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JP7593254B2 - Dual-wavelength infrared sensor and imaging system - Google Patents

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JP7593254B2 JP2021114733A JP2021114733A JP7593254B2 JP 7593254 B2 JP7593254 B2 JP 7593254B2 JP 2021114733 A JP2021114733 A JP 2021114733A JP 2021114733 A JP2021114733 A JP 2021114733A JP 7593254 B2 JP7593254 B2 JP 7593254B2
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Description

本開示は、2波長赤外線センサ、及び撮像システムに関する。 This disclosure relates to a dual-wavelength infrared sensor and an imaging system.

1画素で異なる波長帯に感度を有する赤外線センサが知られている(たとえば、特許文献1、及び特許文献2参照)。これらの2波長赤外線センサでは、異なる赤外波長に感度を持つ受光層の積層構造を1画素とし、各画素に印加するバイアスの方向を切り替えることで、異なる波長の赤外線応答を検出する。 Infrared sensors are known that have a single pixel sensitive to different wavelength bands (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). In these dual-wavelength infrared sensors, a single pixel is made up of a stacked structure of light-receiving layers sensitive to different infrared wavelengths, and infrared responses of different wavelengths are detected by switching the direction of the bias applied to each pixel.

画素アレイの面内で隣接する4つの画素を1単位ブロックとし、単位ブロック中の1つの画素を長波長検出用の画素、他の3つの画素を短波長検出用の画素として用いる赤外線検出器が知られている(たとえば、特許文献3参照)。 There is known an infrared detector in which four adjacent pixels in the plane of the pixel array are defined as one unit block, with one pixel in the unit block used as a pixel for detecting long wavelengths and the other three pixels used as pixels for detecting short wavelengths (see, for example, Patent Document 3).

図1は、公知の赤外線センサの断面構成を示す。断面Aは、短波長(λ)用の画素のみを含む行または列の模式図、断面Bは、短波長(λ)用の画素と長波長(λ)用の画素を交互に含む行または列の模式図である。各画素で、光入射側から順に、下部コンタクト層(B-NCT)、λ吸収層、中間コンタクト層(M-CNT)、λ吸収層、上部コンタクト層(T-CNT)が、この順で積層されている。 1 shows the cross-sectional structure of a known infrared sensor. Cross section A is a schematic diagram of a row or column including only pixels for short wavelengths (λ S ), and cross section B is a schematic diagram of a row or column including pixels for short wavelengths (λ S ) and pixels for long wavelengths (λ L ) alternately. In each pixel, a lower contact layer (B-NCT), a λ L absorption layer, an intermediate contact layer (M-CNT), a λ S absorption layer, and an upper contact layer (T-CNT) are laminated in this order from the light incident side.

中間コンタクト層(M-CNT)と上部コンタクト層(T-CNT)の間に印加されるバイアス電圧により、λ用画素から、λ吸収層に蓄積された電荷が読み出される。中間コンタクト層(M-CNT)と下部コンタクト層(T-CNT)の間に印加されるバイアス電圧により、λ用画素から、λ吸収層に蓄積された電荷が読み出される。この構成により、画素ごとに印加する電圧の方向を時分割で切り替えなくても、λ用画素とλ用画素から同時に検出結果が得られる。ただし、各画素でλまたはλのどちらか一方の応答出力しか取り出せないため、欠落した波長の情報は、隣接画素の出力情報に基づく補間処理で補われる。 A bias voltage applied between the intermediate contact layer (M-CNT) and the upper contact layer (T-CNT) reads out the charge accumulated in the λ S absorption layer from the λ S pixel. A bias voltage applied between the intermediate contact layer (M-CNT) and the lower contact layer (T-CNT) reads out the charge accumulated in the λ L absorption layer from the λ L pixel. With this configuration, detection results can be obtained simultaneously from the λ S pixel and the λ L pixel without switching the direction of the voltage applied to each pixel in a time-division manner. However, since each pixel can only extract a response output of either λ L or λ S , information on the missing wavelength is supplemented by an interpolation process based on the output information of adjacent pixels.

図1の構成では、光入射側にλ吸収層が配置されている。λ吸収層とλ吸収層は、多重量子井戸層で形成されており、それぞれが目的の波長に急峻な吸収ピークを有するように設計されている。λ吸収層とλ吸収層の吸収ピークが互いに独立しているので、λの光はλ吸収層でほとんど吸収されずにλ吸収層に到達する。 In the configuration of Fig. 1, a λL absorption layer is disposed on the light incident side. The λL absorption layer and the λS absorption layer are formed of multiple quantum well layers, and are designed to have a steep absorption peak at the target wavelength, respectively. Since the absorption peaks of the λL absorption layer and the λS absorption layer are independent of each other, the λS light reaches the λS absorption layer with almost no absorption in the λL absorption layer.

特開2013-21032号公報JP 2013-21032 A 特開2018-32663号公報JP 2018-32663 A 特開2020-21846号公報JP 2020-21846 A

近年、2波長赤外線センサの感度向上のために、赤外線吸収効率の高いT2SL(Type-II Super Lattice:タイプ2超格子)を光吸収層に用いる構成が採用されている。T2SLの光吸収層は非常にブロードな応答特性をもつため、λ吸収層とλ吸収層の応答特性が重なり合い、λ吸収層でλの赤外光が吸収されてしまう。λ吸収層とλ吸収層の積層順序を入れ替えることが考えられるが、単純に積層順序を入れ替えるだけでは、各波長の吸収層から独立した波長情報を読み出すことができない。 In recent years, in order to improve the sensitivity of dual-wavelength infrared sensors, a configuration has been adopted in which T2SL (Type-II Super Lattice), which has high infrared absorption efficiency, is used as the light absorption layer. Since the light absorption layer of T2SL has a very broad response characteristic, the response characteristics of the λ L absorption layer and the λ S absorption layer overlap, and the λ S infrared light is absorbed by the λ L absorption layer. It is possible to switch the stacking order of the λ L absorption layer and the λ S absorption layer, but simply switching the stacking order does not allow independent wavelength information to be read out from the absorption layers of each wavelength.

本開示は、各画素で電荷読み出し用のバイアス電圧の切換えなしに、異なる波長の光に対する検出精度を維持できる波長赤外線センサを提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a wavelength infrared sensor that can maintain detection accuracy for light of different wavelengths without switching the bias voltage for charge readout at each pixel.

一実施形態では、2波長赤外線センサは
光入射側から順に第1コンタクト層、第1ブロック層、第2コンタクト層、第1波長の光に感度を有する第1光吸収層、第2ブロック層、第1波長よりも長い第2波長の光に感度をもつ第2光吸収層、及び第3コンタクト層を有する画素が、複数配列された受光素子アレイ、を有し、
前記第1波長の光を検出する少なくとも1つの第1画素と、前記第2波長の光を検出する少なくとも1つの第2画素とで単位ブロックが形成され、前記単位ブロックが前記受光素子アレイ内で繰り返し配置され、
前記第1画素は、前記第3コンタクト層、前記第2光吸収層、前記第2ブロック層、及び前記第1光吸収層を貫通する第1分離溝で分断され、前記第2画素は前記第3コンタクト層から前記第1コンタクト層に達する第2分離溝で分断されている。
In one embodiment, the dual-wavelength infrared sensor includes a light receiving element array in which a plurality of pixels are arranged, the pixels each having, in order from a light incident side, a first contact layer, a first blocking layer, a second contact layer, a first light absorbing layer sensitive to light of a first wavelength, a second blocking layer, a second light absorbing layer sensitive to light of a second wavelength longer than the first wavelength, and a third contact layer;
At least one first pixel that detects light of the first wavelength and at least one second pixel that detects light of the second wavelength form a unit block, and the unit block is repeatedly arranged in the light receiving element array,
The first pixel is separated by a first separation trench penetrating the third contact layer, the second light absorption layer, the second blocking layer, and the first light absorption layer, and the second pixel is separated by a second separation trench extending from the third contact layer to the first contact layer.

2波長赤外線センサの各画素でバイアス電圧の切換えなしに、異なる波長の光に対する検出精度を維持することができる。 The detection accuracy for light of different wavelengths can be maintained without switching the bias voltage at each pixel of the two-wavelength infrared sensor.

従来の2波長赤外線センサの断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional two-wavelength infrared sensor. 従来構成の2波長赤外線センサにT2SLを適用するときの課題を説明する図である。1A and 1B are diagrams for explaining problems that arise when T2SL is applied to a two-wavelength infrared sensor having a conventional configuration. 図1の構成でλ吸収層とλ吸収層を入れ替えたときの構成を示す平面模式図である。2 is a schematic plan view showing a configuration in which the λ L absorption layer and the λ S absorption layer are interchanged in the configuration of FIG. 1 . 図1の構成でλ吸収層とλ吸収層を入れ替えたときの構成を示す断面模式図である。2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration in which the λ L absorption layer and the λ S absorption layer are interchanged in the configuration of FIG. 1 . 実施形態に至る過程で考えられる受光素子アレイの断面模式図である。1A to 1C are schematic cross-sectional views of a light-receiving element array that can be considered in the process leading to an embodiment. 実施形態の2波長赤外線センサの受光素子アレイの平面模式図である。1 is a schematic plan view of a light receiving element array of a dual-wavelength infrared sensor according to an embodiment of the present invention; 図6の受光素子アレイの断面Aと断面Bの模式図である。7A and 7B are schematic diagrams of cross-sections A and B of the light-receiving element array in FIG. 6. 1画素構成のエネルギーポテンシャル図である。FIG. 1 is an energy potential diagram of one pixel configuration. 2波長赤外線センサの短波長画素の動作を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating the operation of a short-wavelength pixel of a two-wavelength infrared sensor. 2波長赤外線センサの長波長画素の動作を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating the operation of a long wavelength pixel of a two-wavelength infrared sensor. 実施形態の受光素子アレイの結晶成長構造を示す図である。3A and 3B are diagrams illustrating a crystal growth structure of a light-receiving element array according to an embodiment. 図11の結晶成長構造の加工断面を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a processed cross section of the crystal growth structure of FIG. 11 . 2波長赤外線センサの断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a two-wavelength infrared sensor. 受光素子アレイの変形例の断面模式図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a modified example of the light-receiving element array. 2波長赤外線センサを用いた撮像システムの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of an imaging system using a dual-wavelength infrared sensor. 実施形態の2波長信号の補間処理を説明する図である。5A to 5C are diagrams illustrating an interpolation process for two-wavelength signals according to an embodiment. 実施形態の2波長信号の補間処理を説明する図である。5A to 5C are diagrams illustrating an interpolation process for two-wavelength signals according to an embodiment.

<実施形態に至る過程で考えられる構成とその課題>
図2は、図1の2波長赤外線センサにT2SLを適用するときに生じる課題を説明する図である。図中の破線は、T2SLで形成された短波長(λ)吸収層の赤外線応答特性を示し、実線は、T2SLで形成された長波長(λ)吸収層の赤外線応答特性を示す。多重量子井戸層を用いた光吸収層と異なり、T2SLの光吸収層の赤外線応答特性はブロードである。λ吸収層の応答特性の大部分は、λ吸収層の応答特性と重なっている。そのため、図1のように光入射側にλ吸収層が位置すると、λの赤外光の多くがλ吸収層で吸収される。λの赤外光は、λ吸収層に到達する前にλ吸収層で減衰し、λ側の検出感度が低下する。
<Possible configurations and problems in the process of arriving at the embodiment>
FIG. 2 is a diagram for explaining the problems that arise when T2SL is applied to the two-wavelength infrared sensor of FIG. 1. The dashed line in the figure shows the infrared response characteristic of the short wavelength (λ S ) absorption layer formed by T2SL, and the solid line shows the infrared response characteristic of the long wavelength (λ L ) absorption layer formed by T2SL. Unlike the light absorption layer using a multiple quantum well layer, the infrared response characteristic of the light absorption layer of T2SL is broad. Most of the response characteristic of the λ S absorption layer overlaps with the response characteristic of the λ L absorption layer. Therefore, when the λ L absorption layer is located on the light incident side as shown in FIG. 1, most of the infrared light of λ S is absorbed by the λ L absorption layer. The infrared light of λ S is attenuated by the λ L absorption layer before reaching the λ S absorption layer, and the detection sensitivity on the λ S side decreases.

まず考えられるのが、図1の構成で、λ吸収層とλ吸収層の位置を入れ替えることである。すなわち、光入射側にλ吸収層を設け、光入射面から遠い側にλ吸収層を配置する。しかし、単にλ吸収層とλ吸収層の位置を入れ替えるだけでは、各波長の光検出信号を適切に取り出すことができない。 The first thing that can be thought of is to swap the positions of the λ L absorption layer and the λ S absorption layer in the configuration of Figure 1. That is, the λ S absorption layer is provided on the light incident side, and the λ L absorption layer is disposed on the side farther from the light incident surface. However, simply swapping the positions of the λ L absorption layer and the λ S absorption layer makes it impossible to properly extract the photodetection signals of each wavelength.

図3と図4は、T2SL構成を採用してλ吸収層とλ吸収層を入れ替えた構成を示す。図3は、受光素子アレイの平面模式図、図4は受光素子アレイの断面模式図である。図3において、λ用画素とλ用画素を含む複数の画素が、X-Y面内に並べられている。受光素子アレイのX方向とY方向で互いに隣接する4つの画素により、単位ブロックが形成される。単位ブロックに含まれる4つの画素のうち、1つの画素がλ用画素、残りの3つの画素がλ用画素である。 3 and 4 show a configuration in which the T2SL configuration is adopted and the λ L absorption layer and the λ S absorption layer are interchanged. FIG. 3 is a schematic plan view of the light receiving element array, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the light receiving element array. In FIG. 3, a plurality of pixels including a λ L pixel and a λ S pixel are arranged in the XY plane. Four pixels adjacent to each other in the X and Y directions of the light receiving element array form a unit block. Of the four pixels included in the unit block, one pixel is a λ L pixel and the remaining three pixels are λ S pixels.

図4の(A)は、図3の断面Aでの模式図、図4の(B)は、図3の断面Bでの模式図である。図1と異なり、光入射側にλ吸収層が配置されている。λ用画素は、λ吸収層を有しないため、短波長用の電極ELλSの高さを、長波長用の電極ELλLよりも高くして電極面を揃える。 Fig. 4A is a schematic diagram of cross section A in Fig. 3, and Fig. 4B is a schematic diagram of cross section B in Fig. 3. Unlike Fig. 1, a λS absorption layer is disposed on the light incident side. Since the λS pixel does not have a λL absorption layer, the height of the short wavelength electrode EL λS is made higher than the long wavelength electrode EL λL to align the electrode surfaces.

λ用画素は、周囲をλ用画素で囲まれている。中間コンタクト層(M-CNT)は画素ごとに分断されており、共通コンタクト層として用いることができない。そこで、下部コンタクト層(B-CNT)を共通コンタクト層として用いる。λ用画素では、個々の電極ELλSを選択してバイアス電圧を印加することで、λ吸収層に蓄積された電荷を読み出すことができる。しかし、λ用画素では、λ吸収層の出力に、λ吸収層の出力が混入し、1つの画素内で混信が生じる。この構成では、λの入射光量を正しく検出することができない。 The λ L pixel is surrounded by the λ S pixel. The middle contact layer (M-CNT) is divided for each pixel and cannot be used as a common contact layer. Therefore, the lower contact layer (B-CNT) is used as a common contact layer. In the λ S pixel, the charge accumulated in the λ S absorption layer can be read out by selecting each electrode EL λS and applying a bias voltage. However, in the λ L pixel, the output of the λ S absorption layer is mixed with the output of the λ L absorption layer, causing interference within one pixel. With this configuration, the amount of incident light of λ L cannot be detected correctly.

図5は、実施形態に至る過程で考えられる、さらに別の構成例である。T2SL光吸収層を用いる構成で、λ吸収層の出力電流にλ吸収層の出力が混入しないように、λ吸収層とλ吸収層の間にブロック層(BLC)を挿入する。下部コンタクト層(B-CNT)を共通コンタクト層として用い、共通のバイアス電圧(たとえば0V)を印加する。λ用画素とλ用画素に、互いに極性が反対のバイアス電圧を印加することで、各画素でのバイアス切り替えなしに、λ用画素とλ用画素を同時に駆動することができる。 5 shows yet another example of a configuration that can be considered in the process of arriving at the embodiment. In a configuration using a T2SL light absorption layer, a block layer (BLC) is inserted between the λ S absorption layer and the λ L absorption layer so that the output of the λ S absorption layer is not mixed into the output current of the λ L absorption layer. A lower contact layer (B-CNT) is used as a common contact layer, and a common bias voltage (for example, 0 V) is applied. By applying bias voltages of opposite polarity to the λ S pixel and the λ L pixel, the λ S pixel and the λ L pixel can be driven simultaneously without bias switching at each pixel.

λ用画素に正のバイアスを印加し、λ用画素に負のバイアスを印加する場合、λ用画素のλ吸収層で発生した光励起キャリアの電子は、電極ELλSから引き出され、正孔は下部電極(B-CNT)に引き出される。このとき、λ用画素のλ吸収層の光励起キャリアである正孔は、ブロック層BLCで遮られる。しかし、λ吸収層から下部電極(B-CNT)に引き出された正孔は、隣接するλ用画素に入り込んで、矢印の方向の電流経路が発生し得る。隣接画素間で、目的外の波長の信号が混信する。 When a positive bias is applied to the λ S pixel and a negative bias is applied to the λ L pixel, the electrons of the photoexcited carriers generated in the λ S absorption layer of the λ S pixel are drawn out from the electrode EL λ S , and the holes are drawn out to the lower electrode (B-CNT). At this time, the holes, which are photoexcited carriers in the λ L absorption layer of the λ S pixel, are blocked by the block layer BLC. However, the holes drawn out from the λ S absorption layer to the lower electrode (B-CNT) may enter the adjacent λ L pixel, generating a current path in the direction of the arrow. Signals of unintended wavelengths may interfere with each other between adjacent pixels.

このように、T2SLを用いた2波長赤外線センサを、各画素のバイアス切り替えなしに正しく動作させようとすると、画素構造に工夫が必用である。以下で、実施形態の具体的な構成を述べる。同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する場合がある。 As such, in order to operate a two-wavelength infrared sensor using T2SL correctly without bias switching for each pixel, some ingenuity is required in the pixel structure. The specific configuration of the embodiment is described below. The same components are given the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted.

<実施形態の構成>
図6は、実施形態の2波長赤外線センサの受光素子アレイ20の平面模式図、図7は、図6の断面Aと断面Bの模式図である。実施形態では、T2SLを用いた2波長赤外線センサにおいて、画素内、及び隣接する画素間で、目的外別波長の信号の混入を防止し、バイアス切り替えなしに各波長の光に対する検出感度を維持する。
<Configuration of the embodiment>
Fig. 6 is a schematic plan view of the light receiving element array 20 of the dual-wavelength infrared sensor of the embodiment, and Fig. 7 is a schematic view of cross section A and cross section B of Fig. 6. In the embodiment, in the dual-wavelength infrared sensor using T2SL, mixing of signals of unintended wavelengths is prevented within a pixel and between adjacent pixels, and detection sensitivity to light of each wavelength is maintained without bias switching.

図6に示すように、λに感度を有するλ用画素21と、λに感度を有するλ用画素22が、周期的な配置パターンでX-Y面内に並べられている。隣接する画素の中心間距離、すなわち画素ピッチは、λとλの応答波長のうち、λの光学的分解能の大きさ以下である。これは、後述する補間処理で、λ用画素22に集光しきれずに周囲の画素に漏れ拡がるλ光の情報を利用するためである。 6, λ S pixels 21 sensitive to λ S and λ L pixels 22 sensitive to λ L are arranged in a periodic arrangement pattern within the XY plane. The center-to-center distance between adjacent pixels, i.e., the pixel pitch, is equal to or less than the optical resolution of λ L among the response wavelengths of λ S and λ L. This is because the information on the λ L light that cannot be collected at the λ L pixels 22 and leaks out and spreads to the surrounding pixels is used in the interpolation process described later.

受光素子アレイ20では、少なくとも1つのλ用画素21と、少なくとも1つのλ用画素22とを含む複数の画素で、単位ブロック25が形成される。図6では、2×2の4画素で単位ブロック25が形成されているが、この例に限定されない。後述するように隣接する2つの画素で単位ブロック25が形成されてもよいし、3×3個の9個の画素で単位ブロック25が形成されてもよい。 In the light receiving element array 20, a unit block 25 is formed of a plurality of pixels including at least one λ S pixel 21 and at least one λ L pixel 22. In Fig. 6, the unit block 25 is formed of 2 x 2 = 4 pixels, but is not limited to this example. As described later, the unit block 25 may be formed of two adjacent pixels, or may be formed of 3 x 3 = 9 pixels.

単位ブロック25の配列は、受光素子アレイ20のX-Y面内で繰り返される。すべての画素は、λ吸収層とλ吸収層を有しているが、単位ブロック25に含まれるλ用画素21はλの光を検出し、λ用画素22はλの光を検出する。各画素で、検出されない波長の赤外線の受光量を、周辺画素の出力値から補間して求めることで、画素ごとに2波長の出力信号を取得する。補間処理の具体例は、後述する。 The arrangement of the unit blocks 25 is repeated within the XY plane of the light receiving element array 20. All pixels have a λ S absorption layer and a λ L absorption layer, and the λ S pixels 21 included in the unit blocks 25 detect λ S light, and the λ L pixels 22 detect λ L light. The amount of infrared light received at each pixel with a wavelength that is not detected is calculated by interpolating from the output values of surrounding pixels, thereby obtaining output signals of two wavelengths for each pixel. A specific example of the interpolation process will be described later.

図7の(A)は、図6の断面Aを示し、図7の(B)は図6の断面Bを示す。受光素子アレイ20は、光入射側から順に、第1コンタクト層201、第1ブロック層202、第2コンタクト層203、λ吸収層205、第2ブロック層206、λ吸収層207、及び、第3コンタクト層209の積層を含む。受光層とコンタクト層は、光励起キャリアのうち、電子と正孔のどちらを信号として取り出すかによって、導電型が設計される。以下では、電子を信号として取り出す構成、すなわち積層にp型導電体を適用する構成を例にとって説明する。この場合、第1ブロック層202と第2ブロック層206は、p型、またはi型のT2SLで形成されてもよい。 7A shows the cross section A of FIG. 6, and FIG. 7B shows the cross section B of FIG. 6. The light receiving element array 20 includes a first contact layer 201, a first block layer 202, a second contact layer 203, a λ S absorption layer 205, a second block layer 206, a λ L absorption layer 207, and a third contact layer 209, in that order from the light incident side. The conductivity type of the light receiving layer and the contact layer is designed depending on whether electrons or holes are extracted as a signal among the photoexcited carriers. In the following, a configuration in which electrons are extracted as a signal, that is, a configuration in which a p-type conductor is applied to the stack, will be described as an example. In this case, the first block layer 202 and the second block layer 206 may be formed of p-type or i-type T2SL.

断面Aは、λ用画素21だけを含む。各λ用画素21は、浅い分離溝27で互いに分離されている。分離溝27は、第3コンタクト層209の表面から、第2コンタクト層203に達している。λ用画素21にとって、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203を、共通コンタクト層として用いることができる。 Cross section A includes only the λ S pixels 21. The λ S pixels 21 are separated from each other by shallow separation grooves 27. The separation grooves 27 reach the second contact layer 203 from the surface of the third contact layer 209. For the λ S pixels 21, the first contact layer 201 and the second contact layer 203 can be used as a common contact layer.

断面Bは、λ用画素21とλ用画素22を交互に含む。λ用画素22は、深い分離溝28で分離されている。分離溝28は、第3コンタクト層209の表面から、第1コンタクト層201に達している。λ用画素22にとって、第1コンタクト層201を共通コンタクト層として用いることができる。 Cross section B alternates between λ S pixels 21 and λ L pixels 22. The λ L pixels 22 are separated by deep isolation trenches 28. The isolation trenches 28 reach the first contact layer 201 from the surface of the third contact layer 209. For the λ L pixels 22, the first contact layer 201 can be used as a common contact layer.

第3コンタクト層209は、オーミック電極212、及び下地電極213を介して、個々の突起電極41,及び42に電気的に接続されている。図示の簡略化のため、詳細な構成は省略されているが、電極部分を除いて、各画素の積層構造が保護膜に覆われていてもよい。 The third contact layer 209 is electrically connected to the individual protruding electrodes 41 and 42 via the ohmic electrode 212 and the base electrode 213. For simplicity, the detailed configuration is omitted, but the laminated structure of each pixel, except for the electrode portion, may be covered with a protective film.

便宜上、λ用画素21に設けられる個別電極を突起電極41、λ用画素22に設けられる個別電極を突起電極42とするが、突起電極41と42は、同一工程で形成される同一構成の電極である。受光素子アレイ20は、突起電極41及び42によって、読出回路にフリップチップ接合される。 For convenience, the individual electrode provided in the λ S pixel 21 is referred to as the protruding electrode 41, and the individual electrode provided in the λ L pixel 22 is referred to as the protruding electrode 42, but the protruding electrodes 41 and 42 are electrodes of the same configuration formed in the same process. The light-receiving element array 20 is flip-chip bonded to the readout circuit by the protruding electrodes 41 and 42.

図8は、1画素構成のエネルギーポテンシャル図である。λ吸収層207のエネルギーバンドギャップは、λ吸収層205のエネルギーバンドギャップよりも狭い。電子を信号として取り出す場合、第1ブロック層202と第2ブロック層206は、積層の上下で接する層に対して、価電子帯側に大きなポテンシャル障壁、伝導帯側に小さなポテンシャル障壁を有する。伝導帯側の障壁については、積層の上下で接する層に対する第1ブロック層202のポテンシャル差B1のほうが、積層の上下で接する層に対する第2ブロック層206のポテンシャル差B2よりも、大きい(B1>B2)。 8 is an energy potential diagram of one pixel configuration. The energy band gap of the λ L absorption layer 207 is narrower than that of the λ S absorption layer 205. When electrons are extracted as a signal, the first block layer 202 and the second block layer 206 have a large potential barrier on the valence band side and a small potential barrier on the conduction band side with respect to the layers adjacent thereto above and below the stack. With respect to the barrier on the conduction band side, the potential difference B1 of the first block layer 202 with respect to the layers adjacent thereto above and below the stack is larger than the potential difference B2 of the second block layer 206 with respect to the layers adjacent thereto above and below the stack (B1>B2).

正孔を信号として取り出す場合は、エネルギーポテンシャル図は、図8と上下逆の構成になる。すなわち、各画素のコンタクト層をn型導電体で形成する。第1ブロック層202と第2ブロック層206は、積層の上下で接する層に対して、伝導帯側に大きなポテンシャル障壁を有し、価電子帯側に小さなポテンシャル障壁を有する。ポテンシャル障壁の小さい価電子帯側で、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203に対する第1ブロック層202のポテンシャル差のほうが、λ吸収層205とλ吸収層207に対する第2ブロック層206のポテンシャル差よりも大きくする。 When holes are extracted as signals, the energy potential diagram is configured upside down compared to FIG. 8. That is, the contact layers of each pixel are formed of n-type conductors. The first block layer 202 and the second block layer 206 have a large potential barrier on the conduction band side and a small potential barrier on the valence band side with respect to the layers that contact them above and below the stack. On the valence band side where the potential barrier is small, the potential difference of the first block layer 202 with respect to the first contact layer 201 and the second contact layer 203 is made larger than the potential difference of the second block layer 206 with respect to the λ S absorption layer 205 and the λ L absorption layer 207.

図9と図10は、図7の受光素子アレイ20を用いた2波長赤外線センサの動作を説明する図である。図9はλ用画素21の動作を示し、図10はλ用画素22の動作を示す。いずれも電子を信号として取り出す構成を前提としている。 Figures 9 and 10 are diagrams for explaining the operation of a two-wavelength infrared sensor using the light receiving element array 20 of Figure 7. Figure 9 shows the operation of the λS pixel 21, and Figure 10 shows the operation of the λL pixel 22. Both are based on a configuration in which electrons are extracted as a signal.

図9で、λ用画素21の突起電極41に正のバイアス、たとえば、+0.5Vを印加し、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203に負のバイアス、たとえば-0Vを印加して、λ吸収層205から光電流を読み出す。第1コンタクト層201と第2コンタクト層203は同電位に設定され、図13を参照して後述するように、受光素子アレイ20の外周部で、共通電極に接続されている。 9, a positive bias, for example, +0.5 V, is applied to the protruding electrode 41 of the λ S pixel 21, and a negative bias, for example, −0 V, is applied to the first contact layer 201 and the second contact layer 203 to read out a photocurrent from the λ S absorption layer 205. The first contact layer 201 and the second contact layer 203 are set to the same potential and are connected to a common electrode on the outer periphery of the light receiving element array 20, as will be described later with reference to FIG.

第1コンタクト層201と第2コンタクト層203が-0V、第3コンタクト層が+0.5Vとなることで、λ吸収層205の伝導帯と、λ吸収層207の伝導帯の間に、電位差が生じる。伝導帯側で、第2ブロック層206と、λ吸収層205及びλ吸収層207のポテンシャル差は、図8に示されるように、小さく設定されている。 The first contact layer 201 and the second contact layer 203 are at −0 V, and the third contact layer is at +0.5 V, so that a potential difference occurs between the conduction band of the λ S absorption layer 205 and the conduction band of the λ L absorption layer 207. On the conduction band side, the potential difference between the second block layer 206 and the λ S absorption layer 205 and the λ L absorption layer 207 is set small, as shown in FIG.

赤外線入射によりλ吸収層205で生成された光励起キャリアのうち、電子は、第2ブロック層206の障壁を乗り越え、伝導帯の下端に沿って第3コンタクト層209へ移動する。λ吸収層205で生成された正孔は、価電子帯の上端に沿って、第2コンタクト層203に移動する。このとき、λ吸収層207で生成された正孔は、第2ブロック層206でブロックされ、第2コンタクト層203へは流れない。 Among the photoexcited carriers generated in the λ S absorption layer 205 by the incidence of infrared rays, electrons overcome the barrier of the second block layer 206 and move along the lower edge of the conduction band to the third contact layer 209. Holes generated in the λ S absorption layer 205 move along the upper edge of the valence band to the second contact layer 203. At this time, holes generated in the λ L absorption layer 207 are blocked by the second block layer 206 and do not flow to the second contact layer 203.

第1コンタクト層201と第2コンタクト層203は、同電位に設定されているので、第1コンタクト層201からの余分なキャリア(電子)は、第1ブロック層202でブロックされる。第1コンタクト層201と第2コンタクト層203の間にわずかな電位差が生じたとしても、第1ブロック層202は伝導帯と価電子帯の両方にポテンシャル障壁が存在するように設計されており、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203の間の余剰なキャリアの流れは遮断される。これにより、λに応答する光電流が、第2コンタクト層203から引き出される。 Since the first contact layer 201 and the second contact layer 203 are set to the same potential, excess carriers (electrons) from the first contact layer 201 are blocked by the first blocking layer 202. Even if a slight potential difference occurs between the first contact layer 201 and the second contact layer 203, the first blocking layer 202 is designed so that a potential barrier exists in both the conduction band and the valence band, and the flow of excess carriers between the first contact layer 201 and the second contact layer 203 is blocked. As a result, a photocurrent responsive to λ S is drawn from the second contact layer 203.

図10で、λ用画素22の突起電極42に負のバイアス、たとえば、-0.5Vを印加し、第1コンタクト層201に、-0Vを印加して、λ吸収層207からの光電流を読み出す。λ用画素22では、第2コンタクト層203は深い分離溝28で分断されており、第2コンタクト層203への外部電圧の印可はない(フローティング状態となっている)。他方、λ用画素21では、第2コンタクト層203は紙面と垂直な方向で隣接するλ用画素21と連続しており、λ用画素21の共通コンタクト層として用いられている。 10, a negative bias, for example, −0.5 V, is applied to the protruding electrode 42 of the λ L pixel 22, and −0 V is applied to the first contact layer 201 to read out a photocurrent from the λ L absorption layer 207. In the λ L pixel 22, the second contact layer 203 is separated by a deep separation groove 28, and no external voltage is applied to the second contact layer 203 (floating state). On the other hand, in the λ S pixel 21, the second contact layer 203 is continuous with the adjacent λ S pixel 21 in the direction perpendicular to the paper surface, and is used as a common contact layer for the λ S pixel 21.

λ用画素22において、第1コンタクト層201が-0V、第2コンタクト層203がフローティング状態、第3コンタクト層が-0.5Vとなり、λ吸収層205とλ吸収層207の間、及び、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203の間に電位差が生じる。赤外線の入射により、λ用画素22のλ吸収層207で生成された少数キャリアの電子は、第2ブロック層206と第1ブロック層202の障壁を乗り越えて、第1コンタクト層201へと移動する。λ吸収層207で生成された正孔は第3コンタクト層209へと移動する。 In the λ L pixel 22, the first contact layer 201 is at −0 V, the second contact layer 203 is in a floating state, and the third contact layer is at −0.5 V, and a potential difference is generated between the λ S absorption layer 205 and the λ L absorption layer 207 and between the first contact layer 201 and the second contact layer 203. When infrared light is incident, electrons of minority carriers generated in the λ L absorption layer 207 of the λ L pixel 22 overcome the barriers of the second block layer 206 and the first block layer 202 and move to the first contact layer 201. Holes generated in the λ L absorption layer 207 move to the third contact layer 209.

このとき、λ吸収層205で生成された正孔は、第2ブロック層206の価電子帯でブロックされて、第3コンタクト層209に向かって移動できない。したがって、λに応答する光電流が、突起電極42から引き出される。このようにして、画素内での異なる波長情報の混信、及び、λ用画素21とλ用画素の間の混信の両方を抑制することができる。 At this time, holes generated in the λ S absorption layer 205 are blocked by the valence band of the second blocking layer 206 and cannot move toward the third contact layer 209. Therefore, a photocurrent responsive to λ L is drawn from the protruding electrode 42. In this manner, it is possible to suppress both interference between different wavelength information within a pixel and interference between the λ S pixel 21 and the λ L pixel.

図9と図10で、λ用の突起電極41への正バイアスの印可、λ用の突起電極42への負バイアスの印可、及び、第1コンタクト層201及び第2コンタクト層203への共通電位の印可は、同時に行われている。各画素でバイアスの印可方向を切り替えることなく、λ用画素21とλ用画素22のそれぞれで、目的とする波長の光が正しく検出される。 9 and 10, a positive bias is applied to the λS protruding electrode 41, a negative bias is applied to the λL protruding electrode 42, and a common potential is applied to the first contact layer 201 and the second contact layer 203 simultaneously. Without switching the bias application direction in each pixel, light of the target wavelength is correctly detected in each of the λS pixel 21 and the λL pixel 22.

光入射面となる第1コンタクト層201に近い側にλ吸収層205を配置し、遠い側にλ吸収層207を配置しているので、λ用画素21においてλ吸収層207による光減衰の影響を受けない。したがって、λ感度の低下という問題も解決されている。 Since the λS absorption layer 205 is disposed on the side closer to the first contact layer 201, which is the light incident surface, and the λL absorption layer 207 is disposed on the farther side, the λS pixel 21 is not affected by light attenuation due to the λL absorption layer 207. Therefore, the problem of reduced λS sensitivity is also solved.

図11は、実施形態の受光素子アレイ20の結晶成長構造を示す図である。基板221の上に、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシー)法等の結晶成長方法により、2波長赤外線センサの受光素子アレイ20の層構造を結晶成長する。具体的には、GaSb(100)ウェハ上に、図11の積層体を構成する各層を、順次エピタキシャル成長する。電子を信号として検出する場合、図11の積層体を、p型導電体で形成してもよい。 Figure 11 is a diagram showing the crystal growth structure of the light receiving element array 20 of the embodiment. The layer structure of the light receiving element array 20 of the dual wavelength infrared sensor is grown on the substrate 221 by a crystal growth method such as MBE (Molecular Beam Epitaxy). Specifically, each layer constituting the stack in Figure 11 is epitaxially grown in sequence on a GaSb (100) wafer. When detecting electrons as a signal, the stack in Figure 11 may be formed of a p-type conductor.

GaSbの基板221の上に厚さ100nmのGaSbバッファ層222を成長する。バッファ層222は、たとえば、ボロン等のp型不純物を、1E18cm^-3の濃度で含んでいる。 A GaSb buffer layer 222 with a thickness of 100 nm is grown on a GaSb substrate 221. The buffer layer 222 contains a p-type impurity such as boron at a concentration of 1E18 cm^-3.

バッファ層222の上に、第1コンタクト層201、第1ブロック層202、第2コンタクト層203、λ吸収層205、第2ブロック層206、λ吸収層207、第3コンタクト層209、及びキャップ層210をこの順で成長する。 On the buffer layer 222, a first contact layer 201, a first blocking layer 202, a second contact layer 203, a λ S absorption layer 205, a second blocking layer 206, a λ L absorption layer 207, a third contact layer 209, and a cap layer 210 are grown in this order.

第1コンタクト層201は、InAs(3nm)/GaSb(1nm)を100周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E18cm^-3の濃度で含んでいる。 The first contact layer 201 is formed of a superlattice of 100 repeated periods of InAs (3 nm)/GaSb (1 nm) and contains p-type impurities at a concentration of 1E18 cm^-3.

第1ブロック層202は、InAs(3nm)/AlSb(1nm)を20周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E16cm^-3の濃度で含んでいる。この超格子は、価電子帯側に深い、広いエネルギーバンドギャップを有する。 The first blocking layer 202 is formed of a superlattice consisting of 20 repeated periods of InAs (3 nm)/AlSb (1 nm) and contains p-type impurities at a concentration of 1E16 cm^-3. This superlattice has a deep, wide energy band gap on the valence band side.

第2コンタクト層203は、InAs(3nm)/GaSb(1nm)を100周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E18cm^-3の濃度で含んでいる。 The second contact layer 203 is formed of a superlattice of 100 repeated periods of InAs (3 nm)/GaSb (1 nm) and contains p-type impurities at a concentration of 1E18 cm^-3.

λ吸収層205は、InAs(3nm)/GaSb(1nm)を200周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E16cm^-3の濃度で含んでいる。この超格子は1~7μmの帯域にわたって応答感度を有し、5μmに応答のカットオフ波長を有する。 The λS absorption layer 205 is formed of a superlattice consisting of 200 repeated periods of InAs (3 nm)/GaSb (1 nm) and contains p-type impurities at a concentration of 1E16 cm^-3. This superlattice has a response sensitivity over a band of 1 to 7 μm and a cutoff wavelength of response at 5 μm.

第2ブロック層206は、InAs(5nm)/AlSb(1nm)を20周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E16cm^-3の濃度で含んでいる。この超格子は、価電子帯側に深い、広いエネルギーバンドギャップを有する、伝導帯側では、第2ブロック層206と光吸収層との間のポテンシャル差は、第1ブロック層202とコンタクト層との間のポテンシャル差よりも小さい。 The second blocking layer 206 is formed of a superlattice consisting of 20 repeated periods of InAs (5 nm)/AlSb (1 nm), and contains p-type impurities at a concentration of 1E16 cm^-3. This superlattice has a deep, wide energy band gap on the valence band side, and on the conduction band side, the potential difference between the second blocking layer 206 and the light absorption layer is smaller than the potential difference between the first blocking layer 202 and the contact layer.

λ吸収層207は、InAs(4nm)/GaSb(2nm)を200周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E16cm^-3の濃度で含んでいる。この超格子は、1~11μmの帯域にわたって応答感度を有し、9μmに応答のカットオフ波長を有する。λ吸収層205と、λ吸収層207の各超格子で、InAsとGaSbの膜厚を調整することで、所望の赤外線分光応答が得られる。 The λ L absorption layer 207 is formed of a superlattice consisting of 200 repeated periods of InAs (4 nm)/GaSb (2 nm), and contains p-type impurities at a concentration of 1E16 cm^-3. This superlattice has a response sensitivity over a band of 1 to 11 μm, and a cutoff wavelength of response at 9 μm. By adjusting the film thicknesses of InAs and GaSb in each of the superlattices of the λ S absorption layer 205 and the λ L absorption layer 207, a desired infrared spectral response can be obtained.

第3コンタクト層209は、InAs(4nm)/GaSb(2nm)を80周期繰り返した超格子で形成され、p型不純物を1E18cm^-3の濃度で含んでいる。キャップ層210は、厚さ30nmのアンドープのInAs層である。 The third contact layer 209 is formed of a superlattice of 80 repeated periods of InAs (4 nm)/GaSb (2 nm) and contains p-type impurities at a concentration of 1E18 cm^-3. The cap layer 210 is an undoped InAs layer with a thickness of 30 nm.

図11の積層体に、以下に述べる素子形成プロセスを行って、図7の画素構造を有する受光素子アレイ20を作製する。 The stack shown in Figure 11 is subjected to the element formation process described below to produce a light receiving element array 20 having the pixel structure shown in Figure 7.

(1)表面のキャップ層210をエッチングして、パターン合わせ用のマーカーを形成し、表面からドライエッチングを行って、第2コンタクト層203の表面に到達する分離溝27を形成する。このとき、画素アレイの外周部で共通電極を設ける位置にも表面からλ吸収層205のほとんどをエッチンにより除去する。これにより、積層体の全体に浅い分離溝が形成される。この分離溝は、λ用画素21を分離する分離溝27となる。 (1) The cap layer 210 on the surface is etched to form a marker for pattern alignment, and then dry etching is performed from the surface to form a separation groove 27 that reaches the surface of the second contact layer 203. At this time, most of the λ S absorption layer 205 is also removed by etching from the surface at the position where the common electrode is to be provided on the periphery of the pixel array. As a result, a shallow separation groove is formed over the entire stack. This separation groove becomes the separation groove 27 that separates the λ S pixels 21.

(2)λ用画素22の周囲に、深い分離溝28を形成するためのパターニングを行い第2コンタクト層203と第1ブロック層202をドライエッチングして、第1コンタクト層201の表面に到達する分離溝28を形成する。このとき、画素アレイの外周部で共通電極を設ける位置においても、同時に第2コンタクト層203と第1ブロック層202をドライエッチングする。これにより、図12に示すように、断面Aと断面Bで異なる深さの分離溝で分断された画素分離構造が得られる。 (2) Patterning is performed to form deep separation grooves 28 around the λ L pixels 22, and the second contact layer 203 and the first block layer 202 are dry etched to form the separation grooves 28 that reach the surface of the first contact layer 201. At this time, the second contact layer 203 and the first block layer 202 are simultaneously dry etched even at positions where common electrodes are provided on the periphery of the pixel array. As a result, a pixel separation structure is obtained in which cross sections A and B are divided by separation grooves of different depths, as shown in FIG.

(3)CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により、図12で得られた画素分離構造の全体をSiO2保護膜で覆ったあと、必要な個所に第3コンタクト層209と接続するオーミック電極212を形成する。たとえば、SiO2保護膜の上にレジストパターンを形成し、SiO2保護膜の必要な箇所に開口を形成して第3コンタクト層209を露出する。真空蒸着によりAuGe膜を形成し、リフトオフによりレジストマスク上のAuGe膜を、レジストパターンとともに除去する。 (3) After covering the entire pixel separation structure obtained in FIG. 12 with a SiO2 protective film by CVD (Chemical Vapor Deposition), ohmic electrodes 212 that connect to the third contact layer 209 are formed in the required locations. For example, a resist pattern is formed on the SiO2 protective film, and openings are formed in the SiO2 protective film in the required locations to expose the third contact layer 209. An AuGe film is formed by vacuum deposition, and the AuGe film on the resist mask is removed together with the resist pattern by lift-off.

(4)再度、全面にSiO2膜を形成し、突起電極41、42の下地電極213を設ける領域と、アレイ外周の配線が形成される領域のSiO2膜を、ドライエッチングで除去する。スパッタ法で全面にTi/Ptの金属積層膜を形成する。その後、不要な個所のTi/Pt金属積層膜をイオンミリングで除去する。λ用画素21とλ用画素22を含む画素領域では、オーミック電極212に接続される下地電極213(図7参照)が形成される。画素アレイの外周部では、第1コンタクト層201及び第2コンタクト層203に接続される配線が形成される。 (4) A SiO2 film is formed again on the entire surface, and the SiO2 film in the region where the base electrode 213 of the protruding electrodes 41, 42 is provided and in the region where the wiring on the periphery of the array is formed is removed by dry etching. A Ti/Pt metal laminate film is formed on the entire surface by sputtering. Then, unnecessary portions of the Ti/Pt metal laminate film are removed by ion milling. In the pixel region including the λS pixel 21 and the λL pixel 22, a base electrode 213 (see FIG. 7) connected to the ohmic electrode 212 is formed. In the periphery of the pixel array, wiring connected to the first contact layer 201 and the second contact layer 203 is formed.

(5)画素アレイ全体をSiO2保護膜で覆い、突起電極41、42と、共通電極が形成される部分に開口を形成する。リフトオフ法により、開口内にインジウム等の突起電極41、42と共通電極431、432(図13参照)を形成する。これにより、図7の構成が得られる。 (5) Cover the entire pixel array with a SiO2 protective film, and form openings in the areas where the protruding electrodes 41, 42 and the common electrode will be formed. Using a lift-off method, form the protruding electrodes 41, 42 and the common electrodes 431, 432 (see Figure 13) made of indium or the like in the openings. This results in the configuration shown in Figure 7.

図13は、受光素子アレイ20を用いた2波長赤外線センサ50の断面模式図である。受光素子アレイ20は、λ用画素21とλ用画素22を含む画素領域230と、画素領域230の外側の外周領域240を含む。受光素子アレイ20は、読出回路30にフリップチップ接合されている。読出回路30は、たとえばCMOS回路で形成された各画素の検出回路を有する。 13 is a schematic cross-sectional view of a two-wavelength infrared sensor 50 using a light receiving element array 20. The light receiving element array 20 includes a pixel region 230 including λ S pixels 21 and λ L pixels 22, and a peripheral region 240 outside the pixel region 230. The light receiving element array 20 is flip-chip bonded to a readout circuit 30. The readout circuit 30 has a detection circuit for each pixel formed, for example, of a CMOS circuit.

受光素子アレイ20の画素領域230で、λ用画素21とλ用画素22は、それぞれ突起電極41と42により、読出回路30の対応する検出回路に接続されている。外周領域240では、オーミック電極214と配線215により、第1コンタクト層201と共通電極431が接続されている。オーミック電極216と配線217により、第2コンタクト層203と共通電極432が接続されている。 In the pixel region 230 of the light receiving element array 20, the λS pixel 21 and the λL pixel 22 are connected to the corresponding detection circuits of the readout circuit 30 by protruding electrodes 41 and 42, respectively. In the peripheral region 240, the first contact layer 201 and the common electrode 431 are connected by an ohmic electrode 214 and a wiring 215. The second contact layer 203 and the common electrode 432 are connected by an ohmic electrode 216 and a wiring 217.

λ用画素21には、読出回路30から正のバイアスV+が印加される。λ用画素22には、読出回路30から負のバイアスV-が印加される。共通電極431と432には読出回路30から共通のバイアス電位V0が印加され、同電位に設定される。これらのバイアス電位は、同時に受光素子アレイ20に印加され、λ用画素21でλの信号が取り出され、λ用画素22でλの信号が取り出される。なお、正孔を信号として取り出す場合は、、λ用画素21に負のバイアスV-が印加され、λ用画素22に正のバイアスV+が印加される。 A positive bias V+ is applied to the λ S pixels 21 from the readout circuit 30. A negative bias V- is applied to the λ L pixels 22 from the readout circuit 30. A common bias potential V0 is applied to the common electrodes 431 and 432 from the readout circuit 30, and these electrodes are set to the same potential. These bias potentials are simultaneously applied to the light receiving element array 20, and a λ S signal is extracted from the λ S pixels 21, and a λ L signal is extracted from the λ L pixels 22. When holes are extracted as signals, a negative bias V- is applied to the λ S pixels 21, and a positive bias V+ is applied to the λ L pixels 22.

得られた光応答出力は、読出回路30によって順次に走査読み出しされて、時系列信号として2波長赤外線センサ50から出力される。 The obtained optical response output is sequentially scanned and read out by the readout circuit 30 and output from the two-wavelength infrared sensor 50 as a time-series signal.

<受光素子アレイの変形例>
図14は、受光素子アレイ20の変形例として、受光素子アレイ20Aの断面構成を示す。図14の(A)は図6の断面Aの模式図、図14の(B)は図6の断面Bの模式図である。
<Modification of the Light Receiving Element Array>
14 shows a cross-sectional configuration of a light-receiving element array 20A as a modified example of the light-receiving element array 20. Fig. 14(A) is a schematic diagram of cross section A in Fig. 6, and Fig. 14(B) is a schematic diagram of cross section B in Fig. 6.

図14の変形例では、図7の構成で用いたワイドギャップの第1ブロック層202に替えて、n型の第1ブロック層232を用いる。n型の第1ブロック層232は、λ用画素21で用いられるn型領域232aと、λ用画素22で用いられるp型領域232bを含む。p型領域232bは、全体としてn型の第1ブロック層232を形成した後に、部分的にp型の不純物をイオン注入してp型に反転させることで形成されてもよい。図14の構成を採用する場合は、受光素子アレイの外周領域240に、n型の第1ブロック層232にバイアス電圧を印加する電極端子を設けておくことが望ましい。 In the modified example of FIG. 14, an n-type first block layer 232 is used instead of the wide-gap first block layer 202 used in the configuration of FIG. 7. The n-type first block layer 232 includes an n-type region 232a used in the λ S pixel 21 and a p-type region 232b used in the λ L pixel 22. The p-type region 232b may be formed by forming an n-type first block layer 232 as a whole, and then partially inverting it to p-type by ion-implanting p-type impurities. When the configuration of FIG. 14 is adopted, it is preferable to provide an electrode terminal for applying a bias voltage to the n-type first block layer 232 in the peripheral region 240 of the light receiving element array.

λ用画素21では、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203、及びこれらのコンタクト層に挟まれた第1ブロック層232のn型領域232aにより、電気的にpnp型接続220が形成されている。一方、λ用画素22では、図7と同様に、第1コンタクト層201、第1ブロック層232、及び第2コンタクト層203は、p型導電体として形成されている。 In the λ S pixel 21, the first contact layer 201, the second contact layer 203, and the n-type region 232a of the first block layer 232 sandwiched between these contact layers form an electrical pnp-type connection 220. On the other hand, in the λ L pixel 22, the first contact layer 201, the first block layer 232, and the second contact layer 203 are formed as p-type conductors, similarly to FIG.

λ用画素21に正のバイアス電位が与えられ、λ用画素22に負のバイアス電位が与えらる。第1コンタクト層201と第2コンタクト層203には、同じ共通バイアス電圧が印加されて、同電位に設定される。 A positive bias potential is applied to the λS pixel 21, and a negative bias potential is applied to the λL pixel 22. The same common bias voltage is applied to the first contact layer 201 and the second contact layer 203, and they are set to the same potential.

λ用画素21の突起電極41に、たとえば+0.5Vを印加し、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203に、-0Vを印加して、λ吸収層205から光電流を読み出す。このとき、外周部240の電極端子からn型の第1ブロック層232に、正電位が与えられる。λ吸収層205で生成された光励起キャリアのうち、電子は、第2ブロック層206の伝導帯のわずかな障壁を乗り越えて、第3コンタクト層209へ移動し、正孔は第2コンタクト層203に移動する。λ吸収層207で生成された正孔は、ワイドギャップの第2ブロック層206でブロックされ、第2コンタクト層203へは流れない。 For example, +0.5V is applied to the protruding electrode 41 of the λ S pixel 21, and −0V is applied to the first contact layer 201 and the second contact layer 203, to read out a photocurrent from the λ S absorption layer 205. At this time, a positive potential is applied from the electrode terminal of the outer periphery 240 to the n-type first block layer 232. Of the photoexcited carriers generated in the λ S absorption layer 205, electrons overcome a slight barrier in the conduction band of the second block layer 206 and move to the third contact layer 209, and holes move to the second contact layer 203. Holes generated in the λ L absorption layer 207 are blocked by the wide-gap second block layer 206 and do not flow to the second contact layer 203.

第1コンタクト層201と第2コンタクト層203の間で、n型の第1ブロック層に正電位が与えられると、pn接合ダイオードの逆バイアス状態が生成され、第1コンタクト層201と第2コンタクト層203の間の電流が遮断される。したがって、第1コンタクト層201から余分なキャリア(電子)が第2コンタクト層203へと流れ込むのを防止できる。これにより、λに応答する光電流だけが第2コンタクト層203から引き出される。 When a positive potential is applied to the n-type first block layer between the first contact layer 201 and the second contact layer 203, a reverse bias state of a pn junction diode is generated, and the current between the first contact layer 201 and the second contact layer 203 is blocked. This makes it possible to prevent excess carriers (electrons) from flowing from the first contact layer 201 into the second contact layer 203. As a result, only the photocurrent responsive to λ S is drawn out from the second contact layer 203.

図λ用画素22の突起電極42に、たとえば-0.5Vを印加し、第1コンタクト層201に、-0Vを印加して、λ吸収層207からの光電流を読み出す。λ用画素22では、第2コンタクト層203はフローティング状態となっている。λ用画素22のλ吸収層207で生成された少数キャリアの電子は、第2ブロック層206の伝導帯の障壁を乗り越え、p型領域232bとして形成されている第1ブロック層232を通過して、第1コンタクト層201へと移動する。λ吸収層207で生成された正孔は第3コンタクト層209へと移動する。 For example, −0.5 V is applied to the protruding electrode 42 of the λ L pixel 22, and −0 V is applied to the first contact layer 201, to read out a photocurrent from the λ L absorption layer 207. In the λ L pixel 22, the second contact layer 203 is in a floating state. Electrons of minority carriers generated in the λ L absorption layer 207 of the λ L pixel 22 overcome the barrier of the conduction band of the second block layer 206, pass through the first block layer 232 formed as a p-type region 232b, and move to the first contact layer 201. Holes generated in the λ L absorption layer 207 move to the third contact layer 209.

λ吸収層205で生成された正孔は、第2ブロック層206の価電子帯でブロックされる。したがって、λに応答する光電流だけが突起電極42から引き出される。このように、図14の構成でも、図7と同様に、画素内での2波長の混信と、λ用画素21とλ用画素22の間の混信の双方を、抑制することができる。受光素子アレイ20と同様に、受光素子アレイ20Aでも、高感度のT2SLを用いた微細画素の2波長赤外線センサ50を実現できる。 Holes generated in the λ S absorption layer 205 are blocked in the valence band of the second blocking layer 206. Therefore, only photocurrent responsive to λ L is drawn out from the protruding electrode 42. In this way, with the configuration of Fig. 14 as with Fig. 7, it is possible to suppress both interference between two wavelengths within a pixel and interference between the λ S pixel 21 and the λ L pixel 22. As with the light receiving element array 20, the light receiving element array 20A can also realize a two-wavelength infrared sensor 50 with fine pixels using a highly sensitive T2SL.

<撮像システム>
図15は、2波長赤外線センサ50を用いた撮像システム100の模式図である。撮像システム100は、2波長赤外線センサ50と、信号処理回路60を含む。信号処理回路60は、DSP(Digital Signal Processor)等で実現される。
<Imaging system>
15 is a schematic diagram of an imaging system 100 using a dual-wavelength infrared sensor 50. The imaging system 100 includes the dual-wavelength infrared sensor 50 and a signal processing circuit 60. The signal processing circuit 60 is realized by a DSP (Digital Signal Processor) or the like.

2波長赤外線センサ50のλ用画素21とλ用画素22から順次読み出された電荷量は、アナログ電気信号として信号処理回路60に入力される。アナログ電気信号は、読出回路30によってノイズキャンセル、増幅等の処理を受けた後の信号であってもよい。 The charge amounts sequentially read out from the λ S pixels 21 and the λ L pixels 22 of the dual-wavelength infrared sensor 50 are input as analog electrical signals to the signal processing circuit 60. The analog electrical signals may be signals that have been subjected to processing such as noise cancellation and amplification by the readout circuit 30.

信号処理回路60は、AD変換器61、補間処理回路62、補正係数メモリ63、フレームメモリ64、及び感度補正処理回路65を有する。AD変換器61は、入力されたアナログ電気信号を所定のレートでサンプリングしてデジタル信号に変換する。フレームメモリ64は、デジタル変換された画素出力を順次記憶し、1フレーム分のデジタルデータを保持する。 The signal processing circuit 60 has an AD converter 61, an interpolation processing circuit 62, a correction coefficient memory 63, a frame memory 64, and a sensitivity correction processing circuit 65. The AD converter 61 samples the input analog electrical signal at a predetermined rate and converts it into a digital signal. The frame memory 64 sequentially stores the digitally converted pixel output and holds one frame's worth of digital data.

補間処理回路62は、フレームメモリ64から1画素ごとに、その画素の出力値と、その画素の周辺画素の別波長の出力値を読み出し、後述する演算処理を行って、着目画素で検出されていない波長の受光量を補間する。この補間処理により、補間処理回路62は、画素ごとに、λデジタル信号と、λデジタル信号を出力する。 The interpolation circuit 62 reads out the output value of each pixel and the output values of the surrounding pixels of different wavelengths from the frame memory 64, and performs a calculation process described later to interpolate the amount of received light of wavelengths not detected by the pixel of interest. Through this interpolation process, the interpolation circuit 62 outputs a λ S digital signal and a λ L digital signal for each pixel.

感度補正処理回路65は、各画素での感度ばらつきを補正する。2波長赤外線センサ50の感度は、λ用画素21とλ用画素22の応答特性のばらつきや、読出回路30のトランジスタの特性ばらつき等の影響を受ける。感度補正処理回路65は、補正係数メモリ63に記憶された補正係数を用いて、2波長赤外線センサ50から時系列で出力されデジタル変換された信号の感度を補正する。 The sensitivity correction processing circuit 65 corrects the sensitivity variation in each pixel. The sensitivity of the dual-wavelength infrared sensor 50 is affected by the variation in response characteristics of the λ S pixels 21 and the λ L pixels 22, the variation in characteristics of the transistors in the readout circuit 30, and the like. The sensitivity correction processing circuit 65 uses the correction coefficients stored in the correction coefficient memory 63 to correct the sensitivity of the signals output in time series from the dual-wavelength infrared sensor 50 and converted into digital form.

補正係数メモリ63は、画素ごとの補正係数(オフセット値及びゲイン値を含む)を記憶する。感度補正処理回路65は、補間処理回路62の出力に対して、補正係数メモリ63から読み出した補正係数を乗算して感度補正してもよい。感度補正処理回路65は、画素ごとに、λ信号とλ信号のそれぞれに感度補正を施し、画像信号として出力する。 The correction coefficient memory 63 stores a correction coefficient (including an offset value and a gain value) for each pixel. The sensitivity correction processing circuit 65 may perform sensitivity correction by multiplying the output of the interpolation processing circuit 62 by a correction coefficient read from the correction coefficient memory 63. The sensitivity correction processing circuit 65 performs sensitivity correction on each of the λ S signal and the λ L signal for each pixel, and outputs the result as an image signal.

撮像システム100は、小型で高解像の2波長赤外線センサ50を用いるので、装置全体をコンパクトにすることができる。画素ごとの2つの波長出力の相関から、観測対象の温度の絶対値を精度よく測定できる。また、対象物体から受け取る赤外線情報から自然光(太陽光)の反射光成分と、物体自体からの温度輻射成分とを弁別することができる。 The imaging system 100 uses a small, high-resolution two-wavelength infrared sensor 50, allowing the entire device to be made compact. The absolute temperature of the object being observed can be measured with high precision based on the correlation between the two wavelength outputs for each pixel. In addition, the reflected light component of natural light (sunlight) can be distinguished from the infrared information received from the object being observed, from the temperature radiation component from the object itself.

<補間処理>
図16と図17は、実施形態の2波長信号の補間処理を説明する図である。この補間処理は、信号処理回路60の補間処理回路62によって行われる。図16のように、隣接する4つの画素を1つの単位ブロック25とする。単位ブロック25は、1つのλ用画素22と、3つのλ用画素21を有する。単位ブロック25Aの内部で、λ用画素22の位置を(3)、λ用画素22と水平方向(X方向)または垂直方向(Y方向)で隣接するλ用画素21の位置を(1)、λ用画素22と対角にあるλ用画素21の位置を(2)とする。画素位置(1)~(3)のそれぞれで、出力される電流値は、対応する単一の波長の検出値であるが、受光素子アレイ20を2波長赤外線センサ50の受光部として機能させるために、補間処理を行う。
<Interpolation processing>
16 and 17 are diagrams for explaining the interpolation process of the two-wavelength signal in the embodiment. This interpolation process is performed by the interpolation process circuit 62 of the signal processing circuit 60. As shown in FIG. 16, four adjacent pixels are defined as one unit block 25. The unit block 25 has one λ L pixel 22 and three λ S pixels 21. Within the unit block 25A, the position of the λ L pixel 22 is defined as (3), the position of the λ S pixel 21 adjacent to the λ L pixel 22 in the horizontal direction (X direction) or vertical direction (Y direction) is defined as (1), and the position of the λ S pixel 21 diagonally opposite the λ L pixel 22 is defined as (2). At each of the pixel positions (1) to (3), the current value output is a detection value of a corresponding single wavelength, but an interpolation process is performed in order to allow the light receiving element array 20 to function as a light receiving unit of the two-wavelength infrared sensor 50.

図17は、画素位置(1)~(3)における各画素に対して行われる補間処理を示す。図17(A)の画素位置(1)では、λ出力として、このλ用画素21からの出力値をそのまま用いる。このλ用画素21はλの検出値を出力しない。そこで、λ用画素21のλ出力として、隣接するλ用画素22の画素Aと画素Bの平均値を用いる。これにより、1つの画素から2波長に対応する検出値を得ることができる。 Fig. 17 shows the interpolation process performed on each pixel at pixel positions (1) to (3). At pixel position (1) in Fig. 17(A), the output value from this λ S pixel 21 is used as is as the λ S output. This λ S pixel 21 does not output a detected value of λ L. Therefore, the average value of pixels A and B of the adjacent λ L pixels 22 is used as the λ L output of the λ S pixel 21. This makes it possible to obtain detected values corresponding to two wavelengths from one pixel.

画素サイズまたは画素ピッチは、短波長(λ)側の赤外線分解能より大きく、かつ長波長(λ)側の赤外線分解能以下に設定されている。この場合、λの光は、画素位置(1)のλ用画素21内に集光されて画素位置(1)の検出出力に反映されており、隣接画素への光の漏れは小さい。一方でλの入射光は、この波長の光学的分解能よりも画素ピッチ(サイズ)が小さいため、1画素のサイズにまで集光しきれずに、複数の画素にまたがって入射光が結像される。画素位置(1)へのλ入射光は、隣接するλ用画素22(図中の画素Aと画素Bの2つの画素)へ漏れ出て入射する。したがって、画素位置(1)に隣接する2つの画素Aと画素Bの検出出力には、画素位置(1)へのλ入射光の成分が、それぞれ部分的に反映されている。これを利用して、画素位置(1)のλ用画素21から、λの検出出力が直接得られなくても、隣接する画素Aと画素Bの出力の平均を取ることで、λ用画素21におけるλの入射量を概ね推定することができる。 The pixel size or pixel pitch is set to be larger than the infrared resolution on the short wavelength (λ S ) side and smaller than the infrared resolution on the long wavelength (λ L ) side. In this case, the light of λ S is collected in the λ S pixel 21 at pixel position (1) and reflected in the detection output of pixel position (1), and the leakage of light to adjacent pixels is small. On the other hand, since the pixel pitch (size) of the incident light of λ L is smaller than the optical resolution of this wavelength, the light cannot be collected to the size of one pixel, and the incident light is imaged across multiple pixels. The λ L incident light to pixel position (1) leaks and enters the adjacent λ L pixel 22 (two pixels, pixel A and pixel B in the figure). Therefore, the detection outputs of the two pixels A and B adjacent to pixel position (1) partially reflect the component of the λ L incident light to pixel position (1). By utilizing this, even if the detection output of λ L cannot be directly obtained from the λ S pixel 21 at pixel position (1), the amount of λ L incident on the λ S pixel 21 can be roughly estimated by averaging the outputs of the adjacent pixels A and B.

図17(B)の画素位置(2)では、λ出力として、このλ用画素21からの出力値をそのまま用いる。このλ用画素21は、λの検出値を出力しない。そこで、この画素のλ出力として、対角方向で隣接する4つのλ用画素22(画素A~画素D)の平均値を用いる。画素位置(2)のλ用画素21に入射するλ赤外光は、この画素サイズに集光されずに周囲の画素A~画素Dにも入射しており、画素A~画素Dの出力から、画素位置(2)へのλの入射量を推測することができる。これにより、1つの画素から2波長に対応する検出値を得ることができる。 At pixel position (2) in FIG. 17B, the output value from this λ S pixel 21 is used as the λ S output as is. This λ S pixel 21 does not output a detection value of λ L. Therefore, the average value of the four diagonally adjacent λ L pixels 22 (pixels A to D) is used as the λ L output of this pixel. The λ L infrared light incident on the λ S pixel 21 at pixel position (2) is not condensed to this pixel size but is also incident on the surrounding pixels A to D, and the amount of λ L incident on pixel position (2) can be estimated from the outputs of pixels A to D. This makes it possible to obtain detection values corresponding to two wavelengths from one pixel.

図17(C)の画素位置(3)では、λ出力として、このλ用画素22からの出力値をそのまま用いる。このλ用画素22は、短波長λの検出値を出力しない。そこで短波長出力として、水平方向及び垂直方向で隣接する4つのλ用画素21(画素A~画素D)の平均値を用いる。画素位置(3)のλ用画素22に入射するλ赤外光は、周囲の画素A~Dへのλ入射光と連続する強度分布を有すると考えられる。したがって、周囲の画素の検出値を用いることで、1つの画素から2波長に対応する検出値を得ることができる。 At pixel position (3) in Fig. 17C, the output value from this λ L pixel 22 is used as the λ L output as is. This λ L pixel 22 does not output a detection value of the short wavelength λ S. Therefore, the average value of the four λ S pixels 21 (pixels A to D) adjacent in the horizontal and vertical directions is used as the short wavelength output. It is considered that the λ S infrared light incident on the λ L pixel 22 at pixel position (3) has an intensity distribution that is continuous with the λ S incident light on the surrounding pixels A to D. Therefore, by using the detection values of the surrounding pixels, it is possible to obtain detection values corresponding to two wavelengths from one pixel.

各画素位置で、欠落している波長出力を上述した補間処理で補うことで、2波長分の出力信号を生成することができる。これにより、T2SLを用いた各画素でバイアス印加方向を切り替えずに、2波長の検出感度を維持することができる。実施形態の2波長赤外線センサ50と撮像システム100は、セキュリティシステム、無人探査システム、夜間の監視システム等に適用できる。 At each pixel position, the missing wavelength output can be compensated for by the above-mentioned interpolation process, thereby generating output signals for two wavelengths. This allows the detection sensitivity of two wavelengths to be maintained without switching the bias application direction at each pixel using T2SL. The two-wavelength infrared sensor 50 and imaging system 100 of the embodiment can be applied to security systems, unmanned exploration systems, nighttime surveillance systems, etc.

以上、特定の実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は実施例で例示された構成に限定されない。各画素で用いるT2SLの構成は上述した例に限定されない。T2SLを構成する薄膜の組成と厚さを調整することで、目的とする波長に感度を持たせることができる。必ずしも、λ用画素21とλ用画素2の両方をT2SLで形成する必要はない。いずれか一方の光吸収層がT2SLであれば、ブロードな応答特性に起因して一方の波長の減衰と、混信の問題が生じるが、この問題は、実施形態の構成により解決される。コンタクト層と光吸収層の導電型は、検出対象とするキャリアに応じて適宜決定される。各画素に印加されるバイアス電圧値は、適宜調整可能である。図14の構成で全体としてn型導電体を用いる場合、λ用画素21の第1コンタクト層201、第1ブロック層232、及び第2コンタクト層203でnpn接合を形成してもよい。 Although the present invention has been described above with reference to specific examples, the present invention is not limited to the configurations exemplified in the examples. The configuration of the T2SL used in each pixel is not limited to the above-mentioned example. By adjusting the composition and thickness of the thin film constituting the T2SL, it is possible to give sensitivity to the target wavelength. It is not necessary to form both the λ S pixel 21 and the λ L pixel 2 with T2SL. If either one of the light absorption layers is T2SL, attenuation of one wavelength and interference problems occur due to broad response characteristics, but this problem is solved by the configuration of the embodiment. The conductivity types of the contact layer and the light absorption layer are appropriately determined according to the carrier to be detected. The bias voltage value applied to each pixel can be appropriately adjusted. When an n-type conductor is used as a whole in the configuration of FIG. 14, an npn junction may be formed with the first contact layer 201, the first block layer 232, and the second contact layer 203 of the λ S pixel 21.

単位ブロック25を形成する画素の数は、2×2の4画素に限定されず、2×1、3×3、4×4、5×5等で単位ブロック25を形成してもよい。2×1の単位ブロックは、1つのλ用画素21と、1つのλ用画素22で形成される。この場合、受光素子アレイ20の平面画素配置は、チェッカーボードパターンとなる。補間処理は図17の(A)と同じになる。3×3の単位ブロックは、マトリクスの対角上に並ぶ3つのλ用画素22と、6つのλ用画素21を含む。補間処理は図17と類似するが、着目するλ用画素21から周囲の補間用のλ用画素22までの距離がλ用画素22の位置によって異なる場合は、平均値の計算に重み付けをしてもよい。4×4の単位ブロックの場合は、2×2の単位ブロックの補間処理の繰り返しとなる。 The number of pixels forming the unit block 25 is not limited to 4 pixels of 2×2, and the unit block 25 may be formed of 2×1, 3×3, 4×4, 5×5, etc. The 2×1 unit block is formed of one λ S pixel 21 and one λ L pixel 22. In this case, the planar pixel arrangement of the light receiving element array 20 is a checkerboard pattern. The interpolation process is the same as that of FIG. 17A. The 3×3 unit block includes three λ L pixels 22 arranged on the diagonal of the matrix and six λ S pixels 21. The interpolation process is similar to that of FIG. 17, but if the distance from the λ S pixel 21 of interest to the surrounding λ L pixels 22 for interpolation varies depending on the position of the λ L pixel 22, weighting may be applied to the calculation of the average value. In the case of a 4×4 unit block, the interpolation process of the 2×2 unit block is repeated.

これらの置換、変形が行われる場合も、2波長赤外線センサ50でλ用画素21とλ用画素22が同時に動作し、画素ごとに補間処理が行われて2波長イメージングが可能になる。これは、画素ごとのバイアス切替動作で2波長イメージセンサとして動作させる構成では成し得ない機能である。実施形態のように、2波長情報の相関処理などを行う際には、同時に取得されたデータであることが重要である。一つの波長に着目すると、空間的に画素が欠落しているように見えるが、配置数の少ないλ用画素22に関しては、レンズ光学系で集光・結像されたλ赤外線が1画素内に集光しきれずに、複数画素にまたがって結像される。そのため、補完処理によって欠落画素位置でのλ応答を十分に推定することができる。 Even when these replacements and modifications are made, the λ S pixel 21 and the λ L pixel 22 operate simultaneously in the two-wavelength infrared sensor 50, and an interpolation process is performed for each pixel, enabling two-wavelength imaging. This function cannot be achieved in a configuration in which the sensor operates as a two-wavelength image sensor by switching bias for each pixel. When performing correlation processing of two-wavelength information as in the embodiment, it is important that the data are acquired simultaneously. When focusing on one wavelength, it appears that a pixel is missing spatially, but for the λ L pixel 22, which is arranged in a small number, the λ L infrared ray collected and imaged by the lens optical system cannot be collected within one pixel, and is imaged across multiple pixels. Therefore, the λ L response at the missing pixel position can be sufficiently estimated by the interpolation process.

20 受光素子アレイ
21 λ用画素(第1画素)
22 λ用画素(第2画素)
27 第1分離溝
28 第2分離溝
201 第1コンタクト層
202、232 第1ブロック層
232a n型領域
232b p型領域
203 第2コンタクト層
205 λ吸収層(第1光吸収層)
206 第2ブロック層
207 λ吸収層(第2光吸収層)
209 第3コンタクト層
30 読出回路
41、42 突起電極
50 2波長赤外線センサ
60 信号処理回路
100 撮像システム
20 Light receiving element array 21 λ S pixel (first pixel)
22 λ L pixel (second pixel)
27 First isolation groove 28 Second isolation groove 201 First contact layer 202, 232 First block layer 232a n-type region 232b p-type region 203 Second contact layer 205 λ S absorption layer (first light absorption layer)
206 Second blocking layer 207 λ L absorption layer (second light absorption layer)
209 Third contact layer 30 Readout circuit 41, 42 Protruding electrode 50 Two-wavelength infrared sensor 60 Signal processing circuit 100 Imaging system

Claims (10)

光入射側から順に第1コンタクト層、第1ブロック層、第2コンタクト層、第1波長の光に感度を有する第1光吸収層、第2ブロック前記第1波長よりも長い第2波長の光に感度をもつ第2光吸収層、及び第3コンタクト層を有する画素が、複数配列された受光素子アレイ、
を有し、
前記第1波長の光を検出する少なくとも1つの第1画素と、前記第2波長の光を検出する少なくとも1つの第2画素とで単位ブロックが形成され、前記単位ブロックが前記受光素子アレイ内で繰り返し配置され、
前記第1画素は、前記第3コンタクト層、前記第2光吸収層、前記第2ブロック層、及び前記第1光吸収層を貫通する第1分離溝で分断され、
前記第2画素は前記第3コンタクト層から前記第1コンタクト層に達する第2分離溝で分断されている、
2波長赤外線センサ。
a light receiving element array in which a plurality of pixels are arranged, each pixel having, in order from a light incident side, a first contact layer, a first blocking layer, a second contact layer , a first light absorbing layer sensitive to light of a first wavelength, a second blocking layer, a second light absorbing layer sensitive to light of a second wavelength longer than the first wavelength, and a third contact layer;
having
At least one first pixel that detects light of the first wavelength and at least one second pixel that detects light of the second wavelength form a unit block, and the unit block is repeatedly arranged in the light receiving element array,
the first pixel is divided by a first separation groove penetrating the third contact layer, the second light absorption layer, the second blocking layer, and the first light absorption layer;
the second pixel is separated by a second separation trench extending from the third contact layer to the first contact layer;
Dual wavelength infrared sensor.
前記第1ブロック層と前記第2ブロック層は、前記第1光吸収層と前記第2光吸収層に対して伝導帯と価電子帯のいずれか一方に第1ポテンシャル障壁を有し、前記価電子帯と前記伝導帯の他方に前記第1ポテンシャル障壁よりも低い第2ポテンシャル障壁を有し、
前記第2ポテンシャル障壁の側で、前記第1ブロック層と、前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層との間の電位差は、前記第2ブロック層と、前記第1光吸収層及び前記第2光吸収層との間の電位差よりも大きい、
請求項1に記載の2波長赤外線センサ。
the first blocking layer and the second blocking layer have a first potential barrier in one of a conduction band and a valence band with respect to the first light absorbing layer and the second light absorbing layer, and have a second potential barrier lower than the first potential barrier in the other of the valence band and the conduction band,
a potential difference between the first blocking layer and the first contact layer and between the second blocking layer and the first light absorbing layer and between the second blocking layer and the first contact layer and between the second blocking layer and the first light absorbing layer and between the second blocking layer and the second light absorbing layer on the side of the second potential barrier;
2. The dual-wavelength infrared sensor according to claim 1.
前記第1コンタクト層、前記第2コンタクト層、前記第1光吸収層、前記第2光吸収層、及び前記第3コンタクト層は、同じ導電型である、
請求項1または2に記載の2波長赤外線センサ。
the first contact layer, the second contact layer, the first light absorbing layer, the second light absorbing layer, and the third contact layer are of the same conductivity type;
3. The two-wavelength infrared sensor according to claim 1.
前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層は同じ導電型であり、前記第1ブロック層は前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層と逆の導電型である、
請求項1に記載の2波長赤外線センサ。
the first contact layer and the second contact layer have the same conductivity type, and the first block layer has a conductivity type opposite to that of the first contact layer and the second contact layer;
2. The dual-wavelength infrared sensor according to claim 1.
前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層はそれぞれ共通電極に接続され、前記共通電極により前記第1コンタクト層と前記第2コンタクト層は同電位に設定されている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の2波長赤外線センサ。
the first contact layer and the second contact layer are each connected to a common electrode, and the first contact layer and the second contact layer are set to the same potential by the common electrode;
The two-wavelength infrared sensor according to claim 1 .
前記第1ブロック層に逆方向バイアスが印加される、
請求項4に記載の2波長赤外線センサ。
A reverse bias is applied to the first blocking layer.
5. The dual-wavelength infrared sensor according to claim 4.
前記第1画素と前記第2画素に、極性の異なるバイアス電圧が同時に印加される、
請求項1から6のいずれか1項に記載の2波長赤外線センサ。
Bias voltages having different polarities are simultaneously applied to the first pixel and the second pixel.
The dual-wavelength infrared sensor according to claim 1 .
前記第1光吸収層と前記第2光吸収層の少なくとも一方はタイプ2型超格子で形成されている、
請求項1から7のいずれか1項に記載の2波長赤外線センサ。
At least one of the first light absorbing layer and the second light absorbing layer is formed of a type II superlattice.
The two-wavelength infrared sensor according to claim 1 .
前記受光素子アレイの画素ピッチは、前記第2画素の光学的分解能の大きさ以下である、請求項1から8のいずれか1項に記載の2波長赤外線センサ。 The two-wavelength infrared sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the pixel pitch of the light receiving element array is equal to or smaller than the optical resolution of the second pixel. 請求項1から9のいずれか1項に記載の2波長赤外線センサと、
前記2波長赤外線センサの出力に接続される信号処理回路と、
を有し、
前記信号処理回路は、前記第1画素の出力に対して、前記第1画素の周囲の前記第2画素の出力を用いて前記第1画素での第2波長の光の受光量を補間し、前記第1画素における第1波長情報と第2波長情報を生成する、
撮像システム。
The two-wavelength infrared sensor according to claim 1 ,
a signal processing circuit connected to an output of the dual-wavelength infrared sensor;
having
the signal processing circuit interpolates an amount of light having a second wavelength received at the first pixel using outputs of the second pixels surrounding the first pixel, and generates first wavelength information and second wavelength information at the first pixel.
Imaging system.
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