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図面 (4)

課題

良好な特性を有する量子型赤外線センサを提供する。

解決手段

基板1と、基板1の表面上に形成され、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる第1の層2と、第1の層2上に形成され、InSbからなる中間層3と、中間層3上に形成され、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる第2の層4と、を備える。また、例えば、第2の層4上に形成されたp型バリア層5と、p型バリア層5上に形成されたp型コンタクト層6とをさらに備えてもよい。

概要

背景

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサ量子型赤外線センサとに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線エネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果(抵抗変化容量変化起電力自発分極)を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型(PZT、LiTaO3)、熱起電力型(サーモパイル熱電対)、導電型ボロメータサーミスタ)などがあり、感度波長依存性がなく、冷却は不要である。

しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子正孔を利用するセンサであり、光導電型(HgCdTeなど)や光起電力型(InAsなど)がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子スターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。

量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献1に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。

これにより、電磁ノイズ熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてInSb、InAsSb、InAsNなどである。
これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明エアコン、TVなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーションセキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。

概要

良好な特性を有する量子型赤外線センサを提供する。基板1と、基板1の表面上に形成され、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる第1の層2と、第1の層2上に形成され、InSbからなる中間層3と、中間層3上に形成され、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる第2の層4と、を備える。また、例えば、第2の層4上に形成されたp型バリア層5と、p型バリア層5上に形成されたp型コンタクト層6とをさらに備えてもよい。

目的

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

基板と、前記基板の一方の面上に形成され、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる第1の層と、前記第1の層上に形成され、InSbからなる中間層と、前記中間層上に形成され、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる第2の層と、を備える量子型赤外線センサ

請求項2

前記第2の層上に形成されたp型バリア層と、前記p型バリア層上に形成されたp型コンタクト層とをさらに備える請求項1に記載の量子型赤外線センサ。

請求項3

前記InAsxSb1−x(0<x≦0.44)におけるAsの組成比xと、前記InAsySb1−y(0<y≦0.44)におけるAsの組成比yとが、−0.1≦x−y≦0.1の関係を満たす請求項1または請求項2に記載の量子型赤外線センサ。

請求項4

前記InAsxSb1−x(0<x≦0.44)におけるAsの組成比xと、前記InAsySb1−y(0<y≦0.44)におけるAsの組成比yとが、同じ数値である請求項1または請求項2に記載の量子型赤外線センサ。

技術分野

0001

本発明は、量子型赤外線センサに関する。

背景技術

0002

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサとに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線エネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果(抵抗変化容量変化起電力自発分極)を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型(PZT、LiTaO3)、熱起電力型(サーモパイル熱電対)、導電型ボロメータサーミスタ)などがあり、感度波長依存性がなく、冷却は不要である。

0003

しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子正孔を利用するセンサであり、光導電型(HgCdTeなど)や光起電力型(InAsなど)がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子スターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。

0004

量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献1に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。

0005

これにより、電磁ノイズ熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてInSb、InAsSb、InAsNなどである。
これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明エアコン、TVなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーションセキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。

先行技術

0006

国際公開第2005/027228号

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1によれば、光吸収層の材料としてInAsSbを用いた場合、その混晶組成を変えることで、赤外線検出ピーク波長を7.3μmから10μmまで制御可能であることから、例えば10μm帯に大きな感度をもつ赤外線センサとして、人感センサなどへの応用が期待されている。

0008

しかしながら、InAsSbはInSbと比較すると、良好な結晶を得るのが非常に難しく、赤外線センサにおいて、期待されているような良好な特性が得られていないのが実情である。特に、量子型赤外線センサにおいて、赤外線を吸収する光吸収層の結晶性は、赤外線センサの特性に非常に重要である。光吸収層の結晶性が低い(すなわち欠陥が多い)場合には、欠陥が、赤外線吸収で発生した電子、正孔が再結合してしまう要因となるため、キャリアライフタイムの低下を招く。その結果、取り出せる光電流は減少してしまい、赤外線センサの特性が悪化する。従って、量子型の赤外線センサにおいては、光吸収層の結晶性を向上させることで、赤外線センサ自体の特性を向上させることが可能となる。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の一態様に係る量子型赤外線センサは、基板と、前記基板の一方の面上に形成され、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる第1の層と、前記第1の層上に形成され、InSbからなる中間層と、前記中間層上に形成され、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる第2の層と、を備えることを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体の構成例を示す断面図である。
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの構成例を示す断面図である。
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を工程順に示す断面図である。

0012

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

0013

<量子型赤外線センサ>
図1は、本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体の構成例を示す断面図である。図1に示す化合物半導体積層体は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサを作製するための積層体である。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体は、基板1と、基板1の一方の面(以下、表面)上に形成された第1の層2と、第1の層2上に形成された中間層3と、中間層3上に形成された第2の層4と、第2の層4上に形成されたp型バリア層5と、p型バリア層5上に形成されたp型コンタクト層6とを備える。すなわち、基板1の上に、第1の層2、中間層3、第2の層4、p型バリア層5、p型コンタクト層6が順次積層されている。

0014

本発明の実施形態において、第1の層2は、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる。また、第2の層4は、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる。
図1に示す化合物半導体積層体は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー(MBE)法や有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法などは好ましい方法である。これらの方法により、化合物半導体積層体が形成される。

0015

図2は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの構成例を示す断面図である。図2に示すように、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、図1を参照しながら説明した化合物半導体積層体を備える。
また、図2に示すように、この量子型赤外線センサは、基板1上に形成されて化合物半導体積層体を覆うパッシベーション層7と、このパッシベーション層7に形成された開口部を通して化合物半導体積層体に電気的に接続する電極8とを備える。

0016

以下、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサを構成する各構成部について、より具体的に説明する。
(1)基板
基板1は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、GaAs基板Si基板などの単結晶基板などが好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物アクセプタ不純物によって、n型やp型にドーピングされていても良い。

0017

単結晶基板の面方位は、特に制限はないが、(100)、(111)、(110)等が好ましい。また、これらの面方位に対して1°から5°傾けた面方位を用いることもある。
基板1の表面上に形成された複数個の量子型赤外線センサを、電極8で直列接続して用いる場合、各量子型赤外線センサは電極8以外の部分では絶縁分離されていることが好ましい。従って、基板1は単結晶を形成できるものであって、かつ、半絶縁性か、または化合物半導体積層体部分と基板1とが絶縁分離可能であるような基板を用いることが好ましい。

0018

さらに、基板1として、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外線を基板1の裏面側から入射させることが可能となる。この場合、電極8により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができて好ましい。このような基板1の材料としては、半絶縁性のSiやGaAs等が好ましく用いられる。
通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を形成したものを本発明の「基板」として使用しても良い。GaAs基板上にGaAs層を形成したものを「基板」として使用することは、この最も代表的な例である。

0019

(2)第1の層
第1の層2は、基板1の表面上に形成され、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる。ここで「基板1上に形成され」とは、基板1上に直接第1の層2が形成されてもよく、また、基板1と第1の層2との間にその他の層が形成されていてもよい。本発明において、「〜上に形成され」という表現はすべてこの意味を表すものである。一般に、InAsxSb1−xからなる化合物半導体層は、混晶系であること及びGaAs等の基板材料とは格子定数が大きく異なる場合が殆どであることから、結晶性は非常に悪い。

0020

第1の層2のInAsxSb1−x(0<x≦0.44)におけるAsの組成比xは、赤外線検出のピーク波長を、7.3μmから10μmの広範囲にわたり制御可能にすること、及び、第2の層4の結晶性改善の効果が得られることの観点から、0より大きいことが好ましく、0.038以上であることがより好ましい。また同様の観点から、上記Asの組成比xは0.44以下であることが好ましく、0.31以下であることがより好ましい。

0021

第1の層2の膜厚は、薄すぎると第2の層4の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、第1の層2の膜厚は0.3μm以上1μm以下が好ましい。
赤外線が基板1の裏面側から入射する場合、第1の層2での光吸収を低減させる観点から、第1の層2にはn型ドーピングすることが好ましい。第1の層2にある程度の高濃度ドーピングをすると、バースタインモス効果が生じ、第1の層2での赤外線の吸収を低減させることが可能になる。ドーピング量が多い程効果が得られるが、多すぎると結晶性の劣化を招くので、ドーピング量は、1×1018/cm3以上1×1019/cm3以下が好ましい。n型ドーパントは特に限定されないが、Si、Sn、S、Se、Te、Geなどが挙げられる。n型ドーパントとして、特にSnは活性化率が高く好ましい。

0022

(3)中間層
中間層3は、第1の層2上に形成され、InSbからなる。中間層3は、第1の層2の形成時に発生した欠陥が、膜厚方向伝搬するのを防ぐ役割を果たす。中間層3を形成することで、中間層3の上に形成される、第2の層4中の欠陥を低減し、結晶性を改善することが可能となる。結晶性改善の効果は、中間層3と第1の層2及び第2の層4の格子定数が異なり、且つ、中間層3の膜厚が臨界膜厚以上のとき、顕著となる。ここで、臨界膜厚とは、下地膜格子整合した状態で成長できる最大膜厚のことである。

0023

中間層3の材料は、第1の層2及び第2の層4と格子定数の異なる(すなわちAs組成の異なる)InAsSbを用いた場合、混晶系であるInAsSbは良好な結晶性を保つのが難しく、本発明の効果を十分に得るのが困難である。そのため、良好な結晶性を得るのが容易で、本発明の効果をより得ることのできるInSbを中間層3に用いることが好ましい。

0024

中間層3の膜厚は、薄すぎると第2の層4の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、中間層3の膜厚は0.1μm以上1μm以下が好ましい。
赤外線が基板1の裏面側から入射する場合、中間層3での光吸収を低減するために、中間層3にはn型ドーピングすることが好ましい。中間層3にある程度の高濃度ドーピングをすると、バースタイン‐モス効果が生じ、無駄な吸収を防ぐことが可能になる。

0025

また、高濃度にn型ドーピングされた中間層3は、抵抗も小さいので、その上に形成される電極8との接触抵抗を小さくすることができる。このことから、中間層3を、量子型赤外線センサのn型コンタクト層に用いることが好ましい(ただし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第1の層2をn型コンタクト層として用いてもよい。)。
ドーピング量の多い方が、無駄な光吸収を低減する効果や、n型コンタクト層と電極8との接触抵抗を低減する効果が得られるが、ドーピング量が多すぎると結晶性の劣化を招く。このため、ドーピング量は、1×1018/cm3以上1×1019/cm3以下が好ましい。n型ドーパントは特に限定されないが、Si、Sn、S、Se、Te、Geなどが挙げられる。特にSnは活性化率が高く好ましい。

0026

(4)第2の層
第2の層4、中間層3上に形成され、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる。第2の層4は、中間層3上に形成された層であり、中間層3の効果で欠陥が低減され、結晶性の改善された層となることが期待される。この結晶性の良い第2の層4を量子型赤外線センサの光吸収層として用いることが好ましい。欠陥は、赤外線吸収で発生した電子、正孔が再結合してしまう要因となるため、キャリアのライフタイムの低下を招く。その結果、取り出せる光電流は減少してしまい、赤外線センサの特性が悪化する。欠陥が十分に低減された第2の層4を量子型赤外線センサの光吸収層として用いることで、良好な特性を有する量子型赤外線センサの実現が可能となる。

0027

但し、第2の層4の一部にn型ドーピングして、n型コンタクト層として用いても良い。この場合には、第2の層4上に光吸収層を形成することで、量子型赤外線センサとして動作することが可能となる。光吸収層の材料としては、InAsSbなどを用いることが可能である。n型コンタクト層である第2の層4の結晶性を向上させることで、その上に形成する光吸収層の結晶性を向上させることが可能となり、量子型赤外線センサの特性向上に寄与する。また、第2の層4へのドーピング量が多い方が、n型コンタクトの接触抵抗を低減する効果が得られるが、多すぎると結晶性の劣化を招く。このため、ドーピング量は、1×1018/cm3以上1×1019/cm3以下が好ましい。n型ドーパントは特に限定されないが、Si、Sn、S、Se、Te、Geなどが挙げられる。n型ドーパントとして、特にSnは活性化率が高く、好ましい。また、第2の層4中の高濃度にn型ドーピングされた箇所は、バースタイン‐モス効果で、無駄な光吸収も防ぐことができる。

0028

第2の層4のInAsySb1−y(0<y≦0.44)におけるAsの組成比yは、赤外線検出のピーク波長を、7.3μmから10μmの広範囲にわたり制御可能にすることと、本発明により結晶性改善の効果が得られることの観点から、0より大きいことが好ましく、0.038以上であることがより好ましい。また同様の観点から、第2の層4における上記Asの組成比yは0.44以下であることが好ましく、0.31以下であることがより好ましい。

0029

また、第2の層4における上記Asの組成比yは、第1の層2における上記Asの組成比xに近い値である程、本発明の効果がより得られるため好ましい。特に、上記Asの組成比xと、上記Asの組成比yとが、−0.1≦x−y≦0.1の関係を満たす場合には、第2の層4の結晶性がより向上するため好ましい。また、上記Asの組成比xと、上記Asの組成比yとが同じ数値である場合(つまり、x−y=0)がより好ましい。

0030

第2の層4の膜厚は、光吸収量を増やすためには厚くした方が良いが、厚すぎるとその形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、第2の層4の膜厚は0.5μm以上3μm以下が好ましい。
InAsSbはバンドギャップが非常に小さいため、真性キャリア密度が非常に大きい。このことは、拡散電流の増大や、オージェ再結合過程の促進をもたらす。これらの影響を低減するために、第2の層4にp型ドーピングしても良い。ドーピング量は適宜選択することができる。p型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが好ましく用いられる。p型ドーパントとして、特に、Znは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

0031

(5)p型バリア層
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、第2の層4上にp型バリア層5をさらに備えてもよい。第2の層4を光吸収層として用いる場合には、p型バリア層5は拡散電流を防ぐための層として機能する。従って、基板1上から見た場合に、p型バリア層5は光吸収層よりも上(すなわち、光吸収層よりも遠い側)に形成される。この場合、p型バリア層5は、光吸収層である第2の層4に対し、十分な伝導帯バンドオフセットが取れればよく、バンドギャップが広い材料を選択することが好ましい。

0032

p型バリア層5の材料としては、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInAsSbなどが挙げられるが特にこれには限定されない。光吸収層とp型バリア層5との格子定数が異なる場合、p型バリア層5の膜厚が臨界膜厚を超えてしまうと、結晶性の劣化を招くので、材料選択の際には、伝導帯のバンドオフセット、結晶性の劣化の効果の両方を考慮の上、適宜選択される。

0033

p型バリア層5の膜厚は、センサの抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極8と光吸収層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、p型バリア層5の膜厚は0.01μm以上が好ましく、より好ましくは0.02μm以上である。なお、p型バリア層5の膜厚の上限については、光吸収層とp型バリア層5との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。

0034

p型バリア層5では、拡散電流を防ぐことの他、光吸収層で発生した正孔が、p型バリア層5側へ流れ込むことも重要である。そのため、p型バリア層5には十分なp型ドーピングをする必要があり、ドーピング濃度は1×1018/cm3以上が好ましい。p型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが好ましく用いられる。p型ドーパントとして、特に、Znは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

0035

(6)p型コンタクト層
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、p型バリア層5上にp型コンタクト層6をさらに備えてもよい。p型コンタクト層6は、光吸収層が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極8とのコンタクト層として機能する。p型コンタクト層6の材料としては、InSb、InAsSb、AlInSb、GaInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInAsSbなどが挙げられる。p型コンタクト層6のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。その観点からは、p型コンタクト層6の材料は、InSb及びInAsSbであることが好ましい。

0036

p型コンタクト層6の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、p型コンタクト層6の膜厚は0.1μm以上1μm以下が好ましい範囲として挙げられる。
p型コンタクト層6には、コンタクト抵抗を下げるために十分なp型ドーピングがされることが必要である。そのため、p型コンタクト層6におけるp型ドーピング濃度としては、1×1018/cm3以上が好ましい。またp型ドーパントとしては、Be、Zn、Cd、C、Mg、Geなどが好ましく用いられる。p型ドーパントとして、特に、Znは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

0037

(7)パッシベーション層
パッシベーション層7は、絶縁性の膜であればよい。パッシベーション層として、シリコン窒化膜(Si3N4)、シリコン酸化膜(SiO2)又はシリコン酸化窒化膜(SiON)などが挙げられる。
(8)電極
電極8は、例えば、p型コンタクト層6に電気的に接続する第1の電極と、中間層3に電気的に接続する第2の電極とを有する。電極8は、導電性の膜で構成されていればよい。電極8を構成する導電性の膜として、Au/Tiや、Au/Cr等の積層膜などが挙げられる。なお、上記の積層膜では、Auが上層の膜で、Ti又はCrが下層の膜である。

0038

<量子型赤外線センサの製造方法>
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明する。本発明の実施形態では、図1に示した化合物半導体積層体を用いて、図2に示した量子型赤外線センサを作製することが可能である。
図3は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を工程順に示す断面図である。図3(a)に示すように、まずは、基板1の表面上に、MBE(分子線エピタキシー)法を用いて化合物半導体積層体を形成後、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて、p型コンタクト層6と、p型バリア層5と、第2の層4とを順次、部分的に除去して、中間層3とコンタクトを取るための段差形成を行う。

0039

次いで、図3(b)に示すように、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。ここでは、段差の底部に現れている中間層3と、第1の層2とを順次、部分的に除去する。これにより、素子分離領域では、基板1の表面が露出する。
次いで、SiNやSiO2などのパッシベーション層7を形成して、基板1の表面及び素子分離された化合物半導体積層体の表面及び側面を覆う。次いで、図3(c)に示すように、パッシベーション層7のうち電極を形成する部分をエッチングして除去し、貫通穴11を形成する。(すなわち、窓開けする)。そして、この貫通穴11を埋め込むように、Au/TiやAu/Cr等の電極を形成する。電極はリフトオフ法などで形成する。このようにして、図2に示した量子型赤外線センサを作製する。

0040

本発明の実施形態では、基板1上に作製した複数の量子型赤外線センサを、電気的に直列接続する構造とすることも好ましい。このような構造とすることで、単一の量子型赤外線センサの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
量子型赤外線センサは、この量子型赤外線センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。量子型赤外線センサと集積回路部との電気的な接続法は特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば特に制限はなく、中空パッケージなどを用いても良い。また、特定の光の影響を完全に避けるため、量子型赤外線センサの受光面(例えば、基板1の裏面側)にフィルタを取り付けてもよい。さらに、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるため、量子型赤外線センサの受光面(例えば、基板1の裏面側)にフレネルレンズを設けてもよい。

0041

<実施形態の効果>
本発明の実施形態によれば、InAsxSb1−x(0<x≦0.44)からなる第1の層2と、InSbからなる中間層3と、InAsySb1−y(0<y≦0.44)からなる第2の層4とを備える。第1の層2と、光第2の層4との間に、InSbからなる中間層3が配置されていることにより、第2の層4の結晶性を良好なものとすることができる。これにより、第2の層4が光吸収層として用いられる量子型赤外線センサでは、光吸収層の欠陥が少なく、赤外線吸収で発生した電子、正孔の再結合を抑制することができる。それゆえ、キャリアのライフタイムの低下を防ぐことができ、取り出せる光電流の減少を抑制することができる。したがって、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することができる。

0042

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
(実施例1)
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶基板上に、第1の層と、中間層と、第2の層と、p型バリア層と、p型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第1の層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInAs0.038Sb0.962層を0.5μm形成した。また、中間層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。また、第2の層として、ノンドープのInAs0.038Sb0.962層を2μm形成した。また、p型バリア層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたAl0.2In0.8Sb層を0.02μm形成した。また、p型コンタクト層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。

0043

光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークロッキングカーブ半値幅FWHM値)を評価したところ、450arcsecであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
ここでは、中間層であるInSb層をn型コンタクト層として用い、第2の層であるノンドープのInAs0.038Sb0.962層を光吸収層として用いた。

0044

まず、n型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面(GaAs基板及びGaAs基板上に形成された化合物半導体積層体)をSiNパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたSiN保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、n型コンタクト層の段差部分上及びp型コンタクト層上の2箇所に、Au/TiをEB(電子ビーム蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

0045

(比較例1)
比較例1では、実施例1の中間層を省略し、第1の層の膜厚を2倍、すなわち1μmにした以外は、実施例1と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第2の層(ノンドープのInAs0.038Sb0.962層)のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、590arcsecであった。比較例1は、実施例1と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてInSbを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

0046

(実施例2)
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶基板上に、第1の層と、中間層と、第2の層と、p型バリア層と、p型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第1の層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInAs0.15Sb0.85層を0.5μm形成した。また、中間層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。また、第2の層として、ノンドープのInAs0.15Sb0.85層を2μm形成した。また、p型バリア層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたAl0.2In0.8Sb層を0.02μm形成した。また、p型コンタクト層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。

0047

光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、750arcsecであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるInSb層をn型コンタクト層、第2の層であるノンドープのInAs0.15Sb0.85層を光吸収層として用いた。

0048

まず、n型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面(GaAs基板及びGaAs基板上に形成された化合物半導体積層体)をSiNパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたSiN保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、n型コンタクト層の段差部分上及びp型コンタクト層上の2箇所に、Au/TiをEB蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

0049

(比較例2)
比較例2では、実施例2の中間層を省略し、第1のInAsSbの膜厚を2倍、すなわち1μmにした以外は、実施例2と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、1040arcsecであった。比較例2は、実施例2と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてInSbを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

0050

(実施例3)
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶基板上に、第1の層と、中間層と、第2の層と、p型バリア層と、p型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第1の層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInAs0.31Sb0.69層を0.5μm形成した。また、中間層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。また、第2の層として、ノンドープのInAs0.31Sb0.69層を2μm形成した。また、p型バリア層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたAl0.2In0.8Sb層を0.02μm形成した。また、p型コンタクト層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。

0051

光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、1050arcsecであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるInSb層をn型コンタクト層、第2の層であるノンドープのInAs0.31Sb0.69層を光吸収層として用いた。

0052

まず、n型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面(GaAs基板及びGaAs基板上に形成された化合物半導体積層体)をSiNパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたSiN保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、n型コンタクト層の段差部分上及びp型コンタクト層上の2箇所に、Au/TiをEB蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

0053

(比較例3)
比較例3では、実施例3の中間層を省略し、第1のInAsSbの膜厚を2倍、すなわち1μmにした以外は、実施例3と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、1200arcsecであった。比較例3は、実施例3と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてInSbを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

0054

(実施例4)
MBE法により、半絶縁性のGaAs単結晶基板上に、第1の層と、中間層と、第2の層と、p型バリア層と、p型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第1の層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInAs0.44Sb0.56層を0.5μm形成した。また、中間層として、Snを7×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。また、第2の層として、ノンドープのInAs0.44Sb0.56層を2μm形成した。また、p型バリア層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたAl0.2In0.8Sb層を0.02μm形成した。また、p型コンタクト層として、Znを3×1018/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm形成した。

0055

光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、1300arcsecであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるInSb層をn型コンタクト層、第2の層を光吸収層として用いた。
まず、n型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面(GaAs基板及びGaAs基板上に形成された化合物半導体積層体)をSiNパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたSiN保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、n型コンタクト層の段差部分上及びp型コンタクト層上の2箇所に、Au/TiをEB蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

0056

(比較例4)
比較例4では、実施例4の中間層を省略し、第1の層の膜厚を2倍、すなわち1μmにした以外は、実施例4と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第2の層のX線回折ピークのロッキングカーブの半値幅(FWHM値)を評価したところ、1320arcsecであった。比較例4は、実施例4と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてInSbを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

0057

(対比)
実施例1〜4及び比較例1〜4について、第1の層におけるAsの組成比x、中間層の有無、第2の層におけるAsの組成比y、ロッキングカーブの半値幅をそれぞれ表1に示す。

0058

0059

表1から、例えば実施例1と比較例1とのように、化合物半導体積層体を構成する各層が中間層を除いて互いに同一組成の場合、中間層(InSb)が存在することによって、第2の層(InAsySb1−y層)の結晶性が改善されていることがわかる。

実施例

0060

(付記)
以上、本発明について実施形態及び実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態及び実施例に記載の範囲には限定されない。上記実施形態及び実施例に多様な変更または改良を加えることが可能であり、また、上記実施形態及び実施例を任意に組み合わせてもよい。その様な変更等が加えられた態様も本発明の技術的範囲に含まれ得る。

0061

1基板
2 第1の層
3 中間層
4 第2の層
5 p型バリア層
6 p型コンタクト層
7パッシベーション層
8電極
11 貫通穴

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