイズは互いに同等である。下側画素1a及び上側画素2aは、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。下側画素1a及び上側画素2aには、例えばQWIPが用いられている。また、下側赤外線検知層1と上側赤外線検知層2との間には、バイアス層5が設けられている。更に、下側画素1a毎に、当該下側画素1aから信号を出力する下側出力部3が設けられ、上側画素2a毎に、当該上側画素2aから信号を出力する上側出力部4が設けられている。下側画素1aと下側出力部3とは同数であり、上側画素2aと上側出力部4とは同数である。そして、平面視で、上側画素2aの配列が、下側画素1aの配列からずれている。このずれの程度は、本実施形態では、画素ピッチの1/2であるが、特に限定されない。これらは、例えば、基板6上に形成されている。
【0013】
この赤外線イメージセンサ11を備えた赤外線撮像装置では、赤外線イメージセンサ11は、例えば、図2に示すように、読み出し回路12に接続される。このとき、例えば、上側赤外線検知層2が読み出し回路12側に位置し、下側赤外線検知層1が赤外線の入射側に位置する。赤外線イメージセンサ11及び読み出し回路12は、赤外線の入射窓15を備えた真空容器14内に実装され、クーラー13によって冷却される。入射窓15の材料としては、例えばGeが用いられる。そして、入射窓15の赤外線入射側に、赤外線が下側赤外線検知層1の下面(アレイ面)に焦点を合せて結像するように、レンズ16を備えた光学系が配置されている。そして、全視野範囲内に位置する熱源17の位置又は方位が特定される。
【0014】
本実施形態では、以下に説明するように、熱源17が下側画素1a及び上側画素2aの画素ピッチよりも小さい点熱源である場合であっても、その位置又は方位を特定することができる。図3は、点熱源の位置又は方位を特定する機構を示す図である。
【0015】
図3に示すように、点熱源の本来の結像21は、点熱源の大きさを反映したものとなる。しかしながら、上述のように、光学系に回折限界が存在するため、実際の集光像22は、結像21よりも大きなものとなる。下側画素1a及び上側画素2aからの出力は、集光像22が大きく掛かっている場合ほど大きく変化する。
【0016】
なお、ここでは、下側赤外線検知層1に下側画素1aとして下側画素23a〜23dが存在し、上側赤外線検知層2に上側画素2aとして上側画素24a〜24dが存在することとする。また、赤外線イメージセンサ11の裏側(下側赤外線検知層1側)から見て、下側画素23a内の右上の領域に結像21が生じ、その周囲に集光像22が広がっているとする。
【0017】
この場合、図3(b)、(c)、及び(d)に示すように、下側画素23a〜23dの間では、集光像22が得られた時刻t1に、下側画素23aで最も大きな出力の変化が生じ、下側画素23b及び23cで若干の出力の変化が生じ、下側画素23dでは出力の変化がほとんど生じない。また、図3(e)、(f)、及び(g)に示すように、上側画素24a〜24dの間では、時刻t1に、上側画素24dで最も大きな出力の変化が生じ、上側画素24b及び24cで若干の出力の変化が生じ、上側画素24aでは出力の変化がほとんど生じない。
【0018】
従って、下側画素23a〜23dの間で最も出力が大きく変化した下側画素23aと上側画素24a〜24dの間で最も出力が大きく変化した上側画素24aとが重なり合っている領域、即ち下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に点熱源が存在すると特定することができる。このような位置又は方位の特定は、例えば読み出し回路12に接続されたコンピュータ等の解析装置により行われる。この解析装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。
【0019】
なお、図3に示す例では、点熱源が下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に存在しているが、下側画素23a内の他の領域に対応する領域に点熱源が存在する場合でも、例えば、下記表1に示す関係から、点熱源の位置又は方位を特定することができる。
【0020】
【表1】
【0021】
このような本実施形態に対し、従来の技術には、一層の赤外線検知層が設けられているだけである。従って、上記の場合では、下側画素23aに対応する領域に点熱源が存在することを特定することができても、下側画素23a内の右上の領域に対応する領域に存在することまで特定することは困難である。下側画素23b及び23cで若干の出力の変化が生じていることに基づいて特定することも考えられるが、この変化量は微小である。このため、熱源が遠方にある場合等、熱源からの赤外線の入射量が極めて小さい場合には、下側画素23b及び23cでの出力の変化を誤差と区別することができなくなる。
【0022】
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサにおける上方から見た場合の上側画素及び下側画素等の位置関係を示す図である。図5は、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサの構造を示す断面図である。図5(a)は図4中のI−I線に沿った断面を示し、図5(b)は図4中のII−II線に沿った断面を示し、図5(c)は図4中のIII−III線に沿った断面を示している。
【0023】
第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサには、複数個の下側画素が配列した下側赤外線検知層、及び、複数個の上側画素が配列した上側赤外線検知層が設けられている。後述のように、下側赤外線検知層には、多重量子井戸(MQW:multiple quantum well)層106が含まれ、上側赤外線検知層には、MQW層110が含まれる。下側画素及び上側画素は、それぞれ、一つの面内に互いに同一の画素ピッチで配列している。図4(a)中に二点鎖線で示す境界線51Uが、隣り合う上側画素同士の境界を示しており、図4(b)中に一点鎖線で示す境界線51Lが、隣り合う下側画素同士の境界を示している。境界線51U及び51Lは縦横に延びている。図4に示すように、平面視で、下側画素のサイズ(平面視での面積)及び上側画素のサイズ(平面視での面積)は互いに同等であり、上側画素の配列が、下側画素の配列からずれており、このずれの程度は、例えば画素ピッチの1/2である。また、図4及び図5に示すように、上側画素の各々には、4個の上側画素片52Uが含まれており、下側画素の各々には、1個の下側画素片52Lが含まれている。上側画素片52Uの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは上側画素のサイズの約1/4である。また、下側画素片52Lの平面形状は、例えば正方形であり、そのサイズは下側画素のサイズの約1/1である。
【0024】
図5に示すように、基板101上にi−GaAs層102がバッファ層として形成されている。基板101は、例えば、表面のミラー指数が(100)のGaAs基板である。i−GaAs層102の厚さは、例えば1μm程度である。また、i−GaAs層102上にn−GaAs層103が下側コンタクト層として形成され、n−GaAs層103上にn−InGaP層104がエッチングストッパとして形成され、n−InGaP層104上にn−GaAs層105が形成されている。n−GaAs層103、n−InGaP層104、及びn−GaAs層105の厚さは、例えば、それぞれ、0.3μm程度、20nm程度、50nm程度である。n−GaAs層103、n−InGaP層104、及びn−GaAs層105の不純物濃度は、例えば、いずれも、1×1018cm-3程度である。そして、n−GaAs層105上にMQW層106が形成されている。上述のように、MQW層106は下側赤外線検知層に含まれる。
【0025】
MQW層106上にn−GaAs層107がバイアスコンタクト層として形成され、n−GaAs層107上にn−InGaP層108がエッチングストッパとして形成され、n−InGaP層108上にn−GaAs層109が形成されている。n−GaAs層107、n−InGaP層108、及びn−GaAs層109の厚さは、例えば、それぞれ、0.5μm程度、20nm程度、50nm程度である。n−GaAs層107、n−InGaP層108、及びn−GaAs層109の不純物濃度は、例えば、いずれも、1×1018cm-3程度である。そして、n−GaAs層109上にMQW層110が形成されている。上述のように、MQW層110は上側赤外線検知層に含まれる。
【0026】
MQW層110上にn−GaAs層111が上側コンタクト層として形成され、n−GaAs層111上にi−AlGaAs層112がエッチングストッパとして形成され、i−AlGaAs層112上にi−GaAs層113が形成され、i−GaAs層113上にi−AlGaAs層114がエッチングストッパとして形成され、i−AlGaAs層114上にi−GaAs層115が形成されている。n−GaAs層111、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115の厚さは、例えば、それぞれ、0.3μm程度、5nm程度、0.2μm程度、5nm程度、0.7μm程度である。n−GaAs層111の不純物濃度は、例えば1×1018cm-3程度である。また、i−AlGaAs層112及び114のAl組成は、例えば0.3程度である。
【0027】
層104〜115に、境界線51Lに沿って延びる溝状の開口部123が形成されており、更に、n−GaAs層103に、境界線51Lに沿って延びる分離溝124が形成されている。つまり、分離溝124は開口部123と繋がっている。なお、分離溝124の幅は、開口部123の幅よりも狭く、下側画素毎にn−GaAs層103の一部が開口部123から露出している。開口部123に囲まれた領域が下側画素片52Lに相当する。また、層108〜115に、境界線51Uに沿って延びる溝状の開口部122が形成されている。開口部122及び123に囲まれた領域が上側画素片52Uに相当する。また、各上側画素片52Uの4隅のうちで縦方向、横方向ともに境界線51Lに隣接する部分では、層112〜115に開口部121が形成されている。
【0028】
n−GaAs層107の、開口部122の交点に位置する領域上に電極131Bが形成されている。n−GaAs層111の開口部121から露出した領域上に電極131Uが形成されている。下側画素毎に、n−GaAs層103の開口部123から露出した部分上に1個の電極131Lが形成されている。
【0029】
また、i−GaAs層115に複数の段差が形成されており、グレーティング(回折格子)116が層112〜115を含んでいる。そして、グレーティング116を覆うようにして反射金属膜132が形成されている。
【0030】
開口部121〜124の底面及び側面、並びに反射金属膜132を覆うパッシベーション膜133が形成されている。パッシベーション膜133には、電極131L、電極131B、及び電極131Uを露出する開口部が形成されている。電極131Lには、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びる配線135Lが接続されている。電極131Bには、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びる配線135Bが接続されている。配線135Lの上方に延びる部分が図4中の下側引き出し部54に含まれ、配線135Bの上方に延びる部分が図4中のバイアス引き出し部55に含まれる。また、開口部123内にポリイミド膜136が埋め込まれている。ポリイミド膜136の表面は、開口部123の交点(境界線51Lの交点)では、電極131Uの表面と同程度の高さ位置にある。そして、当該交点に隣接する4つの電極131Uを共通接続する配線135Uが、パッシベーション膜133の開口部を介して反射金属膜132の上方まで延びるようにして形成されている。配線135Uの、4つの電極131Uを共通接続し、上方に延びる部分が図4中の上側引き出し部53に相当する。
【0031】
配線135L、配線135B、及び配線135Uを覆うパッシベーション膜137がパッシベーション膜133上に形成されている。パッシベーション膜137には、配線135Lの一部、配線135Bの一部、及び配線135Uの一部を露出する開口部が形成されており、これら開口部を介して、配線135Lに接続されたバンプ138L、配線135Bに接続されたバンプ138B、及び配線135Uに接続されたバンプ138Uが形成されている。
【0032】
MQW層106及び110には、図6に示すように、互いに交互に積層された複数のi−AlGaAs層141及びn−GaAs層142が含まれている。最下部及び最上部には、i−AlGaAs層141が位置しており、n−GaAs層142の数は、例えば20である。例えば、i−AlGaAs層141のAl組成は0.25程度であり、その厚さは40nm程度であり、n−GaAs層142の不純物濃度は3×1017cm-3程度であり、その厚さは5nm程度である。i−AlGaAs層141は障壁層として機能し、n−GaAs層142は量子井戸層として機能する。このように、例えば、MQW層106及び110は互いに同等の構成を備えており、互いに同一の波長に感度を有する。
【0033】
このように構成された第2の実施形態では、上側画素毎に4つの上側画素片52Uが含まれ、下側電極毎に1つの下側画素片52Lが含まれる。そして、4つの上側画素片52Uは1つの配線135Uに共通接続されている。また、上側画素の配列と下側画素の配列とは画素ピッチの1/2ずつずれている。従って、第2の実施形態における上側画素と下側画素との位置関係は、第1の実施形態における上側画素2aと下側画素1aとの位置関係と同等である。このため、第1の実施形態と同様に、回折限界がある光学系と共に赤外線撮像装置に用いられても、より高い精度で点熱源等の熱源の位置を特定することが可能となる。
【0034】
次に、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法について説明する。図7A〜図7Sは、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造する方法を工程順に示す断面図である。図7B〜図7S中の(a)は図4中のI−I線に沿った断面を示し、(b)は図4中のII−II線に沿った断面を示し、(c)は図4中のIII−III線に沿った断面を示している。
【0035】
先ず、図7Aに示すように、基板101上に、i−GaAs層102、n−GaAs層103、n−InGaP層104、n−GaAs層105、及びMQW層106を結晶成長法により形成する。次いで、MQW層106上に、n−GaAs層107、n−InGaP層108、n−GaAs層109、及びMQW層110を結晶成長法により形成する。その後、MQW層110上に、n−GaAs層111、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115を結晶成長法により形成する。結晶成長法としては、例えば、分子線エピタキシー(MBE:molecular beam epitaxy)法及び有機金属気相エピタキシー(MOVPE:metal organic vapor phase epitaxy)法等が挙げられる。
【0036】
続いて、i−GaAs層115の表面に、ウェットエッチングにより深さが0.1μm程度の位置合わせ用マーカーを形成し、これを用いて位置合わせを行う。次いで、i−GaAs層115のパターニングを行い、図7Bに示すように、i−GaAs層115に段差を形成する。このパターニングでは、例えば、i−AlGaAs層114をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、i−AlGaAs層112、i−GaAs層113、i−AlGaAs層114、及びi−GaAs層115を含むグレーティング116が形成される。
【0037】
その後、図7Cに示すように、i−AlGaAs層114及びi−GaAs層113のパターニングを行い、i−AlGaAs層114及びi−GaAs層113に、後に電極131Uを形成する開口部121を形成する。このパターニングでは、例えば、ウェットエッチングでi−AlGaAs層114を除去し、その後、i−AlGaAs層112をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。
【0038】
続いて、図7Dに示すように、i−AlGaAs層112の開口部121から露出している部分をウェットエッチングし、開口部121を上側コンタクト層として機能するn−GaAs層111まで到達させる。
【0039】
次いで、図7Eに示すように、層115〜109のパターニングを行い、層115〜109に、後に電極131Bを形成する開口部122を形成する。このパターニングでは、例えば、n−InGaP層108をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。また、開口部122の形成と並行して、後に電極131Lを形成する開口部123の層115〜109の深さの部分を形成する。この結果、各上側画素に含まれる4個の上側画素片52Uが互いに分割される。
【0040】
その後、図7Fに示すように、n−InGaP層108の開口部122及び開口部123から露出している部分をウェットエッチングし、開口部122をバイアスコンタクト層として機能するn−GaAs層107まで到達させる。
【0041】
続いて、図7Gに示すように、層107〜105のパターニングを行い、開口部123の層107〜105の深さの部分を形成する。このパターニングでは、例えば、n−InGaP層104をエッチングストッパとして用いた選択性ドライエッチングを行う。この結果、下側画素片52Lが互いに分割される。
【0042】
次いで、図7Hに示すように、n−InGaP層104の開口部123から露出している部分をウェットエッチングし、開口部123を下側コンタクト層として機能するn−GaAs層103まで到達させる。
【0043】
その後、図7Iに示すように、開口部123に繋がる分離溝124を形成する。この結果、下側コンタクト層が下側画素毎に分割される。
【0044】
続いて、図7Jに示すように、例えばリフトオフ法により、n−GaAs層111上に電極131Uを形成し、n−GaAs層107上に電極131Bを形成し、n−GaAs層103上に電極131Lを形成する。このとき、AuGe膜を蒸着し、その後にAu膜を蒸着する。電極131U、電極131B、及び電極131Lはオーミック電極である。
【0045】
次いで、図7Kに示すように、例えばリフトオフ法により、グレーティング116上に反射金属膜132を形成する。このとき、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にAu膜をスパッタ蒸着する。
【0046】
その後、図7Lに示すように、全面にパッシベーション膜133を形成する。パッシベーション膜133としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマ化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)法により形成する。
【0047】
続いて、図7Mに示すように、パッシベーション膜133に、電極131Uを露出する開口部134U、電極131Bを露出する開口部134B、及び電極131Lを露出する開口部134Lを形成する。開口部134U、開口部134B、及び開口部134Lは、例えばドライエッチングにより形成する。
【0048】
次いで、図7Nに示すように、電極131Bと接続される配線135Bを形成し、電極131Lと接続される配線135Lを形成する。配線135B及び配線135Lの形成では、例えば、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にPt膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。
【0049】
その後、図7Oに示すように、開口部121、開口部123、及び分離溝124内にポリイミド膜136を埋め込む。
【0050】
続いて、図7Pに示すように、ポリイミド膜136の上部を除去して、電極131Uを露出させる。
【0051】
次いで、図7Qに示すように、電極131Uと接続される配線135Uを形成する。配線135Uの形成では、例えば、Ti膜をスパッタ蒸着し、その後にPt膜をスパッタ蒸着し、これらをイオンミリング法等によりパターニングする。
【0052】
その後、図7Rに示すように、全面にパッシベーション膜137を形成する。パッシベーション膜137としては、例えばシリコン窒化膜をプラズマCVD法により形成する。
【0053】
続いて、図7Sに示すように、パッシベーション膜137に、配線135Uの一部を露出する開口部、配線135Bの一部を露出する開口部、及び配線135Lの一部を露出する開口部を形成し、これらの開口部を介して、配線135Uに接続されるバンプ138U、配線135Bに接続されるバンプ138B、及び配線135Lに接続されるバンプ138Lを形成する。バンプ138U、バンプ138B、及びバンプ138Lとしては、例えばInバンプをリフトオフ法により形成する。
【0054】
このようにして、第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサを製造することができる。
【0055】
第2の実施形態に係る赤外線イメージセンサが接続される読み出し回路の一例との関係について説明する。なお、赤外線イメージセンサと読み出し回路とが互いに接続された形態においては、例えば、基板101は研磨、エッチング等の手法により適宜除去される。図8及び図9は、読み出し回路の一例を示す図である。
【0056】
この読み出し回路には、1個の下側画素211L及び1個の上側画素211Uの画素対から信号を読み出す画素対読み出し部201が縦横に並んで配置されている。縦方向に並んだ複数の画素対読み出し部201により、1本の電源線206、1本の出力バス線207U、及び1本の出力バス線207Lが共有されている。1対の出力バス線207U及び1本の出力バス線207Lは、それぞれ、1本の列選択線205に接続された列選択スイッチ209U及び列選択スイッチ209Lを介して出力トランジスタ208L及び出力トランジスタ208Uに接続されている。各列選択線205は水平走査シフトレジスタ203に接続されている。また、横方向に並んだ複数の画素対読み出し部201により、1本の行選択線204が共有されている。各行選択線204は垂直シフトレジスタ202に接続されている。
【0057】
各画素対読み出し部201内には、下側画素211Lの出力部(図4及び図5中のバンプ138L)に接続される入力ゲート212L、並びに入力ゲート212Lに接続された蓄積容量213L及びリセットトランジスタ218Lが設けられている。上側画素211Uの出力部(図4及び図5中のバンプ138U)に接続される入力ゲート212U、並びに入力ゲート212Uに接続された蓄積容量213U及びリセットトランジスタ218Uも設けられている。また、蓄積容量213L及びリセットトランジスタ218Lに接続されたサンプル/ホールド(S/H)スイッチ214L、並びにS/Hスイッチ214Lに接続されたS/H容量215L及びS/Hリセットトランジスタ219Lが設けられている。蓄積容量213U及びリセットトランジスタ218Uに接続されたS/Hスイッチ214U、並びにS/Hスイッチ214Uに接続されたS/H容量215U及びS/Hリセットトランジスタ219Uが設けられている。S/H容量215L及びS/Hリセットトランジスタ219Uに、電源線206から電源電位が供給されるアンプ216Uが接続され、アンプ216Uと出力バス線207Uとの間に、行選択線204により制御される行選択スイッチ217Uが接続されている。S/H容量215U及びS/Hリセットトランジスタ219Lに、電源線206から電源電位が供給されるアンプ216Lが接続され、アンプ216Lと出力バス線207Lとの間に、行選択線204により制御される行選択スイッチ217Lが接続されている。なお、下側画素211L及び上側画素211Uのバイアス入力部(図4及び図5中のバンプ138B)には、バイアスが印加される。
【0058】
このような読み出し回路を用いた処理は、例えば、次のようにして行われる。先ず、下側画素のうちで最も出力が大きいものを抽出し、この画素を結像中心画素とする。結像中心画素がどの位置にあるかによって、赤外線イメージセンサ全体が撮像している範囲内での熱源の位置又は方位が特定される。この際の空間分解能は光学系全視野角を下側画素の数で割った値となる。更に、1個の下側画素の視野角内での熱源の位置又は方位に関する詳細な情報を得るため、この結像中心画素に対して重なり合う位置に存在する4個の上側画素の出力を参照する。この結果、第1の実施形態に関する表1と同様の関係から、結像中心画素の中心位置に対して熱源が上下左右(斜め)方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。なお、結像中心画素を上側画素から抽出し、その後に、これと重なり合う4個の下側画素の出力を参照しても、熱源が上下左右(斜め)方向のどの位置又は方位にあるかが判明する。従って、上側画素の配列、下側画素の配列のうちで高出力が得られている側を結像中心画素として用いることができる。
【0059】
また、結像中心画素の位置及び熱源の位置又は方位に関する詳細な情報に基づいて、当該結像中心画素と重なり合う4個の上側画素又は下側画素の各出力が同等となるように、旋回等により、赤外線撮像装置(少なくとも赤外線イメージセンサ及び光学系))の方向を制御してもよい。この場合、熱源を結像中心画素の中心で追跡することが可能となり、移動する熱源の追尾、及び熱源に向かう誘導が可能となる。このような赤外線撮像装置の方向の制御は、例えばコンピュータ等の制御装置により行われる。この制御装置が赤外線撮像装置に具備されていてもよい。
【0060】
なお、第1及び第2の実施形態では、2層の画素の配列(上側画素の配列及び下側画素の配列)が、互いに画素ピッチの1/2ずつずれているが、更に1層以上の画素の配列を設けてもよい。例えば、図10に示すように、1層の画素の配列における画素の境界線301と他の1層の画素の配列における画素の境界線303とが画素ピッチの1/2ずつずれ、これらに対して画素ピッチの1/4ずれた画素の境界線302を備えた画素の配列が設けられていてもよい。この場合、集光像304が得られた場合に、これに対応する熱源の位置又は方位をより詳細に取得することが可能となる。
【0061】
また、赤外線イメージセンサに含まれる各層の材料は特に限定されない。例えば、MQW層に、InGaAs層とInAlAs層との組み合わせ、InGaAs層とInP層との組み合わせ、又はSi層とSiGe層との組み合わせ等が用いられていてもよい。また、MQW層に代えて、多重量子ドット層が用いられてもよい。また、赤外線を吸収可能な禁制帯幅を有するバルク半導体材料(HgCdTe及びInSb等)を含む半導体層が用いられてもよく、半導体超格子材料(InAs/GaSb超格子)を含む半導体層が用いられてもよい。
【0062】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0063】
(付記1)
複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、
前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、
前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、
前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、
を有し、
平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれていることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【0064】
(付記2)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする付記1に記載の赤外線イメージセンサ。
【0065】
(付記3)
前記複数個の第2の画素の配列は、前記複数個の第1の画素の配列から前記画素ピッチの1/2ずれていることを特徴とする付記2に記載の赤外線イメージセンサ。
【0066】
(付記4)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素の一方の画素は、他方の画素同士の境界線に沿って分割され、互いに電気的に接続された複数の画素片を含むことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0067】
(付記5)
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層のうち、前記一方の画素が配列したものを貫通し、前記一方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第1の開口部と、
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層を貫通し、前記他方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第2の開口部と、
を有することを特徴とする付記4に記載の赤外線イメージセンサ。
【0068】
(付記6)
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の波長に感度を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0069】
(付記7)
前記第1の赤外線検知層と前記第2の赤外線検知層との間に形成され、前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素にバイアスを印加するバイアス層を有することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【0070】
(付記8)
付記1乃至7のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第1の出力部及び前記第2の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【0071】
(付記9)
前記読み出し回路が読み出した信号を解析して前記熱源の位置又は方位を特定する解析手段を有することを特徴とする付記8に記載の赤外線撮像装置。
【0072】
(付記10)
前記解析手段による解析結果に基づいて、前記熱源が前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素のうちの一つの画素の中心に位置するように、少なくとも前記赤外線イメージセンサ及び前記光学系の向きを制御する制御手段を有することを特徴とする付記9に記載の赤外線撮像装置。
【符号の説明】
【0073】
1:下側赤外線検知層
1a:下側画素
2:上側赤外線検知層
2a:下側画素
3:下側出力部
4:上側出力部
5:バイアス層
11:赤外線イメージセンサ
12:読み出し回路
16:レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、
前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、
前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、
前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、
を有し、
平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれていることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【請求項2】
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする請求項1に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項3】
前記複数個の第2の画素の配列は、前記複数個の第1の画素の配列から前記画素ピッチの1/2ずれていることを特徴とする請求項2に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項4】
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素の一方の画素は、他方の画素同士の境界線に沿って分割され、互いに電気的に接続された複数の画素片を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項5】
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層のうち、前記一方の画素が配列したものを貫通し、前記一方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第1の開口部と、
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層を貫通し、前記他方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第2の開口部と、
を有することを特徴とする請求項4に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項6】
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第1の出力部及び前記第2の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項1】
複数個の第1の画素が配列した第1の赤外線検知層と、
前記第1の赤外線検知層上方に形成され、複数個の第2の画素が配列した第2の赤外線検知層と、
前記複数個の第1の画素の各々から信号を出力する第1の出力部と、
前記複数個の第2の画素の各々から信号を出力する第2の出力部と、
を有し、
平面視で、前記複数個の第2の画素の配列が、前記複数個の第1の画素の配列からずれていることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【請求項2】
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素は、互いに同一の画素ピッチで配列していることを特徴とする請求項1に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項3】
前記複数個の第2の画素の配列は、前記複数個の第1の画素の配列から前記画素ピッチの1/2ずれていることを特徴とする請求項2に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項4】
前記複数個の第1の画素及び前記複数個の第2の画素の一方の画素は、他方の画素同士の境界線に沿って分割され、互いに電気的に接続された複数の画素片を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項5】
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層のうち、前記一方の画素が配列したものを貫通し、前記一方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第1の開口部と、
前記第1の赤外線検知層及び前記第2の赤外線検知層を貫通し、前記他方の画素同士の境界線に沿って延びる溝状の第2の開口部と、
を有することを特徴とする請求項4に記載の赤外線イメージセンサ。
【請求項6】
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線イメージセンサと、
前記赤外線イメージセンサに熱源の赤外線像を投影する光学系と、
前記第1の出力部及び前記第2の出力部から信号を読み出す読み出し回路と、
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図7H】
【図7I】
【図7J】
【図7K】
【図7L】
【図7M】
【図7N】
【図7O】
【図7P】
【図7Q】
【図7R】
【図7S】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
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【図7A】
【図7B】
【図7C】
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【図7S】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2012−104759(P2012−104759A)
【公開日】平成24年5月31日(2012.5.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−254153(P2010−254153)
【出願日】平成22年11月12日(2010.11.12)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年5月31日(2012.5.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年11月12日(2010.11.12)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
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