JP6455014B2 - Infrared imaging device and infrared imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置に関するものである。 The present invention relates to an infrared imaging device and an infrared imaging device.
従来より、暗視カメラとして赤外線を利用したものが知られている。これは、温度のある物体は全て赤外線を放出しているためであり、特に、室温においては10μm帯の赤外線の放出が最大である。 Conventionally, what uses infrared rays as a night vision camera is known. This is because all the objects having temperature emit infrared rays, and the emission of infrared rays in the 10 μm band is the greatest at room temperature.
そこで、このような10μm帯の赤外線を感度良く検出するために、入射した赤外線を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器が用いられている。特に、量子井戸構造における伝導帯側の量子準位を介した遷移を利用した量子井戸赤外線検知器(Quantum Well Infrared Photodetector;QWIP)が注目されている。 Therefore, in order to detect such infrared rays in the 10 μm band with high sensitivity, a photodetector that detects light by capturing a current that flows when absorbing incident infrared rays is used. In particular, a quantum well infrared detector (QWIP) using a transition through a quantum level on the conduction band side in a quantum well structure has attracted attention.
そして、このようなQWIPを二次元マトリクス状に配置するとともに、各画素素子にIn電極を介して信号読出回路を接続してFPA(Focal Plane Array)型赤外線撮像装置として用いている。QWIPにおいては各画素素子に流れる素子電流による電気容量(蓄積容量)内のある蓄積時間或いは積分時間の規定時間における電荷量の変化をその容量両端での電圧変化として時系列的に走査して画素出力として読み出す方式が行われている。 Such QWIPs are arranged in a two-dimensional matrix, and a signal readout circuit is connected to each pixel element via an In electrode, which is used as an FPA (Focal Plane Array) type infrared imaging device. In QWIP, a pixel is obtained by scanning a change in charge amount in a certain accumulation time or a specified time of integration time in an electric capacity (storage capacity) due to an element current flowing in each pixel element as a voltage change at both ends of the capacity in time series. A method of reading as output is performed.
ここで、図14を参照して、FPA型赤外線撮像素子を説明する。図14は、従来のFPA型赤外線撮像装置の一画素を示す等価回路図である。QWIP素子71は、バイアス兼スイッチング用のトランジスタ72に接続され、バイアス兼スイッチング用のトランジスタ72の他端には電荷蓄積用のキャパシタ73に接続されている。
Here, with reference to FIG. 14, an FPA type infrared imaging device will be described. FIG. 14 is an equivalent circuit diagram showing one pixel of a conventional FPA type infrared imaging device. The
このような接続状態において、QWIP素子71に実際に加わるバイアス電圧VAはバイアス兼スイッチング用のトランジスタ72で決まる定数I0により決まる。Vgをトランジスタ72のソース−ゲート間の電圧、Vthを閾値ゲート電圧、Iを全体に流れる電流とすると、
I=(I0/2)×(Vg−Vth)2
で表される。これを変形すると、
Vg−Vth=(2I/I0)1/2
となる。
In such a connection state, a bias voltage V A that actually applied to the
I = (I 0/2) × (V g -V th) 2
It is represented by If this is transformed,
V g −V th = (2I / I 0 ) 1/2
It becomes.
ここで、VIGをトランジスタ72のゲートに印加される印加ゲート電圧とすると、
Vg=VIG-VA
で表され、Vgに上記の式を代入すると、
Vg=VIG-VA=(2I/I0)1/2+Vth
となる。これをVAについて整理すると、
VA=VIG−Vth−(2I/I0)1/2
となる。
Here, when V IG is an applied gate voltage applied to the gate of the
V g = V IG -V A
And substituting the above equation for Vg,
V g = V IG -V A = (2I / I 0 ) 1/2 + V th
It becomes. Organizing this for VA ,
V A = V IG −V th − (2I / I 0 ) 1/2
It becomes.
ところで、このようなFPA型赤外線撮像装置を実際に作成する場合、各画素に対して個別にVIGを印加するような構成とすると、読出し回路が複雑となり現実的ではない。したがって、図15に示すように、全ての画素、或いは少なくとも複数画素のブロックごとに一様に印加するような構成としていることが多い。 By the way, when such an FPA-type infrared imaging device is actually created, if a configuration in which V IG is individually applied to each pixel, the readout circuit becomes complicated, which is not practical. Therefore, as shown in FIG. 15, it is often configured to apply uniformly to all pixels or at least a block of a plurality of pixels.
図15は、従来のFPA型赤外線撮像装置の電圧印加方法の説明図である。QWIP素子711,712は、夫々トランジスタ721,722に接続されとともに、共通ライン74に接続されている。また、トランジスタ721,722のゲートには、ワード線75を介して印加ゲート電圧VIGが印加される。
FIG. 15 is an explanatory diagram of a voltage application method of a conventional FPA type infrared imaging device. The
しかし、従来の電圧印加方法の場合、QWIP素子の製造上のバラつきなどによって、信号処理に支障をきたすなどの不具合を生じる虞がある。例えば、図15に示したQWIP素子711が相対的に高抵抗で、QWIP素子712が低抵抗であったような場合、画素出力は当然その違いを反映した差を持って出力される。この時、このQWIP素子711,712間の抵抗差が大きい場合、QWIP素子711ではまだ十分に画素出力が得られていない一方、QWIP素子712では蓄積容量がすべて放電しきってしまう。或いは、QWIP素子711,712間の出力の差が、後段の信号処理回路などで想定している幅(ダイナミックレンジ)を超えてしまい信号処理に支障をきたすことになる。
However, in the case of the conventional voltage application method, there is a possibility that problems such as hindering signal processing may occur due to variations in manufacturing of the QWIP element. For example, the
したがって、赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置において、装置構成を大きく複雑化させることなく、画素出力の面内均一性を向上することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve the in-plane uniformity of pixel output without greatly complicating the device configuration in an infrared imaging device and an infrared imaging device.
開示する一観点からは、半導体基板と、半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構とを有し、前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子であることを特徴とする赤外線撮像素子が提供される。 More of the one aspect disclosed, having a semiconductor substrate, as well as arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring and pixels, said to have the said suppressing control mechanism output difference between pixels by applying the negative feedback with respect to automatically detect and each pixel output difference between pixels, the control mechanism An infrared imaging device is provided, which is a load element connected between the second electrode and a second common wiring connected to a fixed potential other than the ground potential .
また、開示する別の観点からは、半導体基板と、半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構とを有し、前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子である赤外線撮像素子と、前記各画素に対応するバイアス兼スイッチング用のトランジスタを二次元格子状に配列した信号処理回路基板と、前記各画素と前記各トランジスタを1:1で接続する突起状電極とを有することを特徴とする赤外線撮像装置が提供される。 From another viewpoint disclosed a semiconductor substrate, as well as arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring possess a plurality of pixels, said a suppressing control mechanism output difference between the respective pixels by the output difference automatically detects give negative feedback with respect to each of the pixels between the pixels having the An infrared imaging device that is a load element connected between the second electrode and a second common wiring connected to a fixed potential other than the ground potential; and a bias and switching corresponding to each pixel. There is provided an infrared imaging device comprising: a signal processing circuit board in which transistors are arranged in a two-dimensional lattice pattern; and a protruding electrode that connects the pixels and the transistors in a 1: 1 ratio.
開示の赤外線撮像素子及び赤外線撮像装置によれば、装置構成を大きく複雑化させることなく、画素出力の面内均一性を向上することが可能になる。 According to the disclosed infrared imaging element and infrared imaging device, it is possible to improve in-plane uniformity of pixel output without greatly complicating the device configuration.
ここで、図1乃至図4を参照して、本発明の実施の形態の赤外線撮像装置を説明する。図1は、本発明の実施の形態の赤外線撮像素子の要部断面図である。なお、この赤外線撮像素子は信号処理回路基板と一体となって赤外線撮像装置となる。半導体基板11上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線18に接続される第1の電極161,162と出力を読み出すための第2の電極171,172を有する複数の画素141,142を設ける。各画素141,142間の出力差を自動的に検知し各画素141,142に対して負帰還を与えることにより各画素141,142間の出力差を抑制する制御機構を設ける。
Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 4, the infrared imaging device of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of an infrared imaging device according to an embodiment of the present invention. The infrared imaging element is integrated with the signal processing circuit board to form an infrared imaging device. A first electrode 16 1 , 16 2 connected to the first
この制御機構は、第2の電極171,172と第2の共通配線12との間に接続された固定抵抗素子或いはダイオード等の負荷素子131,132であり、負荷素子131,132は半導体基板11と画素141,142との間に設けられた半導体層により形成される。なお、符号19は第2の共通配線12からの引出電極である。
The control mechanism is a
この場合の画素141,142は、典型的には、量子井戸構造における伝導帯側の量子準位を介した遷移を利用した多重量子井戸構造を設けたQWIP或いは量子ドットを用いたQDIPからなる。但し、受光部の構造は伝導帯側の量子準位を介した遷移を利用したQWIP或いはQDIPに限られるものではなく、また、材料もIII-V族化合物半導体に限られるものではない。なお、このようなQWIPを用いる場合には、最上部に回折格子等の光結合構造15を設ける必要がある。
The
このような、赤外線撮像素子と、各画素141,142に対応するバイアス兼スイッチング用のトランジスタを二次元格子状に配列した信号処理回路基板とをInバンプ等の突起状電極により1:1で接続することにより赤外線撮像装置となる。
Such an infrared imaging device and a signal processing circuit board in which transistors for bias and switching corresponding to each of the
図2は、本発明の実施の形態の赤外線撮像装置の等価回路図であり、図15の従来の赤外線撮像装置の電圧印加方法で示した等価回路に、第2の共通配線12と第2の電極171,172との間に負荷素子131,132を接続したものである。なお、ここでも、トランジスタ211,212のドレイン側に接続される蓄積容量Cは図示を省略している。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the infrared imaging device according to the embodiment of the present invention. The equivalent circuit shown in the voltage application method of the conventional infrared imaging device in FIG. Load elements 13 1 and 13 2 are connected between the
初期状態では、この蓄積容量Cはある一定の電圧VRで十分に充電されている。蓄積容量Cが接続されているトランジスタ211,212のゲート電極にワード線22を介して一定の印加ゲート電圧VIGを一定の時間τ印加すると、トランジスタ211,212のチャネルが導通する。その結果、して、画素141,142に入射した赤外光の強度に応じた電流Iが画素141,142に流れる。
In the initial state, the storage capacitor C is fully charged at a certain voltage V R. When a constant applied gate voltage VIG is applied to the gate electrodes of the transistors 21 1 and 21 2 connected to the storage capacitor C through the
この時、時間τの前後(0→τ=Δt)での蓄積容量Cの両端の電圧の変動量をVDCとすると、蓄積容量Cに蓄積された電荷Qと、蓄積容量Cの両端での電位Vに関する周知の関係式Q=CVから、
ΔQ=CΔV
となり、流れる電流Iは電荷の時間変化であるので、
I=ΔQ/Δt=(CΔV)/τ=C・VDC/τ
という関係が成立する。一方、電界効果トランジスタにおけるソース−ドレイン間の飽和電流IDは、Vgをソース−ゲート間の電圧、Vthを閾値電圧とすると、当該電界効果トランジスタのバイアス状態に依存しない定数I0を用いて、
ID=(I0/2)×(Vg−Vth)2
と表されることが知られている(例えば、非特許文献1等参照)。
At this time, if the amount of change in the voltage across the storage capacitor C before and after the time τ (0 → τ = Δt) is VDC , the charge Q stored in the storage capacitor C and the both ends of the storage capacitor C From the well-known relational expression Q = CV concerning the potential V,
ΔQ = CΔV
And the flowing current I is the time change of the charge,
I = ΔQ / Δt = (CΔV) / τ = C · V DC / τ
The relationship is established. On the other hand, the source-drain saturation current ID in the field effect transistor uses a constant I 0 that does not depend on the bias state of the field effect transistor, where V g is the source-gate voltage and V th is the threshold voltage. And
I D = (I 0/2 ) × (V g -V th) 2
(For example, refer
通常は、トランジスタ211,212のチャネルを導通するまでの蓄積容量の充電電圧VRは十分大きく設計されているので、トランジスタ211,212のチャネルが導通した時点でのソース-ドレイン間電圧Vgは十分大きい。したがって、トランジスタ211,212は、赤外入射光に相当した一定の飽和電流IDを、各画素141,142に供給するような動作をすることになる。
Normally, since the charging voltage V R of the storage capacity up to conduct the transistors 21 1, 21 2 of the channel it is designed to be sufficiently large, the source at the time the transistor 21 1, 21 2 channels are turned - drain The voltage Vg is sufficiently large. Therefore, the transistors 21 1 and 21 2 operate so as to supply a constant saturation current ID corresponding to infrared incident light to the
一方、画素141,142である赤外線検知器素子のトランジスタに接続された第2の電極171,172の第1の電極161,162に対する電位VAは、従来と同様に、下記の式で表される。
Vg=VIG−VA
但し、第2の共通配線12とトランジスタ211,212のゲート電極の間に印加された印加ゲート電圧をVIGとする。
On the other hand, the potential V A of the
V g = V IG -V A
However, an applied gate voltage applied between the second
ここで、上記のIDに関する式に代入すると、
ID=(I0/2)×(Vg−Vth)2=(I0/2)×(VIG−VA−Vth)2
となる。したがって、
C・VDC/τ=(I0/2)×(VIG−VA−Vth)2
となり、VAについて、式を整理すると、
VA=VIG−Vth−〔2C/(I0・τ)×VDC〕1/2
という関係が導かれる。
Here, when substituting into the above-mentioned formula relating to ID ,
I D = (I 0/2 ) × (V g -V th) 2 = (I 0/2) × (V IG -V A -V th) 2
It becomes. Therefore,
C · V DC / τ = ( I 0/2) × (V IG -V A -V th) 2
Then, when organizing the formula for VA ,
V A = V IG −V th − [2C / (I 0 · τ) × V DC ] 1/2
The relationship is derived.
この式から、ある画素141(142)に入射した赤外光相当の電流、したがってVDCの画素間での違いは、その画素141(142)に印加される電圧VAの違いとして反映されることがわかる。この画素141,142間でのVAの違いを何らかの形で検出し、それに基づいて当該画素141(142)に負帰還を与えれば、画素141,142間での出力の差を抑制することができることを見出した。
From this equation, the current corresponding to the infrared light incident on a certain pixel 14 1 (14 2 ), and hence the difference in VDC between the pixels, is the difference in the voltage VA applied to that pixel 14 1 (14 2 ). It is understood that it is reflected as. The
そこで、鋭意研究の結果、このような負帰還を実現するための簡便な方法として、図2に概念的に示した等価回路により必要な負帰還を与えることができることに思い至った。即ち、従来技術の赤外線撮像装置に、第2の共通配線12を設け、第2の共通配線12と各画素141,142の第2の電極171,172との間に負荷素子131,132に接続することで必要な負帰還を与えることができる。
Therefore, as a result of earnest research, the inventors have come up with the idea that the necessary negative feedback can be provided by the equivalent circuit conceptually shown in FIG. 2 as a simple method for realizing such negative feedback. That is, the second
ここで、簡単のため、この第2の共通配線12を電位VA1にすると仮定する。画素141では、負荷素子131の両端がともに電位VA1であるので新たな電流成分は生じず、従来の動作と同じになる。一方、画素142では、負荷素子132を接続する前では、画素142へのバイアス電圧はVA2<VA1であるので、負荷素子132を接続すると負荷素子132に第2の共通配線12から画素142に向かって電流が流れようとする。因みに、負荷素子132が抵抗値がRの固定抵抗素子であれば、流れようとする電流の大きさは(VA1−VA2)/Rとなる。また、負荷素子172としてダイオードを用いれば、その非線形特性に応じた電流が流れようとする。
Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the second
一方、画素142が接続されているトランジスタ212では、画素142に流れていた電流の一部をこの画素142に向かって流れようとする電流で補うことができるから、トランジスタ212を流れる電流は減少し、このためVA2は上昇する。この結果、画素142、トランジスタ212及び負荷素子132のそれぞれを流れる電流がバランスするようなVA2’( VA1>VA2’>VA2)で画素142が動作することになる。その結果、画素142の画素出力は従来技術の画素出力に比べて小さくなり、従来技術に比べてFPA全体における画素出力のバラつきを抑制することができる。
On the other hand, the transistor 21 2 to the
例えば、図3に示したようなIV特性を持つ二つの赤外線検知器素子をそれぞれ画素141,142と仮定する。図4は、この画素141,142の画素出力をシミュレーションにより求め、画素141に対する相対変動量として表した図である。なお、ここでは、VIG=1.5V、R=20MΩ、20μm×20μmのサイズの受光部としてシミュレーションを行った。その結果、上述の定性的に説明した本発明の効果が確認できた。したがって、本発明のように負荷素子131,132を用いることによって、各画素出力に対していわば自己整合的に負帰還が生じ、その結果として、FPA画素出力の面内均一性が向上する。
For example, it is assumed that two infrared detector elements having IV characteristics as shown in FIG. 3 are
次に、図5乃至図11を参照して、本発明の実施例1の赤外線撮像装置を説明する。図5は、本発明の実施例1の赤外線撮像素子の概略的断面図であり、半絶縁性GaAs基板31上にi型GaAsバッファ層32を介して設けた第2の共通電極となるn型GaAs層33上に固定抵抗素子と画素の積層構造が形成される。固定抵抗素子はn型AlGaAs層34で形成され、画素は下部電極となるn型GaAs層35、多重量子井戸層36及び上部電極となるn型GaAs層37で形成される。また、画素の上にn型AlGaAsエッチング停止層38を介して設けたn型GaAs層を加工して回折格子40が設けられる。各画素の第1の電極46は第1の共通配線となる引出電極49により接続される。また、第2の電極47からは個別の引出電極50が引き出される。また、第2の共通電極となるn型GaAs層33に設けられた共通電極48からは引出電極51が引き出され、各引出電極49〜51にはプリップチップボンディング用のInバンプ52を設ける。
Next, an infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention. The n-type is a second common electrode provided on the
図6は、本発明の実施例1の赤外線撮像装置の等価回路図であり、図15の従来の赤外線撮像装置の電圧印加方法で示した等価回路に、第2の共通配線となるn型GaAs層33と第2の電極471,472との間に抵抗値がRの固定抵抗素子541,542を接続したものである。なお、ここでも、トランジスタ631,632のドレイン側に接続される蓄積容量Cは図示を省略している。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention. In the equivalent circuit shown by the voltage application method of the conventional infrared imaging device in FIG. 15, n-type GaAs serving as a second common wiring is shown. Fixed resistance elements 54 1 and 54 2 having a resistance value R are connected between the
初期状態では、この蓄積容量Cはある一定の電圧VRで十分に充電されている。蓄積容量Cが接続されているトランジスタ631,632のゲート電極にワード線64を介して一定の印加ゲート電圧VIGを一定の時間τ印加すると、トランジスタ631,632のチャネルが導通する。その結果、画素531,532に入射した赤外光の強度に応じた電流Iが画素531,532に流れる。
In the initial state, the storage capacitor C is fully charged at a certain voltage V R. When a constant applied gate voltage VIG is applied to the gate electrodes of the transistors 63 1 and 63 2 to which the storage capacitor C is connected via the
上述のように、この第2の共通配線となるn型GaAs層33を電位VA1にすると仮定する。画素531では、固定抵抗素子541の両端がともに電位VA1であるので新たな電流成分は生じず、従来の動作と同じになる。一方、画素532では、固定抵抗素子542を接続する前では、画素532へのバイアス電圧はVA2<VA1であるので、固定抵抗素子542にn型GaAs層33から画素532に向かって(VA1−VA2)/Rの大きさの電流が流れようとする。
As described above, it is assumed that the n-
一方、画素532が接続されているトランジスタ632では、画素532に流れていた電流の一部をこの画素532に向かって流れようとする電流で補うことができるから、トランジスタ632を流れる電流は減少し、このためVA2は上昇する。この結果、画素532、トランジスタ632及び固定抵抗素子542のそれぞれを流れる電流がバランスするようなVA2’( VA1>VA2’>VA2)で画素532が動作することになる。その結果、画素542の画素出力は従来技術の画素出力に比べて小さくなり、従来技術に比べてFPA全体における画素出力のバラつきを抑制することができる。 On the other hand, the transistor 63 2 to the pixel 53 2 is connected, since it is possible to compensate for the portion of the current flowing in the pixel 53 2 by a current tends to flow toward the pixel 53 2, the transistor 63 2 The flowing current is reduced, so that VA2 rises. As a result, the pixel 53 2, with V A2 '(V A1> V A2'> V A2) in which the current flowing through each of the transistors 63 2 and the fixed resistance element 54 2 are balanced pixel 53 2 is operated . As a result, the pixel output of the pixel 542 is smaller than the pixel output of the prior art, it is possible to suppress the variation of the pixel output in the entire FPA as compared with the conventional art.
次に、図7乃至図9を参照して、本発明の実施例1の赤外線撮像素子の製造工程を説明する。まず、図7(a)に示すように、半絶縁性GaAs基板31上に分子線エピタキシ技術を用いて、i型GaAsバッファ層32を成長したのち、第2の共通配線となる厚さが、500nmのn型GaAs層33を成長する。引き続いて、固定抵抗素子となる厚さが1000nmのn型AlGaAs層34を成長する。引き続いて、下部電極層となる厚さが500nmのn型GaAs層35、受光部となる多重量子井戸層36及び上部電極となる厚さが500nmのn型GaAs層37を成長する。引き続いて、厚さが5nmのn型AlGaAsエッチング停止層38及び厚さが350nmのn型GaAs層39を順次成長する。なお、多重量子井戸層36は、厚さが50nmのAlGaAs障壁層及び厚さが5nmのGaAs井戸層を50周期成長させて形成する。
Next, with reference to FIGS. 7 to 9, the manufacturing process of the infrared imaging element according to the first embodiment of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 7A, after the i-type
次いで、図7(b)に示すように、n型GaAs層39をエッチングして回折格子40を形成する。QWIPは多重量子井戸層36に垂直に入射する光に対する感動を有していないので、この回折格子40で入射光を回折して多重量子井戸層36で吸収させる。
Next, as shown in FIG. 7B, the n-type GaAs layer 39 is etched to form a
次いで、図8(c)に示すように、n型GaAs層39(n型AlGaAsエッチング停止層38)乃至n型AlGaAs層34を選択的にエッチングして画素分離溝41を形成する。なお、この時、第2の共通配線となるn型GaAs層33に対するコンタクト電極形成部においては画素分離溝41の幅を広くする。
Next, as shown in FIG. 8C, the n-type GaAs layer 39 (n-type AlGaAs etching stop layer 38) to the n-
次いで、図8(d)に示すように、n型GaAs層39(n型AlGaAsエッチング停止層38)乃至多重量子井戸層36をエッチングして下部電極層となるn型GaAs層35を露出させる。
Next, as shown in FIG. 8D, the n-type GaAs layer 39 (n-type AlGaAs etching stop layer 38) to the multiple
次いで、図9(e)に示すように、全面にSiON膜42を堆積したのち、n型GaAs層39、n型GaAs層35及びn型GaAs層33に対するコンタクトホール43〜45を形成する。
Next, as shown in FIG. 9E, after a
次いで、図9(f)に示すように、Au・Ge/Ni膜を堆積してコンタクトホール43〜45にオーミック電極を形成して第1の電極46、第2の電極47及び共通電極48とする。次いで、全面にAu膜を堆積したのちエッチングにより引出電極49〜51を形成する。最後に、Inバンプ52を形成することで、本発明の実施例1の赤外線撮像素子30の基本構造が完成する。なお、この引出電極49が第1の共通配線となり、引出電極51が第2の共通配線からの引出電極となる。
Next, as shown in FIG. 9 (f), an Au · Ge / Ni film is deposited to form ohmic electrodes in the contact holes 43 to 45, and the
図10は、Inパンプを形成した段階の赤外線撮像素子の概略的斜視図であり、固定抵抗素子と画素の積層体が第2の共通配線となるn型GaAs層33上に格子状に配列された状態となる。
FIG. 10 is a schematic perspective view of the infrared imaging element at the stage where the In bump is formed. A stacked body of fixed resistance elements and pixels is arranged in a lattice pattern on the n-
図11は、本発明の実施例1の赤外線撮像装置の一部切り欠き斜視図である。図10に示した赤外線撮像素子30をInバンプ52により信号読出回路61及びバイアス兼スイッチングトランジスタを形成したSi信号処理回路装置60とフリップチップボンディング技術を用いてハイブリッド接続を行うことにより赤外線撮像装置の本体部となる。最後に、赤外線撮像装置の本体部に対して、必要な光学系や冷却デュア容器内への設置等の工程を終えて、本発明の赤外線撮像装置が完成する。
FIG. 11 is a partially cutaway perspective view of the infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention. The
このように、本発明の実施例1においては、各画素の第2の電極に固定抵抗素子を介して第2の共通配線を接続しているので、各画素出力に対していわば自己整合的に負帰還が生じることになる。その結果として、全体の装置構成を大きく複雑化させることなくFPA画素出力の面内均一性を向上することができる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, the second common wiring is connected to the second electrode of each pixel via the fixed resistance element. Negative feedback will occur. As a result, the in-plane uniformity of the FPA pixel output can be improved without greatly complicating the overall apparatus configuration.
次に、図12及び図13を参照して、本発明の実施例2の赤外線撮像装置を説明する。図12は、本発明の実施例2の赤外線撮像素子の概略的断面図であり、基本的構造は上記の実施例1と同様であるが、第2の共通配線としてp型GaAs層55を用い、負荷素子としてp型AlGaAs層56を利用したダイオードを用いたものである。
Next, an infrared imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the infrared imaging device according to the second embodiment of the present invention. The basic structure is the same as that of the first embodiment, but the p-
即ち、半絶縁性GaAs基板31上にi型GaAsバッファ層32及び第2の共通電極となるp型GaAs層55上にダイオードと画素の積層構造が形成される。ダイオードはp型AlGaAs層56とn型GaAs層35との間のpn接合により形成される。
That is, a stacked structure of a diode and a pixel is formed on the
図13は、本発明の実施例2の赤外線撮像装置の等価回路図であり、図6に示した実施例1の赤外線撮像装置の等価回路における固定抵抗素子541,542をダイオード571,572に置き換えたものである。なお、ここでも、トランジスタ631,632のドレイン側に接続される蓄積容量Cは図示を省略している。この場合は、負荷素子としてダイオード571,572を用いているので負帰還によりダイオード571,572の非線形特性に応じた電流が画素531,532に向かって流れようとする。
Figure 13 is an equivalent circuit diagram of the infrared imaging apparatus of the second embodiment of the present invention, the fixed resistance elements 54 1, 54 2 diodes 57 1 in the equivalent circuit of the infrared imaging apparatus of the first embodiment shown in FIG. 6, it is replaced with a 57 2. Also here, the storage capacitor C connected to the drain side of the transistors 63 1 and 63 2 is not shown. In this case, the
本発明の実施例2においても、ダイオードの非線形特性を利用して各画素出力に対していわば自己整合的に負帰還が生じさせているので、装置構成を大きく複雑化させることなくFPA画素出力の面内均一性を向上することができる。
Also in
なお、上記の各実施例の説明では第1の共通配間と第1の電極との電気的接続が、赤外線撮像素子側でなされているが、第1の共通配線は電気的に互いに接続され、且つバイアス回路と接続されていれば良いので、Si信号処理回路基板側で行っても良い。なお、本発明の説明においては、QWIP素子を例として説明してきたが、上記において縷々説明したように、QWIP素子に限られるものではない。即ち、半導体基板と、半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構とを有する構造であれば良く、このような赤外線撮像素子を2次元的に配置することにより赤外線撮像装置を形成することができる。 In the description of each of the above embodiments, the first common wiring and the first electrode are electrically connected on the infrared imaging element side. However, the first common wiring is electrically connected to each other. In addition, since it only needs to be connected to the bias circuit, it may be performed on the Si signal processing circuit board side. In the description of the present invention, the QWIP element has been described as an example. However, as often described above, the present invention is not limited to the QWIP element. That is, a semiconductor substrate, a plurality of pixels arranged in a two-dimensional lattice pattern on the semiconductor substrate, and having a first electrode connected to a common wiring and a second electrode for reading out an output, and between the pixels And a control mechanism that suppresses the output difference between the pixels by automatically detecting the output difference and giving negative feedback to the pixels. An infrared imaging device can be formed by arranging in a dimension.
ここで、実施例1及び実施例2含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)半導体基板と、半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構とを有し、前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子であることを特徴とする赤外線撮像素子。
(付記2)前記負荷素子が、固定抵抗素子であることを特徴とする付記1に記載の赤外線撮像素子。
(付記3)前記固定抵抗素子が、前記半導体基板と前記画素との間に設けられた半導体層からなることを特徴とする付記2に記載の赤外線撮像素子。
(付記4)前記負荷素子が、ダイオードであることを特徴とする付記1に記載の赤外線撮像素子。
(付記5)前記ダイオード素子が、前記半導体基板と前記画素との間に設けられたp型半導体層とn型半導体層からなることを特徴とする付記4に記載の赤外線撮像素子。
(付記6)前記画素が、量子井戸構造における伝導帯側の量子準位を介した遷移を利用した多重量子井戸構造を有していることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の赤外線撮像素子。
(付記7)半導体基板と、半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構とを有し、前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子である赤外線撮像素子と、前記各画素に対応するバイアス兼スイッチング用のトランジスタを二次元格子状に配列した信号処理回路基板と、前記各画素と前記各トランジスタを1:1で接続する突起状電極とを有することを特徴とする赤外線撮像装置。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiment of the present invention including Example 1 and Example 2.
(Supplementary Note 1) and the semiconductor substrate, as well as arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a plurality of pixels having a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring , wherein possess a suppressing control mechanism output difference between pixels by applying the negative feedback with respect to automatically detect and each pixel output difference between pixels, the control mechanism, the first An infrared imaging device, characterized in that it is a load element connected between the two electrodes and a second common wiring connected to a fixed potential other than the ground potential .
(Supplementary note 2 ) The infrared imaging element according to
(Supplementary note 3 ) The infrared imaging element according to
(Supplementary note 4 ) The infrared imaging element according to
(Supplementary note 5 ) The infrared imaging element according to supplementary note 4 , wherein the diode element includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer provided between the semiconductor substrate and the pixel.
(Appendix 6 ) In any one of
And (Supplementary Note 7) a semiconductor substrate, as well as arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a plurality of pixels having a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring , wherein possess a suppressing control mechanism output difference between pixels by applying the negative feedback with respect to automatically detect and each pixel output difference between pixels, the control mechanism, the first An infrared imaging device which is a load element connected between the two electrodes and a second common wiring connected to a fixed potential other than the ground potential, and a bias and switching transistor corresponding to each pixel are two-dimensionally arranged. An infrared imaging apparatus, comprising: a signal processing circuit board arranged in a lattice pattern; and a protruding electrode that connects the pixels and the transistors in a 1: 1 ratio.
11 半導体基板
12 第2の共通配線
131,132 負荷素子
141,142 画素
15 光結合構造
161,162 第1の電極
171,172 第2の電極
18 第1の共通配線
19 引出電極
211,212 トランジスタ
22 ワード線
30 赤外線撮像素子
31 半絶縁性GaAs基板
32 i型GaAsバッファ層
33 n型GaAs層
34 n型AlGaAs層
35 n型GaAs層
36 多重量子井戸層
37 n型GaAs層
38 n型AlGaAsエッチング停止層
39 n型GaAs層
40 回折格子
41 画素分離溝
42 SiON膜
43〜45 コンタクトホール
46,461,462 第1の電極
47,471,472 第2の電極
48 共通電極
49〜51 引出電極
52 Inバンプ
531,532 画素
541,542 固定抵抗素子
55 p型GaAs層
56 p型AlGaAs層
571,572 ダイオード
60 Si信号処理回路基板
61 読出回路
62 赤外線
631,632 トランジスタ
64 ワード線
71,711,712 QWIP素子
72,721,722 トランジスタ
73 キャパシタ
74 共通配線
75 ワード線
Claims (4)
半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、
前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構と
を有し、
前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子であることを特徴とする赤外線撮像素子。 A semiconductor substrate;
While arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a plurality of pixels having a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring,
Wherein possess a suppressing control mechanism output difference between the pixels by providing a negative feedback with respect to automatically detect and each pixel output difference between the pixels,
The infrared imaging element , wherein the control mechanism is a load element connected between the second electrode and a second common wiring connected to a fixed potential other than a ground potential .
半導体基板上に二次元格子状に配列するとともに、第1の共通配線に接続される第1の電極と出力を読み出すための第2の電極を有する複数の画素と、
前記各画素間の出力差を自動的に検知し前記各画素に対して負帰還を与えることにより前記各画素間の出力差を抑制する制御機構と
を有し、前記制御機構が、前記第2の電極と接地電位以外の固定電位に接続された第2の共通配線との間に接続された負荷素子である赤外線撮像素子と、
前記各画素に対応するバイアス兼スイッチング用のトランジスタを二次元格子状に配列した信号処理回路基板と、
前記各画素と前記各トランジスタを1:1で接続する突起状電極と
を有することを特徴とする赤外線撮像装置。 A semiconductor substrate;
While arranged in a two-dimensional lattice shape on a semiconductor substrate, a plurality of pixels having a second electrode for reading an output a first electrode connected to the first common wiring,
Wherein possess a suppressing control mechanism output difference between pixels by applying the negative feedback with respect to automatically detect and each pixel output difference between pixels, the control mechanism, the second An infrared imaging element which is a load element connected between the electrode of the second electrode and a second common wiring connected to a fixed potential other than the ground potential ;
A signal processing circuit board in which transistors for bias and switching corresponding to each pixel are arranged in a two-dimensional lattice;
An infrared imaging device, comprising: a projection electrode that connects the pixels and the transistors in a ratio of 1: 1.
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