(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記負荷素子が、ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−１９２８１５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】松波弘行著，「半導体工学」，昭晃堂刊，１９８３年，ｐ.１７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の赤外線撮像素子の断面図である。
【図２】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る。
【図３】赤外線検知素子のＩＶ特性図である。
【図４】画素出力のシミュレーション結果の説明図である。
【図５】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る。
【図６】本発明の実施例１の赤外線撮像装置の等価回路図である。
【図７】本発明の実施例１の赤外線撮像素子の製造工程の途中までの説明図である。
【図８】本発明の実施例１の赤外線撮像素子の製造工程の図７以降の途中までの説明図である。
【図９】本発明の実施例１の赤外線撮像素子の製造工程の図８以降の説明図である。
【図１０】本発明の実施例１の赤外線撮像素子の概略的斜視図である。
【図１１】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１２】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る。
【図１３】本発明の実施例２の赤外線撮像装置の等価回路図である。
【図１４】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。
【図１５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【実施例１】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【実施例２】
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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