JP2010192815A - Image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イメージセンサに関する。 The present invention relates to an image sensor.
画素を多数配列したイメージセンサとして、例えば量子井戸型赤外線フォトディテクタ(QWIP;Quantum Well Infrared Photodetector)によって各画素を構成した赤外線イメージセンサがある。
例えば、図9に示すように、2つの波長域に感度を持つ素子構造を有する2波長QWIPによって各画素を構成した赤外線イメージセンサがある。
As an image sensor in which a large number of pixels are arranged, there is an infrared image sensor in which each pixel is configured by, for example, a quantum well type infrared photo detector (QWIP).
For example, as shown in FIG. 9, there is an infrared image sensor in which each pixel is configured by two-wavelength QWIP having an element structure having sensitivity in two wavelength regions.
ここで、2波長QWIPは、下部コンタクト層、一の波長域に対して感度を持つ下部多重量子井戸(MQW;Multi Quantum Well)層、中間コンタクト層、他の波長域に対して感度を持つ上部MQW層、上部コンタクト層を順に積層させた構造になっている。なお、下部MQW層を第1センサ素子(QWIP素子)といい、上部MQW層を第2センサ素子(QWIP素子)ともいう。 Here, the two-wavelength QWIP is a lower contact layer, a lower multi quantum well (MQW) layer having sensitivity to one wavelength region, an intermediate contact layer, and an upper portion having sensitivity to another wavelength region. The MQW layer and the upper contact layer are sequentially stacked. The lower MQW layer is referred to as a first sensor element (QWIP element), and the upper MQW layer is also referred to as a second sensor element (QWIP element).
そして、これらの3つのコンタクト層のそれぞれに接するように電極を取り付け、これらの3つの電極に読出回路を接続し、上部MQW層又は下部MQW層からの光電流信号(出力電流)を個別に読み出すようになっている。
この場合、各画素の表面上に3つのバンプ電極を形成し、中間コンタクト層に接続されたバンプ電極及び中間コンタクト層を介して、上部MQW層及び下部MQW層にバイアス電圧をかける。そして、第1スイッチをオンにし、第2スイッチをオフにして、下部コンタクト層に接続されたバンプ電極を介して下部MQW層からの光電流信号を読み出すようになっている。また、第1スイッチをオフにし、第2スイッチをオンにして、上部コンタクト層に接続されたバンプ電極を介して上部MQW層からの光電流信号を読み出すようになっている。
Then, an electrode is attached so as to be in contact with each of these three contact layers, a readout circuit is connected to these three electrodes, and a photocurrent signal (output current) from the upper MQW layer or the lower MQW layer is individually read out. It is like that.
In this case, three bump electrodes are formed on the surface of each pixel, and a bias voltage is applied to the upper MQW layer and the lower MQW layer via the bump electrode and the intermediate contact layer connected to the intermediate contact layer. Then, the first switch is turned on, the second switch is turned off, and the photocurrent signal from the lower MQW layer is read out via the bump electrode connected to the lower contact layer. Further, the first switch is turned off and the second switch is turned on so that the photocurrent signal from the upper MQW layer is read out via the bump electrode connected to the upper contact layer.
ところで、上述のような赤外線イメージセンサにおいて、画素数を増大させて、より高精細な画像を取得できるようにしたい。
このため、画素数を増大させるために、各画素の面積を小さくすることが考えられる。
しかしながら、図9に示すように、読出回路に接続するために各画素の表面上に3つのバンプ電極が存在すると、各画素の小型化を図るのは困難である。
By the way, in the infrared image sensor as described above, it is desired to increase the number of pixels so that a higher definition image can be acquired.
For this reason, it is conceivable to reduce the area of each pixel in order to increase the number of pixels.
However, as shown in FIG. 9, if there are three bump electrodes on the surface of each pixel for connection to the readout circuit, it is difficult to reduce the size of each pixel.
そこで、図10に示すように、下部コンタクト層を、多数配列された全画素を接続する共通コンタクト層とし、これを多数の画素が設けられている領域の外部に設けられた1つのバンプ電極に接続することが考えられる。これにより、各画素の表面上には2つのバンプ電極を形成すれば良くなる。
この場合、下部コンタクト層に接続されたバンプ電極、及び、上部コンタクト層に接続されたバンプ電極を介してバイアス電圧が供給され、中間コンタクト層に接続されたバンプ電極を介して光電流信号を取り出すようにする。
Therefore, as shown in FIG. 10, the lower contact layer is a common contact layer that connects all the pixels arranged in large numbers, and this is used as one bump electrode provided outside the region where the large number of pixels are provided. It is possible to connect. Thereby, it is only necessary to form two bump electrodes on the surface of each pixel.
In this case, a bias voltage is supplied through the bump electrode connected to the lower contact layer and the bump electrode connected to the upper contact layer, and a photocurrent signal is taken out through the bump electrode connected to the intermediate contact layer. Like that.
このため、下部コンタクト層に接続されたバンプ電極を、第1スイッチを介してバイアス電源に接続し、上部コンタクト層に接続されたバンプ電極を、第2スイッチを介してバイアス電源に接続する。そして、第1スイッチと第2スイッチとを交互にオンにし、上部MQW層と下部MQW層とに交互にバイアス電圧をかけるようにする。
また、中間コンタクト層に接続されたバンプ電極を、第3スイッチを介して読出回路に接続する。
For this reason, the bump electrode connected to the lower contact layer is connected to the bias power source via the first switch, and the bump electrode connected to the upper contact layer is connected to the bias power source via the second switch. Then, the first switch and the second switch are alternately turned on, and a bias voltage is alternately applied to the upper MQW layer and the lower MQW layer.
Further, the bump electrode connected to the intermediate contact layer is connected to the readout circuit via the third switch.
そして、第1スイッチをオンにし、第2スイッチをオフにして、下部コンタクト層とバイアス電源とを接続し、画素形成領域の外部に設けられたバンプ電極、及び、全画素に共通の下部コンタクト層を介して、全画素の下部MQW層にバイアス電圧をかける。この状態で、第3スイッチをオンにして、中間コンタクト層に接続されたバンプ電極を介して下部MQW層からの光電流信号を取り出す。 Then, the first switch is turned on, the second switch is turned off, the lower contact layer and the bias power source are connected, the bump electrode provided outside the pixel formation region, and the lower contact layer common to all pixels A bias voltage is applied to the lower MQW layer of all the pixels through. In this state, the third switch is turned on to take out a photocurrent signal from the lower MQW layer through the bump electrode connected to the intermediate contact layer.
一方、第1スイッチをオフにし、第2スイッチをオンにして、上部コンタクト層とバイアス電源とを接続し、上部コンタクト層に接続されたバンプ電極、及び、上部コンタクト層を介して、各画素の上部MQW層にバイアス電圧をかける。この状態で、第3スイッチをオンにして、中間コンタクト層に接続されたバンプ電極を介して上部MQW層からの光電流信号を取り出す。 On the other hand, the first switch is turned off, the second switch is turned on, the upper contact layer and the bias power source are connected, and the bump electrode connected to the upper contact layer and the upper contact layer are connected to each pixel. A bias voltage is applied to the upper MQW layer. In this state, the third switch is turned on to take out a photocurrent signal from the upper MQW layer through the bump electrode connected to the intermediate contact layer.
ところで、このような赤外線イメージセンサでは、全画素に共通の下部コンタクト層を用いているため、欠陥画素(短絡など)があると、その欠陥画素だけでなく、隣接画素においても異常な電流が流れてしまい、信号の読み取りを正常に行なえない場合があることがわかった。
つまり、各画素の下部に位置する第1センサ素子(下部MQW層)を動作させずに、上部に位置する第2センサ素子(上部MQW層)を動作させて、第2センサ素子の出力電流のみを読み出す場合、図11に示すように、全画素に共通の第1スイッチをオフにし、画素毎に設けられた第2スイッチをオンにする。
By the way, since such an infrared image sensor uses a common lower contact layer for all pixels, if there is a defective pixel (such as a short circuit), an abnormal current flows not only in the defective pixel but also in an adjacent pixel. As a result, it has been found that there are cases where the signal cannot be read normally.
That is, only the output current of the second sensor element is operated by operating the second sensor element (upper MQW layer) positioned above without operating the first sensor element (lower MQW layer) positioned below each pixel. As shown in FIG. 11, the first switch common to all the pixels is turned off, and the second switch provided for each pixel is turned on.
図11中、左側に示すように、欠陥画素を含まない正常な領域では、各画素において、バイアス電源に接続された上部コンタクト層側が負電位になり、読出回路に接続された中間コンタクト層側が正電位になる。そして、両者の電位差によって、第2センサ素子にバイアス電圧がかかり、第2センサ素子で生じた光電流信号(信号電流)を出力電流として読み出すことができる。 As shown on the left side in FIG. 11, in a normal region that does not include a defective pixel, in each pixel, the upper contact layer side connected to the bias power supply has a negative potential, and the intermediate contact layer side connected to the readout circuit has a positive potential. Become potential. A bias voltage is applied to the second sensor element due to the potential difference between the two, and a photocurrent signal (signal current) generated in the second sensor element can be read as an output current.
この場合、第1センサ素子は全画素に共通の下部コンタクト層に接続されているが、第1スイッチがオフになっており、バイアス電源(ここでは負電位)とは切り離されている。このため、隣接画素の第1センサ素子間はほぼ同電位に保たれ、第1センサ素子には電流は流れない。
したがって、バイアス電源に接続された第2センサ素子で生じた光電流信号のみが出力電流として読出回路へ出力されることになり、第2センサ素子で生じた光電流信号によるイメージ画像(イメージ情報)を得ることができる。
In this case, the first sensor element is connected to the lower contact layer common to all the pixels, but the first switch is turned off and is disconnected from the bias power source (here, a negative potential). For this reason, the first sensor elements of adjacent pixels are maintained at substantially the same potential, and no current flows through the first sensor elements.
Accordingly, only the photocurrent signal generated by the second sensor element connected to the bias power source is output as an output current to the readout circuit, and an image image (image information) by the photocurrent signal generated by the second sensor element. Can be obtained.
これに対し、図11中、右側に示すように、第2センサ素子の一部に短絡などの欠陥が存在する欠陥画素を含む領域では、欠陥画素の第2センサ素子の両端の電位差がほとんど0になってしまう(信号電流による電圧降下が起こらない)。この結果、この欠陥画素では中間コンタクト層側も負電位となってしまう。
一方、この欠陥画素に隣接する正常な画素では、中間コンタクト層側は正電位になっている。このため、隣接画素の第1センサ素子間に電位差が生じてしまい、正常な画素に含まれる第1センサ素子から欠陥画素に含まれる第1センサ素子へ電流が流れてしまうことになる。
On the other hand, as shown on the right side in FIG. 11, in a region including a defective pixel in which a defect such as a short circuit exists in a part of the second sensor element, the potential difference between both ends of the second sensor element of the defective pixel is almost zero. (No voltage drop occurs due to signal current). As a result, in this defective pixel, the intermediate contact layer side also has a negative potential.
On the other hand, in a normal pixel adjacent to the defective pixel, the intermediate contact layer side has a positive potential. For this reason, a potential difference is generated between the first sensor elements of adjacent pixels, and a current flows from the first sensor element included in the normal pixel to the first sensor element included in the defective pixel.
この結果、欠陥画素に隣接する正常な画素において、第2センサ素子の出力電流以外の余計な電流が流れてしまう。このため、短絡などが存在する欠陥画素だけでなく、これに隣接する正常な画素においても、第2センサ素子の出力電流として異常な出力電流が読出回路へ出力されてしまうことになる。
また、上述のように、正常な画素に含まれる第1センサ素子から欠陥画素に含まれる第1センサ素子へ電流が流れることによって、負電位に下がった領域が、欠陥画素の周囲に拡がってしまうことになる。このため、第2センサ素子の出力電流として異常な出力電流が読出回路へ出力されてしまう領域も周囲に拡がってしまう。このように、1つの欠陥画素が存在するだけで広範囲の画素の出力電流に異常が生じてしまうことになる。この点、欠陥画素が孤立していれば隣接画素との置換処理によって対応できるが、広範囲に異常が生じてしまうと、このような処理によって補正を行なうことができない。
As a result, an extra current other than the output current of the second sensor element flows in a normal pixel adjacent to the defective pixel. For this reason, an abnormal output current is output to the readout circuit as an output current of the second sensor element not only in a defective pixel having a short circuit but also in a normal pixel adjacent thereto.
In addition, as described above, when a current flows from the first sensor element included in the normal pixel to the first sensor element included in the defective pixel, the region that has decreased to the negative potential spreads around the defective pixel. It will be. For this reason, a region where an abnormal output current is output to the readout circuit as the output current of the second sensor element also extends to the periphery. As described above, the presence of one defective pixel causes an abnormality in the output current of a wide range of pixels. In this regard, if a defective pixel is isolated, it can be dealt with by a replacement process with an adjacent pixel. However, if an abnormality occurs in a wide range, correction cannot be performed by such a process.
特に、画素の微細化を進めると、上部MQW層を加工し、狭い領域に配線を形成することになるため、短絡などの欠陥が生じやすく、イメージセンサの生産性を向上させるのが難しい。
そこで、たとえ短絡などを生じた欠陥画素が存在したとしても、その周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにして、イメージセンサの生産性を向上させたい。
In particular, if the pixels are miniaturized, the upper MQW layer is processed and wiring is formed in a narrow region, so that defects such as a short circuit are likely to occur, and it is difficult to improve the productivity of the image sensor.
Therefore, even if there is a defective pixel that causes a short circuit or the like, it is desired to improve the productivity of the image sensor by preventing the area around which the abnormal output current is output from expanding.
このため、本イメージセンサは、第1光伝導体型素子と第2光伝導体型素子とを含む複数の画素と、第1光導電体型素子及び第2光導電体型素子に接続された出力電極と、複数の画素のそれぞれに含まれる第1光導電体型素子に接続された共通電極と、出力電極と共通電極との間に設けられ、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子とを備えることを要件とする。 For this reason, the image sensor includes a plurality of pixels including a first photoconductor element and a second photoconductor element, an output electrode connected to the first photoconductor element and the second photoconductor element, Provided between the common electrode connected to the first photoconductive element included in each of the plurality of pixels, the output electrode, and the common electrode, and prevents a current flowing in the direction opposite to the direction of the current flowing during operation. It is a requirement to provide a rectifying element to perform.
本イメージセンサは、センサ素子アレイと、センサ素子アレイに接続された信号処理回路とを備え、センサ素子アレイが、第1光伝導体型素子と第2光伝導体型素子とを含む複数の画素と、第1光導電体型素子及び第2光導電体型素子に接続された出力電極と、複数の画素のそれぞれに含まれる第1光導電体型素子に接続された共通電極と、出力電極と共通電極との間に設けられ、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子とを備えることを要件とする。 The image sensor includes a sensor element array and a signal processing circuit connected to the sensor element array, and the sensor element array includes a plurality of pixels including a first photoconductor element and a second photoconductor element; An output electrode connected to the first photoconductor element and the second photoconductor element, a common electrode connected to the first photoconductor element included in each of the plurality of pixels, and an output electrode and a common electrode And a rectifying element that is provided between them and prevents a current that flows in a direction opposite to the direction of the current that flows during operation.
したがって、本イメージセンサによれば、たとえ短絡などを生じた欠陥画素が存在したとしても、その周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにすることができ、イメージセンサの生産性を向上させることができるという利点がある。 Therefore, according to the present image sensor, even if there is a defective pixel that has caused a short circuit or the like, it is possible to prevent an area where an abnormal output current is output from expanding around the defective pixel. There is an advantage that the performance can be improved.
以下、図面により、本実施形態にかかるイメージセンサについて、図1〜図8を参照しながら説明する。
本イメージセンサは、入射光(入射光量)に応じて光電流信号を発生する光検出素子を含む複数の画素が二次元的に配列されているイメージセンサ(二次元アレイセンサ)であって、同一画素で複数の波長域に感度を持つ素子構造を有する多波長イメージセンサである。
Hereinafter, the image sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
This image sensor is an image sensor (two-dimensional array sensor) in which a plurality of pixels including a photodetection element that generates a photocurrent signal according to incident light (incident light amount) is two-dimensionally arranged. This is a multi-wavelength image sensor having an element structure having sensitivity in a plurality of wavelength regions in a pixel.
特に、本イメージセンサは、量子井戸型赤外線フォトディテクタ(QWIP;Quantum Well Infrared Photodetector;量子井戸型光検出器)によって各画素を構成した赤外線イメージセンサである。
本赤外線イメージセンサは、図1に示すように、複数の画素1を備えるセンサ素子アレイ2と、複数の画素1のそれぞれに接続された信号処理回路アレイ(信号処理回路)3とを備えるアレイセンサ(撮像装置)である。そして、センサ素子アレイ2と信号処理回路アレイ3とは、導電性の金属バンプ電極(ここではInバンプ電極)4A〜4Cを介して接続されている。なお、センサ素子アレイ2を、赤外線焦点面アレイ(IRFPA;Infrared focal plane array)、あるいは、QWIP焦点面アレイ(QWIP−FPA)ともいう。
In particular, this image sensor is an infrared image sensor in which each pixel is configured by a quantum well infrared photodetector (QWIP).
As shown in FIG. 1, this infrared image sensor includes an array sensor including a sensor element array 2 including a plurality of
以下、光検出素子(センサ素子)として2つの波長域に感度を持つ素子構造を有する2波長QWIPを含む複数の画素が二次元的に配列されている2波長IRFPAを例に挙げて説明する。
本2波長IRFPAは、図1に示すように、下部コンタクト層5、一の波長域に対して感度を持つ下部多重量子井戸(MQW;Multi Quantum Well)層6、中間コンタクト層7、他の波長域に対して感度を持つ上部MQW層8、上部コンタクト層9を順に積層させた半導体積層構造を含むものとして構成される。
Hereinafter, a two-wavelength IRFPA in which a plurality of pixels including a two-wavelength QWIP having an element structure having sensitivity in two wavelength regions as a light detection element (sensor element) is two-dimensionally arranged will be described as an example.
As shown in FIG. 1, the two-wavelength IRFPA includes a
つまり、本2波長IRFPAは、全画素に共通の下部コンタクト層5上に、下部MQW層6、中間コンタクト層7、上部MQW層8、上部コンタクト層9を順に積層させてなる複数の画素1が形成された構造になっている。なお、上部MQW層8及び下部MQW層6が光吸収部であり、これらは互いに吸収域が異なる。
ここで、下部MQW層6又は上部MQW層8の光応答波長は量子準位間のエネルギー差に依存する。このため、下部MQW層又は上部MQW層を構成する井戸層の厚さと障壁層のエネルギー高さ(これは障壁層の材料・組成によって変化する)によって、光応答波長[一の波長域(吸収域)又は他の波長域(吸収域)]が定まる。
In other words, this two-wavelength IRFPA has a plurality of
Here, the optical response wavelength of the
ここでは、上部MQW層8及び下部MQW層6は、それぞれ、その量子井戸構造によって光応答ピーク波長として5μm、8.5μmが標準として得られるように設定されている。
なお、MQW層6,8は、入射される光(ここでは赤外線)に応じて抵抗値が変化する抵抗体と見ることができるため、光伝導体型素子ともいう。また、MQW層6,8は、赤外線フォトディテクタともいう。また、MQW層6,8をコンタクト層5,7,9で挟んだ構造を、QWIP又はQWIP素子ともいう。さらに、下部MQW層6は第1センサ素子(第1光伝導体型素子)ともいい、上部MQW層8は第2センサ素子(第2光伝導体型素子)ともいう。また、下部コンタクト層5は、複数の画素1のそれぞれに含まれる下部MQW層6の全てに接続されているため、共通コンタクト層ともいう。また、下部コンタクト層5は、複数の画素1が設けられている画素形成領域の外部(外周部)まで延びており、後述するように、各画素1の下部MQW層6にバイアス電圧を供給するための配線としても機能するため、共通配線ともいう。
Here, the
Note that the MQW layers 6 and 8 can be regarded as resistors whose resistance values change according to incident light (infrared rays in this case), and are also referred to as photoconductor elements. The MQW layers 6 and 8 are also called infrared photodetectors. A structure in which the MQW layers 6 and 8 are sandwiched between the contact layers 5, 7, and 9 is also referred to as a QWIP or a QWIP element. Further, the
特に、本実施形態では、中間コンタクト層7は、下部MQW層6に接する下側コンタクト層7Aと、上部MQW層8に接する上側コンタクト層7Cと、これらの下側コンタクト層7Aと上側コンタクト層7Cとの間に設けられ、下側コンタクト層7A及び上側コンタクト層7Cと導電型が異なる(逆導電型の)半導体層7Bとを積層させた構造になっている。つまり、半導体層7Bは、上側コンタクト層7Cを介して上部MQW層8に接続されており、下側コンタクト層7Aを介して下部MQW層6に接続されている。
In particular, in the present embodiment, the
なお、下部MQW層6を挟むコンタクト層、即ち、下部コンタクト層5と中間コンタクト層7に含まれる下側コンタクト層7Aを、第1コンタクト層ともいう。また、上部MQW層8を挟むコンタクト層、即ち、上部コンタクト層9と中間コンタクト層7に含まれる上側コンタクト層7Cを、第2コンタクト層ともいう。
具体的には、本実施形態では、GaAs基板10上に、i−GaAs層11、n型GaAs下部コンタクト層5、AlGaAs/GaAs下部MQW層6、GaAs中間コンタクト層7(n型GaAs下側コンタクト層7A、p型GaAs層7B、n型GaAs上側コンタクト層7C)、AlGaAs/InGaAs上部MQW層8、n型GaAs上部コンタクト層9を順に積層させた構造になっている。
The contact layer sandwiching the
Specifically, in this embodiment, an i-
なお、AlGaAs/GaAs下部MQW層6は、AlGaAs障壁層6AとGaAs井戸層6Bとからなる量子井戸を多数繰り返した構造になっている(図6、図8参照)。同様に、AlGaAs/InGaAs上部MQW層8は、AlGaAs障壁層8AとInGaAs井戸層8Bとからなる量子井戸を多数繰り返した構造になっている(図6、図8参照)。
The AlGaAs / GaAs
このように、本実施形態では、2つのMQW層6,8のそれぞれをn型コンタクト層5,7A,7C,9で挟み、2つのMQW層6,8の間に設けられるn型コンタクト層7A,7Cの間にこれらのコンタクト層7A,7Cとは逆導電型のp型半導体層7Bを設けた構造になっている。
また、上部コンタクト層9、中間コンタクト層7、下部コンタクト層5のそれぞれにオーミック電極12A,12B,12Cが取り付けられている。これらの3つのオーミック電極12A,12B,12Cには、配線13A,13B,13C及びバンプ電極4A,4B,4Cを介して信号処理回路アレイ3が接続されている。これにより、上部MQW層8又は下部MQW層6の量子井戸内で光吸収によって基底準位から励起準位へと光励起された電子を、上部MQW層8又は下部MQW層6にバイアス電圧を加えることで量子井戸外へ取り出し、光電流を発生させる。そして、信号処理回路アレイ3に含まれる読出回路14(図4参照)によって、上部MQW層8又は下部MQW層6からの光電流信号(出力電流)を個別に読み出すようになっている。
As described above, in this embodiment, each of the two
In addition,
特に、本実施形態では、各画素1の表面上に2つのバンプ電極4A,4Bが設けられており、画素形成領域の外部に1つのバンプ電極4Cが設けられている。このようにして、各画素1の表面上のバンプ電極の数を減らして各画素1の小型化を図っている。
そして、各画素1の表面上に形成された一方のバンプ電極4Aと、上部コンタクト層9上に形成されたオーミック電極12Aとが、配線13Aによって接続されている。また、各画素1の表面上に形成された他方のバンプ電極4Bと、中間コンタクト層7に含まれる半導体層7B上に形成されたオーミック電極12Bとが、配線13Bによって接続されている。さらに、画素形成領域の外部に設けられた1つのバンプ電極4Aと、全画素1に共通の下部コンタクト層5上に形成されたオーミック電極12Cとが、配線13Cによって接続されている。
In particular, in this embodiment, two
Then, one
また、画素形成領域の外部に設けられた1つのバンプ電極4Cは、信号処理回路アレイ3に含まれるバイアス電圧供給回路16(図3参照)内の第1スイッチ15に接続されている。つまり、第1スイッチ15を切り替えることで、バイアス電圧供給回路16から供給されるバイアス電圧が、オーミック電極12C及び下部コンタクト層5を介して、下部MQW層6に供給されるようになっている。ここでは、第1スイッチ15は共通配線としての下部コンタクト層5に接続されているため、第1スイッチ15を切り替えることで、全画素1に含まれる下部MQW層6に対するバイアス電圧の供給が一括して行なわれるようになっている。このため、下部コンタクト層5に接続されたオーミック電極12Cは、バイアス電圧を供給するために用いられるため、バイアス電極(バイアス供給用電極;下部MQW駆動電極)ともいう。また、下部コンタクト層5に接続されたオーミック電極12Cは、複数の画素1のそれぞれに含まれる下部MQW層6の全てにバイアス電圧を供給するために用いられるため、共通電極ともいう。
One
また、各画素1の表面上に形成された一方のバンプ電極4Aは、信号処理回路アレイ3に含まれるバイアス電圧供給回路16(図3参照)内の第2スイッチ17に接続されている。つまり、第2スイッチ17を切り替えることで、バイアス電圧供給回路16から供給されるバイアス電圧が、オーミック電極12A及び上部コンタクト層9を介して、上部MQW層8に供給されるようになっている。このため、上部コンタクト層9に接続されたオーミック電極12Aは、バイアス電圧を供給するために用いられるため、バイアス電極(バイアス供給用電極;上部MQW駆動電極)ともいう。
One
さらに、各画素1の表面上に形成された他方のバンプ電極4Bは、信号処理回路アレイ3に含まれ、光電流信号を読出回路14(図4参照)に入力するために画素毎に設けられた入力回路19(図3参照)内の第3スイッチ18に接続されている。つまり、第3スイッチ18を切り替えることで、上部MQW層8又は下部MQW層6に流れる光電流信号が、出力電流として、中間コンタクト層7に含まれる半導体層7Bに接続されたオーミック電極12Bを介して、信号処理回路アレイ3に含まれる入力回路19へ出力されるようになっている。このため、中間コンタクト層7に含まれる半導体層7B上に形成されたオーミック電極12Bは、上部MQW層8又は下部MQW層6に流れる光電流信号を出力電流として出力するために用いられるため、出力電極(信号取出用電極)ともいう。また、第3スイッチ18は、上部MQW層8又は下部MQW層6に流れる光電流信号を出力電流として出力するために用いられるため、出力スイッチともいう。また、第3スイッチ18は、入力回路19に光電流信号を入力するために用いられるため、入力ゲートともいう。
Further, the
なお、半導体層7Bは、上側コンタクト層7Cを介して上部MQW層8に接続されており、下側コンタクト層7Aを介して下部MQW層6に接続されているため、この半導体層7B上に形成されたオーミック電極12Bは、上部MQW層8及び下部MQW層6に接続されていることになる。
ところで、本実施形態では、上述のように、中間コンタクト層7が、下側コンタクト層7Aと、上側コンタクト層7Cと、これらと導電型が異なる半導体層7Bとを積層させた構造になっており、半導体層7Bに出力電極12Bが取り付けられている。
The
By the way, in this embodiment, as described above, the
このように、中間コンタクト層7に含まれる下側コンタクト層7Aと半導体層7Bとは導電型が異なるため、これらの層7A,7Bによって、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子(pn接合ダイオード)20(図2参照)が構成される。つまり、出力電極12Bと共通電極12Cとの間に、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子20が設けられていることになる。
Thus, since the
このため、以下に説明するように、たとえ短絡などを生じた欠陥画素が存在したとしても、その周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにすることができる。
以下、図2に示すように、各画素1の第1センサ素子(下部MQW層)6を動作させずに、第2センサ素子(上部MQW層)8を動作させて、第2センサ素子8の出力電流のみを読み出す場合、全画素1に共通の第1スイッチ15をオフにし、画素毎に設けられた第2スイッチ17をオンにする場合を例に挙げて説明する。
Therefore, as described below, even if there is a defective pixel that causes a short circuit or the like, it is possible to prevent an area in which an abnormal output current is output from expanding.
Hereinafter, as shown in FIG. 2, the second sensor element (upper MQW layer) 8 is operated without operating the first sensor element (lower MQW layer) 6 of each
図2中、左側に示すように、欠陥画素を含まない正常な領域では、各画素1において、第2スイッチ17を介してバイアス源(−V)に接続された第2センサ素子8の一側(上部コンタクト層9側)が負電位になり、信号処理回路アレイ3の入力回路19内の第3スイッチ18に接続された第2センサ素子8の他側(中間コンタクト層7側)が正電位になる。そして、両者の電位差によって、第2センサ素子8にバイアス電圧がかかり、第2センサ素子8で生じた光電流信号(信号電流)を出力電流として読み出すことができる。
As shown on the left side in FIG. 2, in a normal region that does not include a defective pixel, one side of the
ここで、本実施形態では、第2センサ素子8に、中間コンタクト層7に含まれる上側コンタクト層7Cと半導体層7Bとによって構成されるpn接合ダイオード21が直列に接続された形となっており、pn接合ダイオード21のp側(p型半導体層7B側)に正電位、n側(n型上側コンタクト層7C側)に負電位を加えた順方向バイアス状態となっている。このため、第2センサ素子8の出力電流がそのまま流れることになる。
Here, in the present embodiment, a
この場合、第1センサ素子6は全画素1に共通の下部コンタクト層5に接続されているが、第1スイッチ15がオフになっており、バイアス源(ここでは負電位;−V)とは切り離されている。このため、隣接画素1の第1センサ素子6間はほぼ同電位に保たれ、第1センサ素子6には電流は流れない。
したがって、バイアス源(−V)に接続された第2センサ素子8で生じた光電流信号のみが出力電流として第3スイッチ18を介して読出回路14へ出力されることになり、第2センサ素子8で生じた光電流信号によるイメージ情報を読み取ることができる。
In this case, the
Therefore, only the photocurrent signal generated by the
これに対し、図2中、右側に示すように、第2センサ素子8の一部に短絡などの欠陥が存在する欠陥画素を含む領域では、中間コンタクト層側が負電位になってしまう。つまり、欠陥画素を含む領域では、欠陥画素の第2センサ素子に接しているn型上側コンタクト層及びp型半導体層が負電位になってしまう。
一方、この欠陥画素に隣接する正常な画素1では、信号処理回路アレイ3の入力回路19内の第3スイッチ18に接続された第2センサ素子8の他側(中間コンタクト層7側;図2中、下側)は正電位になっている。つまり、第1センサ素子6に接している中間コンタクト層7に含まれるn型下側コンタクト層7A及びp型半導体層7Bは正電位になっている。
On the other hand, as shown on the right side in FIG. 2, in the region including defective pixels in which a defect such as a short circuit exists in a part of the
On the other hand, in the
このため、隣接画素の第1センサ素子6間に電位差が生じてしまう。つまり、欠陥画素のp型半導体層7Bと欠陥画素に隣接する正常な画素1のn型下側コンタクト層との間に電位差が生じてしまう。
しかし、本実施形態では、欠陥画素1の第1センサ素子6にpn接合ダイオード20が直列に接続された形となっており、このpn接合ダイオード20のp側(p型半導体層7B側)に負電位、n側(n型下側コンタクト層7A側)に正電位を加えた逆方向バイアス状態となっている。このため、逆方向バイアス状態となっているpn接合ダイオード20によって、隣接画素1の第1センサ素子6間に流れる電流が遮断され、このダイオード部分で大部分の電位差がついた状態になり、隣接画素1の第1センサ素子6間にはほとんど電位差が生じなくなる。
For this reason, a potential difference occurs between the
However, in the present embodiment, a
この結果、隣接画素1の第1センサ素子6間に流れる電流、即ち、正常な画素1に含まれる第1センサ素子6から欠陥画素1に含まれる第1センサ素子6へ流れる電流が非常に抑制されることになる。
これにより、たとえ短絡などを生じた欠陥画素1が存在したとしても、その周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにすることができる。
As a result, the current flowing between the
As a result, even if there is a
なお、第1センサ素子6の一部に短絡などの欠陥が存在する場合であって、第1センサ素子6の出力電流を読み出す場合は、画素毎に設けられた第2スイッチ17をオフにし、隣接画素間が接続されていないため、上述のような異常な電流が流れてしまうという問題はない。また、通常、画素1の上部に金属配線等を設けるため、画素1の上部に設けられる第2センサ素子8に短絡などの欠陥が生じることが多い。
In addition, when a defect such as a short circuit exists in a part of the
ところで、本赤外線イメージセンサは、図1に示すように、上述のように構成される2波長IRFPA2と、CMOS回路によって構成された信号処理回路アレイ3とを、バンプ電極4A〜4Cを介して接続した構造になっている。
ここで、信号処理回路アレイ3は、図3、図4に示すように、第1スイッチ(第1トランジスタ)15と、第2スイッチ(第2トランジスタ)17と、入力回路19と、各入力回路19の出力を順次外部に読み出す読出回路14とを含むものとして構成される。なお、第2スイッチ17と、入力回路19とを含むものとして、画素毎に設けられる一画素ユニット22が構成される。
By the way, as shown in FIG. 1, this infrared image sensor connects the two-wavelength IRFPA 2 configured as described above and the signal
Here, as shown in FIGS. 3 and 4, the signal
このうち、第1スイッチ15は、図3に示すように、全画素1に共通の下部コンタクト層5に供給するバイアス電圧(ここでは負バイアス電圧)をオン・オフするためのスイッチである。
第2スイッチ17は、各画素1の上部コンタクト層9に供給するバイアス電圧(ここでは負バイアス電圧)をオン・オフするためのスイッチである。
Among these, the
The
そして、第1スイッチ15及び第2スイッチ17は、共通のバイアス源(負バイアス源)に接続されている。第1スイッチ15及び第2スイッチ17を含むものとしてバイアス電圧供給回路16が構成される。
入力回路19は、各画素1のセンサ素子6,8からの出力電流を電圧に変換して出力するために画素毎に設けられ、入力ゲート(第3スイッチ)18と、積分容量素子(キャパシタ)23と、リセット電源24に接続されたリセットスイッチ(リセットトランジスタ)25とを備える。
The
The
そして、入力回路19の入力側には、バンプ電極4Bを介して、2つのセンサ素子6,8が接続されている。一方、入力回路19の出力側には、後述する読出回路14のソースフォロワトランジスタ26のゲート端子が接続されている。
このように構成される入力回路19では、赤外線が入射してセンサ素子6,8に流れた電流量に応じた出力電圧が出力端子から出力されることになる。
The two
In the
読出回路14は、図4に示すように、一画素ユニット22に含まれる入力回路19の出力に応じて動作する複数のソースフォロワトランジスタ26と、複数の行選択トランジスタ27と、複数の行線28と、複数の列線(出力線)29と、複数の列選択トランジスタ30と、読み出し線(出力線)31と、負荷トランジスタ32と、垂直走査シフトレジスタ33と、水平走査シフトレジスタ34とを備える。
As shown in FIG. 4, the
ここでは、各ソースフォロワトランジスタ26のゲート端子は、複数の入力回路19のそれぞれに接続されている。また、各ソースフォロワトランジスタ26のドレイン端子は、電源線35に接続されており、電源電圧が供給されている。
各行選択トランジスタ27は、複数のソースフォロワトランジスタ26のソース端子のそれぞれに接続されている。また、各行線28は、それぞれ、各行の行選択トランジスタ27のゲート端子に接続されている。
Here, the gate terminal of each
Each
各列線29は、行選択トランジスタ27を介してソースフォロワトランジスタ26に接続されている。つまり、各列線29は、それぞれ、行選択トランジスタ27を介して、各列のソースフォロワトランジスタ26に接続されている。また、各列選択トランジスタ30は、複数の列線29のそれぞれに接続されている。さらに、読み出し線31は、全ての列選択トランジスタ30に接続されている。
Each
垂直走査シフトレジスタ33は、全ての行線28に接続されており、各行線28を順次駆動し、各行線28に接続されている行選択トランジスタ27の導通・非導通制御を行なうようになっている。また、水平走査シフトレジスタ34は、全ての列選択トランジスタ30に接続されており、各列選択トランジスタ30を順次駆動し、各列選択トランジスタ30の導通・非導通制御を行なうようになっている。
The vertical scanning shift register 33 is connected to all the row lines 28, sequentially drives each
読み出し線31は、一方が出力端子(Vout)に接続されており、他方が負荷トランジスタ32を介してグランド電位(GND)に接続されている。
そして、垂直走査シフトレジスタ33によって行線28が選択されると、選択された行線28に接続された行選択トランジスタ27は導通状態(オン状態)となる。行選択トランジスタ27が導通状態となると、各画素1に含まれるセンサ素子6,8からの出力信号が、入力回路19、ソースフォロワトランジスタ26及び行選択トランジスタ27を介して、列線29に出力される。
One of the read
When the
一方、水平走査シフトレジスタ34によって列選択トランジスタ30が選択されると、選択された列選択トランジスタ30は導通状態(オン状態)となる。列選択トランジスタ30が導通状態となると、上述のようにして各列線29に出力されている出力信号が、列選択トランジスタ30を介して読み出し線31に出力される。読み出し線31に出力された出力信号は出力端子に出力される。
On the other hand, when the
特に、本実施形態では、図3、図4に示すように、第1スイッチ15と第2スイッチ17とを交互に切り替えることで、第1センサ素子(下部MQW層)6と第2センサ素子(上部MQW層)8とを交互にバイアス電源に接続して、第1センサ素子6と第2センサ素子8とを交互に動作させる。
そして、第1センサ素子6及び第2センサ素子8のいずれかが動作した状態で、必要な期間(積分時間)だけ入力ゲート18をオンにすると、第1センサ素子6又は第2センサ素子8からの光電流信号が積分容量素子23に流入し、蓄積された電荷によって発生した電圧が出力信号電圧として読出回路1へ4出力されることになる。
In particular, in the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the first sensor element (lower MQW layer) 6 and the second sensor element ( The upper MQW layer) 8 is alternately connected to the bias power source, and the
When either the
積分時間終了後、入力ゲート18をオフにして各画素1からの出力電圧を確定させ、これを、シフトレジスタ33,34を用い、時系列的に読み出すようにしている。
以下、具体的な動作を図5のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、以下の動作はコントローラからの命令に基づいて実行される。
まず、第1スイッチ15をオンにし、第2スイッチ17をオフにして、下部MQW層(第1センサ素子)6にバイアス電圧を供給する。
After completion of the integration time, the
A specific operation will be described below with reference to the timing chart of FIG. The following operations are executed based on commands from the controller.
First, the
次いで、リセットトランジスタ25をオンにしてリセット動作が行なわれる。これにより、積分容量素子23がリセット電源24に接続され、容量電圧がリセット値に設定される。
次に、入力ゲート18をオンにし、積分容量素子23を放電させる。
そして、所定期間(積分時間)の経過後、入力ゲート18をオフにする。これにより、放電期間(積分時間)中に積分容量素子23に流入した電子によって決まる積分容量素子端の電圧が各画素1の出力電圧値となる。
Next, the
Next, the
Then, after the elapse of a predetermined period (integration time), the
なお、このような動作は、2次元状に並んだ全ての画素1において行なわれる。
次に、シフトレジスタ33,34のスタート信号を入れて、各画素1の出力電圧値の走査読出動作を実行する。
垂直走査シフトレジスタ33が先頭行を選択し、水平走査シフトレジスタ34が、順次、列線29の選択を行なって、1行分の走査を実行する。そして、最終列線29の選択によって、垂直走査シフトレジスタ33が1カウント進み、次の行線28が選択され、水平走査シフトレジスタ34が、順次、列線29の選択を行なうようになっており、これを繰り返して全画素1の出力電圧値の読み出しを行なう。なお、最終行線29、最終列線29の選択終了によって垂直走査シフトレジスタ33及び水平走査シフトレジスタ34の両方を停止させるようにしている。
Such an operation is performed in all the
Next, the start signals of the shift registers 33 and 34 are input, and the scanning read operation of the output voltage value of each
The vertical scanning shift register 33 selects the first row, and the horizontal scanning shift register 34 sequentially selects the column lines 29 to execute scanning for one row. By selecting the
その後、第1スイッチ15と第2スイッチ17のオン・オフ状態を反転させ、第1スイッチ15をオフにし、第2スイッチ17をオンにして、上部MQW層(第2センサ素子)8にバイアス電圧を供給する。
次いで、再度、リセット動作が行なわれ、積分容量素子23の容量電圧をリセット値に設定した後、入力ゲート18をオンにして、上部MQW層8に流れる光電流信号による積分動作が行なわれ、各画素1の出力電圧値を確定させる。
Thereafter, the on / off state of the
Next, a reset operation is performed again, and after setting the capacitance voltage of the integration capacitance element 23 to a reset value, the
つまり、上述の場合と同様に、入力ゲート18をオンにし、積分容量素子23を放電させる。そして、積分時間経過後、入力ゲート18をオフにする。これにより、放電期間(積分時間)中に積分容量素子23に流入した電子によって決まる積分容量素子端の電圧が各画素1の出力電圧値となる。
その後、上述の場合と同様に、水平走査シフトレジスタ34及び垂直走査シフトレジスタ33を動作させて、全画素1の出力電圧値の走査読出動作を実行する。
That is, as in the case described above, the
Thereafter, in the same manner as described above, the horizontal scanning shift register 34 and the vertical scanning shift register 33 are operated, and the scanning read operation of the output voltage values of all the
このような動作を、例えば60Hzフレームレートで第1スイッチ15及び第2スイッチ17を切り替えて繰り返すことで、例えば5μmの赤外線イメージ画像と8.5μmの赤外線イメージ画像の2つの異なる波長域の赤外線イメージ画像を30Hz周期で取得することが可能である。
以下、本赤外線イメージセンサ(2波長イメージセンサ)の具体的な構成例及びその製造方法について、図6、図7を参照しながら説明する。
By repeating such an operation by switching the
Hereinafter, a specific configuration example of the infrared image sensor (two-wavelength image sensor) and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS.
まず、本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造は、図6に示すように、GaAs(100)基板10上に、i−GaAs層11、n−GaAs下部コンタクト層5、第1MQW層6(i−AlGaAs障壁層6A/n−GaAs井戸層6B)、中間コンタクト層7(n−GaAs下側コンタクト層7A、p−GaAs層7B、n−GaAs上側コンタクト層7C)、第2MQW層8(i−AlGaAs障壁層8A/n−InGaAs井戸層8B)、n−GaAs上部コンタクト層9を順に積層させた構造になっている。
First, as shown in FIG. 6, a semiconductor laminated structure constituting the infrared image sensor has an i-
次に、本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造の製造方法について、図6を参照しながら説明する。
まず、GaAs(100)基板10上に、i−GaAs層11、下部コンタクト層としてのn−GaAs層5を結晶成長し、その上に、第1MQW層6を形成する。
ここでは、i−GaAs層11は、厚さを1000Åとしている。また、n−GaAs下部コンタクト層5は、厚さを9000Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。さらに、第1MQW層6は、障壁層をi−AlGaAs層6Aとし、井戸層をn−GaAs層6Bとし、これらの層を交互に20回繰り返し積層した構造にしている。ここで、i−AlGaAs障壁層6Aは、Al組成を0.25とし、厚さを400Åとしている。また、n−GaAs井戸層6Bは、n型不純物(Si)濃度を4×1017cm−3とし、厚さを50Åとしている。
Next, the manufacturing method of the semiconductor laminated structure which comprises this infrared image sensor is demonstrated, referring FIG.
First, an i-
Here, the i-
次いで、第1MQW層6上に、中間コンタクト層7として、n−GaAs層(下側コンタクト層)7A、p−GaAs層(逆導電型の半導体層)7B、n−GaAs層(上側コンタクト層)7Cを順に積層させる。
ここでは、n−GaAs下側コンタクト層7Aは、厚さを4000Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。また、p−GaAs層7Bは、厚さを5000Åとし、p型不純物(Be)濃度を5×1017cm−3としている。また、n−GaAs上側コンタクト層7Cは、厚さを4000Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。
Next, on the
Here, the n-GaAs
次に、n−GaAs上側コンタクト層7C上に、第2MQW層8を形成する。
ここでは、第2MQW層8は、障壁層をi−AlGaAs層8Aとし、井戸層をn−InGaAs層8Bとし、これらの層を交互に20回繰り返し積層した構造にしている。ここで、i−AlGaAs障壁層8Aは、Al組成を0.35とし、厚さを300Åとしている。また、n−InGaAs井戸層8Bは、In組成を0.3とし、n型不純物(Si)濃度を5×1018cm−3とし、厚さを25Åとしている。
Next, the
Here, the
その後、第2MQW層8上に、上部コンタクト層としてのn−GaAs層9を成長させる。
ここでは、n−GaAs上部コンタクト層9は、厚さを10000Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。
なお、上述の各半導体層の結晶成長には、例えばMBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長)法あるいはMOVPE(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)法を用いれば良い。
Thereafter, an n-
Here, the n-GaAs
For example, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or MOVPE (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method may be used for crystal growth of each semiconductor layer.
このようにして、本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造(ウェハ)が作製される。
次に、このようにして作製されたウェハを用いて、赤外線イメージセンサを構成するセンサ素子アレイ2の製造方法について、図7を参照しながら説明する。
まず、図7(A)に示すように、QWIPに必要な光結合器を作製するため、ウェハ表面に回折格子構造(凹凸)50を形成する。これは、最表面のn−GaAs上部コンタクト層9を、例えばドライエッチングを用いて加工し、所定の段差を付けることで作製する。
In this way, a semiconductor laminated structure (wafer) constituting the infrared image sensor is produced.
Next, a method for manufacturing the sensor element array 2 constituting the infrared image sensor using the wafer thus manufactured will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 7A, a diffraction grating structure (unevenness) 50 is formed on the wafer surface in order to produce an optical coupler necessary for QWIP. This is produced by processing the uppermost n-GaAs
次いで、図7(B)に示すように、各画素1の中間コンタクト層7に含まれるp−GaAs層7Bに接するオーミック電極12Bを形成するために、画素毎に、中間コンタクト層7に含まれるp−GaAs層7Bまで延びるコンタクト穴36を形成する。
つまり、例えばドライエッチングを用いて、p−GaAs層7Bに到達する深さまで、最表面のn−GaAs上部コンタクト層9、第2MQW層8(AlGaAs/InGaAs層)、中間コンタクト層7に含まれるn−GaAs上側コンタクト層7Cを順次加工して、p−GaAs層7Bまで延びるコンタクト穴36を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, each pixel is included in the
That is, for example, by dry etching, the n-GaAs
次に、図7(C)に示すように、画素形成領域の外周部において、全画素1に共通のn−GaAs下部コンタクト層5に接するオーミック電極12Cを形成するために、n−GaAs下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する。
つまり、例えばドライエッチングを用いて、n−GaAs下部コンタクト層5に到達する深さまで、最表面のn−GaAs上部コンタクト層9、第2MQW層8(AlGaAs/InGaAs層)、中間コンタクト層7(n−GaAs上側コンタクト層7C、p−GaAs層7B、n−GaAs下側コンタクト層7A)、第1MQW層6(AlGaAs/InGaAs層)を順次加工して、n−GaAs下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する。
Next, as shown in FIG. 7C, in order to form an
That is, for example, by dry etching, the outermost n-GaAs
次いで、図7(D)に示すように、表面全体を覆うようにSiON膜38(保護膜;絶縁膜)を形成する。
次に、n−GaAs上部コンタクト層9、中間コンタクト層7に含まれるp−GaAs層7B及びn−GaAs下部コンタクト層5のそれぞれに接するオーミック電極12A,12B,12Cを形成する領域のSiON膜38を例えばドライエッチングによって除去する。
Next, as shown in FIG. 7D, a SiON film 38 (protective film; insulating film) is formed so as to cover the entire surface.
Next, the
その後、n−GaAs上部コンタクト層9、中間コンタクト層7に含まれるp−GaAs層7B及びn−GaAs下部コンタクト層5のそれぞれに接するオーミック電極12A,12B,12Cとして、AuGe/Au電極を例えばリフトオフ法によって形成する。
次に、図7(E)に示すように、ウェハ最表面に形成されている回折格子構造50上のSiON膜38を例えばドライエッチングによって除去した後、この回折格子構造50上に、TiW/Auからなるミラー電極39を例えばリフトオフ法によって形成する。
Thereafter, for example, an AuGe / Au electrode is lifted off as the
Next, as shown in FIG. 7E, after the
次いで、図7(F)に示すように、表面全体を覆うようにSiON膜39を形成し、各オーミック電極12A,12B,12CとInバンプ電極4A,4B,4Cとを接続するための配線13A,13B,13Cがオーミック電極12A,12B,12Cと接触する領域のSiON膜39を例えばドライエッチングによって除去する。
そして、図7(G)に示すように、各オーミック電極12A,12B,12CからSiON膜39の表面まで延びるように配線13A,13B,13Cを形成する。ここでは、Ti/Ptを全面にスパッタ蒸着した後、配線13A,13B,13Cを形成する領域が残るようなパターンを形成し、不要なTi/Ptを例えばイオンミリングを用いて除去することによってTi/Pt配線13A,13B,13Cを形成する。
Next, as shown in FIG. 7F, a
Then, as shown in FIG. 7G, wirings 13A, 13B, and 13C are formed so as to extend from the respective
次に、図7(H)に示すように、複数の画素1を分離する分離溝40を形成する。
ここでは、分離溝40を形成する領域のSiON膜39,38を例えばドライエッチングによって除去した後、例えばドライエッチングを用いて、n−GaAs下部コンタクト層5に到達する深さまで各半導体層9,8,7,6を順次加工して、n−GaAs下部コンタクト層5まで延びる分離溝40を形成する。
Next, as shown in FIG. 7H,
Here, after the
その後、図7(I)に示すように、再度、表面全体を覆うようにSiON膜41を形成した後、信号処理回路アレイ3との接続のために必要となるInバンプ電極4A,4B,4Cを形成する。
ここでは、Inバンプ電極4A,4B,4Cを形成する領域のSiON膜41を例えばドライエッチングによって除去し、上述のようにして形成されている配線13A,13B,13Cに接続されるようにInバンプ電極4A,4B,4Cを例えばリフトオフ法によって形成する。
After that, as shown in FIG. 7I, an
Here, the
このようにして、赤外線イメージセンサを構成するセンサ素子アレイ2が作製される。
そして、このようにして作製されたセンサ素子アレイ2と、CMOS回路によって構成された信号処理回路アレイ3とを、Inバンプ電極4A,4B,4Cを介して接続することで、本赤外線イメージセンサが作製される(図1参照)。
なお、本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造(ウェハ)及びセンサ素子アレイ2の製造方法は、上述の構造及び製造方法に限られるものではない。
In this way, the sensor element array 2 constituting the infrared image sensor is manufactured.
Then, by connecting the sensor element array 2 manufactured in this way and the signal
In addition, the manufacturing method of the semiconductor laminated structure (wafer) and the sensor element array 2 which comprise this infrared image sensor is not restricted to the above-mentioned structure and manufacturing method.
例えば、上述の本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造に対して、例えば図8に示すように、最表面のn−GaAs上部コンタクト層9上に、さらに、i−GaAs層(表面絶縁層)45,46を設けても良い。
また、上述の本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造に対して、例えば図8に示すように、ドライエッチングによって加工する際の深さ制御を良好なものとするために、層構造の中に選択ドライエッチング用のエッチングストッパ層42,43,44を設けても良い。
For example, as shown in FIG. 8, for example, an i-GaAs layer (surface insulating layer) is further formed on the uppermost n-GaAs
Further, for example, as shown in FIG. 8, the layer structure of the semiconductor laminated structure constituting the infrared image sensor described above is included in the layer structure in order to achieve good depth control when processed by dry etching. Etching stopper layers 42, 43, and 44 for selective dry etching may be provided.
具体的には、本赤外線イメージセンサを構成する半導体積層構造を、GaAs(100)基板10上に、i−GaAs層11、n−GaAs下部コンタクト層5、n−InGaPエッチングストッパ層42、n−GaAs層47、第1MQW層6(i−AlGaAs障壁層6A/n−GaAs井戸層6B)、中間コンタクト層7(n−GaAs下側コンタクト層7A、p−GaAs層7B、n−InGaPエッチングストッパ層43、n−GaAs上側コンタクト層7C)、第2MQW層8(i−AlGaAs障壁層8A/n−InGaAs井戸層8B)、n−GaAs上部コンタクト層9、i−GaAs絶縁層45、i−AlGaAsエッチングストッパ層44、i−GaAs絶縁層46を順に積層させた構造にしても良い。
Specifically, a semiconductor laminated structure constituting the infrared image sensor is formed on a GaAs (100)
ここでは、n−InGaPエッチングストッパ層42は、厚さを100Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。このn−InGaPエッチングストッパ層42は、GaAs/AlGaAs/InGaAs選択ドライエッチング用のエッチングストッパ層である。
また、n−GaAs層47は、厚さを500Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。
Here, the n-InGaP
The n-
また、n−InGaPエッチングストッパ層43は、厚さを100Åとし、n型不純物(Si)濃度を1×1018cm−3としている。このn−InGaPエッチングストッパ層43は、GaAs/AlGaAs/InGaAs選択ドライエッチング用のエッチングストッパ層である。
また、下側のi−GaAs絶縁層45は、厚さを2000Åとしている。
The n-InGaP
The lower i-
また、i−AlGaAsエッチングストッパ層44は、Al組成を0.3とし、厚さを50Åとしている。このi−AlGaAsエッチングストッパ層44は、GaAs選択ドライエッチング用のエッチングストッパ層である。
また、上側のi−GaAs絶縁層46は、厚さを6500Åとしている。
このように、最表面側にi−GaAs絶縁層45,46を設けることで、ウェハ表面(素子表面)に金属配線を近接して設ける際に配線間の絶縁性を高めることができる。通常はSiON膜のみによって絶縁性を確保しているが、その下側に絶縁性のi−GaAs層45,46を設けることで、さらに絶縁性を高めることができる。これにより、金属配線が形成される画素の上部においてショートが起こりにくくすることができる。
The i-AlGaAs
The upper i-
As described above, by providing the i-
また、上述のようなエッチングストッパ層42,43を設けることで、上述の回折格子構造50を形成する工程やコンタクト穴36,37を形成する工程において、ドライエッチング加工を行なって除去する半導体層のみがエッチングされ、エッチングストッパ層42,43がエッチングされないような選択ドライエッチングを用いて、所定の深さまでドライエッチングを進めることができるようになる。
Further, by providing the etching stopper layers 42 and 43 as described above, only the semiconductor layer to be removed by dry etching in the step of forming the diffraction
ここで、上述のような層構造にする場合には、上述の実施形態の製造方法における各工程を、以下のように変更する必要がある。
まず、上述の製造方法の回折格子構造50を形成する工程[図7(A)参照]において、最初に、i−AlGaAsエッチングストッパ層44をストッパとして、上述の製造方法と同様に回折格子構造50を選択ドライエッチングにより形成する。
Here, when it is set as the above layer structure, it is necessary to change each process in the manufacturing method of the above-mentioned embodiment as follows.
First, in the step of forming the diffraction
また、上述の製造方法のコンタクト穴36,37を形成する工程[図7(B),(C)参照]において、さらに、n−GaAs上部コンタクト層9まで延びるコンタクト穴を形成する。つまり、半導体積層構造の最表面側にi−GaAs絶縁層46,45が存在するため、n−GaAs上部コンタクト層9に接するオーミック電極12Aを形成するために、画素毎に、n−GaAs上部コンタクト層9まで延びるコンタクト穴を形成する必要がある。
Further, in the step of forming the contact holes 36 and 37 in the manufacturing method described above [see FIGS. 7B and 7C], contact holes extending to the n-GaAs
この場合、まず、i−AlGaAsエッチングストッパ層44をストッパとして、n−GaAs上部コンタクト層9まで延びるコンタクト穴を形成する領域の最表面のi−GaAs絶縁層46を選択ドライエッチングによって除去する。次いで、例えば硫酸+燐酸+過酸化水素水をエッチング液とするウェットエッチングによって、i−AlGaAsエッチングストッパ層44及びその下のi−GaAs絶縁層45を除去する。このようにして、画素毎に、n−GaAs上部コンタクト層9まで延びるコンタクト穴を形成する。
In this case, first, using the i-AlGaAs
また、上述の製造方法の中間コンタクト層7に含まれる半導体層(p−GaAs層)7Bまで延びるコンタクト穴36を形成する工程[図7(B)参照]において、n−InGaPエッチングストッパ層43をストッパとして、中間コンタクト層7に含まれる半導体層(p−GaAs層)7Bまで延びるコンタクト穴36を形成する領域の各半導体層(GaAs層/AlGaAs層/InGaAs層)を選択ドライエッチングによって除去する。そして、n−InGaPエッチングストッパ層43を例えばHClを用いたウェットエッチングによって除去する。このようにして、画素毎に、中間コンタクト層7に含まれる半導体層(p−GaAs層)7Bまで延びるコンタクト穴を形成する。
In the step of forming the
また、上述の製造方法の下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する工程[図7(C)参照]において、最初に、n−InGaPエッチングストッパ層43をストッパとして、下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する領域の各半導体層(GaAs層/AlGaAs層/InGaAs層)を選択ドライエッチングによって除去する。次いで、n−InGaPエッチングストッパ層43を例えばHClを用いたウェットエッチングによって除去する。次に、n−InGaPエッチングストッパ層42をストッパとして、下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する領域の各半導体層(GaAs層/AlGaAs層/InGaAs層)を選択ドライエッチングによって除去する。そして、n−InGaPエッチングストッパ層42を例えばHClを用いたウェットエッチングによって除去する。このようにして、下部コンタクト層5まで延びるコンタクト穴37を形成する。
In the step of forming the
したがって、本実施形態にかかるイメージセンサによれば、たとえ短絡などを生じた欠陥画素が存在したとしても、その周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにすることができ、イメージセンサの生産性を向上させることができるという利点がある。つまり、イメージセンサから得られる出力画像の劣化を抑えることができ、均一性の良い出力画像が得られるイメージセンサの生産性を向上させることができる。 Therefore, according to the image sensor according to the present embodiment, even if there is a defective pixel that has caused a short circuit or the like, it is possible to prevent an area where an abnormal output current is output from expanding around the defective pixel. There is an advantage that the productivity of the image sensor can be improved. That is, it is possible to suppress the deterioration of the output image obtained from the image sensor, and it is possible to improve the productivity of the image sensor that can obtain an output image with good uniformity.
特に、複数のセンサ素子を積層して異なる波長域の光を受光しうるようにした画素1を多数配列した多波長イメージセンサを作製する場合、画素1の微細化を進めると、各画素1の上部を加工し、狭い領域に配線を形成することになる。このため、短絡などの欠陥が生じやすく、その結果、欠陥画素の周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がりやすい。このような場合であっても、欠陥画素の周囲に異常な出力電流が出力される領域が拡がらないようにすることができ、イメージセンサの生産性を向上させることができるという利点がある。例えば、センサ素子アレイ2内に数素子の短絡欠陥があったとしても、これが撮像画面の広い領域にわたって影響してしまうのを防ぐことができる。
In particular, when a multi-wavelength image sensor in which a plurality of
このような効果を有するため、本実施形態にかかるイメージセンサを使用することで、例えば夜間監視用の暗視撮像システムや熱源探知のリモートセンシングシステムを生産性良く構築することができる。
なお、上述の実施形態では、中間コンタクト層7に含まれる下側コンタクト層7Aと半導体層7Bの導電型を異なるものとすることで、これらの層によって、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子20が構成されるようにしているが、これに限られるものではない。
Since such an effect is obtained, by using the image sensor according to the present embodiment, a night vision imaging system for night monitoring and a remote sensing system for heat source detection can be constructed with high productivity.
In the above-described embodiment, the
例えば、逆導電型の半導体層7Bの代わりに、中間コンタクト層7に含まれる下側コンタクト層7Aよりも禁制帯の幅が狭い材料(組成)からなる半導体層を用いても良い。この場合、中間コンタクト層に含まれる下側コンタクト層と半導体層の導電型は同じであっても良いし、異なっていても良い。つまり、中間コンタクト層に含まれる半導体層として、中間コンタクト層に含まれる下側コンタクト層と導電型が同じで、かつ、中間コンタクト層に含まれる下側コンタクト層よりも禁制帯の幅が狭い材料(組成)からなる半導体層を用いても良い。また、中間コンタクト層に含まれる半導体層として、中間コンタクト層に含まれる下側コンタクト層と導電型が異なり、かつ、中間コンタクト層に含まれる下側コンタクト層よりも禁制帯の幅が狭い材料(組成)からなる半導体層を用いても良い。
For example, instead of the reverse conductivity
このように、上述の実施形態では、中間コンタクト層に加えられるバイアス極性によって整流性を持たせる機構として、pn接合を利用しているのに代えて、あるいは、pn接合を利用するとともに、禁制帯幅の異なる半導体材料からなるヘテロ接合を利用することもでき、この場合も同様の作用・効果が得られる。
具体的には、上述の実施形態の中間コンタクト層7に含まれるn−GaAs下側コンタクト層7Aとn−GaAs上側コンタクト層7Cとの間に挟まれるp−GaAs層7Bの代わりに、GaAsよりもバンドギャップEgが狭いn−InGaAs層(In=0.3)を用いることが考えられる。
As described above, in the above-described embodiment, instead of using the pn junction or using the pn junction as a mechanism for providing rectification by the bias polarity applied to the intermediate contact layer, the forbidden band is used. Heterojunctions made of semiconductor materials having different widths can also be used, and in this case, similar actions and effects can be obtained.
Specifically, instead of the p-
また、上述の実施形態の中間コンタクト層7に含まれるn−GaAs下側コンタクト層7A及びn−GaAs上側コンタクト層7Cの代わりに、n−AlGaAs(Al=0.2)下側コンタクト層及びn−AlGaAs(Al=0.2)上側コンタクト層を用い、上述の実施形態の中間コンタクト層7に含まれるp−GaAs層7Bの代わりに、n−GaAs層を用いることも考えられる。
Further, instead of the n-GaAs
また、上述の実施形態では、上部MQW層8及び下部MQW層6を挟むコンタクト層5,7A,7C,9としてn型コンタクト層を用いているが、これに限られるものではなく、例えばp型コンタクト層を用いても良い。つまり、1種類の導電型のコンタクト層で上部MQW層及び下部MQW層を挟むようにすれば良い。
また、上述の実施形態では、下部コンタクト層5によって全画素を接続し、画素形成領域の外周部まで延ばすことで、下部コンタクト層5を共通配線として用いているが、これに限られるものではない。例えば画素毎に下部コンタクト層を設け、全画素の下部コンタクト層を、画素形成領域の外周部まで延びる金属配線で接続するようにしても良い。
In the above-described embodiment, the n-type contact layers are used as the contact layers 5, 7A, 7C, and 9 sandwiching the
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態では、2つのセンサ素子6,8を一画素とし、複数の画素1を配列して2波長イメージセンサを構成しているが、これに限られるものではなく、例えば、複数のセンサ素子を1画素とし、複数の画素を配列して多波長イメージセンサを構成しても良い。
また、上述の実施形態におけるMQW層6,8やコンタクト層5,7,9の材料・組成は、上述の実施形態のものに限られるものではない。例えば、MQW層やコンタクト層は、GaAs,InAs,AlAs,InP,GaP,AlP又はこれらの混晶によって構成すれば良い。
In the above-described embodiment, the two
Further, the materials and compositions of the MQW layers 6 and 8 and the contact layers 5, 7, and 9 in the above embodiment are not limited to those in the above embodiment. For example, the MQW layer and the contact layer may be made of GaAs, InAs, AlAs, InP, GaP, AlP, or a mixed crystal thereof.
また、上述の実施形態では、センサ素子として量子井戸型赤外線フォトディテクタ(QWIP)を用いる場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、センサ素子として他の光伝導体型素子を用いても良い。また、例えば、光吸収部を、量子井戸層ではなく、量子ドット層としても良いし、受光波長に合わせた禁制帯幅を持つバルク半導体層としても良い。 In the above-described embodiment, the case where a quantum well infrared detector (QWIP) is used as a sensor element has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, another photoconductor type element may be used as the sensor element. In addition, for example, the light absorbing portion may be a quantum dot layer instead of a quantum well layer, or a bulk semiconductor layer having a forbidden band width that matches a light receiving wavelength.
また、上述の実施形態では、信号処理回路アレイ3がバイアス電圧供給回路を含むものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば、信号処理回路アレイとは別に(即ち、赤外線アレイセンサとは別に)バイアス電圧供給回路を設け、信号処理回路アレイに接続するようにしても良い。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
In the above-described embodiment, the signal
Note that the present invention is not limited to the configurations described in the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 画素
2 センサ素子アレイ
3 信号処理回路アレイ
4A,4B,4C バンプ電極
5 n型GaAs下部コンタクト層
6 AlGaAs/GaAs下部MQW層
7 中間コンタクト層
7A n型GaAs下側コンタクト層
7B 半導体層(p型GaAs層)
7C n型GaAs上側コンタクト層
8 AlGaAs/InGaAs上部MQW層
8A AlGaAs障壁層
8B InGaAs井戸層
9 n型GaAs上部コンタクト層
10 GaAs基板
11 i−GaAs層
12A,12B,12C オーミック電極
13A,13B,13C 配線
14 読出回路
15 第1スイッチ
16 バイアス電圧供給回路
17 第2スイッチ
18 第3スイッチ(入力ゲート)
19 入力回路
20 整流素子(pn接合ダイオード)
21 pn接合ダイオード
22 一画素ユニット
23 積分容量素子(キャパシタ)
24 リセット電源
25 リセットスイッチ(リセットトランジスタ)
26 ソースフォロワトランジスタ
27 行選択トランジスタ
28 行線
29 列線
30 列選択トランジスタ
31 読み出し線
32 負荷トランジスタ
33 垂直走査シフトレジスタ
34 水平走査シフトレジスタ
35 電源線
36,37 コンタクト穴
38,41 SiON膜
39 ミラー電極
40 分離溝
42,43 n−InGaPエッチングストッパ層
44 i−AlGaAsエッチングストッパ層
45,46 i−GaAs層(表面絶縁層)
47 n−GaAs層
50 回折格子構造
1 pixel 2
7C n-type GaAs
19
21
24
26
47 n-
Claims (6)
前記第1光導電体型素子及び前記第2光導電体型素子に接続された出力電極と、
前記複数の画素のそれぞれに含まれる第1光導電体型素子に接続された共通電極と、
前記出力電極と前記共通電極との間に設けられ、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子とを備えることを特徴とするイメージセンサ。 A plurality of pixels including a first photoconductor-type element and a second photoconductor-type element;
An output electrode connected to the first photoconductor element and the second photoconductor element;
A common electrode connected to a first photoconductive element included in each of the plurality of pixels;
An image sensor comprising: a rectifying element that is provided between the output electrode and the common electrode and prevents a current flowing in a direction opposite to a direction of a current flowing during operation.
前記第2光伝導体型素子を挟む第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の一方と前記第2コンタクト層の一方との間に設けられ、前記出力電極に直接接続され、前記一方の第1コンタクト層と導電型が異なる半導体層とを備え、
前記整流素子は、前記一方の第1コンタクト層と、前記半導体層とによって構成されることを特徴とする、請求項1記載のイメージセンサ。 A first contact layer sandwiching the first photoconductor element;
A second contact layer sandwiching the second photoconductor element;
A semiconductor layer provided between one of the first contact layers and one of the second contact layers, directly connected to the output electrode, and having a conductivity type different from that of the one first contact layer;
The image sensor according to claim 1, wherein the rectifying element includes the one first contact layer and the semiconductor layer.
前記第2光伝導体型素子を挟む第2コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の一方と前記第2コンタクト層の一方との間に設けられ、前記出力電極に接続され、前記一方の第1コンタクト層よりも禁制帯の幅が狭い材料からなる半導体層とを備え、
前記整流素子は、前記一方の第1コンタクト層と、前記半導体層とによって構成されることを特徴とする、請求項1記載のイメージセンサ。 A first contact layer sandwiching the first photoconductor element;
A second contact layer sandwiching the second photoconductor element;
A semiconductor layer provided between one of the first contact layers and one of the second contact layers, connected to the output electrode, and made of a material having a forbidden band narrower than the one first contact layer; With
The image sensor according to claim 1, wherein the rectifying element includes the one first contact layer and the semiconductor layer.
前記共通電極にバイアス電圧を供給するための第1スイッチと、
前記バイアス電極にバイアス電圧を供給するための第2スイッチと、
前記出力電極に接続された第3スイッチとを備えることを特徴とする、請求項2又は3に記載のイメージセンサ。 A bias electrode connected to the other of the second contact layers;
A first switch for supplying a bias voltage to the common electrode;
A second switch for supplying a bias voltage to the bias electrode;
The image sensor according to claim 2, further comprising a third switch connected to the output electrode.
前記共通電極は、前記共通コンタクト層を介して、前記複数の画素のそれぞれに含まれる前記第1光導電体型素子に接続されていることを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 The other of the first contact layers is a common contact layer connected to the first photoconductive element included in each of the plurality of pixels;
5. The device according to claim 2, wherein the common electrode is connected to the first photoconductive element included in each of the plurality of pixels via the common contact layer. 6. The image sensor described in 1.
前記センサ素子アレイに接続された信号処理回路とを備え、
前記センサ素子アレイが、
第1光伝導体型素子と第2光伝導体型素子とを含む複数の画素と、
前記第1光導電体型素子及び前記第2光導電体型素子に接続された出力電極と、
前記複数の画素のそれぞれに含まれる第1光導電体型素子に接続された共通電極と、
前記出力電極と前記共通電極との間に設けられ、動作時に流れる電流の方向と逆向きの電流が流れるのを阻止する整流素子とを備えることを特徴とするイメージセンサ。 A sensor element array;
A signal processing circuit connected to the sensor element array,
The sensor element array is
A plurality of pixels including a first photoconductor-type element and a second photoconductor-type element;
An output electrode connected to the first photoconductor element and the second photoconductor element;
A common electrode connected to a first photoconductive element included in each of the plurality of pixels;
An image sensor comprising: a rectifying element that is provided between the output electrode and the common electrode and prevents a current flowing in a direction opposite to a direction of a current flowing during operation.
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