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JP5978777B2 - Imaging device - Google Patents

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Description

本件は、撮像装置に関する。   This case relates to an imaging apparatus.

撮像装置として知られる赤外線撮像デバイスは、入射する赤外線により対象物の表面温度を遠隔位置において非接触で計測し、該対象物の形状の検出などに利用される。赤外線撮像デバイスは、例えば、製造ラインにおける計測装置や制御装置、医療における診断装置、及び、暗視カメラやセンサ装置などの広い用途に用いられている。   An infrared imaging device known as an imaging device measures the surface temperature of an object in a non-contact manner at a remote position by incident infrared rays, and is used for detecting the shape of the object. Infrared imaging devices are used in a wide range of applications such as measuring devices and control devices in production lines, medical diagnostic devices, and night vision cameras and sensor devices.

赤外線撮像デバイスは、反射鏡やレンズを用いて、入射する赤外線を結像させ、電気信号に変換することにより画像を取得する。例えば、赤外線センサアレイは、2次元マトリックス状に配置された複数のセンサ素子と、該センサ素子から画素データを読み出す読出回路とを有する。複数のセンサ素子、及び読出回路は、別々の基板に形成され、導電性のバンプを介して互いに接続されている。センサ素子の基板は、例えばヒ化ガリウム(GaAs)などにより形成され、他方、読出回路の基板は、シリコン(Si)などにより形成される。   An infrared imaging device forms an image of incident infrared rays using a reflecting mirror or a lens, and acquires an image by converting it into an electrical signal. For example, the infrared sensor array includes a plurality of sensor elements arranged in a two-dimensional matrix and a readout circuit that reads pixel data from the sensor elements. The plurality of sensor elements and the readout circuit are formed on different substrates and are connected to each other through conductive bumps. The sensor element substrate is made of, for example, gallium arsenide (GaAs), while the readout circuit substrate is made of silicon (Si) or the like.

赤外線撮像デバイスに関し、例えば特許文献1には、雑音による画素信号の変化を識別する技術が開示されている。   Regarding an infrared imaging device, for example, Patent Document 1 discloses a technique for identifying a change in a pixel signal due to noise.

特開2011−142558号公報JP 2011-142558 A

高感度の赤外線撮像デバイスは、自装置の熱による暗電流の発生を防止するため、動作中、例えば液体窒素相当の温度(例えば80(K)程度)に冷却される。ここで、上述した各基板は、互いに材質が異なり、線熱膨張係数が相違するため、該冷却によって、基板間のバンプに応力が加わる。   The high-sensitivity infrared imaging device is cooled to a temperature equivalent to, for example, liquid nitrogen (for example, about 80 (K)) during operation in order to prevent generation of dark current due to heat of the device itself. Here, since the substrates described above are made of different materials and have different linear thermal expansion coefficients, stress is applied to the bumps between the substrates by the cooling.

高解像度化を目的として、センサ素子の数(つまり、画素数)、及び基板の表面積を増加させた場合、表面積の増加に伴って上記の応力が増加するので、バンプが大きく歪み、短絡や破断などに至ることがある。一方、表面積を変えずに画素数を増加させた場合も、バンプ同士の間隔が狭くなるため、短絡の可能性が生ずる。短絡や破断は、結果として画素欠陥の問題を起こす。   If the number of sensor elements (that is, the number of pixels) and the surface area of the substrate are increased for the purpose of increasing the resolution, the stress increases as the surface area increases. And so on. On the other hand, even when the number of pixels is increased without changing the surface area, the distance between the bumps is narrowed, which may cause a short circuit. Short circuits and breaks result in pixel defect problems.

そこで本件は上記の課題に鑑みてなされたものであり、効果的に高解像度化が可能な撮像装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an imaging apparatus capable of effectively increasing the resolution.

上記の課題を解決するため、本明細書に記載の撮像装置は、複数のセンサ素子が配列されたセンサ基板と、前記複数のセンサ素子から画素データを読み出す読出回路を含む回路基板と、前記センサ基板、及び前記回路基板の間に設けられた複数のバンプとを有し、前記複数のセンサ素子は、2つずつ直列に接続され、該直列に接続された2つのセンサ素子は、前記複数のバンプのうち、共通のバンプを介して前記読出回路に接続されており、前記センサ基板は、、前記2つのセンサ素子から、前記読出回路による前記画素データの読み出し対象を選択する選択回路が設けられ、前記選択回路は、極性の方向が互いに反対となるように、前記2つのセンサ素子とそれぞれ並列に接続された2つのダイオードを含むIn order to solve the above problems, an imaging device described in the present specification includes a sensor substrate on which a plurality of sensor elements are arranged, a circuit board including a readout circuit that reads pixel data from the plurality of sensor elements, and the sensor A plurality of bumps provided between the substrate and the circuit board, wherein the plurality of sensor elements are connected in series two by two , and the two sensor elements connected in series are the plurality of sensor elements The bump is connected to the readout circuit via a common bump, and the sensor substrate is provided with a selection circuit that selects a readout target of the pixel data by the readout circuit from the two sensor elements. The selection circuit includes two diodes connected in parallel with the two sensor elements so that the polar directions are opposite to each other .

本明細書に記載の撮像装置は、効果的に高解像度化できるという効果を奏する。   The imaging device described in this specification has an effect that the resolution can be effectively increased.

赤外線撮像デバイスの斜視図である。It is a perspective view of an infrared imaging device. 比較例に係る赤外線撮像デバイスについて、図1のII−II線による断面を部分的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows partially the cross section by the II-II line | wire of FIG. 1 about the infrared imaging device which concerns on a comparative example. 図2のIII−III線による断面を部分的に示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view partially showing a section taken along line III-III in FIG. 2. 実施例に係る赤外線撮像デバイスについて、図1のII−II線による断面を部分的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows partially the cross section by the II-II line | wire of FIG. 1 about the infrared imaging device which concerns on an Example. 図4のV−V線による断面を部分的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view partially showing a cross section taken along line VV in FIG. 4. 読出回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a reading circuit. 選択回路、及び画素取得部の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a selection circuit and a pixel acquisition part. 画素取得部の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows operation | movement of a pixel acquisition part. センサ素子、及びダイオードを形成するための積層体の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the laminated body for forming a sensor element and a diode. センサ素子、及びダイオードの積層構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the laminated structure of a sensor element and a diode.

図1は、赤外線撮像デバイスの斜視図である。赤外線撮像デバイスは、撮像対象から発せられる赤外線IRを感知し、画素ごとに、赤外線IRの強度に応じた画素データを生成して出力する撮像装置である。赤外線撮像デバイスは、例えば、5〜20(mm)角サイズの矩形のチップ形状を有する。   FIG. 1 is a perspective view of an infrared imaging device. The infrared imaging device is an imaging device that senses infrared IR emitted from an imaging target, generates pixel data corresponding to the intensity of the infrared IR for each pixel, and outputs the pixel data. The infrared imaging device has, for example, a rectangular chip shape of 5 to 20 (mm) square size.

赤外線撮像デバイスは、各々の板面が対向するセンサ基板1、及び回路基板2を有する。センサ基板1は、例えばヒ化ガリウム(GaAs)などにより形成されている。センサ基板1は、板面に沿って、画素数と同数分の複数のセンサ素子が2次元マトリクス状に配列され、板面10に入射する赤外線IRから画素データを生成する。センサ素子は、例えば、量子井戸型光検出器(QWIP:Quantum Well Inframed Photodetector)である。   The infrared imaging device includes a sensor substrate 1 and a circuit substrate 2 that face each plate. The sensor substrate 1 is made of, for example, gallium arsenide (GaAs). The sensor substrate 1 includes a plurality of sensor elements as many as the number of pixels arranged in a two-dimensional matrix along the plate surface, and generates pixel data from infrared IR incident on the plate surface 10. The sensor element is, for example, a quantum well type photodetector (QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector).

回路基板2は、例えばシリコンにより形成され、複数のセンサ素子から画素データを読み出す読出回路を含む。なお、センサ基板1、及び回路基板2の厚さは、例えば、それぞれ5(μm)、及び600(μm)である。   The circuit board 2 is formed of silicon, for example, and includes a readout circuit that reads pixel data from a plurality of sensor elements. Note that the thicknesses of the sensor substrate 1 and the circuit substrate 2 are, for example, 5 (μm) and 600 (μm), respectively.

図2は、比較例に係る赤外線撮像デバイスについて、図1のII−II線による断面を部分的に示す断面図である。また、図3は、図2のIII−III線による断面を部分的に示す断面図である。センサ基板1、及び回路基板2の間には、複数のバンプ3が設けられている。   FIG. 2 is a cross-sectional view partially showing a cross section taken along line II-II in FIG. 1 for an infrared imaging device according to a comparative example. 3 is a sectional view partially showing a section taken along line III-III in FIG. A plurality of bumps 3 are provided between the sensor substrate 1 and the circuit substrate 2.

複数のバンプ3は、それぞれ、インジウムなどの導電性の材質により形成されている。複数のバンプ3の各々は、センサ基板1に配列された複数のセンサ素子9を、1つずつ回路基板2に含まれる読出回路に接続する。すなわち、1個のバンプ3を介して読出回路に接続されるセンサ素子9は、1個である。なお、バンプ3と読出回路の接続は、半田付けや圧着などの手段により行われる。   Each of the plurality of bumps 3 is formed of a conductive material such as indium. Each of the plurality of bumps 3 connects a plurality of sensor elements 9 arranged on the sensor substrate 1 to a readout circuit included in the circuit substrate 2 one by one. That is, one sensor element 9 is connected to the readout circuit via one bump 3. The bump 3 and the readout circuit are connected by means such as soldering or pressure bonding.

したがって、本例において、高解像度化を図るためにセンサ素子9の数、つまり画素数を増加させた場合、バンプ3の数も同じ分だけ増加するから、センサ基板1の表面積を一定とすると、バンプ3同士の間隔Lが狭くなり、上述した問題を生ずる。なお、本例のバンプ3の間隔Lは、例えば10〜20(μm)である。   Therefore, in this example, when the number of sensor elements 9, that is, the number of pixels is increased in order to increase the resolution, the number of bumps 3 is also increased by the same amount. Therefore, if the surface area of the sensor substrate 1 is constant, The distance L between the bumps 3 is narrowed, causing the above-described problem. The interval L between the bumps 3 in this example is, for example, 10 to 20 (μm).

一方、図4は、実施例に係るに係る赤外線撮像デバイスについて、図1のII−II線による断面を部分的に示す断面図であり、図5は、図4のV−V線による断面を部分的に示す断面図である。なお、図4、及び図5において、図2、及び図3と共通する構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。   On the other hand, FIG. 4 is a sectional view partially showing a section taken along line II-II in FIG. 1 for the infrared imaging device according to the embodiment, and FIG. 5 is a section taken along line V-V in FIG. It is sectional drawing shown partially. 4 and 5, the same reference numerals are given to configurations common to those in FIGS. 2 and 3, and descriptions thereof are omitted.

本実施例において、複数のセンサ素子4,5は、2つずつ、複数のバンプ3のうち、共通のバンプ3を介して、回路基板2に含まれる読出回路に接続されている。すなわち、複数のバンプ3は、それぞれ、2つのセンサ素子4,5により共有されている。一方のセンサ素子4は、平面視において、バンプ3と重なるように配置されており、他方のセンサ素子5と交互に並ぶように配列されている。2つのセンサ素子4,5は、バンプ3までの距離が最短となるように、互いに隣接するものであってもよいが、これに限定されない。   In the present embodiment, the plurality of sensor elements 4 and 5 are connected to the readout circuit included in the circuit board 2 via the common bump 3 among the plurality of bumps 3. That is, the plurality of bumps 3 are shared by the two sensor elements 4 and 5, respectively. One sensor element 4 is arranged so as to overlap the bump 3 in plan view, and is arranged so as to be alternately arranged with the other sensor element 5. The two sensor elements 4 and 5 may be adjacent to each other so that the distance to the bump 3 is the shortest, but is not limited thereto.

本実施例に係る赤外線撮像素子は、比較例(図2、及び図3参照)と比較すると、バンプ3の間隔L(またはピッチ)、及び大きさが同一であり、センサ素子4,5の表面積は小さい。したがって、本実施例に係る赤外線撮像素子は、図4に示されるように、バンプ3の数、及びセンサ基板1の表面積を変更することなく、センサ素子4,5を比較例より多く設けることが可能である。なお、センサ素子9,4,5の表面形状は、図示された八角形に限定されず、矩形などの他の形状であってもよい。   Compared with the comparative example (see FIGS. 2 and 3), the infrared imaging device according to the present embodiment has the same distance L (or pitch) and size of the bumps 3 and the surface areas of the sensor elements 4 and 5. Is small. Therefore, as shown in FIG. 4, the infrared imaging element according to the present embodiment is provided with more sensor elements 4 and 5 than the comparative example without changing the number of bumps 3 and the surface area of the sensor substrate 1. Is possible. The surface shapes of the sensor elements 9, 4, and 5 are not limited to the octagon illustrated, and may be other shapes such as a rectangle.

2つのセンサ素子4,5が生成した画素データは、共通のバンプ3を介して、回路基板2に形成された読出回路により、画素信号として順次に読み出される。図6は、読出回路の一例を示す回路図である。   Pixel data generated by the two sensor elements 4 and 5 are sequentially read out as pixel signals by the readout circuit formed on the circuit board 2 through the common bump 3. FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an example of the readout circuit.

読出回路は、複数の画素取得部20と、複数の出力トランジスタ21と、複数の行選択トランジスタ22と、複数の列選択トランジスタ24と、負荷トランジスタ26と、垂直走査部27と、水平走査部28と、増幅器29とを含む。なお、図6には、複数存在する同一の回路要素のうち、一部のみが示されている。   The readout circuit includes a plurality of pixel acquisition units 20, a plurality of output transistors 21, a plurality of row selection transistors 22, a plurality of column selection transistors 24, a load transistor 26, a vertical scanning unit 27, and a horizontal scanning unit 28. And an amplifier 29. Note that FIG. 6 shows only a part of a plurality of identical circuit elements.

複数の画素取得部20は、それぞれ、バンプ3を介して2つのセンサ素子4,5と接続され、該センサ素子4,5から時分割により順次に画素データを取得する。画素取得部20は、出力トランジスタ21の制御端子と接続され、この出力トランジスタ21を介して画素データを、画素信号として出力する。出力トランジスタ21は、一端子が、電源電圧が印加された電源ライン231と接続され、他方、他端子が行選択トランジスタ22の一端子と接続されている。   Each of the plurality of pixel acquisition units 20 is connected to the two sensor elements 4 and 5 via the bump 3, and sequentially acquires pixel data from the sensor elements 4 and 5 by time division. The pixel acquisition unit 20 is connected to the control terminal of the output transistor 21 and outputs pixel data as a pixel signal via the output transistor 21. The output transistor 21 has one terminal connected to the power supply line 231 to which the power supply voltage is applied, and the other terminal connected to one terminal of the row selection transistor 22.

行選択トランジスタ22は、制御端子が行選択ライン250を介して垂直走査部27と接続され、他方、他端子が列選択ライン230を介して列選択トランジスタ24の一端子と接続されている。列選択トランジスタ24は、他端子が出力ライン251を介して増幅器29の入力端子と接続され、他方、制御端子が水平走査部28と接続されている。   The row selection transistor 22 has a control terminal connected to the vertical scanning unit 27 via a row selection line 250, while the other terminal is connected to one terminal of the column selection transistor 24 via a column selection line 230. The other terminal of the column selection transistor 24 is connected to the input terminal of the amplifier 29 via the output line 251, while the control terminal is connected to the horizontal scanning unit 28.

負荷トランジスタ26は、一端子が出力ライン251を介して増幅器29の入力端子と接続され、他方、他端子にはグランド電位が与えられている。負荷トランジスタ26は、制御端子に与えられる電圧に応じて、出力ライン251から一定の電流をグランドに流す。   The load transistor 26 has one terminal connected to the input terminal of the amplifier 29 via the output line 251, and the other terminal is supplied with a ground potential. The load transistor 26 causes a constant current to flow from the output line 251 to the ground according to the voltage applied to the control terminal.

垂直走査部27は、複数の行選択ライン250から1つを時分割により順次に選択し、所定の電圧を与えることによって、選択されたライン250に接続された行選択トランジスタ22をオン制御する。一方、水平走査部28は、複数の列選択トランジスタ24から1つを時分割により順次に選択し、所定の電圧を与えることによってオン制御する。   The vertical scanning unit 27 sequentially selects one of the plurality of row selection lines 250 by time division and applies a predetermined voltage to turn on the row selection transistor 22 connected to the selected line 250. On the other hand, the horizontal scanning unit 28 sequentially selects one of the plurality of column selection transistors 24 by time division and performs on control by applying a predetermined voltage.

これにより、複数の画素取得部20の1つが、オン状態の行選択トランジスタ22、及びオン状態の列選択トランジスタ24を介して、出力ライン251と導通可能に接続される。そして、該画素取得部20の画素信号は、出力ライン251を介して増幅器29の出力端子Pに出力される。すなわち、読出回路は、画素取得部20が、各画素に対応して設けられ、選択された行及び列に該当する画素取得部20の画素信号を、時分割により順次に出力する。   Thereby, one of the plurality of pixel acquisition units 20 is connected to the output line 251 through the row selection transistor 22 in the on state and the column selection transistor 24 in the on state so as to be conductive. The pixel signal of the pixel acquisition unit 20 is output to the output terminal P of the amplifier 29 via the output line 251. That is, in the readout circuit, the pixel acquisition unit 20 is provided corresponding to each pixel, and sequentially outputs pixel signals of the pixel acquisition unit 20 corresponding to the selected row and column by time division.

上述したように、画素取得部20は、2つのセンサ素子4,5の各画素データを時分割により出力する。このため、センサ基板1は、共通のバンプ3を介して接続されたセンサ素子4,5から、読出回路による画素データの読み出し対象を選択する選択回路が設けられている。図7は、選択回路、及び画素取得部20の一例を示す回路図である。   As described above, the pixel acquisition unit 20 outputs the pixel data of the two sensor elements 4 and 5 by time division. For this reason, the sensor substrate 1 is provided with a selection circuit for selecting a reading target of pixel data by the reading circuit from the sensor elements 4 and 5 connected via the common bump 3. FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of the selection circuit and the pixel acquisition unit 20.

選択回路6は、極性の方向が互いに反対となるように、第1及び第2センサ素子4,5とそれぞれ並列に接続された第1及び第2ダイオード61,62を含む。第1及び第2センサ素子4,5は、互いに直列に接続され、共通のバンプ3を介して画素取得部20と接続されている。   The selection circuit 6 includes first and second diodes 61 and 62 connected in parallel with the first and second sensor elements 4 and 5, respectively, so that the polar directions are opposite to each other. The first and second sensor elements 4 and 5 are connected in series with each other, and are connected to the pixel acquisition unit 20 via a common bump 3.

より具体的には、第1センサ素子4は、一方の電極がバンプ3の一端に接続され、他方の電極が第2センサ素子5の電極の一方と接続されている。また、第2センサ素子5は、他方の電極が共通電極Qに接続されている。第1及び第2ダイオード61,62は、アノード電極同士が接続され、互いの極性が反対となっている。共通電極Qには、第1及び第2センサ素子4,5から、画素データの読み出し対象を決定するための制御電圧Vcが印加される。なお、共通電極Qは、外部端子としてもよい。   More specifically, the first sensor element 4 has one electrode connected to one end of the bump 3 and the other electrode connected to one of the electrodes of the second sensor element 5. The second sensor element 5 has the other electrode connected to the common electrode Q. The first and second diodes 61 and 62 have anode electrodes connected to each other and have opposite polarities. A control voltage Vc for determining a pixel data read target is applied to the common electrode Q from the first and second sensor elements 4 and 5. The common electrode Q may be an external terminal.

また、画素取得部20は、駆動トランジスタ201と、リセットトランジスタ202と、蓄積キャパシタ203と、オペアンプ204と、電圧源205と、一対のサンプリングトランジスタ206,207と、保持キャパシタ208とを含む。駆動トランジスタ201は、一対の端子が、バンプ3の他端、及びオペアンプ204の反転入力端子(−)にそれぞれ接続されている。駆動トランジスタ201は、制御端子に入力される駆動信号INTによりオンオフ制御される。   The pixel acquisition unit 20 includes a drive transistor 201, a reset transistor 202, a storage capacitor 203, an operational amplifier 204, a voltage source 205, a pair of sampling transistors 206 and 207, and a holding capacitor 208. The drive transistor 201 has a pair of terminals connected to the other end of the bump 3 and the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 204. The drive transistor 201 is on / off controlled by a drive signal INT input to a control terminal.

蓄積キャパシタ203、オペアンプ204、及び電圧源205は、積分回路を構成する。蓄積キャパシタ203は、一端子がオペアンプ204の反転入力端子(−)に接続され、他端子がオペアンプ204の出力端子に接続されている。オペアンプ204の非反転入力端子(+)は、電圧源205から基準電圧Vrefが与えられている。また、リセットトランジスタ202の一対の端子は、オペアンプ204の反転入力端子(−)、及び出力端子とそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ202は、制御端子に入力されるリセット信号RSTによりオンオフ制御される。   The storage capacitor 203, the operational amplifier 204, and the voltage source 205 constitute an integration circuit. The storage capacitor 203 has one terminal connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 204 and the other terminal connected to the output terminal of the operational amplifier 204. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 204 is supplied with the reference voltage Vref from the voltage source 205. The pair of terminals of the reset transistor 202 are connected to the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier 204, respectively. The reset transistor 202 is ON / OFF controlled by a reset signal RST input to the control terminal.

オペアンプ204の出力端子は、一対のサンプリングトランジスタ206,207の一方の端子と接続されている。一方のサンプリングトランジスタ207は、両端子が互いに接続されている。一対のサンプリングトランジスタ206,207は、各制御端子に入力されるサンプルホールド信号SH,SHBにより、両方ともオン状態、または両方ともオフ状態となるように制御される。また、保持キャパシタ208は、一端が、一対のサンプリングトランジスタ206,207の他方の端子、及び、上述した出力トランジスタ21のゲート電極と接続され、他端が接地されている。   The output terminal of the operational amplifier 204 is connected to one terminal of the pair of sampling transistors 206 and 207. One terminal of the sampling transistor 207 is connected to each other. The pair of sampling transistors 206 and 207 are controlled so that both are turned on or both are turned off by the sample hold signals SH and SHB inputted to the respective control terminals. The holding capacitor 208 has one end connected to the other terminal of the pair of sampling transistors 206 and 207 and the gate electrode of the output transistor 21 described above, and the other end grounded.

上述した構成によると、駆動トランジスタ201の制御端子に駆動信号INTが入力されたとき、駆動トランジスタ201がオン状態となり、導通する。このとき、オペアンプ204の反転入力端子(−)の電位は、非反転入力端子(+)に与えられた基準電位Vrefとなるように制御されるから、バンプ3の電位も基準電位Vrefとなる。   According to the configuration described above, when the drive signal INT is input to the control terminal of the drive transistor 201, the drive transistor 201 is turned on and becomes conductive. At this time, since the potential of the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 204 is controlled to be the reference potential Vref given to the non-inverting input terminal (+), the potential of the bump 3 also becomes the reference potential Vref.

ここで、共通電極Qの電位Vcが基準電位Vrefより高い場合、第1及び第2ダイオード61,62はそれぞれオン状態及びオフ状態となるから、第1センサ素子4の端子間が短絡され、第2センサ素子5にはバイアス電圧Vc−Vrefが印加される。このため、第2センサ素子5の画素データのみが画素取得部20に出力される。   Here, when the potential Vc of the common electrode Q is higher than the reference potential Vref, the first and second diodes 61 and 62 are turned on and off, respectively, so that the terminals of the first sensor element 4 are short-circuited. A bias voltage Vc−Vref is applied to the two-sensor element 5. For this reason, only pixel data of the second sensor element 5 is output to the pixel acquisition unit 20.

一方、共通電極Qの電位Vcが基準電位Vrefより低い場合、第1及び第2ダイオード61,62はそれぞれオフ状態及びオン状態となるから、第2センサ素子5の端子間が短絡され、第1センサ素子4にはバイアス電圧Vref−Vcが印加される。このため、第1センサ素子4の画素データのみが画素取得部20に出力される。   On the other hand, when the potential Vc of the common electrode Q is lower than the reference potential Vref, the first and second diodes 61 and 62 are in an off state and an on state, respectively, so that the terminals of the second sensor element 5 are short-circuited. A bias voltage Vref−Vc is applied to the sensor element 4. Therefore, only the pixel data of the first sensor element 4 is output to the pixel acquisition unit 20.

このように、共通電極Qの電位Vcが、基準電位Vrefより高い値、または、基準電位Vrefより低い値となるように制御を行うことによって、第1センサ素子4、または第2センサ素子5の画素データが選択的に出力される。出力された画素データは、電荷量として蓄積キャパシタ203に蓄積される。蓄積キャパシタ203は、リセットトランジスタ202の制御端子にリセット信号RSTが入力されたとき、両端が短絡されるため、電荷量がゼロとなる。   In this way, by controlling so that the potential Vc of the common electrode Q is higher than the reference potential Vref or lower than the reference potential Vref, the first sensor element 4 or the second sensor element 5 is controlled. Pixel data is selectively output. The output pixel data is stored in the storage capacitor 203 as a charge amount. Since the storage capacitor 203 is short-circuited at both ends when the reset signal RST is input to the control terminal of the reset transistor 202, the charge amount becomes zero.

蓄積キャパシタ203に蓄積された画素データは、サンプリングトランジスタ207の制御端子にサンプルホールド信号SHが入力されたとき、保持キャパシタ208に転送され、保持される。保持キャパシタ208に保持された画素データは、上述した垂直走査部27、及び水平走査部28により当該画像取得部20が選択されたとき、出力トランジスタ21を介して、画素信号として出力端子Pに出力される。図8は、このときの画素取得部の動作を示すタイムチャートである。   The pixel data stored in the storage capacitor 203 is transferred to the holding capacitor 208 and held when the sample hold signal SH is input to the control terminal of the sampling transistor 207. The pixel data held in the holding capacitor 208 is output to the output terminal P as a pixel signal via the output transistor 21 when the image acquisition unit 20 is selected by the vertical scanning unit 27 and the horizontal scanning unit 28 described above. Is done. FIG. 8 is a time chart showing the operation of the pixel acquisition unit at this time.

制御電圧Vcは、期間T1において基準電圧Vrefより高く、期間T2において基準電圧Vrefより低くなるように制御される。なお、この制御は、例えば外部の発振回路により行われる。   The control voltage Vc is controlled to be higher than the reference voltage Vref in the period T1 and lower than the reference voltage Vref in the period T2. This control is performed by, for example, an external oscillation circuit.

期間T1,T2の各々において、駆動信号INT、及びリセット信号RSTが入力されると、駆動トランジスタ201が導通するとともに、蓄積キャパシタ203の電荷量がゼロとなる。リセット解除後、蓄積キャパシタ203は、画素データとして、期間T1においては第2センサ素子5により電荷が蓄積され、期間T2においては第1センサ素子4により電荷が蓄積される。ここで、駆動信号INTの入力時間ts1,ts2は、積分回路の積分時間となる。   In each of the periods T1 and T2, when the drive signal INT and the reset signal RST are input, the drive transistor 201 becomes conductive and the charge amount of the storage capacitor 203 becomes zero. After the reset is released, the storage capacitor 203 stores, as pixel data, charges by the second sensor element 5 in the period T1, and charges by the first sensor element 4 in the period T2. Here, the input times ts1 and ts2 of the drive signal INT are integration times of the integration circuit.

期間T1,T2の各々の経過後、サンプルホールド信号SHが入力されることにより、蓄積キャパシタ203に蓄積された画素データは、保持キャパシタ208に転送され、保持される。なお、保持キャパシタ208に保持された第2センサ素子5の画素データは、期間T2の積分時間ts2中に、出力トランジスタ21を介し、画素信号として出力される。このように、第1及び第2センサ素子4,5は、駆動信号INTに従って、時分割により交互に画素データを出力する。   After each of the periods T1 and T2, the sample and hold signal SH is input, whereby the pixel data stored in the storage capacitor 203 is transferred to the storage capacitor 208 and stored. Note that the pixel data of the second sensor element 5 held in the holding capacitor 208 is output as a pixel signal via the output transistor 21 during the integration time ts2 of the period T2. As described above, the first and second sensor elements 4 and 5 alternately output pixel data by time division in accordance with the drive signal INT.

第1及び第2センサ素子4,5、及び第1及び第2ダイオード61,62は、図9に例示される積層体10から容易に形成される。積層体10は、共通電極層70、画素分離層71、下部電極層72、第1ショットキー接合層73、第1中間電極層74、吸収層75、第2中間電極層76、第2ショットキー接合層77、及び上部電極層78が、この順に積層されて形成される。   The first and second sensor elements 4 and 5 and the first and second diodes 61 and 62 are easily formed from the stacked body 10 illustrated in FIG. The stacked body 10 includes a common electrode layer 70, a pixel separation layer 71, a lower electrode layer 72, a first Schottky junction layer 73, a first intermediate electrode layer 74, an absorption layer 75, a second intermediate electrode layer 76, and a second Schottky. The bonding layer 77 and the upper electrode layer 78 are formed by being stacked in this order.

各層70〜78の構成を述べると、共通電極層70は、n型不純物の濃度が1.0×1018(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。画素分離層71は、厚さが約100(nm)であり、n型不純物の濃度が5.1×1016(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。下部電極層72は、n型不純物の濃度が1.0×1018(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。 The structure of each layer 70 to 78 will be described. The common electrode layer 70 is formed of a GaAs semiconductor having an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 (cm −3 ). The pixel isolation layer 71 is formed of a GaAs semiconductor having a thickness of about 100 (nm) and an n-type impurity concentration of 5.1 × 10 16 (cm −3 ). The lower electrode layer 72 is formed of a GaAs semiconductor having an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 (cm −3 ).

第1及び第2ショットキー接合層73,77は、それぞれ、厚さが約100(nm)であり、n型不純物の濃度が5.1×1016(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。第1及び第2中間電極層74,76は、それぞれ、厚さが約400(nm)であり、n型不純物の濃度が1.0×1018(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。上部電極層78は、n型不純物の濃度が1.0×1018(cm−3)であるGaAs半導体により形成されている。吸収層75は、例えば、AlGaAs半導体により形成された複数の障壁層と、n型不純物が添加されたGaAs半導体により形成された複数の井戸層とが交互に積層されたものである。なお、上述した比較例におけるセンサ素子9は、上記の吸収層75、及び中間電極層74,76の積層体により形成される。 The first and second Schottky junction layers 73 and 77 are each formed of a GaAs semiconductor having a thickness of about 100 (nm) and an n-type impurity concentration of 5.1 × 10 16 (cm −3 ). Has been. The first and second intermediate electrode layers 74 and 76 are each formed of a GaAs semiconductor having a thickness of about 400 (nm) and an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 (cm −3 ). ing. The upper electrode layer 78 is formed of a GaAs semiconductor having an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 (cm −3 ). For example, the absorption layer 75 is formed by alternately laminating a plurality of barrier layers formed of an AlGaAs semiconductor and a plurality of well layers formed of a GaAs semiconductor to which an n-type impurity is added. In addition, the sensor element 9 in the comparative example described above is formed by a stacked body of the absorption layer 75 and the intermediate electrode layers 74 and 76 described above.

各層70〜78は、例えば、エピタキシャル成長法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ、及び蒸着などの薄膜形成技術、印刷、めっき又はそれらの組み合わせによって形成されるが、形成手法は限定されない。この積層体10を、例えば、イオンミリングなどのドライエッチング手法を用いてエッチングし、さらに他の薄膜形成処理を行うことにより、センサ素子4,5、及び選択回路6が得られる。   Each of the layers 70 to 78 is formed by, for example, an epitaxial growth method, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a thin film forming technique such as sputtering and vapor deposition, printing, plating, or a combination thereof, but the forming method is not limited. The stacked body 10 is etched using, for example, a dry etching technique such as ion milling, and further thin film forming processing is performed, whereby the sensor elements 4 and 5 and the selection circuit 6 are obtained.

図10は、センサ素子4,5、及び選択回路6の積層構造の一例を示す断面図である。図10に示された2つの積層体に含まれる各層70a〜78a、70b〜78bは、上述した各層70〜78からそれぞれ得られる。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a laminated structure of the sensor elements 4 and 5 and the selection circuit 6. The layers 70a to 78a and 70b to 78b included in the two laminates illustrated in FIG. 10 are obtained from the layers 70 to 78 described above, respectively.

第2センサ素子5は、第1及び第2中間電極層74a,76a、及び吸収層75aにより形成され、第1センサ素子4は、第1及び第2中間電極層74b,76b、及び吸収層75bにより形成される。また、共通電極Pは、共通電極層70aにより形成されている。赤外線の入射時、吸収層75a,75bにおいて、量子井戸内における光吸収により電子が基底準位から励起準位に励起される。そして、電子は、第1及び第2中間電極層74a,76a,74b,76bの間にバイアス電圧が印加された時、量子井戸外へと取り出され、画素データとなる光電流が発生する。なお、画素分離層71a,71bは、共通電極層70a,70bとセンサ素子5,4とを、それぞれ電気的に分離する。   The second sensor element 5 is formed of first and second intermediate electrode layers 74a and 76a and an absorption layer 75a, and the first sensor element 4 includes first and second intermediate electrode layers 74b and 76b and an absorption layer 75b. It is formed by. The common electrode P is formed by the common electrode layer 70a. When infrared rays are incident, electrons are excited from the ground level to the excited level in the absorption layers 75a and 75b by light absorption in the quantum well. Then, when a bias voltage is applied between the first and second intermediate electrode layers 74a, 76a, 74b, and 76b, electrons are taken out of the quantum well, and a photocurrent that becomes pixel data is generated. The pixel separation layers 71a and 71b electrically separate the common electrode layers 70a and 70b from the sensor elements 5 and 4, respectively.

共通電極層70aの一端の露出面には、第1オーミック電極80が形成されている。第1オーミック電極80は、積層方向に延びる配線81を介して、第2ショットキー接合層77aの一端の露出面に形成された第1ショットキー電極82と接続されている。第1ショットキー電極82、及び第2ショットキー接合層77aは、ショットキー接合を形成することによって第2ダイオード62として機能する。   A first ohmic electrode 80 is formed on the exposed surface of one end of the common electrode layer 70a. The first ohmic electrode 80 is connected to the first Schottky electrode 82 formed on the exposed surface at one end of the second Schottky junction layer 77a through the wiring 81 extending in the stacking direction. The first Schottky electrode 82 and the second Schottky junction layer 77a function as the second diode 62 by forming a Schottky junction.

また、上部電極層78aの一端の上面には、第2オーミック電極83が形成されている。第2オーミック電極83は、積層方向に延びる配線84を介して、下部電極層72bの一端の露出面に形成された第3オーミック電極85と接続されている。この構成により、第1及び第2センサ素子4,5は、互いに直列接続されている。   A second ohmic electrode 83 is formed on the upper surface of one end of the upper electrode layer 78a. The second ohmic electrode 83 is connected to a third ohmic electrode 85 formed on the exposed surface at one end of the lower electrode layer 72b via a wiring 84 extending in the stacking direction. With this configuration, the first and second sensor elements 4 and 5 are connected in series with each other.

また、他方の上部電極層78bの上面には、バンプ3が形成されている。さらに、上部電極層78bの一端の上面には、第4オーミック電極86が形成されている。第4オーミック電極86は、積層方向に延びる配線87を介して、第1ショットキー接合層73bの一端の露出面に形成された第2ショットキー電極88と接続されている。第2ショットキー電極88、及び第1ショットキー接合層73bは、ショットキー接合を形成することによって第1ダイオード61として機能する。   Bumps 3 are formed on the upper surface of the other upper electrode layer 78b. Further, a fourth ohmic electrode 86 is formed on the upper surface of one end of the upper electrode layer 78b. The fourth ohmic electrode 86 is connected to a second Schottky electrode 88 formed on the exposed surface of one end of the first Schottky junction layer 73b through a wiring 87 extending in the stacking direction. The second Schottky electrode 88 and the first Schottky junction layer 73b function as the first diode 61 by forming a Schottky junction.

このように、第1及び第2ダイオード61,62をセンサ素子4,5と並列接続されるように形成することによって、各ダイオード61,62に順方向のバイアス電圧が印加されたとき、センサ素子4,5の端子間を短絡することができる。なお、第1及び第2ダイオード61,62は、これに限定されず、他の形態により構成されてもよい。   Thus, by forming the first and second diodes 61 and 62 so as to be connected in parallel with the sensor elements 4 and 5, when a forward bias voltage is applied to each of the diodes 61 and 62, the sensor element It is possible to short-circuit between the terminals 4 and 5. In addition, the 1st and 2nd diodes 61 and 62 are not limited to this, You may be comprised by another form.

これまで述べたように、本実施例に係る赤外線撮像デバイスは、センサ基板に形成された複数のセンサ素子4,5が、2つずつ、共通のバンプ3を介して読出回路に接続されている。このため、本実施例に係る赤外線撮像デバイスは、デバイスの表面積が一定であっても、バンプ3同士の間隔を狭めることなく、センサ素子4,5を増加させることができる。   As described above, in the infrared imaging device according to the present embodiment, a plurality of sensor elements 4 and 5 formed on the sensor substrate are connected to the readout circuit via the common bump 3 two by two. . For this reason, the infrared imaging device according to the present embodiment can increase the sensor elements 4 and 5 without reducing the interval between the bumps 3 even if the surface area of the device is constant.

また、選択回路6は、共通のバンプ3を介して接続されたセンサ素子4,5から、読出回路による画素データの読み出し対象を選択する。これにより、2つのセンサ素子4,5の各画素データが、単一のバンプ3を介して選択的に読み出される。したがって、本実施例に係る赤外線撮像デバイスによると、効果的な高解像度化が可能である。   The selection circuit 6 selects a pixel data read target by the reading circuit from the sensor elements 4 and 5 connected via the common bump 3. Thereby, each pixel data of the two sensor elements 4 and 5 is selectively read out through the single bump 3. Therefore, the infrared imaging device according to the present embodiment can effectively increase the resolution.

上述した実施例において、各バンプ3は、2つのセンサ素子4,5により共用されているが、これに限定されない。例えば、3つのセンサ素子が、それぞれ、トランジスタなどのスイッチ素子と個別に接続され、該スイッチ素子をオンオフ制御することによって、各センサ素子の画素データが、共通のバンプ3を介して選択的に出力されてもよい。   In the above-described embodiment, each bump 3 is shared by the two sensor elements 4 and 5, but is not limited to this. For example, three sensor elements are individually connected to a switch element such as a transistor, and pixel data of each sensor element is selectively output via a common bump 3 by performing on / off control of the switch element. May be.

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。   Although the contents of the present invention have been specifically described above with reference to the preferred embodiments, it is obvious that those skilled in the art can take various modifications based on the basic technical idea and teachings of the present invention. It is.

1 センサ基板
2 回路基板
20 画素取得部
3 バンプ
4,5,9 センサ素子
6 選択回路
61,62 ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor board 2 Circuit board 20 Pixel acquisition part 3 Bump 4, 5, 9 Sensor element 6 Selection circuit 61, 62 Diode

Claims (2)

複数のセンサ素子が配列されたセンサ基板と、
前記複数のセンサ素子から画素データを読み出す読出回路を含む回路基板と、
前記センサ基板、及び前記回路基板の間に設けられた複数のバンプとを有し、
前記複数のセンサ素子は、2つずつ直列に接続され、
該直列に接続された2つのセンサ素子は、前記複数のバンプのうち、共通のバンプを介して前記読出回路に接続されており、
前記センサ基板は、前記2つのセンサ素子から、前記読出回路による前記画素データの読み出し対象を選択する選択回路が設けられ
前記選択回路は、極性の方向が互いに反対となるように、前記2つのセンサ素子とそれぞれ並列に接続された2つのダイオードを含むことを特徴とする撮像装置。
A sensor substrate on which a plurality of sensor elements are arranged;
A circuit board including a readout circuit for reading out pixel data from the plurality of sensor elements;
A plurality of bumps provided between the sensor substrate and the circuit substrate;
The plurality of sensor elements are connected in series two by two,
The two sensor elements connected in series are connected to the readout circuit via a common bump among the plurality of bumps,
The sensor substrate is provided with a selection circuit for selecting a readout target of the pixel data by the readout circuit from the two sensor elements ,
2. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the selection circuit includes two diodes connected in parallel to the two sensor elements so that polar directions are opposite to each other .
前記2つのセンサ素子は、互いに隣接することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the two sensor elements are adjacent to each other.
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