JP2012160691A - 受光装置、光学装置および受光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長が０．７μｍから３μｍ程度までの近赤外〜赤外域に、高感度で、高品位の受光信号を得ることができる受光装置等を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ基板１の裏面において、画素に対応する領域ごとに位置するマイクロレンズ２１を備え、マイクロレンズが、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率のレンジが２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上である樹脂材料で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光装置、光学装置および受光装置の製造方法に関し、より具体的には、波長が少なくとも１〜２．５μｍの近赤外〜赤外域に高い感度を有する受光装置、光学装置および受光装置の製造方法に関するものである。

高密度で受光素子が二次元アレイ化されたイメージセンサでは、光の利用効率を高めるために、すなわち受光感度を高めるために、受光素子ごとにマイクロレンズを配列する構造が用いられる。たとえばＩｎＰ基板上に形成された受光素子において、ＩｎＰ基板裏面をレンズ形状に加工してモノリシックレンズとする方法の提案がなされている（特許文献１）。また、薄板状のシリコン、ゲルマニウムまたはサファイアを加工してマイクロアレイレンズを形成した後、このマイクロアレイレンズを、受光素子アレイ（センサ）に貼り合わせる方法が開示されている（特許文献２）。さらにセンサ上にレンズの下地となる樹脂層を形成し、その上に樹脂製マイクロレンズを、その表面に微細な凹凸が生じるように形成することで反射を抑制して集光効率を高める方法の提案もなされている（特許文献３）。

特開平７−３００８２号公報 特開平１０−２０９４１４号公報 特開２００９−１１６０５６号公報

しかしながら、上記のＩｎＰ基板にモノリシックにマイクロレンズを形成する場合、均一にレンズ形状を得ることが難しい。とくにＩｎＰは、加工が難しい上に屈折率が３．４と高いので、高い加工精度で加工しないと受光部の集光度を高めることが難しい。また、シリコンなどの上にマイクロレンズアレイを形成した場合、受光素子アレイに精度よく位置合わせして貼り合わせることが難しく、製造歩留まりが低下する。
また樹脂層を下地としたマイクロレンズアレイでは、樹脂による光吸収が生じて所定域の受光感度を劣化させる。

本発明は、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍの近赤外〜赤外域に、高感度で、高品位の受光信号を得ることができる受光装置、光学装置および受光装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の受光装置は、ＩｎＰ基板に形成された複数の画素を備える。この受光装置では、ＩｎＰ基板の裏面において、画素に対応する領域ごとに位置するマイクロレンズを備え、マイクロレンズが、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率の変動幅が２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上である樹脂材料で形成されていることを特徴とする。

ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、近赤外域または近赤外〜赤外域に対応するバンドギャップを持ち、近赤外域または近赤外〜赤外域の光を受光するために用いられる。受光部は画素よりも小さく画素内部の所定範囲に形成される。これは各画素が独立して機能して、画素間でクロストークなどが生じないために必要である。平面的に見て受光部は画素から距離をあけて小さい範囲に形成されるので、ＩｎＰ基板の裏面に到達した光は、すべてが受光に寄与するわけではない。このため、ＩｎＰ基板に到達する光の利用率をさらに高めることが可能である。
上記構成によれば、画素に対応する領域ごとにマイクロレンズ（集光レンズ）が配置される。集光レンズは、平行光線またはほぼ平行な光線を、焦点付近に集めることができる。このため、ＩｎＰ基板裏面に到達した光の多くまたはほとんどを、受光部に集光することができ、光の利用効率を高めることができる。
そして、マイクロレンズを、波長０．７μｍ〜３μｍに対する透過率の変動幅が２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上である樹脂材料で形成するので、樹脂材料における加工容易性を得ながら、波長０．７μｍ〜３μｍで信頼性の高いマイクロレンズを得ることができる。このため、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍの光を高い感度で受光することができ、マイクロレンズを形成する材料によるかく乱のない、高品位の画像、または高品位の受光信号を得ることができる。
上記の複数の画素は、一次元に配列されていてもよいし、二次元に配列されていてもよい。二次元配列の場合、ＲＯＩＣ（読み出し回路Read Out IC）の読み出し電極と画素電極との接続のために、基板裏面入射は必然となる。一次元の場合は、基板裏面入射でも、基板と反対側のエピタキシャル層表面入射でもよいが、やはりＲＯＩＣの読み出し電極とのバンプ接続の簡便さを考慮すると一次元の場合でも、基板裏面入射のほうがよく、本発明では、一次元配列の場合でも、基板裏面入射を想定している。
なお、複数の画素ごとにマイクロレンズを設けたものはシート状であり、マイクロレンズアレイ、マイクロレンズシートなどと呼ばれる。

樹脂材料が、ＣＨ結合を実質的に含まないようにするのがよい。
これは、ＣＨ結合を含む樹脂は、波長０．７μｍ〜３μｍの波長域に大きな吸収帯を持つ。このため、ＣＨ結合を持つ樹脂材料でマイクロレンズを形成すると、受光信号よりも大きな、上記吸収帯による変調を受ける。この結果、受光信号の信頼性が低下する。ＣＨ結合を実質的に含まない樹脂材料を用いて当該マイクロレンズを形成することで、感度を向上させた上で、信頼性の高い高品位の受光信号を得ることができる。

上記目的を達成するのにはフッ素系樹脂を選択するのがよく、中でもCH結合を有しない透明な脂環式のフッ素樹脂を主成分とする非晶性フッ素樹脂を選択するのが好ましい。具体的には、下記の化学式（１）で表される材料が前記非晶性フッ素樹脂に該当し、旭硝子製サイトップ、ルミフロン（商品名）を挙げることができる。これらのフッ素樹脂を用いた場合、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率の変動幅が２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上となる。このため、受光装置の感度を高めた上で、高品質の受光信号を得ることができる。

ＩｎＰ基板の裏面とマイクロレンズとの間にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜がコートされているのがよい。
これによって、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜による反射防止作用を得て受光感度を向上させることができる。同時に、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂等の樹脂との接着性（固着性）が良好であるため、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを確実に固定することができる。

ＩｎＰ基板の裏面とマイクロレンズとの間にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜がコートされており、（ｉ）そのＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の表層に当該ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の接着力を増強する処理剤が付されているか、または（ｉｉ）マイクロレンズを構成する樹脂材料に接着力を増強する処理剤が含まれており、その処理剤を介在させてマイクロレンズがＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜固定されている構成をとることができる。
SｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂との接着性に問題が有る場合、上記の接着力を増強する処理剤を用いる。たとえば、フッ素樹脂中に微量の添加剤を配合する。あるいは、当該ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜に当該添加剤（接着増強剤）を含むある種の溶剤を塗布後に高温に放置して前溶剤を揮発させることで、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜との接着力の更なる向上をはかることができる。ここで、微量の処理剤として最適な材料としては、アミン系シランカップリング剤（信越化学製KBM９０３）やメルカブト系シランカップリング剤（信越化学製KBM８０３）、メタクリル系シランカップリング剤（KBM５０３）、等のCH結合含量の比較的少ないシラン処理剤を例示できる。そして、シラン処理剤の使用量としては、SｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂との接着性と、ＣＨ結合の増加に伴う０．７μｍ〜３μｍの波長域における透過率低下の観点から、非晶性フッ素樹脂１００重量部に対して、概ね１重量部以下とするのが好ましい。

ＩｎＰ基板の裏面に接着力を増強するための処理剤の下地処理層が形成され、その下地処理層を介在させて、マイクロレンズがＩｎＰ基板の裏面に固定されている構成をとることもできる。この場合、ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜は用いずに、処理剤により接着力を増強する。

画素の境界に沿ってマイクロレンズを囲むように、該マイクロレンズの厚み以下の、深さの溝または高さの壁、が形成されるのがよい。
上記の構成によって、隣の画素のマイクロレンズとの接触を避けながら、画素一杯にマイクロレンズを設けることで光の利用効率を向上させることができる。この場合、マイクロレンズは、マイクロノズルによって液滴状の樹脂を滴出させて形成される。

ＩｎＰ基板上に受光層および窓層を備え、画素の中核を占める光を受光する受光部は、窓層から不純物を選択拡散されて受光層に形成されたｐｎ接合を含み、該受光部は隣の受光部と選択拡散されていない領域で隔てられており、画素は、受光部を中心として選択拡散されていない領域で囲まれており、マイクロレンズは、受光部に中心を合わせ選択拡散されていない領域を覆うのがよい。
なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈するのがよい。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものとできる。すなわち、上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度がバックグランド程度に低い場合も含むものとするのがよい。
上記の構成によって、選択拡散による不純物フロントであるｐｎ接合を主要部とする受光部は、隣の受光部と比較的大きな間隔をあけて位置する。このため、選択拡散されない領域である上記間隔に進行してきた光は、受光されずに通り過ぎる場合が多い。上記のマイクロレンズを配置されることで、選択拡散による受光部の形成を行っても、高い感度を得ることができる。

受光部の径と、選択拡散されていない領域の最小幅とが、ほぼ同じであり、マイクロレンズは画素を占めるように該画素の区画に内接するように形成されるのがよい。
これによって、受光される可能性のない光の照射領域をほとんど無くすことができ、感度を向上させることができる。

受光層は、ＩｎＰに±０．５％の範囲内で格子整合する異なる二つのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の、タイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）によって構成されることができる。
近赤外域の長波長に受光感度を持たせるために、タイプ２のＭＱＷを利用すると、異なる二つのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の層の界面で受光が生じる。このため、感度を確保するために層界面またはペア数を数十〜数百、形成するのが普通であるが、それでも感度が不足する。このようなタイプ２のＭＱＷの受光層をもつ場合、マイクロレンズを配置することで、近赤外域の長波長側まで受光域を拡大した上で、高い感度を得ることができる。

本発明の光学装置は、上記のいずれかの受光装置と、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read
Out IC）とを備えることを特徴とする。
これによって、高感度であって、かつ高信頼性の受光信号が得られる光学装置を提供することができる。光学装置は、上記の受光装置と読み出し回路とを含めばどのような装置であってもよい。

本発明の受光装置の製造方法は、ＩｎＰ基板に、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍに受光感度を有する受光素子を画素として該受光素子のアレイを形成する工程と、ＩｎＰ基板の裏面に画素ごとにフッ素樹脂を主成分とするマイクロレンズを設け、該ＩｎＰ基板全体にマイクロレンズアレイを形成する工程とを備え、マイクロレンズアレイの形成工程では、フッ素樹脂を溶媒に溶かして粘度を調整したフッ素樹脂含有剤を、マイクロノズルを用いて放出して前記画素の領域ごとにフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成し、次いで乾燥処理してフッ素樹脂による該マイクロレンズアレイを形成することを特徴とする。上記のフッ素樹脂含有剤は、非晶性フッ素樹脂と処理剤としてのシランカップリング剤（例えばアミノシランカップリング剤）を１００：０．１の比率で溶媒に溶かして粘度を調整したフッ素樹脂含有剤としてもよい。これを、マイクロノズルを用いて放出して画素の領域ごとにフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成し、次いで乾燥処理してフッ素樹脂による該マイクロレンズアレイを形成することができる。また、必要に応じて、前記フッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成する前に、前記ＩｎＰ基板に処理剤としてシランカップリング剤を噴霧した後、乾燥処理を行う工程を含めることもできる。
さらにＩｎＰ基板裏面にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜のコート膜を形成し、そのＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜の接着力により、フッ素樹脂によるマイクロレンズアレイとの固定をより安定化してもよい。
また、ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜を形成する際そのＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の接着力を増強する処理剤をそのＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の表層に付し、その後、前記マイクロレンズアレイを形成して、マイクロレンズアレイの接着力増強をはかってもよい。

上記の方法によれば、マイクロポッティングまたはインクジェットによってフッ素樹脂含有剤を滴状に放出して、乾燥処理を経てフッ素樹脂製のマイクロレンズアレイを、能率良く簡単に得ることができる。フッ素樹脂含有剤は、撥水性とできるので、下地との間に大きな接触角をもって滴状体または山状体を形成することができる。これによって、経済性に優れ、感度が高く、高品位の受光信号をもたらす受光装置を簡単に得ることができる。

マイクロレンズアレイの形成工程の前に、滴状または山状のフッ素樹脂含有剤が、隣の画素のフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体と接触して融合しないように、隣り合う画素の境界に溝または壁を設けるのがよい。
インクジェットまたはマイクロポッティング法では、上記のフッ素樹脂含有剤は、溶媒が９割前後を占めるので液体に近い。このため隣り合う画素の滴状体どうしが接触すると表面張力等の影響で融合してしまい、撥水性が損なわれてマイクロレンズの体をなさない形状となる。上記の溝または壁を画素の境界に設けることで、接触を防ぐことができ、個々の滴状体または山城体からマイクロレンズを形成することができる。
なお、前述のごとく、マイクロレンズが形成されるフッ素樹脂と、ＩｎＰ基板との接着性を向上させる手段として、前記フッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成する前にＩｎＰ基板に噴霧器を用いて、処理剤であるシランカップリング剤を２．３回噴霧し、当該基板を８５℃で２時間程乾燥処理させることもできる。この場合、マイクロレンズを形成する非晶質フッ素樹脂中には、処理剤としてのシランカップリング剤を予め配合させる必要もなくなり、かつ、本乾燥工程により、波長０．７μｍ〜３μｍの波長域の光透過性に悪影響を与える余分なＣＨ結合物質がマイクロレンズ等に存在することを抑制させることができる。

壁を設けるとき、ＩｎＰ基板の裏面に被覆層を形成し、次いで、被覆層の壁になる部分以外の部分をエッチングによって除去するのがよい。
これによって、たとえば被覆層をＳｉＮ膜、親水性のレジスト膜などとして、簡単にこれらの壁を形成して、滴状体の融合が生じることなく、画素ごとに一つのマイクロレンズを形成することができる。

本発明の別の受光装置の製造方法は、ＩｎＰ基板に、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍに受光感度を有する受光素子を画素として該受光素子のアレイを形成する工程と、ＩｎＰ基板の裏面に画素ごとにフッ素樹脂を主成分とするマイクロレンズを設け、該ＩｎＰ基板全体にマイクロレンズアレイを形成する工程とを備える。そしてマイクロレンズアレイの形成工程は、マイクロレンズアレイの雌型となる型を準備する工程と、フッ素樹脂を溶媒に溶かして粘度を調整したフッ素樹脂含有剤をＩｎＰ基板の裏面に塗布して塗布層を形成する工程と、適度に乾燥した塗布層に、画素と位置合わせしながら、型を押し当ててマイクロレンズとなる凸レンズが配列されたマイクロレンズアレイを形成する工程とを備えることを特徴とする。

上記の押し型を用いる方法によれば、能率よく簡単にマイクロレンズアレイを形成することができる。ＩｎＰ基板の裏面にフッ素樹脂含有剤を塗布する方法は、何でもよいが、たとえばスクリーン印刷法、スピンコート法などを用いるのがよい。
上記の押し型を用いてマイクロレンズアレイを形成する場合においても、マイクロノズルを用いる方法と同じように、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜のコート膜を介在させて、マイクロレンズアレイとＩｎＰ基板との接着の安定化を図ってもよい。また、上記コート膜の有無によらず、接着力を増強する処理剤を、（ＩｎＰ基板裏面に直接付す、フッ素樹脂含有剤に配合する、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜の表層に付す）のうちのいずれかの処理またはこれらを組み合わせた処理を行って、接着の増強を図ってもよい。

本発明の受光装置によれば、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍの近赤外〜赤外域に、高感度で、高品位の受光信号を得ることができる。

本発明の実施の形態１における受光装置および光学装置を示す図である。 図１の受光装置の一部分の平面図である。 フッ素樹脂の透過率と波長の関係を示し、（ａ）は波長２．０μｍ以上の範囲、（ｂ）は波長０．７μｍ〜２．０μｍの範囲、を示す図である。 図１の受光装置の変形例であって、本発明の、受光装置およびそれを組み込んだ光学装置を示す図である。 実施の形態１における受光装置の製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）は溝の形成方法、（ｂ）は壁の形成方法、を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における受光装置および光学装置を説明するための図である（型を押し当てる工程は、ＲＯＩＣと組み合わせる前に、受光装置単独で行う。）。 実施の形態２における受光装置の製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）は、本発明の実施の形態３における受光装置および光学装置、（ｂ）は（ａ）の受光装置内の受光層、を示す図である。 本発明の実施の形態４における受光装置および光学装置を示す図である。 本発明の実施の形態５の受光装置の部分拡大図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における、受光装置５０および光学装置１００を示す図である。受光装置５０には、複数の画素Ｐが形成されている。ＩｎＰ基板１には、受光層３／窓層５、を含むＩｎＰ系エピタキシャル層が形成されている。ｐ型領域６は、選択拡散マスクパターン１７の開口部から選択拡散された、たとえば亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物が導入され、受光層３内にまで延びている。選択拡散マスクパターン１７は保護膜を兼ねており、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）の選択拡散に用いられたあとそのまま残されている。画素Ｐは、図示しない共通のグランド電極と、ｐ型領域上にオーミック接触する画素電極１１との間に逆バイアス電圧を印加されて、ｐｎ接合１５から張り出す空乏層において対象とする近赤外光を受光する。このとき、電子正孔対が発生するが、これを、画素電極およびグランド電極で読み出して受光信号を得る。
受光信号を読み出す読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read Out IC）７０の読み出し電極７１と、受光装置５０の画素電極１１とは、対面した状態で、接続バンプ９，７９によって導電接続される。このようなＲＯＩＣを用いて受光装置の画素Ｐからの受光信号を読み出す場合、上述のように基板（裏面）入射となる。

本実施の形態における特徴は、次の２点である。
（１）ＩｎＰ基板１の裏面に集光レンズとなるマイクロレンズ２１が配置されている。このマイクロレンズ２１は凸レンズであり、フッ素樹脂で形成されている。このあとフッ素樹脂の波長０．７μｍ〜３μｍでの透過率を示すが、フッ素樹脂は、ＣＨ結合を含まないために、波長０．７μｍ〜３μｍに大きな吸収バンドを持たない。またフッ素樹脂の屈折率は１．３〜１．５程度である。このため、高精細な加工を行わなくても、凸レンズを画素Ｐの領域ごとに設けることで、平行光線またはほぼ平行光線を、焦点面付近に位置する受光部またはｐｎ接合１５の付近に光を集めることができる。マイクロレンズの表面の曲率は、焦点距離がある程度短くなっても（ｐｎ接合１５より上部でフォーカスしても）、当該上部でクロスしたあと拡大して受光部には集光されるので精度はそれほど必要としない。また、焦点距離がある程度長くなっても、光束は確実に受光部に集められる。
この結果、受光感度を高めることができる。上記のように、ｐｎ接合１５は、選択拡散されたｐ型領域６の先端部に形成され、ここから逆バイアス電圧で張り出す空乏層において受光が遂行される。このため、平面的にみて、ＩｎＰ基板１の裏面に照射された光のうち、多くの部分はｐｎ接合１５を通らずに通過してしまう（図２参照）。

図２は、図１に示す受光装置の一部の平面図である。ｐ型領域６および画素Ｐの二次元配列を示している。図１および図２において、たとえば、ｐ型領域６を形成するための選択拡散マスクパターン１７の開口径は１５μｍであり、画素ピッチは３０μｍである。ｐ型領域６の画素Ｐにおける平面占有率は、２０％程度である。換言すれば、平行光線またはほぼ平行な光線がＩｎＰ基板に到達したあと、反射する分はゼロとして、約２０％程度が受光する可能性を持つにすぎない。
一般に、選択拡散によるｐ型領域６または画素Ｐの形成は、隣り合う画素Ｐ間でクロストークなどの干渉が生じないように、十分な間隔をとる必要がある。また、選択拡散では、深さ方向だけでなく、開口部から導入された不純物が、わずかであるが横方向に拡散することも考慮する必要がある。このため、平面的にみて、ｐ型領域６の直径と同程度の間隔（ｐ型領域６の間の選択拡散されていない領域の最小幅）をあけているのが実情である。この結果、図２に示すように、ｐ型領域６は、２０％程度の平面占有率となる。ただ、画素Ｐの他の画素からの独立性を保つための他の方法、たとえば画素の境界に、メサエッチングによって深い溝を入れる方法に比べて、結晶が損傷を受けにくく、暗電流を低くできる利点を有する。

図２に示すように、感度を上げるためマイクロレンズ２１を画素に内接するように一杯に形成すると、上記の受光に寄与する可能性のある光は、７８％程度に大きく向上する。図１に示すように、凸レンズは、その凸レンズに照射された平行光線またはほぼ平行光線を、焦点面付近に位置する受光部またはｐｎ接合１５の付近に集めることができる。物体等の表面から反射されて受光装置５０に到達する光は、ほとんど平行であり、凸レンズまたはマイクロレンズ２１の作用により焦点面付近に集光される。

図３は、フッ素樹脂の透過率を示す図である。フッ素樹脂は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、０．７μｍ〜２．０μｍ、２．０μｍ〜３．５μｍの波長域で、９５％、９３％の透過率を示す。その上、透過率の変動がなく、波長に対してほとんどフラットである。
ＣＨ結合を含む樹脂の場合、波長に対する変動が大きい。すなわちＣＨ結合を含む樹脂は、波長１μｍ〜２．５μｍという肝心要の重要な波長域に吸収帯を持つ。また、酸化ケイ素などは、やはり肝心な波長１μｍ〜３μｍに非常に大きな吸収帯を、複数、持つ。このためＣＨ結合を含む樹脂や酸化ケイ素によるマイクロレンズを設けて、受光に寄与する可能性のある光量を増やして感度を上げることができたとしても、マイクロレンズの透過率の変動が、集光によって強調されて受光信号に含まれてしまう。このため受光信号の信頼性を損なうことになる。
本実施の形態のように、フッ素樹脂製のマイクロレンズ２１を用いることで、受光に寄与する可能性のある光量を増やして感度を上げた上で、高い信頼性の受光信号を得ることができる。

（２）もう一つの点は、画素の境界に溝２２を設けていることである。マイクロレンズ２１は、できるだけ大きい面積とするために、画素Ｐの正方形内に内接するように設ける場合、次の問題を生じる。マイクロポッティングまたはインクジェットによって、液体に近い粘度のフッ素樹脂含有剤の滴状体を画素ごとに配置するとき、目一杯大きくすると相互に接触しやすくなる（製造方法については、このあと説明する）。乾燥前に接触が生じると表面張力等の影響で、その二つの滴状体は融合して、下地との接触角が小さくなり滴状を維持しなくなり、下地に濡れるような形態をとる。この結果、レンズの体をなさなくなる。このため、図１および図２に示すように、画素Ｐ間に溝２２を設けて、溝によって滴状体の越境を防止することができる。

上記の溝２２は、壁であってもよい。図４は、図１に示す溝２２を壁２３に置き換えた受光装置５０を示す図である。壁２３によっても、画素Ｐ内の滴状体の越境を防止することができる。
溝２２または壁２３の形状は、たとえば、次の寸法とすることができる。
＜溝＞：幅１μｍ、深さ１μｍ〜２μｍ
＜壁＞：幅１μｍ、高さ０．１１μｍ〜０．３μｍ

図５は、本発明の実施の形態の受光装置５０の製造方法を示すフローチャートである。まず、ＩｎＰ基板に受光素子アレイを形成する。次いで、図１または図４に示すように、溝２２とするか、または壁２３とするかに応じて、ＩｎＰ基板１の裏面に、溝２２または壁２３を形成する。
この間、マイクロレンズを形成するためのフッ素樹脂含有剤を調整しておく。フッ素樹脂としては、CH結合を有しない透明な脂環式のフッ素樹脂を主成分とする非晶性フッ素樹脂を選択するのが好ましい。具体的には、下記の化学式（１）で表される非晶性フッ素樹脂が好ましく、例えば旭硝子製サイトップ、ルミフロン（商品名）を挙げることができる。これらのフッ素樹脂を用いた場合、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率の変動幅が２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上となる。

希釈溶剤としては、エタノール、イソプロピルアルコール／酢酸イソブチル、水など溶媒となるものであれば何でもよい。マイクロノズルを用いて、インクジェットまたはマイクロポッティングによって滴状体を画素ごとに置く場合、たとえばフッ素樹脂ポリマーは５〜１５％、残りの溶媒等は９５％〜８５％程度とするのがよい。上述のように、滴状体または山状体の表面の曲率は、焦点距離がある程度短くなっても（ｐｎ接合１５より上部でフォーカスしても）、受光部には集光されるので精度はそれほど必要としない。また、焦点距離がある程度長くなっても、集光は確実にされて感度を向上させる。
マイクロノズルによって画素Ｐごとにフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成してゆく。すべての画素Ｐに滴状体を配置した後、乾燥処理に入る。乾燥処理では、７０℃〜２５０℃の範囲内の一定温度に保持した恒温槽に入れて、溶媒を除去する。数回に分けて、低温槽から高温槽へと段階的に昇温して行ってもよい。

図６（ａ）は溝２２の形成方法を、また図６（ｂ）は壁２３の形成方法を占めずフローチャートである。溝２２の場合は、画素Ｐの境界に沿ってダイシングをするか、またはエッチングによって溝を形成する。また、壁２３の場合は、ＩｎＰ基板１の裏面に、たとえばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によってＳｉＮ膜を形成する。厚みは壁２３の厚み、たとえば０．１１μｍ〜０．３μｍとするのがよい。このあと、エッチングによって、壁２３となる部分以外の領域を除去する。
上記の製造方法によれば、とくに大掛かりな装置を必要としないで、簡単かつ容易に、マイクロポッティング法またはインクジェット法によって、滴状体または山状体の画素からの越境を防止しながら、高い製造歩留まりで、感度を大きく向上させるマイクロレンズ２１の配列を得ることができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における受光装置５０および光学装置１００、並びにこれらの製造方法、を説明するための図である。本実施の形態においても、マイクロレンズ２１を備える受光装置５０と、読み出し回路（ＲＯＩＣ）７０とが組み合わされている点では、実施の形態１と同じである。本実施の形態では、マイクロレンズ２１が、マイクロレンズ２１の表面形状に対応する雌型である型３５を用いてインプリント法で形成される点で、実施の形態１と異なる。
ただし、図７では、光学装置１００に組み上げたあとマイクロレンズ２１を形成するように描いてあるが、これはあくまで説明の便宜上のことであって、実際は、型を押し当ててマイクロレンズを形成する工程は、読み出し回路と組み合わせる前に、受光装置５０単独について行う。この留意点を前提として、図７に要点を示すように、希釈された乾燥前で、塑性加工しやすい状態のフッ素樹脂含有層２１ａに対して、型３５の表面３５ｆを押し当てて、マイクロレンズ２１の配列を形成する。

図８にインプリント法によるマイクロレンズ配列を形成する手順を示す。インプリント法においては型３５の製作が重要である。この押し当て用の型３５は、微細な加工を行うため電子ビーム露光によるリソグラフィによって凹凸を付けて形成することができる。型３５の材料は、耐摩耗性が要求されることから石英などを用いるのがよい。
フッ素樹脂含有剤の層２１ａを形成するとき、粘度の調整は、マイクロポッティング法またはインクジェット法の場合よりも、固めにするのがよい。上記の方法で製作された型３５を押し当てることで、マイクロレンズ２１の配列を簡単に得ることができる。
マイクロポッティング法で形成されたマイクロレンズか、またはインプリント法で形成されたマイクロレンズかは、マイクロレンズを検鏡することで特定することができる。また、マイクロポッティング法では、溝２２または壁２３を伴う場合が多いので、これによっても識別することができる。

（実施の形態３）
図９（ａ）は、本発明の実施の形態３における受光装置５０および光学装置１００を示す図であり、図９（ｂ）は、画素に含まれる受光層３等の拡大図である。本実施の形態における受光層３は、ＧａＡｓＳｂ３ａとＩｎＧａＡｓ３ｂとをペアとするタイプ２の多重量子井戸構造ＭＱＷである。このタイプ２のＭＱＷでは、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移して、電子／正孔を生じることで、受光が起きる。ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差は、ＧａＡｓＳｂ（ＩｎＧａＡｓ）内の価電子帯と伝導帯とのエネルギ差よりも小さいので、エネルギの低い長波長の光を受光することができる。しかし、上記のように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移するため、多重量子井戸構造ＭＱＷの界面、すなわち図９（ｂ）に例示する界面Ｋにおいてのみ受光が生じる。このようにタイプ２のＭＱＷでは、バルク内で生じる遷移現象に比べて遷移が生じる場所が限られるため、たとえＭＱＷのペア数を多くしても、感度は小さくなる。

また、タイプ２のＭＱＷを受光層３とする受光素子では、良好な結晶性を保つために特有の構造を伴う。たとえば不純物濃度があまり高くなるとＭＱＷの結晶性が害されるため、選択拡散のための拡散濃度分布調整層４を配置して、この拡散濃度分布調整層４内で、ｐ型不純物濃度を急減させて、受光層３には、低い範囲に安定した濃度分布を入れるようにする。また、選択拡散による画素形成そのものも、タイプ２のＭＱＷの結晶性には好ましい。

タイプ２のＭＱＷによる受光層３を有し、受光感度を長波長側に拡大することはできるものの、本質的に感度が低い受光メカニズムによる。このような受光装置において、上述のマイクロレンズ２１は、大きな威力を発揮することができる。すなわち、本実施の形態の受光装置５０および光学装置１００は、近赤外域の長波長域に感度を拡大しながら、その受光メカニズムに起因する低い受光感度を補って、所定レベル以上の感度を確保することができる。また、マイクロレンズ２１は、フッ素樹脂製であるため、近赤外域およびその長波長域で、高品位の受光信号を得ることができる。

（実施の形態４）
図１０は、実施の形態４における受光装置５０および光学装置１００を示す図である。実施の形態１〜３では、マイクロレンズ２１は、ＩｎＰ基板１の裏面に、直接、接して配置される。しかし、本実施の形態では、マイクロレンズ２１とＩｎＰ基板１の裏面との間にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜２７が配置されている。これによって、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜２７による反射防止作用を得て受光感度を向上させることができる。同時に、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂等の樹脂との接着性（固着性）が良好であるため、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを確実に固定することができる。マイクロレンズは、実施の形態１〜３のいずれの方法で製作してもよい。また、図１０には、マイクロレンズ間の溝や壁はないが、その溝または壁をマイクロレンズ２１の間に配置してもよい。

所定の場合には、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂との接着性に問題が生じることがある。このような場合には、フッ素樹脂中に微量の添加剤を配合する。あるいは、当該ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜に当該添加剤を含むある種の溶剤を塗布後に高温に放置して前溶剤を揮発させることで、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜との接着力の更なる向上をはかることができる。ここで、微量の処理剤として最適な材料としては、アミン系シランカップリング剤（信越化学製KBM９０３）やメルカブト系シランカップリング剤（信越化学製KBM８０３）、メタクリル系シランカップリング剤（KBM５０３）、等のCH結合含量の比較的少ないシラン処理剤を例示できる。そして、シラン処理剤の使用量としては、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜とフッ素樹脂との接着性と、ＣＨ結合の増加に伴う０．７μｍ〜３μｍの波長域における透過率低下の観点から、非晶性フッ素樹脂１００重量部に対して、概ね１重量部以下とするのが好ましい。

（実施の形態５）
図１１は、実施の形態５における受光装置５０の部分拡大図である。実施の形態４では、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜をマイクロレンズ２１とＩｎＰ基板１との間に配置した。本実施の形態では、マイクロレンズが形成されるフッ素樹脂と、ＩｎＰ基板との接着性を向上させるために、ＩｎＰ基板１の裏面に下地処理層２９を形成する。すなわち、フッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成する前にＩｎＰ基板１の裏面に、噴霧器を用いて処理剤であるシランカップリング剤を２．３回噴霧し、当該基板を８５℃で２時間程乾燥処理させることで、下地処理層２９を形成する。このあとのマイクロレンズ２１は、実施の形態１〜４のいずれの方法で製造してもよい。これによって、マイクロレンズ２１は、ＩｎＰ基板１の裏面に強固に固着される。
この場合、マイクロレンズ２１を形成する非晶質フッ素樹脂中には、処理剤としてのシランカップリング剤を予め配合させる必要もなくなり、かつ、乾燥工程により、波長０．７μｍ〜３μｍの波長域の光透過性に悪影響を与える余分なＣＨ結合物質がマイクロレンズ等に存在するのを減らすことができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の受光装置等によれば、所定のマイクロレンズを配置することで、波長が０．７μｍから３μｍ程度までの近赤外〜赤外域に、高感度で、高品位の受光信号を得ることができる。また、これらのマイクロレンズは、フッ素樹脂製とすることで、近赤外域およびその長波長域で吸収のないフラットな透過率−波長特性なので、樹脂による加工容易性という利点を得ながら、高い信頼性の受光信号を得ることができる。

１ ＩｎＰ基板、３ 受光層またはタイプ２（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層、３ａ ＧａＡｓＳｂ、３ｂ ＩｎＧａＡｓ、４ 拡散濃度分布調整層、５ 窓層、６ ｐ型領域、９ バンプ、１１ 画素電極（ｐ部電極）、１５ ｐｎ接合、１７ 選択拡散マスクパターン（保護膜）、２１ マイクロレンズ、２１ａ フッ素樹脂含有剤の層、２２ 溝、２３ 壁、２７ ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜、２９ 下地処理層、３５ 型、３５ｆ 型の表面、５０ 受光装置、７０ ＲＯＩＣ、７１ 読み出し電極、７９ バンプ、１００ 光学装置、Ｋ ＭＱＷのペア境界、Ｐ 画素。

Claims (20)

1. ＩｎＰ基板に形成された複数の画素を備える受光装置であって、
   前記ＩｎＰ基板の裏面において、前記画素に対応する領域ごとに位置するマイクロレンズを備え、
   前記マイクロレンズが、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率の変動幅が２５％以下で、かつ該透過率が７０％以上である樹脂材料で形成されていることを特徴とする、受光装置。
2. 前記樹脂材料が、ＣＨ結合を含まないことを特徴とする、請求項１に記載の受光装置。
3. 前記樹脂材料がフッ素樹脂であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光装置。
4. 前記フッ素樹脂が、化学式（１）で表される基本単位を持つ非晶質フッ素樹脂であることを特徴とする、請求項３に記載の受光装置。
   

   
5. 前記ＩｎＰ基板の裏面と前記マイクロレンズとの間にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜がコートされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光装置。
6. 前記ＩｎＰ基板の裏面と前記マイクロレンズとの間にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜がコートされており、（ｉ）そのＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の表層に当該ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の接着力を増強する処理剤が付されているか、または（ｉｉ）前記マイクロレンズを構成する前記樹脂材料に接着力を増強する処理剤が含まれており、その処理剤を介在させて前記マイクロレンズが前記ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜固定されていることを特徴とする、請求項１〜４に記載の受光装置。
7. 前記ＩｎＰ基板の裏面に接着力を増強するための処理剤の下地処理層が形成され、その下地処理層を介在させて、前記マイクロレンズが前記ＩｎＰ基板の裏面に固定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記画素の境界に沿って前記マイクロレンズを囲むように、該マイクロレンズの厚み以下の、深さの溝または高さの壁、が形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の受光装置。
9. 前記ＩｎＰ基板上に受光層および窓層を備え、前記画素の中核を占める光を受光する受光部は、前記窓層から不純物を選択拡散されて前記受光層に形成されたｐｎ接合を含み、該受光部は隣の受光部と選択拡散されていない領域で隔てられており、前記画素は、前記受光部を中心として前記選択拡散されていない領域で囲まれており、前記マイクロレンズは、前記受光部に中心を合わせ前記選択拡散されていない領域を覆うことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光装置。
10. 前記ｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度がバックグランド程度に低い場合も含むものであることを特徴とする、請求項９に記載の受光装置。
11. 前記受光部の径と、前記選択拡散されていない領域の最小幅とが、ほぼ同じであり、前記マイクロレンズは前記画素を占めるように該画素の区画に内接するように形成されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の受光装置。
12. 前記受光層は、ＩｎＰに±０．５％の範囲内で格子整合する二つのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の、タイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）によって構成されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の受光装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の受光装置と、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read
    Out IC）とを備えることを特徴とする、光学装置。
14. ＩｎＰ基板に、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍに受光感度を有する受光素子を画素として該受光素子のアレイを形成する工程と、
    前記ＩｎＰ基板の裏面に前記画素ごとにフッ素樹脂を主成分とするマイクロレンズを設け、該ＩｎＰ基板全体にマイクロレンズアレイを形成する工程とを備え、
    前記マイクロレンズアレイの形成工程では、フッ素樹脂を溶媒に溶かして粘度を調整したフッ素樹脂含有剤を、マイクロノズルを用いて放出して前記画素の領域ごとにフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体を形成し、次いで乾燥処理してフッ素樹脂による該マイクロレンズアレイを形成することを特徴とする、受光装置の製造方法。
15. 前記マイクロレンズアレイの形成工程の前に、前記滴状または山状のフッ素樹脂含有剤が、隣の画素のフッ素樹脂含有剤の滴状体または山状体と接触して融合しないように、隣り合う前記画素の境界に溝または壁を設けることを特徴とする、請求項１４に記載の受光装置の製造方法。
16. 前記壁を設けるとき、前記ＩｎＰ基板の裏面に被覆層を形成し、次いで、被覆層の前記壁になる部分以外の部分をエッチングによって除去することを特徴とする、請求項１５に記載の受光装置の製造方法。
17. ＩｎＰ基板に、少なくとも波長１μｍ〜２．５μｍに受光感度を有する受光素子を画素として該受光素子のアレイを形成する工程と、
    前記ＩｎＰ基板の裏面に前記画素ごとにフッ素樹脂を主成分とするマイクロレンズを設け、該ＩｎＰ基板全体にマイクロレンズアレイを形成する工程とを備え、
    前記マイクロレンズアレイの形成工程は、
    前記マイクロレンズアレイの雌型となる型を準備する工程と、
    前記フッ素樹脂を溶媒に溶かして粘度を調整したフッ素樹脂含有剤を前記ＩｎＰ基板の裏面に塗布して塗布層を形成する工程と、
    適度に乾燥した前記塗布層に、前記画素と位置合わせしながら、前記型を押し当ててマイクロレンズとなる凸レンズが配列されたマイクロレンズアレイを形成する工程とを備えることを特徴とする、受光装置の製造方法。
18. 前記ＩｎＰ基板に前記受光素子のアレイを形成した後で前記マイクロレンズを設ける前に、そのＩｎＰ基板にＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜のコート膜を形成し、その後、前記コート膜に接して前記マイクロレンズを設けることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の受光装置の製造方法。
19. 前記ＩｎＰ基板に、（ｉ）ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜を形成し、その形成の際そのＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の表層に当該ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜の接着力を増強する処理剤を付し、その後、前記マイクロレンズアレイを形成する、かまたは（ｉｉ）ＳｉＮ膜もしくはＳｉＯＮ膜を形成し、次いで前記フッ素樹脂に予め接着力を増強する処理剤を含ませたフッ素樹脂含有剤を用いて前記マイクロレンズを設けることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の受光装置の製造方法。
20. 前記ＩｎＰ基板の裏面に、接着力を増強する処理剤の下地処理層を形成し、その下地処理層上に前記マイクロレンズを設けることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の受光装置の製造方法。

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