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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-10-18
(54)【発明の名称】ダブル・フォトダイオード電磁放射センサ・デバイス
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20231011BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
H01L31/10 D
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022581402
(86)(22)【出願日】2021-07-29
(85)【翻訳文提出日】2023-02-15
(86)【国際出願番号】 IB2021056910
(87)【国際公開番号】W WO2022024025
(87)【国際公開日】2022-02-03
(31)【優先権主張番号】102020000018760
(32)【優先日】2020-07-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】501193001
【氏名又は名称】ポリテクニコ ディ ミラノ
【氏名又は名称原語表記】ＰＯＬＩＴＥＣＮＩＣＯ ＤＩ ＭＩＬＡＮＯ
【住所又は居所原語表記】Ｐｉａｚｚａ Ｌｅｏｎａｒｄｏ ｄａ Ｖｉｎｃｉ，３２２０１３３ ＭＩＬＡＮＯ－Ｉｔａｌｙ
(71)【出願人】
【識別番号】506224698
【氏名又は名称】ウニヴェルスィタ’デッリ ストゥディ ”ローマ トレ”
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フリジェリオ、ヤコポ
(72)【発明者】
【氏名】イセッラ、ジョヴァンニ
(72)【発明者】
【氏名】バッラービオ、アンドレア
(72)【発明者】
【氏名】デ ヤコヴォ、アンドレア
(72)【発明者】
【氏名】コレース、ロレンツォ
【テーマコード（参考）】
5F149
【Ｆターム（参考）】
5F149AA04
5F149AB03
5F149BA28
5F149DA41
5F149FA05
5F149KA01
5F149LA01
5F149LA02
5F149LA09
5F149XB36
5F149XB37
(57)【要約】
電磁放射ＥＭＲに曝される第１の面１２、３０及び第１の面とは反対側の第２の面３２を規定するように第１の半導体材料から形成された基板２５と、第１の集積されたフォトダイオードＰＤ１であって、第２の面３２まで延在するように基板２５に含まれ且つ第１のタイプのドーピングを有する第１のドープ領域３１、及び、基板２５の部分によって第１の領域３１から分離された、第２の面３２まで延在するように基板２５内に含まれた第２のドープ領域３３であって、第２のタイプのドーピングｐ＋を有する第２のドープ領域３３を含む第１の集積されたフォトダイオードＰＤ１とを含む、ダブル・フォトダイオード電磁放射センサ・デバイス１０が記載されている。デバイスは、前記第１のドープ領域３１を含む第２の集積されたフォトダイオードＰＤ２であって、第２の面３２とは反対側の第３の面３５を規定するように、第１のドープ領域３１と接触した第２の面３２に配置された第２の半導体材料における層３４と、第２のタイプのドーピングｐ＋を有し且つ第３の面３５と重ね合わされた第２の半導体材料におけるドープ層３６と、を含む第２の集積されたフォトダイオードＰＤ２をさらに含む。前記第２の面３２において第２のドープ領域３３と、ドープ層３６とに接触するように配置された金属接点ＢＣ、ＴＣが設けられている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダブル・フォトダイオード電磁放射センサ・デバイス（１０）であって、－ 電磁放射（ＥＭＲ）に曝される第１の面（１２、３０）及び前記第１の面とは反対側の第２の面（３２）を規定する第１の半導体材料における基板（２５）と、
－ 第１の集積されたフォトダイオード（ＰＤ１）であって、
前記第２の面（３２）まで延在するように前記基板（２５）に含まれる第１のドープ領域（３１）であって、第１のタイプのドーピング（ｎ）を有する第１のドープ領域（３１）、及び
前記基板（２５）の一部によって前記第１の領域（３１）から分離されている、前記第２の面（３２）まで延在するように前記基板（２５）内に含まれる第２のドープ領域（３３）であって、第２のタイプのドーピング（ｐ＋）を有する第２のドープ領域（３３）
を含む、第１の集積されたフォトダイオード（ＰＤ１）と、
－ 前記第１のドープ領域（３１）を含む、第２の集積されたフォトダイオード（ＰＤ２）であって、
前記第２の面（３２）とは反対側の第３の面（３５）を規定するように、前記第１のドープ領域（３１）と接触する前記第２の面（３２）に配置された第２の半導体材料における層（３４）、及び
前記第２のタイプのドーピング（ｐ＋）を有し、前記第３の面（３５）と重なり合っている前記第２の半導体材料におけるドープ層（３６）
を含む、第２の集積されたフォトダイオード（ＰＤ２）と、
－ 前記第２の面（３２）における前記第２のドープ領域（３３）と、前記ドープ層（３６）とに接触するように配置された金属接点（ＢＣ、ＴＣ）と
を含む、ダブル・フォトダイオード電磁放射センサ・デバイス（１０）。
【請求項2】
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、前記第２のドープ領域（３３）と接触する前記第２の面（３２）に配置された第１の金属層（３７、ＢＣ）を含む、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項3】
前記第１のドープ領域（３１）に含まれる前記第２のタイプ（ｐ＋）のドーピングを有し、前記第２の面（３２）まで延在する第１の高ドープ・ウェル（３９）と、前記第２の半導体材料における前記ドープ層（３６）及び前記第２の面（３２）における前記第１の高ドープ・ウェル（３９）の第１の部分に接触するように、前記第２の半導体材料における前記層（３４）に含まれる前記第２のタイプ（ｐ＋）のドーピングを有する第２の高ドープ・ウェル（４０）と
をさらに含む、請求項２に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項4】
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、前記第２の面（３２）において前記第１の高ドープ・ウェル（３９）の第２の部分の上に配置された第２の金属層（３８、ＴＣ）を含む、請求項３に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項5】
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、前記第２の面（３２）において前記第１の高ドープ・ウェル（３９）と接触する、前記第２の半導体材料における前記ドープ層（３６）及び前記第２の高ドープ・ウェル（４０）を覆う第３の金属層（４１）を含む、請求項３に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項6】
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、前記第２の面（３２）から間隔を置かれている、前記第２の半導体材料における前記ドープ層（３６）を覆う第４の金属層（４２）を含む、請求項２に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項7】
前記第２の面（３２）と前記第２の半導体材料における前記ドープ層（３６）との上に配置された電気的絶縁材料の層（４４）をさらに含み、前記第１の金属層（３７）が、絶縁材料の前記層の内部で、前記第２の面（３２）から、第１の接点パッド（４６）が形成されている絶縁材料の前記層の自由面（４５）まで延在し、
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、絶縁材料の前記層の内部で、前記第２の面（３２）から、第２の接点パッド（４７）が形成されている絶縁材料の前記層の自由面（４５）まで延在する第５の金属層（４３）を含む、請求項２に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項8】
前記第１及び／又は第２の半導体材料が、（ａ）ＩＩＩ－Ｖ半導体及びそれらの合金と、
（ｂ）ＩＩ－ＶＩ半導体及びそれらの合金と、
（ｃ）ＩＶ族半導体及びそれらの合金と
のうちの１つから選択されている、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項9】
前記第１の半導体材料が、第１のバンド・ギャップＥｇ１に関連し、前記第２の半導体材料が、前記第１のバンド・ギャップより小さい第２のバンド・ギャップＥｇ２に関連する、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項10】
制御電圧（ＶＢ）に依存するそれぞれのスペクトル応答性の関数として、入射電磁放射（ＥＭＲ）を光検出される電流（Ｉｐｈ）に変換するように構成されている、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
【請求項11】
前記金属接点（ＢＣ、ＴＣ）が、第１の電気端子（ＢＣ）及び第２の電気端子（ＴＣ）を規定し、前記第１及び第２の電気端子に、前記制御電圧（ＶＢ）が印加可能であり、前記第１及び第２の電気端子から、前記光検出される電流（Ｉｐｈ）が読み出し可能である、請求項２及び１０に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項12】
前記第１及び第２の半導体材料は、前記センサ・デバイス（１０）が可視、近赤外から短波赤外の一部までにおいて動作するように選択されている、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項13】
前記第１のドープ領域（３１）に含まれる前記第１のタイプ（ｐ＋）のドーピングを有し、前記第２の面（３２）まで延在する第３の高ドープ・ウェル（４８）と、前記デバイスの第３の電気制御端子を規定する前記第２の面（３２）における前記第３の高ドープ・ウェル（４８）の上に配置された別の金属層（ＦＣ）と
をさらに含む、請求項４に記載のセンサ・デバイス（１０）。
【請求項14】
電磁放射検出システム（１００）であって、請求項１～１３のうちの少なくとも１つに従って製造され、調整電圧（ＶＢ）に依存するそれぞれのスペクトル応答性の関数として、入射電磁放射（ＥＭＲ）を電流に変換するように構成されたセンサ・デバイス（２０、１０）と、
電子制御及びプロセシング・モジュール（５０）であって、
－ 前記入射電磁放射に関連する対応する複数の検出される電流（Ｉｐｈ）を得るために、前記センサ・デバイス（１０）に、前記スペクトル応答性を調整する複数の調整電圧値（ＶＢ）を選択的に提供し、
－ 前記調整電圧値（ＶＢ）及び前記スペクトル応答性に基づく前記検出される電流（Ｉｐｈ）の値を処理し、前記入射電磁放射に関連する情報（ＳＰ－ＡＮＳ；ＩＰＳＴ－ＩＭ）を得る
ように構成されている、電子制御及びプロセシング・モジュール（５０）と
を含む、電磁放射検出システム（１００）。
【請求項15】
前記制御及びプロセシング・モジュール（５０）が、前記複数の検出される電流（Ｉｐｈ）を受け取り、それを複数の検出される電圧（Ｖｐｈ）に変換するように構成された読み出しモジュール（２）と、
前記複数の検出される電圧（Ｖｐｈ）を受け取り、それを対応するデジタル検出値（Ｖｐｈｉ）に変換するように構成されたコンディショニング・モジュール（３）と、
前記デジタル検出値（Ｖｐｈｉ）を受け取り、前記入射電磁放射のスペクトル情報（ＳＰ－ＡＮＳ；ＩＰＳＴ－ＩＭ）を推定するように構成された分析デバイス（４）と
を含む、請求項１４に記載のシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ダブル・フォトダイオード・タイプの電磁放射センサに関する。
【背景技術】
【0002】
ダブル・フォトダイオード電磁放射センサは、２つの異なるスペクトル帯における光信号の検出を可能にする。
【0003】
バック・トゥ・バック構成における２つのフォトダイオードの使用が２つの異なるスペクトル帯における光信号の検出をどのように可能にするかの第１のデモンストレーションが、非特許文献１に報告されている。
【0004】
この論文は、０．８～１．１μｍ及び１．０～１．３μｍ帯における受光素子としてのＩｎＧａＡｓＰの２つの層の使用（個々の化学元素の異なる濃度を有する）を説明している。構造は、ＩｎＰ基板上に堆積されており、３つの独立した金属接点を有する。
【0005】
非特許文献２は、アクティブ層としてのＣｄＺｎＴｅ基板上に堆積させられた２つのＨｇＣｄＴｅ合金を使用して中赤外及び遠赤外アクティブ光学センサを製造するために使用されるバック・トゥ・バック構成を説明している。この場合、デバイスは、２～４．３μｍ及び４．５～８．２μｍ帯において感光性である。
【0006】
非特許文献３は、３０ｎｍ範囲におけるレーザの波長を測定するためにＩｎＰに堆積された異なるバンド・ギャップを有するＩｎＧａＡｓＰの２つの層を使用するバック・トゥ・バック構造を説明している。
【0007】
特許文献１は、シリコン・ショットキー・ダイオード及びＰＩＮタイプＳｉＧｅダイオードからなるダブル・ダイオードを含む光検出器を説明している。
【0008】
特許文献２は、２つの波長範囲のために動作し、互いに上下に配置された２つの検出器を含む、光検出器を開示している。シリコン・ショットキー・ダイオードは、０．９μｍよりも短い波長を有する光を吸収する第１の検出器を形成している。第２の検出器（Ｓｉ／ＳｉＧｅダイオード）は、１μｍよりも大きく且つ２μｍよりも小さい波長を有する光を吸収する。
【0009】
非特許文献４は、バック・トゥ・バックに接続された２つのフォトダイオードからなるゲルマニウム・オン・シリコン・エピタキシャル構造を有し、それにより、広い帯域の波長のための光検出器として動作する、デバイスを説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】米国特許第６３４２７２０号明細書
【特許文献2】米国特許第６０４３５１７号明細書
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】J.C. Campbell et al. "Dual-wavelength demultiplexing InGaAsP photodiode", Applied Physics Letters 34, 401 (1979)
【非特許文献2】E.R. Blazejewski et al, "Bias switchable dual band HgCdTe infrared photodetector", J. Vac. Sci. Tech. B, 10, 1626 (1992)
【非特許文献3】L. Colace et al, "Solid state wavemeter with InGaAsP/lnGaAs two-diode heterostructure", Electronics Letters 38,735 (2002)
【非特許文献4】E. Talamas Simola et al. "Voltage-tunable dual-band Ge/Si photodetector operating in VIS and NIR spectral range" Vol. 27, No. 6; 18/03/2019, OPTICS EXPRESS 8529
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、バック・トゥ・バック構成における２フォトダイオード・タイプの、電磁放射センサであって、複雑な製造のものではない、公知のものに対して代替的な構造を有し、ＣＭＯＳエレクトロニクスのプロセシング技術と両立可能であり、結果的に、センサ自体の電子制御及び読み出しモジュールとのセンサの統合を可能にする、電磁放射センサを提供するという課題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
第１の態様によれば、本発明は、独立請求項１に定義されたダブル・フォトダイオード電磁放射センサ・デバイス及び従属請求項２から１３までに定義されたその特定の実施例に関する。
【0014】
第２の態様によれば、本発明は、その目的として、請求項１４による電磁放射検出システム、及び従属請求項１５によって定義された、その特定の実施例を有する。
【0015】
以下に、限定ではなく実例として、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】バック・トゥ・バック構成における２フォトダイオード・センサ・デバイスの回路図を示す。
【図2】一例として、波長及び調整電圧に関する、センサ・デバイスによって発生された電流のトレンドを示す。
【図3】第１の実施例による、半導体材料の基板に集積されたセンサ・デバイスの構造の断面図を示す。
【図4】第１の実施例によるセンサ・デバイスの構造の平面図を示す。
【図5】第２の実施例による、半導体材料の基板に集積された前記センサ・デバイスの構造の断面図を示す。
【図6】第３の実施例による、半導体材料の基板に集積された前記センサの構造の断面図を示す。
【図7】第４の実施例による、半導体材料の基板に集積された前記センサの構造の断面図を示す。
【図8】第５の実施例による、半導体材料の基板に集積された前記センサの構造の断面図を示す。
【図9】前記センサ・デバイスを含むスペクトル検出システムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
この説明において、類似又は同一の要素又は構成要素は、図面において同じ識別符号によって示される。
【0018】
図１は、ダブル・フォトダイオード・センサ・デバイス１０（本明細書では略して「センサ」とも呼ばれる）の回路図を示す。センサ１０は、「バック・トゥ・バック構成」、すなわちカソード（又はアノード）が互いに電気的に接続されて配置された、第１のフォトダイオードＰＤ１及び第２のフォトダイオードＰＤ２を含む。これらの第１及び第２のフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２は、適切な電圧ＶＢを残りのアノード（又はカソード）に適用することによって調節可能である。
【0019】
特に、第１のフォトダイオードＰＤ１（以下では、「ＰＤ１ダイオード」とも呼ばれる）は、エネルギ・ギャップ（すなわち、バンド・ギャップ）Ｅｇ１を有する半導体材料から得られ、第２のフォトダイオードＰＤ２は、エネルギ・ギャップＥｇ２＜Ｅｇ１を有する別の半導体材料から得られる。
【0020】
第１のダイオードＰＤ１は、第１の最小波長λｍｉｎ（ＰＤ１）と第１の最大波長λｍａｘ（ＰＤ１）＝ｈｃ／Ｅｇ１（ｈｃは普遍定数）との間の波長λを有する放射を収集し、電気信号（すなわち、光電流Ｉｐｈ）に変換するように構成されている。
【0021】
第２のフォトダイオードＰＤ２（以下では、「ＰＤ２ダイオード」とも呼ばれる）は、第２の最小波長λｍｉｎ（ＰＤ２）から第２の最大波長λｍａｘ（ＰＤ２）＝ｈｃ／Ｅｇ２までの範囲の波長を有する放射を収集し、電気信号（対応する光電流Ｉｐｈ）に変換するように構成されており、λｍｉｎ（ＰＤ２）＜λｍａｘ（ＰＤ１）である。
【0022】
シリコンの場合の実例として、λｍｉｎ（ＰＤ１）及びλｍａｘ（ＰＤ１）の指示値はそれぞれ４００ｎｍ及び１１００ｎｍであり、ゲルマニウムの場合、λｍｉｎ（ＰＤ２）及びλｍａｘ（ＰＤ２）の指示値はそれぞれ４００ｎｍ及び１８００ｎｍである。
【0023】
【0024】
図３及び図４に示したように、センサ１０は、例えば、ｐ型ドーピングを有する第１の半導体材料（示された実例では、シリコン）から形成された基板２５を含む。基板２５は、第１の面３０及び反対側の第２の面３２を規定している。
【0025】
第１の面３０は、露出した領域を構成しており、そこから電磁放射ＥＭＲが進入する。図３におけるセンサ１０の基板２５はｎ型であってもよいことに留意されたい。
【0026】
基板と同じ材料の第１のドープ領域３１が基板２５に形成されているが、ドーピングは基板２５のものとは逆である、すなわち、実例によれば、ｎ型ドーピングである。第１のドープ領域３１は、基板２５の第２の面３２から基板自体の内部に向かって、第１の面３０に達することなく延びている。
【0027】
前記第１のドープ領域３１は、第１のダイオードＰＤ１及び第２のダイオードＰＤ２に共通の電極（実例によれば、カソード）として機能することが意図されていることに留意されたい。
【0028】
実例によれば、基板３０と同じタイプであるが、より高いドーピング、すなわち、ｐ＋タイプドーピングを有する第２のドープ領域３３が基板２５内に形成されている。第２のドープ領域３３は、第２の面３２から基板２５の内部に向かって第１の面３０に達することなく、例えば、第１のドープ領域３１の深さよりも小さい深さだけ延びている。
【0029】
例えば、第２のドープ領域３３は、第１のドープ領域３１を開ループにおいて横方向で包囲するために基板２５内に発達させられている。
【0030】
第２のドープ領域３３は、第１のＰＤ１ダイオードのための追加的な電極として（この実例では、アノードとして）機能することが意図されていることに留意されたい。
【0031】
さらに、センサ１０は、第１のドープ領域３１と接触するように基板２５の第２の面３２に配置された第２の半導体材料から形成された（実例によれば、ゲルマニウムから形成された）層３４を含む。前記ゲルマニウム層３４は、例えば、真性ゲルマニウムである。ゲルマニウム層３４は、第２の面３２とは反対側の第３の面３５を規定する。
【0032】
例えば、真性ゲルマニウム層３４は、第１のドープ領域３１の一部（特に、その中央部分）に面しているが、第１のドープ領域３１を完全には覆っていない。
【0033】
実例によれば、ゲルマニウム層３４は、第２のＰＤ２ダイオードの真性層として動作することが意図されていることに留意されたい。
【0034】
真性ゲルマニウム層３４の第３の面３５の上には、実例によれば、高いｐ型ドーピング（すなわち、ｐ＋ドーピング）を有するドープ層３６（ゲルマニウムにおける）が配置されている。ドープ層３６は、第２のダイオードＰＤ２のためのアノードとして機能することが意図されている。
【0035】
センサ１０は、前記第２の面３２及びドープ層（３６）において第２のドープ領域３３と接触するように配置された金属接点を有する。
【0036】
特に、図３の実施例形態によれば、センサ１０には、第１の抵抗接点ＢＣを形成するように第２のドープ領域３３（すなわち第１のダイオードＰＤ１のアノード）の上方に配置された第１の金属層３７が設けられている。
【0037】
さらに、センサ１０は、ドープ層３６に電気的に接続された第２の抵抗接点ＴＣを形成する第２の金属層３８を含む。
【0038】
この第１の実施例によれば、第２の抵抗接点ＴＣとドープ層３６（すなわち、第２のＰＤ２ダイオードのアノード）との間の接続は、第１の高ドープ・ウェル３９（すなわち、高導電性ウェル）及び第２の高ドープ・ウェル４０によって形成されている。
【0039】
第１の高ドープ・ウェル３９は、第２の面３２から第１のドープ領域３１（ｎ型）内へ内方に延びており、実例によれば、ｐ＋ドーピングを有する。第２の抵抗接点ＴＣは、第２の面３２に配置され、高ドープ・ウェル３９の部分と接触している。
【0040】
第２の高ドープ・ウェル４０は、ゲルマニウム層３４内で、ドープ層３６（それと接触している）から第２の面３２における第１の高ドープ・ウェル３９まで延びている。実例によれば、第２の高ドープ・ウェル４０は、ｐ＋ドープ・ゲルマニウムから形成されている。
【0041】
要するに、第１のダイオードＰＤ１は、第１のドープ領域３１と、基板２５の一部と、第２のドープ領域３３とを含む。第２のダイオードＰＤ２は、第１のドープ領域３１と、真性ゲルマニウム層３４と、ドープ層３６と、第１及び第２の高ドープ・ウェル３９及び４０とを含む。
【0042】
センサ１は、ＣＭＯＳ集積技術と両立可能な従来の半導体材料集積技術を使用して製造することができる。
【0043】
例えば、第１のドープ領域３１、第２のドープ領域３３、ドープ層３６、第１の高ドーパント・ウェル３９及び第２の高ドーパント・ウェル４０は、注入技術及び／又はスピンオン・ドーパント及び／又は堆積技術（エピタキシ、スパッタリング、蒸発を含む）によって形成されてよい。
【0044】
真性ゲルマニウム層３４は、エピタキシ、スパッタリング、蒸発などの化学的及び／又は物理的堆積技術又はウェハ・ボンディングとしてのトランスファによって形成されてよい。
【0045】
例えば、真性ゲルマニウム層３４は、５００ｎｍ～３μｍの厚さであってよい。実例によれば、ドープ層３６（すなわち、第２のＰＤ２ダイオードのアノード）は、５～２００ｎｍの厚さであってよい。
【0046】
真性ゲルマニウム層３４は、完全にシリコン基板２５の第１のドープ領域３１内にあり、したがって、選択的堆積（例えば、酸化物ウィンドウ堆積）などの技術によって真性ゲルマニウム層３４を堆積させることが可能である、又は基板２５全体の上にゲルマニウム層３４を堆積させ、次いで、選択的除去技術（フォトリソグラフィ）によって層３４自体のジオメトリを規定することが可能である。
【0047】
シリコンから形成された第１のダイオードＰＤ１は、可視及び近赤外における放射、次いで、直説法で、４００ｎｍの最小波長λｍｉｎ（ＰＤ１）及び１１００ｎｍの最大波長λｍａｘ（ＰＤ１）を有する放射を収集し、電気信号（すなわち、電流Ｉｐｈ）に変換するようになっている。ＶＩＳ（可視：Ｖｉｓｉｂｌｅ）帯は、公知のように、波長範囲４００ｎｍ～７００ｎｍに含まれる。近赤外（ＮＩＲ：Ｎｅａｒ ＩｎｆｒａＲｅｄ）帯は、７００ｎｍから１１００ｎｍまで延在する。
【0048】
少なくとも部分的にゲルマニウムから形成された第２のダイオードＰＤ２は、直説法で、４００ｎｍの最小波長λｍｉｎ（ＰＤ２）及び１８００ｎｍの最大波長λｍａｘ（ＰＤ２）を有する放射を収集し、電気信号（すなわち、電流Ｉｐｈ）に変換するように構成されている。
【0049】
公知のように、近赤外（ＮＩＲ）帯は７００ｎｍから１１００ｎｍまで延在するのに対し、短波赤外（ＳＷＩＲ：ｓｈｏｒｔ ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ）帯は、波長範囲１１００ｎｍ～３０００ｎｍに含まれている。
【0050】
言い換えれば、センサ１０は、図３における特定の実施例形態に示したようにＰＤ１フォトダイオードのためのシリコン及びＰＤ２フォトダイオードのためのゲルマニウムを使用して製造された場合、可視、近赤外から短波赤外の部分までにおいて動作することができる。
【0051】
センサ１０の動作に関して、バイアス電圧ＶＢは、第２の抵抗接点ＴＣと第１の抵抗接点ＢＣとの間の電圧差として慣用的に理解されることに留意されたい。この定義によれば、正のバイアス電圧ＶＢの場合、第２のダイオードＰＤ２は正比例してバイアスし且つ第１のダイオードＰＤ１は反比例してバイアスし、負の電圧ＶＢの場合はその逆である。
【0052】
センサ１０が、半導体の側においてエネルギ・ギャップＥｇ１によって照明されると（すなわち、実例によれば、ダイオードＰＤ１の第１の面３０において）、第１のフォトダイオードＰＤ１は、より高いエネルギ光放射の部分を吸収し、第２のフォトダイオードＰＤ２は、ギャップ半導体Ｅｇ１によって吸収することができない光放射のみによって照明される。
【0053】
したがって、ギャップ半導体Ｅｇ１を備えて形成されたフォトダイオード（すなわち、第１のダイオードＰＤ１）は、低波長（λ＜ｈｃ／Ｅｇ１、ｈｃは普遍定数）における光放射の存在においてのみ光電流を生成することができるのに対し、反対に、第２のフォトダイオードＰＤ２は、λｍａｘ（ＰＤ１）よりも大きく且つλｍａｘ（ＰＤ２）よりも小さい波長λを有する光子のみに応答する：
λｍａｘ（ＰＤ１）＜λ＜λｍａｘ（ＰＤ２）
λｍａｘ（ＰＤ１）＜λ＜λｍａｘ（ＰＤ２）
【0054】
センサ１０によって生成される総光電流は、２つの異なるフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２によって生成される光電流の間の差によって与えられる。
【0055】
この光電流Ｉｐｈは、対応する電子コンディショニング及び取得システムによって第１及び第２の抵抗接点ＢＣ及びＴＣに接続することによって測定することができる。
【0056】
より詳細には、第１のダイオードＰＤ１が反比例してバイアスされる場合、λｍｉｎ（ＰＤ１）とλｍａｘ（ＰＤ１）との間の波長λを有する放射によって照明された場合に光電流Ｉｐｈを生成することができるのに対し、第２のダイオードＰＤ２は、正比例してバイアスされ、したがって、光学的に不活性であるが、電流Ｉｐｈの循環を許容する。
【0057】
逆に、第２のダイオードＰＤ２が逆バイアスされる場合、光電流Ｉｐｈを生成することができる（λｍａｘ（ＰＤ１）とλｍａｘ（ＰＤ２）との間の放射波長λで照明された場合）のに対し、第１のダイオードＰＤ１は正比例してバイアスされ、したがって、光学的に不活性であるが、電流Ｉｐｈの循環を許容する。
【0058】
バイアス電圧ＶＢに作用して、センサ１０のスペクトル応答を電気的に選択することが可能である。図２は、実例として、バイアス電圧ＶＢの２つの極値について、波長に関する電流Ｉｐｈのトレンドを示している。
【0059】
印加されたバイアス電圧ＶＢに応じて、２つのダイオードＰＤ１及びＰＤ２に関連した２つの接合部の収集効率を変化させることが可能である。特に、ギャップＥｇ１を有する接合部の収集効率が高まると、ギャップＥｇ２を有する接合部の収集効率の低下が観察され、その逆も同じである。このアプローチは、連続的に変化するセンサ１０の応答性スペクトルを許容する。
【0060】
シリコン及びゲルマニウムが図１の実例において参照されているが、センサ１０は、他の半導体材料によって製造されてもよいことに留意されたい。例えば、第１のダイオードＰＤ１及び／又は第２のダイオードＰＤ２の光応答帯の間の前記関係を満たすことができるその他の可能な材料は、以下のタイプのうちの１つから選択された半導体材料を含む：
ａ）ＩＩＩ－Ｖ半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ）及びそれらの合金；
ｂ）ＩＩ－ＶＩ半導体（例えば、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ）及びそれらの合金；
ｃ）ＩＶ半導体（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧｅＳｎ）及びそれらの合金。
ａ）ＩＩＩ－Ｖ半導体（例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ）及びそれらの合金；
ｂ）ＩＩ－ＶＩ半導体（例えば、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ）及びそれらの合金；
ｃ）ＩＶ半導体（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧｅＳｎ）及びそれらの合金。
【0061】
上述のセンサ１０の実現の形態は、製造するのが複雑ではなく、さらに、それが集積される基板２５の同じ側にセンサの金属接点を提供し、したがって、「平坦」タイプのものを生じるという利点を有する。
【0062】
センサ・デバイス１０の平坦性は、ＣＭＯＳプロセシング技術によって形成される他の電子回路が存在するシリコン基板上にモノリシック集積を許容する。これにより、業界基準を提供する類似のプロセシング技術を用いて、同じ基板上にセンサ・デバイス及び電子コンディショニング及び取得システムを同時に実現することが可能である。
【0063】
センサ・デバイスのみがシリコン基板上に製造される場合でさえ、デバイスの同じ面に配置された金属接点ＴＣ及びＢＣの存在は、光電流信号のコンディショニング及び取得のための外部回路及び電子システムへの後者のその後の接続を容易にする。
【0064】
後者の場合、センサ・デバイス１０は、マイクロソルダリング技術（バンプ・ボンディング、ワイヤ・ボンディング、Ｃｕ－Ｃｕボンディング）によって、又は後でも明らかにされる電子接続基板（ＰＣＢ）を介して外部回路に接続することができる。
【0065】
図５は、図３及び図４のものと類似のセンサ１０の第２の実施例に関するが、この場合、第２の抵抗接点ＴＣは、第２の面３２において第１の高ドープ・ウェル３９と接触する、ドープ層３６（ｐ＋、Ｇｅ）及び第２の高ドープ・ウェル４０を覆う金属層４１によって形成されている。この場合、ドープ層３６及び第２の高ドープ・ウェル４０にも直接に接続された第２のＴＣ抵抗接点が生じ、第２のＰＤ２フォトダイオード内の電界のより良い分布を提供し、直列抵抗効果を減じる。
【0066】
図６は、図３及び図４のものと類似のセンサ１０の第３の実施例に関するが、この場合、第１及び第２の高ドープ・ウェル３９及び４０は設けられていない。図６の実施例形態において、第２のＴＣ抵抗接点は、ドープ層３６を覆う第４の金属層４２によって形成されており、第２の面３２からの間隔を生じている。この場合、高ドープ・ウェル３９及び４０の不在は、センサ・デバイスの製造プロセスのさらなる簡略化を許容する。
【0067】
【0068】
さらに、センサ１０の第４の実施例によれば、第１の金属層３７（第１の抵抗接点ＢＣを形成する）及び第５の金属層４３（第２の抵抗接点ＴＣを形成する）は、第２の面３２の部分及びドープ層３６の部分を覆うように配置された絶縁層４４（例えば、二酸化ケイ素）内に垂直方向に延在させられている。
【0069】
特に、第１の金属層３７及び第５の金属層４３は、絶縁層４４の自由面４５において、それぞれ第１の接点パッド４６及び第２の接点パッド４７を形成している。
【0070】
この第４の実施例により、全ての金属接点は自由面４５と対応する同じ高さにおいて形成されることができる。その結果、あらゆる外部電子システムへのセンサ・デバイス１０の接続は、様々な金属接点の間の高さの違いがないことにより、より容易となる。
【0071】
図８は、図３における第１の実施例と類似のセンサ１０の第５の実施例を参照しているが、対応する金属層によって形成された第３の抵抗接点ＦＣ（第１及び第２の抵抗接点ＢＣ及びＴＣから電気的に絶縁されている）をさらに含む。
【0072】
前記第３の抵抗接点ＦＣは、第３の高ドープ・ウェル４８の上方で第２の面３２において延びている。第３の高ドープ・ウェル４８は、実例によれば、シリコンから形成されており、第１のドープ領域３１の内部に形成されており、より高いドーピングであるが、第１のドープ領域３１のものと同じタイプのドーピング、すなわち、実例によれば、ｎ＋ドーピングを提供している。
【0073】
第１のドープ領域３１（第１のダイオードＰＤ１及び第２のダイオードＰＤ２のためのカソードとして機能する）と接触して配置された第３の抵抗接点ＦＣは、互いに独立して２つのフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２をバイアスすることを許容し、２つの異なる光電流信号、例えば、ＶＩＳ帯（ＰＤ１）に関連する光電流信号と、ＮＩＲ－ＳＷＩＲ帯（ＰＤ２）に関連する光電流信号とを取得することを許容するという利点を提供する。
【0074】
可能な使用に関して、センサ１０は、２つの異なる帯（例えば、ＶＩＳ－ＮＩＲ及びＳＷＩＲ）において画像を取得することができるカメラを実現するために使用することができる。さらに、センサ１０は、入射放射線のスペクトル分析の目的で又はハイパースペクトル画像センサ・システムを実現するためにスペクトル検出システムにおいて使用することができる。
【0075】
例えば、２帯域イメージング・カメラ又はハイパースペクトル画像センサ・システムの実現のために、上述のものと類似の構造を有する複数のセンサ１０を同じ基板２５に集積することができ、並列を生じ、二次元配列を形成する。
【0076】
これらの可能な用途に関して、図９は、電磁放射センサ装置２０並びに電子制御及びプロセシング・モジュール５０を含むスペクトル検出システム１００を例示的に示している。より詳細には、電子制御及びプロセシング・モジュール５０は、センサ１０に侵入する放射のスペクトルに関する出力ＯＵ情報を抽出及び提供するように構成されている。電子制御及びプロセシング・モジュール５０は、読み出しモジュール２（ＲＤ）、コンディショニング・モジュール３（ＣＮＤ）並びに分析及び制御デバイス４（ＣＮＴ－ＡＮ）を含む。
【0077】
以下に説明される第１の実施例によれば、スペクトル検出システム１００は、波長に関する入射放射線の強度の測定に関連する出力ＯＵ情報ＳＰ－ＡＮＳを提供することによって電磁放射のスペクトル分析を行うように構成されてよい。
【0078】
電磁放射センサ装置２０は、センサ・デバイス１を含む。電磁放射のスペクトル分析のために、センサ装置２０は、１つのセンサ１０を含んでよい。
【0079】
制御及びプロセシング・モジュール５０に関して、読み出しモジュール２は、電流信号Ｉｐｈを電圧信号Ｖｐｈに変換するように構成されており、例えば、トランスインピーダンス増幅器（図示せず）を含むことに留意されたい。
【0080】
コンディショニング・モジュール３は、後続のプロセシングに適したものにするために電圧信号Ｖｐｈを処理するように構成されている。例えば、コンディショニング・モジュール３は、増幅、フィルタリング、レベル適合、暗電流キャンセレーション、及びデジタル値Ｖｐｈｉへの電圧信号Ｖｐｈのアナログ－デジタル変換などの動作を行う。
【0081】
分析及び制御デバイス４は、様々なバイアス電圧ＶＢのためのセンサ１０によって生成された光電流信号に対応する電圧信号Ｖｐｈを表すデジタル値Ｖｐｈｉを受信し、センサ１に侵入する放射のスペクトル分析を行うように構成されている。分析及び制御デバイス４は、このようなスペクトル分析を行うように構成されたプログラマブル・ロジック（例えば、ＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ）を含んでよい。
【0082】
加えて、分析及び制御デバイス４は、デジタル電圧値Ｖｂｉを生成するように構成されており、デジタル電圧値Ｖｂｉは、適切なコンディショニング（コンディショニング・モジュール３によって行うことができる）によって、センサ１に適用されるバイアス電圧ＶＢのアナログ値に変換され、センサ１のスペクトル応答を変化させる。
【0083】
例えば、制御及びプロセシング・モジュール５０は、センサ１０を形成するために使用される基板２５に直接に集積することができるＲＯＩＣ（読み出し集積回路：ＲｅａｄＯｕｔ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。代替的に、センサ１０及びＲＯＩＣ５０は、２つの異なる基板上に形成され、次いで、バンプ・ボンディング又はウェハ・ボンディング技術によって接続されることができる。代替的に、センサ１及びＲＯＩＣ５０は、異なる基板上に製造され、次いで、ＰＣＢを介して接続されてもよい。
【0084】
既に説明したように、センサ１０の感度スペクトルは連続的に修正することができる。特に、図２に示された極端なもの（最大又は最小のバイアス電圧を適用することによって取得可能である）に対する中間の複数のスペクトル応答を得ることができる。
【0085】
この特性は、バイアス電圧ＶＢの印加によって動的に調整可能であり且つ可視及び近赤外範囲において延在する多数のスペクトルを取得する可能性を提供し、コンパクトなスペクトル分析システムの実現を許容する。
【0086】
スペクトル分析はセンサ１０のスペクトル応答性の知識に基づき、このスペクトル応答性は特徴ステップにおいて決定されることに留意されたい。
【0087】
システム１００の別の実施例によれば、システムは、ハイパースペクトル・イメージング・システム、すなわちハイパースペクトル・イメージング・システムＩＰＳＴ－ＩＭとして動作するように構成することができる。この場合、センサ装置２０は、マトリックスに従って組織化された、上述のセンサに類似の、複数のセンサ・デバイス１０を含む。例えば、センサ装置２０は、取得されるハイパースペクトル画像の画素にそれぞれが対応する数百万のセンサ１０を含んでよい。
【0088】
電子制御及びプロセシング・モジュール５０は、この場合、各センサ１（画素に対応する）によって提供される光電流Ｉｐｈを受け取り、それらを処理して、各画素のためにシーンの画像スペクトルが提供されるハイパースペクトル画像を取得するように構成されている。
【0089】
スペクトル１００検出システムは、例えば、自動車セクタ（フォグ、夜間ビジョン、拡張ビジョン）、マシン・ビジョン・セクタ（産業４．０、増大マシン・ビジョン）又はプラスチック・リサイクル・セクタにおいて使用されてよい。
【符号の説明】
【0090】
１０ センサ・デバイス
１００ スペクトル検出システム
２０ 電磁放射センサ
５０ 電子制御及びプロセシング・モジュール
ＯＵ 出力
２ 読み出しモジュール
３ コンディショニング・モジュール
４ 分析及び制御デバイス
ＰＤ１ 第１のフォトダイオード
ＰＤ２ 第２のフォトダイオード
ＶＢ バイアス電圧
Ｉｐｈ 光電流
Ｖｐｈ 電圧信号
Ｖｂｉ デジタル電圧値
２５ 基板
ＢＣ 第１の抵抗接点
ＴＣ 第２の抵抗接点
３０ 第１の面
３１ 第１のドープ領域
３２ 第２の面
３３ 第２のドープ領域
３４ 第２の半導体材料における層
３５ 第３の面
３６ ドープ層
３７ 第１の金属層
３８ 第２の金属層
３９ 第１の高ドープポケット
４０ 第２の高ドープパウチ
４１ 第３の金属層
４２ 第４の金属層
４３ 第５の金属層
４４ 絶縁層
４５ 自由面
４６ 第１の接点パッド
４７ 第２の接点パッド
ＦＣ 第３の抵抗接点
４８ 第３の高ドープポケット
１００ スペクトル検出システム
２０ 電磁放射センサ
５０ 電子制御及びプロセシング・モジュール
ＯＵ 出力
２ 読み出しモジュール
３ コンディショニング・モジュール
４ 分析及び制御デバイス
ＰＤ１ 第１のフォトダイオード
ＰＤ２ 第２のフォトダイオード
ＶＢ バイアス電圧
Ｉｐｈ 光電流
Ｖｐｈ 電圧信号
Ｖｂｉ デジタル電圧値
２５ 基板
ＢＣ 第１の抵抗接点
ＴＣ 第２の抵抗接点
３０ 第１の面
３１ 第１のドープ領域
３２ 第２の面
３３ 第２のドープ領域
３４ 第２の半導体材料における層
３５ 第３の面
３６ ドープ層
３７ 第１の金属層
３８ 第２の金属層
３９ 第１の高ドープポケット
４０ 第２の高ドープパウチ
４１ 第３の金属層
４２ 第４の金属層
４３ 第５の金属層
４４ 絶縁層
４５ 自由面
４６ 第１の接点パッド
４７ 第２の接点パッド
ＦＣ 第３の抵抗接点
４８ 第３の高ドープポケット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】