(57)【要約】【課題】比較的簡素な構成により、下部ＭＱＷ層及び上部ＭＱＷ層のうちの一方のＭＱＷ層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる２波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする。【解決手段】各画素１０では、下部ＭＱＷ層２とこれを挟持する下部コンタクト層４及び中間コンタクト層５とを備えて第１光伝導体型素子が構成され、上部ＭＱＷ層３とこれを挟持する中間コンタクト層５及び上部コンタクト層６とを備えて第２光伝導体型素子が構成されており、第１光伝導体型素子は、下部ＭＱＷ層２と中間コンタクト層５との間に、下部ＭＱＷ層２よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第１障壁層７を備え、第２光伝導体型素子は、中間コンタクト層５と上部ＭＱＷ層３との間に、上部ＭＱＷ層３よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第２障壁層８を備えている。【選択図】図１
2015142110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備えたイメージセンサであって、
前記画素は、
一の波長域に対して感度を有する第１活性層と、
他の波長域に対して感度を有する第２活性層と、
前記第１活性層及び前記第２活性層に電気的に接続された出力電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された第１共通電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続された第２共通電極と、
前記第１活性層を挟持する第１コンタクト層と、
前記第２活性層を挟持する第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に配置されており、前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層と、
前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に配置されており、前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記第１活性層、前記第２活性層、前記第１半導体層、及び前記第２半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第１半導体層の前記化合物半導体は、前記第１活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第２半導体層の前記化合物半導体は、前記第２活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記第１コンタクト層の一方は、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された共通コンタクト層であり、
前記第１共通電極は、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第１第１活性層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記第１共通電極及び前記第２共通電極に対して、夫々独立に可変の電圧を印加自在とされた駆動回路を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記第２活性層上に設けられた前記第２コンタクト層の一方の上に形成された回折格子を更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、
前記画素を形成する際に、
一の波長域に対して感度を有する第１活性層を形成し、
他の波長域に対して感度を有する第２活性層を形成し、
前記第１活性層及び前記第２活性層に出力電極を接続形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続される第１共通電極を形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続される第２共通電極を形成し、
前記第１活性層を挟持するように第１コンタクト層を形成し、
前記第２活性層を挟持するように第２コンタクト層を形成し、
前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層を、前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に形成し、
前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層を、前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に形成することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線イメージセンサには、２つの異なる波長域の光信号を電気信号（光電流信号）に変換するセンサ部と駆動回路によって構成されるイメージセンサ（以下、２波長赤外線イメージセンサと言う。）がある。一般的にセンサ部は、多数配列した画素によって構成され、各画素は光電変換素子を持つ。光電変換素子として、例えば量子井戸型赤外線検知器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）がある。ＱＷＩＰは外部回路と接続されるコンタクト層と、光信号を電気信号に変換する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層とを備えて構成される。
【０００３】
２波長赤外線イメージセンサとして、例えば、検出波長域の異なる２つのＱＷＩＰにより各画素を構成したイメージセンサがある。
典型的な２波長赤外線イメージセンサの画素の概略構成を図６に示す。
各画素１００は、ＧａＡｓ基板１０１上に、下部ＭＱＷ層１０２及び上部ＭＱＷ層１０３と、下部コンタクト層１０４、中間コンタクト層１０５、及び上部コンタクト層１０６とを備えて構成されている。下部コンタクト層１０４、中間コンタクト層１０５、及び上部コンタクト層１０６には、配線１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃを介して電極１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃが電気的に接続され、駆動回路１１０に接続されている。配線１０８ａ，１０８ｂは、絶縁層１０７により必要な電気的絶縁が確保されている。配線１０８ｃは、絶縁層１０７に形成された開口１０７ａを通じて上部コンタクト層１０６と接続されている。
【０００４】
この２波長赤外線イメージセンサでは、３つの電極１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃを介して、下部ＭＱＷ層１０２又は上部ＭＱＷ層１０３による光電流信号を個別に読み出す。この場合、電極１０９ｂ及び中間コンタクト層を介して、下部ＭＱＷ層１０３及び上部ＭＱＷ層１０３にバイアス電圧を印加する。第１スイッチ１１０ａをオンにし、第２スイッチ１１０ｂをオフにして、電極１０９ａを介して下部ＭＱＷ層１０２からの光電流信号を読み出すようにされている。また、第１スイッチ１１０ａをオフにし、第２スイッチ１１０ｂをオンにして、電極１０９ｃを介して上部ＭＱＷ層１０３からの光電流信号を読み出すようにされている。
【０００５】
以上の２波長赤外線イメージセンサにおいて、画素数を多くして、より高精細な画像を取得できるようにしたいという需要がある。全体のサイズを一定程度に収めるために、各画素の占有面積を小さくすることが行われる。しかしながら、駆動回路に接続するための電極が各画素に３つあることから、各画素の微細化は困難である。
【０００６】
各画素の小型化を実現する工夫をした２波長赤外線イメージセンサの概略構成を図７に示す。
各画素２００は、ＧａＡｓ基板２０１上に、下部ＭＱＷ層２０２及び上部ＭＱＷ層２０３と、全画素２００に共通の下部コンタクト層２０４、中間コンタクト層２０５、及び上部コンタクト層２０６とを備えて構成されている。
【０００７】
中間コンタクト層２０５には、配線２０８を介して出力電極２１１が電気的に接続され、駆動回路２１０に接続されている。全画素２００に共通の下部コンタクト層２０４には、複数の画素２００の一端に設けられた端部構造２００ａに形成された配線２０９ａを介して第１共通電極２１２が電気的に接続され、駆動回路２１０に接続されている。第１共通電極２１２にはバイアス電圧ＶBが印加される。各上部コンタクト層２０６には、複数の画素２００の他端に設けられた端部構造２００ｂに形成された配線２０９ｂを介して第２共通電極２１３が電気的に接続され、駆動回路２１０に接続されている。第２共通電極２１３にはバイアス電圧ＶAが印加される。配線２０８，２０９ａ，２０９ｂは、絶縁層２０７により必要な電気的絶縁が確保されている。配線２０８は、絶縁層２０７に形成された開口２０７ｂを通じて中間コンタクト層２０５と接続されている。配線２０９ｂは、絶縁層２０７に形成された開口２０７ａを通じて上部コンタクト層２０６と接続されている。
【０００８】
この場合、下部コンタクト層２０４及び上部コンタクト層２０６に接続される電極２１２，２１３は、多数配列された全画素２００を接続する共通電極とされている。このような構成により、各画素２００に対して出力電極２１１を１つ形成すれば良いことになり、各画素の微細化が実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−２１１０１９号公報
【特許文献２】特表２００８−２１１０１９号公報
【特許文献３】特開２０００−１８８４０７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１９２８１５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Proc. of SPIE vol.5783, 804
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図７の２波長赤外線イメージセンサでは、第１及び第２共通電極２１２，２１３に適当なバイアス電圧を印加し、出力電極２１１から光電流信号を読み出す。例えば、第１共通電極２１２と出力電極２１１との間に電圧を印加し、第２共通電極２１３には出力電極２１１と同電位になるように電位を与える。すると、下部ＭＱＷ層２０２はバイアスされて光電流信号を発生するが、上部ＭＱＷ層２０３はバイアスされないために光電流信号を発生しない。このため、トランジスタ２１０ａにより、下部ＭＱＷ層２０２による光電流信号のみを出力電極２１１を介して読み出すことができる。
【００１２】
逆に、第２共通電極２１３と出力電極２１１との間に電圧を印加し、第１共通電極２１２には出力電極２１１と同電位になるように電位を与える。すると、上部ＭＱＷ層２０３はバイアスされて光電流信号を発生するが、下部ＭＱＷ層２０２はバイアスされないために光電流信号を発生しない。このため、トランジスタ２１０ａにより、上部ＭＱＷ層２０３による光電流信号のみを出力電極２１１を介して読み出すことができる。
以上のようにして、各ＭＱＷ層からの光電流信号を個別に読み出すことができる。各ＭＱＷ層が異なる波長帯の光に感度を持つように構成すれば、波長域の異なる２波長の光信号を個別に検出することができる。
【００１３】
ここで、一方のＭＱＷ層をバイアスして光電流信号を発生させ、他方のＭＱＷ層にはバイアスせず光電流信号を発生されないためには、出力電極と他方のＭＱＷ層を介した共通電極との電位が一致する必要がある。この電位が一致しない場合、生じた電位差による素子電流がノイズとして光電流信号に乗ることに加え、他方のＭＱＷ層が感度を持つ波長帯の光入射に対して応答してしまい、２波長の光信号を十分に分離することができない。
【００１４】
一般的に、光電流信号を読み出すための出力電極には、直接には電位を与えられない。図８は、２波長赤外線イメージセンサについての概略的な回路図である。出力電極の電位Ｖｓは、駆動回路のトランジスタのゲート電位ＶＩＧと、トランジスタを流れるドレイン電流とによって間接的に決定される。外部から任意に設定できる電位は、２つの共通電極の電位ＶA及びＶB、並びにトランジスタのゲート電位ＶＩＧである。
【００１５】
２波長赤外線イメージセンサに含まれる多数の配列された画素について、各画素のＭＱＷ層の特性はそれぞれ全く同じではなく、画素毎にいくらかの違いがあるのが一般的である。この場合、各画素に対して同じ電位ＶA、ＶB、ＶＩＧを与えても、ＭＱＷ層の特性の違いから流れる電流が異なり、出力電極の電位Ｖｓが画素毎に異なることになる。また、仮に全画素の特性が全く同じであっても、２波長赤外線イメージセンサとして駆動する際には、画素毎に入射する光量が異なることが一般的であり、画素毎に発生する光電流信号が異なる。電位ＶSは電流量に依存するため、やはり画素毎に電位ＶSが異なることになる。
【００１６】
以上により、従来の２波長赤外線イメージセンサでは、下部及び上部ＭＱＷ層のうちの一方のＭＱＷ層のみから光電流信号を発生させるための電位ＶA、ＶB、ＶＩＧの設定は、画素毎に異なる。そのため、全画素について同時に一方のＭＱＷ層のみを駆動させることができず、相異なる２波長の光信号を十分に分離することができないという問題がある。
【００１７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡素な構成により、下部ＭＱＷ層及び上部ＭＱＷ層のうちの一方のＭＱＷ層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる２波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高いイメージセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
イメージセンサの一態様は、複数の画素を備えたイメージセンサであって、前記画素は、一の波長域に対して感度を有する第１活性層と、他の波長域に対して感度を有する第２活性層と、前記第１活性層及び前記第２活性層に電気的に接続された出力電極と、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された第１共通電極と、前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続された第２共通電極と、前記第１活性層を挟持する第１コンタクト層と、前記第２活性層を挟持する第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に配置されており、前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層と、前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に配置されており、前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層とを含む。
【００１９】
イメージセンサの製造方法の一態様は、複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、前記画素を形成する際に、一の波長域に対して感度を有する第１活性層を形成し、他の波長域に対して感度を有する第２活性層を形成し、前記第１活性層及び前記第２活性層に出力電極を接続形成し、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続される第１共通電極を形成し、前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続される第２共通電極を形成し、前記第１活性層を挟持するように第１コンタクト層を形成し、前記第２活性層を挟持するように第２コンタクト層を形成し、前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層を、前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に形成し、前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層を、前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に形成する。
【発明の効果】
【００２０】
上記の諸態様によれば、比較的簡素な構成により、下部ＭＱＷ層及び上部ＭＱＷ層のうちの一方のＭＱＷ層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる２波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高いイメージセンサが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。
【図２】第１の実施形態の２波長赤外線イメージセンサにおける各ＭＱＷ層の周辺についてのエネルギー状態を示す図である。
【図３】第１の実施形態の２波長赤外線イメージセンサにおける光信号の選択的な検出について説明する回路図である。
【図４】第１の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの製造方法について工程順に示す概略断面図である。
【図５】第２の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。
【図６】従来の２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。
【図７】従来の２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。
【図８】図７の２波長赤外線イメージセンサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下の諸実施形態では、イメージセンサとして２波長赤外線イメージセンサを例示し、その構成及び製造方法を開示する。
【００２３】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。図１では図示の便宜上、複数の画素のうち、２つの画素のみを例示する。
本実施形態による２波長赤外線イメージセンサは、複数の画素１０が例えばマトリクス状に配置されており、複数の画素１０の一端には端部構造１０ａが、他端には端部構造１０ｂが設けられて構成されている。各画素１０には出力電極１４を介して、端部構造１０ａ，１０ｂには第１共通電極１５及び第２共通電極１６を介して、駆動回路２０が接続されている。
【００２４】
各画素１０は、ＧａＡｓ基板１上に、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３と、全画素１０に共通とされた下部ＭＱＷ層２下の下部コンタクト層４、下部ＭＱＷ層２の上方の中間コンタクト層５、及び上部ＭＱＷ層３上の上部コンタクト層６とを備えて構成されている。
下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３は、それぞれ光信号を電気信号に変換する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。下部ＭＱＷ層２は、所定の一の波長域に対して感度を有する活性層である。上部ＭＱＷ層３は、下部ＭＱＷ層２の波長域と異なる他の波長域に対して感度を有する活性層である。下部ＭＱＷ層２とこれを挟持する下部コンタクト層４及び中間コンタクト層５とを備えて、ＱＷＩＰである第１光伝導体型素子が構成される。上部ＭＱＷ層３とこれを挟持する中間コンタクト層５及び上部コンタクト層６とを備えて、ＱＷＩＰである第２光伝導体型素子が構成される。
【００２５】
上部コンタクト層６上には、表面が凹凸状の回折格子が形成されている。この回折格子は、ＱＷＩＰに必要な光結合構造９となる。
【００２６】
本実施形態では、第１光伝導体型素子は、下部ＭＱＷ層２と中間コンタクト層５との間に、下部ＭＱＷ層２よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第１障壁層７を備えている。同様に、第２光伝導体型素子は、中間コンタクト層５と上部ＭＱＷ層３との間に、上部ＭＱＷ層３よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第２障壁層８を備えている。
【００２７】
具体的に、下部ＭＱＷ層２、上部ＭＱＷ層３、第１障壁層７、及び第２障壁層８、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体として、例えばＡｌＧａＡｓを有している。ここで、第１障壁層７の化合物半導体は、下部ＭＱＷ層２の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第１障壁層７はＡｌ0.4ＧａＡｓを材料としており、下部ＭＱＷ層２はＡｌ0.3ＧａＡｓを有している。第２障壁層８の化合物半導体は、上部ＭＱＷ層３の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第２障壁層８はＡｌ0.4ＧａＡｓを材料としており、上部ＭＱＷ層３はＡｌ0.25ＧａＡｓを有している。
【００２８】
中間コンタクト層５には、配線１２を介して出力電極１４が電気的に接続され、駆動回路２０のトランジスタ２０ａに接続されている。全画素１０に共通の下部コンタクト層４には、複数の画素１０の一端に設けられた端部構造１０ａに形成された配線１３ａを介して第１共通電極１５が電気的に接続され、駆動回路２０に接続されている。第１共通電極１５には、駆動回路２０により、バイアス電圧ＶBが印加される。各上部コンタクト層６には、複数の画素１０の他端に設けられた端部構造１０ｂに形成された配線１３ｂを介して第２共通電極１６が電気的に接続され、駆動回路２０に接続されている。第２共通電極１６には、駆動回路２０により、バイアス電圧ＶAが印加される。配線１２，１３ａ，１３ｂは、絶縁層１１により必要な電気的絶縁が確保されている。配線１２は、絶縁層１１に形成された開口１１ｂを通じて中間コンタクト層５と接続されている。配線１３ｂは、絶縁層１１に形成された開口１１ａを通じて上部コンタクト層６と接続されている。
【００２９】
本実施形態による２波長赤外線イメージセンサでは、上記のように第１障壁層７及び第２障壁層８が設けられている。これにより、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３について整流性が付与される。以下、この整流性について説明する。
【００３０】
図２は、第１の実施形態の２波長赤外線イメージセンサにおける各ＭＱＷ層の周辺についてのエネルギー状態を示す図であり、（ａ）がバイアス電圧の印加がない場合、（ｂ）が障壁層がエミッタ側にある場合、（ｃ）が障壁層がコレクタ側にある場合をそれぞれ示す。図２では、中間コンタクト層５を「コンタクト層」とし、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３の一方を例に採って「ＭＱＷ層」とし、第１障壁層７及び第２障壁層８の一方を例に採って「障壁層」として図示する。
【００３１】
ＭＱＷ層に電圧が印加された状況について、ＭＱＷ層よりも禁制帯幅の大きい材料による障壁層がエミッタ側にある場合には、障壁層によりキャリアの流入が遮られるため、電流は流れない（流れ難い）。障壁層がコレクタ側にある場合には、キャリアがＭＱＷ層に流入し、ＭＱＷ層内で非弾性散乱によるエネルギー散逸を受けない一部のキャリアは障壁層を越えてコレクタ側のコンタクト層に到達する。このため、比較的電流は流れ易い。
【００３２】
上部ＭＱＷ層のみを駆動して、対応する波長の光信号のみを検出することを考える。この場合、下部ＭＱＷ層には電流が流れないことが必要である。例えば図７のような従来の２波長赤外線イメージセンサでは、第２共通電極と出力電極との間に電位差があり、出力電極と第１共通電極とが同電位になるように各電位を与える必要があった。これに対して本実施形態の２波長赤外線イメージセンサでは、下部ＭＱＷ層が整流性を有するため、出力電極と第１共通電極とを同電位としなくとも、整流性によって電流が流れない電位関係であれば良い。このような電位関係は、電位の設定としてある程度範囲を持った領域として存在する。そのため、画素間で出力電極の電位が異なっていても、全画素について同時に、整流性によって電流が流れない電位関係を持たせ得る。この構成により、上部ＭＱＷ層に対応する波長の光信号のみを検出することができる。
【００３３】
下部ＭＱＷ層のみを駆動して、対応する波長の光信号のみを検出することを考える。この場合、上部ＭＱＷ層には電流が流れないことが必要である。本実施形態の２波長赤外線イメージセンサでは、上部ＭＱＷ層が整流性を有するため、出力電極と第２共通電極とを同電位としなくとも、整流性によって電流が流れない電位関係であれば良い。このような電位関係は、電位の設定としてある程度範囲を持った領域として存在する。そのため、画素間で出力電極の電位が異なっていても、全画素について同時に、整流性によって電流が流れない電位関係を持たせ得る。この構成により、下部ＭＱＷ層に対応する波長の光信号のみを検出することができる。
【００３４】
上述した光信号の選択的な検出について、図３を用いて具体的に説明する。
本実施形態の２波長赤外線イメージセンサでは、光電流信号は、電子が第１共通電極又は第２共通電極からトランジスタを通過して信号読出回路に向かって流れる方向に流れる。
【００３５】
上部ＭＱＷ層を駆動する場合、図３（ａ）に示すように、光電流信号の電子が第２共通電極からトランジスタを経由して信号読出回路に向かって流れる。このとき、上部ＭＱＷ層のポテンシャル障壁は電子流を妨げない。ここで、第１共通電極の電位を出力電極の電位Ｖｓより十分に低くしておく。このとき、下部ＭＱＷ層はポテンシャル障壁により電流を流さない。また、上部ＭＱＷ層の抵抗が面内で揺らぎを持っている場合であっても、全画素において第１共通電極が出力電極の電位Ｖｓよりも低電位になるように設定すれば、下部ＭＱＷ層に電流は流れない。
【００３６】
下部ＭＱＷ層を駆動する場合、図３（ｂ）に示すように、光電流信号の電子が第１共通電極からトランジスタを経由して信号読出回路に向かって流れる。このとき、下部ＭＱＷ層のポテンシャル障壁は電子流を妨げない。ここで、第２共通電極の電位を出力電極の電位Ｖｓより十分に低くしておく。このとき、上部ＭＱＷ層はポテンシャル障壁により電流を流さない。また、下部ＭＱＷ層の抵抗が面内で揺らぎを持っている場合であっても、全画素において第２共通電極が出力電極の電位Ｖｓよりも低電位になるように設定すれば、上部ＭＱＷ層に電流は流れない。
以上のように、本実施形態による２波長赤外線イメージセンサでは、相異なる２波長の光信号を確実に個別に分離して検出することができる。
【００３７】
以下、本実施形態による２波長赤外線イメージセンサの製造方法について説明する。
図４は、第１の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの製造方法について工程順に示す概略断面図である。図４では図示の便宜上、複数の画素のうち、１つの画素のみを例示する。
【００３８】
先ず、図４（ａ）に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に、各化合物半導体層４，２，７，５，８，３，６を順次積層形成し、最上部に光結合構造９を形成する。各化合物半導体層の結晶成長には、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いる。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。
【００３９】
詳細には、先ず、ＧａＡｓ基板１上に、下部コンタクト層４となる化合物半導体層として、ｎ−ＧａＡｓを例えば２０００ｎｍ程度の厚みに成長する。ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉを1×１０18ｃｍ-3程度の密度で入れる。
【００４０】
次に、下部ＭＱＷ層２となる化合物半導体層を形成する。具体的には、(１)ＡｌxＧａ1-xＡｓ層を例えば３０ｎｍ程度の厚みに成長する。Ａｌ組成ｘは例えば０．３とする。(２)ＩｎyＧａ1-yＡｓ層を例えば２．５ｎｍ程度の厚みに成長する。Ｉｎ組成yは例えば０．３とする。（１）及び（２）の工程を１０回繰り返した後、ＡｌxＧａ1-xＡｓ層を例えば３０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、下部ＭＱＷ層２となる化合物半導体層が形成される。
【００４１】
次に、第１障壁層７となる化合物半導体層として、ＡｌzＧａ1-zＡｓ層を例えば５０ｎｍ程度の厚みに成長する。Ａｌ組成ｚはＡｌ組成ｘよりも高値、例えば０．４とする。Ａｌ組成ｚがＡｌ組成ｘよりも高いため、第１障壁層７の方が下部ＭＱＷ層２よりも禁制帯幅が大きい。
次に、中間コンタクト層となる化合物半導体層として、ｎ−ＧａＡｓ層を例えば１０００ｎｍ程度の厚みに成長する。
【００４２】
次に、第２障壁層８となる化合物半導体層として、ＡｌmＧａ1-mＡｓ層を例えば５０ｎｍ程度の厚みに成長する。Ａｌ組成ｍは後述するＡｌ組成ｎよりも高値、例えば０．４とする。
【００４３】
次に、上部ＭＱＷ層３となる化合物半導体層を形成する。具体的には、（３）ＡｌnＧａ1-nＡｓ層を例えば４０ｎｍ程度の厚みに成長する。Ａｌ組成ｎは例えば０．２５とする。（４）ＧａＡｓ層を例えば５ｎｍ程度の厚みに成長する。（３）及び（４）の工程を１０回繰り返した後、ＡｌnＧａ1-nＡｓ層を例えば５０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、上部ＭＱＷ層３となる化合物半導体層が形成される。ここで、Ａｌ組成ｍがＡｌ組成ｎよりも高いため、第２障壁層８の方が上部ＭＱＷ層３よりも禁制帯幅が大きい。
【００４４】
次に、上部コンタクト層６となる化合物半導体層として、ｎ−ＧａＡｓ層を例えば１５００程度の厚みに成長する。
次に、上部コンタクト層６の上層部分をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、上部コンタクト層６の表面に回折格子構造となる凹凸を形成する。リソグラフィー及びエッチング、金属蒸着法により、上部コンタクト層６の表面に凹凸を埋め込む金属膜、例えばＡｕＧｅ／Ａｕ膜を形成する。以上により、上部コンタクト層６上に光結合構造９が形成される。
【００４５】
続いて、図４（ｂ）に示すように、リソグラフィー及びエッチングにより化合物半導体層４，２，７，５，８，３，６を加工する。これにより、化合物半導体層４，２，７，５，８，３，６が画素１０及び端部構造１０ａ，１０ｂに分断される。画素１０では、更に化合物半導体層８，３，６をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、中間コンタクト層５の表面の一部を露出させる。
【００４６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、絶縁層１１を形成する。
詳細には、ＣＶＤ法等により、全面に絶縁膜、例えばＳｉＯＮ膜を堆積し、絶縁層１１を形成する。絶縁層１１をリソグラフィー及びエッチングにより加工する。これにより、絶縁層１１には、光結合構造９の表面の一部を露出する開口１１ａと、中間コンタクト層５の表面の一部を露出する開口１１ｂと、下部コンタクト層４の表面の一部を露出する開口１１ｃとが形成される。
【００４７】
続いて、図４（ｄ）に示すように、各配線１２，１３ａ，１３ｂを形成する。
詳細には、スパッタ法等により、全面に金属膜、例えばＡｕＧｅ／Ａｕ膜を形成する。ＡｕＧｅ／Ａｕ膜をリソグラフィー及びエッチングにより加工する。以上により、中間コンタクト層５と電気的に接続された配線１２と、下部コンタクト層４と電気的に接続された配線１３ａと、光結合構造９を介して上部コンタクト層６と電気的に接続された配線１３ｂとが形成される。
【００４８】
続いて、図４（ｅ）に示すように、配線１２，１３ａ，１３ｂ上に、例えばＩｎバンプである出力電極１４、第１共通電極１５、第２共通電極１６をそれぞれ形成し、駆動回路２０と接続する。
以上のようにして、本実施形態による２波長赤外線イメージセンサが作製される。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３のうちの一方のＭＱＷ層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる２波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高い２波長赤外線イメージセンサが実現する。
【００５０】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に２波長赤外線イメージセンサを開示するが、第１障壁層及び第２障壁層の形成位置が異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態と同様の構成部材等ついては同符号を付し、詳しい説明を省略する。
【００５１】
図５は、第２の実施形態による２波長赤外線イメージセンサの構成を示す概略断面図である。図５では図示の便宜上、複数の画素のうち、２つの画素のみを例示する。
本実施形態による２波長赤外線イメージセンサは、第１の実施形態と同様に、複数の画素３０が例えばマトリクス状に配置されており、複数の画素３０の一端には端部構造３０ａが、他端には端部構造３０ｂが設けられて構成されている。各画素３０には出力電極１４を介して、端部構造３０ａ，３０ｂには第１共通電極１５及び第２共通電極１６を介して、駆動回路２０が接続されている。
【００５２】
各画素３０は、ＧａＡｓ基板１上に、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３と、全画素１０に共通とされた下部ＭＱＷ層２下の下部コンタクト層４、下部ＭＱＷ層２の上方の中間コンタクト層５、及び上部ＭＱＷ層３上の上部コンタクト層６とを備えて構成されている。
下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３は、それぞれ光信号を電気信号に変換する多重量子井戸（ＭＱＷ）層である。下部ＭＱＷ層２は、所定の一の波長域に対して感度を有する活性層である。上部ＭＱＷ層３は、下部ＭＱＷ層２の波長域と異なる他の波長域に対して感度を有する活性層である。下部ＭＱＷ層２とこれを挟持する下部コンタクト層４及び中間コンタクト層５とを備えて、ＱＷＩＰである第１光伝導体型素子が構成される。上部ＭＱＷ層３とこれを挟持する中間コンタクト層５及び上部コンタクト層６とを備えて、ＱＷＩＰである第２光伝導体型素子が構成される。
【００５３】
上部コンタクト層６上には、表面が凹凸状の回折格子が形成されている。この回折格子は、ＱＷＩＰに必要な光結合構造９となる。
【００５４】
本実施形態では、第１光伝導体型素子は、下部コンタクト層４と下部ＭＱＷ層２との間に、下部ＭＱＷ層２よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第１障壁層７を備えている。同様に、第２光伝導体型素子は、上部ＭＱＷ層３と上部コンタクト層６との間に、上部ＭＱＷ層３よりも禁制帯の幅が大きい材料の半導体層である第２障壁層８を備えている。
【００５５】
具体的に、下部ＭＱＷ層２、上部ＭＱＷ層３、第１障壁層７、及び第２障壁層８、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体として、例えばＡｌＧａＡｓを有している。ここで、第１障壁層７の化合物半導体は、下部ＭＱＷ層２の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第１障壁層７はＡｌ0.4ＧａＡｓを材料としており、下部ＭＱＷ層２はＡｌ0.3ＧａＡｓを有している。第２障壁層８の化合物半導体は、上部ＭＱＷ層３の化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高い。例えば、第２障壁層８はＡｌ0.4ＧａＡｓを材料としており、上部ＭＱＷ層３はＡｌ0.25ＧａＡｓを有している。
【００５６】
中間コンタクト層５には、配線１２を介して出力電極１４が電気的に接続され、駆動回路２０のトランジスタ２０ａに接続されている。全画素３０に共通の下部コンタクト層４には、複数の画素３０の一端に設けられた端部構造３０ａに形成された配線１３ａを介して第１共通電極１５が電気的に接続され、駆動回路２０に接続されている。第１共通電極１５には、駆動回路２０により、バイアス電圧ＶBが印加される。各上部コンタクト層６には、複数の画素３０の他端に設けられた端部構造３０ｂに形成された配線１３ｂを介して第２共通電極１６が電気的に接続され、駆動回路２０に接続されている。第２共通電極１６には、駆動回路２０により、バイアス電圧ＶAが印加される。配線１２，１３ａ，１３ｂは、絶縁層１１により必要な電気的絶縁が確保されている。配線１２は、絶縁層１１に形成された開口１１ｂを通じて中間コンタクト層５と接続されている。配線１３ｂは、絶縁層１１に形成された開口１１ａを通じて上部コンタクト層６と接続されている。
【００５７】
本実施形態による２波長赤外線イメージセンサでは、上記のように第１障壁層７及び第２障壁層８が設けられている。これにより、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３について整流性が付与される。本実施形態では、第１の実施形態とは逆に、光電流信号は、電子が信号読出回路からトランジスタを通過して第１共通電極又は第２共通電極に向かって流れる方向に流れる。
本実施形態による２波長赤外線イメージセンサでは、相異なる２波長の光信号を確実に個別に分離して検出することができる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、下部ＭＱＷ層２及び上部ＭＱＷ層３のうちの一方のＭＱＷ層のみに対応する波長の光信号のみを検出することができ、相異なる２波長の光信号を容易且つ確実に分離することを可能とする信頼性の高い２波長赤外線イメージセンサが実現する。
【００５９】
以下、イメージセンサ及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００６０】
（付記１）複数の画素を備えたイメージセンサであって、
前記画素は、
一の波長域に対して感度を有する第１活性層と、
他の波長域に対して感度を有する第２活性層と、
前記第１活性層及び前記第２活性層に電気的に接続された出力電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された第１共通電極と、
前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続された第２共通電極と、
前記第１活性層を挟持する第１コンタクト層と、
前記第２活性層を挟持する第２コンタクト層と、
前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に配置されており、前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層と、
前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に配置されており、前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層と
を含むことを特徴とするイメージセンサ。
【００６１】
（付記２）前記第１活性層、前記第２活性層、前記第１半導体層、及び前記第２半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第１半導体層の前記化合物半導体は、前記第１活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第２半導体層の前記化合物半導体は、前記第２活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする付記１に記載のイメージセンサ。
【００６２】
（付記３）前記第１コンタクト層の一方は、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された共通コンタクト層であり、
前記第１共通電極は、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第１第１活性層に電気的に接続されていることを特徴とする付記１又は２に記載のイメージセンサ。
【００６３】
（付記４）前記第１共通電極及び前記第２共通電極に対して、夫々独立に可変の電圧を印加自在とされた駆動回路を更に備えたことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【００６４】
（付記５）前記第２活性層上に設けられた前記第２コンタクト層の一方の上に形成された回折格子を更に備えたことを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
【００６５】
（付記６）複数の画素を備えたイメージセンサの製造方法であって、
前記画素を形成する際に、
一の波長域に対して感度を有する第１活性層を形成し、
他の波長域に対して感度を有する第２活性層を形成し、
前記第１活性層及び前記第２活性層に出力電極を接続形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続される第１共通電極を形成し、
前記各画素の夫々に含まれる前記第２活性層に電気的に接続される第２共通電極を形成し、
前記第１活性層を挟持するように第１コンタクト層を形成し、
前記第２活性層を挟持するように第２コンタクト層を形成し、
前記第１活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第１半導体層を、前記第１コンタクト層の一方と前記第１活性層との間に形成し、
前記第２活性層よりも禁制帯の幅が大きい材料を有する第２半導体層を、前記第２コンタクト層の一方と前記第２活性層との間に形成することを特徴とするイメージセンサの製造方法。
【００６６】
（付記７）前記第１活性層、前記第２活性層、前記第１半導体層、及び前記第２半導体層は、それぞれアルミニウムを含有する化合物半導体を有しており、
前記第１半導体層の前記化合物半導体は、前記第１活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高く、
前記第２半導体層の前記化合物半導体は、前記第２活性層の前記化合物半導体よりもアルミニウムの組成率が高いことを特徴とする付記６に記載のイメージセンサの製造方法。
【００６７】
（付記８）前記第１コンタクト層の一方を、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続された共通コンタクト層とし、
前記第１共通電極を、前記共通コンタクト層を介して、前記各画素の夫々に含まれる前記第１活性層に電気的に接続することを特徴とする付記６又は７に記載のイメージセンサの製造方法。
【符号の説明】
【００６８】
１，１０１，２０１  ＧａＡｓ基板
２，１０２，２０２  下部ＭＱＷ層
３，１０３，２０３  上部ＭＱＷ層
４，１０４，２０４  下部コンタクト層
５，１０５，２０５  中間コンタクト層
６，１０６，２０６  上部コンタクト層
７  第１障壁層
８  第２障壁層
９  光結合構造
１０，３０，１００，２００  画素
１０ａ，１０ｂ，３０ａ，３０ｂ，２００ａ，２００ｂ  端部構造
１１，１０７，２０７  絶縁層
１１ａ，１１ｂ，１０７ａ，２０７ａ，２０７ｂ  開口
１２，１３ａ，１３ｂ，１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，２０８，２０９ａ，２０９ｂ  配線
１４，２１１  出力電極
１５，２１２  第１共通電極
１６，２１３  第２共通電極
２０，１１０，２１０  駆動回路
２０ａ，２１０ａ  トランジスタ
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ  電極
１１０ａ  第１スイッチ
１１０ｂ  第２スイッチ
【図１】
2015142110.tif 000003
【図２】
2015142110.tif 000004
【図３】
2015142110.tif 000005
【図４】
2015142110.tif 000006
【図５】
2015142110.tif 000007
【図６】
2015142110.tif 000008
【図７】
2015142110.tif 000009
【図８】
2015142110.tif 000010