JPS622565A - 直接電荷注入形赤外画像センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は受光部と信号処理部とが異種基板より成るハ
イブリッド形の赤外画像センサーに関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 本発明に関係の深い技術的背景についてはＩＥＥ　　Ｅ
　　　　Ｔ　　ｒａｎｓａｃｔｌｏｎｓ　　ｏｎ　　　
Ｅ　　１ｃｃｔｒｏｎ　　Ｄ　ｃｖｌｃｏｓ。

Ｖｏｌ、　　Ｅ　Ｄ−２７，Ｎｏ、１（Ｊａｎ、１９８
０）　　ｐｐ１７５　−１８８”ＣＣＤ　　　Ｒｅａｄ
ｏｕｔ　　ｏｆ’　　Ｉ　　ｎｆ’ｒａｒａｄ　　Ｈｙ
ｂｒｉｄ　　Ｆｏｅａｌ−Ｐｌａｎｅ　　Ａｒｒａｙｓ
　’　Ｐ、　　ｆｅｌｉｘ　ｅｔ、ａｌ、によく記載さ
れている。

第９図はハイブリッド形の赤外画像センサーの赤外入射
面に垂直方向の断面を示す。１は赤外感光半導体基板、
２はＣＣＤで代表される信号処理部の基板である。１の
２に対向する一方の表面には例えばｎ基板ならばｐ＋拡
散層４を配列した裏面入射形したフォトダイオードアレ
イが形成され、１に対向する２の表面には２をｎ基板と
したときｐ　拡散層６を有し、４と６とは互いに向い合
った対応する位置を占め、その間は導体柱３で電気的、
機械的に結合されている。５は１の基板と同性質（上側
ではｎ形）の高濃度領域でフォトダイオードアレイの基
板側共通電極である。第１０図は第１図に示した赤外画
像センサーのフォトダイオードと信号処理部との結合部
の詳細を示したものである。７はフォトダイオードの１
素子を示し、８は６と隣接したＭＩＳ形ゲートであり、
９は信号電荷蓄積部のＭＩＳ形ゲートである。９はさら
に直接にまたはシフトゲートを介してＣＣＤ転送ゲート
に結合されている。

従来、本ハイブリッド形赤外画像センサーのフォトダイ
オードアレイから信号処理部へ信号電荷を注入する方法
が各種考案されているが、第１０図に示した回路構成で
は直接注入形電流結合（ＤＩｒｅｃｔ−１ｎｕｃｃｔｌ
ｏｎ−ｃｕｒｒａｎｔ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ）による方法
と、“ビジコンモード“と呼ばれるディテクター中での
蓄積による電流結合（ＣＵｒｒｅｌｌｔ　ｃｏｕｐｌｉ
ｎｇｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　Ｉｎ　ｔｈｅ
　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の方法とがある。前者は第１０図
の７の基板側電極をアース電位にするか、または２の基
板側に比べ一定の電位差を設けておき、蓄積部９の表面
ポテンシャルとの電位差により信号電荷が注入される方
式であり、フォトダイオードを低バイアスで使用出来る
ため、暗電流を少なく出来、また低雑音である特長を持
っている。後者はフォトダイオードには読出周明毎にバ
イアスを印加する必要があり、そのため暗電流が多く、
またそれには付随した雑音が大きいため不利であった。

しかしながら前者においてもフォトダイオードの逆方向
抵抗Ｒ８およびＭｒＳ形ゲート８のコンダクタンスｇ　
により決まる注入効率ηｌｎｇｉ　十ｇ　、　Ｒ。

上からｇ　を無制限におおきく出来ない為、例え■ 得るためにはＲｏ≧４Ｘ１０９　［Ω］という太きなＲ
Ｄが必要である。

また赤外センサーは温度差の分解能が要求され、雑音と
等価な温度差が０．１　［ｄ　ｅ　ｇ］以下という限界
値を得るためには入力信号電荷中の背景光成分に比ペタ
ーゲットの温度差成分を大きくする事が望ましい。その
ためにＭＩＳ形ゲート８を２つの部分に分け、第１１図
に示すようなスキミングゲート１１を設け、背景光成分
から一定量をドレインに捨て、その上澄みの信号成分を
取り出してＣＯＤ転送部へ送る方法が考案されている。

図中電荷蓄積中の電極下の表面ポテンシャルを破線で、
また蓄積された電荷をハツチングで示した。蓄積部電極
９０１は１１により２つの部分に分けられ、背景光に相
当する信号電荷は左側のポテンシャル井戸へ、ターゲッ
トとの温度差に相当する信号電荷は１１のポテンシャル
衝壁を通して右側のポテンシャル井戸へ蓄積される。左
側の蓄積電荷はドレインゲート１２を通ってドレイン１
３へ捨てられ、右側の蓄積電荷はＣＣＤへ送られる。

この方法は蓄積部９０１に広い面積を必要とし、余分な
電極（１１）を設ける必要もあり、またドレイン１３お
よびドレインゲート１２を設けなければならず、素子が
反雑で大面積となる傾向にあるという欠点ををしている
。さらにこの方法では各画素のゲートのｇ　間のバラツ
キにより注入効率η　　がばらつくため、すべての画素
で温度差ｎｇ 信号成分の電荷がスキミングゲート１］を超えて来るた
めにはＣＣＤへ送る信号分に背景光成分を混入する必要
があり、それがＣＣＤで転送出来る信号成分の量を制限
していた。

［発明の目的］ この発明は上述した従来のハイブリッド形赤外画像セン
サーの欠点を改良したもので、低暗電流、低雑音性を有
し、注入効率η　　が大きく、また１１ｇ 電極構成が簡単で、効率良いスキシングの機能を有する
直接電荷注入形赤外画像センサーを提供することを目的
とする。

［発明の概要］ 本発明の構成例を第１図に示す。第１間借号処理部の電
極構成は第１０図と同じであり、フォトダイオードアレ
イの共通基板側電極に鋸歯状波発生電源１４を介し、信
号処理部基板側アースに接続したものである。上述の例
すなわち、フォトダイオードアレイおよび信号処理部の
基板がいずれもｎ形であり、電極４，６がｐ形高濃度拡
散部で構成されている場合、１４は、蓄積時間との長さ
を持ち、結合部ダイオード６の耐圧よりも低い高さを持
った立上りの急な鋸歯状波発生電源であれば良い。

本発明の原理を図を用いて説明する。第１図の１４に負
の鋸歯状波パルスが加わった瞬間フォトダイオード７に
は順バイアス、電荷一時蓄積用に使用する結合部ダイオ
ード（ダイオード６と２の間に形成されるが、６で代表
して示す）には逆バイアスとなるため、印加パルス電圧
の大半は結合部ダイオード６にかかり、７は導通状態と
なる。

第２図に赤外感光フォトダイオード７、導体柱３、結合
部ダイオード６およびバイアス電源１４の閉ループのエ
ネルギー準位図を示す。（ａ）鋸歯状波パルス印加前の
平衡状態、（ｂ）は印加直後の平衡状態を示す。フォト
ダイオードの赤外光入射が連続的に行なわれている場合
、バイアス印加より、第２図（ｂ）に示すように結合部
ダイオードの空乏層が広がり、逆バイアスがかかった状
態から直ちにかつ連続的にフォトダイオード入射による
光電流により（ａ）の状態に向って逆バイアスは小さく
なろうとする。

第３図は第２図の準位図に対応して１４．７゜６、アー
スの作る閉回路を示したものであり、ＶＰＤ、ＶＤはそ
れぞれフォトダイオード、結合部ダイオードの順方向（
カソードからアノード）の向きに取った電圧を示す。Ｖ
ｎは１４の負から正電極方向へ取ったバイアス電圧であ
り、ｖＰＤ−ＶＤ＋ｖＢの関係にある。１はフォトダイ
オード順方向に取った電流である。第４図はフォトダイ
オード７を基準にこの閉回路の動作点を示したものであ
る。（ａ）は１４に高さｖＢＯの鋸歯状波パルスが印加
された直後の動作点が１５である事を示す。

７０１はフォトダイオード７の動作曲線であり、６０１
は結合部ダイオードの動作曲線であり、７０１が順バイ
アスであるため速やかに動作点は７０１の上を通って平
衡点である１５になる。次にＶ　とｖＢｏから”Ｂｌへ
減少させる事により、７による光電源により平衡になろ
うとする速さ、よりもわずかに速く、結合部ダイオード
の動作特性を６０１から６０２へ動かすと、動作点は新
しい平衡点１５″よりも、ＶＤｏ−ＶＢｌ−Δ（Δ〉０
）だけずれた１６の点へ移動する。そして新しい平衡点
１５′へ向って移動しようとする。（Ｃ）は、ＶＢＥＯ
まで動かした周期の最終状態を表わす。

ＶＢ−Ｏの瞬間よりわずかな時間遅れて動作点は１６よ
り１５′に達する。

そこでもし鋸歯状波パルスの緩和する速度を背景光電流
による緩和速度よりも少し速くしておけば、常温Ｔ　［
ｋｌに比べわずかな温度差ΔＴ［ｄａｇ］を有するター
ゲットを見込む画素の緩和速度の変化を捕える事が出来
る。すなわち、動作点を第４図（ｂ）の１６で示したよ
うに常にｖＰＤ≦０となるように保ち、信号量の差すな
わちΔＴの大きさにより動作点１６における結合部ダイ
オードのバイアス電圧ＶＤ−ｖＰＤ−ＶＢが変化する度
合を検出すれば良い。それには第４図（ｃ）の状態に達
する以前に、第１図ゲート８を開くかまたはゲート８の
表面電位ψＳが検出時のＶＤの値よりも少し低くなるよ
うにり、Ｃ，バイアスを設定しておけばよい（第５図）
。蓄積部ゲート９の表面電位は８よりも低くしておく事
が必要である。

それにより、ψＳの衝壁を超えてゲート９下のポテンシ
ャルの井戸へ、信号電荷が移動する。この移動した電荷
の中にはΔＴの変化分に対応した電荷が含まれる事は自
明の理である。第１図では９とＣＯＤ転送部電極１０と
を分けているが、９を１０で兼ねる事も可能である。

以上の一周期動作に対応してＣＯＤ転送部を通して信号
を読み出せば、ΔＴに対応した信号電圧Ｑ−ＣΔＴ＋Ｃ
（Ｃ、Ｃ２は定数）が時系列で読み出せる。ところでＣ
ＯＤ転送部を通しての読み出しは、上記１周期動作１回
に対応させる必要は無く、９の容量を充分大きくしてお
き、複数回周期動作分の信号を蓄積した後読み出す事も
可能である。結合部ダイオード６の残留電荷は次に１４
からパルス印加される時に捨てられるため、スキシング
すなわち信号量のみを蓄積部ゲートへ溜める事が出来、
ＣＣＤの転送速度を上げずにＳ／Ｎ比を上げる事が出来
る。

１４に印加するパルスは第６図（ａ）のようであっても
良いが、立上り後一定期間最大値ｖＢｏを第６図（ｂ）
の如く保っても良い。その場合ｖＢ。

に保たれる間動作点は第４図（ａ）の１５の点へ固定さ
れ、その間は結合部ダイオード６に変化を与えないため
、不感期間となる。

ゲート８は表面電位ψＳを高めに設定しておく事が蓄積
電荷量を多くする点で有利であるが、コンダクタンスｇ
　が低くなる結果、結合部６から蓄積部への電荷の移動
が困難になる。そのため８のバイアスは一定バイアスの
場合（第６図（Ｃ））あまり低くは出来ないが、１４の
パルスと同期し、一時的にゲート８のバイアスを大きく
し、蓄積１周期修了時に所定の信号量を蓄積部９へ移す
ようにバイアス設定する事も可能である（第６図（ｄ）
）。

［発明の効果］ この発明により従来行なわれていた直接注入形電源結合
の電荷の注入効率η　　の向上が実現出ｎｇ 来る。すなわち、ＭＩＳ形ゲートのコンダクタンスｇ　
に相当するものが、第３図閉ループに存在■ ゛せず、実質的にｇ　は無限大と見做せる為、η１ｎｇ
〜１が実現される。また、ビジコンモードに対しては本
発明の場合フォトダイオードにわずかな逆バイアスしか
かからない為、暗電流およびそれに伴う雑音成分を減ら
す事が出来る点で勝っている。

さらに、この発明の方式では第３図に示した従来方式に
比べ、極めて簡単な構造、すなわち、スキシングゲート
１１、ドレインゲート１２、ドレイン１３を取り去った
状態でスキシング動作を行なう事が出来るばかりでなく
、注入効率がゲート８のｇ　に依らない為、各画素の信
号はフォトダ■ イオードの感度のみに依存し、バラツキを小さくする事
が出来る。それに伴ない、ダイナミックレンジを広げ、
スキミングの効果を高める事が出来る。

さらにまた、この発明の方式では複数周期の電荷蓄積に
対し、１回のＣＣＤ転送動作で済ませる事が出来る為、
転送速度を上げずにＳ／Ｎ向上が可能である。

［発明の実施例］ この発明は例えば赤外フォトダイオードアレイにＩｎ８
ｂ（１１１）結晶のウェーハ８ｂイオン注入法によって
作られたダイオードアレイを数十μｍの厚さに裏面（Ｉ
ｎ面）研磨して仕上げたものを使用し、信号処理用のＣ
ＴＤとしては５ｉ（１００）結晶ウェーハ上に作られた
４相駆動ＣＣＤを使用し、ＣＣＤの結合部ダイオード上
のＡｌメタルの上にＴｉ、Ｃｕ等を介し、Ｉｎバンブを
形成し、両者を圧接する事により第７図の如く実現され
る。Ｉｎ８ｂフオトダイオードの共通基板側はＩｎバン
ブにより、ＣＣＤ基板上へ導びかれ、同基板上またはチ
ップ上に形成された鋸歯状波パルス発生回路へ導びけば
よい。また、パルス発生回路は外部回路で形成する事も
出来る。

ＩｎＳｂ結晶方位は原理的に（１００）、　（２１１）
（３１１）等いかなる方向でも良く、面もｓｂ面に限ら
ずＩｎ面も可能である。ただし、方位面によりプロセス
上の差が有る。

［発明の他の実施例］ 本発明は、ＩｎＳｂに限らず他の材料についても可能で
あるから、各目的に応じたバンドギャップを持つ赤外材
料を使用すれば良い。例えばＨＣｄｘ　　Ｔｅの組成す
なわちＸを変えるｌ−ｘ ことにより２〜１２μｍの間で最適波長帯を設定できる
。Ｐｂ５Ｔ　　についても同様である。

１−ｘ　　　　ｎｘ　　　ｃ またＩ　　　ＧＡ　　　Ｐ　　系、Ｉ　　　０Ａｎｌ−
ｘ　　ａｘ　　５ｌ−ｙ　　ｙ　　　　ｎｒｘ　　ａｘ
　　５Ｌ−ｙｓｂ　　系等の組成変化により、１〜４μ
ｍ帯の検知素子を作成出来る。また可視〜１．８μｍで
はＧｅを使用する事も可能である。これ等Ｐ■接合のつ
くれる材料であれば何でも良い。

第８図に、本発明の他の実施例としてバイアス印加回路
の一例を示す。６２はＤＣ電源、６３はスイッチング素
子、６４は電流制御素子である。

６３．６４にはＭＯＳＦＥＴを使えばよい。６５は電流
フィードバック用の抵抗、６６はフィードバック回路で
、簡単なものではスイッチング素子６７適当なるバイア
ス６８を介して６４のゲートへ直結すれば良い。また初
期条件設定のため高抵抗と適当なるバイアスの直列接続
６９が付加される。７０はダイオードである。第６図（
ａ）、（ｂ）のステップ状バイアス印加には６３を開き
、６２より７０の両端に充電すれば良い。ただし６４は
閉鎖状態にしておく必要がある。そのため、初期条件設
定用に６９が必要である。第６図（ａ）。

（ｂ）の緩和特性を示す部分は６５からのフィードバッ
ク電圧と６６を介して６４に印加すればよい。初期は負
の電位を受け、電流が流れると同時に６５からのフィー
ドバッグ電圧が６６を通して６４に定電流となるよう作
用する。６５．６８の設定値により６４を流れる電流と
センサ一部Ｐｎ接合の電流に等しくする事が出来、また
、７０の接合容量を６の接合容量に等しくすれば第８図
のａ、ｂ間型圧の変化は、背景入射時の６の電圧変化に
ほぼ等しく出来る。したがフてこれを用いて１のバイア
スをほぼ０に制御する電圧が加えられる。６４を流れる
電流および７０の接合容量は比例の関係を保って変化さ
せてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するため構成図、第２図は
第１図におけるエネルギー準位図。第３図は第２図に対
応する閉回路間第４図は第３図の動作を説明するための
図、第５図は第４図における動作の変形例を説明するた
めの図、第６図はバ゛　　イアスミ源に印加するパルス
を変形させた例を説明するための図、第７図は本発明の
一実施例を説明するための断面図、第８図は本発明の詳
細な説明するための図、第９図〜第１１図は従来例を説
明するための図である。 第７図において、５１はｎ形（１１１）カットＩ　ｎＳ
ｂによる赤外フォトダイオードアレイ基板、５２はＳ　
ｉ　（１００）結晶によるＣＣＤ基板、５３．５４はそ
れぞれフォトダイオード、結合用ダイオードのｐ形拡散
領域、５５及び５６は表面保護のための絶縁膜、５７及
び５８は電極メタルであり、それぞれ、Ｃｒ／Ａｕ２層
蒸着膜、ＡＩ蒸着膜より・成る、５９及び６０はそれぞ
れＴｌ、ＣＵ蒸着膜、６１は６０の上にＩｎメッキをし
、５７との間で圧接形成されたＩｎバンプである。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 （ほか１名） （Ｃ） 第４Ｗｉ ｈ□ ＣＣ） （ｄ） 第６図 第７図 第８図 ｕ 第９図 第１０図 第１１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）低バレドギャップを有する赤外線検知用フォトダ
   イオードアレイ（ＰＤＡ）と、基板を異にする高バンド
   ギャップ半導体で形成された電荷転送デバイス（ＣＴＤ
   ）とから成り、ＰＤＡの各画像電極と対応するＣＴＤの
   入力部Ｐｎ接合高濃度島状拡散領域よりぞれぞれ引き出
   した電極とを導体で接続した直接電荷注入形赤外画像セ
   ンサーにおいて、ＣＴＤの入力部Ｐｎ接合に隣接して順
   にＭＩＳ形ゲートＭＩＳ形電荷蓄積部が形成され、ＰＤ
   Ａ基板側電極には該ＣＴＤ入力部Ｐｎ接合に逆バイアス
   を与える向きのステップ状バイアス変化に続き、該ＣＴ
   Ｄ入力部Ｐｎ接合に信号が蓄積される期間、該ＰＡＤの
   各Ｐｎ接合を０［Ｖ］バイアスまたはほぼ０［Ｖ］に近
   い逆バイアスに保つようなバイアス印加回路が接続され
   ている事を特徴とする直接電荷注入型赤外画像センサー
   。
2. （２）ダイオードと定電流放電回路との並列接続定電圧
   ＤＣ電源、およびスイッチング素子の直列ループより成
   る充放電回路のダイオード端子間電圧の変化に対し直線
   的に該バイアス印加回路の発生電圧を変化させる事を特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の直接電荷注入形赤
   外画像センサー。
3. （３）定電流放電回路は、電流制御素子と電流検出用素
   子および検出電流を電流制御素子にフィードバックし、
   該電流制御素子に流れる電流を制御するためのフィード
   バック回路より成る事を特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の直接電荷注入形赤外画像センサー。