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JP7505320B2 - Dual wavelength photodetector and image sensor using same - Google Patents

Dual wavelength photodetector and image sensor using same Download PDF

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JP7505320B2 JP2020136808A JP2020136808A JP7505320B2 JP 7505320 B2 JP7505320 B2 JP 7505320B2 JP 2020136808 A JP2020136808 A JP 2020136808A JP 2020136808 A JP2020136808 A JP 2020136808A JP 7505320 B2 JP7505320 B2 JP 7505320B2
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Description

本開示は、2波長光検出器、及びこれを用いたイメージセンサに関する。 This disclosure relates to a dual-wavelength photodetector and an image sensor using the same.

タイプII超格子(Type II Superlattice:T2SL)は、水銀カドミウムテルル(Mercury Cadmium Telluride:MCT)に代わる次世代の赤外線検出器の材料として期待されている。タイプII超格子を用いた赤外線検出器の多くは、GaSb基板上に、基板と格子整合しやすく、かつ吸収係数の大きいInAs/GaSbの超格子を受光層として有する。 Type II superlattice (T2SL) is expected to be a next-generation infrared detector material to replace Mercury Cadmium Telluride (MCT). Most infrared detectors using type II superlattice have an InAs/GaSb superlattice on a GaSb substrate as a light-receiving layer, which is easy to lattice match with the substrate and has a large absorption coefficient.

多重量子井戸で形成された感光波長の異なる2つの感光層を中間層で分離し、印加電圧の極性を切替えることによって感度波長を制御する2波長の赤外線検知素子が知られている(たとえば、特許文献1参照)。III-V族化合物半導体からなるAlGa1-xSb/InAs(x>0.3)超格子を用い、超格子端面に電極を取り付けた赤外線検出器が知られている(たとえば、特許文献2参照)。 A dual-wavelength infrared detection element is known in which two photosensitive layers with different photosensitive wavelengths formed by multiple quantum wells are separated by an intermediate layer, and the sensitivity wavelength is controlled by switching the polarity of the applied voltage (see, for example, Patent Document 1).An infrared detector is known in which an Al x Ga 1-x Sb/InAs (x>0.3) superlattice made of III-V group compound semiconductors is used, and electrodes are attached to the end faces of the superlattice (see, for example, Patent Document 2).

特開2000-295146号公報JP 2000-295146 A 特開平6-196745号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-196745

タイプII超格子を用いた2波長光検出器で受光感度を高めるには、移動度の高い電子を信号として検出することが望ましい。一方、タイプII超格子の受光層で異なる波長の光に感度を持たせるには、超格子を形成する薄膜の厚さを制御して、超格子のバンドギャップの大きさを制御する。InAs/GaSb超格子では、InAsの膜厚を制御することで赤外線検出波長が制御される。しかし、InAsの膜厚を変えると、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が変わり、長波長側の受光層の超格子の伝導帯下端のエネルギーが、短波長側の受光層の超格子の伝導帯下端のエネルギーよりも低くなる。電子を信号として検出する場合、長波長側の受光層の電子にとって短波長型の受光層がポテンシャル障壁となり、長波長側の信号が低下する。 To increase the light receiving sensitivity of a two-wavelength photodetector using a type II superlattice, it is desirable to detect electrons with high mobility as a signal. On the other hand, to make the light receiving layer of a type II superlattice sensitive to light of different wavelengths, the thickness of the thin film forming the superlattice is controlled to control the size of the band gap of the superlattice. In an InAs/GaSb superlattice, the infrared detection wavelength is controlled by controlling the film thickness of the InAs. However, changing the film thickness of the InAs changes the energy position of the lower end of the conduction band of the superlattice, and the energy of the lower end of the conduction band of the superlattice of the light receiving layer on the long wavelength side becomes lower than the energy of the lower end of the conduction band of the superlattice of the light receiving layer on the short wavelength side. When detecting electrons as a signal, the short wavelength type light receiving layer becomes a potential barrier for the electrons in the light receiving layer on the long wavelength side, and the signal on the long wavelength side decreases.

本開示は、2波長光検出器において、長波長側の信号電流の低下を抑制し受光感度を向上することを目的とする。 The purpose of this disclosure is to suppress the decrease in signal current on the long wavelength side and improve the light receiving sensitivity in a dual-wavelength photodetector.

本開示の一形態によれば、2波長光検出器は、
第1の波長に感度を有する第1受光層と、
前記第1の波長よりも長い第2の波長に感度を有する第2受光層と、
前記第1受光層と前記第2受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、前記第1受光層は、InAs、GaSb、およびAlSbを含む第1の超格子で形成され、前記第2受光層は、InAsとGaSbの第2の超格子で形成されている。
According to one aspect of the present disclosure, a dual wavelength photodetector includes:
a first light receiving layer having sensitivity to a first wavelength;
a second light receiving layer having sensitivity to a second wavelength longer than the first wavelength;
a barrier layer disposed between the first absorption layer and the second absorption layer, the barrier layer serving as a potential barrier against holes;
the first absorption layer is formed of a first superlattice including InAs, GaSb, and AlSb, and the second absorption layer is formed of a second superlattice of InAs and GaSb.

2波長光検出器において、長波長側の信号電流の低下が抑制され受光感度が向上する。 In a two-wavelength photodetector, the decrease in signal current on the longer wavelength side is suppressed, improving the light receiving sensitivity.

第1実施形態の2波長光検出器の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of a dual-wavelength photodetector according to a first embodiment. FIG. 第1実施形態の2波長光検出器の動作原理を説明する図である。3A to 3C are diagrams illustrating the operation principle of the two-wavelength photodetector of the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の動作原理を説明する図である。3A to 3C are diagrams illustrating the operation principle of the two-wavelength photodetector of the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の効果を説明する図である。5A to 5C are diagrams illustrating the effects of the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の作製工程図である。3A to 3C are diagrams illustrating steps for fabricating the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の作製工程図である。3A to 3C are diagrams illustrating steps for fabricating the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の作製工程図である。3A to 3C are diagrams illustrating steps for fabricating the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の作製工程図である。3A to 3C are diagrams illustrating steps for fabricating the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第1実施形態の2波長光検出器の作製工程図である。3A to 3C are diagrams illustrating steps for fabricating the dual-wavelength photodetector according to the first embodiment. 第2実施形態の2波長光検出器の断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a dual-wavelength photodetector according to a second embodiment. 第2実施形態の2波長光検出器の効果を説明する図である。13A to 13C are diagrams illustrating the effects of the two-wavelength photodetector according to the second embodiment. 実施形態のイメージセンサの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an image sensor according to an embodiment. イメージセンサで用いられる光検出器アレイの一部を示す断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a portion of a photodetector array used in an image sensor. イメージセンサを組み込んだ撮像システムの概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram of an imaging system incorporating an image sensor.

実施形態では、異なる波長の赤外線に感度を有する2波長光検出器の受光層をタイプII超格子で形成し、2つの受光層の間に正孔に対するポテンシャル障壁を設ける。長波長側の受光層の伝導帯下端に対して、障壁層の伝導帯下端と、短波長側の受光層の伝導帯下端のエネルギー位置が電子の移動の妨げとならないように、各層のバンドギャップを制御する。具体的には、2つの受光層の間に障壁層が配置された構成で、隣接する層の間で、伝導体下端のエネルギー差の大きさ(絶対値)を20meV以下、より好ましくは、10meV以下にする。これにより、長波長側の信号電流の低下が抑制され、受光感度が向上する。 In an embodiment, the light receiving layer of a dual wavelength photodetector sensitive to infrared rays of different wavelengths is formed with a type II superlattice, and a potential barrier against holes is provided between the two light receiving layers. The band gap of each layer is controlled so that the energy positions of the conduction band lower end of the barrier layer and the conduction band lower end of the short wavelength light receiving layer do not hinder the movement of electrons relative to the conduction band lower end of the long wavelength light receiving layer. Specifically, in a configuration in which a barrier layer is disposed between two light receiving layers, the magnitude (absolute value) of the energy difference of the conductor lower ends between adjacent layers is set to 20 meV or less, more preferably 10 meV or less. This suppresses the decrease in signal current on the long wavelength side, and improves light receiving sensitivity.

以下で、図面を参照して具体的な構成を説明する。この明細書と添付図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 The specific configuration will be described below with reference to the drawings. In this specification and the accompanying drawings, components having substantially the same functional configuration may be designated by the same reference numerals to avoid redundant description.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の2波長光検出器10の断面模式図である。図示の便宜上、2波長光検出器10はひとつの画素101として描かれているが、実際の使用態様では、複数の2波長光検出器10が一次元または二次元方向に配列された光検出器アレイとして用いられ得る。
First Embodiment
1 is a schematic cross-sectional view of a dual-wavelength photodetector 10 according to a first embodiment. For convenience of illustration, the dual-wavelength photodetector 10 is depicted as one pixel 101, but in actual use, a plurality of dual-wavelength photodetectors 10 may be used as a photodetector array arranged in one or two dimensions.

2波長光検出器10は、基板11の上に、第1電極層14、第1受光層15、障壁層16、第2受光層17、及び第2電極層18がこの順でエピタキシャル成長された積層構造を有する。基板11と第1電極層14の間に、バッファ層12とエッチングストッパ層13の少なくとも一方が設けられていてもよい。 The two-wavelength photodetector 10 has a layered structure in which a first electrode layer 14, a first light receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light receiving layer 17, and a second electrode layer 18 are epitaxially grown in this order on a substrate 11. At least one of a buffer layer 12 and an etching stopper layer 13 may be provided between the substrate 11 and the first electrode layer 14.

第1電極層14は、光検出器アレイに含まれる複数の画素101に共通に用いられる。第1電極層14に接続されるメサ35、すなわち、第1受光層15、障壁層16、第2受光層17、及び第2電極層18を含むメサ35が、ひとつの画素101を形成する。メサ35と第1電極層14は、所定の箇所に設けられた電極21、及び22を除いて、全体が絶縁膜19で覆われている。 The first electrode layer 14 is used in common for multiple pixels 101 included in the photodetector array. A mesa 35 connected to the first electrode layer 14, i.e., a mesa 35 including a first light receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light receiving layer 17, and a second electrode layer 18, forms one pixel 101. The mesa 35 and the first electrode layer 14 are entirely covered with an insulating film 19, except for electrodes 21 and 22 provided at predetermined locations.

基板11として、たとえば、GaSb(100)基板を用いる。バッファ層12とエッチングストッパ層13を設ける場合は、バッファ層12として、基板11と格子整合するGaSb層を用い、エッチングストッパ層13として、InAsSb層を用いてもよい。InAsSb層の組成は、GaSbと格子整合するように設定されるのが望ましく、たとえばInAs0.91Sb0.09層が用いられる。 For example, a GaSb (100) substrate is used as the substrate 11. When the buffer layer 12 and the etching stopper layer 13 are provided, a GaSb layer that is lattice-matched with the substrate 11 may be used as the buffer layer 12, and an InAsSb layer may be used as the etching stopper layer 13. The composition of the InAsSb layer is desirably set so as to lattice-match with GaSb, and for example, an InAs 0.91 Sb 0.09 layer is used.

第1電極層14は、たとえば、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で形成されている。第1受光層15は、第1の波長帯(たとえば3~5μm)に感度を有し、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で形成されている。障壁層16は、たとえば、InAsとAlSbの超格子で形成されている。第2受光層17は、第2の波長帯(たとえば8~12μm)に感度を有し、InAsとGaSbの超格子で形成されている。第2電極層18は、たとえば、InGaとGaSbの超格子で形成されている。 The first electrode layer 14 is formed, for example, of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. The first light receiving layer 15 has sensitivity to a first wavelength band (for example, 3 to 5 μm) and is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. The barrier layer 16 is formed, for example, of a superlattice of InAs and AlSb. The second light receiving layer 17 has sensitivity to a second wavelength band (for example, 8 to 12 μm) and is formed of a superlattice of InAs and GaSb. The second electrode layer 18 is formed, for example, of a superlattice of InGa and GaSb.

実施形態では、電子を少数キャリア、すなわち信号として検出するので、第1受光層15と第2受光層17は、p型の導電型を有する。第1受光層15と第2受光層17は、積層方向で障壁層16によって分離されている。第1受光層15の超格子の伝導帯下端のエネルギー位置と、第2受光層17の超格子の伝導帯下端のエネルギー位置との差は、20meV以下、より好ましくは10meV以下である。 In the embodiment, electrons are detected as minority carriers, i.e., signals, so the first absorption layer 15 and the second absorption layer 17 have p-type conductivity. The first absorption layer 15 and the second absorption layer 17 are separated by a barrier layer 16 in the stacking direction. The difference between the energy position of the conduction band minimum of the superlattice of the first absorption layer 15 and the energy position of the conduction band minimum of the superlattice of the second absorption layer 17 is 20 meV or less, more preferably 10 meV or less.

障壁層16は、暗電流を抑制して、第1受光層15と第2受光層17から別々に信号を取り出すために、正孔に対するポテンシャル障壁として機能する。第1受光層15、障壁層16、及び第2受光層17のエネルギーバンド構造については、図3を参照して後述する。 The barrier layer 16 functions as a potential barrier against holes in order to suppress dark current and extract signals separately from the first light receiving layer 15 and the second light receiving layer 17. The energy band structures of the first light receiving layer 15, the barrier layer 16, and the second light receiving layer 17 will be described later with reference to FIG. 3.

図2Aと図2Bは、2波長光検出器10の動作原理を説明する図である。第1受光層15は、第1の波長(λ1)に感度を有し、第2受光層17は、第2の波長(λ2)に感度を有する。λ2はλ1よりも長波長である。2波長光検出器10は、電極21と電極22に印加する電圧の極性を変えることで、検出される赤外線の波長が切り替えられる。 Figures 2A and 2B are diagrams explaining the operating principle of the dual-wavelength photodetector 10. The first light receiving layer 15 is sensitive to a first wavelength (λ1), and the second light receiving layer 17 is sensitive to a second wavelength (λ2). λ2 is a longer wavelength than λ1. The dual-wavelength photodetector 10 can switch the wavelength of infrared light to be detected by changing the polarity of the voltage applied to the electrodes 21 and 22.

図2Aで、第2電極層18に接続される電極21に正の電圧を印加し、第1電極層14に接続される電極22に負の電圧を印加すると、p型の第1受光層15にとって逆バイアスの状態となり、第1受光層15が受光部として機能する。第1受光層15で光吸収により生じた少数キャリアとしての電子は、電界に沿って、第2電極層18に向かって流れ、信号として検出される。一方、p型の第2受光層17は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。 In FIG. 2A, when a positive voltage is applied to electrode 21 connected to second electrode layer 18 and a negative voltage is applied to electrode 22 connected to first electrode layer 14, the p-type first light receiving layer 15 is in a reverse bias state, and the first light receiving layer 15 functions as a light receiving section. Electrons as minority carriers generated by light absorption in the first light receiving layer 15 flow along the electric field toward the second electrode layer 18 and are detected as a signal. Meanwhile, the p-type second light receiving layer 17 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption recombine and disappear, or become negligibly small.

図2Bで、電極21に負の電圧を印加し、電極22に正の電圧を印加すると、p型の第2受光層17は逆バイアスの状態となり、第2受光層17が受光部として機能する。第2受光層17で光吸収により生じた少数キャリアとしての電子は、電界に沿って、第1電極層14に向かって流れ、信号として検出される。一方、p型の第1受光層15は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア(電子-正孔対)は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。 In FIG. 2B, when a negative voltage is applied to electrode 21 and a positive voltage is applied to electrode 22, p-type second light receiving layer 17 is in a reverse bias state, and second light receiving layer 17 functions as a light receiving section. Electrons as minority carriers generated by light absorption in second light receiving layer 17 flow along the electric field toward first electrode layer 14 and are detected as a signal. Meanwhile, p-type first light receiving layer 15 is in a forward bias state, and carriers (electron-hole pairs) generated by light absorption recombine and disappear, or become negligibly small.

電極21と電極22に印加する電圧の極性を変えることで、異なる波長の赤外線を検出することができる。図2A、及び図2Bに示した動作で、一方の受光層で光吸収により生成された電子は、障壁層16と他方の受光層とを横切って、対応する電極から引き出される。図2Aでは、第1受光層15で生成された電子-正孔対のうち、電子は障壁層16と第2受光層17を通過して引き出される。図2Bでは、第2受光層17で生成された電子-正孔対のうち、電子は障壁層16と第1受光層15を通過して引き出される。 By changing the polarity of the voltage applied to electrodes 21 and 22, infrared rays of different wavelengths can be detected. In the operation shown in Figures 2A and 2B, electrons generated by light absorption in one light-receiving layer cross the barrier layer 16 and the other light-receiving layer and are extracted from the corresponding electrode. In Figure 2A, of the electron-hole pairs generated in the first light-receiving layer 15, the electrons pass through the barrier layer 16 and the second light-receiving layer 17 and are extracted. In Figure 2B, of the electron-hole pairs generated in the second light-receiving layer 17, the electrons pass through the barrier layer 16 and the first light-receiving layer 15 and are extracted.

電子が引き出される過程で、電子に対するポテンシャル障壁が存在する場合、ポテンシャル障壁が高いほど、電子は障壁を乗り越えることができず、信号低下の要因となる。従来の一般的な構成で、第1受光層15と第2受光層17をInAs/GaSbの超格子で形成し、検出対象の赤外線波長を変えるためにInAsの膜厚を変更すると、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が変化し、電子に対する障壁が高くなる。 If there is a potential barrier against the electrons during the process of extracting them, the higher the potential barrier, the more the electrons are unable to overcome the barrier, resulting in a decrease in signal. In a conventional general configuration, when the first light receiving layer 15 and the second light receiving layer 17 are formed from an InAs/GaSb superlattice and the thickness of the InAs is changed to change the infrared wavelength to be detected, the energy position of the lower end of the conduction band of the superlattice changes, and the barrier against the electrons becomes higher.

たとえば、中波長帯と長波長帯の赤外線に感度を有する2波長光検出器をInAs/GaSb超格子で構成する場合、第1受光層15と第2受光層17のバンドギャップ差にほぼ等しいエネルギー差(0.1eV以上)が、第1受光層15と第2受光層17の伝導帯下端で生じる。 For example, when a dual-wavelength photodetector sensitive to mid- and long-wavelength infrared light is constructed using an InAs/GaSb superlattice, an energy difference (0.1 eV or more) approximately equal to the band gap difference between the first and second absorption layers 15 and 17 occurs at the lower end of the conduction band of the first and second absorption layers 15 and 17.

長波長帯に感度を持つInAs/GaSb超格子の伝導帯下端のエネルギー位置は、中波長帯に感度を持つInAs/GaSb超格子の伝導帯下端のエネルギー位置よりも低くなる。長波長側のInAs/GaSb超格子で生成された電子は、電極に引き出される過程で、中波長帯に感度を持つInAs/GaSb超格子の伝導帯下端とのエネルギー差に相当するポテンシャル障壁を乗り越えられず、長波長側の信号を十分に引き出すことができない。 The energy position of the conduction band minimum of an InAs/GaSb superlattice sensitive to the long wavelength band is lower than the energy position of the conduction band minimum of an InAs/GaSb superlattice sensitive to the medium wavelength band. In the process of electrons generated in the InAs/GaSb superlattice on the long wavelength side being extracted to the electrode, they are unable to overcome the potential barrier equivalent to the energy difference with the conduction band minimum of the InAs/GaSb superlattice sensitive to the medium wavelength band, and the signal on the long wavelength side cannot be extracted sufficiently.

実施形態では、長波長側の信号の低下を抑制するために、第1受光層15の伝導帯下端の下端のエネルギーと第2受光層17の伝導帯下端のエネルギーとの差を、電子の移動を妨げない程度に小さくする。また、障壁層16を正孔ブロック層として機能させて暗電流を抑制する一方で、電子にとってはポテンシャル障壁とならないようにバンドギャップを設計する。 In the embodiment, in order to suppress the decrease in the signal on the long wavelength side, the difference in energy between the lower end of the conduction band of the first absorption layer 15 and the lower end of the conduction band of the second absorption layer 17 is made small enough so as not to hinder the movement of electrons. In addition, the barrier layer 16 functions as a hole blocking layer to suppress dark current, while the band gap is designed so that it does not become a potential barrier for electrons.

図3は、第1実施形態の2波長光検出器10の効果を説明する図である。第1実施形態では、短波長側の第1受光層15を、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で形成し、第2受光層17を、InAsとGaSbの超格子で形成している。超格子のバンドギャップエネルギーEgは、超格子の伝導体下端と、価電子帯上端のエネルギー差によって決まる。 Figure 3 is a diagram explaining the effect of the two-wavelength photodetector 10 of the first embodiment. In the first embodiment, the first absorption layer 15 on the short wavelength side is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb, and the second absorption layer 17 is formed of a superlattice of InAs and GaSb. The band gap energy Eg of the superlattice is determined by the energy difference between the lower end of the conductor of the superlattice and the upper end of the valence band.

一般的なInAs/GaSb超格子の2波長検出器と異なり、第1実施形態の2波長光検出器10では、長波長側の第2受光層17の伝導帯下端のエネルギー位置は、第1受光層15の伝導帯下端のエネルギー位置よりも高く設定されている。また、第1受光層15の伝導帯下端のエネルギー位置と障壁層16の伝導帯下端のエネルギー位置との差、及び第2受光層17の伝導帯下端のエネルギー位置と障壁層16の伝導帯下端のエネルギー位置との差が、20meV以下、より好ましくは10meV以下になるように設定されている。 Unlike a typical InAs/GaSb superlattice dual-wavelength detector, in the dual-wavelength photodetector 10 of the first embodiment, the energy position of the conduction band lower end of the second absorption layer 17 on the long wavelength side is set higher than the energy position of the conduction band lower end of the first absorption layer 15. In addition, the difference between the energy position of the conduction band lower end of the first absorption layer 15 and the energy position of the conduction band lower end of the barrier layer 16, and the difference between the energy position of the conduction band lower end of the second absorption layer 17 and the energy position of the conduction band lower end of the barrier layer 16 are set to 20 meV or less, more preferably 10 meV or less.

第1受光層15のバンドギャップエネルギーEg1は約256meV、障壁層16のバンドギャップエネルギーEg(bar)は約484meV、第2受光層17のバンドギャップエネルギーEg2は約127meVである。障壁層16のバンドギャップは、第1受光層15と第2受光層17のいずれのバンドギャップよりも大きい。 The band gap energy Eg1 of the first absorption layer 15 is approximately 256 meV, the band gap energy Eg(bar) of the barrier layer 16 is approximately 484 meV, and the band gap energy Eg2 of the second absorption layer 17 is approximately 127 meV. The band gap of the barrier layer 16 is larger than the band gaps of both the first absorption layer 15 and the second absorption layer 17.

伝導帯下端のエネルギー差を見ると、第1受光層15の伝導帯下端と障壁層16の伝導帯下端のエネルギー差ΔEc1は約9meV、第2受光層17の伝導帯下端と障壁層16の伝導帯下端のエネルギー差ΔEc2は約3meVと小さい。 Looking at the energy difference at the conduction band minimum, the energy difference ΔEc1 between the conduction band minimum of the first absorption layer 15 and the conduction band minimum of the barrier layer 16 is approximately 9 meV, and the energy difference ΔEc2 between the conduction band minimum of the second absorption layer 17 and the conduction band minimum of the barrier layer 16 is small, approximately 3 meV.

図2Bのように第2受光層17を動作させるときに、第2受光層17と障壁層16の間にエネルギー差はほとんどない。第2受光層17で生成された電子が電極22に引き出される過程で、電子は、第2受光層17と障壁層16の間の伝導帯下端のわずかなエネルギー差を容易に乗り越えて、第1受光層15の伝導帯下端に沿って電極に引き出される。長波長側の信号の低下は抑制され、受光感度が向上する。図2Aのように、第1受光層15を動作させるときも、第1受光層15と障壁層16の伝導帯下端におけるエネルギー差ΔEc1もわずか9meVであり、電子が乗り越えられる程度に十分に小さい。 When the second light receiving layer 17 is operated as shown in FIG. 2B, there is almost no energy difference between the second light receiving layer 17 and the barrier layer 16. In the process in which electrons generated in the second light receiving layer 17 are drawn to the electrode 22, the electrons easily overcome the slight energy difference in the conduction band lower end between the second light receiving layer 17 and the barrier layer 16 and are drawn to the electrode along the conduction band lower end of the first light receiving layer 15. The decrease in the signal on the long wavelength side is suppressed, and the light receiving sensitivity is improved. As shown in FIG. 2A, when the first light receiving layer 15 is operated, the energy difference ΔEc1 at the conduction band lower end between the first light receiving layer 15 and the barrier layer 16 is also only 9 meV, which is small enough for the electrons to overcome.

価電子帯上端のエネルギーを見ると、第1受光層15の価電子帯上端と障壁層16の価電子帯上端のエネルギー差ΔEv1は約219meV、第2受光層17の価電子帯上端と障壁層16の価電子帯上端のエネルギー差ΔEv2は約354meVと大きい。障壁層16は正孔に対するポテンシャル障壁となり、暗電流を抑制することができる。 Looking at the energies of the upper ends of the valence bands, the energy difference ΔEv1 between the upper end of the valence band of the first absorption layer 15 and the upper end of the barrier layer 16 is approximately 219 meV, while the energy difference ΔEv2 between the upper end of the valence band of the second absorption layer 17 and the upper end of the barrier layer 16 is large, approximately 354 meV. The barrier layer 16 acts as a potential barrier against holes, and can suppress dark current.

第1受光層15において、GaSbおよびAlSbを障壁層、InAsを井戸層とする量子構造では、超格子の伝導体下端のエネルギー位置は、InAs層中の電子の量子準位の基底準位によって決まる。InAsおよびAlSbを障壁層、GaSbを井戸層とする量子構造では、超格子の価電子帯上端のエネルギー位置は、GaSb層中に形成される正孔の量子準位の基底準位によって決まる。この構成により、第1受光層15の伝導帯下端と、第2受光層17の伝導帯下端のエネルギー差を十分小さく維持したまま、価電子帯上端のエネルギーを下げることができる。 In the quantum structure of the first absorption layer 15, in which GaSb and AlSb are barrier layers and InAs is a well layer, the energy position of the conductor bottom of the superlattice is determined by the quantum ground level of the electrons in the InAs layer. In the quantum structure of the barrier layers of InAs and AlSb and GaSb is a well layer, the energy position of the valence band top of the superlattice is determined by the quantum ground level of the holes formed in the GaSb layer. With this configuration, the energy of the valence band top can be lowered while maintaining a sufficiently small energy difference between the conduction band bottom of the first absorption layer 15 and the conduction band bottom of the second absorption layer 17.

従来のようにGaSbを障壁層、InAsを井戸層とする量子構造の超格子では、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置は、InAs層中に形成される電子の量子準位の基底準位で決まる。価電子帯上端のエネルギー位置は、GaSb層中に形成される正孔の量子準位の基底準位で決まる。InAsの膜厚を薄くすると、電子の基底準位のエネルギー位置が高くなるため、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が高くなって、価電子帯上端とのエネルギー差が大きくなる。その結果、超格子のバンドギャップが大きくなり、検出可能な赤外線波長が短くなる。 In a conventional superlattice quantum structure with GaSb barrier layers and InAs well layers, the energy position of the lower end of the conduction band of the superlattice is determined by the ground level of the quantum level of electrons formed in the InAs layer. The energy position of the upper end of the valence band is determined by the ground level of the quantum level of holes formed in the GaSb layer. When the InAs film is made thinner, the energy position of the ground level of electrons becomes higher, so the energy position of the lower end of the conduction band of the superlattice becomes higher and the energy difference with the upper end of the valence band becomes larger. As a result, the band gap of the superlattice becomes larger and the detectable infrared wavelength becomes shorter.

一方、GaSbの膜厚を変えた場合は、正孔の有効質量が重いため、正孔の基底準位のエネルギー位置、すなわち、価電子帯上端のエネルギー位置はそれほど変化しない。GaSbの膜厚制御では超格子のバンドギャップを変えることができないので、InAsの膜厚を制御することでバンドギャップ、すなわち検出波長が調整される。InAsの膜厚の変化により、伝導体下端のエネルギー位置が変化して長波長側の信号が低下することは、上述したとおりである。 On the other hand, when the thickness of the GaSb film is changed, the effective mass of the hole is heavy, so the energy position of the ground level of the hole, i.e., the energy position of the upper end of the valence band, does not change significantly. Since the band gap of the superlattice cannot be changed by controlling the thickness of the GaSb film, the band gap, i.e., the detection wavelength, is adjusted by controlling the thickness of the InAs. As mentioned above, the change in the thickness of the InAs film changes the energy position of the lower end of the conductor, decreasing the signal on the long wavelength side.

第1実施形態の2波長光検出器10は、図3のようにエネルギーバンドギャップを設計することで、長波長側の信号の低下が抑制され、長波長側の受光感度が向上するという効果が得られる。 The dual-wavelength photodetector 10 of the first embodiment has an energy band gap designed as shown in FIG. 3, which suppresses signal degradation on the long wavelength side and improves light receiving sensitivity on the long wavelength side.

図4A~図4Dは、2波長光検出器10の作製工程図である。図4Aで、基板11の上に、バッファ層12、エッチングストッパ層13、第1電極層14、第1受光層15、障壁層16、第2受光層17、及び第2電極層18をこの順でエピタキシャル成長する。 Figures 4A to 4D are diagrams showing the manufacturing process of the dual-wavelength photodetector 10. In Figure 4A, a buffer layer 12, an etching stopper layer 13, a first electrode layer 14, a first light-receiving layer 15, a barrier layer 16, a second light-receiving layer 17, and a second electrode layer 18 are epitaxially grown in this order on a substrate 11.

たとえば、n型のGaSb(100)基板を、分子線エピタキシ(MBE:Molecular Beam Epitaxy)装置の基板導入室に導入する。GaSbの基板11は、準備室において脱ガス処理され、その後、超高真空に保持された成長室へ搬送される。成長室へ搬送された基板11はSb雰囲気下で加熱されて、表面の酸化膜が除去される。酸化膜を除去した後に、基板11の表面の平坦性を良くするために、たとえば、GaSbのバッファ層12を基板温度500℃にて100nm成長する。次いで、たとえばInAsSbのエッチングストッパ層13を300nm成長する。このとき、InAsSbの混晶組成を、GaSbに格子整合するように設定することが好ましく、一例としてInAs0.91Sb0.09のエッチングストッパ層13を形成する。 For example, an n-type GaSb (100) substrate is introduced into a substrate introduction chamber of a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. The GaSb substrate 11 is degassed in a preparation chamber and then transported to a growth chamber maintained at ultra-high vacuum. The substrate 11 transported to the growth chamber is heated in an Sb atmosphere to remove the oxide film on the surface. After removing the oxide film, in order to improve the flatness of the surface of the substrate 11, for example, a GaSb buffer layer 12 is grown to a thickness of 100 nm at a substrate temperature of 500° C. Then, for example, an InAsSb etching stopper layer 13 is grown to a thickness of 300 nm. At this time, it is preferable to set the mixed crystal composition of InAsSb so as to be lattice-matched to GaSb, and as an example, an InAs 0.91 Sb 0.09 etching stopper layer 13 is formed.

次いで、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で第1電極層14を形成する。たとえば4.6nmのInAs、0.9nmのGaSb、1.5nmのAlSb、及び0.9nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期(単位構造)とする超格子で、第1電極層14を形成する。InAs/GaSb/AlSb/GaSbの超格子を、たとえば40周期繰り返して、360nmの厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.256eVである。第1電極層14には、たとえばBeが不純物として添加されており、正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電型を有する。 Next, the first electrode layer 14 is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. For example, the first electrode layer 14 is formed of a superlattice having a structure in which 4.6 nm of InAs, 0.9 nm of GaSb, 1.5 nm of AlSb, and 0.9 nm of GaSb are stacked in this order as one period (unit structure). The superlattice of InAs/GaSb/AlSb/GaSb is repeated for example 40 periods and grown to a thickness of 360 nm. The band gap of this superlattice is about 0.256 eV. The first electrode layer 14 is doped with, for example, Be as an impurity, and has a p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 .

次いで、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で第1受光層15を形成する。第1受光層15は、たとえば4.6nmのInAs、0.9nmのGaSb、1.5nmのAlSb、及び0.9nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期(単位構造)とする超格子で形成される。InAs/GaSb/AlSb/GaSb超格子を、たとえば160周期繰り返して、1300nm程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは約0.256eVであり、第1受光層15は、中波長帯(3~5μm)の赤外光に感度を有する。第1受光層15は、たとえば正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 Next, the first absorption layer 15 is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. The first absorption layer 15 is formed of a superlattice having a structure in which, for example, 4.6 nm of InAs, 0.9 nm of GaSb, 1.5 nm of AlSb, and 0.9 nm of GaSb are stacked in this order as one period (unit structure). The InAs/GaSb/AlSb/GaSb superlattice is repeated for example 160 periods and grown to a thickness of about 1300 nm. The band gap of this superlattice is about 0.256 eV, and the first absorption layer 15 is sensitive to infrared light in the medium wavelength band (3 to 5 μm). The first absorption layer 15 has a p-type conductivity with a hole concentration of, for example, 1×10 16 cm −3 .

次いで、たとえば、InAsとAlSbの超格子で障壁層16を形成する。障壁層16は、たとえば、4.6nmのInAsと、1.2nmのAlSbを、この順序で積層した構造を1周期(単位構造)とする超格子で形成される。InAs/AlSb超格子を、たとえば20周期繰り返して、100nm程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.484eVである。障壁層16は、主として正孔のみをブロックする障壁層として機能し、たとえば、正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 Next, the barrier layer 16 is formed, for example, of a superlattice of InAs and AlSb. The barrier layer 16 is formed of a superlattice in which, for example, 4.6 nm of InAs and 1.2 nm of AlSb are laminated in this order, forming one period (unit structure). The InAs/AlSb superlattice is repeated for example 20 periods and grown to a thickness of about 100 nm. The band gap of this superlattice is about 0.484 eV. The barrier layer 16 mainly functions as a barrier layer that blocks only holes, and has, for example, a p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 16 cm −3 .

次いで、InAsとGaSbの超格子で第2受光層17を形成する。第2受光層17は、たとえば、4.2nmのInAsと、2.1nmのGaSbを、この順序で積層した構造を1周期(単位構造)とする超格子で形成される。InAs/GaSb超格子を、たとえば200周期繰り返して、1300nm程度の厚さに成長する。第2受光層17のInAs/GaSb超格子のバンドギャップは約0.127eVであり、第2受光層17は長波長帯(8~12μm)の赤外線に感度を有する。 Then, the second light receiving layer 17 is formed from a superlattice of InAs and GaSb. The second light receiving layer 17 is formed from a superlattice in which, for example, 4.2 nm of InAs and 2.1 nm of GaSb are stacked in this order, forming one period (unit structure). The InAs/GaSb superlattice is repeated for example 200 periods and grown to a thickness of about 1300 nm. The band gap of the InAs/GaSb superlattice of the second light receiving layer 17 is about 0.127 eV, and the second light receiving layer 17 is sensitive to infrared rays in the long wavelength band (8 to 12 μm).

第2受光層17のInAs/GaSb超格子のInAsの膜厚は、第1受光層15のInAs/GaSb/AlSb/GaSb超格子のInAsの膜厚よりも薄い。InAsの膜厚を第1受光層15の超格子のInAs膜厚よりも薄くすることで、電子の基底準位のエネルギー位置が高くなり、超格子の伝導体下端のエネルギー位置が上がる。第2受光層は、たとえば正孔濃度が1×1016cm-3のp型の導電型を有する。 The thickness of the InAs in the InAs/GaSb superlattice of the second absorption layer 17 is thinner than the thickness of the InAs in the InAs/GaSb/AlSb/GaSb superlattice of the first absorption layer 15. By making the thickness of the InAs thinner than the thickness of the InAs in the superlattice of the first absorption layer 15, the energy position of the ground level of electrons becomes higher, and the energy position of the lower end of the conductor of the superlattice becomes higher. The second absorption layer has a conductivity type of p-type with a hole concentration of 1×10 16 cm -3 , for example.

次いで、例えば、InAsとGaSbの超格子で第2電極層18を形成する。第2電極層18は、たとえば4.2nmのInAsと、2.1nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期(単位構造)とする超格子で形成される。InAs/GaSb超格子を、たとえば60周期繰り返して、360nm程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約0.127eVである。第2電極層18は、たとえば正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電型を有する。以上の工程により、図4Aの積層構造が得られる。 Next, the second electrode layer 18 is formed, for example, by a superlattice of InAs and GaSb. The second electrode layer 18 is formed by a superlattice having a structure in which, for example, 4.2 nm of InAs and 2.1 nm of GaSb are laminated in this order as one period (unit structure). The InAs/GaSb superlattice is repeated for example 60 periods and grown to a thickness of about 360 nm. The band gap of this superlattice is about 0.127 eV. The second electrode layer 18 has, for example, a p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 . The above steps result in the laminate structure of FIG. 4A.

図4Bで、図4Aの積層構造をエッチング加工して、メサ35を形成する。第1電極層14の一部の表面が露出するように、第2電極層18、第2受光層17、障壁層16、および第1受光層15を選択的にエッチングする。図4Bでは1つのメサ35のみが描かれているが、このエッチング工程で、アレイ状に配置される複数のメサ35が形成される。隣接するメサ35の間の空間は、画素分離溝36となる。 In FIG. 4B, the layered structure of FIG. 4A is etched to form mesas 35. The second electrode layer 18, the second light receiving layer 17, the barrier layer 16, and the first light receiving layer 15 are selectively etched so that a portion of the surface of the first electrode layer 14 is exposed. Although only one mesa 35 is depicted in FIG. 4B, multiple mesas 35 arranged in an array are formed in this etching process. The spaces between adjacent mesas 35 become pixel separation grooves 36.

図4Cで、メサ35の全体と、第1電極層14の表面を覆う絶縁膜19を形成する。絶縁膜は、たとえば厚さ500nmのシリコン酸化膜であるが、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などの、その他の絶縁膜を形成してもよい。シリコン酸化膜を形成する場合は、反応ガスとしてシラン、及び一酸化二窒素を用いて、化学気相堆積法で形成することができる。 In FIG. 4C, an insulating film 19 is formed to cover the entire mesa 35 and the surface of the first electrode layer 14. The insulating film is, for example, a silicon oxide film having a thickness of 500 nm, but other insulating films such as a silicon nitride film or a silicon oxynitride film may also be formed. When forming a silicon oxide film, it can be formed by chemical vapor deposition using silane and nitrous oxide as reactive gases.

図4Dで、エッチングマスクを用いた選択的エッチングで、絶縁膜19の所定の箇所に開口26を形成して、第1電極層14の一部と、第2電極層18の一部を露出する。 In FIG. 4D, openings 26 are formed at predetermined locations in the insulating film 19 by selective etching using an etching mask, exposing a portion of the first electrode layer 14 and a portion of the second electrode layer 18.

図4Eで、開口26内に、第1電極層14と接続される電極22と、第2電極層18と接続される電極21を形成する。電極21、及び22は、たとえばTi/Pt/Auで形成される。Tiは下層の電極層との密着膜として機能し得る。電極21、及び22は、金属膜のスパッタリングとミリングにより形成されてもよいし、蒸着とリフトオフ法により形成されてもよい。この後、後述するように、光検出器アレイの最外周画素で電極22に接続される配線と、各有効画素で電極21に接続される電極バッドを形成し、各画素に突起電極を設けることで、2波長光検出器10が作製される。必要に応じて、基板11、バッファ層12、及びエッチングストッパ層13を除去してもよい。 In FIG. 4E, an electrode 22 connected to the first electrode layer 14 and an electrode 21 connected to the second electrode layer 18 are formed in the opening 26. The electrodes 21 and 22 are formed of, for example, Ti/Pt/Au. Ti can function as an adhesive film with the electrode layer below. The electrodes 21 and 22 may be formed by sputtering and milling a metal film, or by deposition and lift-off. Thereafter, as described below, wiring connected to the electrode 22 at the outermost pixels of the photodetector array and electrode pads connected to the electrode 21 at each effective pixel are formed, and a protruding electrode is provided at each pixel, thereby fabricating the two-wavelength photodetector 10. If necessary, the substrate 11, the buffer layer 12, and the etching stopper layer 13 may be removed.

第1実施形態では、第1受光層15、障壁層16、及び第2受光層17の積層で、隣接する層の伝導帯下端のエネルギー差を20meV以下、より好ましくは10meV以下とすることで、長波長側から信号である電子を効率的に引き出して、受光感度を向上する。具体的には、第1受光層15のInAs、GaSb、及びAlSbの超格子に含まれるInAsの膜厚と、第2受光層17のInAsとGaSbの超格子に含まれるInAsの膜厚を4nm以上の厚さで互いに近接させて、伝導体下端のエネルギー位置を互いに近づける。また、障壁層16を正孔ブロック層として機能させることで、暗電流が抑制され、受光感度が向上する。 In the first embodiment, the energy difference between the conduction band bottoms of adjacent layers in the stack of the first absorption layer 15, the barrier layer 16, and the second absorption layer 17 is set to 20 meV or less, more preferably 10 meV or less, to efficiently extract electrons, which are signals, from the long wavelength side and improve the light receiving sensitivity. Specifically, the film thickness of InAs contained in the superlattice of InAs, GaSb, and AlSb in the first absorption layer 15 and the film thickness of InAs contained in the superlattice of InAs and GaSb in the second absorption layer 17 are close to each other with a thickness of 4 nm or more, so that the energy positions of the conductor bottoms are close to each other. In addition, by making the barrier layer 16 function as a hole blocking layer, dark current is suppressed and the light receiving sensitivity is improved.

(第2実施形態)
図5は、第2実施形態の2波長光検出器20の断面模式図である。2波長光検出器20は、基板11の上に、第1電極層24、第1受光層25、障壁層16、第2受光層17、及び第2電極層18がこの順でエピタキシャル成長された積層構造を有する。基板11と第1電極層24の間に、バッファ層12とエッチングストッパ層13の少なくとも一方を配置してもよい。
Second Embodiment
5 is a schematic cross-sectional view of a dual-wavelength photodetector 20 of the second embodiment. The dual-wavelength photodetector 20 has a layered structure in which a first electrode layer 24, a first light receiving layer 25, a barrier layer 16, a second light receiving layer 17, and a second electrode layer 18 are epitaxially grown in this order on a substrate 11. At least one of a buffer layer 12 and an etching stopper layer 13 may be disposed between the substrate 11 and the first electrode layer 24.

2波長光検出器20は、第1電極層24と第1受光層25の構成を除いて、第1実施形態の2波長光検出器10と同様の構成を有するので、異なる部分のみを説明する。基板11の上に、第1電極層24と第1受光層25を連続してエピタキシャル成長する。基板11と第1電極層24の間に、バッファ層12とエッチングストッパ層13が挿入されていてもよい。 The dual-wavelength photodetector 20 has a similar configuration to the dual-wavelength photodetector 10 of the first embodiment, except for the configuration of the first electrode layer 24 and the first light receiving layer 25, so only the different parts will be described. The first electrode layer 24 and the first light receiving layer 25 are epitaxially grown in succession on the substrate 11. A buffer layer 12 and an etching stopper layer 13 may be inserted between the substrate 11 and the first electrode layer 24.

第1電極層24は、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で形成される。たとえば、4.6nmのInAs、0.3nmのGaSb、0.9nmのAlSb、0.3nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする超格子で、第1電極層24を形成する。この超格子のバンドギャップは、約0.392eVである。第1電極層24は、例えばBeが不純物として添加されており、正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電型を有する。このInAs/GaSb/AlSb/GaSb超格子を、たとえば60周期繰り返して、360nmの厚さに成長する。 The first electrode layer 24 is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. For example, the first electrode layer 24 is formed of a superlattice having a structure in which 4.6 nm of InAs, 0.3 nm of GaSb, 0.9 nm of AlSb, and 0.3 nm of GaSb are laminated in this order as one period. The band gap of this superlattice is about 0.392 eV. The first electrode layer 24 is doped with, for example, Be as an impurity, and has a p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 . This InAs/GaSb/AlSb/GaSb superlattice is grown to a thickness of 360 nm by repeating, for example, 60 periods.

第1受光層25は、InAs、GaSb、及びAlSbの超格子で形成される。たとえば、4.6nmのInAs、0.3nmのGaSb、0.9nmのAlSb、0.3nmのGaSbをこの順序で積層した構造を1周期とする超格子で、第1受光層25を形成する。この超格子のバンドギャップは、約0.392eVである。第1受光層25は、例えばBeが不純物として添加されており、正孔濃度が1×1018cm-3のp型の導電型を有する。このInAs/GaSb/AlSb/GaSb超格子を、たとえば210周期繰り返して、1300nmの厚さに成長する。 The first absorption layer 25 is formed of a superlattice of InAs, GaSb, and AlSb. For example, the first absorption layer 25 is formed of a superlattice having a structure in which 4.6 nm of InAs, 0.3 nm of GaSb, 0.9 nm of AlSb, and 0.3 nm of GaSb are laminated in this order as one period. The band gap of this superlattice is about 0.392 eV. The first absorption layer 25 is doped with, for example, Be as an impurity, and has a p-type conductivity with a hole concentration of 1×10 18 cm −3 . This InAs/GaSb/AlSb/GaSb superlattice is grown to a thickness of 1300 nm, repeating, for example, 210 periods.

図6は、第2実施形態の2波長光検出器20の効果を説明する図である。第2実施形態では、第1受光層25を形成するInAs、GaSb、及びAlSbの超格子の1周期の膜厚を第1実施形態よりも薄く形成して伝導帯下端のエネルギー位置を上げて、さらには価電子帯上端のエネルギー位置を下げて、バンドギャップエネルギーEg1を、約392meVに設計している。すなわち、第1実施形態の第1受光層15よりも検出可能な赤外線の波長が短くなる。障壁層16と第2受光層17のバンドギャップエネルギーは、第1実施形態と同様に、それぞれ約484meVと、約127meVである。 Figure 6 is a diagram explaining the effect of the two-wavelength photodetector 20 of the second embodiment. In the second embodiment, the film thickness of one period of the superlattice of InAs, GaSb, and AlSb that forms the first absorption layer 25 is made thinner than in the first embodiment to raise the energy position of the lower end of the conduction band and further lower the energy position of the upper end of the valence band, and the band gap energy Eg1 is designed to be about 392 meV. In other words, the wavelength of infrared light that can be detected is shorter than that of the first absorption layer 15 of the first embodiment. The band gap energies of the barrier layer 16 and the second absorption layer 17 are about 484 meV and about 127 meV, respectively, as in the first embodiment.

第1受光層25と第2受光層17の間で、伝導帯下端のエネルギー差は第1実施形態よりもさらに小さく、ほとんど同じエネルギー位置である。第1受光層25、障壁層16、及び第2受光層17の間の伝導帯下端のエネルギー位置を見ると、電子に対するポテンシャル障壁はほとんどない。長波長側の第2受光層17で生成された電子は、電極22に引き出される過程で、障壁層16、及び第1受光層25との間の伝導帯下端におけるエネルギー差を容易に乗り越えられる。長波長側の信号の低下が抑制され、受光感度を向上することができる。第1受光層25で生成された電子にとってもポテンシャル障壁はほとんど存在せず、短波長側の受光感度も向上する。 Between the first absorption layer 25 and the second absorption layer 17, the energy difference in the conduction band minimum is smaller than that in the first embodiment, and is at almost the same energy position. Looking at the energy positions of the conduction band minimum between the first absorption layer 25, the barrier layer 16, and the second absorption layer 17, there is almost no potential barrier for electrons. Electrons generated in the second absorption layer 17 on the long wavelength side can easily overcome the energy difference in the conduction band minimum between the barrier layer 16 and the first absorption layer 25 in the process of being drawn out to the electrode 22. The decrease in the signal on the long wavelength side is suppressed, and the light receiving sensitivity can be improved. There is almost no potential barrier for electrons generated in the first absorption layer 25, and the light receiving sensitivity on the short wavelength side is also improved.

<2波長光検出器を用いたイメージセンサ>
図7は、2波長光検出器10を用いたイメージセンサ100の模式図である。イメージセンサ100は、複数の画素101の配列を含む光検出器アレイ50と、読出回路60を有する。光検出器アレイ50は、突起電極31によって読出回路60にフリップチップ接合されている。光検出器アレイ50と読出回路60の間にアンダーフィルが充填され硬化されていてもよい。図7では、光検出器アレイ50は第1実施形態の2波長光検出器10を用いているが、第2実施形態の2波長光検出器20を用いてもよい。
<Image sensor using a two-wavelength photodetector>
7 is a schematic diagram of an image sensor 100 using the dual-wavelength photodetector 10. The image sensor 100 has a photodetector array 50 including an array of a plurality of pixels 101, and a readout circuit 60. The photodetector array 50 is flip-chip bonded to the readout circuit 60 by protruding electrodes 31. An underfill may be filled and cured between the photodetector array 50 and the readout circuit 60. In FIG. 7, the photodetector array 50 uses the dual-wavelength photodetector 10 of the first embodiment, but the dual-wavelength photodetector 20 of the second embodiment may also be used.

光検出器アレイ50の突起電極31と反対側の面が光入射面であり、第1受光層15(または25)の側から光が入射する。タイプII超格子の場合は、受光層のバンドギャップと波長応答特性の関係から、応答波長が短い第1受光層15が光入射面に近い側に配置される。 The surface of the photodetector array 50 opposite the protruding electrodes 31 is the light incident surface, and light is incident from the first light receiving layer 15 (or 25) side. In the case of a type II superlattice, due to the relationship between the band gap and wavelength response characteristics of the light receiving layer, the first light receiving layer 15, which has a shorter response wavelength, is positioned closer to the light incident surface.

読出回路60には、光検出器アレイ50の各画素101に対応する駆動セルを有し、各画素101に、正電位を与えるバイアスと負電位を与えるバイアスを交互に印加して、第1受光層15と第2受光層17から電子を信号として読み出す。各駆動セルで、第1の波長と第2の波長に対応する電荷のそれぞれを積分して、各波長の入射強度に対応した電圧信号を出力する。読出回路60は、各画素101からの応答出力を順次に走査して、観測対象からの温度分布やガス分布の情報を含む信号を、時系列信号として出力してもよい。この場合、第1波長(たとえば中赤外波長)の時系列信号と、第2波長(遠赤外波長)の時系列信号が交互に出力されてもよい。 The readout circuit 60 has a driving cell corresponding to each pixel 101 of the photodetector array 50, and alternately applies a bias that provides a positive potential and a bias that provides a negative potential to each pixel 101 to read out electrons as signals from the first light receiving layer 15 and the second light receiving layer 17. Each driving cell integrates the charges corresponding to the first wavelength and the second wavelength, respectively, and outputs a voltage signal corresponding to the incident intensity of each wavelength. The readout circuit 60 may sequentially scan the response output from each pixel 101 and output a signal containing information on the temperature distribution and gas distribution from the observation target as a time-series signal. In this case, a time-series signal of the first wavelength (for example, a mid-infrared wavelength) and a time-series signal of the second wavelength (far-infrared wavelength) may be output alternately.

図8は、イメージセンサ100で用いられる光検出器アレイ50の一部を示す断面模式図である。たとえば、第1実施形態の2波長光検出器10を1つの画素101として、複数の画素101が2次元状に配置されている。各画素101は、画素分離溝36によって互いに分離され、In等で形成された個別の突起電極31pを介して、読出回路60の対応する駆動セルのトランジスタ61と電気的に接続されている。 Figure 8 is a schematic cross-sectional view showing a portion of a photodetector array 50 used in an image sensor 100. For example, a plurality of pixels 101 are arranged two-dimensionally, with each pixel 101 being the dual-wavelength photodetector 10 of the first embodiment. Each pixel 101 is separated from the others by a pixel separation groove 36, and is electrically connected to a transistor 61 of a corresponding driving cell of a readout circuit 60 via an individual protruding electrode 31p formed of In or the like.

個別の突起電極31pは、各画素101のメサの上部に設けられた電極21に接続される表面配線用の金属膜32の上に配置されている。対応する駆動セルのトランジスタ61のゲート印加されるゲート電圧VIGに応じたバイアス電圧が、突起電極31pを介して、画素101に選択的に印加される。 The individual protruding electrodes 31p are disposed on a metal film 32 for surface wiring that is connected to an electrode 21 provided on the upper portion of the mesa of each pixel 101. A bias voltage according to a gate voltage V IG applied to the gate of the transistor 61 of the corresponding driving cell is selectively applied to the pixel 101 via the protruding electrodes 31p.

光検出器アレイ50の最外周の画素は、ダミー画素として、共通電極31dにより共通の電位Vに接続されている。共通電極31dは、配線33を介して、第1電極層14とオーミック接触する電極22に接続されており、第1電極層14を介して、各画素101に共通の電位Vが供給される。 The pixels on the outermost periphery of the photodetector array 50 are dummy pixels and are connected to a common potential V A by a common electrode 31 d. The common electrode 31 d is connected via a wiring 33 to an electrode 22 that is in ohmic contact with the first electrode layer 14, and the common potential V A is supplied to each pixel 101 via the first electrode layer 14.

金属膜32と配線33は、図4Eの工程の後に同一の工程で形成される。金属膜32と配線33上に、個別の突起電極31pと共通電極31dが同一の工程で形成される。光検出器アレイ50が、突起電極31pと共通電極31dを介して読出回路60にフリップチップ接合されたあとに、必要に応じて、基板11、バッファ層12、及びエッチングストッパ層13が除去されてもよい。これにより、図7のイメージセンサ100が得られる。 The metal film 32 and the wiring 33 are formed in the same process after the process of FIG. 4E. On the metal film 32 and the wiring 33, the individual protruding electrodes 31p and the common electrode 31d are formed in the same process. After the photodetector array 50 is flip-chip bonded to the readout circuit 60 via the protruding electrodes 31p and the common electrode 31d, the substrate 11, the buffer layer 12, and the etching stopper layer 13 may be removed as necessary. This results in the image sensor 100 of FIG. 7.

図9は、イメージセンサ100を組み込んだ撮像システム1の概略ブロック図である。撮像システム1は、イメージセンサ100と、イメージセンサ100に接続される制御演算部2と、制御演算部2に接続される表示部3を有する。イメージセンサ100の光入射側に光学系110を配置してもよい。 Figure 9 is a schematic block diagram of an imaging system 1 incorporating an image sensor 100. The imaging system 1 has the image sensor 100, a control and calculation unit 2 connected to the image sensor 100, and a display unit 3 connected to the control and calculation unit 2. An optical system 110 may be disposed on the light incident side of the image sensor 100.

光学系110は、イメージセンサ100の光検出器アレイ50の光入射面に、入射赤外線の光像を結像させる。画素101ごとに2波長で検出される赤外線の強度情報は、交互に読出回路60に読み出される。光検出器アレイ50から得られる赤外線強度情報は、観測対象からの赤外線放射、すなわち温度分布やガス濃度分布を表わしている。 The optical system 110 forms an image of the incident infrared light on the light incident surface of the photodetector array 50 of the image sensor 100. The infrared intensity information detected at two wavelengths for each pixel 101 is alternately read out to the readout circuit 60. The infrared intensity information obtained from the photodetector array 50 represents the infrared radiation from the observation target, i.e., the temperature distribution and gas concentration distribution.

イメージセンサ100の読出回路60から出力される電圧信号は、制御演算部2の入力に接続されている。電圧信号が制御演算部2に入力される前に、デジタル信号に変換されてもよい。制御演算部2は、読出回路60~の出力信号に補正処理、画像処理等を施して観測対象の温度分布やガス分布に応じた画像を生成する。補正処理には、画素101ごとの感度や非線形性のばらつきの補正が含まれていてもよい。 The voltage signal output from the readout circuit 60 of the image sensor 100 is connected to the input of the control and calculation unit 2. The voltage signal may be converted to a digital signal before being input to the control and calculation unit 2. The control and calculation unit 2 performs correction processing, image processing, etc. on the output signal from the readout circuit 60 to generate an image corresponding to the temperature distribution and gas distribution of the observation target. The correction processing may include correction of variations in sensitivity and nonlinearity for each pixel 101.

実施形態の2波長光検出器10または20を用いた光検出器アレイ50は、各画素101または201で長波長側の信号低下が抑制され、かつ、暗電流が抑制されているので、高画質の2赤外線画像が得られる。制御演算部2により生成された画像は、表示部3に表示され、温度分布やガス分布が視覚的に認識可能になる。 The photodetector array 50 using the dual-wavelength photodetector 10 or 20 of the embodiment suppresses signal drop on the long wavelength side in each pixel 101 or 201, and also suppresses dark current, so that a high-quality dual infrared image can be obtained. The image generated by the control and calculation unit 2 is displayed on the display unit 3, making it possible to visually recognize the temperature distribution and gas distribution.

実施形態のイメージセンサ100と撮像システム1は、セキュリティ、インフラ点検の分野等への応用が可能である。イメージセンサ100で用いられる2波長光検出器10または20は、高い移動度をもつ電子を信号として検出し、長波長側での信号低下と暗電流が抑制されており、感度、すなわち、観察対象物に対する識別精度が高い。 The image sensor 100 and imaging system 1 of the embodiment can be applied to fields such as security and infrastructure inspection. The two-wavelength photodetector 10 or 20 used in the image sensor 100 detects electrons with high mobility as a signal, suppressing signal drop and dark current on the long wavelength side, and providing high sensitivity, i.e., high accuracy in identifying the object being observed.

以上、発明の実施形態を特定の構成例に基づいて説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されない。第1受光層と第2受光層に用いられる超格子の各層の膜厚は、第1受光と第2受光層の伝導帯下端のエネルギー差が20meV以下、より好ましくは10meV以下である限り、適宜変更可能である。また、短波長側の第1受光層の超格子で用いられるInAsの膜厚が、長波長側の第2受光層の超格子で用いられるInAsの膜厚よりも大きいならば、それぞれを4nm以上の適切な厚さに設定されてもよい。障壁層16を形成する超格子は、第2受光層で生成された電子にとってポテンシャル障壁とならず、正孔に対するブロック層として機能するならば、適切な材料と膜厚で形成されてもよい。 Although the embodiment of the invention has been described above based on a specific configuration example, the present invention is not limited to the above configuration example. The thickness of each layer of the superlattice used in the first and second absorption layers can be changed as appropriate as long as the energy difference between the conduction band minimums of the first and second absorption layers is 20 meV or less, more preferably 10 meV or less. In addition, if the thickness of the InAs used in the superlattice of the first absorption layer on the short wavelength side is larger than the thickness of the InAs used in the superlattice of the second absorption layer on the long wavelength side, each may be set to an appropriate thickness of 4 nm or more. The superlattice forming the barrier layer 16 may be formed of an appropriate material and thickness as long as it does not become a potential barrier for electrons generated in the second absorption layer and functions as a blocking layer for holes.

第1受光層と第2受光層の導電型をp型にする不純物(アクセプタ)として、Beに替えて、またはBeとともに、Zn、Mgなどを用いてもよい。2波長光検出器の積層の形成はMBE法に限定されず、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、または積層の形成が可能なその他の方法を採用してもよい。メサ35を覆う絶縁膜は、原子層堆積法、スパッタ法などで形成されてもよい。いずれの場合も、第1受光層、障壁層、第2受光層のエネルギーバンド構造を適切に設計することで、長波長側の電子に対するポテンシャル障壁を小さくして、受光感度を向上することができる。 Zn, Mg, etc. may be used instead of or together with Be as an impurity (acceptor) that changes the conductivity type of the first and second light receiving layers to p-type. The formation of the stacked layers of the two-wavelength photodetector is not limited to the MBE method, and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or other methods capable of forming stacked layers may be adopted. The insulating film covering the mesa 35 may be formed by atomic layer deposition method, sputtering method, etc. In either case, by appropriately designing the energy band structures of the first light receiving layer, barrier layer, and second light receiving layer, the potential barrier against electrons on the long wavelength side can be reduced, improving the light receiving sensitivity.

1 撮像システム
10、20 2波長光検出器
11 基板
14、24 第1電極層
15、25 第1受光層
16 障壁層
17 第2受光層
18 第2電極層
21、22 電極
31、31p 突起電極
31d 共通電極
32 金属膜
33 配線
50 光検出器アレイ
60 読出回路
100 イメージセンサ
101、201 画素
REFERENCE SIGNS LIST 1 Imaging system 10, 20 Dual-wavelength photodetector 11 Substrate 14, 24 First electrode layer 15, 25 First light-receiving layer 16 Barrier layer 17 Second light-receiving layer 18 Second electrode layer 21, 22 Electrode 31, 31p Protruding electrode 31d Common electrode 32 Metal film 33 Wiring 50 Photodetector array 60 Readout circuit 100 Image sensor 101, 201 Pixel

Claims (8)

第1の波長に感度を有する第1受光層と、
前記第1の波長よりも長い第2の波長に感度を有する第2受光層と、
前記第1受光層と前記第2受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、
前記第1受光層は、InAs、GaSb、およびAlSbを含む第1の超格子で形成され、
前記第2受光層は、InAsとGaSbの第2の超格子で形成されており、
前記第1の超格子に含まれる前記InAsの膜厚は、前記第2の超格子に含まれる前記InAsの膜厚よりも大きい
2波長光検出器。
a first light receiving layer having sensitivity to a first wavelength;
a second light receiving layer having sensitivity to a second wavelength longer than the first wavelength;
a barrier layer disposed between the first absorption layer and the second absorption layer, the barrier layer serving as a potential barrier against holes;
having
the first absorption layer is formed of a first superlattice including InAs, GaSb, and AlSb;
the second absorption layer is formed of a second superlattice of InAs and GaSb ;
a thickness of the InAs included in the first superlattice is greater than a thickness of the InAs included in the second superlattice ;
Dual wavelength photodetector.
第1の波長に感度を有する第1受光層と、
前記第1の波長よりも長い第2の波長に感度を有する第2受光層と、
前記第1受光層と前記第2受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、
前記第1受光層は、InAs、GaSb、およびAlSbを含む第1の超格子で形成され、
前記第2受光層は、InAsとGaSbの第2の超格子で形成されており、
前記第1の超格子に含まれる前記InAsと、前記第2の超格子に含まれる前記InAsの膜厚は4nm以上である、
2波長光検出器
a first light receiving layer having sensitivity to a first wavelength;
a second light receiving layer having sensitivity to a second wavelength longer than the first wavelength;
a barrier layer disposed between the first absorption layer and the second absorption layer, the barrier layer serving as a potential barrier against holes;
having
the first absorption layer is formed of a first superlattice including InAs, GaSb, and AlSb;
the second absorption layer is formed of a second superlattice of InAs and GaSb;
the InAs contained in the first superlattice and the InAs contained in the second superlattice have a film thickness of 4 nm or more;
Dual wavelength photodetector .
前記第1の超格子と前記第2の超格子の伝導帯下端のエネルギー差は20meV以下である、
請求項1または2に記載の2波長光検出器。
an energy difference between the conduction band minimums of the first superlattice and the second superlattice is 20 meV or less;
3. The dual-wavelength photodetector according to claim 1 or 2 .
前記第1の超格子は、InAs、GaSb、AlSb、GaSbがこの順序で積層された単位構造を有する超格子である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の2波長光検出器。
The first superlattice is a superlattice having a unit structure in which InAs, GaSb, AlSb, and GaSb are laminated in this order.
The dual-wavelength photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
前記障壁層は、InAsとAlSbの超格子で形成されており、
前記障壁層のバンドギャップは、前記第1受光層と前記第2受光層のバンドギャップよりも大きい、
請求項1~のいずれか1項に記載の2波長光検出器。
The barrier layer is formed of a superlattice of InAs and AlSb,
the band gap of the barrier layer is larger than the band gaps of the first absorption layer and the second absorption layer;
The dual-wavelength photodetector according to any one of claims 1 to 4 .
前記第1受光層と前記第2受光層に、不純物元素としてBe、Zn、またはMgが添加されている、
請求項1~のいずれか1項に記載の2波長光検出器。
The first absorption layer and the second absorption layer are doped with Be, Zn, or Mg as an impurity element.
The dual-wavelength photodetector according to any one of claims 1 to 5 .
前記障壁層の導電型は、前記第1受光層、及び前記第2受光層と同じ導電型である、
請求項1~のいずれか1項に記載の2波長光検出器。
the barrier layer has the same conductivity type as the first absorption layer and the second absorption layer;
The dual-wavelength photodetector according to any one of claims 1 to 6 .
請求項1~のいずれか1項に記載の2波長光検出器が複数配列された光検出器アレイと、
前記光検出器アレイに電気的に接続される読出回路と、
を有するイメージセンサ。
a photodetector array in which a plurality of dual-wavelength photodetectors according to any one of claims 1 to 7 are arranged;
a readout circuit electrically connected to the photodetector array;
An image sensor having
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