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JP7615630B2 - Photodetector and imaging device - Google Patents
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Description

本開示は、光検出器、及び撮像装置に関する。 This disclosure relates to a photodetector and an imaging device.

光検出器は、特定の波長の光に感度を有する受光素子のアレイを、バンプ電極によって読み出し回路(Readout Integrated Circuit:ROIC)に接合して作製される。入射光の強度に対応した量の電流を生成する量子型の光検出器は、動作温度の上限が信号対雑音(S/N)比で制限されるため、冷却下で使用される。たとえば、量子井戸赤外線検出器(Quantum Well Infrared Photodetector:QWIP)や量子ドット赤外線検出器(Quantum Dot Infrared Photodetector:QDIP)は、動作時に約80Kに冷却される。低温で冷却することで素子の暗電流を抑制し、雑音を低減してS/N比を改善する。光検出器の動作終了後は室温(約300K)に戻され、極低温と室温の間の熱サイクルが繰り返される。 Photodetectors are made by bonding an array of light-receiving elements, each sensitive to a specific wavelength of light, to a readout integrated circuit (ROIC) using bump electrodes. Quantum-type photodetectors generate a current corresponding to the intensity of the incident light, and the upper limit of their operating temperature is limited by the signal-to-noise (S/N) ratio, so they are used under cooling. For example, quantum well infrared photodetectors (QWIP) and quantum dot infrared photodetectors (QDIP) are cooled to about 80K during operation. Cooling at a low temperature suppresses the dark current of the element, reduces noise, and improves the S/N ratio. After the photodetector has finished operating, it is returned to room temperature (about 300K), and the thermal cycle between the cryogenic temperature and room temperature is repeated.

化合物半導体で形成される受光素子アレイと、一般的にシリコン(Si)基板で形成されるROICでは、熱膨張係数が異なる。動作温度と室温との差が大きいため、熱膨張係数の差に起因してバンプ電極にストレスがかかり、バンプ間の短絡などの不良が発生し得る。そこで、受光素子アレイとROICの間にアンダーフィルが注入され、受光素子アレイとROICの間の接続が補強される。 The thermal expansion coefficients of a photodiode array made of a compound semiconductor and a ROIC, which is generally made of a silicon (Si) substrate, are different. Because the difference between the operating temperature and room temperature is large, the difference in thermal expansion coefficients can cause stress on the bump electrodes, leading to defects such as short circuits between the bumps. Therefore, an underfill is injected between the photodiode array and the ROIC to reinforce the connection between them.

受光素子アレイの各画素が半導体メサで形成されている場合、アンダーフィルはメサとメサの間にも注入される。低温と室温との間の温度変化によって半導体受光素子に発生する応力を低減するために、メサとメサの間を、酸化アルミニウムとエポキシ樹脂体の少なくとも一方で埋め込む構成が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 When each pixel of the light receiving element array is formed of a semiconductor mesa, the underfill is also injected between the mesas. In order to reduce the stress that occurs in the semiconductor light receiving element due to temperature changes between low and room temperatures, a configuration has been proposed in which the space between the mesas is filled with at least one of aluminum oxide and epoxy resin (see, for example, Patent Document 1).

特開2017-195327号公報JP 2017-195327 A

受光素子アレイの光入射側に、全画素に共通の共通電極が配置される場合、共通電極は吸収層よりも大きなバンドギャップの材料で形成され、かつ、数ミクロン程度の厚さに薄層化されて、入射光を吸収層へと透過させる。数百ミクロンの厚さをもつROIC側のSi基板と比較して、受光素子アレイは非常に薄い。受光素子アレイとROICを接続するバンプ電極の機械的な強度を保つためにアンダーフィルが導入されるが、アンダーフィルは樹脂を主成分とするため、熱膨張係数がSiや化合物半導体と比べて一桁大きい。アンダーフィルは低温で縮みやすく、薄い共通電極に強い応力がかかると、共通電極にクラック等が発生し、破壊される。 When a common electrode common to all pixels is placed on the light incident side of the light receiving element array, the common electrode is made of a material with a larger band gap than the absorption layer and is thinned to a thickness of about a few microns to transmit the incident light to the absorption layer. Compared to the Si substrate on the ROIC side, which is several hundred microns thick, the light receiving element array is very thin. Underfill is introduced to maintain the mechanical strength of the bump electrodes connecting the light receiving element array and the ROIC, but since the underfill is mainly composed of resin, its thermal expansion coefficient is one order of magnitude larger than that of Si and compound semiconductors. The underfill is prone to shrinkage at low temperatures, and if a strong stress is applied to the thin common electrode, cracks will occur in the common electrode, causing it to break.

本開示は、熱サイクル下で用いられる光検出器において、共通電極の破壊を防止する構成を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a configuration that prevents damage to the common electrode in a photodetector used under thermal cycling.

本開示の一形態では、光検出器は、所定の波長の光に感度を有する受光素子を有する受光素子アレイと、突起電極によって前記受光素子アレイに接合される読み出し回路と、前記読み出し回路と前記受光素子アレイの間に配置されるアンダーフィルと、を有し、
前記受光素子アレイは、前記読み出し回路との接合面と反対側に共通電極を有し、
前記共通電極は、前記所定の波長の光に対して透明であり、膜厚方向の少なくとも一部に超格子の応力調整層を有する。
In one embodiment of the present disclosure, a photodetector includes a light receiving element array having light receiving elements sensitive to light of a predetermined wavelength, a readout circuit joined to the light receiving element array by a protruding electrode, and an underfill disposed between the readout circuit and the light receiving element array;
the light receiving element array has a common electrode on a side opposite to a surface bonded to the readout circuit;
The common electrode is transparent to light of the predetermined wavelength, and has a superlattice stress adjustment layer in at least a portion in a thickness direction.

熱サイクル下で用いられる光検出器において、共通電極の破壊を防止できる。 In photodetectors used under thermal cycles, damage to the common electrode can be prevented.

アンダーフィルで固定された光検出器の技術課題を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a technical problem of a photodetector fixed with underfill. 実施形態の光検出器の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a photodetector according to an embodiment. 受光素子アレイの作製工程図である。1A to 1C are diagrams showing the steps for producing a light-receiving element array. 受光素子アレイの作製工程図である。1A to 1C are diagrams showing the steps for producing a light-receiving element array. 受光素子アレイの作製工程図である。1A to 1C are diagrams showing the steps for producing a light-receiving element array. 受光素子アレイの作製工程図である。1A to 1C are diagrams showing the steps for producing a light-receiving element array. 受光素子アレイと読み出し回路の接合を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a junction between a light receiving element array and a readout circuit. 光検出器を用いた撮像装置Imaging device using a photodetector

実施形態の構成を説明する前に、図1を参照して、アンダーフィルで固定された光検出器の技術課題をより詳細に説明する。受光素子アレイ300は、突起電極42によって読み出し回路20にフリップチップ接合されて、焦点面アレイ(Focal Plane Array:FPA)が形成される。受光素子アレイ300と読み出し回路20の間にアンダーフィル41が注入され、突起電極42がアンダーフィル41によって固定される。 Before describing the configuration of the embodiment, the technical issues of a photodetector fixed with underfill will be described in more detail with reference to FIG. 1. The light receiving element array 300 is flip-chip bonded to the readout circuit 20 by protruding electrodes 42 to form a focal plane array (FPA). Underfill 41 is injected between the light receiving element array 300 and the readout circuit 20, and the protruding electrodes 42 are fixed by the underfill 41.

受光素子アレイ300は、絶縁膜39で覆われた複数のメサ37の配列を有する。各メサ37は光吸収層35を含み、個々の受光素子または画素を形成する。光吸収層35は、膜厚方向の一方の側で、第1コンタクト層34を介して共通電極301に接続され、他方の側で第2コンタクト層36を介して個別の電極38に接続されている。 The light receiving element array 300 has an arrangement of multiple mesas 37 covered with an insulating film 39. Each mesa 37 includes a light absorbing layer 35 and forms an individual light receiving element or pixel. The light absorbing layer 35 is connected to a common electrode 301 via a first contact layer 34 on one side in the film thickness direction and to an individual electrode 38 via a second contact layer 36 on the other side.

上述のように、受光素子アレイ300と読み出し回路20では材料が異なり、熱膨張係数も異なる。読み出し回路20がSi基板で形成されている場合、その熱膨張係数は約3.34×10-6[K-1]である。一方、化合物半導体としてGaSbを用いる場合の熱膨張係数は7.74×10-6[K-1]、GaAsを用いる場合の熱膨張係数は5.70×10-6[K-1]であり、Siの熱膨張係数よりも大きい。 As described above, the light receiving element array 300 and the readout circuit 20 are made of different materials and have different thermal expansion coefficients. When the readout circuit 20 is formed of a Si substrate, its thermal expansion coefficient is approximately 3.34×10 −6 [K −1 ]. On the other hand, when GaSb is used as the compound semiconductor, the thermal expansion coefficient is 7.74×10 −6 [K −1 ], and when GaAs is used, the thermal expansion coefficient is 5.70×10 −6 [K −1 ], both of which are larger than the thermal expansion coefficient of Si.

動作時と室温との温度差が大きいため、熱膨張係数の差に起因して、突起電極42に接続されている受光素子側の電極38と、読み出し回路20側の電極の位置がずれないように、突起電極42のまわりはアンダーフィル41によって固定されている。アンダーフィル41は、フリップチップ接合後に共通電極301側の基板を薄層化する際に、突起電極42の機械的強度を保つためにも必要である。 The protruding electrodes 42 are secured by underfill 41 to prevent the electrodes 38 on the light receiving element side connected to the protruding electrodes 42 from shifting positions from the electrodes on the readout circuit 20 side due to the large temperature difference between room temperature and during operation, which may occur due to the difference in thermal expansion coefficients. The underfill 41 is also necessary to maintain the mechanical strength of the protruding electrodes 42 when the substrate on the common electrode 301 side is thinned after flip-chip bonding.

しかし、典型的なアンダーフィルの熱膨張係数は、約50×10-6[K-1]であり、受光素子アレイ300で用いられる化合物半導体の熱膨張係数よりも1桁大きい。アンダーフィル41にフィラーを入れることで熱膨張係数を下げる試みもあるが、それでもアンダーフィル41の熱膨張係数は、Siや化合物半導体の熱膨張係数と比べると、大きい。アンダーフィル41が低温サイクルで縮むと、薄い共通電極301に強い応力がかかり、共通電極301が破壊する。 However, the thermal expansion coefficient of a typical underfill is about 50×10 −6 [K −1 ], which is one order of magnitude larger than the thermal expansion coefficient of the compound semiconductor used in the light-receiving element array 300. Although there have been attempts to lower the thermal expansion coefficient by adding a filler to the underfill 41, the thermal expansion coefficient of the underfill 41 is still larger than the thermal expansion coefficient of Si and the compound semiconductor. If the underfill 41 shrinks in a low-temperature cycle, a strong stress is applied to the thin common electrode 301, causing the common electrode 301 to break.

図2は、実施形態の光検出器10の構成を示す模式図である。共通電極の破壊を防止するために、実施形態では、共通電極の膜厚方向の少なくとも一部に、光吸収層と比べて全体としての格子定数が小さい超格子層を導入する。この超格子層は、アンダーフィル41による応力を緩和または相殺する応力調整層となる。 Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the photodetector 10 of the embodiment. In order to prevent damage to the common electrode, in the embodiment, a superlattice layer having an overall lattice constant smaller than that of the light absorption layer is introduced in at least a portion of the common electrode in the film thickness direction. This superlattice layer serves as a stress adjustment layer that relieves or offsets the stress caused by the underfill 41.

光検出器10は、読み出し回路20と、突起電極42によって読み出し回路20にフリップチップ接合された受光素子アレイ30と、読み出し回路20と受光素子アレイ30の間に充填されたアンダーフィル41を有する。 The photodetector 10 has a readout circuit 20, a light receiving element array 30 that is flip-chip bonded to the readout circuit 20 by protruding electrodes 42, and an underfill 41 filled between the readout circuit 20 and the light receiving element array 30.

受光素子アレイ30は、共通電極31と、共通電極31に接続された複数の受光素子320を有する。各受光素子320は、光吸収層35を含むメサ37で形成されている。光吸収層35は、所定の波長の光に感度を有する。共通電極31は白矢印で示す光の入射側に配置され、光吸収層35が感度をもつ波長の光に対しては透明である。共通電極31は光吸収層35よりもバンドギャップエネルギーが大きい材料で形成されている。 The light receiving element array 30 has a common electrode 31 and a number of light receiving elements 320 connected to the common electrode 31. Each light receiving element 320 is formed of a mesa 37 including a light absorbing layer 35. The light absorbing layer 35 is sensitive to light of a specific wavelength. The common electrode 31 is disposed on the light incident side indicated by the white arrow, and is transparent to light of a wavelength to which the light absorbing layer 35 is sensitive. The common electrode 31 is formed of a material with a larger band gap energy than the light absorbing layer 35.

共通電極31は、複数の受光素子320に共通の電位を供給する共通電極層313と、超格子で形成された応力調整層312を有する。共通電極層313は、不純物が添加されて、電気的な抵抗が低減されている。応力調整層312において、超格子全体としての格子定数は、光吸収層35の格子定数よりも小さい。応力調整層312は、光検出器10が低温で動作するときにアンダーフィル41からかかる応力を緩和または相殺する。 The common electrode 31 has a common electrode layer 313 that supplies a common potential to the multiple light receiving elements 320, and a stress adjustment layer 312 formed of a superlattice. The common electrode layer 313 is doped with impurities to reduce electrical resistance. In the stress adjustment layer 312, the lattice constant of the superlattice as a whole is smaller than the lattice constant of the light absorption layer 35. The stress adjustment layer 312 relieves or offsets the stress applied from the underfill 41 when the photodetector 10 operates at low temperatures.

たとえば、低温でアンダーフィル41が収縮して、共通電極層313に圧縮応力がかかるときに、共通電極31の内部に、共通電極層313に引っ張り応力を加える層を配置することで、アンダーフィル41によって圧縮される方向と逆向きの力で、アンダーフィル収縮の影響を緩和する。 For example, when the underfill 41 shrinks at low temperatures and compressive stress is applied to the common electrode layer 313, a layer that applies tensile stress to the common electrode layer 313 is disposed inside the common electrode 31, and the effect of the underfill shrinkage is mitigated by a force in the opposite direction to the compression caused by the underfill 41.

共通電極31の少なくとも一部に応力調整層312が設けられていればよいので、共通電極31を三層構造にして、共通電極層311と、素子側の共通電極層313の間に応力調整層312を配置してもよい。この場合、最外面の共通電極層311を、保護層として機能させてもよい。共通電極31の光入射側の最表面に応力調整層312の超格子が露出すると、特にアンチモン(Sb)が表面に露出する場合に表面の状態が不安定になり、光の入射が不均一になる恐れがある。応力調整層312の表面を共通電極層311で覆うことで、共通電極31の構造または状態を安定化することができる。 Since it is sufficient that the stress adjustment layer 312 is provided on at least a part of the common electrode 31, the common electrode 31 may have a three-layer structure, with the stress adjustment layer 312 disposed between the common electrode layer 311 and the common electrode layer 313 on the element side. In this case, the outermost common electrode layer 311 may function as a protective layer. If the superlattice of the stress adjustment layer 312 is exposed on the outermost surface of the light incidence side of the common electrode 31, the state of the surface may become unstable, particularly when antimony (Sb) is exposed on the surface, which may cause the incidence of light to become non-uniform. By covering the surface of the stress adjustment layer 312 with the common electrode layer 311, the structure or state of the common electrode 31 can be stabilized.

応力調整層312は、歪超格子の層である。歪み超格子は、異なる格子定数の半導体材料の膜厚を精密に制御して、原子層レベルの薄膜を交互に積み上げることで、格子不整合による転位や欠陥の発生を抑制し、かつ、内部に強い応力を保持する。応力調整層312に不純物を添加して導電性の歪み超格子としてもよい。この場合、応力調整層312は、共通電極層313とともに、各受光素子320に共通電位を供給する電極そのものとして機能し得る。 The stress adjustment layer 312 is a layer of a strained superlattice. The strained superlattice is formed by precisely controlling the thickness of semiconductor materials with different lattice constants and stacking thin films at the atomic layer level alternately, thereby suppressing the occurrence of dislocations and defects due to lattice mismatch and maintaining strong internal stress. Impurities may be added to the stress adjustment layer 312 to make it a conductive strained superlattice. In this case, the stress adjustment layer 312, together with the common electrode layer 313, can function as the electrode itself that supplies a common potential to each light receiving element 320.

共通電極31の全体としての格子定数が光吸収層35の格子定数よりも小さく保たれるかぎり、共通電極層313の格子定数は、光吸収層35の格子定数と同じか、または近接していることが望ましい。光吸収層35と共通電極31の界面で格子整合させることで、結晶品質が良好に保たれる。共通電極31を三層構造とする場合は、共通電極層313と311の格子定数が、光吸収層35の格子定数と同じか、または近接していてもよい。 As long as the overall lattice constant of the common electrode 31 is kept smaller than the lattice constant of the light absorbing layer 35, it is desirable that the lattice constant of the common electrode layer 313 be the same as or close to the lattice constant of the light absorbing layer 35. By lattice matching at the interface between the light absorbing layer 35 and the common electrode 31, good crystal quality is maintained. When the common electrode 31 has a three-layer structure, the lattice constants of the common electrode layers 313 and 311 may be the same as or close to the lattice constant of the light absorbing layer 35.

応力調整層312の内部で、膜厚方向に格子定数が変化していてもよい。たとえば、二層構造の場合は、共通電極層313との界面に近傍に位置する超格子の格子定数を、共通電極層313の格子定数に近似させ、共通電極層313との界面から離れるほど、格子定数を小さくする構成でもよい。 The lattice constant may vary in the thickness direction inside the stress adjustment layer 312. For example, in the case of a two-layer structure, the lattice constant of the superlattice located near the interface with the common electrode layer 313 may be approximated to the lattice constant of the common electrode layer 313, and the lattice constant may be made smaller the further away from the interface with the common electrode layer 313.

三層構造の場合は、共通電極層313との界面、及び共通電極層311との界面の近傍に位置する超格子の格子定数よりも、応力調整層312の膜厚方向の中央付近の格子定数を小さくしてもよい。この場合、応力調整層312の格子定数は、共通電極層313の界面から応力調整層312の内部に向かって小さくなり、応力調整層312の膜厚方向の中央付近で最小になり、反対側の共通電極層311の界面に向かって、徐々に大きくなる。応力調整層312の内部の格子定数は、超格子を形成する化合物半導体の種類と膜厚の組み合わせを調整することで、変えることができる。 In the case of a three-layer structure, the lattice constant near the center in the thickness direction of the stress adjustment layer 312 may be smaller than the lattice constant of the superlattice located near the interface with the common electrode layer 313 and the interface with the common electrode layer 311. In this case, the lattice constant of the stress adjustment layer 312 decreases from the interface with the common electrode layer 313 toward the inside of the stress adjustment layer 312, becomes smallest near the center in the thickness direction of the stress adjustment layer 312, and gradually increases toward the interface with the common electrode layer 311 on the opposite side. The lattice constant inside the stress adjustment layer 312 can be changed by adjusting the combination of the type and thickness of the compound semiconductor that forms the superlattice.

共通電極31は、十分な量の入射光を光吸収層35に透過させるために、十分に薄く形成されるが、アンダーフィル41からかかる応力を緩和または相殺できる程度の厚さを有する。一例として4~10μm、より好ましくは6~8μmである。共通電極31の厚さが4μm未満になると、応力調整層312に十分な厚さを確保するのが困難になり、応力緩和の効果を十分に引き出すことが難しい。共通電極31の厚さが10μmを超えると、散乱等の影響により光吸収層35への、本来到達すべき光の入射量が減少し、隣接画素間でクロストークが発生する可能性がある。 The common electrode 31 is formed thin enough to transmit a sufficient amount of incident light to the light absorption layer 35, but thick enough to alleviate or offset the stress applied by the underfill 41. For example, it is 4 to 10 μm, and more preferably 6 to 8 μm. If the thickness of the common electrode 31 is less than 4 μm, it becomes difficult to ensure a sufficient thickness for the stress adjustment layer 312, and it becomes difficult to fully obtain the effect of stress alleviation. If the thickness of the common electrode 31 exceeds 10 μm, the amount of incident light that should normally reach the light absorption layer 35 decreases due to the effects of scattering, etc., and crosstalk may occur between adjacent pixels.

受光素子320を形成するメサ37で、光吸収層35は、第1コンタクト層34によって共通電極層313に接続され、第2コンタクト層36によって個別の電極38に接続されている。メサ37の側面と電極38の周囲は、絶縁膜39で覆われている。 In the mesa 37 that forms the light receiving element 320, the light absorbing layer 35 is connected to the common electrode layer 313 by the first contact layer 34, and is connected to the individual electrodes 38 by the second contact layer 36. The sides of the mesa 37 and the periphery of the electrodes 38 are covered with an insulating film 39.

接する受光素子320の間にもアンダーフィル41が充填され、共通電極31は、絶縁膜39を間に挟んで、アンダーフィル41と隣接する。共通電極31に応力調整層312を設けることで、熱サイクル下でアンダーフィル41が収縮しても、共通電極31の破損を防止できる。 Underfill 41 is also filled between adjacent light receiving elements 320, and common electrode 31 is adjacent to underfill 41 with insulating film 39 sandwiched therebetween. By providing stress adjustment layer 312 on common electrode 31, damage to common electrode 31 can be prevented even if underfill 41 shrinks under thermal cycles.

受光素子アレイ30の各受光素子320は、目的波長の入射光の強度に対応した電流を生成する。読み出し回路20は、各受光素子320で生成された電流を読み出して、受光素子320ごとに設けられたキャパシタに電荷を蓄積する。光検出器10は、蓄積された電荷をアンプで電圧に変換し、増幅して出力することで、光検知結果を外部に供給してもよい。 Each light receiving element 320 of the light receiving element array 30 generates a current corresponding to the intensity of incident light of the target wavelength. The readout circuit 20 reads out the current generated by each light receiving element 320 and accumulates charge in a capacitor provided for each light receiving element 320. The photodetector 10 may convert the accumulated charge into a voltage using an amplifier, amplify it, and output it to supply the light detection result to the outside.

図3A~図3Dは、受光素子アレイ30の作製工程の一例を示す図である。図3Aで、基板310上に、共通電極層311、応力調整層312、共通電極層313、第1コンタクト層34、光吸収層35、及び、第2コンタクト層36を、この順でエピタキシャル成長する。基板310と共通電極層311の間に、バッファ層を配置してもよい。 Figures 3A to 3D are diagrams showing an example of a manufacturing process for a light-receiving element array 30. In Figure 3A, a common electrode layer 311, a stress adjustment layer 312, a common electrode layer 313, a first contact layer 34, a light absorption layer 35, and a second contact layer 36 are epitaxially grown in this order on a substrate 310. A buffer layer may be disposed between the substrate 310 and the common electrode layer 311.

基板310は、GaAs、InP、GaSb等の化合物半導体の基板である。基板310の上への各層のエピタキシャル成長は、分子線エピタキシ(MBE: Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属成長(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等によって行われる。受光素子320が目的波長の光を検知できるかぎり、エピタキシャル成長される各層の材料、光検出構造などに特に制限はない。以下の例では、GaSb基板を例にとり、1波長の長波長赤外線(8~12μm)を検知する構成に基づいて説明する。この場合は、基板の欠陥密度を低減するために、n型のGaSb基板を用いてもよい。 The substrate 310 is a substrate of a compound semiconductor such as GaAs, InP, or GaSb. The epitaxial growth of each layer on the substrate 310 is performed by a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or the like. As long as the light receiving element 320 can detect light of the target wavelength, there are no particular limitations on the material of each epitaxially grown layer or the light detection structure. In the following example, a GaSb substrate is used as an example, and a configuration for detecting one long-wavelength infrared ray (8 to 12 μm) is described. In this case, an n-type GaSb substrate may be used to reduce the defect density of the substrate.

GaSbの基板310の上にバッファ層を形成する場合は、ノンドープのGaSb層を1μmの厚さに成長してもよい。ノンドープというときは、成長プロセスで意図的に不純物が導入されないことを意味し、不可避的に混入する不純物が低い濃度で含まれていてもよい。 When forming a buffer layer on a GaSb substrate 310, a non-doped GaSb layer may be grown to a thickness of 1 μm. Non-doped means that no impurities are intentionally introduced during the growth process, and may contain low concentrations of unavoidable impurities.

共通電極層311として、GaSbと格子整合したノンドープのInAs0.91Sb0.09の層を厚さ1μmに成長する。応力調整層312として、ノンドープのInAs/GaSbまたはInAs/AlSbの超格子を、厚さ5μmに成長する。1周期の厚さが数ナノメートルのInAs/GaSb、またはInAs/AlSbを繰り返し形成することで、転位等の欠陥の発生を抑えながら、格子定数の違いによる応力を応力調整層312の内部に保持することができる。なお、InAs/GaSbまたはInAs/AlSbの超格子の界面に、応力調整用の薄いInSb層を導入してもよい。 As the common electrode layer 311, a non-doped InAs 0.91 Sb 0.09 layer lattice-matched with GaSb is grown to a thickness of 1 μm. As the stress adjustment layer 312, a non-doped InAs/GaSb or InAs/AlSb superlattice is grown to a thickness of 5 μm. By repeatedly forming InAs/GaSb or InAs/AlSb with a thickness of several nanometers per period, it is possible to hold stress due to differences in lattice constants inside the stress adjustment layer 312 while suppressing the occurrence of defects such as dislocations. A thin InSb layer for stress adjustment may be introduced at the interface of the InAs/GaSb or InAs/AlSb superlattice.

共通電極層313として、GaSbと格子整合したp型のInAs0.91Sb0.09の層を1μmの厚さに成長する。p型の不純物としてBe等を、5×1017~3×1018cm-3の濃度で添加する。共通電極層313にp型の不純物を添加する場合、成長方向で下層にある共通電極層311と応力調整層312に、同じ導電型の不純物を添加してもよい。この場合は、共通電極層311、応力調整層312、及び共通電極層313の全体が電極として機能する。 As the common electrode layer 313, a layer of p-type InAs 0.91 Sb 0.09 lattice-matched with GaSb is grown to a thickness of 1 μm. Be or the like is added as a p-type impurity at a concentration of 5×10 17 to 3×10 18 cm −3 . When adding a p-type impurity to the common electrode layer 313, impurities of the same conductivity type may be added to the common electrode layer 311 and the stress adjustment layer 312, which are located below in the growth direction. In this case, the common electrode layer 311, the stress adjustment layer 312, and the common electrode layer 313 as a whole function as electrodes.

第1コンタクト層34として、p型の不純物を3×1017~1×1018cm-3の濃度で添加したInAs/GaSb超格子を成長する。p型のInAs/GaSb層は、一例として、Beを不純物として含み、厚さ4.2nmのInAsと、厚さ2.1nmのGaSbを100周期繰り返す。 An InAs/GaSb superlattice doped with p-type impurities at a concentration of 3×10 17 to 1×10 18 cm −3 is grown as the first contact layer 34. As an example, the p-type InAs/GaSb layer contains Be as an impurity, and is formed by repeating 100 periods of InAs with a thickness of 4.2 nm and GaSb with a thickness of 2.1 nm.

光吸収層35は、ノンドープ、すなわち意図的な不純物添加が行われないInAs/GaSb超格子である。一例として、厚さ4.2nmのInAsと、厚さ2.1nmのGaSbを500周期繰り返す。この光吸収層35は、8~12μmの波長の光に感度を有する。 The light absorption layer 35 is a non-doped InAs/GaSb superlattice, i.e., no intentional impurities are added. As an example, 500 periods of InAs with a thickness of 4.2 nm and GaSb with a thickness of 2.1 nm are repeated. This light absorption layer 35 is sensitive to light with a wavelength of 8 to 12 μm.

第2コンタクト層36として、たとえば、n型の不純物を3×1017cm-3~1×1018cm-3の濃度で添加したInAs/GaSb超格子層と、n型の不純物を1×1018cm-3の濃度で添加したInAs層の積層を成長する。n型のInAs/GaSb超格子層は、一例としてSiを不純物として含み、厚さ4.2nmのInAsと、厚さ2.1nmのGaSbを100周期繰り返して形成される。InAs層は、たとえばSiを不純物として含む、厚さ20nm程度の層である。 For example, a stack of an InAs/GaSb superlattice layer doped with an n-type impurity at a concentration of 3×10 17 cm -3 to 1×10 18 cm -3 and an InAs layer doped with an n-type impurity at a concentration of 1×10 18 cm -3 is grown as the second contact layer 36. The n-type InAs/GaSb superlattice layer contains, for example, Si as an impurity, and is formed by repeating 100 periods of InAs with a thickness of 4.2 nm and GaSb with a thickness of 2.1 nm. The InAs layer is, for example, a layer with a thickness of about 20 nm that contains Si as an impurity.

図3Aの積層構造で、共通電極31の応力調整層312としてInAs/GaSb超格子を用い、かつ、光吸収層35の目的波長が長波長の赤外光である場合、光吸収層35のInAs/GaSb(4.2nm/2.1nm)超格子に対して、応力調整層312で用いるInAsの膜厚を減らして、カットオフ波長を短波長側にシフトさせることが望ましい。これにより、目的とする長波長の赤外光は応力調整層312を透過して、光吸収層35に入射する。 In the laminated structure of FIG. 3A, when an InAs/GaSb superlattice is used as the stress adjustment layer 312 of the common electrode 31 and the target wavelength of the light absorption layer 35 is long-wavelength infrared light, it is desirable to reduce the film thickness of the InAs used in the stress adjustment layer 312 relative to the InAs/GaSb (4.2 nm/2.1 nm) superlattice of the light absorption layer 35, thereby shifting the cutoff wavelength to the short-wavelength side. As a result, the target long-wavelength infrared light passes through the stress adjustment layer 312 and enters the light absorption layer 35.

光吸収層35のInAs/GaSb超格子に、InAsよりも格子定数の大きいInSb層を界面層として導入して、GaSbの基板310と格子整合させてもよい。InSb層はGaSb層の上下に入れても良いし、どちらか片方のみに入れてもよい。GaSb層の上にInSb層を入れる場合は、Gaの代わりにInを供給し、InAs層の上にInSb層を入れる場合は、Asの代わりにSbを供給する。 An InSb layer with a larger lattice constant than InAs may be introduced as an interface layer into the InAs/GaSb superlattice of the light absorption layer 35 to achieve lattice matching with the GaSb substrate 310. The InSb layers may be placed above and below the GaSb layer, or may be placed on only one of them. When placing an InSb layer on a GaSb layer, In is supplied instead of Ga, and when placing an InSb layer on an InAs layer, Sb is supplied instead of As.

一方、InAs/GaSbの応力調整層312では、界面のInSb層を意図的には入れず、応力調整層312全体としての格子定数を小さく維持して、応力を発生させる。応力調整層312をInAs/AlSb超格子で形成する場合は、カットオフ波長は短いため、主として応力の観点から、超格子の膜厚を調整すればよい。たとえば、InAsの膜厚を相対的に厚くして、InAs/AlSbの1周期の膜厚を4.2nm/1.2nmに設定することで、全体としての格子定数を小さくする。これにより、アンダーフィルからかかる応力と反対方向の応力が発生しやすくなる。この場合も、界面のInSb層の厚さを制御することにより、全体としての応力を調整することができる。 On the other hand, in the InAs/GaSb stress adjustment layer 312, the InSb layer at the interface is not intentionally inserted, and the lattice constant of the stress adjustment layer 312 as a whole is kept small to generate stress. When the stress adjustment layer 312 is formed of an InAs/AlSb superlattice, the cutoff wavelength is short, so the film thickness of the superlattice can be adjusted mainly from the viewpoint of stress. For example, the film thickness of InAs is made relatively thick and the film thickness of one period of InAs/AlSb is set to 4.2 nm/1.2 nm, thereby reducing the overall lattice constant. This makes it easier for stress to be generated in the opposite direction to the stress applied by the underfill. In this case, too, the overall stress can be adjusted by controlling the thickness of the InSb layer at the interface.

図3Bで、第1コンタクト層34、光吸収層35、及び第2コンタクト層36を含むメサ37を形成する。具体的には、図3Aの積層体の表面に、厚さ500nmのシリコン酸化(SiO)膜で、画素加工用のハードマスクを形成する。リソグラフィ法と反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法により、SiO膜をメサ37のパターンに加工する。加工されたハードマスクを用いて、第2コンタクト層36、光吸収層35、及び第1コンタクト層34を順次エッチング除去して、メサ37を形成する。メサ除去後は、ウエットエッチングによりハードマスクを除去しても良いし、後述する絶縁膜39の一部として残してもよい。 In FIG. 3B, a mesa 37 including a first contact layer 34, a light absorption layer 35, and a second contact layer 36 is formed. Specifically, a hard mask for pixel processing is formed on the surface of the stack of FIG. 3A with a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of 500 nm. The SiO 2 film is processed into a pattern of the mesa 37 by lithography and reactive ion etching (RIE). Using the processed hard mask, the second contact layer 36, the light absorption layer 35, and the first contact layer 34 are sequentially etched away to form the mesa 37. After the mesa is removed, the hard mask may be removed by wet etching, or may be left as a part of the insulating film 39 described later.

メサのエッチング中に、Gaの信号をモニタしてもよい。共通電極層313のInAsSbの表面が露出した時点でGaの信号が消えるので、メサエッチングの終点を検知できる。これにより、画素分離溝45で分離された複数のメサ37が形成される。 The Ga signal may be monitored during mesa etching. The Ga signal disappears when the InAsSb surface of the common electrode layer 313 is exposed, allowing the end point of mesa etching to be detected. This results in the formation of multiple mesas 37 separated by pixel isolation grooves 45.

図3Cで、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により、全面に絶縁膜39を形成する。絶縁膜39は、たとえば、厚さ500μmのSiO膜である。絶縁膜39はメサ37の側壁と、共通電極層313の表面を保護する。次に、リソグラフィ法とRIE法により絶縁膜39の一部をエッチングして、メサ37の上部の一部にコンタクトホールを形成する。このとき、受光素子アレイ30の外周に配置されるダミー画素用のメサでは、コンタクトホールから連続して、メサ側壁の絶縁膜39と共通電極層313の一部が除去される。共通電極層313に至るこのエッチング溝は、共通電位を印加する配線用の溝である。 In FIG. 3C, an insulating film 39 is formed on the entire surface by chemical vapor deposition (CVD). The insulating film 39 is, for example, a SiO 2 film having a thickness of 500 μm. The insulating film 39 protects the sidewall of the mesa 37 and the surface of the common electrode layer 313. Next, a part of the insulating film 39 is etched by lithography and RIE to form a contact hole in a part of the upper part of the mesa 37. At this time, in the mesa for the dummy pixel arranged on the outer periphery of the light receiving element array 30, the insulating film 39 on the mesa sidewall and a part of the common electrode layer 313 are removed continuously from the contact hole. This etching groove leading to the common electrode layer 313 is a groove for wiring that applies a common potential.

その後、レジストプロセスと金属膜の蒸着を用いたリフトオフ法により、コンタクトホール内に個別の電極38が形成される。ダミー画素では、電極38とともに、共通電極層313に至る引き出し配線が形成される。電極38は、たとえば、Ti/Pt/Auを50/200/200nmに堆積した金属電極である。 Then, individual electrodes 38 are formed in the contact holes by a lift-off method using a resist process and deposition of a metal film. In the dummy pixels, a lead-out wiring to the common electrode layer 313 is formed together with the electrode 38. The electrode 38 is, for example, a metal electrode formed by depositing Ti/Pt/Au to 50/200/200 nm.

図3Dで、レジストプロセスと金属膜の蒸着を用いたリフトオフ法により、電極38の上にバンプ322を形成する。バンプ322として、インジウム(In)のバンプを形成してもよい。これにより、複数の受光素子320を有する受光素子アレイ30が形成される。 In FIG. 3D, bumps 322 are formed on the electrodes 38 by a lift-off method using a resist process and deposition of a metal film. Bumps of indium (In) may be formed as the bumps 322. This forms a light receiving element array 30 having a plurality of light receiving elements 320.

図4は、受光素子アレイ30と読み出し回路20の接合を示す図である。シリコン基板上にあらかじめ読み出し回路20が形成されている。読み出し回路20には、電極21上にバンプ22が形成されている。受光素子アレイ30には、電極38上にバンプ322が形成されている。 Figure 4 shows the bonding of the light receiving element array 30 and the readout circuit 20. The readout circuit 20 is formed in advance on a silicon substrate. The readout circuit 20 has a bump 22 formed on an electrode 21. The light receiving element array 30 has a bump 322 formed on an electrode 38.

接合プロセスは、ウエハレベルでもチップレベルでも実施可能である。たとえば、ダイシングにより、個々の読み出し回路20と個々の受光素子アレイ30にチップ化したあとに、フリップチップボンディングによりバンプ322とバンプ22を接合する。このバンプ接合により、受光素子アレイ30と読み出し回路20を機械的、かつ電気的に接続する突起電極42が形成される。 The bonding process can be performed at either the wafer level or the chip level. For example, after dicing to chip the individual readout circuits 20 and the individual light receiving element arrays 30, the bumps 322 and the bumps 22 are bonded by flip chip bonding. This bump bonding forms protruding electrodes 42 that mechanically and electrically connect the light receiving element array 30 and the readout circuit 20.

受光素子アレイ30と読み出し回路20の間にアンダーフィル41を充填する。アンダーフィル41により、突起電極42の機械的強度が向上する。アンダーフィル41で突起電極42を固定した状態で、GaSbの基板310を除去する。基板310上にバッファ層を成長した場合は、バッファ層も除去する。たとえば、機械的な背面研削と化学的なエッチングを組み合わせて、GaSb基板310と必要に応じてバッファ層を除去し、共通電極層311を露出させる。露出した共通電極層311の光入射面に、反射防止膜を形成してもよい。これにより、光入射側に応力緩和効果のある薄い共通電極31をもつ光検出器10が得られる。 Underfill 41 is filled between the light receiving element array 30 and the readout circuit 20. The underfill 41 improves the mechanical strength of the protruding electrodes 42. With the protruding electrodes 42 fixed with the underfill 41, the GaSb substrate 310 is removed. If a buffer layer is grown on the substrate 310, the buffer layer is also removed. For example, the GaSb substrate 310 and, if necessary, the buffer layer are removed by a combination of mechanical back grinding and chemical etching to expose the common electrode layer 311. An anti-reflection film may be formed on the light incident surface of the exposed common electrode layer 311. This provides a photodetector 10 with a thin common electrode 31 that has a stress relaxation effect on the light incident side.

実施形態の光検出器10は、薄層化された共通電極31に接続された複数の受光素子320の間にアンダーフィル41が充填されている。実際の動作では、光検出器10の全体が真空冷却チャンバー内に配置され、極低温下で使用される。アンダーフィル41の収縮により薄い共通電極31に応力がかかっても、応力調整層312によりアンダーフィル41から印加される応力を緩和または相殺できる。共通電極31の破壊を防止し、光検出器10の信頼性、歩留まり等を向上することができる。 In the photodetector 10 of the embodiment, the gaps between the multiple light receiving elements 320 connected to the thinned common electrode 31 are filled with underfill 41. In actual operation, the entire photodetector 10 is placed in a vacuum cooling chamber and used at extremely low temperatures. Even if the thin common electrode 31 is subjected to stress due to contraction of the underfill 41, the stress adjustment layer 312 can alleviate or offset the stress applied from the underfill 41. This can prevent damage to the common electrode 31 and improve the reliability, yield, etc. of the photodetector 10.

図5は、光検出器10を用いた撮像装置1の模式図である。撮像装置1は、光検出器10と、光検出器10の出力に接続される演算処理回路2と、演算処理回路2の出力に接続される表示装置3を含む。光検出器10は、真空冷却チャンバー5内に配置されている。真空冷却チャンバー5には、光入射用の窓が設けられている。光検出器10の光入射側に入射光を受光素子アレイ30に集光する光学系が配置されていてもよい。 Figure 5 is a schematic diagram of an imaging device 1 using a photodetector 10. The imaging device 1 includes a photodetector 10, an arithmetic processing circuit 2 connected to the output of the photodetector 10, and a display device 3 connected to the output of the arithmetic processing circuit 2. The photodetector 10 is disposed in a vacuum cooling chamber 5. The vacuum cooling chamber 5 is provided with a window for light incidence. An optical system that focuses incident light onto a light receiving element array 30 may be disposed on the light incidence side of the photodetector 10.

光検出器10が赤外光に感度を有する場合、各受光素子320で検出された赤外光の情報は、観測対象の温度分布、ガス濃度分布等を表す。各受光素子320で検知された赤外光の強度情報は、読み出し回路20に読み出され、電圧信号として出力される。光検出器10から出力される電圧信号は、演算処理回路2に入力される。電圧信号が演算処理回路2に入力される前に、デジタル信号に変換されてもよい。演算処理回路2は、読み出し回路20からの出力信号に、感度ばらつき等の補正処理や、画像処理を施して、観測対象の温度分布やガス分布に応じた画像信号を生成する。表示装置3は、画像信号で形成される画像を表示する。 When the photodetector 10 is sensitive to infrared light, the information of the infrared light detected by each light receiving element 320 represents the temperature distribution, gas concentration distribution, etc. of the object to be observed. The intensity information of the infrared light detected by each light receiving element 320 is read out by the readout circuit 20 and output as a voltage signal. The voltage signal output from the photodetector 10 is input to the arithmetic processing circuit 2. Before being input to the arithmetic processing circuit 2, the voltage signal may be converted into a digital signal. The arithmetic processing circuit 2 performs correction processing for sensitivity variation, etc. and image processing on the output signal from the readout circuit 20 to generate an image signal corresponding to the temperature distribution and gas distribution of the object to be observed. The display device 3 displays the image formed by the image signal.

撮像装置1は、セキュリティ、インフラ点検の分野等で使用可能である。撮像装置1で用いられる光検出器10は、受光素子320の光電変換効果を用いた高感度のセンサである。共通電極31が応力緩和機能をもつため、冷却化で用いられても、アンダーフィルの収縮による薄い共通電極31の破壊が防止され、動作の信頼性が維持される。 The imaging device 1 can be used in fields such as security and infrastructure inspection. The photodetector 10 used in the imaging device 1 is a highly sensitive sensor that uses the photoelectric conversion effect of the light receiving element 320. Because the common electrode 31 has a stress relaxation function, even when used in cooling, the thin common electrode 31 is prevented from being destroyed by the contraction of the underfill, and operational reliability is maintained.

以上、特定の例に基づいて本開示を説明してきたが、本開示は、上述した例に限定されない。目的波長の光を検出できるのであれば、受光素子320の材料、メサ構造等は特に限定されない。GaSb基板をベースにしたInAs/GaSbタイプII超格子(T2SL:Type-II Superlattice)の他に、GaAs基板をベースにしたQWIPやQDIPのような受光素子であってもよい。光検知の構成として、pin接続のようなダイオード構造を用いてもよいし、nBn、pBp、CBIRD(Complementary Barrier Infrared Detector)ダブルヘテロ構造のように、暗電流を低減する1以上のバリア層を光吸収層と組み合わせてもよい。受光素子320は、1波長の光を検出する検知素子であってもよいし、2波長以上を検出するマルチバンド検知素子であってもよい。 Although the present disclosure has been described above based on specific examples, the present disclosure is not limited to the above examples. As long as light of the target wavelength can be detected, the material, mesa structure, etc. of the light receiving element 320 are not particularly limited. In addition to an InAs/GaSb type II superlattice (T2SL: Type-II Superlattice) based on a GaSb substrate, a light receiving element such as a QWIP or QDIP based on a GaAs substrate may be used. As a light detection configuration, a diode structure such as a pin connection may be used, or one or more barrier layers that reduce dark current may be combined with a light absorption layer, such as an nBn, pBp, or CBIRD (Complementary Barrier Infrared Detector) double heterostructure. The light receiving element 320 may be a detection element that detects light of one wavelength, or a multiband detection element that detects two or more wavelengths.

1 撮像装置
2 演算処理回路
3 表示装置
5 真空冷却チャンバー
10 光検出器
20 読み出し回路
21 電極
22 バンプ
30 受光素子アレイ
31 共通電極
34 第1コンタクト層
35 光吸収層
36 第2コンタクト層
37 メサ
38 電極
41 アンダーフィル
42 突起電極
311 共通電極層(第2の共通電極層)
312 応力調整層
313 共通電極層(第1の共通電極層)
320 受光素子
322 バンプ
REFERENCE SIGNS LIST 1 imaging device 2 arithmetic processing circuit 3 display device 5 vacuum cooling chamber 10 photodetector 20 readout circuit 21 electrode 22 bump 30 light receiving element array 31 common electrode 34 first contact layer 35 light absorbing layer 36 second contact layer 37 mesa 38 electrode 41 underfill 42 protruding electrode 311 common electrode layer (second common electrode layer)
312 Stress adjustment layer 313 Common electrode layer (first common electrode layer)
320 Light receiving element 322 Bump

Claims (9)

所定の波長の光に感度を有する受光素子を有する受光素子アレイと、
み出し回路と、
前記受光素子アレイと前記読み出し回路を接合する突起電極と、
前記突起電極を囲むように前記読み出し回路と前記受光素子アレイの間に配置されるアンダーフィルと、
を有し、
前記受光素子アレイは、前記読み出し回路との接合面と反対側に共通電極を有し、
前記共通電極は、前記所定の波長の光に対して透明であり、膜厚方向の少なくとも一部に超格子の応力調整層を有する、
光検出器。
a light receiving element array having light receiving elements sensitive to light of a predetermined wavelength;
A read circuit;
a protruding electrode for connecting the light receiving element array and the readout circuit;
an underfill disposed between the readout circuit and the light receiving element array so as to surround the protruding electrode ;
having
the light receiving element array has a common electrode on a side opposite to a surface bonded to the readout circuit;
the common electrode is transparent to light of the predetermined wavelength and has a superlattice stress adjustment layer in at least a part of the thickness direction;
Photodetector.
前記超格子の全体としての格子定数は、前記受光素子の光吸収層の格子定数よりも小さい、請求項1に記載の光検出器。 The photodetector of claim 1, wherein the overall lattice constant of the superlattice is smaller than the lattice constant of the light absorbing layer of the light receiving element. 前記共通電極は、前記応力調整層と前記受光素子の間に第1の共通電極層を有し、
前記第1の共通電極層の格子定数は、前記光吸収層の格子定数と整合する、
請求項2に記載の光検出器。
the common electrode has a first common electrode layer between the stress adjustment layer and the light receiving element,
The lattice constant of the first common electrode layer matches the lattice constant of the light absorbing layer.
3. The photodetector of claim 2.
前記共通電極は、前記応力調整層をはさんで、前記第1の共通電極層と反対側に第2の共通電極層を有する、
請求項3に記載の光検出器。
the common electrode has a second common electrode layer on an opposite side to the first common electrode layer with the stress adjustment layer interposed therebetween;
4. The photodetector of claim 3.
前記応力調整層の前記格子定数は、前記応力調整層の膜厚方向に変化している、
請求項2~4のいずれか1項に記載の光検出器。
the lattice constant of the stress adjustment layer varies in a thickness direction of the stress adjustment layer;
The photodetector according to any one of claims 2 to 4.
前記応力調整層の前記格子定数は、前記第1の共通電極層との界面から離れるにつれて小さくなる、請求項3に記載の光検出器。 The photodetector of claim 3, wherein the lattice constant of the stress-adjusting layer decreases with increasing distance from the interface with the first common electrode layer. 前記応力調整層の前記格子定数は、前記第1の共通電極層との界面、及び前記第2の共通電極層との界面よりも、前記応力調整層の膜厚方向の中央で小さくなる、請求項4に記載の光検出器。 The photodetector of claim 4, wherein the lattice constant of the stress adjustment layer is smaller at the center of the stress adjustment layer in the thickness direction than at the interface with the first common electrode layer and the interface with the second common electrode layer. 前記光吸収層はInAs/GaSb超格子で形成されており、
前記応力調整層は、InAs/GaSbまたはInAs/AlSbの超格子である、
請求項2~7のいずれか1項に記載の光検出器。
the light absorbing layer is formed of an InAs/GaSb superlattice;
the stress-adjusting layer is a superlattice of InAs/GaSb or InAs/AlSb;
The photodetector according to any one of claims 2 to 7.
請求項1~8のいずれか1項に記載の光検出器と、
前記光検出器の出力に接続される演算処理回路と、
前記演算処理回路に接続される表示装置と、
を有する撮像装置。
A photodetector according to any one of claims 1 to 8;
a processing circuit connected to an output of the photodetector;
A display device connected to the arithmetic processing circuit;
An imaging device having the above configuration.
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