(57)【要約】【課題】遠赤外〜赤外領域の画像処理を行う高感度イメージセンサの構造およびその形成方法を提供する。【解決手段】  ストイキオメトリ制御されたＩＶ−ＶＩ族化合物半導体を材料とするｐｎ接合、ショットキー接合によるフォトダイオードをアレイ化し、該フォトダイオードアレイをシリコン系もしくはＧａＡｓ系信号処理用回路チップに接合し、高感度に遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサを提供する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＶ−ＶＩ族化合物結晶によって構成されるダイオード構造を有し、複数の前記ダイオード構造を所定の間隔で２次元配列させた光検出手段と、集積回路用半導体材料からなる電子回路部によって構成される信号処理手段を有し、前記光検出手段および前記信号処理手段を有する基板がそれぞれ整合され接合されることによって各画素が形成されることを特徴とする遠赤外線イメージセンサとその製造方法。
【請求項２】
前記ＩＶ−ＶＩ族化合物結晶がＰｂＴｅ，ＳｎＴｅ，ＰｂＳｅ，ＳｎＳｅ、あるいは混晶ＰｂＳｎＴｅ，ＰｂＳｎＳｅＴｅ，ＰｂＥｕＴｅのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線イメージセンサとその製造方法。
【請求項３】
前記光検出手段を構成するダイオード構造がＩＶ−ＶＩ族化合物結晶のエピタキシャル成長層によるホモ接合あるいはヘテロ接合によるｐｎ接合型ダイオード、あるいは金属−半導体接触型ダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線イメージセンサとその製造方法。
【請求項４】
前記光検出手段および前記信号処理手段を有する基板を接合する際に、少なくとも金属材料を用いたバンプを形成し、フリップチップボンディングにより接合を行うことを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線イメージセンサとその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサの構造、およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、その応用が注目されているテラヘルツ光（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）は、光の周波数と電波の周波数の境界に当たる。光の周波数はおよそ３０−１０００ＴＨｚであるのに対して、マイクロ波やミリ波などの電波の周波数は０．１ＴＨｚ以下の周波数を持っている。この周波数のギャップを埋めるのがＴＨｚ波帯である。テラヘルツ発生においては、その原理的方法に基づきテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＴＨｚ−ＴＤＳ）、テラヘルツパラメトリック発振器（ＴＨｚ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌａｔｏｒ；ＴＨｚ−ＴＰＯ）、ＧａＰ等の半導体結晶を用いたテラヘルツ差周波発生（ＴＨｚ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＴＨｚ−ＤＦＧ）、あるいはｐ型ゲルマニウムレーザや量子カスケードレーザなどの半導体デバイスを用いたテラヘルツ光発生方法が実現され、さまざまな応用が検討され始めている。一方、検出器は古くから多くの種類が検討されており、ＨｇＣｄＴｅやＩｎＳｂあるいは、各種焦電型センサ、Ｓｉボロメータなどが開発され用いられている。しかし、リアルタイムの画像処理（イメージング）を行うためには多数の検出素子を並べた集積化検出器の実現が不可欠である。上記のセンサをマトリクス状に並べることは素子集積化の困難さ、また増幅・演算あるいは信号処理を行う回路との併用が難しいことから、高集積度の素子実現が難しかった。【０００３】  ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅ，ＳｎＴｅ，ＰｂＳｅ，ＳｎＳｅやそれらの混晶ＰｂＳｎＴｅ，ＰｂＳｎＳｅＴｅ，ＰｂＥｕＴｅなどはおよそ３μｍから２０μｍの赤外線領域におけるレーザや発光ダイオード、受光ダイオードとして知られている。ヘテロ構造レーザの試作結果が発表されているが、充分効率の高い特性が得られていないため、極限られた用途にしか利用されていない。その理由の一つは結晶自体のノンストイキオメトリ（化学量論的組成からのずれ）の制御ができなかったため、結晶が多量の点欠陥を含んでいたことである。これについては本願発明者らが蒸気圧制御温度差法（ＴＤＭ−ＣＶＰ）をＩＶ−ＶＩ族化合物半導体ＰｂＴｅ，ＰｂＳｎＴｅに始めて適用し、ストイキオメトリ制御された結晶完全性の極めて高い単結晶成長、及び液相エピタキシャル成長（ＴＤＭ−ＣＶＰ  ＬＰＥ）に成功した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は、ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体であるＰｂＴｅ、Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ、あるいはＰｂ１−ｘＳｎｘＳｅを用いた狭ギャップ半導体を材料として用い、ホモ接合あるいはヘテロ接合による、ストイキオメトリ制御されたｐｎもしくはｐｉｎダイオード構造を液相成長により作製し、アレイ状にフォトダイオードを形成する。該フォトダイオードアレイを信号処理用回路チップに接合することにより、高感度に遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  図１はＰｂ１−ｘＳｎｘＴｅ半導体における禁制帯幅の組成ｘに対する依存性である。図中７７Ｋおよび１２Ｋにおける特性を示してある。１２Ｋにおける特性は
【数１】
Ｅｇ（ｅＶ）＝０．１９−０．５４３ｘ．
で表されることが、実験的に確認されている。ｘの値は０〜０．３１程度まで実現されている。これより、禁制帯幅は０．１９〜０．０２２ｅＶまでｘの組成により作り分けることができることを意味しており、対応する波長に換算すると６．５〜６０μｍとなり、この波長範囲の検出器としてフォトダイオードが実現できることを意味している。前記波長範囲は周波数に換算すると、ほぼ５〜５０ＴＨｚに相当するのでテラヘルツ帯の検出器を構成できる。
【０００６】  図２に示したのはＰｂ１−ｘＳｎｘＳｅ半導体における禁制帯幅の組成ｘに対する依存性である。Ｐｂ１−ｘＳｎｘＳｅでは図中点線で示したように組成ｘが０．１４付近で禁制帯幅が０になり、０．１４以上ではマイナスの値を示すことがわかっている。すなわち、結晶成長技術の追求によって、さらなる狭禁制帯幅の半導体を実現できる可能性があり、６．５ＴＨｚ以下のテラヘルツ領域検出が可能になるものと思われる。
【０００７】  上記の狭禁制帯幅の半導体を集積化し信号処理用回路と融合することによって遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサを実現できる。
【発明の効果】
【０００８】  本発明の赤外線イメージセンサによれば、５〜５０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を選択的に検知できるフォトダイオードが形成でき、これをアレイ化した遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  ＰｂＴｅ系ショットキーバリアダイオード構造あるいはｐｎ接合ダイオード構造、またはＰｂＴｅ／Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ／ＰｂＴｅダブルヘテロ構造によるフォトダイオード構造をストイキオメトリ制御された蒸気圧制御温度作法にて形成し、ダイオードアレイを作製する。信号処理用回路としては、７７Ｋ以上の動作温度ではＳｉ回路（ＭＯＳトランジスタによるＸ−Ｙアドレス方式）を用い７７Ｋ以下では低温で動作するＧａＡｓをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成される回路を用いる。前記−Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ系ダイオードアレイは信号処理用回路に接合され、イメージセンサが形成される。このイメージセンサはレンズなどと組み合わされフォーカルプレーンイメージャーとして用いることができる。特に光源を用いず、測定対象物から放出されるテラヘルツ電磁波を直接検知し画像化することにより、いわゆるパッシブイメージングを実現できる。
【実施例１】
【００１０】  まず初めに、フォトダイオード構造の詳細を説明する。図３の構造では、１はｎ型ＰｂＴｅ層であり、Ｉｎが１０１９ｃｍ−３オーダー添加されている。２はｎ型Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ層で１０１９ｃｍ−３オーダーのＢｉが添加されているが、キャリア密度は低く、１０１７ｃｍ−３オーダーである。３はｐ型ＰｂＴｅ層であり、高濃度すなわち１０１８ｃｍ−３から１０１９ｃｍ−３オーダーのＴｌなどのアクセプタが添加されている。４はｐ型ＰｂＴｅ基板結晶である。Ｐｂ１−ｙＥｕｙＴｅ／Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ−Ｐｂ１−ｙＥｕｙＴｅへテロ接合ダイオードや、ＰｂＳｅ／Ｐｂ１−ｘＳｎｘＳｅ／ＰｂＳｅによる多元系ヘテロ接合においても同様の構造である。【００１１】  次に図４はＰｂＴｅｐｎホモ接合の場合である。図３のｎ型Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ層２に代わって、ｎ型ＰｂＴｅ層５となる他は図３と同様である。すなわち、ｎ型Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ層２に代わって、ｎ型ＰｂＴｅ層５が挿入されており、１０１９ｃｍ−３オーダーのＢｉが添加によりキャリア密度は１０１７ｃｍ−３オーダーに制御されている。また図４の構造では、１、５、３、４の各層がＰｂ１−ｘＳｎｘＴｅなどの混晶によるホモ接合においても実現可能であることはいうまでもない。【００１２】  また図５はショットキーバリアダイオード構造を示している。基板結晶４上にｐ型ＰｂＴｅ層エピタキシャル層６を形成し、ショットキーバリア電極となる金属電極層７を形成しショットキーバリアダイオードを形成する。ｐ型ＰｂＴｅ層６は、１０１７〜１０１９ｃｍ−３オーダーのＴｌなどのアクセプタが添加されている。金属電極層７はＡｕまたはＡｕ／Ｔｉ２層構造を用いている。Ａｕ／Ｔｉによる２層構造では、Ｔｉがｐ型ＰｂＴｅ層６に接するように形成される。基板４またはエピタキシャル層６は同一のタイプであればｐ型、あるいはｎ型のどちらでもよい。また、簡易的にはｐ型ＰｂＴｅ層６を取り除いた構造、すなわち基板結晶４上に直接電極構造７を取り付けたいわゆる金属−半導体接触型ダイオード（またはショットキーバリアダイオード）構造でも特性上問題はなかった。【００１３】  上記図３〜図５に記載したフォトダイオード構造を用いた、遠赤外線イメージセンサの回路の概略図を図６に示した。信号処理用の回路はＳｉ基板上に作製され、ＭＯＳトランジスタ９によるＸ−Ｙアドレス方式を用いた。イメージセンサ回路は、シリコン集積回路による信号処理用回路とフォトダイオード部８で構成されており、２次元的に配列されたフォトダイオードに生じた信号電荷を、水平シフトレジスタ１１と垂直シフトレジスタ内蔵の読み出し回路１２で所定の２次元に配置されたフォトダイオードの信号が転送され、イメージング画像が得られる。フォトダイオードとＭＯＳトランジスタの接合は図６に記載のようにバンプによるボンディングプロセスなどにより一括形成される（バンプを用いたボンディング箇所１０参照）。また、Ｘ−Ｙアドレス方式とは別にフォトダイオードアレイに蓄積された信号電荷を転送用ＣＣＤチャンネルに注入し、順次読み出しを行うことも可能である。【００１４】  遠赤外線イメージセンサ構造は、図７に示す工程で作製される。光検出に用いるアレイ��したダイオード構造は図７−（１）に示す工程で作製された。すなわち、Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ／ＰｂＴｅヘテロ接合によるｐｎ接合ダイオードをエピタキシャル成長法により形成し、裏面電極１８および表面電極１９を形成後、表面電極側をエッチングによりメサ２０を形成し、素子分離によりダイオードアレイが形成された。メサ２０を形成する際のエッチングにはＮｏｒｒエッチング液（２０ｇＫＯＨ＋４５ｍｌ水＋３０ｍｌグリセリン＋２０ｍｌエタノール）を用い、電界を付加しエッチングを行った。【００１５】  信号処理用回路として、ＭＯＳトランジスタによる集積回路を用いた。図７−（２）に示すように、集積回路を形成した基板１４の表面にポリイミド１５を塗布し、硬化工程行う。次にフォトレジストを用いたマスク工程と酸素イオンによるリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）により開口部１６を形成し、次に信号処理用回路のＭＯＳトランジスタ電極１３上にメッキ等を用いて、金または金−インジウム２層構造によるバンプ構造１７の形成を行う。ダイオードアレイの電極ピッチは信号処理用チップ上に形成したバンプのピッチと同一寸法である。フォトダイオードアレイおよび信号処理用チップはフリップチップボンダーなどを用いてアラインメントを行い、熱圧着によるボンディング工程が行われた。図７−（２）の最下部に示した遠赤外イメージセンサ構造では、基板結晶側から光が照射されるために、禁制帯幅の大きな基板結晶（例えばＰｂＴｅ）に対して禁制帯幅の小さなエピタキシャル成長層（例えばＰｂＳｎＴｅ）が受光層として働くために、基板結晶が短波長側をカットするフィルタとして機能する。【００１６】  本実施例では信号処理用回路はＳｉプロセスにより作製されたが、Ｓｉによる信号処理用回路は６０Ｋ付近まで動作可能であった。さらに低温ではＧａＡｓを用いたＭＥＳＦＥＴが有効であった。
【実施例２】
【００１７】  すでに述べたように図７−（２）に示した遠赤外イメージセンサ構造ではフォトダイオードアレイおよび信号処理用チップはフリップチップボンダーを用いてアラインメントを行い、熱圧着によるボンディング工程が行われる。遠赤外イメージセンサの光感度を上げるために、基板結晶部４を薄くする工程を付加したセンサ構造を図８に示した。図７−（２）の工程を経た後、ボンディングされたチップはエポキシ系接着剤２１を用いて信号処理回路部とフォトダイオード部が加工工程に耐えうる十分な強度を持って固定される。フォトダイオードの基板結晶を薄くするためにダイシング、ラッピング、あるいはケミカルエッチングが施され、凹部２２が形成される。凹部２２の形成によって当初５００μｍ程度の厚みの基板結晶は最終的に１０〜１００μｍの厚さに加工される。このように基板結晶を薄くすることで、ダイオードの光感度特性が著しく向上する。すなわち、基板結晶中の基礎吸収や自由キャリアによる吸収量が減少し、接合界面の空乏層領域に到達するフォトンの量が増加するための効果であると考えられる。【００１８】  本発明の遠赤外線イメージセンサにおける一画素における光感度特性を図９に示した。図中特性２３は単体フォトダイオードを用い、表面から光照射した場合の結果である。特性２４は図７の工程により作製した素子の特性、特性２５は図８の工程により基板結晶を３０μｍまで薄くした素子の光感度特性である。特性２３の場合、表面から光照射した場合には電極を形成する金属層の存在により光が接合部に到達しにくく、電極周辺から入った光が接合部に到達し、検出されるものと考えられる。一方特性２５では、基板結晶を薄くすることで素子接合部全面から入射する光を接合部に到達させることができるので顕著に光感度特性が改善されるものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】  以上により、本発明によればＩＶ−ＶＩ族化合物半導体であるＰｂＴｅ、Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ、あるいはＰｂ１−ｘＳｎｘＳｅを用いた狭ギャップ半導体を材料として用い、ホモ接合あるいはヘテロ接合による、５〜５０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波を選択的に検知できるフォトダイオードを形成でき、これらをアレイ化した遠赤外〜赤外領域の画像処理を行うイメージセンサを実現できる。このイメージセンサは、生体や食品、あるいは電子回路やエンジン機器、さらには建築物などの構造体から放出される遠赤外線を検出し画像化するという、いわゆるパッシブイメージングを可能にするので、５〜５０ＴＨｚ帯波長の新たな応用分野を構築するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】  Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ半導体における禁制帯幅の組成ｘに対する依存性を示す図である。
【図２】  Ｐｂ１−ｘＳｎｘＳｅ半導体における禁制帯幅の組成ｘに対する依存性を示す図である。
【図３】  ヘテロ接合フォトダイオード構造を示す図である。
【図４】  ホモ接合フォトダイオード構造を示す図である。
【図５】  ショットキーバリアフォトダイオード構造を示す図である。
【図６】  遠赤外線イメージセンサの回路の概略図である。
【図７】  遠赤外線イメージセンサ構造とその作製工程を示す図である。
【図８】  基板結晶部を薄くする工程を付加した遠赤外線イメージセンサ構造とその作製工程を示す図である。
【図９】  遠赤外イメージセンサー画素における光感度特性
【符号の説明】
【００２１】      １…ｎ型ＰｂＴｅ層
２…ｎ型Ｐｂ１−ｘＳｎｘＴｅ層
３…ｐ型ＰｂＴｅ層
４…ｐ型ＰｂＴｅ基板結晶
５…ｎ型ＰｂＴｅ層
６…ｐ型ＰｂＴｅ層
７…金属電極層
８…フォトダイオード部
９…信号処理回路用ＭＯＳトランジスタ
１０…バンプを用いたボンディング箇所
１１…水平シフトレジスタ
１２…垂直シフトレジスタ内蔵の読み出し回路
１３…ＭＯＳトランジスタ電極
１４…ＭＯＳトランジスタによる集積回路
１５…ポリイミド
１６…ポリイミド開口部
１７…バンプ構造
１８…裏面電極
１９…表面電極
２０…メサ
２１…エポキシ系接着剤
２２…凹部
２３…単体ダイオードの光感度特性
２４…遠赤外線イメージセンサの光感度特性
２５…基板薄膜化した遠赤外線イメージセンサの光感度特性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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