(57)【要約】【課題】不純物の濃度分布の変化が急峻な検出素子を安定的に製造することができる検出素子の製造方法、及び遠赤外線検出器の製造方法を提供する。【解決手段】まず、共通の結晶母材からなるウェハーを一対形成する。一方のウェハーに所定の不純物を所定量ドープし、ブロッキング層用ウェハー5aを形成する。また、他方のウェハーにも、上記不純物と同じ不純物をブロッキング層用ウェハー5aよりも高濃度でドープし、吸収層用ウェハー4bを形成する。次いで、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aの貼り合わせ面の結晶方位を合わせた状態で、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aを貼り合わせて検出素子３を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠赤外線を吸収する吸収層と、暗電流を抑制するブロッキング層とを有する検出素子の製造方法において、
吸収層用ウェハー及びブロッキング層用ウェハーの互いに対向する面をそれぞれ洗浄する工程と、
前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせる工程と
を有することを特徴とする検出素子の製造方法。
【請求項２】
前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせた後、アニール処理する工程を有することを特徴とする請求項１記載の検出素子の製造方法。
【請求項３】
遠赤外線を吸収する吸収層と、暗電流を抑制するブロッキング層とを有する検出素子を形成する検出素子形成工程と、
前記検出素子の両面に電極を形成する工程と
を備える遠赤外線検出器の製造方法において、
前記検出素子形成工程は、
吸収層用ウェハー及びブロッキング層用ウェハーの互いに対向する面をそれぞれ洗浄する工程と、
前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせる工程と
を有することを特徴とする遠赤外線検出器の製造方法。
【請求項４】
前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせた後、アニール処理する工程を有することを特徴とする請求項３記載の遠赤外線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出素子の製造方法及び遠赤外線検出器の製造方法に関し、特に長波長の遠赤外線を検出する検出素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の遠赤外線検出器としては、遠赤外領域の光子エネルギー吸収に適した不純物準位を有するＧｅにＧａをドープした半導体素子が用いられている。この半導体素子に光が吸収されて生じる電気信号を取り出すことにより、波長１００μｍ以下の光を検出することができる。また、上記半導体素子に圧力をかけて結晶構造を歪めた状態で観測する圧縮型検出器では、波長１１０μｍ〜１８０μｍの光を検出することができる。
【０００３】
ところが、上記した圧縮型検出器では、暗電流を小さくするためＧａのドープ量を１×１０14／ｃｍ3、程度と小さくする必要がある。そのため遠赤外線に対する吸収係数は１ｃｍ-1程度と小さくなる。実効的な吸収係数を大きくするためには個々の検出器を光学キャビティー内に設置する必要があり、また、一軸応力を印加するため、検出器の構造が複雑になっている。測定の分解能効率化を図るためには多素子化が重要であるが、上記の理由により、多素子化することが困難であるという問題があり、これまでの最大の多素子化検出器の素子数は４００程度である。
【０００４】
これに対し、一対の電極と、前記電極の間に設けた検出素子とを有し、当該検出素子は、光を吸収する吸収層と、暗電流を抑制するブロッキング層とからなるＩＢＣ（Impurity Band Conduction）構造、又はＢＩＢ（Blocked Impurity Band）構造と呼ばれる検出器が知られている。上記検出器のバンド構造は、図７に示すとおりである（非特許文献１）。この検出素子において、吸収層は不純物帯が形成される濃度まで不純物がドープされており、ブロッキング層は当該吸収層と電極との間に設けられる。また、ブロッキング層は、不純物をドープしない、または、吸収層に比べ不純物の濃度が低く設定されている。このようにして、吸収層とブロッキング層との間に、不純物濃度の急峻な変化を形成している。このブロッキング層によって不純物帯が切断されることにより暗電流を抑制し、遠赤外線によって伝導帯（または価電子帯）に励起された電子（または正孔）だけを電極に到達させることができる。
【０００５】
このような検出素子によれば、圧縮型のように圧縮機構を必要としないので構造を簡素化することができると共に、吸収層へドープする不純物を１０〜１０００倍程度まで増加できるので、性能をより一層向上することができる。すなわち、より長波長の光や、微小な光を検出することが期待できる。このような利点を生かし、ＩＢＣ構造の検出器は、中赤外領域においてＳｉ半導体を用いた検出器が、通常のエピタキシャル技術によって既に実現されている。
【非特許文献１】Frank L. Madarsz Frank Szmulowicz. Blocked impurity band etectors-An analytical model: Figures of merit. J. Appl. Phys., Vol. 62, pp. 2533-2540, 1987
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｇｅを母材とする上記した吸収層とブロッキング層とからなる検出素子を備える遠赤外線検出器は、エピタキシャル成長によって吸収層及びブロッキング層を形成した場合、Ｇｅのエピタキシャル成長に必要な温度において、不純物の拡散係数が大きく、エピタキシャル成長中に吸収層にドープした不純物がブロッキング層に拡散してしまう。そうすると、不純物濃度の急峻な変化を形成することは不可能である、という問題があった。このように不純物の濃度分布が急峻でない場合には、ブロッキング層が形成されず大きな暗電流が流れることとなり、所望の波長の遠赤外線を検出することができない。
【０００７】
そこで、本発明は、不純物の濃度分布の変化が急峻な検出素子を安定的に製造することができる検出素子の製造方法、及び遠赤外線検出器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、遠赤外線を吸収する吸収層と、暗電流を抑制するブロッキング層とを有する検出素子の製造方法において、吸収層用ウェハー及びブロッキング層用ウェハーの互いに対向する面をそれぞれ洗浄する工程と、前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせる工程とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせた後、アニール処理する工程を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、遠赤外線を吸収する吸収層と、暗電流を抑制するブロッキング層とを有する検出素子を形成する検出素子形成工程と、前記検出素子の両面に電極を形成する工程とを備える遠赤外線検出器の製造方法において、前記検出素子形成工程は、吸収層用ウェハー及びブロッキング層用ウェハーの互いに対向する面をそれぞれ洗浄する工程と、前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせる工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記吸収層用ウェハーと前記ブロッキング層用ウェハーとを張り合わせた後、アニール処理する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１及び３に係る検出素子の製造方法及び遠赤外線検出器の製造方法によれば、不純物の濃度が異なる吸収層用ウェハーとブロッキング層用ウェハーとを張り合わせることにより、吸収層の不純物がブロッキング層に拡散することを防いで、不純物の濃度分布の変化が急峻な検出素子を安定的に形成することができる。
【００１３】
請求項２及び４に係る検出素子の製造方法及び遠赤外線検出器の製造方法によれば、アニール処理を行うことにより、吸収層とブロッキング層との貼り合わせをより強固にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示す遠赤外線検出器１は、一対の電極２と、検出素子３とを備え、前記検出素子３は、光を吸収する吸収層４と、暗電流を抑制するブロッキング層５とからなる。この遠赤外線検出器１は、一方の電極2aの表面に対しブロッキング層５、吸収層４が順に設けられており、当該吸収層４に対し他方の電極2bが形成されている。ブロッキング層５側の表面に形成される一方の電極2aは、ブロッキング層５側から光を入射させるため、例えば櫛型の電極パターンを用いることが好ましい。
【００１５】
吸収層４及びブロッキング層５は、遠赤外領域の光子エネルギー吸収に適した不純物準位を有するＧｅに不純物としてＳｂをドープしたＧｅ：Ｓｂ型検出素子が好適に用いられる。この場合、吸収層４における不純物の濃度は、ブロッキング層５よりも高く、不純物帯を形成し得る濃度とされる。このＧｅ：Ｓｂ型検出素子は、応答波長が３０μｍ〜２００μｍとなり得る。
【００１６】
また、Ｇａの結晶母材に対し不純物としてＡｓをドープしたＧａ：Ａｓ型検出素子では、応答波長をさらに長く、３５０μｍまでとすることができる。
【００１７】
上記のように構成される遠赤外線検出器１は、ウェハボンディングにより形成することができる。以下にその手順を示す。まず、共通の結晶母材からなるウェハーを一対形成する。一方のウェハーに所定の不純物を所定量ドープし、ブロッキング層用ウェハー5aを形成する。また、他方のウェハーにも、上記不純物と同じ不純物をブロッキング層用ウェハー5aよりも高濃度でドープし、吸収層用ウェハー4bを形成する。尚、吸収層用ウェハー4bには、不純物を高濃度でドープすることにより、不純物帯が形成される。
【００１８】
次いで、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aの表面を、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing、化学的機械的平坦化）装置により平坦化する。
【００１９】
次いで、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aの互いに対向する面をそれぞれ洗浄して、貼り合わせ面を形成する。この洗浄は、洗浄薬液を使用したウェットエッチングのほか、プラズマを使用してドライエッチングにより洗浄することとしてもよい。
【００２０】
次いで、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aの貼り合わせ面の結晶方位を合わせた状態で、吸収層用ウェハー4b及びブロッキング層用ウェハー5aを貼り合わせ、吸収層４とブロッキング層５とを１層ずつ重ね合わせた検出素子３を形成する。この貼り合わせは、室温で行うことができる。次に、上記検出素子３を、所定時間乾燥し、乾燥後、アニール処理をする。アニール処理を行うことにより、吸収層４とブロッキング層５との貼り合わせをより強固にすることができる。
【００２１】
本実施形態に係る遠赤外線検出器１の製造方法では、上記のように不純物の濃度が異なる２種類のウェハーである吸収層用ウェハー4bとブロッキング層用ウェハー5aとを張り合わせることにより、不純物の濃度分布の変化が急峻な検出素子３を安定的に形成することができる。
【００２２】
このように形成された遠赤外線検出器１は、吸収層４に形成された不純物帯をブロッキング層５で遮断する構成としたことにより、全体として、ブロッキング層５が暗電流を抑制すると共に、ブロッキング層５側から入射した光、すなわち遠赤外線によって伝導帯へ励起された電子だけを電極に到達させることができる。従って、遠赤外線検出器１では、所望の長波長の遠赤外線を検出することができる。
【００２３】
次に、実施例により、より具体的に本発明の効果を説明する。
【００２４】
表１に示す吸収層用ウェハー4a及びブロッキング層用ウェハー5bを用意し、5mm角にダイシングして本実施例に用いた。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
貼り合わせ面の洗浄は、超音波洗浄、純水による洗浄、混合液によるウェットエッチング、及び混合溶液による表面親水化処理の順に行った。
【００２７】
超音波洗浄は、アセトン、及びエタノールでそれぞれ５分間ずつ行った。純水による表面洗浄は２分間行った。また、ウェットエッチングは、HNO3:HF:H2O2:H2O = 1:1:1:20の混合液により室温で２分間行った。さらに、表面親水化処理は、「Ge/Si ウエハボンディングプロセスの検討」（中村永志、高知工科大学電子・光システム工学科、  平成16年度卒業研究報告書）を参考にし、H2SO4:H2O2:H2O = 3:1:の混合溶液により、30秒間行った。また、貼り合わせ面は、各洗浄及びエッチング工程の後に、窒素ガスによって乾燥した。
【００２８】
吸収層用ウェハー4aとブロッキング層用ウェハー5bとの張り合わせは、テフロン（登録商標）製の治具を用い、室温で行った。張り合わせの後は、真空デシケータを用い、数日間(３日間以上)の乾燥を行った。
【００２９】
アニール処理は、赤外線導入真空加熱装置により、真空：1.33×10-4Pa、800℃、10分、加圧（0〜9.8MPa）の条件で行った。
【００３０】
さらに、本実施例では、検出素子３の性能を向上するため、ブロッキング層５を研磨により20μmまで薄くした。尚、検出素子３の性能をさらに高める為には、より薄くする方が望ましいと考えられる。研磨は粒径が3μmパウダーを用い、最後に仕上げ処理として粒径が0.5μmパウダーを用いた鏡面研磨を行った。
【００３１】
電極２は、検出素子３の表裏面に、金蒸着を施すことにより形成した。ここで、ブロッキング層５側から遠赤外線を入射させるために、ブロッキング層５側の表面の電極2aについては図２に示すように、櫛形の電極パターンを用いた。パターンサイズは1mm×1mmである。蒸着にはＡｕに重量比1%のＳｂを混合したものを用い、これを検出素子３の両面に蒸着し、厚さ0.3μmの電極２を形成した。
【００３２】
本実施例では、電極２をオーミックコンタクト化するため、シンター炉で500℃、5分間の加熱を行った。ここで、オーミックコンタクトとは、異種導体の接合部の抵抗値が電流の方向や量によって変化することなくオームの法則に従う状態をいう。
【００３３】
さらに、形成した遠赤外線検出器１に対し、配線処理を行った。配線は、遠赤外線検出器１をパッケージに固定し、金ワイヤ６をボンディングすることにより形成した（図３）。
【００３４】
上記のように形成した遠赤外線検出器１について、図４に示す回路10を用い、電気的特性及び光応答性の試験を行った。この回路10では、遠赤外線検出器１は吸収層４側の電極2bに対しバイアス電圧が印加されていると共に、ブロッキング層５側の電極2aとＦＥＴ（Field effect transistor）11のゲートとが電気的に接続されている。尚、試験を行う際、図中点線囲み部分の領域を、液体ヘリウムを用いて絶対温度２Ｋに冷却した。
【００３５】
この遠赤外線検出器１に対し、ブロッキング層５を透過して吸収層４に遠赤外線が入射すると、電子が伝導帯へ励起され、その電子の量に応じて遠赤外線検出器１の電極2a,2b間に検出器電流が流れることにより、電圧がＦＥＴ11のゲートに印加される。ＦＥＴ11では、ゲートに印加される電圧に応じて、ソースからドレインへ電流が流れる。ドレインへ電流が流れることにより、比較器12の一方の入力端子に入力電圧が印加される。比較器12では、他方の入力端子に印加されている基準電圧と入力電圧とを比較し、その結果に応じて検出シグナルを出力する。
【００３６】
本実施例における試験の結果を図５に示す。同図の横軸はバイアス電圧であり、これは遠赤外線検出器１のブロッキング層５側を基準電位とし、吸収層４側の電極2bに印加した電圧を示している。一方、同図の縦軸は検出器電流であり、光入射が無い状態、及び光入射がある状態の出力電流(検出シグナル)を示している。
【００３７】
図中0K〜70Kは、遠赤外線検出器１の前面に設置した黒体光源の温度を示し、温度が高い程遠赤外線検出器１への遠赤外線の入射光量が多いことを示す。ここで、黒体光源とは、その温度において、最大限の電磁波を放射する光源をいう。尚、黒体とは、全ての波長の放射を完全に吸収する理想的な物体をいう。一般に電磁波をよく吸収する物体ほど電磁波の放射量も多くなるという関係がある。
【００３８】
測定結果から、ＩＢＣ構造特有の正負(左右)非対称な電気特性を得ることができ、これにより、ＩＢＣ構造が正しく形成されていることが確認することができた。図中の平な部分では電流が10[fA]程度以下に抑えられており、光入射が無い場合の検出器電流(暗電流)の値が、ブロッキング層５により十分低く抑えられている事が分かる。
【００３９】
一方同図を拡大した図６においては、黒体光源温度を上げるに従い、遠赤外線検出器１からの検出器電流が有意に増大する様子が見て取れる。これは今回製作したＩＢＣ構造の遠赤外線検出器１により、遠赤外光の検出が行われていることを明確に示す結果である。
【００４０】
上記したように、本実施例から、不純物の濃度が異なる２種類のウェハーである吸収層用ウェハー4aとブロッキング層用ウェハー5bとを張り合わせることにより、不純物の濃度分布の変化が急峻な検出素子３を安定的に形成できることが、黒体光源温度を上げるに従い、遠赤外線検出器１からの検出器電流が有意に増大するという測定結果から確認することができた。
【００４１】
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。例えば、上記した実施形態では、検出素子をウェハボンディングにより形成する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、表面活性化接合により形成することもできる。表面活性化接合は、真空中でアルゴン（Ar）などの不活性ガスのプラズマにより物質表面をエッチングして、表面を他の原子との強い結合力を持つ活性な状態とし、表面同士をそのまま真空中で重ね合わせることで接合を可能とするものである。この表面活性化接合によれば、加熱を必要としないので、吸収層にドープした不純物がブロッキング層に拡散することもなく、また、熱膨張による位置精度が低下することもない、という利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態に係る遠赤外線検出器の全体構成を示す断面図である。
【図２】本実施例に係る遠赤外線検出器のブロッキング層側の電極の構成を示す顕微鏡写真である。
【図３】本実施例に係る配線処理を行った遠赤外線検出器の電極表面を示す顕微鏡写真である。
【図４】本実施例に係る遠赤外線検出器の評価を行った回路図である。
【図５】本実施例に係る測定結果を示すグラフである。
【図６】図５を部分的に拡大したグラフである。
【図７】ＩＢＣ構造の検出器のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    遠赤外線検出器
２    電極
３    検出素子
４    吸収層
4a    吸収層用ウェハー
５    ブロッキング層
5a    ブロッキング層用ウェハー
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
2010045313.tif 000009
【図７】
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