(57)【要約】【課題】下部の電極層の膜厚と上部の電極層の膜厚比が１：２以上の場合に、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂が抑制された赤外線センサ素子を提供する。【解決手段】ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部（１０）と、前記化合物半導体積層部の一部を覆う保護層（２０）と、前記保護層で覆われていない少なくとも一部（２１，２２）および、前記保護層の少なくとも一部上に連続して形成される、第一電極層（３１）と第二電極層（３２）からなる電極部（３０）と、を備える赤外線センサ素子（１）であって、前記第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚が１：２〜１：１０であり、前記保護層の側面部（４０）が順テーパー構造であることを特徴とする赤外線センサ素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部（１０）と、
前記化合物半導体積層部の一部を覆う保護層（２０）と、
前記保護層で覆われていない少なくとも一部（２１，２２）および、前記保護層の少なくとも一部上に連続して形成される、第一電極層（３１）と第二電極層（３２）からなる電極部（３０）と、
を備える赤外線センサ素子（１）であって、
前記第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚が１：２〜１：１０であり、
前記保護層の側面部（４０）が順テーパー構造であることを特徴とする赤外線センサ素子。
【請求項２】
前記保護層が、第一保護層と第二保護層とからなり、
前記第一および第二保護層の側面部のそれぞれが順テーパー構造であり、段差構造（４１）を構成する請求項１に記載の赤外線センサ素子。
【請求項３】
前記保護層の膜厚と、前記電極部の膜厚の比が１：０．５〜１：１である請求項１または２に記載の赤外線センサ素子。
【請求項４】
前記第一電極層がＴｉからなり、前記第二電極層がＡｕからなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサ素子に関する。詳細には、ＰＮまたはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部と、化合物半導体積層部の一部を覆う保護層と、第一電極層と第二電極層からなる電極部とを備える赤外線センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度、圧力、光等の物理的な変化量を、電流や電圧などの電気的な変化量に変換するものにセンサが知られている。このセンサにより、様々な対象物を数値として測定することが可能となる。特に、近年の環境問題への関心の高まりから、省エネルギー化、高効率化に貢献できるセンサが注目を集めている。
【０００３】
これらのセンサの中で、光の変化量を検出する光センサには、赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線センサがある。赤外線センサは、人間の目に影響を与えることなく情報を送信できることから、テレビのリモコン操作などに利用されている。
【０００４】
さらに、赤外線センサは対象物の温度を直接接触せずに感知できるという特徴を有し、人体などの熱源を感知する人感センサや非接触温度計として用いることができるため、例えば人感センサとして利用する場合には照明などに搭載することで不要な電力を有効に削減できる。また、赤外領域に吸収帯を有する気体（二酸化炭素、一酸化炭素など）に対しては、赤外線センサはガスセンサとしても応用可能であり、人感センサに止まらない様々な用途が期待できる。赤外線センサはその動作原理から、熱型センサと量子型センサに分類される。
【０００５】
熱型センサは人感センサなどで広く用いられているが、周波数応答性が低いという課題がある。また、ガスセンサとして使用する場合には、ガス検出の応答性が低く、迅速な異常検知の点で課題がある。
【０００６】
一方、量子型センサは、周波数応答性が高いという特徴があり、熱型センサに比べて、ガスセンサとして非常に有望である。
【０００７】
ＩｎＳｂは赤外線（〜８μｍ）のエネルギー程度のバンドギャップを持ち、量子型赤外線センサとして用いるのに好適な素材であるが、そのままダイオード構造を形成しても非冷却時には熱励起キャリアの影響で整流作用が得られない。そこで、ｐ層とｎ光吸収層との間に禁制帯幅の広い半導体層を挿入することにより、伝導帯にある電子がｐ型半導体層に拡散することを防ぐ構造としている。これにより、量子型の赤外線センサでも室温で動作することが可能となっている。特許文献１には、ＰＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部に対して信号を入出力するためのコンタクト電極として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる電極部を用いる旨が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３２５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、特許文献１にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造のそれぞれの膜厚については特段記載がされていない。
【００１０】
特許文献１のような金属層の積層構造からなる電極部を用いる際に、下部の電極層（特許文献１においてはＴｉ）の膜厚と上部の電極層（特許文献１においてはＡｕ）の膜厚比を１：２、又はそれ以上に上部の電極層の膜厚を厚くして形成した場合、コンタクト部の周辺形状によっては電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部（特に上部の電極層）で亀裂や断裂が発生するという問題があった。この傾向は、特に、コンタクト部の周辺形状がコンタクトホールの保護層の断面が逆テーパー形状である場合に顕著となる。
【００１１】
すなわち、本発明は、下部の電極層の膜厚と上部の電極層との膜厚比を１：２もしくは、その比以上に上部の電極層の膜厚を厚くした場合であっても、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂が抑制された赤外線センサ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部（１０）と、前記化合物半導体積層部の一部を覆う保護層（２０）と、前記保護層で覆われていない少なくとも一部（２１，２２）および、前記保護層の少なくとも一部上に連続して形成される、第一電極層（３１）と第二電極層（３２）からなる電極部（３０）と、を備える赤外線センサ素子（１）であって、前記第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚が１：２〜１：１０であり、前記保護層の側面部（４０）が順テーパー構造であることを特徴とする赤外線センサ素子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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、下部の電極層の膜厚と上部の電極層の膜厚比が１：２以上の場合であっても、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂が抑制された赤外線センサ素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第一の実施形態の赤外線センサ素子の断面模式図である。
【図２】本発明の第二の実施形態の赤外線センサ素子の断面模式図である。
【図３】実施例１の赤外線センサ素子の断面ＳＥＭ画像である。
【図４】比較例１の赤外線センサ素子の断面ＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態と称する）を説明する。
【００１６】
本実施形態の赤外線センサ素子は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部と、化合物半導体積層部の頂部および／または底部の一部を覆う保護層と、保護層で覆われていない化合物半導体積層部の頂部と、保護層の一部上に形成され、第一電極層と第二電極層からなる電極部と、を備える赤外線センサ素子であって、第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚が１：２〜１：１０であり、保護層の側面部が順テーパー構造であることを特徴とする。
【００１７】
上記のような化合物半導体積層部と、保護層と、電極部とからなる赤外線センサ素子において、第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚比が１：２〜１：１０である場合、従来技術の様に保護増の側面部が垂直または逆テーパー構造である場合、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部（特に膜厚の大きい第二電極層）に亀裂や断裂が発生してしまっていた。
【００１８】
しかし、本願発明は、保護層の側面部について順テーパー構造を採用することにより、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂を抑制することを可能にした。
［赤外線センサ素子］
本実施形態の赤外線センサ素子は、化合物半導体積層部と、保護層と、電極部を有する。該赤外線センサ素子は、入射される赤外線に応じて所望の信号を出力するものである。
【００１９】
化合物半導体積層部を支持する部材としての基板をさらに有していてもよい。基板の具体例としては、例えば、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＳｂなどがあるがこれらに限定されない。
【００２０】
［化合物半導体積層部］
本実施形態の赤外線センサ素子における化合物半導体積層部は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含むものであれば特に制限されない。ＰＮ接合またはＰＩＮ接合の具体例としてはｐ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ、ｐ−ＩｎＳｂ／ｉ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂ等があるがこれらに制限されない。
【００２１】
化合物半導体積層部は、その表面に各導電型のコンタクト層を備えていてもよい。コンタクト層は各導電型のドーパントが高濃度にドープされた化合物半導体層である事が好ましい。
【００２２】
化合物半導体積層部は、メサ構造を含むものであってもよい。メサ構造を含む場合、電極を同一方向側に設けることが可能であり、電極が設けられない他方側から赤外線を入射することにより、効率的に赤外線をフォトダイオード構造部に入射することが可能になる。このとき、基板を含む場合は基板側から光を入射することになるため、化合物半導体部よりもバンドギャップが大きな材料を基板として用いる必要がある。
【００２３】
なお、メサ構造を含む場合、その凹凸による応力等の影響により電極部に亀裂や断裂が生じやすくなるが、本実施形態では保護層の側面部が順テーパー構造であることにより、その亀裂や断裂を抑制することが可能になる。
【００２４】
［保護層］
本実施形態の赤外線センサ素子における保護層は、化合物半導体積層部の表面の少なくとも一部を覆う。
【００２５】
また、保護層は、第一保護層と第二保護層とからなってもよい。
【００２６】
第一保護層は、半導体メサ部を保護することに加え、裏面より赤外光を取り入れる場合は赤外線センサのメサ構造半導体／保護膜界面で入射光を全反射し、光出力を高める機能があるものが好ましい。具体的にはメサ構造の半導体層よりも屈折率の低い材料であり、屈折率が１．４７程度である酸化珪素、又は屈折率が１．９程度である窒化珪素の絶縁層は最も代表的な例である。第二保護層は、湿度環境に対するバリアとしての機能を有するものである事が好ましい。
【００２７】
第一保護層の具体例としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮが挙げられる。第二保護層の具体例としては、耐湿性に優れたＳｉＮが挙げられる。
【００２８】
保護層が、第一保護層と第二保護層を含む場合、両方の側面部を順テーパー構造とする。
【００２９】
第一保護層と第二保護層が段差構造を構成している場合、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂がより顕著に発生しやすくなる。しかし、第一および第二保護層の側面部の両方について順テーパー構造とすることにより、電極部に発生する亀裂や断裂を抑制することが可能になる。
【００３０】
［電極部］
本実施形態において、電極部は、保護層で覆われていない少なくとも一部（２１，２２）および、保護層の少なくとも一部上に連続して形成される。また、該電極部は、第一電極層（３１）と第二電極層（３２）からなる。また、第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚比は、１：２〜１：１０である。
【００３１】
第一電極層は、化合物半導体積層部とのコンタクト抵抗が低くなる材料からなることが好ましい。具体的にはＴｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕが挙げられる。
【００３２】
第二電極層は、電気抵抗が低いものである事が好ましい。具体的にはＡｕが挙げられる。
【００３３】
また、第一電極層と第二電極層の間に、金属のマイグレーションを保護することが可能な導電性材料からなる中間電極層を更に備えていてもよい。具体的にはＰｔが挙げられる。
【００３４】
また、効果的に電極部の亀裂や断線を低減する観点から、保護層の膜厚と、電極部の膜厚の比が１：０．５〜１：１であることが好ましい。
【００３５】
以下、図面を参酌しながら、本実施形態の具体的な形態を説明するが、本願発明の実施形態はこれに限定されるものではない。
【００３６】
［第一の実施形態］
図１は本発明の第一の実施形態の赤外線センサ素子の断面模式図である。
【００３７】
第一の実施形態の赤外線センサ素子は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造を含む化合物半導体積層部（１０）と、化合物半導体積層部の頂部（１１）および／または底部（１２）の一部を覆う保護層（２０）と、保護層で覆われていない化合物半導体積層部の頂部と、保護層の一部上に形成され、第一電極層（３１）と第二電極層（３２）からなる電極部（３０）と、を備える赤外線センサ素子（１）であって、第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚の比が１：２〜１：１０であり、保護層の側面部が順テーパー構造であることを特徴とする。
【００３８】
第一電極層の膜厚と第二電極層の膜厚の比が１：２〜１：１０である場合、従来技術の様に保護増の側面部が垂直または逆テーパー構造である場合、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部（特に膜厚の大きい第二電極層）に亀裂や断裂が発生していた。
【００３９】
しかし、本実施形態の様に、保護層の側面部が順テーパー構造であることにより、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂を抑制することが可能になる。順テーパー構造のテーパー角度については、９０度未満であれば特に制限されないが、コンタクト部の接触抵抗低減の観点から３５度〜８５度が好ましく、７０度から８５度がより好ましい。
【００４０】
［第二の実施形態］
図２は本発明の第二の実施形態の赤外線センサ素子の断面模式図である。
【００４１】
第二の実施形態の赤外線センサ素子では、保護層が、第一保護層（３１）と第二保護層（３２）を含み、第一および第二保護層の側面部のそれぞれが順テーパー構造であり、段差構造（４１）を構成している。
【００４２】
保護層が第一保護層（３１）と第二保護層（３２）からなり、第一および第二保護層が段差構造（４１）を構成している場合、電極部と化合物半導体層とのコンタクト部周辺の電極部に発生する亀裂や断裂がより顕著に発生しやすいが、それにもかかわらず、第一および第二保護層の側面部の両方が順テーパー構造であることにより、電極部に発生する亀裂や断裂を抑制することが可能になる。
【００４３】
［実施例１］
次に、本願発明に係る赤外線センサ素子の具体的な製法についての実施例について説明する。
【００４４】
まず、ＧａＡｓ基板上に、Ｓｎを濃度１×１０１９［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型半導体であるＩｎＳｂ層を１μｍで形成する。さらに、その上にＺｎを濃度２．５×１０１６［ｃｍ−３］ドーピングしたｉ型半導体であるＩｎＳｂ層を２μｍ形成する。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたＡｌ０．１８Ｉｎ０．８２Ｓｂバリア層を２０ｎｍ形成する。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型半導体のＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成する。これによりｎ型半導体層とｉ型半導体層とバリア層とｐ型半導体層とがＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなす。
【００４５】
この化合物半導体積層体にレジストパターニングを行い、第一の保護層および第二の保護層にエッチングを施して図１、２に示す様な頂部と底部を有するメサ構造の化合物半導体積層部を形成する。
【００４６】
次に、化合物半導体積層部の全面に第一保護層としてＳｉＯ２を３０００ｎｍ、第二の保護層としてＳｉＮを２０００ｎｍ形成する。第一保護層はプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＨ４、Ｎ２Ｏガスを用いて形成することができる。第二保護層も同様にプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＨ４、ＮＨ３ガスを用いて形成する。
【００４７】
次に、化合物半導体積層部の頂部上の一部と、底部上の一部が開口部となるようにレジストパターニングを行い、次いでエッチングを行うことで、開口部の下の第一保護層および第二保護層を除去し、図２に示すような２層構造の保護層を形成することができる。
【００４８】
なお、エッチングはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて行い、二つの段階に分けて行っている。すなわち、第一エッチングはＣＦ４／Ｏ２混合ガスを用いて１０Ｐａで行い、第二エッチングはＣＦ４ガスのみを用いて３Ｐａで行う。
【００４９】
更に、図２に示す様な電極部を形成するためのレジストパターニングを行い、第一電極部としてＴｉを１０００ｎｍ、第二電極部としてＡｕを３０００ｎｍ蒸着し、リフトオフを行うことで、図２に示す様な保護層が形成されていない化合物半導体積層部の頂部および底部と電気的に接続される２層構造の電極部を形成して、赤外線センサ素子を得ることができる。
【００５０】
得られた赤外線センサ素子の断面を示す、ＳＥＭにより観測された画像を図３に示す。図３に示すように、実施例１に係る赤外線センサ素子において、第一保護層および第二保護層の側面部は、約７０〜７５度のテーパー角度の順テーパー構造を有することが分かる。
【００５１】
さらに、図３からも明らかなように、実施例１に係る赤外線センサ素子は、第一電極部および第二電極部には亀裂や断裂は生じていない。
【００５２】
［比較例１］
上記の実施例１における、第一の保護層および第二の保護層のエッチング工程において、エッチング条件を一段階（ＣＦ４ガス、７Ｐａ）にする以外は、実施例１と同様の方法により赤外線センサ素子を得た。得られた赤外線センサ素子の断面ＳＥＭ画像を図４に示す。この図４に示すように、赤外線センサ素子における第一保護層および第二保護層の側面部は約９０〜９５度のテーパー角度の逆テーパー構造となっている。
【００５３】
図４に示すように逆テーパー構造の赤外線センサ素子は、第一電極部および第二電極部に亀裂や断裂が生じていることが分かる。
【００５４】
上記実施例および比較例の結果から、保護層の側面部を順テーパー構造とすることにより、第二電極層の膜厚が第一電極層の膜厚の２倍以上である赤外線センサ素子においても、電極部に亀裂や断裂が生じることを防止することが可能であることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の赤外線センサ素子は、赤外線センサ装置に用いられる素子として好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  化合物半導体積層部
２０  保護層
２１  第一保護層
２２  第二保護層
３０  電極部
３１  第一電極部
３２  第二電極部
４０  側面部
４１  段差構造
【図１】
2014157928.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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