特集

波長15µm まで感度を有する量子型赤外イメージセンサ

Quantum Well Infrared Imaging Sensor with High Sensitivity in the Wavelength
Range of up to 15 µm
＊

木村大資

猪口康博

Daisuke Kimura

Yasuhiro Iguchi

スンダララジャン バーラセカラン
Sundararajan Balasekaran

酒井稲田博史木股雅章

Hiroshi Inada理人

Michito Sakai

Masafumi Kimata

現在、広く使われている HgCdTe を材料とした量子型赤外センサに比べ、理論的な性能向上が期待できかつ環境負荷の小さい TypeⅡ超格子を用いた赤外センサが注目されている。センサ開発に関する報告が多数なされているが、ハイパースペクトルイメージングに必要とされる14 µm より長波長域に関する報告は少ない。今回、我々は受光層材料に InAs/GaInSb 超格子を適用し、波長15µm まで感度を有する32万画素（VGA フォーマット※1）の赤外イメージセンサを開発した。バイアス電圧 -20 mV、温度77 K における暗電流密度は3.7×10-3 A/cm2を得た。温度分解能（NEdT）は0.29 K（F/1.4レンズ、積分時間200 µs、バイアス0 mV、温度95 K）であり、イメージセンサとして人物画像取得に成功した。

Infrared detectors with Type-II superlattices are attracting increasing attention due to their theoretically higher performance andlower environment impact than HgCdTe detectors. While quite a number of reports have been made on sensor development,
only a few of them have discussed a long wavelength region over 14 µm, which is required for hyper-spectral imaging. Using aType-II InAs/GaInSb superlattice, we have developed an infrared imaging sensor (640 × 512, VGA format) that functions in thewavelength range of up to 15 µm. At a temperature of 77 K and a bias voltage of -20 mV, the sensor obtained a dark current
density of 3.7 × 10-3 A/cm2. The noise equivalent differential temperature (NEdT) of 0.29 K was achieved under an experimental
condition using F/1.4 optics, a bias voltage of 0 mV, integration time of 200 µs, and temperature of 95 K. We succeeded intaking thermal images of a person.
キーワード：赤外イメージセンサ、Type-Ⅱ超格子、VLWIR、VGA

1.

緒言

InAs/GaSb 超格子を用いた赤外線センサは世界中で

波長3 µm 以上を高感度に検出可能な赤外センサは有毒

活 発 に 開 発 さ れ て お り、大 気 の 窓 で あ る 中 波 長 赤 外 帯

ガスセンシング、暗視用カメラ、サーモグラフィ、宇宙（MWIR，波長3～5 µm），長波長赤外帯（LWIR，波長8～からの地球環境観測などへの応用が期待される。現在は

14 µm）に関しては多数報告されている（1）～（4）。一方、量HgCdTe を受光材料に用いたセンサが主流であるが、水銀、子型の特徴である高感度、高速応答性を生かせるハイパーカドミウムの地球環境への負荷が懸念される。昨今、地球スペクトルイメージングやリモートセンシング応用ではよ環境に優しい新規材料として InAs と GaSb を短周期積層構り長波長域（VLWIR）での検知が期待されている（5）～（7）。

造にした Type-Ⅱ超格子が注目され研究開発されている。
そのバンド構造を図1に示す。InAs の伝導帯は GaSb の価電子帯よりも低くなり、電子と正孔のミニバンドが形成さInAsれ、狭いバンドギャップにより長波長の光が吸収可能とな

Ga(In)Sb

InAs

Ga(In)Sb

入射光る。InAs/GaSb 超格子は HgCdTe と比較し①キャリアの有効質量が大きく、オージェ再結合が抑えられ、理論上暗電流を低くできる

電子のミニバンド②波長の感度域は組成ではなく InAs と GaSb の膜厚で調整でき、3 µm から30 µm の範囲で波長感度の制御がEc吸収可能である③Ⅲ - Ⅴ属エピタキシャル成長技術が利用可能で、面内均一性の高い製造が可能であるという優位性を持つ。

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波長15µmまで感度を有する量子型赤外イメージセンサ

正孔のミニバンドEv
図1

Type-Ⅱ超格子のバンド構造

今回我々は波長15 µm まで感度を有する32万画素の赤外3.

作製プロセス

図4に赤外イメージセンサの作製プロセスを示す。分子イメージセンサを開発したので報告する。

線エピタキシー法により、n 型の GaSb 基板上に n 型 GaSb2.

バッファー層（厚さ0.5 µm）、n 型 InAsSb コンタクト層素子構造（厚さ3 µm）、n 型 InAs/GaInSb 超格子層（50ペア）、n 型エピウェハ構造を図2に示す。我々は InAs/GaSb 超格子

InSb/InAs/GaSb 正孔障壁層（88ペア）、InAs/GaInSb 受と比較し電子と正孔の波動関数の重なりが大きいため吸収光 層（300ペ ア、厚 さ1.8 µm）、p 型 InAs/GaSb 電 子 障係数が大きくなり、高い量子効率、感度向上が期待される壁層（31ペア）、p 型 InAs/GaInSb 超格子層（50ペア）、

InAs/GaInSb 超格子をセンサの受光層材料に使用した（6）。

p 型 GaSb コンタクト層（厚さ0.2 µm）を順に結晶成長さ

また、暗電流の低減を目的に受光層よりもバンドギャップのせた。その後、SiN 膜を成膜し、フォトリソグラフィーを大きい電子、正孔の障壁層を受光層の両隣に設ける PBIBN

用いて画素間隔15 µm、32万画素の赤外イメージセンサ。

構造を採用したのパターンを形成した。続いて半導体エッチング用 SiN マ（6）、（8）、（9）作製した赤外イメージセンサの構造を図3に示す。高精スクを形成した後、ドライエッチングで半導体層をエッチ細化に有利なメサ型構造を採用し、画素間隔は15 µm、32ングしメサ構造を形成した。リン酸系溶液を用いたウェッ）で、n 型電極は InAsSb 層トエッチングによりメサ側面のダメージ層を除去した後、万画素（VGA フォーマット

※1上に形成した。

バッファードフッ酸を用いて SiN マスクを除去した。続いて、N2プラズマによる表面処理により自然酸化膜除去と再酸化を抑制し、同一チャンバー内で待機時間無く連続処理で SiO2パッシベーション膜を成膜した（10）。コンタクト
開口し、蒸着、リフトオフにより Ti/Pt/Au/Ni/Au 層からp型GaSbコンタクト層なる電極、材質 In のバンプを形成した。ウェハをダイシン

p型InAs/GaInSb超格子層(50ペア)グしてチップ化し、フリップチップボンディングによりセp型InAs/GaSb電子障壁層(31ペア)

ンサチップと ROIC ※2とをバンプ接合し、アンダーフィル
1.8μm

InAs/GaInSb受光層(300ペア)を充填した。最後に GaSb 基板を50 µm まで化学機械研磨（CMP）により減厚し、光吸収を抑制した。作製した赤外イメージセンサの電子顕微鏡写真を図5に示す。均一性よn型InSb/InAs/GaSb正孔障壁層(88ペア)

くメサが狭ピッチ、高アスペクトで作製できていることがn型InAs/GaInSb超格子層(50ペア)わかる。

n型InAsSbコンタクト層
n型GaSbバッファー層

n型電極領域100μm

n型GaSb基板

図2

画素部
1～2μm

エピウェハ構造
GaSb基板

Inバンプ

n型電極領域

画素部

n型電極領域15μm

1～2μm

2. SiN成膜

3. マスク形成

5. パッシベーション成膜

6. 電極形成

1. エピ成長
1～2μm

100μm

電極

5～6μm
4. メサ形成

GaSb基板メサ深さ5～6μm
n型InAsSbコンタクト層
図3

赤外イメージングセンサ構造

7. Inバンプ形成

図4

8. フリップチップ接合,アンダーフィル充填

9.基板減厚赤外イメージングセンサの作製プロセス

2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号     39

拡大

画素部

0.5

1.2μm

温度20K, 電圧-20mV, 波長15μm

0.450.45.7μm
量子効率15μm0.35

図50.30.250.20.15

作製した赤外イメージングの電子顕微鏡写真

0.1
0.050234567

また、暗電流、受光感度等の特性を評価するための単素子センサを赤外イメージセンサと同一ウェハ上に作製した。

4.

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Wavelength (μm)

図8

量子効率

センサの特性

4－1

暗電流・受光感度・量子効率特性効率を図8に示す（図7、図8でグラフがギザギザしている

単素子センサを LCC（Lead-less Chip Carrier）パッケーのは周辺からの干渉の影響である）。温度77 K、電圧 -20

ジにワイヤボンディングし暗電流、受光感度、量子効率をmV での暗電流密度 J は3.7×10-3 A/cm2であった。温度20評価した。電流電圧特性を図6に、受光感度を図7に、量子K、電圧 -20 mV、波長15 µm における受光感度は0.5 A/W、量子効率は5％であった。
4－2

Dark current density (A/cm2)

温度77K, 電圧-20mV

レンズ、積分時間60 µs、バイアス0 mV で人物を撮影（写真1）および液体窒素を入れた容器の近くでかざした手を1.E+00撮影した（写真2）。写真1に示すようにセンサ全面で人物

1.E-01

1.E-02

1.E-03-0.3-0.25-0.2-0.15

図6

電流電圧特性3.5-0.1 -0.05
Bias (V)

00.05

0.1

温度20K, 電圧-20mV, 波長15μm

3Responsivity (A/W)

イメージセンサ特性

センサチップを液体窒素で94 K に冷却し、F/1.4の LWIR

1.E+01

写真1

人物画像

2.5
2
1.5
10.5
02345678
9 10 11 12 13 14 15 16 17
Wavelength (μm)

図740

受光感度

波長15µmまで感度を有する量子型赤外イメージセンサ

写真2

液体窒素容器画像

の画像が撮影できていることが確認できる。写真2に示す

参

ように手の温度勾配が確認できるとともに、室温以下の液（1） H. S. Kim, E. Plis, J. B. Rodriguez, G. D. Bishop, Y. D. Sharma,
L. R. Dawson, S. Krishna, J. Bundas, R. Cook, D. Burrows, R. Dennis,
K. Patnaude, A. Reisinger and M. Sundaram, Appl. Phys. Lett. 92（2008）183502（2） V. Daumer, V. Gramich, R. Müller, J. Schmidt, F. Rutz, T. Stadelmann,A. Wörl and R. Rehm：Proc. of SPIE.（2017）10177. 1017711（3） L . Höglund, R. M. V. Würtemberg, C. Asplund, H. Kataria,A. Gamfeldt and E. Costard, Proc. of SPIE.（2017）10177. 1017713（4） A. Rogalski, M. Kopytko and P. Martyniuk, Proc. of SPIE.（2017）
10177. 1017715（5） Y. Wei, A. Gin and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett. 81（2002）3675（6） M. Sakai, J.Murooka, A. Kumeta, H. Katayama, T. Kimura, H. Inada,
Y. Iguchi, Y. Hiroe and M. Kimata, Proc. of SP2E.（2016）9933.
993306（7） D. Jiang, W. Xiang, F. Guo, H. Hao, X. Han, X. Li, G. Wang, Y. Xu,Q. Yu, and Z. Niu, Appl. Phys. Lett. 108（2016）121110（8） N. Gautam, H. S. Kim, M. N. Kutty, E. Plis, L. R. Dawson andS. Krishna, Appl. Phys. Lett. 96（2010）231107（9） P. Martyniuk, M. kopytko and A. Rogalski, Opto−Electron. Rev.
22（2014）127（10）H. Inada, K. Machinaga, Sundararajan, B, K. Miura, Y. Tsuji,
M. Migita, Y. Iguchi, H. Katayama and M. Kimata, Proc. of SPIE.
（2014）9070, 90700Z

体窒素容器も識別できた。
図9に温度95 K、積分時間200 µs、バイアス0 mV での赤外イメージセンサの温度分解能（NEdT：Noise equivalentdifferential temperature）のヒストグラムを示す。NEdTの最頻値は0.29 K、±3σでのオペラビリティーは85 ％であった。

Frequency (pixcel number)

200

温度95K, 積分時間200μs, 電圧0mV

15010050000.2

0.4

0.6

0.81

NEdT (K)

図95.

結

執考筆

木村文

献

者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
大 資＊ ：伝送デバイス研究所

主査

温度分解能のヒストグラム

言

我々は Type- Ⅱ超格子を受光層に用い、15 µm まで感度

スンダララジャン バーラセカラン ：伝送デバイス研究所 主査
博士（工学）を有する32万画素の赤外イメージセンサを開発した。InAs/GaInSb 超格子を受光層材料に用いることで感度を向上させ、電子、正孔の障壁層を受光層の両隣に設けることで暗稲田

博史：伝送デバイス研究所

グループ長

猪口康博

：伝送デバイス研究所
博士（工学）

部長

酒井理人：宇宙航空研究開発機構（JAXA）
博士（理学）

木股雅章：立命館大学 教授
博士（工学）

電流を低減させ、NEdT は0.29 K を観測し、イメージセンサとして人物画像の取得に成功した。NEdT のバラツキに課題は残すが、今後のハイパースペクトルイメージング等への応用が期待できる結果を得た。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

VGA

Video Graphics Array：横に640画素、縦に512画素を配列した形式。
※2

ROIC

Read-Out Integrated Circuit：信号読み出し回路。

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

2018 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 192 号     41