JP7243071B2 - 赤外線検出器及びこれを用いた赤外線撮像装置 - Google Patents
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Description
第1の波長の赤外光に応答する第1画素と、前記第1の波長と異なる第2の波長に応答する第2画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
を有し、
前記第1画素は第1の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第2画素は前記第1の接続電極と異なる高さの第2の接続電極で前記読出し回路に接続されている。
図7と図8は、第1実施例の画素補間処理を説明する図である。第1実施例では、隣接する4つの画素を1つの単位ブロック25Aとする。単位ブロック25Aは、1つのλ2用画素22と、3つのλ1用画素21を有する。単位ブロック25Aの内部で、λ2用画素22の位置を(3)、λ2用画素22と水平方向(X方向)または垂直方向(Y方向)で隣接するλ1用画素21の位置を(1)、λ2用画素22と対角にあるλ1用画素21の位置を(2)とする。画素位置(1)~(3)のそれぞれで、出力される電流値は、対応する単一の波長の検出値であるが、赤外線検出器10を2波長の検出器として機能させるために、補間処理を行う。
図9と図10は、第2実施例の画素補間処理を説明する図である。第2実施例では、隣接する2つの画素を1つの単位ブロック25Bとする。単位ブロック25Bは、1つのλ2用画素22と、1つのλ1用画素21を有する。この配置では、赤外線検出素子アレイ20の画素配置は、チェッカーボードパターンとなる。水平方向(X方向)と垂直方向(Y方向)で、どの行またはどの列の断面をとっても、図5(B)と同じ、交互配置の断面構成となる。
図11と図12は、第3実施例の画素補間処理を説明する図である。第3実施例では、9つの画素を1つの単位ブロック25Cとする。単位ブロック25Cは、画素配列の対角上に並ぶ3つのλ2用画素22と、6つのλ1用画素21を有する。対角の方向は、必ずしも右下がりの方向である必要はなく、右上がりの対角上に配置してもよい。
Iλ2=(画素Aの出力)×a+(画素Bの出力)×b+(画素Cの出力)×c
で算出される値を用いてもよい。画素位置(1)に対する画素Aと画素Bの距離が等しい場合、係数値をa=bに設定してもよい。対角関係にある画素Cの係数値cをa>c、及びb>cに設定して、より近い画素からの出力値を優先的に利用してもよい。
(1)λ1カプラ層58となる表面のGaAs層をエッチングしてパターン合わせ用のマーカーを形成し、回折格子用のマスクをパターニングにより形成する。AlGaAsのストッパ層57をエッチングストッパとして用い、選択的ドライエッチングでλ1カプラ層58のGaAsを加工して、回折格子溝を形成する。
(2)浅い画素分離溝26と、λ2用画素22の領域のためのマスクを形成し、積層体50の表面からλ1吸収層14の大部分を除去するドライエッチングを行う。さらに、InGaPのストッパ層56を選択的ストッパ層とするウェットエッチングを行って、中間コンタクト層13の表面に達する画素分離溝26を形成する。このとき、λ2用画素22に相当する領域では、画素全体にわたってλ1吸収層14が除去される。
(3)λ2用画素22の領域において、λ2カプラ層55の回折格子用のマスクをパターニングし、λ2カプラ層55のGaAs層を部分的に加工し、λ2カプラ層55の回折格子を形成する。このとき、n型AlGaAsのストッパ層54を回折格子用のエッチングストッパとして用いる。
(4)λ2用画素22の周囲に、深い画素分離溝27を形成する。InGaPのストッパ層53をエッチングストッパとする選択ドライエッチングを行い、中間コンタクト層13の上部から溝となる部分のλ2吸収層12を除去する。
(5)2次元アレイの外周部に、中間コンタクト層13に共通のバイアス電圧を供給するためのλ1共通電極コンタクト穴を形成する。λ1共通電極コンタクト穴は、たとえば、InGaPのストッパ層56をエッチングストッパとするウェットエッチングにより形成される。
(6)続いて、形成されたλ1共通コンタクト穴の一部に、さらに下部コンタクト層11に到達するコンタクト穴をウェットエッチングにより形成する。このコンタクト穴は、下部コンタクト層11にλ2検出用の共通のバイアス電圧を供給するλ2共通電極コンタクト穴であり、InGaPのストッパ層53をエッチングストッパとして形成される。
(7)必要な箇所、すなわち、λ1用画素21、λ2用画素22、及びアレイ外周の2種類の共通コンタクト穴に、オーミック電極用のパターニングを実施し、リフトオフ法によりAuGeのオーミック電極を形成する。λ1用画素21では、上部コンタクト層15と接触するオーミック電極が形成され、λ2用画素22では、中間コンタクト層13に接触するオーミック電極が形成される(図5の(B)参照)。
(8)CVD法により、素子表面の全体をSiON保護膜で覆った後、表面電極を形成する箇所のSiON保護膜をドライエッチングで除去し、Ti/Au金属膜をスパッタ法等により素子全面に蒸着する。各画素の表面と共通コンタクト電極部分から配線引出しを行う部分でTi/Auを残すパターニングを行って、表面電極を形成する。この表面電極はλ1カプラ層58とλ2カプラ層55の反射ミラーを兼用する。反射ミラーで、吸収されなかったλ1赤外光とλ2赤外光をλ1吸収層14及びλ2吸収層12に戻すことで吸収効率を高める。
(9)再度、素子全面をSiOn保護膜で覆い、読出し回路30との接続電極となる部分を開口し、リフトオフ法によりTi/Ptバンプ下地電極を形成する。下地電極上に、リフトオフ法によりInの接続電極41、42を形成する。
図16は、信号処理回路60によって実施される制御フローの図である。まず、赤外線検出器10の画素出力を取得する(S11)。赤外線検出素子アレイ20のλ1用画素21とλ2用画素における光応答出力は、読出し回路30によって順次走査読出しされ、時系列の検出信号として信号処理回路60に入力される。
(付記1)
複数の画素の配列を有する赤外線検出器において、
第1の波長の赤外光に応答する第1画素と、前記第1の波長と異なる第2の波長に応答する第2画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
を有し、
前記第1画素は第1の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第2画素は前記第1の接続電極と異なる高さの第2の接続電極で前記読出し回路に接続されていることを特徴とする赤外線検出器。
(付記2)
前記赤外線検出素子アレイは、前記第1の波長の赤外光を吸収する第1吸収層と、前記第2の波長の赤外光を吸収する第2吸収層が中間コンタクト層を挟んで積層された積層体を有し、
前記赤外線検出素子アレイが前記読出し回路と対向する面を素子表面とすると、前記第2画素は、前記第1画素よりも前記素子表面から深い位置にあることを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(付記3)
前記第2画素の位置で、前記第1吸収層が部分的に除去されていることを特徴とする付記2に記載の赤外線検出器。
(付記4)
前記赤外線検出素子アレイは、少なくとも1つの前記第1画素と、少なくとも1つの前記第2画素を含む単位ブロックの繰り返しを含み、
互いに隣接する2つの前記第1画素は、第1の深さの第1の画素分離溝で分離され、
隣接する前記第1画素と前記第2画素は、前記第1の画素分離溝よりも深い第2の深さの第2の画素分離溝で分離されていることを特徴とする付記1~3のいずれかに記載の赤外線検出器。
(付記5)
前記第1の波長は、前記第2の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、1つの前記第2画素と3つの前記第1画素を含む2×2の単位ブロックであることを特徴とする付記4に記載の赤外線検出器。
(付記6)
前記第1の波長は、前記第2の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、3つの前記第2画素と6つの前記第1画素を含む3×3の単位ブロックであることを特徴とする付記4に記載の赤外線検出器。
(付記7)
前記第1の波長は、前記第2の波長よりも短く、
前記単位ブロックは、1つの前記第2画素と1つの前記第1画素を含む2×1の単位ブロックであり、前記複数の画素において、前記第1画素と前記第2画素がチェッカーボードパターンに配列されていることを特徴とする付記4に記載の赤外線検出器。
(付記8)
前記赤外線検出素子アレイは、前記読出し回路と対向する面から順に、上部コンタクト層、第1吸収層、中間コンタクト層、第2吸収層、及び下部コンタクト層を含む積層体、
を有し、前記下部コンタクト層と、前記中間コンタクト層に、同電位の共通バイアス電圧が印加されることを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(付記9)
前記複数の画素の画素ピッチは、前記第1の波長の光学的分解能よりも大きく、かつ前記第2の波長の光学的分解能以下であることを特徴とする付記1~8のいずれかに記載の赤外線検出器。
(付記10)
付記1~9のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力に接続される信号処理回路と、
を有する赤外線撮像装置において、
前記信号処理回路は、前記第1画素からの出力値と、前記第1画素の周囲の2以上の前記第2画素からの出力値を用いて、前記第1画素における前記第1波長の受光量と前記第2の波長の受光量とを算出することを特徴とする赤外線撮像装置。
(付記11)
前記信号処理回路は、前記第1画素に水平方向または垂直方向で隣接する2つ以上の前記第2画素からの出力を用いて、前記第1画素における前記第2の波長の受光量を算出することを特徴とする付記10に記載の赤外線撮像装置。
(付記12)
前記信号処理回路は、前記第1画素に対角方向で隣接する4つの前記第2画素からの出力を用いて、前記第1画素における前記第2の波長の受光量を算出することを特徴とする付記10に記載の赤外線撮像装置。
(付記13)
前記信号処理回路は、前記複数の画素のそれぞれについて、前記第1の波長の受光量と、前記第2の波長の受光量とを出力することを特徴とする付記10~12のいずれかに記載の赤外線撮像装置。
(付記14)
プロセッサにおいて、
第1の波長の赤外光に応答する第1画素と、前記第1の波長と異なる第2の波長に応答する第2画素が所定の配置パターンで繰り返し配置された赤外線検出素子アレイからの出力をフレーム単位で取得し、
前記第1画素の出力値と、前記第1画素の周囲の前記第2画素の出力値を用いて、前記第1画素における前記第1の波長の受光量と前記第2の波長の受光量とを算出する、
ことを特徴とする赤外線検出器の制御方法。
(付記15)
前記第1画素に水平方向または垂直方向で隣接する2つ以上の前記第2画素からの出力を用いて、前記第1画素における前記第2の波長の受光量を算出することを特徴とする付記14に記載の赤外線検出器の制御方法。
(付記16)
前記第1画素に対角方向で隣接する4つの前記第2画素からの出力を用いて、前記第1画素における前記第2の波長の受光量を算出することを特徴とする付記14に記載の赤外線検出器の制御方法。
(付記17)
前記複数の画素のそれぞれについて、前記第1の波長の受光量と、前記第2の波長の受光量とを出力することを特徴とする付記14~16のいずれかに記載の赤外線検出器の制御方法。
11 下部コンタクト層
12 λ2吸収層
13 中間コンタクト層
14 λ1吸収層
15 上部コンタクト層
20 赤外線検出素子アレイ
21 λ1用画素
22 λ2用画素
26 画素分離溝
27 画素分離溝
30 読出し回路
41、42 接続電極
60 信号処理回路
100 赤外線撮像装置
201、202 赤外線検出素子
1000 撮像システム
Claims (6)
- 複数の画素の配列を有する赤外線検出器において、
第1の波長の赤外光に応答する第1画素と、前記第1の波長と異なる第2の波長に応答する第2画素が、所定の配置パターンで繰り返し配置される赤外線検出素子アレイと、
前記赤外線検出素子アレイに接続される読出し回路と、
を有し、
前記第1画素は第1の接続電極で前記読出し回路に接続され、前記第2画素は前記第1の接続電極と異なる高さの第2の接続電極で前記読出し回路に接続されており、
前記赤外線検出素子アレイは、少なくとも1つの前記第1画素と、少なくとも1つの前記第2画素を含む単位ブロックの繰り返しを含み、
互いに隣接する2つの前記第1画素は、前記赤外線検出素子アレイが前記読出し回路と対向する素子表面から第1の深さの第1の画素分離溝で分離され、隣接する前記第1画素と前記第2画素は、前記素子表面からの深さが前記第1の画素分離溝よりも深い第2の深さの第2の画素分離溝で分離されていることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記赤外線検出素子アレイは、前記第1の波長の赤外光を吸収する第1吸収層と、前記第2の波長の赤外光を吸収する第2吸収層が中間コンタクト層を挟んで積層された積層体を有し、
前記第2画素の最表面は、前記第1画素の最表面よりも前記素子表面から深い位置にあることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。 - 前記積層体において、前記第2画素の位置で、前記第1吸収層が除去されていることを特徴とする請求項2に記載の赤外線検出器。
- 前記赤外線検出素子アレイは、前記読出し回路と対向する面から順に、上部コンタクト層、第1吸収層、中間コンタクト層、第2吸収層、及び下部コンタクト層を含む積層体、
を有し、前記下部コンタクト層と、前記中間コンタクト層に、同電位の共通バイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。 - 前記複数の画素の配列において、前記第1の波長の光は前記第1画素の内部に集光され、かつ前記第2の波長の光は前記第1画素から周辺の画素にまたがって結像されることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力に接続される信号処理回路と、
を有する赤外線撮像装置において、
前記信号処理回路は、前記第1画素からの出力値と、前記第1画素の周囲の2以上の前記第2画素からの出力値を用いて、前記第1画素における前記第1の波長の受光量と前記第2の波長の受光量とを算出することを特徴とする赤外線撮像装置。
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