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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-08
(45)【発行日】2024-07-17
(54)【発明の名称】赤外線センサおよび光検出方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20240709BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20240709BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
G01J1/02 B
G01J1/02 C
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2019050852
(22)【出願日】2019-03-19
(65)【公開番号】P2020155513
(43)【公開日】2020-09-24
【審査請求日】2022-02-15
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109313
【弁理士】
【氏名又は名称】机 昌彦
(74)【代理人】
【識別番号】100149618
【弁理士】
【氏名又は名称】北嶋 啓至
(72)【発明者】
【氏名】深津 公良
【審査官】佐竹 政彦
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０８８３１８７９（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１９２８７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－２１１０１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１１６７４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０５２０９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１８８４２４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
Ｇ０１Ｊ １／０２－１／０８
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層と、前記第１赤外線吸収層に積層され、前記第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層と、
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層との間に形成されている緩和層とを備え、
前記第１赤外線吸収層の電極と前記第２赤外線吸収層の電極が、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層のうち一方を選択するスイッチ素子を備える回路に接続され、
前記回路は、前記第１赤外線吸収層の第１の電極および前記第２赤外線吸収層の第１の電極にそれぞれ接続された前記スイッチ素子を、１フレームに相当する時間のうち、所定の割合に応じた時間で前記スイッチ素子を切り替えて、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層に生じた光電流を、前記第１赤外線吸収層の第２の電極および前記第２赤外線吸収層の第２の電極が互いに接続された共通電極を介して読み出し、
前記１フレームに相当する時間は、２次元のアレイ状に並べられた素子であり、前記第１赤外線吸収層、前記第２赤外線吸収層および前記緩和層を有する前記素子から、読出し回路が信号を読み出し、読み出した前記信号を合成して赤外線画像を生成する際に、前記赤外線画像１フレーム分の前記信号を読み出す時間であることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項2】
前記第１波長域および前記第２波長域の赤外線を透過する基板をさらに備え、前記第１赤外線吸収層は、前記第２赤外線吸収層よりも前記基板側に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項3】
前記第１赤外線吸収層は、前記基板と格子整合する材料で形成され、前記第２赤外線吸収層は、前記緩和層と格子整合する材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
【請求項4】
前記第２赤外線吸収層に隣接する層のうち、一方の層は、ｎ型導電層であり、もう一方の層は、ｐ型導電層であることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の赤外線センサ。
【請求項5】
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層は、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層の間に積層された層を介して互いに導通していることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の赤外線センサ。
【請求項6】
前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層の間に、ＰＮ接合部を有する障壁層をさらに備えることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の赤外線センサ。
【請求項7】
第１波長域および前記第１波長域よりも長い波長域である第２波長域の赤外線を含む光を入射光として入射し、前記第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層において、前記第１波長域の赤外線を第１光電流に変換し、
前記第１赤外線吸収層を透過した前記入射光のうち、前記第２波長域の赤外線を、前記第１赤外線吸収層に緩和層を介して積層され、前記第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層において第２光電流に変換し、
前記第１光電流および前記第２光電流を、前記第１赤外線吸収層の第２の電極および前記第２赤外線吸収層の第２の電極が互いに接続された共通電極を介して、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層のうち一方を選択するスイッチ素子を備える回路に出力し、
前記回路によって、前記第１赤外線吸収層の第１の電極および前記第２赤外線吸収層の第１の電極にそれぞれ接続された前記スイッチ素子を、１フレームに相当する時間のうち、所定の割合に応じた時間で切り替えて、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層に生じた光電流を、前記共通電極を介して読み出し、
前記１フレームに相当する時間は、２次元のアレイ状に並べられた素子であり、前記第１赤外線吸収層、前記第２赤外線吸収層および前記緩和層を有する前記素子から、読出し回路が信号を読み出し、読み出した前記信号を合成して赤外線画像を生成する際に、前記赤外線画像１フレーム分の前記信号を読み出す時間であることを特徴とする光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線センサに関するものであり、特に、複数の波長域の検出を行う赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
赤外線カメラは、可視光にない特徴を生かして、サーモグラフィーなどの熱分布の測定、画像化などに使われている。赤外線カメラに用いるセンサ素子として、ボロメータなど赤外線を受けて発熱した温度変化を電気的な信号に変換することを利用した赤外線センサが幅広く使われている。
【0003】
赤外線センサに用いるボロメータ素子を高密度にアレイ化することで、高解像、高分解能化が急速に進んでいる。また、ボロメータにかわるセンサ素子として、量子型の赤外線センサが注目されている。量子型の赤外線センサは、ボロメータと比べて、熱雑音の影響が大きいため冷却して用いる必要があるが、感度、応答速度が優れている。また、量子型の赤外線センサは、センサ部の構造を変えることで感知できる波長域が異なるように設計することができる。
【0004】
そのような量子型の赤外線センサには、材料にテルル化カドミウム水銀（Mercury cadmium telluride；ＭＣＴ）を使ったものと、３族－５族半導体を使ったものがある。３族の半導体には、例えば、ＩｎやＧａ、５族の半導体にはＡｓやＳｂなどがそれぞれ用いられる。ＭＣＴを用いた量子型の赤外線センサには、赤外線を受光すると素子の電気伝導率が増加する光電導効果を使ったものがある。また、３族－５族半導体を使った量子型の赤外線センサには、赤外線の光エネルギーを直接電流に変換する光起電力を使ったものがある。これらの量子型の赤外線センサは、光を吸収する化合物の組成を変えることで感度を有する波長を変えることができる。
【0005】
赤外線は、波長域によって近赤外線、中赤外線および遠赤外線に分類することができる。赤外線のうち近赤外線は、波長が０．８μｍ～３μｍ、中赤外線は、波長が３μｍ～６μｍ、遠赤外線は、波長が６μｍ以上の赤外線を示すことが多い。
【0006】
室温から人の体温付近の温度の物体の観測であれば、波長が８μｍ以上の遠赤外線が使われる。また、それよりも高温の物体の温度分布の識別や、大気の吸収が少ない特長を生かして遠くの物体を撮像するためには、中赤外線のセンサが使われる。中赤外線よりも波長が短い近赤外線は、可視に近い特徴を生かして、夜間などに外部照明を使っての撮像に使われる。また、このような物体の温度分布の識別だけではなく、例えば、有機物の吸収を利用した組成分析などにも赤外線が使われることがあり、赤外線センサは、センシングデバイスとして広く用いることができる。
【0007】
単一の波長域だけではなく、異なる波長域、すなわち中赤外線と遠赤外線など、２つ以上の領域を同時に観察することでより多くの情報を得ることができる。しかし、そのような場合に、赤外線センサを撮像したい対象物や状況に応じて、波長ごとに使い分けする必要があった。そのため、２つ以上の波長域で感度を有しつつ、安定した検出特性を有する赤外線センサがあることが望ましく関連する技術の開発が行われている。そのような、複数の波長域を撮像できる素子としては、例えば、特許文献１のような赤外線センサ素子が開示されている。
【0008】
特許文献１の赤外線センサは、第１の吸収層である中赤外線用の光吸収層と、第２の吸収層である遠赤外線用の光吸収層を積層した構造を備えている。特許文献１の赤外線センサは、第１の吸収層と第２の吸収層に印加するバイアス電圧の極性をそれぞれ逆にすることで、第１の吸収層と第２の吸収層に入射された波長域の異なる光を検出することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開２０１５－０３８９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、特許文献１の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の赤外線線センサでは、近赤外線を検知するセンサを想定していないため、検知可能な光の波長域が用途に対して狭くなる恐れがある。特許文献１の技術において近赤外線を含むセンサを形成しようすると、第１の吸収層上に形成する第２の吸収層の結晶構造の安定性が低下し必要な感度を得られない恐れがある。そのため、特許文献１は、近赤外領域を含む場合に、異なる波長域の赤外線を精度よく検出するための技術としては十分ではない。
【0011】
本発明は、上記の課題を解決するため、２つの波長域の赤外線を精度よく検出することができる赤外線センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記の課題を解決するため、本発明の赤外線センサは、第１赤外線吸収層と、第２赤外線吸収層と、緩和層とを備えている。第１赤外線吸収層は、第１波長域の赤外線を吸収する。第２赤外線吸収層は、第１赤外線吸収層に積層され、第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する。緩和層は、第１赤外線吸収層と第２赤外線吸収層との間に形成されている。また、第１赤外線吸収層の電極と第２赤外線吸収層の電極が回路に接続されている。
【0013】
本発明の光検出方法は、第１波長域および第１波長域よりも長い波長域である第２波長域の赤外線を含む光を入射光として入射する。本発明の光検出方法は、第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層において、第１波長域の赤外線を第１光電流に変換する。本発明の光検出方法は、第１赤外線吸収層を透過した入射光のうち、第２波長域の赤外線を、第１赤外線吸収層に緩和層を介して積層され、第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層において第２光電流に変換する。本発明の光検出方法は、第１光電流および第２光電流を、第１赤外線吸収層と第２赤外線吸収層に接続している電極を介して回路に出力する。
【発明の効果】
【0014】
本発明によると、２つの波長域の赤外線の検出特性を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。
【図2】本発明の第２の実施形態の赤外線センサの断面図である。
【図3】本発明の第２の実施形態において赤外線吸収素子が複数、配置された状態を示す断面図である。
【図4】本発明の第２の実施形態において赤外線吸収素子がアレイ状に配置された状態を示す上面図である。
【図5】本発明の第２の実施形態においてアレイ状に赤外線センサを形成した基板と回路を接続した構造を示した斜視図である。
【図6】本発明の第２の実施形態の増幅回路部の構成を示した図である。
【図7】本発明の第２の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図8】本発明の第２の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図9】本発明の第２の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図10】本発明の第３の実施形態の赤外線センサの断面図である。
【図11】本発明の第３の実施形態の増幅回路部の構成を示した図である。
【図12】本発明の第３の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図13】本発明の第３の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図14】本発明の第３の実施形態の赤外線センサの製造工程における断面図である。
【図15】本発明の第３の実施形態における他の構成の赤外線センサを示す断面図である。
【図16】本発明の第３の実施形態における他の構成の赤外線センサの増幅回路部の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の赤外線センサの構成の概要を示した図である。本実施形態の赤外線センサは、第１赤外線吸収層１１と、第２赤外線吸収層１２と、緩和層１３とを備えている。第１赤外線吸収層１１は、第１波長域の赤外線を吸収する。第２赤外線吸収層１２は、第１赤外線吸収層１１に積層され、第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する。緩和層１３は、第１赤外線吸収層と第２赤外線吸収層との間に形成されている。また、第１赤外線吸収層１１の電極と第２赤外線吸収層１２の電極が回路に接続されている。
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の赤外線センサの構成の概要を示した図である。本実施形態の赤外線センサは、第１赤外線吸収層１１と、第２赤外線吸収層１２と、緩和層１３とを備えている。第１赤外線吸収層１１は、第１波長域の赤外線を吸収する。第２赤外線吸収層１２は、第１赤外線吸収層１１に積層され、第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する。緩和層１３は、第１赤外線吸収層と第２赤外線吸収層との間に形成されている。また、第１赤外線吸収層１１の電極と第２赤外線吸収層１２の電極が回路に接続されている。
【0017】
本実施形態の赤外線センサは、第１赤外線吸収層１１に緩和層１３を介して第２赤外線吸収層１２が積層されている。そのため、第２赤外線吸収層１２の第２波長域の赤外線の吸収特性を安定化させることができるので、第１波長域と第２波長域の２つの波長域の赤外線の検出特性を安定化することができる。
【0018】
（第２の実施形態）
（第２の実施形態の構造）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の赤外線センサ１００の構成を示す断面図である。本実施形態の赤外線センサ１００は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１と、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２と、近赤外線吸収層１０３と、ｎ－ＩｎＰ層１０４と、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５と、第１のバリア層１０６と、中赤外線吸収層１０７と、第２のバリア層１０８と、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層１０９と、中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０と、ｐ－ＩｎＰ層１１１と、共通ｐ型電極１１２と、近赤外線n型コンタクト電極１１３と、近赤外線ｎ型バンプ電極１１４と、共通バンプ電極１１５と、中赤外線ｎ型バンプ電極１１６と、絶縁膜１１７を備えている。
（第２の実施形態の構造）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の赤外線センサ１００の構成を示す断面図である。本実施形態の赤外線センサ１００は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１と、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２と、近赤外線吸収層１０３と、ｎ－ＩｎＰ層１０４と、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５と、第１のバリア層１０６と、中赤外線吸収層１０７と、第２のバリア層１０８と、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層１０９と、中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０と、ｐ－ＩｎＰ層１１１と、共通ｐ型電極１１２と、近赤外線n型コンタクト電極１１３と、近赤外線ｎ型バンプ電極１１４と、共通バンプ電極１１５と、中赤外線ｎ型バンプ電極１１６と、絶縁膜１１７を備えている。
【0019】
本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外線の波長域と、近赤外線よりも長波長の中赤外線の波長域の２つの波長域の赤外線を検出できることを特徴とする。以下の説明において、近赤外線は、波長が０．８μｍ～３μｍの光のことをいい、中赤外線は、波長が３μｍ～６μｍの光のことをいう。
【0020】
本実施形態の赤外線センサ１００の構成について説明する。
【0021】
ｎ－ＩｎＰ基板１０１は、ｎ－ＩｎＰを用いて形成され、赤外線センサ１００の基材となる化合物半導体基板である。ＩｎＰは、測定対象となる近赤外線および中赤外線の波長域の赤外線を透過する。ＩｎＰは、バンドギャップが１．３５ｅＶと大きいため、検出対象の近赤外線を含め赤外領域の赤外線を透過する。
【0022】
中赤外線のみを検出する赤外線センサには、ＧａＳｂ基板など使われるが、ＧａＳｂのバンドギャップは、０．６７ｅＶ程度でありＩｎＰのバンドギャップよりも小さい。０．６７ｅＶのバンドギャップは、波長に換算すると１．８５μｍである。そのため、ＧａＳｂなどを用いた基板は、近赤外線の波長域の赤外線を吸収し、基板上に形成された赤外線吸収層まで検出対象となる近赤外線が到達しない。よって、近赤外線を測定対象とする赤外線センサには、近赤外線の波長域の赤外線を全て透過するｎ－ＩｎＰ基板が適している。また、中赤外線吸収層よりも基板に近い層に近赤外線の吸収層を設けるため、近赤外線吸収層の材質と格子整合し、近赤外線吸収層の結晶成長が行いやすいＩｎＰが基板の材質として適している。
【0023】
ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に形成され、ＩｎＰにＳｉがドーピングされたバッファー層である。
【0024】
近赤外線吸収層１０３は、近赤外線の波長域の赤外線を吸収し光電流を生じさせる。また、近赤外線吸収層１０３は、近赤外線の波長域よりも長い波長域の中赤外線や遠赤外線を透過する。近赤外線吸収層１０３は、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２上に形成されている。近赤外線吸収層１０３は、ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ、歪みＩｎＧａＡｓ、または、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを数ｎｍ単位で繰り返す超格子型、特に、タイプ２型を用いて形成されている。近赤外線吸収層１０３の材料系は、検出対象の近赤外線の波長域の設計に基づいて選択される。ＩｎＧａＡｓは、波長が１．６μｍまでの近赤外線のみに感度を有し、近赤外線のみを検出することができる。また、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが広いため、暗電流が小さく、近赤外線を検出する際のノイズを減らすことができる。
【0025】
近赤外線吸収層が吸収する光の長波長化は、ＩｎＧａＡｓの３族のＩｎ組成を増やすことでバンドギャップを小さくし、長波長まで吸収できるようにすることで行われる。また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型超格子を用いることで、近赤外線吸収層１０３が感度を有する波長は、２．５μｍ程度まで拡大する。そのような構成とするとき、ＩｎＧａＡｓの組成は、Ｉｎ０．４乃至０．６Ｇａ０．６乃至０．４Ａｓ、ＧａＡｓＳｂの組成は、ＧａＡｓ０．４乃至０．６Ｓｂ０．６乃至０．４の範囲でそれぞれ設定される。また、井戸幅を示す超格子を形成するＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの各層のそれぞれの膜厚は、３ｎｍから７ｎｍとなるように設定される。井戸幅と感度およびカットオフ波長は、トレードオフの関係である。各層のＩｎＰに対して格子歪みが大きくなると、結晶性の低下によって暗電流が増加し、雑音が増加する。また、各層のＩｎＰに対して格子歪みが大きくなると、結晶成長中に貫通転位が生じることで信頼性の低下が生じ得る。そのため、各層は、ＩｎＰの格子定数の差が１％以下となるような組成にすることが望ましい。
【0026】
ｎ－ＩｎＰ層１０４は、近赤外線吸収層１０３上に形成されている。ｎ－ＩｎＰ層１０４は、ｎ－ＩｎＰで形成されている。ｎ－ＩｎＰ層１０４の一部は、Ｚｎ拡散法で選択的にｐ型化されてｐ－ＩｎＰ層１１１として用いられる。ｎ－ＩｎＰ層１０４の膜厚は、Ｚｎ拡散時の制御性や上層のバッファー層による赤外線吸収層の歪みの影響を考慮すると、５００ｎｍ以上であることが望ましい。
【0027】
ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、ｎ－ＩｎＰ層１０４上にバッファー層としてｐ型ＧａＳｂを用いて形成されている。ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、中赤外線吸収層を形成する際に、下層の結晶構造から受ける影響を緩和し安定した結晶を形成するための緩和層としての機能を有する。すなわち、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、ＩｎＰよりも格子定数が大きい中赤外線吸収層１０７を形成する際に、中赤外線吸収層１０７の格子定数へ移行するための緩和層としての機能を有する。そのため、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、中赤外線吸収層１０７と、格子定数が同等のｐ－ＧａＳｂを用いて形成されている。ｐ型ＧａＳｂ層は、３μｍから５μｍの膜厚で形成されている。バッファー層が薄いと、中赤外線層の吸収層に欠陥が生じ、感度の低下やノイズ増大が生じ得る。また、バッファー層が厚すぎると結晶成長工程の時間が長くなることによって生産性が低下し得る。また、上層の結晶品質は、バッファー層の厚さが一定以上となるとそれ以上、厚くすることによる改善効果が低くなる。
【0028】
ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、中赤外線用の吸収層の格子定数と同じであるか、格子定数が近いことが望ましい。また、さらに望ましくは、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５と中赤外線吸収層の格子定数の差は、１パーセント以下であることが望ましい。格子定数の差が１パーセントよりも大きい場合は、ｐ－ＧａＳｂ層のバッファー層として機能が低下し、中赤外線吸収層の結晶構造が壊れるため、赤外線センサ１００の中赤外線用のセンサとして機能が低下し得る。
【0029】
ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、ＧａＳｂ以外を用いて形成されていてもよい。バッファー層には、例えば、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＳｂを用いることができる。バッファー層は、ＧａＳｂと中赤外線吸収層に用いられるＩｎＡｓ／ＧａＳｂの平均格子定数と近い格子定数の組成の層によって形成されることが望ましい。バッファー層を、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂの平均格子定数と近い格子定数の組成を用いて形成することでＩｎＡｓ／ＧａＳｂからなる上層の光吸収層を、格子歪の蓄積を生じさせずに多数回積層することが可能になる。
【0030】
第１のバリア層１０６は、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５上に形成されている。第１のバリア層１０６は、ｐ型のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの超格子を用いた５０ｎｍの膜厚の層として形成されている。中赤外線吸収層を構成しているＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子では、ミニバンドが形成され、中赤外線の光が吸収される。しかし、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子による吸収層は、バンドギャップが狭いため暗電流が流れやすい。暗電流は雑音となるため、センサを高感度化するためには、暗電流を低減することが必要である。また、暗電流を抑制する際に、吸収した光電流の流れを阻害しないことも要求される。光電流の流れを阻害せずに、暗電流を抑制することができる吸収層は、吸収層を価電子帯と伝導帯に障壁がある組成のバリア層によって挟むことで形成することができる。そのような構成とする場合に、吸収層は、電子の流れを阻害するように伝導帯に障壁を有するｐ型導電層によるバリア層と、正孔の流れを阻害するように価電子帯に障壁を有するｎ型導電層によるバリア層によって挟まれている構成とする。本実施形態の第１のバリア層１０６は、ｐ型層として形成されているため、伝導帯に障壁を有している。
【0031】
中赤外線吸収層１０７は、中赤外線を検知する層である。本実施形態の中赤外線吸収層１０７は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子層として形成されている。中赤外線吸収層１０７は、ＧａＳｂと格子定数が近く、設計のしやすいＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子層は、安定した結晶構造を得やすいため中赤外線の吸収層として適している。中赤外線吸収層１０７をＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子層の薄膜の各層を形成する際に、各層の結晶構造は、下地の結晶構造の影響を受けやすい。そのため、格子定数の近いバッファー層を下層に有することによる超格子層を形成する際の結晶構造の安定化の効果は特に高くなる。
【0032】
ＩｎＡｓ／ＧａＳｂの各層の膜厚の設計は、中赤外線のセンサに適した吸収波長になるように行われる。中赤外線吸収層１０７の全体の厚さは、２μｍから５μｍで設定される。各吸収層が２μｍよりも薄いと、赤外線の吸収が少ないことによって充分な感度が得られない。また、吸収層が５μｍ以上では、結晶品質が低下し、ノイズの増加や信頼性の低下が生じやすい。
【0033】
第２のバリア層１０８は、中赤外線吸収層１０７の上層に形成されている。本実施形態の第２のバリア層１０８は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いた５０ｎｍの層として形成されている。本実施形態の第２のバリア層１０８は、n型の導電層として形成され価電子帯に障壁を有する。
【0034】
ｎ－ＧａＳｂコンタクト層１０９は、中赤外線吸収層１０７の中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０を形成するためのコンタクト層として形成されている。本実施形態のｎ－ＧａＳｂコンタクト層１０９は、ｎ－ＧａＳｂを用いて形成されている。
【0035】
中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０は、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層１０９上に形成されている。中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０は、中赤外線吸収層１０７に生じた光電流に応じた信号を回路に読み出す電極として形成されている。中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０は、例えば、Ａｕで形成されている。中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０は、下層とオーミックな接触ができる材料であれば他の金属や合金で形成されていてもよい。
【0036】
ｐ－ＩｎＰ層１１１は、ｎ－ＩｎＰ層をＺｎ拡散法によってｐ型導電層とした層である。ｐ型ドーパントには、ＺｎやＢｅを用いることができる。近赤外線センサのノイズ低減のためには、吸収層の不純物濃度を１０１４ ａｔｏｍ／ｃｍ３以下にすることが望ましい。Ｚｎは、高温化でＩｎＰを拡散しやすい特徴を有する。そのため、Ｚｎは、層を結晶成長で形成する工程では入れることはできない。そのため、Ｚｎ化合物をｎ－ＩｎＰ層上に形成し、熱工程でｎ－ＩｎＰ層へ拡散することでｐ－ＩｎＰ層１１１が形成される。このように、ｐ－ＩｎＰ層１１１を形成することで、近赤外線吸収層１０３への不純物の拡散を抑止し、近赤外線吸収層１０３の不純物の濃度を低減することができる。
【0037】
共通ｐ型電極１１２は、近赤外線吸収層１０３と、中赤外線吸収層１０７のｐ型の電極である。共通ｐ型電極１１２は、例えば、Ａｕを用いて形成されている。共通ｐ型電極１１２は、下層とオーミックな接触ができる材料であれば他の金属や合金で形成されていてもよい。共通ｐ型電極１１２は、画素ごとに形成されるが、近赤外線素子と中赤外線素子のｐ型電極を共通化することで電極および画素数は、近赤外線素子または中赤外線素子のみである場合と同じになる。一方で、ｐ型電極が共通化しているため、近赤外線素子と中赤外線素子から同時に光電流を読み出すことはできない。また、以下の説明において、近赤外線素子とは、近赤外線吸収層１０３、近赤外線吸収層１０３と隣接する各層および電極等で形成される１画素分の近赤外線の検出部位のことをいう。また、中赤外線素子とは、中赤外線吸収層１０７、中赤外線吸収層１０７と隣接する各層および引き出し電極等で形成される１画素分の中赤外線の検出部位のことをいう。
【0038】
近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３は、近赤外線素子のｎ型電極を接続するコンタクト電極として形成されている。近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３は、例えば、Ａｕを用いて形成されている。近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３は、下層とオーミックな接触ができる材料であれば他の金属や合金で形成されていてもよい。共通ｐｎ型電極は、近赤外線素子用と中赤外線素子用にそれぞれ形成されている。近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３は、複数の近赤外線素子に共通の電極として形成されている。ｎ型電極は、画素ごとではなく所定の画素数ごと形成すればよいため、集積化を行っても電極数が大幅に増加することはない。
【0039】
近赤外線ｎ型バンプ電極１１４は、近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３上に形成され、近赤外線素子のｎ型電極をＲＯＩＣ（Read Out Integrated Circuit）と接続する。ＲＯＩＣは、画素信号を増幅して、数チャネルの画像信号として出力する機能を有する集積回路である。
【0040】
共通バンプ電極１１５は、共通ｐ型電極１１２上に形成され、近赤外線素子と中赤外線素子の共通電極として形成されているｐ型電極をＲＯＩＣと接続する。
【0041】
中赤外線ｎ型バンプ電極１１６は、中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０上に形成され、中赤外線のｎ型電極をＲＯＩＣと接続する。また、各バンプ電極には、例えば、Ｉｎを用いたバンプが用いられる。バンプは、Ｉｎ以外の金属や合金であってもよい。
【0042】
絶縁膜１１７は、メサ加工後の側面および表面の保護を行う保護膜、並びに各電極間を絶縁する絶縁膜として形成されている。本実施形態の絶縁膜１１７は、シリコン窒化膜を用いて形成されている。絶縁膜１１７は、保護膜および絶縁膜としての機能を有するものであれば、シリコン酸化膜等の他の材質で形成されていてもよい。
【0043】
図３は、図２に示した赤外線センサ１００において、３画素分の近赤外線素子および中赤外線素子が形成されている構造を示した断面図である。また、図４は、図２の赤外線センサ１００の近赤外線素子および中赤外線素子をアレイ状に配列した際の上面図である。図４は、４画素×３画素分の近赤外線素子および中赤外線素子が配列されている赤外線センサ１００を示している。本実施形態の赤外線センサ１００は、例えば、３２０画素×２５６画素や６４０画素×５１２画素のように、各画素に対応する素子が２次元のアレイ状に並べることで画像センサとして用いられる。赤外線センサ１００の読み出し回路は、各画素に対応する近赤外線素子および中赤外線素子に接続された回路を介して各センサ素子に生じた光電流を読み出す。赤外線センサ１００からデータを取得した画像処理回路等は、各画素の近赤外線素子および中赤外線素子に生じた電流値に応じた階調表現を行うことで画像を構成することができる。
【0044】
図３および図４の赤外線センサ１００では、近赤外線素子と中赤外線素子のｎ型電極は、共通電極として形成されている。図３では、近赤外線素子のｎ型電極は、図の左側に近赤外線n型コンタクト電極１１３として形成され、上層の近赤外線ｎ型バンプ電極１１４と接続している。また、図４の赤外線センサ１００において、中赤外線素子のｎ型電極は、中赤外線ｎ型バンプ電極１１６の下層に形成されている。すなわち、図４の例において、近赤外線素子のｎ型電極は、図の横方向の画素間で共通の電極として形成され、中赤外線素子のｎ型電極は、図の縦方向の画素間で共通の電極として形成されている。また、図４の例では、各画素を格子状に配列しているが、画素の配列は、格子形状以外であってもよい。また、近赤外線素子と中赤外線素子の数は同数でなくてもよく、近赤外線素子および中赤外線素子は、赤外線センサ１００の用途に応じた解像度やセンサ特性を満たすように配置される。
【0045】
近赤外線素子のｎ型電極は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１を介して各近赤外線素子と接続している。中赤外線素子のｎ型電極は、各画素の中赤外線素子ごとに形成された中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０をブリッジ部１２５で接続することで共通電極として形成されている。
【0046】
図５は、アレイ状に近赤外線素子および中赤外線素子を形成した基板と回路を接続した構造を示した斜視図である。図５の赤外線センサは、同一の基板２０１上に近赤外線素子２０３および中赤外線素子２０７が形成されている。また、各素子が形成された基板２０１は、バンプ電極２１４を介して読み出し回路２１８と接続されている。また、読み出し回路２１８には、近赤外線素子２０３と中赤外線素子２０７のいずれかから光電流を読み出すスイッチ素子を含む増幅回路部が形成されている。
【0047】
図６は、読み出し回路２１８に形成されている増幅回路部の例を示した図である。図６の増幅回路部はＣＴＩＡ（Capacitive Transimpedance Amplifier）型の増幅回路として形成されている。増幅回路は、ＣＴＩＡ型以外の回路であってもよい。図６の増幅回路部は、基板２０１上に形成された近赤外線素子３０１および中赤外線素子３０２に接続されている。また、増幅回路部には近赤外線素子３０１に対応する近赤外線スイッチ３０４と、中赤外線素子３０２に対応する中赤外線スイッチ３０５と、増幅器３０３が形成されている。
【0048】
増幅回路部は、近赤外線素子３０１および中赤外線素子３０２の共通のｐ型電極に接続されている。そのため、スイッチ素子は、近赤外線素子３０１と中赤外線素子３０２の信号を分けるために、近赤外線スイッチ３０４または中赤外線スイッチ３０５のいずれかがＯＮ状態、もう一方がＯＦＦ状態となるように制御される。
【0049】
赤外線画像を生成する際に１フレームに相当する時間のうち、あらかじめ設定された割合に応じた時間、それぞれのスイッチ素子がＯＮ状態となるように、スイッチ素子の制御が行われる。例えば、１：１と設定されているとき、０．５フレーム分の時間、近赤外線スイッチ３０４をＯＮ状態、中赤外線スイッチ３０５をＯＦＦ状態とし、近赤外線素子３０１からの信号の読み出しが行われる。０．５フレーム分の時間が経過すると、残りの０．５フレーム分の時間、近赤外線スイッチ３０４をＯＦＦ状態、中赤外線スイッチ３０５をＯＮ状態とし、中赤外線素子３０２からの信号の読み出しが行われる。読み出し回路は、近赤外線素子３０１と中赤外線素子３０２からそれぞれ読み出した信号を合成し、画像データを生成する。また、１フレームを分割する割合は、検出対象の物体や目的に合わせて設定される。
【0050】
上記の説明では、近赤外線と中赤外線の２つの波長域に検出感度を有する赤外線センサについて示したが、近赤外線と遠赤外線、近赤外線と中赤外線から遠赤外線の波長域など他の波長域を組み合わせた赤外線センサであってもよい。また、遠赤外線とは、波長が６μｍ以上の赤外線を示す。
【0051】
近赤外線と中赤外線の波長域の赤外線センサとする場合でも、近赤外線素子と中赤外線素子がそれぞれ検出する波長域が低波長側または長波長側にシフトした構成であってもよい。そのような構成とする場合には、各赤外線吸収層の組成を変更し、バンドギャップを調整することで検出対象となる波長域が設定される。すなわち、検出対象の赤外線のうち短波長側を第１波長域、第１波長域よりも長波長側を第２波長域としたとき、第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層と第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層が、本実施形態の近赤外線吸収層１０３と中赤外線吸収層１０７のように積層されていればよい。
【0052】
（第２の実施形態の赤外線センサの製造方法）
本実施形態の赤外線センサの製造方法について説明する。本実施形態の赤外線センサの製造工程は、主に、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に形成る各層の結晶成長工程、半導体層の形成工程および読み出し回路とのバンプ実装工程からなる。図７は、赤外線センサの製造時に、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上への各層の成膜が行われた状態を示す断面図である。また、図８は、エッチングやドーパントの拡散等によって半導体層が形成された状態を示す断面図である。また、図９は、読み出し回路とのバンプ実装が行われた状態を示す断面図である。
本実施形態の赤外線センサの製造方法について説明する。本実施形態の赤外線センサの製造工程は、主に、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に形成る各層の結晶成長工程、半導体層の形成工程および読み出し回路とのバンプ実装工程からなる。図７は、赤外線センサの製造時に、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上への各層の成膜が行われた状態を示す断面図である。また、図８は、エッチングやドーパントの拡散等によって半導体層が形成された状態を示す断面図である。また、図９は、読み出し回路とのバンプ実装が行われた状態を示す断面図である。
【0053】
始めに、酸や有機系溶剤を用いた洗浄により、ｎ型のＩｎＰ基板であるｎ－ＩｎＰ基板１０１の表面の酸化膜および汚れが除去される。洗浄が終わると、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２が形成される。ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２は、３００ｎｍから５００ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＰ層として形成される。ｎ－ＩｎＰ層は、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法によって、ＩｎＰをエピタキシャル成長させ、Ｓｉをドーピングすることで形成される。ＩｎＰの成膜は、例えば、約６００℃のチャンバー中でＰＨ３とＴＭＩｎ （Trimethyl Indium） などの５族のガスと３族の有機金属を供給することで行われる。ドーパントには、例えば、ＳｉＨ４が用いられる。
【0054】
ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２が形成されると、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２のｎ－ＩｎＰ上に近赤外線吸収層１０３が形成される。近赤外線吸収層１０３は、ＡｓＨ３とＴＭＧａを用いてＭＯＶＰＥ法によって成膜される。
【0055】
近赤外線吸収層１０３が形成されると、近赤外線吸収層１０３の上層にｎ－ＩｎＰ層１０４が形成される。ｎ－ＩｎＰ層１０４は、ＭＯＶＰＥ法によって３００ｎｍから５００ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＰ、１００ｎｍの膜厚のｎ－ＧａＡｓおよび５０ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＰで成膜することで形成される。
【0056】
ｎ－ＩｎＰ層１０４が形成されると、基板は、ＭＢＥ装置に搬入される。ＭＢＥ装置の搬入前に、ｎ－ＩｎＰ層１０４の表面の洗浄を行ってもよい。ＭＢＥ装置に搬入されると、ｎ－ＩｎＰ層１０４上にｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５が形成される。ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、加熱処理による表面の自然酸化膜の除去後に、５００℃でＢｅドープのｐ－ＧａＳｂを４μｍ、ＢｅドープのＩｎＡｄＳｂを１μｍ成膜することで形成される。
【0057】
ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５が形成されると、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５上に第１のバリア層１０６が形成される。第１のバリア層１０６は、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの超格子を５０ｎｍの膜厚で成膜することで形成される。
【0058】
第１のバリア層１０６が形成されると、第１のバリア層１０６の上に、中赤外線吸収層１０７が形成される。中赤外線吸収層１０７は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ層が繰り返し形成され、総膜厚が５μｍの層として形成される。
【0059】
中赤外線吸収層１０７が形成されると、中赤外線吸収層１０７の上に第２のバリア層１０８が形成される。第２のバリア層１０８は、５０ｎｍの膜厚のＧａＡｓ／ＡｌＡｓを成膜した後、５０ｎｍの膜厚のＴｅドープＧａＳｂを成膜することで形成される。
【0060】
第２のバリア層１０８が形成されると、ｎ－ＩｎＰ基板１０１は、ＭＢＥ装置から取り出される。ｎ－ＩｎＰ基板１０１がＭＢＥ装置から取り出されると、中赤外線受光層のメサの形成が行われる。メサは、フォトリソグラフィ法にパターニングを行った後にエッチングおよび洗浄処理を行うことで形成される。
【0061】
メサの形成が終わると、Ｚｎ拡散に用いるＺｎＯが成膜され、拡散する領域に合わせたＺｎＯのパターニングが行われる。ＺｎＯのパターニングが完了すると、Ｚｎの拡散処理のため、ｎ－ＩｎＰ基板１０１は、加熱炉に挿入され、５００℃のＮ２雰囲下で３０分から１時間程度、加熱される。
【0062】
Ｚｎの拡散処理が終わると、ｎ－ＩｎＰ基板１０１は、加熱炉から取り出され、表面に絶縁膜１１７として用いるシリコン窒化膜が形成される。
【0063】
シリコン窒化膜が形成されると、シリコン窒化膜のパターニングが行われ、各コンタクト電極として、近赤外線ｎ型コンタクト電極１１３、共通ｐ型電極１１２、中赤外線ｎ型コンタクト電極１１０が形成される。各コンタクト電極は、下層とオーミックコンタクトがとれる金属を用いて蒸着法により形成する。
【0064】
コンタクト電極が形成されると、近赤外線ｎ型バンプ電極１１４、共通バンプ電極１１５および中赤外線ｎ型バンプ電極１１６に用いる金属がめっきまたは蒸着法で形成される。バンプが形成されると熱処理が施された後、ＲＯＩＣとのバンプ接合が行われる。バンプ接合が完了すると、アンダーフィルが充填され赤外線センサが完成する。
【0065】
（第２の実施形態の赤外線センサの動作）
本実施形態の赤外線センサ１００の動作について説明する。観測対象からの赤外線の波長域の光がｎ－ＩｎＰ基板１０１側から入射する。ｎ－ＩｎＰ基板１０１に入射した近赤外線および中赤外線の波長域の光は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１を透過し、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２を介して、近赤外線吸収層１０３に入射する。
本実施形態の赤外線センサ１００の動作について説明する。観測対象からの赤外線の波長域の光がｎ－ＩｎＰ基板１０１側から入射する。ｎ－ＩｎＰ基板１０１に入射した近赤外線および中赤外線の波長域の光は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１を透過し、ｎ－ＩｎＰバッファー層１０２を介して、近赤外線吸収層１０３に入射する。
【0066】
近赤外線吸収層１０３に光が入射すると、近赤外線の波長域の赤外線が近赤外線吸収層１０３において吸収される。近赤外線の波長域の赤外線が近赤外線吸収層１０３において吸収されると、光電流が発生する。
【0067】
中赤外線の波長域の赤外線は、近赤外線吸収層１０３を透過し、ｎ－ＩｎＰ層１０４、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５および第１のバリア層１０６を介して、中赤外線吸収層１０７に入射する。中赤外線吸収層１０７に光が入射すると、中赤外線の波長域の赤外線が中赤外線吸収層１０７において吸収される。中赤外線の波長域の赤外線が中赤外線吸収層１０７において吸収されると、光電流が発生する。
【0068】
読み出し回路は、スイッチ素子を制御し、近赤外線吸収層１０３と中赤外線吸収層１０７に生じた光電流を時分割で読み出し、読み出した信号を増幅する。読み出し回路は、各画素に対応する近赤外線素子３０１と中赤外線素子３０２からそれぞれ読み出した信号を合成し、画像データを生成する。
【0069】
（第２の実施形態の効果）
本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外線素子と中赤外線素子のモノリシック集積赤外線センサであり、赤外線の中でも、近赤外線と中赤外線を別々に画像化できることに特徴を有する。本実施形態の赤外線センサ１００は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に形成され、ｎ－ＩｎＰ基板１０１側に近赤外線素子、近赤外線素子層の次に中赤外線素子が順に形成された構造を有する。
本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外線素子と中赤外線素子のモノリシック集積赤外線センサであり、赤外線の中でも、近赤外線と中赤外線を別々に画像化できることに特徴を有する。本実施形態の赤外線センサ１００は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１上に形成され、ｎ－ＩｎＰ基板１０１側に近赤外線素子、近赤外線素子層の次に中赤外線素子が順に形成された構造を有する。
【0070】
ｎ－ＩｎＰ基板を用いた化合物半導体基板では、ＩｎＰのバンドギャップに相当する１．４ｅＶ以上、すなわち、０．９μｍ以下の波長の光がｎ－ＩｎＰ基板１０１で吸収される。そのため、可視光領域の光は、ｎ－ＩｎＰ基板１０１で吸収され、近赤外線吸収層１０３には入射されない。
【0071】
ｎ－ＩｎＰ基板１０１を透過した光のうち、０．９μｍ以上の波長の光は、近赤外線吸収層１０３に到達する。近赤外線吸収層１０３では、ｎ－ＩｎＰ基板１０１を透過した０．９μｍ以上の波長のうち、近赤外線の波長域を含む近赤外線吸収層１０３のバンドギャップに相当する波長の赤外線までが吸収される。そのため、本実施形態の赤外線センサ１００の近赤外線吸収層１０３は、近赤外線用のセンサ素子として機能する。
【0072】
また、近赤外線吸収層１０３を透過した赤外線は、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５を介して中赤外線吸収層１０７に入射される。本実施形態のｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５は、ＧａＳｂ等で形成されている。ＧａＳｂのバンドギャップは、近赤外線を吸収するバンドギャップに相当する。そのため、近赤外線吸収層１０３で吸収しきれずに透過した近赤外線の波長域の赤外線は、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５で吸収される。そのため、中赤外線吸収層１０７に、近赤外線の波長域の赤外線は入射せずに、長波長側の中赤外線と中赤外線よりも長波長の光のみが入射する。すなわち、本実施形態の赤外線センサ１００は、ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５を通過した際の近赤外線のカットオフ波長と、中赤外線のカットオン波長が一致している。
【0073】
ｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５を透過した中赤外線と中赤外線の波長域よりも長波長側の赤外線は、中赤外線吸収層に入射される。中赤外線吸収層１０７は、近赤外線の波長域以下の光がカットされた光が入射され、中赤外線の波長域の赤外線のみを吸収する。そのため、本実施形態の赤外線センサ１００の中赤外線吸収層１０７は、中赤外線用のセンサ素子として機能する。このように、本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外線吸収層１０３で近赤外線を検出し、中赤外線吸収層１０７で中赤外線を検出する画像センサとして機能する。このように、各赤外線吸収層には、検出対象の波長域よりも低波長側の光がカットされて入射されるため、本実施形態の赤外線センサ１００は、雑音を抑制して近赤外線と中赤外線を検出することができる。以上より、本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外領域を含む異なる波長域の赤外線の検出特性を安定化することができる。
【0074】
また、本実施形態の赤外線センサ１００は、近赤外線吸収層１０３と、中赤外線吸収層１０７のｐ型導電層が電気的に接続された共通電極を有している。ｐ型導電層の電極を共通化することで高集積化を行っても、回路の大きさの増大を抑制することができる。また、本実施形態の赤外線センサ１００は、ｎ型導電層の電極に接続しているスイッチ素子を切り替えることで、近赤外線吸収層と、中赤外線吸収層の光電流を個別に読み出し、動画の単位フレーム内で、各吸収層それぞれの信号を個別に積分する処理を行っている。そのような処理を行ってフレーム間で信号合成することにより、近赤外線と中赤外線の画像信号を融合した画像データを生成することできる。
【0075】
（第３の実施形態）
（第３の実施形態の構成）
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１０は、本実施形態の赤外線センサ４００の構成を示す断面図である。本実施形態の赤外線センサは、ｎ－ＩｎＰ基板４０１と、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２と、近赤外線吸収層４０３と、ＩｎＰ層４０４と、ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５と、第１のバリア層４０６と、中赤外線吸収層４０７と、第２のバリア層４０８と、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９と、中赤外線ｎ型コンタクト電極４１０と、ｐ－ＩｎＰ層４１１と、近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２と、近赤外線n型コンタクト電極４１３と、近赤外線ｎ型バンプ電極４１４と、中赤外線ｎ型バンプ電極４１６と、絶縁膜４１７を備えている。また、本実施形態の赤外線センサ４００は、読み出し回路４１８と、ｐ－ＩｎＰ層４１９と、ｎ－ＩｎＰ層４２０と、ｐ－ＩｎＰ層４２１と、中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２と、近赤外線ｐ型バンプ電極４２３と、中赤外線ｐ型バンプ電極４２４をさらに備えている。
（第３の実施形態の構成）
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１０は、本実施形態の赤外線センサ４００の構成を示す断面図である。本実施形態の赤外線センサは、ｎ－ＩｎＰ基板４０１と、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２と、近赤外線吸収層４０３と、ＩｎＰ層４０４と、ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５と、第１のバリア層４０６と、中赤外線吸収層４０７と、第２のバリア層４０８と、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９と、中赤外線ｎ型コンタクト電極４１０と、ｐ－ＩｎＰ層４１１と、近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２と、近赤外線n型コンタクト電極４１３と、近赤外線ｎ型バンプ電極４１４と、中赤外線ｎ型バンプ電極４１６と、絶縁膜４１７を備えている。また、本実施形態の赤外線センサ４００は、読み出し回路４１８と、ｐ－ＩｎＰ層４１９と、ｎ－ＩｎＰ層４２０と、ｐ－ＩｎＰ層４２１と、中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２と、近赤外線ｐ型バンプ電極４２３と、中赤外線ｐ型バンプ電極４２４をさらに備えている。
【0076】
第２の実施形態の赤外線センサは、近赤外線素子と中赤外線素子間でｐ型電極を共通化していたが、本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線素子と中赤外線素子が電気的に分離されて、独立して信号を読み出す構成を有していることを特徴とする。
【0077】
本実施形態の赤外線センサ４００の構成について説明する。
【0078】
本実施形態のｎ－ＩｎＰ基板４０１、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２、近赤外線吸収層４０３、ＩｎＰ層４０４、第１のバリア層４０６、中赤外線吸収層４０７、第２のバリア層４０８、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９、中赤外線ｎ型コンタクト電極４１０、ｐ－ＩｎＰ層４１１、近赤外線n型コンタクト電極４１３、近赤外線ｎ型バンプ電極４１４および中赤外線ｎ型バンプ電極４１６の構成と機能は、第２の実施形態の同名称の部位と同様である。
【0079】
本実施形態のｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５は、ｐ－ＩｎＰ層４２１上に形成される。また、ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５上には、中赤外線吸収層４０７が形成される。ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５の材質や構成は、第２の実施形態のｐ－ＧａＳｂバッファー層１０５と同様である。
【0080】
近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２は、近赤外線吸収層４０３のｐ型の電極である。近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２は、例えば、Ａｕを用いて形成されている。
【0081】
絶縁膜４１７は、各電極間を絶縁する絶縁膜である。本実施形態の赤外線センサ４００では、近赤外線素子と中赤外線素子でｐ型電極が独立しているため、近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２と中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２の間にも絶縁膜４１７が形成されている。
【0082】
ｐ－ＩｎＰ層４１９、ｎ－ＩｎＰ層４２０およびｐ－ＩｎＰ層４２１は、近赤外線吸収４０３層の上層のＩｎＰ層４０４上に形成されている。ｐ－ＩｎＰ／ｎ－ＩｎＰ／ｐ－ＩｎＰ層は、ホモ接合を形成する。また、ｐ－ＩｎＰ層４１９、ｎ－ＩｎＰ層４２０およびｐ－ＩｎＰ層４２１は、近赤外線吸収層４０３と中赤外線吸収層４０７を分離状態とする構造において、半導体層間を高抵抗化するために形成されている。
【0083】
中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２は、中赤外線吸収層４０７のｐ型の電極として形成されている。
【0084】
近赤外線ｐ型バンプ電極４２３は、近赤外線ｐ型コンタクト電極４１２上に形成され、近赤外線素子のｐ型電極をＲＯＩＣと接続する。
【0085】
中赤外線ｐ型バンプ電極４２４は、中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２上に形成され、近赤外線素子のｐ型電極をＲＯＩＣと接続する。
【0086】
本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線素子と中赤外線素子のｐ型電極間で逆バイアスとなるように、近赤外線のｐ型層にかかる電位と、中赤外線のｐ型層にかかる電位を読み出し回路で制御する。ＩｎＰのホモ接合のＰＮ接合部は、逆バイアス時でもＩｎＰの広いバンドギャップによって、トンネル電流や、熱的に励起された暗電流量を、吸収層で発生する暗電流よりも充分に小さくすることができる。そのため、近赤外線吸収層４０３と、中赤外線吸収層４０７間のリーク電流は、それぞれの素子由来の暗電流よりも充分小さくすることができる。この障壁層には、ＩｎＰのみで構成されるホモ接合以外の層を用いてもよい。障壁層には、バンドギャップが１．０ｅＶ以上の組成の層を用いることができる。障壁層には、例えば、ＩｎＰと格子整合する系であれば、ＩｎＡｌＡｓ層を組み合わせたヘテロ障壁層を用いることができる。
【0087】
本実施形態の赤外線センサ４００には、第２の実施形態と同様に読み出し用の回路が接続されている。本実施形態の赤外線センサ４００は、障壁層を備えることで近赤外線素子と中赤外線素子を同時に動作可能な構成を有している。本実施形態の赤外線センサの読み出し回路は、図１１のような増幅回路部を備えている。
【0088】
図１１の読み出し回路の増幅回路部は、近赤外線素子５０１に対応した近赤外線増幅回路５０３と、中赤外線素子５０２に対応した中赤外線増幅回路５０４を備えている。このように、近赤外線と中赤外線で回路を分けることで近赤外線素子と中赤外線素子で検知した情報を同時に画像化することができる。
【0089】
本実施形態の赤外線センサは、近赤外線素子と中赤外線素子がＩｎＰによってホモ接合している。近赤外線素子５０１のほうが、中赤外線素子５０２よりも動作印加の逆バイアス電圧を大きくすることができるため、通常の動作条件でも近赤外線素子５０１のＰ層のほうが、中赤外線素子５０２のＰ層よりも電位が低い状態になる。素子間をＩｎＰのホモ接合とすることで、逆バイアス時のリーク電流は、近赤外線素子５０１、中赤外線素子５０２の暗電流よりも充分に小さくなる。そのため、電気的なクロストークはほとんど無視できるほど小さくすることができる。
【0090】
このような構造にすることにより、同時に近赤外線素子５０１と中赤外線素子５０２を動作させることができ、画像信号のフレームレートと同じ積分時間とすることが可能になり、高感度化することができる。また、このように同一フレーム内で合成が可能にすることで高フレームレート化することもできる。
【0091】
近赤外線吸収層と、中赤外線吸収層のｐ型電極は、それぞれ読み出し回路に接続する必要があるために、有効な画素数は、近赤外線の画素数と、中赤外線の画素数の和になる。また、近赤外線素子の画素数と中赤外線素子の画素数は、同数でもよく、また、異なっていてもよい。
【0092】
（第３の実施形態の赤外線センサの製造方法）
本実施形態の赤外線センサ４００の製造方法について説明する。図１１は、赤外線センサの製造時に、ｎ－ＩｎＰ基板４０１上への各層の成膜が行われた状態を示す断面図である。また、図１２は、エッチングやドーパントの拡散等によって半導体層が形成された状態を示す断面図である。また、図１３は、読み出し回路とのバンプ実装が行われた状態を示す断面図である。
本実施形態の赤外線センサ４００の製造方法について説明する。図１１は、赤外線センサの製造時に、ｎ－ＩｎＰ基板４０１上への各層の成膜が行われた状態を示す断面図である。また、図１２は、エッチングやドーパントの拡散等によって半導体層が形成された状態を示す断面図である。また、図１３は、読み出し回路とのバンプ実装が行われた状態を示す断面図である。
【0093】
始めに、前処理としてｎ－ＩｎＰ基板４０１の洗浄が行われ、表面の酸化膜の除去が行われる。洗浄が行われた基板は、ＭＯＶＰＥ法を用いた成膜装置に搬入される。
【0094】
成膜装置に搬入されると、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２が形成される。ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２は、約６００℃の温度のチャンバー中で、ＰＨ３とＴＭＩｎなどの５族のガスと３族の有機金属を供給し、ＩｎＰをエピタキシャル成長させることで形成される。ドーパントには、例えば、ＳｉＨ４が用いられる。ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２が形成されると、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２上に近赤外線吸収層４０３が形成される。近赤外線吸収層１０３は、例えば、ＡｓＨ３とＴＭＧａを原料ガスとして用いた、２μｍの膜厚のＩｎＧａＡｓ層として形成される。近赤外線吸収層４０３は、歪ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの超格子を用いて形成されていてもよい。
【0095】
近赤外線吸収層４０３が形成されると、近赤外線吸収層４０３上にＩｎＰ層４０４が形成される。ＩｎＰ層４０４は、３００から５００ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＰ、１００ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＧａＡｓ、５０ｎｍの膜厚のｎ－ＩｎＰが積層された層として形成される。ＩｎＰ層４０４の一部は、Ｚｎ拡散法で選択的にｐ型化されてｐ－ＩｎＰ層４１１として用いられる。
【0096】
ＩｎＰ層４０４が形成されると、ｎ－ＩｎＰ基板４０１は、ＭＯＶＰＥ装置から取り出される。ＭＯＶＰＥ装置から取り出されたｎ－ＩｎＰ基板４０１は、洗浄処理が施され、ＭＢＥ装置に搬入される。
【0097】
ＭＢＥ装置に搬入されるとＩｎＰ層４０４上に、ｐ－ＩｎＰ層４１９、ｎ－ＩｎＰ層４２０およびｐ－ＩｎＰ層４２１が障壁層として形成される。各層は、約５００℃の温度のチャンバー内で、１００ｎｍの膜厚のＢｅドープのｐ型ＩｎＰ、１００ｎｍの膜厚のＳｉドープのｎ－ＩｎＰ、１００ｎｍの膜厚のＢｅドープのｐ型ＩｎＰの順に成膜される。
【0098】
ｐ－ＩｎＰ層４２１が形成されると、ｐ－ＩｎＰ層４２１上に、ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５として、Ｂｅドープのｐ型ＩｎＰが１００ｎｍ、Ｂｅドープのｐ－ＧａＳｂが４μｍ、ＢｅドープのＩｎＡｓＳｂが１μｍの膜厚で形成される。ＩｎＡｓＳｂが形成されると、ＩｎＡｓＳｂ上に、第１のバリア層４０６として、５０ｎｍの膜厚のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの超格子が形成される。
【0099】
第１のバリア層４０６が形成されると、第１のバリア層４０６上に中赤外線吸収層４０７が形成される。中赤外線吸収層４０７は、５μｍの膜厚のＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子として形成される。
【0100】
中赤外線吸収層４０７が形成されると、中赤外線吸収層４０７上に第２のバリア層４０８が形成される。第２のバリア層４０８は、５０ｎｍの膜厚のＧａＡｓ／ＡｌＡｓの層として形成される。第２のバリア層４０８が形成されると、第２のバリア層４０８上にｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９が形成される。ｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９は、５０ｎｍの膜厚のＴｅドープのＧａＡｓを用いて形成される。
【0101】
ｎ－ＧａＳｂコンタクト層４０９が形成されたｎ－ＩｎＰ基板４０１は、ＭＢＥ装置から取り出され、メサが形成される。メサが形成されると、ｐ－ＩｎＰ層４１１を形成するためのＺｎＯの成膜およびパターニングが行われる。ＺｎＯのパターニングが行われると、５００℃、Ｎ２雰囲気下で約１時間、熱処理が施され、Ｚｎの拡散によってｐ－ＩｎＰ層４１１が形成される。
【0102】
Ｚｎの拡散によってｐ－ＩｎＰ層４１１が形成さると、絶縁膜４１７として用いるシリコン窒化膜がプラズマＣＶＤ法によって形成される。シリコン窒化膜が形成されると、各電極部分のパターニングが行われ、ｎ型層およびｐ型層に対してオーミックコンタクトがとれる金属で各電極が形成される。本実施形態の赤外線センサでは、中赤外線ｎ型コンタクト電極４１０、中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２、近赤外線ｎ型コンタクト電極４１３および中赤外線ｐ型コンタクト電極４２２が形成される。
【0103】
各電極が形成されると、電極上にバンプが形成され、熱処理後に読み出し回路４１８と接合される。接合が行われると、ｎ－ＩｎＰ基板４０１と読み出し回路４１８との間にアンダーフィルが充填され赤外線センサが完成する。
【0104】
（第３の実施形態の赤外線センサの動作）
本実施形態の赤外線センサ４００の動作について説明する。観測対象からの赤外線の波長域の光がｎ－ＩｎＰ基板４０１側から入射する。ｎ－ＩｎＰ基板４０１に入射した近赤外線および中赤外線の波長域の光は、ｎ－ＩｎＰ基板４０１を透過し、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２を介して、近赤外線吸収層４０３に入射する。
本実施形態の赤外線センサ４００の動作について説明する。観測対象からの赤外線の波長域の光がｎ－ＩｎＰ基板４０１側から入射する。ｎ－ＩｎＰ基板４０１に入射した近赤外線および中赤外線の波長域の光は、ｎ－ＩｎＰ基板４０１を透過し、ｎ－ＩｎＰバッファー層４０２を介して、近赤外線吸収層４０３に入射する。
【0105】
近赤外線吸収層４０３に光が入射すると、近赤外線の波長域の赤外線が近赤外線吸収層４０３において吸収される。近赤外線の波長域の赤外線が近赤外線吸収層４０３において吸収されると、光電流が発生する。
【0106】
中赤外線の波長域の赤外線は、近赤外線吸収層４０３を透過し、ＩｎＰ層４０４、ｐ－ＩｎＰ層４１９、ｎ－ＩｎＰ層４２０、ｐ－ＩｎＰ層４２１、ｐ－ＧａＳｂバッファー層４０５および第１のバリア層４０６を介して中赤外線吸収層４０７に入射する。中赤外線吸収層４０７に光が入射すると、中赤外線の波長域の赤外線が中赤外線吸収層４０７において吸収される。中赤外線の波長域の赤外線が中赤外線吸収層４０７において吸収されると、光電流が発生する。
【0107】
読み出し回路は、近赤外線吸収層４０３と中赤外線吸収層４０７に生じた光電流をそれぞれ読み出し、読み出した信号を増幅する。読み出し回路は、各画素に対応する近赤外線素子と中赤外線素子からそれぞれ読み出した信号を合成し、画像データを生成する。
【0108】
（第３の実施形態の効果）
本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線吸収層４０３と、中赤外線吸収層４０７のｐ型電極を分離し、層間も高抵抗化された障壁層によって絶縁されている。そのため、本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線吸収層４０３と、中赤外線吸収層４０７において近赤外線と中赤外線を同時に検出することができるので、近赤外線と中赤外線の波長域を同時に画像化することができる。
本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線吸収層４０３と、中赤外線吸収層４０７のｐ型電極を分離し、層間も高抵抗化された障壁層によって絶縁されている。そのため、本実施形態の赤外線センサ４００は、近赤外線吸収層４０３と、中赤外線吸収層４０７において近赤外線と中赤外線を同時に検出することができるので、近赤外線と中赤外線の波長域を同時に画像化することができる。
【0109】
（第３の実施形態の他の構成の例）
第３の実施形態の赤外線センサは、中赤外線素子のｐｎ極性を、第３の実施形態の構成に対して上層側と下層側で反転させた構造であってもよい。上層側とは、中赤外線吸収層に対してバンプ電極等が形成された側のことをいい、下層側とは、中赤外線吸収層に対して赤外線吸収層が形成されている側のことをいう。図１５は、中赤外線素子のｐｎ極性を反転させた赤外線センサの構成を示した断面図である。
第３の実施形態の赤外線センサは、中赤外線素子のｐｎ極性を、第３の実施形態の構成に対して上層側と下層側で反転させた構造であってもよい。上層側とは、中赤外線吸収層に対してバンプ電極等が形成された側のことをいい、下層側とは、中赤外線吸収層に対して赤外線吸収層が形成されている側のことをいう。図１５は、中赤外線素子のｐｎ極性を反転させた赤外線センサの構成を示した断面図である。
【0110】
図１５の赤外線センサ６００は、ｎ－ＩｎＰ基板６０１と、ｎ－ＩｎＰバッファー層６０２と、近赤外線吸収層６０３と、ＩｎＰ層６０４と、ｐ－ＩｎＰ層６１９、ｎ－ＩｎＰ層６２０と、ｐ－ＧａＳｂバッファー層６０５と、第２のバリア層６０８と、中赤外線吸収層６０７と、第１のバリア層６０６と、ｎ－ＧａＳｂコンタクト層６０９と、ｐ－ＩｎＰ層６１１と、絶縁膜６１７を備えている。また、赤外線センサ６００は、近赤外線ｎ型コンタクト電極６１３と、近赤外線ｐ型コンタクト電極６１２と、中赤外線ｎ型コンタクト電極６１０と、中赤外線ｐ型コンタクト電極６２２をさらに備えている。また、赤外線センサ６００は、近赤外線ｎ型バンプ電極６１４、中赤外線ｎ型バンプ電極６１６、近赤外線ｐ型バンプ電極６２３、中赤外線ｐ型バンプ電極６２４をさらに備えている。
【0111】
図１５の赤外線センサ６００は、近赤外線素子の上のＩｎＰ層６０４上に、ｐ－ＩｎＰ層６１９とｎ－ＩｎＰ層６２０が形成され、さらに、その上にｐ－ＧａＳｂバッファー層６０５を形成されている。このような構成とした場合に、中赤外線素子のｐｎの極性が反転する。読み出し回路をこの極性にあわせて作製することで、第３の実施の形態と同じ機能を有する赤外線センサを得ることができる。図１６は、図１５の構成の赤外線センサ６００に用いる読み出し回路の増幅回路部の構成を示した図である。図１６では、中赤外線素子７０２のｐとｎが第３の実施形態の構成と反転している。そのような構成とした場合でも、第３の実施形態と同様に、近赤外線素子７０１用の近赤外線増幅回路７０３と、中赤外線素子７０２用の中赤外線増幅回路７０４でそれぞれの読み出した信号を元に、近赤外線と中赤外線を同時に画像化することができる。
【0112】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【0113】
［付記１］
第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層と、
前記第１赤外線吸収層に積層され、前記第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層と、
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層との間に形成されている緩和層と
を備え、
前記第１赤外線吸収層の電極と前記第２赤外線吸収層の電極が回路に接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層と、
前記第１赤外線吸収層に積層され、前記第１波長域より長い波長域である第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層と、
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層との間に形成されている緩和層と
を備え、
前記第１赤外線吸収層の電極と前記第２赤外線吸収層の電極が回路に接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
【0114】
［付記２］
前記第１波長域および前記第２波長域の赤外線を透過する基板をさらに備え、
前記第１赤外線吸収層は、前記第２赤外線吸収層よりも前記基板側に積層されていることを特徴とする付記１に記載の赤外線センサ。
前記第１波長域および前記第２波長域の赤外線を透過する基板をさらに備え、
前記第１赤外線吸収層は、前記第２赤外線吸収層よりも前記基板側に積層されていることを特徴とする付記１に記載の赤外線センサ。
【0115】
［付記３］
前記第１赤外線吸収層は、前記基板と格子整合する材料で形成され、前記第２赤外線吸収層は、前記緩和層と格子整合する材料で形成されていることを特徴とする付記２に記載の赤外線センサ。
前記第１赤外線吸収層は、前記基板と格子整合する材料で形成され、前記第２赤外線吸収層は、前記緩和層と格子整合する材料で形成されていることを特徴とする付記２に記載の赤外線センサ。
【0116】
［付記４］
前記緩和層と前記第２赤外線吸収層は、互いに同一の元素を含む化合物で形成されていることを特徴とする付記１から３いずれかに記載の赤外線センサ。
前記緩和層と前記第２赤外線吸収層は、互いに同一の元素を含む化合物で形成されていることを特徴とする付記１から３いずれかに記載の赤外線センサ。
【0117】
［付記５］
前記緩和層は、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＳｂＰのうち、少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１から４いずれかに記載の赤外線センサ。
前記緩和層は、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＳｂＰのうち、少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１から４いずれかに記載の赤外線センサ。
【0118】
［付記６］
前記第２赤外線吸収層に隣接する２層のうち、一方の層は、価電子帯に障壁を有し、もう一方の層は、伝導帯に障壁を有することを特徴とする付記１から５いずれかに記載の赤外線センサ。
前記第２赤外線吸収層に隣接する２層のうち、一方の層は、価電子帯に障壁を有し、もう一方の層は、伝導帯に障壁を有することを特徴とする付記１から５いずれかに記載の赤外線センサ。
【0119】
［付記７］
画素ごとに前記第１赤外線吸収層および前記第２赤外線吸収層にそれぞれ接続しているｐ型電極と、複数の画素ごとに前記第１赤外線吸収層および前記第２赤外線吸収層にそれぞれ接続しているｎ型電極が形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の赤外線センサ。
画素ごとに前記第１赤外線吸収層および前記第２赤外線吸収層にそれぞれ接続しているｐ型電極と、複数の画素ごとに前記第１赤外線吸収層および前記第２赤外線吸収層にそれぞれ接続しているｎ型電極が形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の赤外線センサ。
【0120】
［付記８］
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層は、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層の間に積層された層を介して互いに導通していることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の赤外線センサ。
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層は、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層の間に積層された層を介して互いに導通していることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の赤外線センサ。
【0121】
［付記９］
前記第１赤外線吸収層のｐ型電極と、前記第２赤外線吸収層のｐ型電極が共通電極として形成されていることを特徴とする付記１から８いずれかに記載の赤外線センサ。
前記第１赤外線吸収層のｐ型電極と、前記第２赤外線吸収層のｐ型電極が共通電極として形成されていることを特徴とする付記１から８いずれかに記載の赤外線センサ。
【0122】
［付記１０］
前記回路は、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層のうち一方を選択するスイッチ素子を備え、
前記回路は、前記スイッチ素子を時分割で切り替えて、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層に生じた光電流を読み出すことを特徴とする付記１から９いずれかに記載の赤外線センサ。
前記回路は、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層のうち一方を選択するスイッチ素子を備え、
前記回路は、前記スイッチ素子を時分割で切り替えて、前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層に生じた光電流を読み出すことを特徴とする付記１から９いずれかに記載の赤外線センサ。
【0123】
［付記１１］
前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層の間に、極性が互いに反対の２層が積層された障壁層をさらに備えることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の赤外線センサ。
前記第１赤外線吸収層と、前記第２赤外線吸収層の間に、極性が互いに反対の２層が積層された障壁層をさらに備えることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の赤外線センサ。
【0124】
［付記１２］
前記障壁層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１１に記載の赤外線センサ。
前記障壁層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１１に記載の赤外線センサ。
【0125】
［付記１３］
第１波長域および前記第１波長域よりも長い波長域である第２波長域の赤外線を含む光を入射光として入射し、
前記第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層において、前記第１波長域の赤外線を第１光電流に変換し、
前記第１赤外線吸収層を透過した前記入射光のうち、前記第２波長域の赤外線を、前記第１赤外線吸収層に緩和層を介して積層され、前記第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層において第２光電流に変換し、
前記第１光電流および前記第２光電流を、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層に接続している電極を介して回路に出力することを特徴とする光検出方法。
第１波長域および前記第１波長域よりも長い波長域である第２波長域の赤外線を含む光を入射光として入射し、
前記第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層において、前記第１波長域の赤外線を第１光電流に変換し、
前記第１赤外線吸収層を透過した前記入射光のうち、前記第２波長域の赤外線を、前記第１赤外線吸収層に緩和層を介して積層され、前記第２波長域の赤外線を吸収する第２赤外線吸収層において第２光電流に変換し、
前記第１光電流および前記第２光電流を、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層に接続している電極を介して回路に出力することを特徴とする光検出方法。
【0126】
［付記１４］
前記第１波長域および前記第２波長域の赤外線を透過する基板に前記入射光を入射し、
前記基板の入射側とは反対側の面に形成されている前記第１赤外線吸収層に、前記入射光を前記基板を介して入射することを特徴とする付記１３に記載の光検出方法。
前記第１波長域および前記第２波長域の赤外線を透過する基板に前記入射光を入射し、
前記基板の入射側とは反対側の面に形成されている前記第１赤外線吸収層に、前記入射光を前記基板を介して入射することを特徴とする付記１３に記載の光検出方法。
【0127】
［付記１５］
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層を接続する共通電極を介して、前記第１光電流と前記第２光電流を時分割で選択して一方ごとに出力することを特徴とする付記１３または１４に記載の光検出方法。
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層を接続する共通電極を介して、前記第１光電流と前記第２光電流を時分割で選択して一方ごとに出力することを特徴とする付記１３または１４に記載の光検出方法。
【0128】
［付記１６］
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層を極性が互いに反対の２層が積層された障壁層を介して分離し、
前記第１光電流と前記第２光電流を、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層にそれぞれ独立に接続している電極を介して出力することを特徴とする付記１３または１４に記載の光検出方法。
前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層を極性が互いに反対の２層が積層された障壁層を介して分離し、
前記第１光電流と前記第２光電流を、前記第１赤外線吸収層と前記第２赤外線吸収層にそれぞれ独立に接続している電極を介して出力することを特徴とする付記１３または１４に記載の光検出方法。
【0129】
［付記１７］
第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層を有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法で形成し、
緩和層を分子線エピタキシー法で形成し、
前記第１波長域よりも長波長の赤外線を吸収する第２赤外線を吸収する第２赤外線吸収層を、分子線エピタキシー法で前記緩和層を介して前記第１赤外線吸収層に積層することを特徴とする赤外線センサの形成方法。
第１波長域の赤外線を吸収する第１赤外線吸収層を有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法で形成し、
緩和層を分子線エピタキシー法で形成し、
前記第１波長域よりも長波長の赤外線を吸収する第２赤外線を吸収する第２赤外線吸収層を、分子線エピタキシー法で前記緩和層を介して前記第１赤外線吸収層に積層することを特徴とする赤外線センサの形成方法。
【0130】
［付記１８］
前記第１赤外線吸収層を、前記基板と格子整合する材料で形成し、前記第２赤外線吸収層を、前記緩和層と格子整合する材料で形成することを特徴とする付記１７に記載の赤外線センサの形成方法。
前記第１赤外線吸収層を、前記基板と格子整合する材料で形成し、前記第２赤外線吸収層を、前記緩和層と格子整合する材料で形成することを特徴とする付記１７に記載の赤外線センサの形成方法。
【0131】
［付記１９］
前記緩和層と前記第２赤外線吸収層は、同一の元素を含む化合物で形成されていることを特徴とする付記１７または１８に記載の赤外線センサの形成方法。
前記緩和層と前記第２赤外線吸収層は、同一の元素を含む化合物で形成されていることを特徴とする付記１７または１８に記載の赤外線センサの形成方法。
【0132】
［付記２０］
前記緩和層は、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＳｂＰのうち、少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１７から１９いずれかに記載の赤外線センサの形成方法。
前記緩和層は、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＳｂＰのうち、少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記１７から１９いずれかに記載の赤外線センサの形成方法。
【0133】
［付記２１］
前記第１赤外線吸収層の形成後に、極性が互いに反対の２層が積層された障壁層を分子線エピタキシー法で形成し、
前記第２赤外線吸収層を前記障壁層と前記緩和層を介して前記第１赤外線吸収層に積層することを特徴とする付記１７から２０いずれかに記載の赤外線センサの形成方法。
前記第１赤外線吸収層の形成後に、極性が互いに反対の２層が積層された障壁層を分子線エピタキシー法で形成し、
前記第２赤外線吸収層を前記障壁層と前記緩和層を介して前記第１赤外線吸収層に積層することを特徴とする付記１７から２０いずれかに記載の赤外線センサの形成方法。
【0134】
［付記２２］
前記障壁層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記２１に記載の赤外線センサの形成方法。
前記障壁層は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰまたはＩｎＡｌＧａＡｓのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする付記２１に記載の赤外線センサの形成方法。
【符号の説明】
【0135】
１１ 第１赤外線吸収層
１２ 第２赤外線吸収層
１３ 緩和層
１００ 赤外線センサ
１０１ ｎ－ＩｎＰ基板
１０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
１０３ 近赤外線吸収層
１０４ ｎ－ＩｎＰ層
１０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
１０６ 第１のバリア層
１０７ 中赤外線吸収層
１０８ 第２のバリア層
１０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
１１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
１１１ ｐ－ＩｎＰ層
１１２ 共通ｐ型電極
１１３ 近赤外線n型コンタクト電極
１１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
１１５ 共通バンプ電極
１１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
１１７ 絶縁膜
１１８ 読み出し回路
１２５ ブリッジ部
２００ 赤外線センサアレイ
２０３ 近赤外線素子
２０７ 中赤外線素子
２１４ バンプ電極
２１８ 読み出し回路
３００ 増幅回路部
３０１ 近赤外線素子
３０２ 中赤外線素子
３０３ 増幅器
３０４ 近赤外線スイッチ
３０５ 中赤外線スイッチ
４００ 赤外線センサ
４０１ ｎ－ＩｎＰ基板
４０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
４０３ 近赤外線吸収層
４０４ ＩｎＰ層
４０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
４０６ 第１のバリア層
４０７ 中赤外線吸収層
４０８ 第２のバリア層
４０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
４１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
４１１ ｐ－ＩｎＰ層
４１２ 近赤外線ｐ型コンタクト電極
４１３ 近赤外線n型コンタクト電極
４１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
４１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
４１７ 絶縁膜
４１８ 読み出し回路
４１９ ｐ－ＩｎＰ層
４２０ ｎ－ＩｎＰ層
４２１ ｐ－ＩｎＰ層
４２２ 中赤外線ｐ型コンタクト電極
４２３ 近赤外線ｐ型バンプ電極
４２４ 中赤外線ｐ型バンプ電極
５００ 増幅回路部
５０１ 近赤外線素子
５０２ 中赤外線素子
５０６ 近赤外線用増幅器
５０７ 中赤外線用増幅器
６００ 赤外線センサ
６０１ ｎ－ＩｎＰ基板
６０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
６０３ 近赤外線吸収層
６０４ ＩｎＰ層
６０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
６０６ 第１のバリア層
６０７ 中赤外線吸収層
６０８ 第２のバリア層
６０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
６１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
６１１ ｐ－ＩｎＰ層
６１２ 近赤外線ｐ型コンタクト電極
６１３ 近赤外線n型コンタクト電極
６１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
６１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
６１７ 絶縁膜
６１９ ｐ－ＩｎＰ層
６２０ ｎ－ＩｎＰ層
６２２ 中赤外線ｐ型コンタクト電極
６２３ 近赤外線ｐ型バンプ電極
６２４ 中赤外線ｐ型バンプ電極
７００ 増幅回路部
７０１ 近赤外線素子
７０２ 中赤外線素子
７０６ 近赤外線用増幅器
７０７ 中赤外線用増幅器
１２ 第２赤外線吸収層
１３ 緩和層
１００ 赤外線センサ
１０１ ｎ－ＩｎＰ基板
１０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
１０３ 近赤外線吸収層
１０４ ｎ－ＩｎＰ層
１０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
１０６ 第１のバリア層
１０７ 中赤外線吸収層
１０８ 第２のバリア層
１０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
１１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
１１１ ｐ－ＩｎＰ層
１１２ 共通ｐ型電極
１１３ 近赤外線n型コンタクト電極
１１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
１１５ 共通バンプ電極
１１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
１１７ 絶縁膜
１１８ 読み出し回路
１２５ ブリッジ部
２００ 赤外線センサアレイ
２０３ 近赤外線素子
２０７ 中赤外線素子
２１４ バンプ電極
２１８ 読み出し回路
３００ 増幅回路部
３０１ 近赤外線素子
３０２ 中赤外線素子
３０３ 増幅器
３０４ 近赤外線スイッチ
３０５ 中赤外線スイッチ
４００ 赤外線センサ
４０１ ｎ－ＩｎＰ基板
４０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
４０３ 近赤外線吸収層
４０４ ＩｎＰ層
４０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
４０６ 第１のバリア層
４０７ 中赤外線吸収層
４０８ 第２のバリア層
４０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
４１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
４１１ ｐ－ＩｎＰ層
４１２ 近赤外線ｐ型コンタクト電極
４１３ 近赤外線n型コンタクト電極
４１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
４１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
４１７ 絶縁膜
４１８ 読み出し回路
４１９ ｐ－ＩｎＰ層
４２０ ｎ－ＩｎＰ層
４２１ ｐ－ＩｎＰ層
４２２ 中赤外線ｐ型コンタクト電極
４２３ 近赤外線ｐ型バンプ電極
４２４ 中赤外線ｐ型バンプ電極
５００ 増幅回路部
５０１ 近赤外線素子
５０２ 中赤外線素子
５０６ 近赤外線用増幅器
５０７ 中赤外線用増幅器
６００ 赤外線センサ
６０１ ｎ－ＩｎＰ基板
６０２ ｎ－ＩｎＰバッファー層
６０３ 近赤外線吸収層
６０４ ＩｎＰ層
６０５ ｐ－ＧａＳｂバッファー層
６０６ 第１のバリア層
６０７ 中赤外線吸収層
６０８ 第２のバリア層
６０９ ｎ－ＧａＳｂコンタクト層
６１０ 中赤外線ｎ型コンタクト電極
６１１ ｐ－ＩｎＰ層
６１２ 近赤外線ｐ型コンタクト電極
６１３ 近赤外線n型コンタクト電極
６１４ 近赤外線ｎ型バンプ電極
６１６ 中赤外線ｎ型バンプ電極
６１７ 絶縁膜
６１９ ｐ－ＩｎＰ層
６２０ ｎ－ＩｎＰ層
６２２ 中赤外線ｐ型コンタクト電極
６２３ 近赤外線ｐ型バンプ電極
６２４ 中赤外線ｐ型バンプ電極
７００ 増幅回路部
７０１ 近赤外線素子
７０２ 中赤外線素子
７０６ 近赤外線用増幅器
７０７ 中赤外線用増幅器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】