(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光に応答して電気信号を生成する複数の光電変換素子が行列状に形成された第１の基板と，
前記電気信号を入力し増幅する入力回路が前記複数の光電変換素子に対応した位置に行列状に形成された第２の基板と，
前記第１の基板の光電変換素子と第２の基板の入力回路とをそれぞれ接続する複数の導電バンプとを有し，
前記入力回路は，入力端子と基準電圧端子とを有し前記入力端子と基準電圧端子間の電圧差に応じて出力電圧を生成するオペアンプと，前記オペアンプの出力と前記入力端子との間に設けられるフィードバックループとを有し，
前記各導電バンプは，前記オペアンプの出力から前記入力端子への前記フィードバックループ内に直列に設けられた第１の導電バンプと第２の導電バンプとを有し，
前記第１の導電バンプと第２の導電バンプとの接続ノードに前記光電変換素子が接続されることを特徴とする撮像デバイス。
【請求項２】
請求項１において，
前記オペアンプは，前記入力端子と基準電圧端子とがそれぞれのゲートに接続される１対のトランジスタを有することを特徴とする撮像デバイス。
【請求項３】
請求項２において，
前記フィードバックループ内に前記入力端子に近い側から前記第２導電バンプ，前記第１導電バンプの順に設けられ，前記フィードバックループは，前記第１のバンプと前記オペアンプの出力との間に容量素子と，当該容量素子間を短絡するスイッチを有することを特徴とする撮像デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記入力回路は，さらに，前記オペアンプの出力電圧をサンプリングしホールドするサンプルホールド回路を有することを特徴とする撮像デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、
前記光電変換素子は，赤外線センサ素子であり，ＨｇＣｄＴｅフォトダイオードまたは量子井戸型赤外センサのいずれかであることを特徴とする撮像デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，撮像デバイスに関し，特に，光や赤外線の撮像デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線撮像デバイスは，入射される赤外線を電気信号に変換し画像信号を取得する。赤外線を感知するセンサ素子は，HgCdTeフォトダイオードや化合物半導体による量子井戸型の赤外線センサなど化合物半導体基板に形成される。一方，センサ素子により変換された電気信号を入力し増幅する入力回路や入力回路の出力を読み出す回路はＳｉ基板に形成され，Ｓｉ基板はセンサ素子を形成した基板と導電性の金属バンプを介して結合される。
【０００３】
一方，センサ素子は入射光や赤外線に反応して電流を発生し，入力回路はその電流を電圧に変換して出力する。かかる入力回路として，ＣＴＩＡ(Capacitive Trans-Impedance Amplifier)回路が提案されている。たとえば，特許文献１に記載されるとおりである。
【特許文献１】特開２００３−２７９４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮像デバイスは，高解像度化のためにチップ内の画素数を増加することが望まれている。それに伴い，１つの画素が占める面積が小さくなる傾向にあり，画素内に形成される金属バンプやそのコンタクト電極がより小さくなり，金属バンプとコンタクト電極からなる接続部の抵抗値が大きくなり且つ抵抗値のばらつきが大きくなる傾向にある。
【０００５】
センサ素子が生成する電流は，この接続部の金属バンプやコンタクト電極を介して入力回路に流れるため，接続部の抵抗が大きくなり且つその抵抗値がばらつくと，入力回路の最適な設計が困難になり，高感度な撮像デバイスの設計が困難になる。
【０００６】
そこで，本発明の目的は，接続部の抵抗がばらついても入力回路を最適な特性に設計できる撮像デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
撮像デバイスは，入力光に応答して電気信号を生成する複数の光電変換素子が行列状に形成された第１の基板と，前記電気信号を入力し増幅する入力回路が前記複数の光電変換素子に対応した位置に行列状に形成された第２の基板と，前記第１の基板の光電変換素子と第２の基板の入力回路とをそれぞれ接続する複数の導電バンプとを有する。そして，各導電バンプは，前記光電変換素子と入力回路の電流入力端子とを接続する第１の導電バンプと，前記光電変換素子と入力回路の電圧入力端子とを接続する第２の導電バンプとを有する。
【０００８】
上記の撮像デバイスにおいて，好ましくは，入力回路は，前記電圧入力端子と基準電圧端子とを入力し両端子間の電圧差に応じて出力電圧を生成するオペアンプと，前記電流入力端子と前記オペアンプの出力との間に設けられたフィードバックループとを有する。
【発明の効果】
【０００９】
上記の撮像デバイスは，接続部の抵抗がばらついても入力回路を最適な特性に設計できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００１１】
図１は，従来の撮像デバイスの斜視図である。また，図２は，従来の撮像デバイスの断面図である。赤外線撮像デバイスは，入力光である赤外線ＩＲに応答して電気信号を生成する複数の光電変換素子，つまり赤外センサ６が行列状に形成された第１の基板１と，赤外センサ６の電気信号を入力し増幅する入力回路８が複数の赤外センサ６に対応した位置に行列状に形成された第２の基板２と，第１の基板１の赤外センサ６と第２の基板２の入力回路８とをそれぞれ接続する複数の導電バンプ４とを有する。
【００１２】
第１の基板１は，例えばＨｇＣｄＴｅ基板であり，基板１の表面にＨｇＣｄＴｅフォトダイオードが形成される。または，第１の基板１は，例えばＧａＡｓ基板であり，基板１の表面には量子井戸赤外センサが形成される。また，第２の基板２は，例えばＳｉ半導体基板であり，行列状の入力回路８と，入力回路の出力を外部に取り出す読み出し回路とが形成される。
【００１３】
図３は，第２の基板に形成される読み出し回路の回路図である。読み出し回路は，基板１の赤外センサ６に対応した位置に配置された行列状の入力回路８と，各入力回路８の出力を順次出力する回路とを有する。読み出し回路は，各入力回路８に対応して，入力回路の出力に応じて駆動動作するソースフォロワトランジスタ２０と，ソースフォロワトランジスタ２０のソース端子を列線１６に接続する行選択トランジスタ２２とを有する。
【００１４】
垂直走査回路１０は，行選択線１２を順次駆動し，各行の行選択トランジスタ２２を導通，非導通制御する。また，選択トランジスタ２２を介して各画素の出力信号は列線１６に出力され，水平走査回路１４は列選択トランジスタ２４を順次導通させ，各列線１６の出力信号を読み出し線２６に出力する。そして，読み出し線２６の信号は増幅器２８を介して出力端子３０に出力される。また，読み出し線２６は負荷トランジスタ３２によりグランド電位ＧＮＤに接続される。
【００１５】
図４は，従来の入力回路の回路図である。また，図５は，その入力回路の動作点を示す図である。入力回路８は，入力端子Ｎ１と基準電圧Ｖｂとの差電圧に応じて出力電圧を出力端子Ｎ２に出力するオペアンプ４０と，入力端子Ｎ１と出力端子Ｎ２との間に設けられたフィードバックループ４３とを有する。フィードバックループ４３には容量素子としてキャパシタ４２を有し，キャパシタ４２の両端子間を短絡するリセットトランジスタ４４を更に有する。そして，サンプルホールド回路４６は，オペアンプ４０の出力端子Ｎ２の出力電圧をサンプリングしホールドする。
【００１６】
赤外センサ６は，一方の端子がバイアス電圧Ｖｃに接続され，他方の端子Ｖａが導電バンプ４を介してオペアンプの入力端子Ｎ１に接続される。最初に，リセットトランジスタ４４を導通させてキャパシタ４２の電荷が消去される。その後，赤外センサ６による積分期間が始まる。積分期間では，赤外線の入射に応答して，赤外センサ６が電流Ｉｓを発生する。この電流Ｉｓは，導電バンプ４を介して入力端子Ｎ１から流れ，入力端子Ｎ１の電位を低下させる。これに応答して，オペアンプ４０は，入力端子Ｎ１の電位が基準電位Ｖｂに一致するように，出力端子Ｎ２を駆動し，出力端子Ｎ２の電位を上昇させる。その結果，オペアンプの入力端子Ｎ１は低下せず基準電位Ｖｂと同じ電位に維持される。すなわち，赤外センサ６の電流Ｉｓの量に応じた出力電圧がオペアンプ４０の出力端子Ｎ２に出力される。
【００１７】
図５に示されるとおり，赤外センサ６に量子井戸型赤外センサなどの光伝導型の素子を用いた場合，特性５０のように，赤外センサ６の電流Ｉｓは電圧Ｖａが大きくなるほど大きくなる。一方，赤外センサの電流Ｉｓは導電バンプ４にも流れ，オペアンプの入力端子Ｎ１は基準電圧Ｖｂに維持されるので，電圧Ｖａが小さくなるほど導電バンプ４に流れる電流Ｉｓは大きくなる。図５の特性５２，５４に示される通りである。そして，導電バンプ４の抵抗Ｒが大きければ導電バンプ４に流れる電流は小さくなり，抵抗Ｒが小さければ電流は大きくなる。
【００１８】
その結果，特性５０と特性５２または５４の交点が赤外センサ６の動作点になる。つまり，導電バンプ４とそのコンタクト電極からなる接続部の抵抗Ｒがばらつくと，赤外センサの動作点も移動し，電流Ｉｓは矢印５６の範囲内でばらつくことになる。
【００１９】
オペアンプ４０のダイナミックレンジは，入力電流Ｉｓの大きさに応じて，最も感度が高くなるように設計される。すなわち，ダイナミックレンジを可能なかぎり狭くすることで，センサ感度を高くすることができる。しかし，上記の通り，入力電流Ｉｓが導電バンプ４などの抵抗Ｒのばらつきに依存して矢印５６のようにばらつくと，大きい方にばらつく入力電流Ｉｓに対応してオペアンプ４０のダイナミックレンジを広くしておくことが必要になる。そうすると，センサ感度が下がるという問題を招く。逆にセンサ感度を上げるためにオペアンプのダイナミックレンジを狭くすると，入力電流Ｉｓが大きい値にばらついた場合にオペアンプは飽和動作してしまう。
【００２０】
図６は，本実施の形態における撮像デバイスの斜視図である。図７は，本実施の形態における撮像デバイスの断面図である。本実施の形態の赤外線撮像デバイスは，図１，２と同様に，入力光である赤外線ＩＲに応答して電気信号を生成する複数の光電変換素子，つまり赤外センサ６が行列状に形成された第１の基板１と，赤外センサ６の電気信号を入力し増幅する入力回路８が複数の赤外センサ６に対応した位置に行列状に形成された第２の基板２と，第１の基板１の赤外センサ６と第２の基板２の入力回路８とをそれぞれ接続する複数の導電バンプ４とを有する。ただし，各画素の導電バンプは，赤外センサ６と入力回路８の電流入力端子とを接続する第１の導電バンプ４Ａと，赤外センサ６と入力回路８の電圧入力端子とを接続する第２の導電バンプ４Ｂとを有する。
【００２１】
本実施の形態の読み出し回路は，図３と同じである。
【００２２】
図８は，本実施の形態における出力回路８の回路図である。また，図９は，その動作点を示す図である。この出力回路８は，電圧入力端子Ｎ１と電流入力端子Ｎ３とを有し，電流入力端子Ｎ３と赤外センサ６の端子Ｖａとの間を第１の導電バンプ４Ａで接続し，電圧入力端子Ｎ１と赤外センサ６の端子Ｖａとの間を第２の導電バンプ４Ｂで接続する。つまり，赤外センサ６とキャパシタ４２とを結合しセンサの電流Ｉｓが流れる第１の導電バンプ４Ａと，赤外センサ６とオペアンプ４０の入力端子Ｎ１とを結合する第２の導電バンプ４Ｂとを分離している。そして，オペアンプ４０の出力端子Ｎ２から入力端子Ｎ１へのフィードバックループは，第１，第２の導電バンプ４Ａ，４Ｂを経由して形成される。このフィードバックループ内のキャパシタ４２とリセットトランジスタ４４とは，図４と同じである。
【００２３】
オペアンプ４０の動作は図４と同じように入力電流Ｉｓに対応して出力端子Ｎ２に増幅された出力電圧を生成する。出力回路８の電圧入力端子Ｎ１は，オペアンプ４０の負側の入力端子であり，オペアンプ４０の動作により電圧入力端子Ｎ１は基準電位Ｖｂに維持される。また，オペアンプの入力端子は高い入力インピーダンスを有し，第２の導電バンプ４Ｂには電流はほとんど流れない。したがって，電圧入力端子Ｎ１から赤外センサ６の端子Ｖａとの間にはほとんど電流は流れず，抵抗Ｒｂによる電圧降下は発生しない。よって，図９に示されるとおり，導電バンプ４Ｂの電流特性は５８のようにＶａ＝Ｖｂになる。その結果，赤外センサの特性５０と特性５８の交点が赤外センサの動作点になり，電流Ｉｓは導電バンプ４Ｂの抵抗ばらつきに依存することがなく一定になる。
【００２４】
以上のように，導電バンプなどによる接続部の抵抗のばらつきにより，赤外センサ６に印加される電圧Ｖａのばらつきの原因にならず，赤外センサ６の電流Ｉｓのばらつきはなくなる。その結果，電流Ｉｓに応じて，オペアンプ４０のダイナミックレンジを最も感度が高くなるように設計することができる。または，電流Ｉｓに応じて，ダイナミックレンジを拡大することもできる。
【００２５】
図１０は，オペアンプ４０の回路例を示す図である。オペアンプ４０は，入力端子Ｎ１と基準電圧Ｖｂがゲートに印加されるＮチャネルトランジスタＱ１，Ｑ２と，ソース端子が電源Ｖｓｓに接続された電流源トランジスタＱ３と，電源Ｖｃｃに接続されカレントミラー回路を構成するＰチャネルトランジスタＰ１，Ｐ２とを有する。さらに，トランジスタＱ１のドレイン端子は，Ｎチャネルの出力トランジスタＱ４のゲートに接続され，出力トランジスタＱ４のソース端子が出力端子Ｎ２になる。図１０に示されるとおり，入力端子Ｎ１は入力インピーダンスが高く入力電流はほとんどない。
【００２６】
図１１，図１２は，本実施の形態における入力回路の変型例を示す図である。図１１の例では，リセットトランジスタ４４が，オペアンプ４０の出力端子Ｎ２と入力端子Ｎ１との間に設けられている。リセット時にリセットトランジスタ４４が導通すると，キャパシタ４２の両電極は導電パッド４Ａ，４Ｂを介して短絡される。よって，入力回路８の動作は図８と同じである。
【００２７】
図１２の例では，フィードバックループ内のキャパシタに代えて，抵抗素子４７が設けられる。この入力回路８は，赤外センサ６に発生する電流Ｉｓが，フィードバック抵抗４７に流れ，それに対応してオペアンプ４０の出力端子Ｎ２の電位が上昇する。つまり，入力回路は，赤外センサ６の瞬間的な電流Ｉｓを電圧に変換して出力端子Ｎ２に出力する。
【００２８】
図１１，１２の入力回路の変型例においても，オペアンプの電流入力端子Ｎ３と電圧入力端子Ｎ１とを分離し，それぞれを導電バンプ４Ａ，４Ｂを介して赤外センサ６に接続する。
【００２９】
図１３，１４，１５は，本実施の形態における撮像デバイスの製造方法を示す図である。この赤外センサは量子井戸型赤外センサの例である。
【００３０】
まず，工程（Ａ）に示すとおり，第１の基板であるGaAs基板１上に，n-GaAsコンタクト層６１とAlGaAs/GaAs-多重量子井戸層（MQW）６２とn-GaAsコンタクト層６３とを，ＭＯＣＶＤ法により結晶成長する。
【００３１】
次に，工程（Ｂ）では，基板１の表面にレジストを塗布し，露光，現像し，レジストをマスクにしたドライエッチングにより，n-GaAsコンタクト層６３の表面に光結合器用の回折格子溝６４を形成する。さらに，別のレジストを塗布，露光，現像し，ドライエッチングにより，表面からn-GaAsコンタクト層６１に達するコンタクト溝６５を形成する。
【００３２】
工程（Ｃ）では，P-CVD法によりSiN絶縁膜６６を基板表面全体に形成する。その後レジストパターンを形成して，SiN絶縁膜６６をドライエッチングして，オーミック電極の形成に必要な領域にコンタクト孔を形成する。次に，レジストパターンを形成し，AuGe/Auを蒸着し，リフトオフ法によりコンタクト孔に各々オーミック電極６７を形成する。
【００３３】
工程（Ｄ）では，工程（Ｃ）と同様に必要な領域のSiN絶縁膜６６をドライエッチングにより除去後，Ti/Auを蒸着してセンサ素子表面に光結合器の一部となるミラー電極６８を形成する。周辺領域では，このTi/Auが下部コンタクト層６１からの引出配線電極６９になる。
【００３４】
工程（Ｅ）では，レジストパターンを形成後にSiN絶縁膜のドライエッチングし，続いてGaAsコンタクト層６３やMQW層６２をドライエッチングして，素子分離溝７０を形成する。素子分離溝７０により分離された赤外センサ素子が行列上に配置される。
【００３５】
工程（Ｆ）では，P-CVD法によりSiN保護膜７１を堆積する。このSiN保護層７１は，素子分離溝７０内にも形成される。そして，Inバンプを形成する領域にレジストパターンを形成し，SiN保護膜７１をドライエッチングにより除去してからTi/Ptを蒸着し，リフトオフ法によってバンプ下地電極７２を形成する。
【００３６】
工程（Ｇ）では，バンプ下地電極７２上にレジストパターンを形成し，Ｉｎを蒸着し，レジストパターンを除去するリフトオフ法を用いて，Ｉｎバンプ７３を形成する。このＩｎバンプ７３は，各赤外センサに２本ずつ形成される。
【００３７】
そして，最後に，図１５に示されるとおり，第１の基板１のＩｎバンプ７３と，第２の基板２のコンタクト電極３とが接合される。
【００３８】
図１６は，本実施の形態における撮像デバイスを有する赤外線撮像装置の構成図である。赤外線撮像装置９２は，入射レンズ９１を介して入射赤外線ＩＲを赤外線センサアレイ８０に入射する。この赤外センサアレイ８０は，上記説明してきた撮像デバイスである。この赤外線センサアレイ８０は冷却器８１により液体窒素温度まで冷却されている。また，赤外センサアレイ８０は，駆動回路８２により駆動される。
【００３９】
赤外センサアレイ８０の出力は，ＡＤ変換回路８３によりデジタル信号に変換される。そして，演算回路８４が，補正データメモリ８６内の補正データに基づいてデジタル信号に所定の補正処理を行う。この補正処理は，例えば赤外センサ間のばらつき補正や，ホワイトバランス補正などである。さらに，演算回路８４は，赤外センサアレイ８０の欠陥画素の情報を保持する欠陥アドレスメモリ８５の情報に基づいて，欠陥アドレスの画像データを隣接画素の画像データに置き換えるなどの処理を行う。演算回路８４により生成された画像データは，フォーマット変換回路８７で所定のフォーマット変換され，ＤＡ変換回路８８によりアナログ信号に変換され，モニタ装置９０に出力される。
【００４０】
以上の通り，本実施の形態によれば，撮像デバイスは，光電変換素子が形成された第１の基板とその入力回路及び読み出し回路が形成された第２の基板とを結合する導電バンプとそのコンタクト電極などの接続部の抵抗にばらつきが発生しても，入力回路を抵抗ばらつきにかかわらず設計することができる。
【００４１】
また，図１６の冷却器８１が設けられず，赤外センサアレイが常温（高温）で動作させるなど，センサ素子が低インピーダンスになる場合であっても，接続部の抵抗ばらつきによる悪影響を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の撮像デバイスの斜視図である。
【図２】従来の撮像デバイスの断面図である。
【図３】第２の基板に形成される読み出し回路の回路図である。
【図４】従来の入力回路の回路図である。
【図５】従来の入力回路の動作点を示す図である。
【図６】本実施の形態における撮像デバイスの斜視図である。
【図７】本実施の形態における撮像デバイスの断面図である。
【図８】本実施の形態における出力回路８の回路図である。
【図９】本実施の形態における出力回路８の動作点を示す図である。
【図１０】オペアンプの回路例を示す図である。
【図１１】本実施の形態における入力回路の変型例を示す図である。
【図１２】本実施の形態における入力回路の変型例を示す図である。
【図１３】本実施の形態における撮像デバイスの製造方法を示す図である。
【図１４】本実施の形態における撮像デバイスの製造方法を示す図である。
【図１５】本実施の形態における撮像デバイスの製造方法を示す図である。
【図１６】本実施の形態における撮像デバイスを有する赤外線撮像装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：第１の基板                        ２：第２の基板
４Ａ，４Ｂ：導電バンプ                ６：光電変換素子
８：入力回路
【図１】
0005256862.tif 000002
【図２】
0005256862.tif 000003
【図３】
0005256862.tif 000004
【図４】
0005256862.tif 000005
【図５】
0005256862.tif 000006
【図６】
0005256862.tif 000007
【図７】
0005256862.tif 000008
【図８】
0005256862.tif 000009
【図９】
0005256862.tif 000010
【図１０】
0005256862.tif 000011
【図１１】
0005256862.tif 000012
【図１２】
0005256862.tif 000013
【図１６】
0005256862.tif 000014
【図１３】
0005256862.tif 000015
【図１４】
0005256862.tif 000016
【図１５】
0005256862.tif 000017